ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА МАШИНОБУДІВНА АКАДЕМІЯ
ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА МАШИНОБУДІВНА АКАДЕМІЯ
Кухар Володимир Валентинович
УДК 621.735.32: 621.73.043:
621.73.011-016
УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ОБ’ЄМНОГО ШТАМПУВАННЯ ПОКОВОК
ІЗ ЗІГНУТОЮ ВІССЮ НА БАЗІ НОВОГО СПОСОБУ ОДЕРЖАННЯ
ПРОФІЛЬОВАНОЇ ЗАГОТОВКИ
Спеціальність 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Краматорськ –
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано у Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ДІАМАНТОПУЛО Костянтин Костянтинович,
Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь),
доцент кафедри ковальсько-штампувального виробництва
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
ОГОРОДНІКОВ Віталій Антонович,
Вінницький національний технічний університет (м. Вінниця),
завідувач кафедри опору матеріалів та прикладної механіки
кандидат технічних наук, доцент
ГРИНКЕВИЧ Володимир Олександрович,
Національна металургійна академія України (м. Дніпропетровськ),
докторант кафедри “Обробка металів тиском”
Провідна установа:
Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра “Обробка металів тиском”, м. Харків
Захист відбудеться “_19_”__грудня___2003 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .105.01 по захисту дисертацій Донбаської державної машинобудівної академії (84313, Краматорськ, вул. Шкадінова 72, корпус 1).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії за адресою: 84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова 72, корпус 1.
Автореферат розісланий 15.11.2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д .105.01,
доктор технічних наук, професор О.В. Сатонін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У теперішній час максимально гостро відчуваються проблеми метало- та енергозбереження, вирішення яких дає суттєвий резерв для зменшення собівартості продукції та підвищення її конкурентоспроможності в ринкових умовах.
Одержання профільованих заготовок у штампах кривошипних гарячештампувальних пресів (КГШП), які розраховані на крупносерійне та масове виробництво, стримується постійністю величини їх ходу. Тому при виробництві поковок із перепадами поперечного перерізу по довжині необхідно залучати додаткове спеціалізоване профілююче устаткування (кувальні вальці, стани поперечно-клинового прокатування, пароповітряні молоти та ін.), що, при зниженні серійності випуску, стає нерентабельним. Це змушує відмовлятись від профілювання заготовок перед штампуванням і створює певне протиріччя, яке призводить до суттєвого зменшення показників ефективності використання металу, зниження стійкості штампів, збільшення енергетичних витрат при нагріванні й штампуванні, що також негативно впливає на собівартість продукції.
Вирішення цього протиріччя можливе для деяких типів поковок із зігнутою віссю завдяки впровадженню нової профілюючої операції – осаджування високих заготовок із поздовжнім згином внаслідок утрати стійкості. Така операція поєднує три переходи: осаджування для збивання окалини, підкатування та згинання. Напівфабрикат, що отримують, наближається до конфігурації поковок типу “вилка”, “гайка-баранчик” тощо, виключаючи застосування додаткового профілюючого устаткування та ускладнення штампового інструменту, яким виступають звичайні плоскі осаджувальні плити. Не виключене використання такої операції для підготовки заготовок під холодне чи безоблойне об’ємне штампування, в тому числі і на гідравлічних пресах.
Відомості про технологічні процеси із використанням осаджування із утратою стійкості заготовок (ОУСЗ) обмежені, а розробка ефективних технологій штампування на основі даного способу профілювання стає неможливою без комплексних теоретичних і експериментальних досліджень формозміни заготовок, які раніше не проводили.
Виходячи з викладеного вище, тема виконаної дисертації є актуальною. Дисертаційна робота відповідає Національній програмі “Енергоресурсозбереження” та пріоритетному напряму “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, що визначений Законом України від 11 липня 2001 р. № 2623-III “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки”.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає тематичним планам ПДТУ 1999–2003 рр. за науковими напрямами “Теоретичні та експериментальні дослідження процесів обробки металів із метою створення енергозберігаючих технологій, підвищення якості металопродукції та економії матеріалів” і “Розробка енерго- та ресурсозберігаючих, екологічно чистих технологій”. Дисертацію виконано в рамках госпдоговірної роботи № 17/01 із ВАТ “Херсонський завод карданних валів” (“ХЗКВ”), № ДР 0102U001010 (автор брав участь як відповідальний виконавець) і держбюджетних робот Д11/03 (№ ДР 0103U006213) кафедри ковальсько-штампувального виробництва та Д15/03 (№ ДР 0103U006215) кафедри теплофізики і теплоенергетики металургійного виробництва ПДТУ.
Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності виробництва поковок із зігнутою віссю на основі розвитку аналітичних методів розрахунку, комплексного вивчення основних закономірностей формозміни при профілюванні ОУСЗ та розробки рекомендацій щодо удосконалення його технологічних режимів.
Досягнення поставленої мети потребує вирішення наступних задач:
-
проаналізувати та систематизувати технологічні можливості способів профілювання заготовок для визначення напрямів удосконалення процесів штампування поковок із зігнутою віссю;
-
розробити розрахункову схему процесу ОУСЗ, виконати теоретичні та експериментальні дослідження кінцевої формозміни заготовок; визначити область технологічних параметрів, в якій гарантовано виключена поява дефекту типа “затиск”; розробити математичні моделі формозміни для прогнозування основних геометричних характеристик напівфабрикатів;
-
розробити методику розрахунку потрібних розмірів заготовки і ступеня осаджування виходячи з геометричних характеристик поковки та її епюри діаметрів;
-
визначити раціональну форму температурного поля, що накладають на довжину заготовки при інтенсифікації способу профілювання ОУСЗ методами диференційованого або нерівномірного нагрівання; розробити математичну модель зміни форми нерівномірного температурного поля у часі для отримання вихідних даних щодо проектування нагрівачів і темпу штампування;
-
визначити область застосування ОУСЗ в якості профілюючої операції попереду об’ємного штампування поковок із зігнутою віссю;
-
провести випробування та впровадження результатів досліджень у виробництво у вигляді вдосконалених технологій штампування та рекомендацій.
Об’єкт дослідження: технологія штампування поковок із зігнутою віссю.
Предмет дослідження: процес формозміни високих заготовок при їх підготовці під об’ємне штампування шляхом осаджування із поздовжнім згином внаслідок утрати стійкості.
Методи дослідження: В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пластичності й обробки металів тиском, що містять варіаційні принципи механіки суцільного середовища, постулати стійкості, інженерні та чисельні підходи. Експериментальні методи (загальні та розроблені автором) містили фізичне моделювання, металографічні дослідження, натурні експерименти із застосуванням безпосереднього вимірювання сили деформування, лінійних розмірів та геометричних характеристик для визначення деформованого стану; для обробки й узагальнення результатів використані основні принципи теорії подібності, статистичної обробки і регресійного аналізу. В основу математичного моделювання температурного поля був покладений скінчено-різницевий метод елементарних балансів.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
·
одержав подальший розвиток спосіб профілювання, придатний для технологій штампування на КГШП, що поєднує у собі три переходи, які повинні були б виконуватись окремо: збивання окалини, підкатування та згинання;
·
на основі розгляду у статиці процесу ОУСЗ теоретично розроблена узагальнена розрахункова схема, яка дозволяє перейти до оцінки геометричних характеристик профільованої заготовки; аналітично виведені інженерні формули, що визначають граничні технологічні параметри способу профілювання, в тому числі максимально допустимий ступінь осаджування, який обмежується умовами виникнення дефекту типа “затиск”; вперше встановлені закономірності розподілу стовщень по довжині профільованої заготовки та розроблена методика розрахунку коефіцієнта підкатування й основних показників технологічної нерівномірності деформації при ОУСЗ;
·
вперше експериментально отримані закономірності геометричної формозміни заготовок, що осаджують, із відношенням довжини L0 до діаметру D0 від 3,0 до 6,0; розроблена математична модель прогнозування кінцевої геометричної формозміни заготовок при профілюванні ОУСЗ, на базі якої створена методика розрахунку габаритних розмірів заготовки та потрібного ступеня осаджування при їх визначенні для геометричних характеристик певної поковки із зігнутою віссю й епюри діаметрів, що побудована для її розгортки;
·
створена інженерна методика розрахунку зусилля профілювання;
·
вперше запропоновані способи, що розширюють сферу застосування ОУСЗ шляхом інтенсифікації профілювання заготовки нагріванням її в нерівномірному температурному полі, та визначена потрібна закономірність розподілу температури по довжині заготовки при осаджуванні; розроблена та реалізована математична модель зміни форми нерівномірного температурного поля для одержання даних щодо проектування нагрівачів і встановлення часу на перенесення заготовки до штампу (для вибору засобів автоматизації тощо); розроблена методика визначення мінімальної температури нагрівання заготовки або її приторцевих ділянок при нерівномірному нагріванні з урахуванням нормальної стійкості штампів.
Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи дозволяють: прогнозувати формозміну заготовки при профілюванні ОУСЗ, розраховувати показники нерівномірності деформації, визначати зусилля профілювання, виключати дефектоутворення “затиску”; визначати діаметр, довжину та ступінь осаджування заготовки під поковку із завданою конфігурацією; визначати характер розподілу температур для розрахунку нагрівача при нерівномірному нагріванні заготовки, встановлювати час на перенесення заготовки від індуктора до преса й обирати засоби автоматизації (у разі потреби).
Розроблені та запроваджені у виробництво на ВАТ “ХЗКВ” удосконалені технології штампування поковок “вилка ковзна” (економія металу 18 %, підвищена продуктивність на 17 %) та “вилка кардану приварна” (економія металу 23 %, підвищена продуктивність на 17 %). Економічний ефект від упровадження для останньої поковки склав 356 грн/т.
Удосконалена, випробувана й прийнята до впровадження на ВАТ “Азов” технологія штампування поковки “гайка-баранчик” (досягнута економія металу 41 % у порівнянні з базовою технологією й 15 % у порівнянні зі способом виробництва “гайки-баранчик” литтям). Рекомендації з розширення області застосування ОУСЗ методами диференційованого та нерівномірного нагрівання прийняті до впровадження на ВАТ “ХЗКВ” і ВАТ “Азов”.
Особистий внесок здобувача складається з наступного: проаналізовані та систематизовані способи одержання профільованих заготовок і поковок, до яких пристосований спосіб профілювання ОУСЗ, теоретично обґрунтована розрахункова схема ОУСЗ, визначені граничні технологічні параметри, теоретично отримані та експериментально перевірені закономірності розподілу деформацій стовщення по довжині заготовки, створені методики визначення показників технологічної нерівномірності деформації, виконані експериментальні дослідження та статистичне опрацювання одержаних даних, розроблені математична модель формозміни та методика розрахунку заготовки й ступеню обтиснення, розширена область застосування ОУСЗ шляхом використання диференційованого або нерівномірного нагрівання, проведене математичне моделювання зміни нерівномірного температурного поля по довжині заготовки, розроблена методика розрахунку мінімальної температури нагрівання заготовки для забезпечення нормальної стійкості штампів, створені програмні засоби, а також взято участь у впроваджені отриманих результатів у виробництво.
Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися й обговорювалися на V–Х Регіональних науково-технічних конференціях (м. Маріуполь, 1998-2003 рр.); на науково-практичній конференції “Університет і місто”, присвяченій 70-річчю ПДТУ (м. Маріуполь, 2000 р.); на Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Перспективні технології та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії” (м. Краматорськ, 1999-2001 рр.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення процесів і обладнання виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування” (мм. Краматорськ-Слов’янськ, 2000 р.); на VIII Міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів”, присвяченій 100-річчю ЗДТУ (м. Запоріжжя, 2000 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском” (м. Вінниця, 2001 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин” (м. Хмельницький, 2001 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м.м. Краматорськ-Хмельницький, 2002 р.); на VI Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” присвяченій 100-річчю з дня народження акад. О.П. Чекмарьова (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення та перспективи розвитку процесів та машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2003 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції молодих спеціалістів “Азовсталь-2003” (м. Маріуполь, 2003 р.).
Публікації. Матеріали роботи викладені у 28 друкованих роботах, в тому числі в 14 статтях у 14 фахових виданнях ВАК та у 4 патентах України.
Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків і додатків. Повний обсяг – 341 сторінка, з них 139 сторінок основного машинописного тексту. Робота містить 116 рисунків на 59 сторінках, 8 таблиць, список використаних джерел із 355 найменувань та 8 додатків на 100 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У ВСТУПІ наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми, її наукова новизна та практичне значення, визначені мета і задачі досліджень, представлені особистий внесок здобувача та апробація результатів дисертації, висвітлені положення, що захищаються.
АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ТЕХНОЛОГІЙ ПІДГОТОВКИ ЗАГОТОВОК, ПРОЦЕСІВ ОБ’ЄМНОГО ШТАМПУВАННЯ ПОКОВОК СКЛАДНОЇ КОНФІГУРАЦІЇ ТА МЕТОДІВ ОЦІНКИ ВІЛЬНОЇ ФОРМОЗМІНИ
Проведений аналіз технологій профілювання й штампування виявив досить багато способів підготовки заготовок, які спрощено систематизували: а) за задіяним устаткуванням (основним штампувальним або додатковим спеціалізованим); б) за обмеженням плину металу порожнинами інструменту (із заповненням металом деформуючого профілю або з вільною формозміною). Відомо, що здійснення профілювання заготовок традиційними способами у штампах КГШП утруднено, а відмова від підготовчих операцій приводить до збільшення кількості облою. Придатним способом профілювання заготовок під поковки із зігнутою віссю тут виступає лише ОУСЗ. Умови вільної формозміни заготовки також виключають використання згинального рівчака.
Сучасний стан розвитку технологій профілювання та об’ємного штампування поковок складної конфігурації визначають роботи І.Л. Акаро, І.С. Алієва, К.Н. Богоявленського, В.О. Євстратова, В.В. Єрмілова, О.З. Журавльова, В.В. Каржана, А.В. Ребельського, І.О. Сивака, Е.І. Семенова, А.Г. Сергєєва, А.Г. Овчинникова, В.А. Огороднікова, Г.П. Тєтєріна, В.О. Тимощенка, В.П. Черниченка, В.Джонсона, Ш.Кабояші, Х.Кудо та ін. За даними І.Л. Акаро, поковки з відростками та зігнутою віссю є найменш технологічними (коефіцієнт використання металу 0,2).
Проаналізовано методи інтенсифікації формозміни у процесах обробки металів тиском. Розглянуто методи теоретичного і експериментального аналізу процесів із вільною формозміною. Дослідженню формозміни заготовок у процесах осаджування, висаджування, а також згинання присвячені роботи Р.О. Вайсбурда, О.О. Ганаго, А.Ф. Головіна, В.О. Гринкевича, М.Є. Зубцова, С.М. Губкіна, И.П. Ренне, Л.М. Качанова, В.А. Огороднікова, Я.М. Охрименка, О.О. Поздєєва, Г.В. Проскурякова, Л.М. Соколова, В.І. Стеблюка, В.О. Тюрина, І.Я. Тарновського, О.Д. Томленова, Є.П. Унксова та ін., але увага дослідників була сконцентрована на деформуванні заготовок із довжиною L0, яка не перевищує 2,5…3,2 діаметра D0, або на заповненні висаджувальних рівчаків. Установлено, що досить докладно вивчені закономірності поперечного згину та подвійного бочкоутворення на початкових стадіях осаджування заготовок із L0/D0 > 2,5, але формозміна при ОУСЗ залишалась поза увагою дослідників.
Проведений аналіз стану питання дозволив визначити мету й задачі дослідження.
ВИБІР НАПРЯМКУ ТА МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕННЯ
Обґрунтований вибір напрямку підвищення техніко-економічних показників процесів гарячого об’ємного штампування на основі вдосконалення та розробки нових економічних способів попереднього профілювання заготовок, розвитку методів теоретичного й експериментального аналізу формозміни металу. Показано, що для одержання даних на розробку технологічних процесів із використанням ОУСЗ слід зосередитись на вивченні геометричної формозміни заготовки.
В основу розробки розрахункової схеми та теоретичного розглядання формозміни при ОУСЗ були покладені інженерний та варіаційний методи. Для рішення уточненого диференціального рівняння кривизни вісі заготовки обране розглядання задачі ОУСЗ в окремо взяту мить часу (у статиці), а для відшукання закономірностей розподілу деформацій стовщення по довжині розгортки профільованого напівфабрикату застосований прямий варіаційний метод Рітца. Визначені два найбільш суттєвих фактори, що впливають на формозміну циліндричної заготовки при профілюванні ОУСЗ: відносна висота (довжина) заготовки (m0 = L0/D0) та ступінь осаджування у.
Розроблена методика проведення експериментальних досліджень із вивчення закономірностей формозміни при ОУСЗ, для чого обрані натурні експерименти із безпосередніми замірами геометричних характеристик, застосуванням теорії подібности, математичної статистики, металографії; розроблена методика апроксимації тривимірних графічних залежностей параметрів формозміни для створення математичних моделей для їх прогнозування. Експерименти проведені на кривошипному пресі моделі К116Г (зусилля 0,63 МН) та універсальній випробувальній машині УММ-10 (зусилля 0,1 МН), що в обох випадках забезпечує статичні умови навантаження. Робочий інструмент - гладкі (Ra=6,3 мкм) паралельні плити. Використовували зразки зі сталі Ст.3 і свинцю марки ССу 20 і 30 мм із m0 = 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0, ступінь осаджування (умовний ступінь деформації) визначали як: у = [(L0 – Hк)/L0]100 %, де Нк – кінцева висота зігнутої заготовки. Осаджування проводили до у = 13%; 27%; 40% та 53% з кількістю зразків, придатною для статистичного опрацювання результатів, яке здійснювали на ПЕОМ у стандартному пакеті STATISTICA.
Задачу зміни у часі форми температурного поля заготовки, що нерівномірно нагріта по довжині, досить складно вирішити у традиційній постановці, тому для моделювання процесів зміни нерівномірного температурного поля обраний скінчено-різницевий метод елементарних балансів, що базується на зворотно-рекурентному рішенні умови теплової рівноваги виділеного елементарного об’єму заготовки.
ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕОМЕТРИЧНОЇ ФОРМОЗМІНИ ПРИ СПОСОБІ ОДЕРЖАННЯ ПРОФІЛЬОВАНОЇ ЗАГОТОВКИ ПОЗДОВЖНІМ ЗГИНОМ
Втрата стійкості заготовки при осаджуванні супроводжується зміною характеру схеми навантаження з одновісного стискання на комбіновану, тобто із сукупною дією стискальної сили та згинального моменту, що приводить до викривлення її осі, точний вираз для якої являє нелінійне диференціальне рівняння другого порядку, що не допускає пониження порядку, для якого точного аналітичного рішення не існує. Умови деформації були прийняті згідно з постулатом стійкості Друкера. Але збільшення поперечного перерізу заготовки, через домінування стискальних деформацій, може привести до зростання здатності пластичного стрижня до опору. Для розробки розрахункової схеми ОУСЗ була поставлена статична задача, коли у будь-яку фіксовану (і) мить деформації сила, що деформує, Pі = const, тоді величина згинаючого моменту Мі=Pіі при осаджуванні зростає прямопропорційно збільшенню прогину i, тому для певної миті часу Мi = соnst. Математично доведено, що в такому випадку кінцеве аналітичне розв’язання рівняння кривизни вісі заготовки можна представити у вигляді: , де - миттєвий радіус кривизни; EJ – жорсткість поперечного перерізу заготовки.
Утрудненість повороту торців заготовки відносно осаджувальних плит робить схему деформування відповідною до поздовжнього стискання стрижнів із затисненими кінцями. Це дозволило умовно розбити заготовку на чотири ділянки, що обмежені кутами i та являюьб, згідно з рівнянням (1), дуги окружності. За розробленою розрахунковою схемою були визначені основні геометричні співвідношення.
Найбільший набір металу слід очікувати у вісьовому поперечному перерізі і на торцях, де діють максимальні стискальні поздовжні сили. Наявність тертя на контактних поверхнях приводить до меншого стовщення приторцевих зон, тобто до нерівномірності деформації, тому, крім вигнутої конфігурації заготовки, одержуємо ефект потрійного бочкоутворення.
При відшуканні функції розподілу стовщень по довжині заготовки, деформації, пов’язані з вигином, не розглядали, а використовували тільки конфігурацію розгортки заготовки. Приймали припущення: будь-який поперечний переріз у площині перпендикулярній осі розгортки заготовки є колом; матеріал ідеально пластичний та ізотропний; пластичне зминання та викривлення торців не враховується; перехід металу з бічної поверхні на контактну відсутній та робота поверхневих сил тертя нехтовно мала. Це дозволило перейти до розв’язання задачі у циліндричній системі координат. В силу прийнятої симетрії розглядали 1/4 частину розгортки профільованої заготовки.
Якісно формозміну розгортки у радіальному напрямку описує функція:
, (1)
де а1 та а2 – шукані параметри, від яких залежить кількісне рішення; ur – радіальне переміщення; z – відстань по вісі розгортки заготовки від площини бісектриси центрального кута вигину; r – відстань від вісі z розгортки заготовки у радіальному напрямку; l0 – половина довжини заготовки.
Після визначення відсутніх компонент деформацій і переміщень та розв’язання основного варіаційного рівняння Лагранжа для жорстко-пластичного середовища з урахуванням наближеного обчислення інтегралів за нерівністю Буняковського отримали:
; , (2)
де = (L0 –Lк)/L0 – відносне укорочення осі, Lк – довжина заготовки у розгорнутому вигляді.
Для знаходження значень z/l0, при яких радіальна деформація і переміщення ur досягають величин ur.max1, ur.max2 та ur.min, функція (1), з урахуванням (2), була досліджена на екстремуми. Величини z/l0 для ur.max1, ur.max2 і ur.min, у залежності від m0, визначили рішенням складеного трансцендентного рівняння у пакеті MATHCAD 7 Pro та одержані значення, для зручності, були апроксимовані поліномами у Microsoft Office пакеті Excel’97 із достовірністю R2 0,997.
Для оцінки впливу відносної висоти m0 і характеристики ступеня деформації стискання на технологічну нерівномірність деформації розроблена та реалізована у пакеті MATHCAD 7 Pro чисельна методика (на основі методу прямокутників) визначення коефіцієнта підкатування та інших показників, таких як:
.
Запропонована також інженерна методика (на основі геометричного апроксимативного підходу) оцінки технологічної нерівномірності деформації.
Максимальний ступінь осаджування (у.max) визначили з умови, що кінцева висота заготовки не може бути менша від двох діаметрів із урахуванням стовщення внаслідок укорочення осі, яке брали з запасом = у/100%. Координату у.кр, що характеризує початок втрати стійкості, визначали з прирівнювання сил деформування за Є.П. Унксовим та Ейлером-Енгессером із припущенням відсутності деформаційного зміцнення. Тоді область значень у, в якій гарантована якість одержуваної профільованої заготовки, може бути визначена виразом у.кр<уу.max. При рівності у.кр=у.max підтверджено, що заготовки із m0<3,1 стійкість при осаджуванні не втрачають. Максимальне значення m0 залежить від висоти штампового простору.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПРОФІЛЮВАННЯ ЗАГОТОВКИ ПОЗДОВЖНІМ ЗГИНОМ
Експериментальні дослідження мали на меті вивчення геометричної формозміни заготовки та підтвердження результатів теоретичного аналізу, зокрема з набирання та нерівномірного розподілу металу по довжині заготовки після осаджування з поздовжнім згином.
Основні лінійні розміри та геометричні характеристики експериментальних зразків із свинцю визначали шляхом замірів відповідно до рис. 1, причому розмір Lк заміряли по зігнутому зразку гнучкою вимірювальною стрічкою. Максимальний та мінімальний еквівалентні діаметри знаходили з площі, що обчислена за відомими формулами для еліпсу для перерізів А-А та В-В (рис.1). Внутрішні та зовнішні радіуси вигину визначали за зробленими фотографіями шляхом проведення перпендикулярів до контурів зразків із коректуванням на коефіцієнт масштабу Kм й усередненням радіусів приторцевих ділянок згідно з прийнятою теоретичною розрахунковою схемою, підтверджуючи її слушність.
Отримані геометричні характеристики привели до безрозмірних співвідношень, які, згідно з теорією подібності, справедливі для відповідних m0 та у заготовок із будь-якими габаритами.
Встановлено зменшення величини укорочування вісі для більш високих заготовок, що, як і зменшення радіусів вигину, центрального кута ц, та характеристик набирання металу, пов’язано зі зростанням складової згинального моменту в порівнянні з деформацією стискання.
Згідно з розробленою методикою апроксимації побудованих тривимірних графічних залежностей, математична модель для прогнозування геометричної формозміни заготовок при ОУСЗ, на прикладі відносного вкорочення осі, набула вигляду:
, (у підставляти у %), (3)
де
Аналогічні вирази виведені для показників k1, k2,, ц, B/L0, lg(rв/D0), . Перевірка математичних моделей за критерієм Фішера та зіставлення з експериментальними даними підтвердили їх адекватність. Похибка обчислювань за отриманими виразами у межах m0 = 3,0 – 6,0 та у = 13 – 53 % не перевищує 12 %.
Експериментально досліджений процес розподілу деформацій стовщення по довжині профільованої заготовки шляхом виконання замірів на різних відстанях від осьового поперечного перерізу по бісектрисі кута вигину та зроблено порівняння даних із теоретичними розрахунками. Середня похибка розрахунків при використанні заготовок із m0 = 3,0 - 6,0 становить 6 %, максимальне розходження теоретичних та експериментальних даних, виявлене для максимальних ступенів осаджування зразків 30 мм із m0=6,0, не перевищує 9 %.
Експериментальні дані використали при алгоритмізації методики розрахунку коефіцієнта підкатування та інших показників технологічної нерівномірності деформації у пакеті MATHCAD 7 Pro. Аналіз результатів розрахунків за теоретико-експериментальними формулами дозволяє говорити про адекватне відображення отриманими залежностями кінематики процесу підкатування. Показано, що повсюдне стовщення, до якого схильні більш короткі заготовки (m0=3,0…4,0), не завжди є показником корисної формозміни та виявлено, що при осаджуванні заготовок із m05,5 ефективність профілювання знижується. Найбільша корисна технологічна нерівномірність деформації властива заготовкам із m0 4,3 - 5,7, тобто для цій області характерне найбільше значення показників Кпо, та найменше .
Перевірка умов появи дефекту типу “затиск” на свинцевих (ССу) та сталевих (Ст.3сп) заготовках із залученням металографічних досліджень показала адекватність теоретично одержаних формул і визначила область значень у, в якій гарантовано виключене дефектоутворення.
Проведені експериментальні дослідження зусилля та тисків профілювання, із приведенням даних до величин питомих відносних зусиль, дозволили розробити інженерну методику розрахунку максимальних тисків та технологічного зусилля операції.
ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ НЕРІВНОМІРНО НАГРІТОЇ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ КЕРУВАННЯ ФОРМОЗМІНОЮ ПРИ ЇЇ ПРОФІЛЮВАННІ
У розділі обгрунтовно можливість одержання різноманітних конфігурацій профільованої заготовки завдяки вісімнадцяти основним варіантам нерівномірного нагрівання. Інтенсифікації процесу підкатування досягають розподілом температур, який відповідає розподілу деформації стовщення по довжині призначеної для профілювання частини заготовки, з урахуванням загасаючого характеру температури у приторцевих зонах через відсутність потреби їх стовщення. За результатами аналізу експериментальних даних запропонована формула для визначення температури у будь-якому довільному поперечному перерізі призначеної для профілювання частини заготовки:
; , (4)
де х - відстань за поздовжньою віссю розгортки заготовки від поперечного перерізу по майбутній стрілі прогину до будь-якого довільного поперечного перерізу; - значення температури у довільному поперечному перерізі заготовки, який розташований на відстані х від поперечного перерізу по майбутній стрілі прогину; - значення температури у поперечному перерізі по майбутній стрілі прогину заготовки; - значення температури нагрівання приторцевої зони заготовки, яке відповідає мінімальній технологічно допустимій температурі, що зумовлена часом та умовами плину процесу.
Показано, що форма поля температур не залежить від величини y,, а залежить лише від L0/D0 призначеної для профілювання частини заготовки.
Для врахування зміни температурного поля за період від закінчення нерівномірного нагрівання до початку деформування розроблена скінчено-різницева математична модель із зворотною рекурентністю, що заснована на методі елементарних балансів. Температура (за шкалою Цельсія) для визначеного шару в певну мить часу - , де i – номер шару (), j – проміжок часу ().
Розрахункова формула для довільного проміжного (i - го) шару заготовки:
, (5)
де =ст0 – коефіцієнт випромінювання чорного тіла, тут ст = 0,8 – ступінь чорноти тіла (заготовки), при умові, що випромінювання здійснюється у простір, який перевищує розміри заготовки, Вт/(м2град4); 0 5,67 10-8 – стала Стефана-Больцмана для абсолютно чорного тіла, Вт/(м2град4);- критерій Фурьє для елементарного об’єму товщиною х; - коефіцієнт температуропровідності матеріалу, м2/с; - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/мград; - щільність матеріалу, кг/м3; с - теплоємність матеріалу заготовки, Дж/(кгград), - величина проміжку часу j, с.
Розрахункова формула для елементарного об’єму з максимальною теплоємністю, тобто з порядковим номером i = 1:
. (6)
Розрахункова формула для торцевого елементарного об’єму із порядковим номером i = N :
. (7)
Розроблена математична модель на базі формул (4)-(7) реалізована у програмному середовищі Borland C++Builder 4 та враховує зміну теплофізичних характеристик матеріалу (а, с, , ) від температури. Для забезпечення процесу стійкого лічення на ПЕОМ і мінімізації накопичення похибок задовольняли умови за критерієм Фурьє (Fo<0,5) та виконували оптимізацію, яка полягала у доведенні різниці між даними для температури, що розраховані при та при /=/2, до величини, меншої за 1%, що обумовлює адекватність математичної моделі. При завданні форми температурного поля, яку потрібно мати заготовці у мить ОУСЗ, програмний модуль (FinalStick) видає мережу графічних залежностей, на базі яких можливо обирати час на перенесення заготовки, вибрати засіб автоматизації та отримати дані для проектування нагрівача, яким може виступити пристрій індукційного чи контактного типу, або забезпечуватись диференційне, наприклад водно-повітряне, охолодження заготовки після (чи під час) її нагрівання.
ВИКОРИСТАННЯ ОСНОВНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ
Проведені дослідження процесу поздовжнього згину дозволили здійснити порівняння величин Кпо, що одержують способом ОУСЗ, із значеннями Кпо заготівельних рівчаків штампів. При умовах m0 5,5 та у 50 % одержують Кпо1,5, що відповідає підкатному закритому рівчаку. Виявлення області застосування профілюючого ОУСЗ зажадало створення нової класифікації поковок із відростками та зігнутою віссю (вилкоподібної конфігурації) із порівнянням способів штампування, серійності виробництва, розходу металу та особливостей їх форми, що дозволило визначити перспективний напрямок розвитку технології об’ємного штампування.
Розроблена методика визначення розмірів заготовки (L0 та D0) і потрібної у, виходячи з геометричних характеристик поковок, що зроблено шляхом трансформації математичної моделі формозміни заготовки та створення програми-модуля (CalcBlank) у середовищі Borland C++ Builder 4. Вихідними чинниками є дані конфігурації поковки (ц, В, rв, Нк) та характеристики її епюри діаметрів (Vэ; Lэ (Lк = Lэ); Dэ.ср; Dэ.max; Dэ.min), що будують для поковки в розгорнутому вигляді.
Розроблена методика пройшла доведення в лабораторних умовах при штампуванні на гвинтовому-фрикційному пресі зусиллям 0,63 МН поковки “гайка-баранчик” (маса поковки 0,21 кг, Ст.3) з нагріванням заготовки в електричній пічці камерного типу до температури 1180 0 С. Досягнуто економію металу 41 % в порівнянні з базовим процесом та 15 % у порівнянні із способом одержання “гайки-баранчика” методами лиття. Удосконалена технологія штампування прийнята до впровадження на ВАТ “Азов” (м. Маріуполь).
Виконані розрахунки технологічних параметрів та здійснено промислове впровадження вдосконалених технологій штампування поковок номенклатури ВАТ “ХЗКВ” (м. Херсон) “вилка ковзна” (маса поковки 0,68 кг, 40ХН, економія металу 23 %) та “вилка кардана приварна” (маса поковки 1,64 кг, 40Х, економія металу 18 %) з попереднім профілюванням ОУСЗ. Для останньої поковки економічний ефект, що досягнутий головним чином за рахунок економії металу, складає 356 грн/т.
Попереднє профілювання ОУСЗ супроводжується створенням волокнистої макроструктури, що покращує якість та довговічність виробів та підтверджено металографічними дослідженнями за допомогою яких шляхом експериментування також встановлено, що при ступенях осаджування з появою “затиску” при штампуванні плиском дефект “затиск” витискується в облой без впливу на якість.
Використання операції в автоматизованих лініях потребує забезпечення згинання заготовки у визначеному напрямку для зручності її захоплення засобами автоматизації. Для цього запропоновано простий пристрій, що не потребує зайвої металомісткості, не працює у важких контактних умовах (тобто довговічний) та дозволяє зберегти потрібний характер напружено-деформованого стану заготовки.
ВИСНОВКИ
1.
Ефективність процесів об'ємного штампування істотно залежить від рівня розвитку заготівельних технологій, покликаних максимально наблизити геометричні форми і розміри профільованих заготовок і готових поковок із найменшими економічними витратами. Систематизація способів одержання профільованих заготовок виявила високу актуальність розробки процесу профілювання заготовок на основному кривошипному штампувальному обладнанні, що традиційно не використовують. Осаджування з утратою стійкості – операція, що поєднує в собі три переходи (осаджування для збивання окалини, підкатування та згинання) і дозволяє одержувати заготовки вигнутої конфігурації з істотними перепадами поперечних перерізів по довжині, що дає можливість використовувати спосіб як підготовчий під штампування на КГШП поковок типа “вилки”, “фланець кардана”, “гайка-баранчик” та ін. Відомості про позитивне застосування способу ОУСЗ у технологічних рішеннях обмежені, а його впровадження стримується переважно через теоретичну й експериментальну невивченість формозміни.
2.
Проведені теоретичні дослідження формозміни заготовок при осаджуванні з утратою стійкості підтвердили обґрунтованість застосування ОУСЗ як підготовчої операції перед об’ємним штампуванням, при цьому:
·
розроблена узагальнена розрахункова схема процесу профілювання на підставі якої встановлено, що кривизну осі та контурів заготовки при ОУСЗ можна описати дугами окружності;
·
вперше визначений характер нерівномірного розподілу деформацій стовщення по довжині заготовки та установлені закономірності, що якісно й кількісно описують зменшення деформації стовщення зі зростанням величини m0 і показують неоднорідність збільшення набору металу по довжині заготовки зі зростанням ступеня поздовжнього обтиснення;
·
розроблена методика визначення показників технологічної нерівномірності деформацій та відповідне програмне забезпечення в середовищі MATHCAD 7 Pro;
·
аналітично одержані вирази для розрахунків максимального, що відповідає початку утворення дефекту типу “затиск” (змикання відростків), та мінімального ступенів обтиснення, які визначають область значень ступенів деформацій, що гарантують одержання якісного напівфабрикату.
3.
Уперше в результаті експериментальних досліджень та обробки даних із застосуванням елементів теорії подібності розроблена математична модель, яка адекватно прогнозує процес кінцевої формозміни заготовки в діапазоні значень технологічних параметрів m0 =3,0-6,0 та у =13-53 %. Дана математична модель трансформована в алгоритм розрахунку заготовки та технологічних переходів. На підставі розробленої методики створена програма-модуль у середовищі BORLAND C++Builder 4, що дозволяє технологам оцінити економію металу та мінімізувати час на трудомісткі розрахунки. Відповідність теоретичних та експериментальних даних з розподілу стовщень по довжині заготовки підтверджено їх хорошою збіжністю: розходження у вказаних діапазонах m0 та у в середньому становить не більше 6 %, максимальна розбіжність в областях m0 =6,0 та у =53 % не перевищує +9 %. Максимальний корисний набір металу з коефіцієнтом підкатування Кпо =1,35-1,5 встановлений для значень m0 =4,3-5,7 при величинах у =30-53 %. Розроблена інженерна методика розрахунку тисків та максимальних зусиль профілювання ОУСЗ.
4.
Розширення області застосування осаджування з утратою стійкості потрібно у зв’язку зі зменшенням технологічної нерівномірність деформації стовщення при m05,5. Це частково обмежує використання нової профілюючої операції та робить складним одержання поковок із довгими відростками і наявністю фланцевої частини. Інтенсифікувати процес ОУСЗ можливо завдяки застосуванню прийомів диференційованого або нерівномірного нагрівання заготовок по довжині. У залежності від характеру накладання нерівномірного температурного поля на довжину заготовок можливе одержання напівфабрикатів несиметричної форми (завдяки 18 основним варіантам нагрівання), що розширює номенклатуру виробів, до яких пристосоване профілююче осаджування з утратою стійкості. Обґрунтовано, що за закон розподілу температур по довжині заготовки раціонально прийняти відповідну закономірність розподілу деформацій, з урахуванням раціональності меншого прогрівання біляторцевих ділянок, що відбито у виведених дених аналітичних формулах. Установлено, що форма температурного поля визначається величиною m0 та не залежить від ступеню осаджування заготовки. Застосування прийомів нерівномірного нагрівання дозволяє збільшити коефіцієнт підкатування Кпо не менш як на 18-20 %.
5.
Розроблена математична модель зміни форми нерівномірного температурного поля, яка реалізована в програмному середовищі BORLAND C++BUILDER 4, дозволяє визначати форму температурного поля, необхідну для проектування нагрівачів та підібрати час доставки заготовки від нагрівача до штампа чи вибрати (в разі необхідності) придатні по характеристиках засоби автоматизації.
6.
На основі розробленої класифікації поковок із відростками визначена область застосування профілюючого ОУСЗ та виявлений перспективний напрямок розвитку технології об’ємного штампування, що дозволяє зберегти рентабельність поковок навіть при зменшенні обсягів замовлень. Показано, що операція ОУСЗ може бути еквівалентною профілюванню заготовок у підкатному закритому рівчаку (Кпо 1,5).
7.
Отримані наукові результати застосовані на ВАТ “ХЗКВ” при розробці й упровадженні технологічних процесів гарячого об'ємного штампування поковок “вилка ковзна”, “вилка кардану приварна”, а також розглянуті на засіданні технічної ради заготівельного металургійного виробництва ВАТ “Азов” та прийняті до впровадження для процесу штампування поковки “гайка-баранчик” у цехах даного підприємства. Упровадження технології з профілюванням ОУСЗ дозволяє суттєво зменшити затрати на виробництво (наприклад, для “вилки приварної” питома економія склала 356 грн/т) головним чином за рахунок заощадження металу, яке становить 18-41 %. При впровадженні нової технології зафіксовано підвищення продуктивності на 17 % за рахунок виключення одного переходу. Рекомендації з використання диференційованого нагрівання прийняті до впровадження на ВАТ “ХЗКВ” і ВАТ “Азов”. Розроблено корисний пристрій та технологічні рекомендації, які підвищують ефективність і культуру виробництва.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В РОБОТАХ
1. Прогрессивные методы повышения эффективности технологических процессов ковки-штамповки / Б.С. Каргин, К.К. Диамантопуло, В.К. Олейниченко, В.В. Кухарь, Г.В. Айко, Р.О. Ткачев // Металл и литье Украины. - 2000. - № 3 - 4. – С. 37-39.
2. Диамантопуло К.К., Кухарь В.В. Новая методика расчета заготовки для штамповки поковок типа “фланец кардана”// Защита металлургических машин от поломок: Сб.науч.тр. – Мариуполь: ПГТУ, 1998. - Вып.3. - С. 257 - 265.
3. Диамантопуло К.К., Кухарь В.В. Классификация поковок с отростками для определения области применения профилирующей осадки с потерей устойчивости заготовки // Вестник Приазовского государственного технического университета. – 1999. - №8. – С. 110 – 113.
4. Диамантопуло К.К., Кухарь В.В. Исследование осадки с потерей устойчивости заготовки для приближения её формы к форме поковки // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб.наук.праць. – Краматорськ: ДДМА, 1999. – С. 71 - 74.
5. Кухарь В.В., Диамантопуло К.К. Аналитическое определение граничных технологических параметров при профилировании заготовки осадкой с потерей устойчивости // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб.наук.праць. – Краматорськ-Слов’янськ: ДДМА, 2000. – С. 196-199.
6. Кухар В.В., Діамантопуло К.К. Апроксимація трьохмірних графічних залежностей параметрів формозмінення заготовки при осаджуванні з втратою стійкості // Вісник Приазовського державного технічного університету. - Вип. 11. - Маріуполь: ПДТУ, 2001. – С. 159 – 164.
7. Кухар В.В., Діамантопуло К.К. Розробка рекомендацій до використання диференційованого нагрівання при одержанні профільованої заготовки осаджуванням із втратою стійкості // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ, 2001. – С. 321-326.
8. Хііш Л.І., Кухар В.В., Дмитренко І.В. Розрахунок температурного поля заготовки при нерівномірному нагріванні // Вісник Технологічного університету Поділля. – Хмельницький: 2001. - №5(36). – С. 155-159.
9. Кухар В.В. Методика розрахунку мінімальної температури нагрівання заготовки з урахуванням нормальної стійкості штампів // Проблеми трибології (Problems of Tribology) – Хмельницький, 2001. - № 3-4. – С. 44-47.
10. Кухар В.В., Діамантопуло К.К. Нерівномірність деформації при одержанні профільованої заготовки осаджуванням із утратою стійкості // Вісник Технологічного унверситету Поділля. – Хмельницький: 2002. - №1(37). – С.109-114
11. Кухарь В.В. Закономерности
