Прессование с раздачей в режиме полугорячей штамповки

Одной из основных тенденций развития современного машиностроения является разработка и внедрение новых технологий, повышающих качество изделий, снижающих трудоемкость, материалоемкость, себестоимость их изготовления. Особенно это актуально для изделий, к которым предъявляются высокие требования, как по точности конструктивных элементов, так и по высоким эксплуатационным характеристикам. К таким изделиям относятся корпусные осесимметричные изделия с толстым дном и тонкой стенкой, нашедшие широкое применение в различных отраслях промышленности и часто изготавливаемые методами обработки давлением. Обработка металлов давлением (ОМД) является одним из самых металлосберегающих производств, так как отходы при штамповке значительно ниже, чем при других способах производства. Однако использование при объемной штамповке прутковых заготовок приводит иногда к трудностям их получения в условиях массового производства. В техническом вооружении промышленности процессы ОМД играют весьма существенную роль, так как операции ОМД позволяет получать заготовки или детали необходимых форм, размеров и требуемых эксплуатационных свойств, что дает возможность рассматривать обработку давлением как составной элемент технологии производства различной продукции. Кроме того, обработка давлением является одним из самых металлосберегающих производств, так как отходы при производстве поковок и штамповок значительно ниже, чем при других способах производства. В целом эти отходы не присущи технологии объемной штамповке и большее или меньшее их количество характеризует лишь степень достигнутого технического совершенства данного производства поковок. Однако использование при объемной штамповке прутковых заготовок приводит иногда к трудностям их получения в условиях массового производства.

В настоящее время используются новые подходы к технологии изготовления за счет применения перспективных методов обработки металлов давлением, к которым относится неполная горячая (полугорячая) обработка металлов и сплавов. Полугорячая штамповка позволяет значительно повысить деформационную способность металла, снизить удельную нагрузку на инструмент и, что еще более важно, за счет определенного подбора термомеханических режимов таких, как температура нагрева, степень и скорость деформации, скорость охлаждения после деформации получать детали с требуемыми эксплуатационными свойствами.

Применение полугорячего прессования с раздачей, повышая деформационную способность металла, дает возможность изменять в процессе обработки диаметральные размеры, позволяя использовать заготовки с оптимальным соотношением высоты и диаметра. Анализ полугорячей деформирования с точки зрения практической реализации показывает, что процесс представляет собой сумму сложных взаимосвязанных термомеханических воздействий: нагрев заготовки, пластическую деформацию и охлаждение после деформации, требующих построение сложных взаимосвязанных термомеханических моделей. Однако исследования пластического формоизменения, расчета температуры деформируемого тела и определения механических свойств в результате охлаждения, не нашло еще достаточно широкого применения в обработке давлением при разработке юхнологических процессов.

В связи с этим возникает актуальная научная задача по разработке рекомендаций, направленных на технологическое обеспечение процесса полугорячего прессования с раздачей, как комплексного взаимосвязанного исследования пластического формоизменения и расчета температуры деформируемого материала с целью формирования требуемых эксплуатационных свойств.

Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей методом полугорячего прессования с раздачей путем разработки теоретически обоснованных режимов технологических процессов, обеспечивающих формирование требуемых эксплуатационных свойств, сокращение трудоемкости и материалоемкости.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Сформулировать определяющие соотношения и уравнения осесимметрич-ного пластического течения материала для анализа операций полугорячего прессования с раздачей с учетом влияния неоднородности температуры и охлаждения.

2. Определить характер изменения температуры в заготовке в процессе осе-симметричного полугорячего прессования с раздачей, который дает возможность учета его влияния на формирование эксплуатационных свойств в деталях.

3. Провести экспериментальные исследования и получить математические зависимости механических характеристик стали 18ЮА от температуры для режима полугорячей штамповки.

4. Выполнить теоретический анализ операции полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей.

5. Установить влияние технологических параметров, температуры и скорости охлаждения на силовые режимы, напряженно-деформированное состояние и формирование механических свойств в деталях в процессе полугорячего прессования с раздачей.

6. Разработать пакет прикладных программ для расчета технологических параметров операций полугорячего прессования цилиндрических деталей.

7. Дать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей с использованием операции полугорячего прессования с раздачей с заданными эксплуатационными свойствами.

Объект исследования. Технологические процессы прессования с раздачей в режиме полугорячей штамповки.

Предмет исследования. Прессование с раздачей цилиндрических деталей в режиме полугорячей штамповки.

Методы исследования. Исследования операции прессования с раздачей цилиндрических деталей в режиме полугорячей штамповки выполнены с использованием основных положений теории пластичности и базируются на использовании законов осесимметричного течения вязкопластической среды и элементов теории теплопроводности. Расчет силовых параметров процесса осуществлен численно методом локальных вариаций с учетом температурной неоднородности механических свойств материала в зоне деформации. Анализ напряженного и деформированного состояния и температурных воздействий осуществлен аналитически решением соответствующих уравнений. Автор защищает:

— основные уравнения и соотношения осесимметричного пластического течения материала для анализа операций полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей с учетом влияния неоднородности температуры и охлаждения;

— экспериментально определенные математические зависимости влияния температуры на механические свойства материала для режима полугорячей штамповки;

— результаты теоретических исследований полугорячего прессования с раздачей;

— установленные количественные зависимости влияния технологических параметров, температуры и скорости охлаждения на силовые режимы и напряженно-деформированное состояние процесса полугорячего прессования с раздачей цилиндрических заготовок и формирование заданных эксплуатационных свойств;

— пакет прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров операции полугорячего прессования с раздачей с учетом влияния температуры и скорости охлаждения;

— разработанные рекомендации по проектированию технологии изготовления корпусных деталей па базе операций полугорячего прессования с раздачей, обеспечивающей формирование требуемых эксплуатационных свойств.

Научная новизна: Установление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния, температуры на основе решения комплексной термомеханической задачи, позволяющей прогнозировать формирование механических свойств, получаемых заготовкой в процессах полугорячего прессования с раздачей.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и создан пакет прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических режимов операций полугорячего прессования с раздачей для цилиндрических деталей, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, прогнозирование эксплуатационных свойств, сокращение сроков подготовки производства новых деталей.

Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности 170 104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» и включены в разделы лекционных курсов «Технологическая механика», «Современные методы подготовки производства», а также применяются в научно-исследовательской работе студентов и при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (Тула, 2012), на ежегодной магистерской научно-технической конференции Тульского государственного университета (Тула, 2008, 2009), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2010 — 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 98.

5.6. Основные результаты и выводы.

1. Разработана усовершенствованная методика проектирования технологии изготовления стальноый охотничьей гильзы из цилиндрических заготовок на базе операций полугорячего прессования с раздачей. Новизной методики является возможность прогнозирования силовых и деформационных характеристик, механических свойств на основе разработки научно обоснованных режимов технологических процессов при рациональном выборе заготовок.

2. На основе предложенной методики разработан технологический процесс изготовления стальной охотничьей гильзы.

3. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технологического процесса обеспечивается простотой реализации данного способа, так как предлагаемая технология изготовления не требует высокоточного мощного оборудования для обеспечения требуемой точности и дает возможность формирования эксплуатационных свойств за счет выбора термомеханических режимов обработки. Трудоемкость изготовления охотничьей гильзы уменьшается на 30% по сравнению с существующей технологией, повышается коэффициент использования металла на 35% с сокращением сроков подготовки производства в 1,4 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена актуальная научная задача, имеющая важное хозяйственное значение для отраслей машиностроения и состоящая в повышении эффективности изготовления цилиндрических деталей методом полугорячего прессования с раздачей путем разработки научно обоснованных режимов технологических процессов, обеспечивающих формирование требуемых эксплуатационных свойств, сокращение трудоемкости и материалоемкости.

В результате теоретического и экспериментального исследований процесса полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Сформулированы определяющие соотношения и уравнения осесиммет-ричного пластического течения материала для анализа операций полугорячего прессования с раздачей, позволяющие определять напряженно-деформированное состояние, мощность и работу пластической деформации, и прогнозировать формируемые механические свойства деталей.

2. Определен характер изменения температуры в заготовке в процессе осе-симметричного полугорячего прессования с раздачей, который дает возможность учета его влияния на формирование эксплуатационных свойств в деталях.

3. Проведены экспериментальные исследования и получены математические зависимости механических характеристик (предела текучести, коэффициента вязкости) стали 18ЮА от температуры.

4. Выполнен теоретический анализ операции полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей, с определением силовых режимов, полным анализом напряжено-деформированного состояния. Полученные результаты вычислений показывают, что предложенный метод, основанный на вариационном принципе и учитывающий изменение температуры в заготовке в процессе обработки, позволяет определять не только деформированное и напряженное состояние, но и прогнозировать формирование эксплуатационных свойств у получаемых деталей.

5. Установлено, что процесс полугорячего прессования с раздачей малоуглеродистых сталей можно проводить:

— в температурном интервале 740.780°С, при этой температуре, пластические свойства повышаются, а окалинообразование еще минимальна, что дает возможность проводить расчет технологических операций без ее учета;

— со степенями деформации ^ = 0,6.0,7. Удельная сила при этом ~ 1400 МПа меньше рекомендуемых предельно допустимых значений;

— с получением диаметра детали в 1,33 раза больше диаметра заготовки. Это позволяет значительно увеличить высоту заготовки примерно в 1,7 раза и дает возможность использовать заготовки с соотношением высоты к диаметру H/D=l, 27, то есть H/D > 1, а при применении, например, операции обратного выдавливания заготовка имеет отношение H/D = 0,55. Заготовки с соотношением высоты к диаметру H/D > 1 можно получать в обычных штампах, не используя специальные штампы, например, с дифференцированным зажимом, что значительно сокращает трудоемкость производства и повышает производительность;

6. Проведен полный анализ процессов пластического формоизменения с определением силовых параметров, с учетом локальных неоднородностей распределения температуры. Сравнение полученных результатов показывает, что мощность пластической деформации уменьшилась на 12,66%, произошла и некоторая корректировка действительного поля, составляющей скорости перемещения по оси. Это говорит о необходимости учета неоднородности температуры в процессах полугорячей деформации.

Формирование получаемых механических свойств, происходит в основном в процессе охлаждения. На основании проведенных расчетов, охлаждения зоны пластической деформации полуфабриката полугорячего прессования с раздачей на воздухе со скоростью Ь= 3°/с, получено распределение интенсивности напряжений и соответствующее им значение твердости, которое показало, что для малоуглеродистой стали охлаждение на воздухе с температуры полугорячей обработки дает твердость НУ = 130. 145, соответствующую твердости рекри-сталлизационного отжига. Это дает возможность исключить операцию рекри-сталлизационного отжига из технологии, сократив таким образом трудоемкость производства деталей.

7. Разработан пакет прикладных программ для расчета технологических параметров и изменения температуры в заготовке в процессах полугорячего прессования цилиндрических деталей. Использование пакета прикладных программ дает возможность уменьшить время проведения технологических расчетов и сократить сроки освоения выпуска продукции.

8. Даны рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей заданными эксплуатационными свойствами. Новизной методики является возможность оптимизации режимов на основе анализа напряженно-деформированного состояния материала и изменения температуры, позволяющей получать требуемые эксплуатационные свойства.

На основе предложенной методики, разработан технологический процесс изготовления стальной охотничьей гильзы с использованием операции полу горячего прессования с раздачей. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технологического процесса связана с применением прутковой заготовки, с оптимальным соотношением высоты и диаметра. При этом коэффициент использования материала повышается с 0,6 до 0,9 и снижается трудоемкость ее получения рубкой прутка на 15.20%. Применение полугорячей деформации в производстве деталей из малоуглеродистой стали, позволяет исключить их технологического процесса рекристаллизационный отжиг после пластической деформации, что также сокращает трудоемкость. В целом трудоемкость изготовления охотничьей гильзы уменьшается на 30%о по сравнению с существующей технологией, повышается коэффициент использования металла на 35%) с сокращением сроков подготовки производства в 1,4 раза. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности 170 104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем», а также в научно-исследовательской работе студентов.