Разработка рациональных технологических процессов пластического формообразования высококачественных лезвий почвообрабатывающих орудий, обеспечивающих повышение стойкости оснастки

в настоящее время примерно одна шестая часть земель Европы находится под угрозой эрозии, т. е. вымывания плодородного слоя почвы. Во всем мире современным способом обработки земли является безотвальный способ, который существует уже примерно 40 лет и позволяет защитить землю от разрушения. Для этого разработаны почвообрабатывающие орудия, такие как культиваторы, разделяющиеся на односторонние (рис. В. 1а) и стрельчатые (рис. В. 16), лемеха — плоскорезы, пропашники, диски. Первоначально лезвия фрезеровались, что было непроизводительно, много металла уходило в стружку. В 50−80-е годы в ПИИТракторосельхозмаше велись научно-исследовательские разработки, направленные на замену механической обработки лезвий лап культиваторов на обработку давлением. Результатом такой работы явились разработанные технологические процессы изготовления лезвий на лемехах, получаемые заменой процесса заточки лезвий вальцовкой, а также штамповка лезвий односторонних культиваторных лап С-1.7 (бритв) взамен фрезеровки. В конце 80-х годов на заводе «Красный Аксай» (г. Ростов-на-Дону) были внедрены поточно-механизированные линии по изготовлению культиваторных лап С-5.23 (стрельчатых) и С-1.7 (односторонних).В 80−90-е годы изучалась возможность замены механической обработки лезвий на обработку давлением для таких изделий, как диски, долотья, лемеха — плоскорезы. Требовался глубокий анализ, позволяющий объединить всю информацию по теоретическим и экспериментальным разработкам, производственные данные по стойкости оснастки, а также данные полевых испытаний изделий, изготовленных по той или иной технологии. о Как показала практика, изделия с углами лезвий свыше а=22 и относительно узкие (длина изделия в 3−5 раз больше ширины), такие как долотья, можно изготавливать путем внедрения клина в заготовку. Такой процесс внедрен на ЗОРе (завод им. Октябрьской Революции, г. Одесса).Для изделий, имеющих относительно длинные в плане лезвия толщиной о О ОТ 3 мм до 10 мм с углами от а=6 до а=25, рекомендаций по выбору той б или иной технологии и оборудования не существовало. К таким изделиям относятся различные типы лап культиваторов: стрельчатые — без хвостовика (5 типоразмеров) и с хвостовиком (18 типоразмеров) (рис.16), плоскорежущие односторонние лапы (10 типоразмеров) (рис. 1а), лемехаплоскорезы, — так называемые рабочие органы почвообрабатывающих машин. Как показал информационный поиск, а также предварительные расчеты с применением имеющихся теоретических основ в области обработки металлов давлением, для отмеченной категории изделий отсутствовали рекомендации, как теоретического характера, так и практического. За рубежом формообразование лезвий производится как механической обработкой, так и пластическим деформированием. В нашей стране известны способы, позволяющие изготавливать лезвия, как в штампах, так и в вальцах, а также прокаткой (для лемехов).Опыт НИИТракторосельхозмаш во внедрении новых технологий показал, что эти процессы наиболее производительны и благоприятны с точки зрения условий трудав то же время, рентабельность производства, как показала практика, во многом зависит от стойкости инструмента. Если она низкая, то частые смены, переточки инструмента могут свести на «нет» все преимущества новой технологии. Поэтому при переходе с одной технологии на другую, а именно, с механической обработки на обработку давлением, необходимо заниматься вопросами не только выбора дорогостоящих, высоколегированных инструментальных сталей, но и вопросами, связанными с выбором наиболее рациональных схем деформирования. Теория обработки металлов давлением создана трудами многих ученых. К плеяде российских ученых относятся И. Губкин, Е. П. Унксов, А. И. Целиков, Е. А. Попов, А. Д. Томленов и др. Среди зарубежных ученых: Э. Зибель, Г. Закс, В. Джонсон, Э. Томсон и др. Основной базой для теории обработки металлов давлением является наука о пластической деформации металлов, задачами которой являются анализ и разработка принципиальных основ рационального построения процессов, обеспечивающих получение заготовок, а часто и готовых деталей требуемой формы /1/. Наряду с теоретическими работами постоянно проводятся большие экспериментальные работы, что позволяет тесно увязать теорию с практикой обработки металлов давлением. Исследования направлены не только по пути создания новых прогрессивных технологических процессов, но и по пути их оптимизации 111. Оптимизация осуществляется по ряду критериев, основными из которых являются: минимальная длительность и трудоемкость технологического процесса, минимальные отходы как при обработке давлением, так и при последующей обработке резанием, минимальная материалоемкость получаемых деталей при наилучших их служебных характеристиках, минимальные энергозатраты и т. д.В НИИТракторосельхозмаш проводились работы по изготовлению лезвий лап культиваторов и лемехов обработкой давлением. Некоторые темы были включены в план поисковых работ в соответствии с приказом Министерства тракторного и сельскохозяйственного машиностроения (№ 51 от 06.03.78 г.) и в связи с постановлением № 2 7 1 ЦК КПСС и Совета Министров СССР (1983г.): «О мерах по дальнейшему повышению технического уровня и качества машин и оборудования для сельского хозяйства, улучшению их использования, увеличению производства и поставок в 1983;1990 годах». К 1990 году объемы внедрения почвозащитной технологии намечено было увеличить на 20 млн. га или в 1,5 раза. Из-за низкой износостойкости культиваторных лап возрастал их объем производства. Анализ отказов культиваторов и сеялок показывал, что (40−55)% отказов приходилось на рабочие органы. Высокая износостойкость рабочих органов сельхозмашин является, с одной стороны, одним из главных факторов повышения качества обработки почвы, КПД машино — тракторных агрегатов и снижения расхода горючего на полевых работах, с другой стороны, одним из основных резервов экономии металлопроката и трудовых резервов в подотрасли. Так, например, только на рабочие органы почвообрабатывающих машин ежегодно расходовалось около 300 тыс. тонн металлопроката. Наиболее металлоемкими и дорогостоящими рабочими органами являются культиваторные (односторонние и двусторонние, стрельчатые) лапы, а также лемеха-плоскорезы, которые являются массовыми изделиями сельхозмашиностроения. Большинство существующих технологических процессов изготовления режущих кромок рабочих органов включают в себя операции фрезерования с последующей заточкой абразивными кругами. Фрезеровка и заточка лезвий являются трудоемкими операциями с тяжелыми условиями труда. В последние 10−15 лет для получения лезвий стали использовать методы обработки металлов давлением — оттяжку на механическом прессе. Однако оттяжка на прессе не позволяет получать достаточно тонкое лезвие. Требуется последующая заточка. Кроме того, получение лезвий на прессах у длинных изделий, какими являются лемеха — плоскорезы КША 07.030-СБ, затруднено. Проведенные экспериментальные исследования показали, что процессы с использованием обработки давлением наиболее производительны и благоприятны с точки зрения условий труда, в условиях массового производства позволяют с максимальной степенью использовать автоматизацию. Пример тому — автоматизированные поточные линии по изготовлению лап культиваторов С-5.23 и С-1.7 на «Красном Аксае» (г. Ростов-на-Дону), внедренные в конце 80-х годов. Практика внедрения этих линий показала недостатки при разработке технологии изготовления лезвий в штампах на чеканочных прессах. Процесс был новым, не было никаких статистических данных о стойкости инструмента для такой технологии. Основным критерием выхода из строя штампов являлось смятие рабочих поверхностей. Этот фактор отразился на выборе основного направления работы — изучении напряженного состояния в очаге деформации и его оптимизации с целью повышения стойкости технологической оснастки. В теоретическом плане по осадке клиновидных тел известны работы Е. П. Унксова /3/, Л. А. Шофмана 141, А. Д. Томленова 151, В. В. Соколовского /6/, Е. М. Макушка /7/. Установлено, что процесс осадки клина мало изучен, а методы расчета его имеют ограниченное применение и недостаточную достоверность. Экспериментальных данных не хватает для широкого использования и внедрения знаний на практике. В настоящей работе оптимизация напряженного состояния в очаге деформации сводилась к минимизации удельных деформирующих сил как расчетным, так и экспериментальным путем, к замене существующих схем деформации и термодинамических параметров. Цель работы: повышение стойкости технологической оснастки при пластическом формообразовании лезвий и износостойкости почвообрабатывающих орудий с лезвиями. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать математическую модель силового режима пластического формообразования клина с учетом трансформации очага деформации и кинематики течения.2. Установить влияние схемы напряженного состояния на характер деформирования и силовые параметры при пластическом формообразовании лезвий.3. Установить влияние смазывания на кинематику течения и силовой режим при формообразовании лезвий.4. Осуществить оценку влияния геометрических параметров лезвия на силовой режим при его штамповке.5. Разработать термодинамический режим процесса изготовления лезвий.6. Разработать технологические процессы изготовления лезвий, соответствующие рациональным схемам напряженного состояния и новым термодинамическим параметрам. Научная новизна работы: а) Разработана методика определения силовых параметров при формообразовании лезвий с широким диапазоном углов с учетом трансформации очага пластической деформации и кинематики течения. Предложенный подход позволил уточнить на 12 — 40% ранее известные зависимости для определения силового режима и расширить диапазон изучаемых задач. б) Экспериментально-аналитическим путем доказана возможность снижения удельных сил деформирования при создании в очаге пластической деформации разноименной схемы напряженного состояния. Теоретическое исследование показало, что выигрыш в силе составляет 1420%, а экспериментально- 30−35%. в) Экспериментально выявлен эффект трансформации очага деформации, позволяющий объяснить снижение удельных сил деформирования при наложении растягивающих сил. Это явление позволит управлять кинематикой течения не только при осадке клиновидных тел, но и во многих процессах ОМД. г) Построено уравнение рефессии для осадки клиновидных тел, позволившее выявить рациональные термодинамические режимы и прогнозировать стойкость штамповой оснастки. д) Экспериментально доказано, что осадка клиновидных тел с фаской позволяет снизить удельную силу деформирования в 2,5−3 раза, увеличить длину лезвия на треть, а режущую кромку довести до величины Ь=0,2-^0,5 мм. е) Экспериментально доказано, что в присутствии смазочных материалов положение нейтральной линии смещается в сторону уширения клина, что приводит к возникновению дополнительной выталкивающей силы, снижению общей силы деформирования. Наличие смазочных материалов позволяет снизить удельные силы деформирования на 15−20%, а при приложении дополнительных растягивающих сил к заготовке — до 50%. ж) Разработаны новые технологические процессы, позволяющие снизить удельные силы деформирования при формообразовании лезвий, повысить стойкость оснастки, а также повысить износостойкость изделий. Новизна процессов, разработанных на основе полученных экспериментальных и аналитических данных, подтверждена 4 авторскими свидетельствами. Практическая ценность.Данная работа позволяет увязать в единую технологическую цепь ряд факторов, от которых зависит эффективность производства. Возможность управления ими и прогнозирования качества позволяет увеличить конкурентоспособность изделий уже на стадии разработки технологического процесса. Многофакторное планирование позволило не только сократить эксперимент и математически обработать результаты, но и объединить все важные факторы в одну зависимость и указать на значимость эффекта взаимодействия этих факторов. Проведенный анализ позволил выбрать рациональные оборудование и термодинамические режимы процесса. Прогнозирование стойкости инструмента, основанное на выведенной зависимости для определения силовых параметров осадки клина, регрессионного анализа, охватывающего влияние ряда значимых факторов, а также усталостных кривых дает ценный практический материал для разработчика технологии. Разработанные техпроцессы позволяют снизить удельные силы деформирования в 2−3 раза, а рационально выбранный термодинамический режим — увеличить стойкость штамповой оснастки в 4−8 раз. Лезвия с удлиненной режущей частью, образуемые при осадке клина с фаской, позволяют увеличить срок службы таких изделий на треть и сократить программу выпуска, позволяя экономить металл. Высокая стойкость штампов при этом решает проблемы рентабельности производства, а увеличение износостойкости изделий позволяет создавать конкурентоспособную продукцию. Реализация результатов работы. Технология изготовления лезвий с фаской была внедрена на заводе «Красный Аксай» (г. Ростов-на-Дону) на поточно-механизированных с линиях по изготовлению лап культиваторов С-5.23 и С-1.7. Разработанные технологии изготовления лезвий с дополнительно приложенной растягивающей силой были опробованы в лабораторных условиях НИИТракторосельхозмаш по линии научно-поисковых работ с выдачей рекомендаций по внедрению их в производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основе анализа существующих аналитических методов расчета деформирующих сил установлено, что известные формулы для осадки клиновидных тел имеют большие расхождения с экспериментальными данными, особенно для углов 10°. Закладываемые в известные теории ограничения и допущения не всегда адекватны кинематическим условиям течения.

На основе предварительного изучения трансформации очага деформации и кинематики течения, позволивших выявить зоны интенсивной деформации и «жесткие» зоны, а также комбинирования «инженерного» метода с методом линий скольжения получены новые решения для определения силового режима процесса осадки клиновидных тел.

Это позволило уточнить известные формулы примерно до 12−40% и расширить их применение для всего диапазона углов, используемых для лезвий (до 25°). Предложенная математическая модель адекватно отражает кинематику течения и поведение металла как в крайних «особых» точках, так и в центральной зоне.

В результате проведенной работы сделан вывод, что точность вычисления силы деформирования сильно зависит от учета кинематики. Выведенные зависимости и методика расчета рекомендуются для практического использования в инженерной практике и для аналитического исследования других процессов ОМД.

2. Изучено влияние схемы напряженного состояния на силу деформирования. Доказано, что разноименная схема напряженного состояния дает выигрыш в силе: по теоретическим данным- 14−20%, а по экспериментальным- 30−35%.

Для схемы осадки с растяжением даны рекомендации и выведены ограничения для растягивающей силы в зависимости от угла лезвия: при углах а< 10° - aQ^(0,8±0,9)as, при угле а=15° - gq=0,7os.

В результате проведенной работы сделан вывод, что разноименная схема напряженного состояния позволяет добиваться снижения удельных сил деформирования и ее рекомендуется использовать при решении вопросов повышения стойкости оснастки, особенно для малых углов а.

3. Экспериментально изучено влияние смазывания на кинематику течения и на силовой режим процесса. Смазывание рабочих поверхностей инструмента позволяет увеличивать технологические возможности процесса путем увеличения степени обжатия заготовки.

Рациональное применение смазывающих материалов позволяет снизить удельные силы деформирования на 15−20%, а при приложении дополнительных растягивающих сил к заготовке — до 50%, что является существенным резервом повышения стойкости штамповой оснастки.

4. Стойкостью штампов можно управлять, изменяя конфигурацию деформируемой заготовки. Изготовление лезвий с малыми углами (об- 10−45°) и острыми кромками (h=0,2-И), 5мм) эффективно осуществлять с передней фаской (а=15°). Снижающиеся более чем в два раза удельные силы деформирования позволяют, как минимум, пятикратно увеличивать стойкость инструмента.

5. Изучен термодинамический режим осадки клиновидных тел. На основе многофакторного эксперимента, учитывающего четыре фактора, получено уравнение регрессии, анализ которого позволил рекомендовать рациональные режимы обработки и обоснованно подойти к выбору оборудования.

При изготовлении лезвий рекомендовано: широкое использование ковочного оборудования (КГШП и вальцев), предельные удельные силы деформирования — р<650−700МПа, температура деформирования — не ниже.

950 °C, передняя кромка лезвия — 1т^2мм (при деформировании малых углов без фаски), или Ь=0,2⁰, 5 мм (при деформировании с фаской).

Совместное использование уравнения регрессии и кривых усталости позволяет прогнозировать стойкость штампов на стадии разработки.

6. На основе аналитических и экспериментальных исследований разработаны и опробованы технологические процессы изготовления лезвий на штампах и в ковочных вальцах, позволяющие значительно повысить стойкость инструмента.

Разработанная технология изготовления лезвий культиваторных лап С-5.23 и С-1.7 с фаской позволила при внедрении на заводе «Красный Аксай» (г. Ростов-на-Дону) достигнуть пятикратного увеличения стойкости штамповой оснастки. Увеличенная на треть длина лезвия позволила повысить износостойкость изделий. В результате снижения программы выпуска существенно увеличилась экономия металла (4тыс.т) и сокращены производственные площади.