Музичук Василь Іванович

УДК 621.774:621.919

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

ХОЛОДНОГО ФОРМОЗМІНЮВАННЯ З ОДНОТИПНИМ

МЕХАНІЗМОМ ДЕФОРМАЦІЇ НА ОСНОВІ

ТЕОРІЇ ДЕФОРМУЄМОСТІ

Спеціальність 05.03.05 – процеси та машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВІННИЦЯ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному аграрному університеті

Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Огородніков Віталій Антонович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри опору матеріалів та прикладної механіки |

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Скрябін Семен Олександрович,

директор науково-виробничого об’єднання “Ухналь”,

м. Київ

кандидат технічних наук

Кухар Володимир Валентинович,

Приазовський державний технічний університет,

доцент кафедри охорони праці і навколишнього середовища,

м. Маріуполь | Провідна установа: | Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, кафедра “Обладнання для обробки металів тиском”, Міністерство освіти і науки України,

м. Луганськ |

Захист відбудеться “29“ вересня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “10“ липня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дерібо О. В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Тенденції розвитку сучасного машинобудування спрямовані головним чином на ресурсозбереження і підвищення якості одержуваних виробів.

Процеси холодного об'ємного штампування заготовок складного профілю відповідають зазначеним тенденціям, однак, у теперішній час більше уваги приділяється енергосиловим параметрам процесу, а питанням забезпечення якості виробів і пов’язаних з нею параметрам деформуємості і технологічній спадковості заготовок приділяється недостатньо уваги. Тому поряд з відомими теоріями і розрахунково-експериментальними методами є необхідність застосовувати нові підходи для розв’язання різних прикладних задач та досліджень на якісно новому рівні процесів течії металів в умовах складного навантаження.

До таких задач можна віднести технологічні процеси: закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса, формування внутрішніх шліцьових профілів у трубних заготовках методом обтиснення на профільних оправках (метод “охоплюючого” протягування), які поєднують однотипні схеми механізму деформації (деформації стиску і деформація розтягу), а також спосіб формоутворення – холодне пластичне деформування.

Однотипність схем механізму деформації зазначених процесів дає можливість їх удосконалення на основі феноменологічної теорії деформуємості. В теорії деформуємості використовують критерії, в основу яких покладені обмеження, стосовно деформацій, граничні значення яких залежить від показників напруженого стану. Величина цих показників може бути виражена через співвідношення деформацій (швидкостей деформацій), тому однотипність розглянутих процесів полегшує оцінку використаного ресурсу пластичності в небезпечних областях деформування (областях, найбільш близьких до руйнування).

В даній роботі за основний, найбільш значущий показник якості виробів прийнятий використаний ресурс пластичності, тому удосконалення технологічних процесів холодного формозмінювання з однотипним механізмом деформації по зазначеному вище параметру якості є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки на період до 2006 року, які визначені в Законі України від 11.07.2001 р. за №2623-III “Про приоритетні напрямки науки і техніки”; науковому напряму “Розвиток феноменологічної теорії руйнування металів при великих пластичних деформаціях і розробка на цій основі нових та удосконалення існуючих технологій обробки металів тиском” провідних наукових шкіл Вінницького національного технічного університету та Вінницького державного аграрного університету; в рамках договору про творчу співдружність № 1/1 від 05.06.2003 р. між Вінницьким державним аграрним університетом і Інститутом надтвердих матеріалів АН України (м. Київ) “Дослідження механіки формоутворення внутрішнього шліцьового профілю на оправці методом холодного пластичного деформування”, (№ держ. реєстрації 0105U003106); в рамках договору № 06-17-01 від 15.05.2003 р. “Дослідження механіки закочування поршня із шатуном” між Вінницьким державним аграрним університетом і закритим акціонерним товариством “Будгідравліка” (м. Одеса), (№ держ. реєстрації 0105U003107).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення процесів холодного формозмінювання з однотипними схемами механізму деформації, які дозволять забезпечувати бажану якість готових виробів.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі задачі:

- виявити особливості зміни показників напруженого стану в процесах холодного формозмінювання заготовок з однотипним механізмом деформації, а також дослідити пластичність сталей 38Х2МЮА, 30Х3МФА і 20Х;

- розробити методи розрахунку напружено-деформованого стану в процесах холодного формозмінювання з однотипними схемами механізму деформації;

- дослідити напружено-деформований стан в областях закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса і області деформування процесу “охоплюючого” протягування;

- провести оцінку деформуємості заготовок стосовно процесів закочування пари поршень-шатун і формування шліцьового профілю;

- виявити механізм управління параметрами процесу закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса для забезпечення регламентованого осьового зазору між поршнем і шатуном після закочування;

- дослідити напружено-деформований стан у процесі холодного об'ємного штампування головки шатуна з метою оцінки деформуємості заготовки і визначення енергосилових параметрів процесу;

- оцінити ефективність проміжних термообробок у процесі формування внутрішнього шліцьового профілю карданного вала дизель-потяга;

- розробити рекомендації з впровадження в виробництво розглянутих технологічних процесів.

Об'єкт дослідження. Технологічні процеси холодного пластичного формозмінювання.

Предмет дослідження. Формозмінювання і деформуємість заготовок в процесах обробки тиском з однотипним механізмом деформації.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень покладені методи математичної і прикладної теорії пластичності, феноменологічної теорії деформуємості, механіки суцільного середовища. Для дослідження процесів пластичного деформування використані аналітичні і експериментально-розрахункові методи. Експериментальні методи включали фізичне моделювання, дослідження проводилися у лабораторних та виробничих умовах, натурні експерименти включали безпосередні виміри зусиль деформування, лінійних розмірів і геометричних характеристик для визначення деформованого стану. Для обробки і узагальнення результатів використані методи статистичної обробки.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертації складають такі результати:

- набув подальшого розвитку метод побудови кривих течії матеріалів при дослідженні зразків на розтяг і стиск;

- набули подальшого розвитку методи дослідження напружено-деформованого стану в процесах з однотипним механізмом деформації, які вперше застосовані для цих процесів;

- вперше одержано розподіл компонентів тензора деформацій, а також компонентів девіатора напружень в процесі закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса, що дало можливість виявити механізм утворення бракувальних ознак;

- вперше одержано параметри напружено-деформованого стану в процесі висадки сферичної головки шатуна аксіально-роторного поршневого насоса, на основі яких проведена оцінка використаного ресурсу пластичності заготовок.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи складають:

- методики розрахунку параметрів процесу закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса;

- методики розрахунку оцінки впливу параметрів процесів формозміни на величину ресурсу пластичності для прогнозування появи макротріщин;

- методика розрахунку використаного ресурсу пластичності заготовок у процесі закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса, що дозволило прогнозувати технологічну спадковість;

- удосконалений спосіб закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса;

- методика визначення контактних напруженнь при висадці сферичної головки шатуна із сталі 30Х3МФА аксіально-роторного поршневого насоса: це дозволило визначити міцність штампового оснащення і спроектувати його конструкцію;

- практичні рекомендації з удосконалення процесів: “охоплюючого” протягування, що дозволяє поетапно формувати внутрішній шліцьовий профіль карданного вала дизель-потяга, закочування пари поршень-шатун і об’ємного штампування сферичної головки шатуна аксіально-роторного поршневого насоса.

Результати роботи впровадженні в Інституті надтвердих матеріалів АН України (м. Київ) при удосконалюванні технологій поетапного формування внутрішнього профілю карданного вала дизель-потяга; в закритому акціонерному товаристві “Будгідравліка” (м. Одеса) при розробці технології закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса і об'ємного штампування головки шатуна.

Результати роботи використовуються в навчальному процесі Вінницького державного аграрного університету і Вінницького національного технічного університету в курсах “Динаміка і міцність машин”, “Опір матеріалів”, ”Чисельні та експериментально-розрахункові методи визначення напружено-деформованого стану” та “Основи моделювання технологічних процесів”.

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використовувалися ідеї співавторів публікацій. Усі принципові теоретичні й експериментальні результати отримані автором самостійно.

При виконанні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автором отримані такі результати: 6 - автор самостійно виконав експериментальні дослідження, проаналізував отримані результати, розробив і уточнив спосіб побудови кривої течії дослідженням циліндричних зразків на розтяг; 7 - автором розроблений метод розрахунку напружено-деформованого стану для процесу закочування поршня із шатуном; 8 - автор виконав всі експериментальні дослідження, дав аналіз експериментальних данних, сформував механічні характеристики досліджуваних сталей; 10 - автором розроблені математичні моделі оцінки впливу параметрів процесу на якість одержаних виробів; 11 - автором розроблена методика поетапного розрахунку напружено-деформованого стану в областях формування внутрішнього шліцьового профілю; 12 - автором виконані експериментальні дослідження, проведений аналіз доцільності вибору термообробки сталі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і наукові результати, викладені в дисертаційній роботі, пройшли апробацію на Міжнародній науково-технічній конференції “Перспективні технології і устаткування ковальсько-штампувального виробництва” (м. Москва, МАМІ, 2003 р.); на IV і V міжвузівських науково-практичних конференціях аспірантів “Сучасні проблеми землеобробної механіки” (м. Вінниця, ВДАУ, 2004, 2005 рр.); на засіданнях наукових семінарів кафедри опору матеріалів і прикладної механіки Вінницького національного технічного університету (2004-2006 рр.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Перспективні технології і устаткування в металургії і машинобудуванні” (м. Краматорськ, ДДМА, 2004-2006 рр.); на міжнародній науково-технічній конференції ААІ “Пріоритети розвитку вітчизняного автотракторобудування і підготовка інженерних і наукових кадрів” (м. Москва, МАМІ, 2005 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 12 друкованих працях. З них 7 статей у спеціалізованих виданнях ВАК, 1 стаття у збірнику наукових праць, 2 статті у збірнику матеріалів міжнародної науково-технічної конференції, 2 статті у збірнику матеріалів міжвузівської науково-практичної конференції.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку використаних літературних джерел, окремого тому 8 додатків викладеного на 155 сторінках. Загальний об’єм дисертації викладено на 216 сторінках, з яких основний зміст 129 сторінок друкованого тексту, 126 рисунків, 15 таблиць. Список використаних літературних джерел складається із 127 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт і предмет дослідження, наукову новизну і практичне значення, наведено відомості про апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі проведений огляд літературних джерел, присвячених дослідженням механіки деформування заготовок технологічних процесів обкочування труб, холодного розкочування прецизійних заготовок і кільцевих деталей, закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса. Приведені методики розрахунку напружено-деформованого стану в зазначених процесах, показано, що неврахування зміцнення металу при оцінці напруженого стану приводить до похибок.

Розглянуті технологічні процеси поєднує однотипний механізм деформації (деформації стиску і деформація розтягу), а також спосіб формоутворення – холодна пластична деформація.

Близьким до розглянутих технологічних процесів за схемою деформації є також процес формування внутрішнього шліцьового з’єднання в трубних заготовках методом їх обтиснення матрицями на профільних оправках – метод, розроблений співробітниками інституту надтвердих матеріалів Академії наук України під керівництвом професора О. А. Розенберга що отримав назву “охоплюючого” протягування. В огляді показано, що розглянуті технологічні процеси, мають високу продуктивність, не можуть забезпечити одержання якісних виробів, які істотно залежать від різних технологічних факторів, без попередньої оцінки деформуємості заготовок. Показано, що застосування теорії деформуємості для вирішення проблем обробки металів тиском, дозволяє розв’язувати задачі формування якості виробів. Оскільки на якість виробів впливають багато факторів, зокрема ступінь деформації, історія деформування, вид напруженого стану, кількість проміжних відпалів та ін., то в даній роботі, найбільш вагомим показником, що впливає на якість виробів, був прийнятий використаний ресурс пластичності, який на кожну операцію накладає відповідні обмеження. У зв'язку з викладеним, особлива увага приділена феноменологічній теорії деформуємості металів, аналізу методів побудови діаграм пластичності і кривих течії, критеріям деформуємості, у яких накопичення пошкоджень розглядається як скаляр і як тензор.

Аналіз експериментально-розрахункових методів дослідження механіки розглянутих процесів показав необхідність врахування зміцнення металів, оцінки показників напруженого стану, накопиченої інтенсивності деформацій.

Виконаний аналіз дозволив сформулювати мету і поставити задачі досліджень.

В другому розділі представлені результати розрахунків показників напруженого стану в процесах холодного формозмінювання заготовок з однотипним механізмом деформації, і пластичність сталей 38Х2МЮА, 30Х3МФА і 20Х.

У сучасній феноменологічній теорії деформуємості матеріал розглядається не у виді стандартних механічних характеристик, а у виді різних функцій, таких як криві течії матеріалу в координатах: інтенсивність напружень - інтенсивність деформацій; діаграм пластичності в координатах: накопичена інтенсивність деформацій до моменту руйнування - показник напруженого стану (відношення першого інваріанта тензора до другого інваріанта девіатора напружень). Крім того, у роботі широко використовувався метод твердості для аналізу напружено-деформованого стану, тому будували також градуювальні графіки: твердість – інтенсивність напружень – інтенсивність деформацій. Для процесів, що супроводжуються немонотонним деформуванням, коли виявляється ефект Баушингера, будували функції: коефіцієнт Баушингера - попередня пластична деформація. При побудові зазначених кривих нами розвинутий спосіб обробки експериментальних даних, що дозволяє дослідженням на розтяг одержати більш достовірні дані у виді функцій інтенсивності напружень u, інтенсивності деформацій eu в області локалізації деформацій.

Згідно розробленого нами методу:

, (1)

де Рі – зусилля деформування на різних стадіях, Аі – площа перерізу на різних стадіях, Ri – радіус шийки в меридіональній площині, розраховують по формулі:

, (2)

де - мінімальний поточний діаметр зразка в місці найбільшої локалізації деформації і наступного розриву, , де - діаметр зразка, що відповідає стійкій деформації, , де - діаметр шийки.

Використовуючи наведені співвідношення, побудовані криві течії сталей 38Х2МЮА, 30Х3МФА до і після термообробки а також сталі 20Х.

Криві апроксимували рівнянням:

, (3)

де А, n: для сталі 30Х3МФА А=1039 МПа, n=0,18 – дослідження на стиск; А=1091 МПа, n=0,17 – дослідження на розтяг; А=1163 МПа, n=0,19 – дослідження на розтяг за розробленим методом, для сталі 30Х3МФА після термообробки А=1525 МПа, n=0,07 – дослідження на стиск; А=1530 МПа, n=0,06 – дослідження на розтяг; А=1537 МПа, n=0,06 – дослідження на розтяг за розробленим методом, для сталі 38Х2МЮА А=1220 МПа, n=0,07 – дослідження на стиск; А=1255 МПа, n=0,18 – дослідження на розтяг; А=1134 МПа, n=0,096 – дослідження на розтяг за розробленим методом, для сталі 38Х2МЮА після термообробки А=1391 МПа, n=0,1 – дослідження на стиск; А=1488 МПа, n=0,09 – дослідження на розтяг; А=1396 МПа, n=0,104 – дослідження на розтяг за розробленим методом.

Побудовані також діаграми пластичності зазначених сталей у координатах: накопичена до моменту руйнування інтенсивність деформації ер – показник напруженого стану , де 1, 2, 3 – головні напруження. Діаграми апроксимували рівнянням:

, (4)

у якому .

У завершенні другого розділу приведені градуювальні графіки: твердість HV (МПа), інтенсивність напружень - u (МПа), інтенсивність деформацій - еu для всіх досліджених сталей.

Градуювальні графіки сталей 38Х2МЮА і 30Х3МФА починаючи із деформації еu=0,1, мають лінійну залежність:

, (5)

де К для сталі 38Х2МЮА дорівнює 0,411. Для сталі 30Х3МФА – К=0,435. Після термообробки коефіцієнт К для сталі 30Х3МФА дорівнює 0,42. В області великих пластичних деформацій для всіх досліджених сталей К=0,422 і є коефіцієнтом пропорційності у формулі (5) для попередньо зміцненого ідеально пластичного тіла.

На рис. 1. показані побудовані залежності параметра Баушингера від попередньої деформації розтягу. Вони знайдені шляхом проведення досліджень попередньо розтягнутих до деформації еu=0,03; 0,032; 0,042; 0,05; 0,08; 0,13 зразків з наступним їх стиском аж до деформації еu1,0.

Рис. 1. Залежність параметра від попередньої деформації

розтягу еu сталей 30Х3МФА і 38Х2МЮА після термообробки

Експериментальні дані, наведені в другому розділі, оброблені статистично, у дисертації приведені довірчі інтервали діаграм пластичності.

Третій розділ присвячений вивченню напружено-деформованого стану в процесах закочування поршня із шатуном і штампування сферичних стовщень шатуна.

Розроблено метод розрахунку напружено-деформованого стану в процесі закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса. По твердості визначена інтенсивність напружень і інтенсивність деформацій. Інтегруванням диференціальних рівнянь рівноваги отримані компоненти тензора напружень. На відміну від робіт В. Г. Капоровича (у яких представлені процеси розкочування труб) нами враховувалося зміцнення металу, а також зміна радіусів кривизни в меридіональному й окружному напрямках у процесі закочування заготовок. Остаточно отримані нами формули мають вид:

, (6)

, (7)

, (8)

де - коефіцієнт тертя =0,28…...0,32, m- меридіональні напруження. Геометричні параметри приведені на рис. 2-3.

Рис. 2. Елемент закочувального Рис. 3. Напружений стан

поршня елемента закочувального поршня

Крім розглянутого вище методу розрахунку напружено-деформованого стану при закочуванні пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса експериментально визначали також кінематику деформування. При проведенні експериментів на внутрішню поверхню шатуна наносили подільну сітку базою 1 мм. По викривленій подільній сітці визначали компоненти тензора деформацій, за допомогою співвідношень деформаційної теорії пластичності розраховували компоненти девіатора напружень.

Отримана інформація про кінематику течії в процесі закочування дозволила виявити механізм утворення нерегламентованих осьових зазорів між поршнем і головкою шатуна. Показано, що основними бракувальними ознаками при закочуванні є невідповідність регламентованих осьових зазорів внаслідок різних механічних характеристик досліджуваних сталей, непрямим проявом яких є твердість.

На основі аналізу кінематики течії, а також контактних напружень в процесі закочування встановлено, що для більш твердих металів необхідно здійснювати закочування роликом, геометрія якого відрізняється від існуючої. Крім того, показано, що параметр вдавлювання ролика в деформуєму заготовку є функцією зазору між внутрішнім діаметром поршня і діаметром шатуна.

Показано можливість виготовлення сферичної головки шатуна зі сталі 30Х3МФА об'ємним штампуванням на спеціальному штампі. Напружено-деформований стан при холодному об’ємному штампуванні вивчили моделюванням штампування шарових пальців автомобіля (сталь 45). Використовуючи дані про розподіл усіх компонентів тензора деформацій, отриманих у роботах В. А. Огороднікова по волокнистій макроструктурі, подальший розрахунок деформацій при висадженні сферичних головок шатуна зі сталі 30Х3МФА визначали за наступною методикою. Компоненти тензора деформацій розраховані з врахуванням коефіцієнта масштабного фактора, гідростатичний тиск знаходили за допомогою співвідношення:

, (9)

де - показник напруженого стану , що при однакових ступенях деформації мало залежить від властивостей матеріалу. Додаючи до компоненти девіатора напружень:

, (10)

отримаємо:

. (11)

Остаточно отримано:

(12)

де - кут, що визначає головний напрямок, є функцією r, z: .

Контактні напруження (рис. 4) розраховували за допомогою формул перетворення:

(13)

де кут показаний на рис. 5.

Рис.4. Контактні напруження при Рис. 5. Схема до визначення контактних

холодному висадженні головки шатуна напружень при штампуванні

Інформація про напружено-деформований стан при холодному висадженні сферичних головок шатуна дозволила зробити оцінку деформуємості заготовок. Ресурс пластичності виявився 0,7 1, що дозволяє здійснювати процес висадження в холодному стані. Показано, що контактні напруження при висадженні сферичної головки шатуна зростають у порівнянні з холодним штампуванням шарових пальців зі сталі 45. Найбільші абсолютні значення n і n спостерігаються на сферичній контактній поверхні верхньої висадочної матриці. Тут вони досягають відповідно 3000 і 900 МПа. Отримані результати дозволили спроектувати штампове оснащення.

У четвертому розділі розглянутий близький по типу виду деформацій до наведеного вище технологічного процесу закочування пари поршень-шатун, технологічний процес відновлення шліцьового з’єднання карданного вала дизель-потяга ДП-2.

З метою оцінки використаного ресурсу пластичності в процесі формування внутрішнього шліцьового профілю будували діаграми пластичності сталі 20Х, а також шляхи деформування часток у небезпечній області деформуємої заготовки. При цьому напружений стан визначали поетапно із застосуванням методу розв’язання рівнянь рівноваги і умови пластичності Мізеса, методу характеристик і методу твердості. На кожному етапі зміцнення враховували по значеннях інтенсивності напружень, визначених по градуювальному графіку HV-u.-eu.

На рис. 6 показаний розподіл твердості, інтенсивності напружень, інтенсивності деформацій на одному з останніх (третя стадія) етапах формування профілю карданного вала дизель-потяга.

На рис. 7 представлена діаграма пластичності сталі 20Х і шляхи деформування небезпечних областей при вдавлюванні шліцьового штампа.

Рис. 6. Ізолінії твердості HV(МПа), Рис. 7. Діаграма пластичності сталі 20Х

інтенсивності напружень u (МПа), і шляхи деформування небезпечних точок

інтенсивності деформацій eu при вдавлюванні шліцьового штампа

У розглянутих процесах досліджений вплив проміжної термообробки на відновлення запасу пластичності матеріалу втулки карданного вала, у якому в процесі “охоплюючого” протягування, практично вичерпується ресурс пластичності. З цією метою циліндричні зразки, вирізані із втулки, осаджували до різного ступеня деформації і потім піддавали термообробці в печі по режимах: швидкість нагрівання не перевищувала 3 град/хв, температура 7000 С, витримка при цій температурі 4 години і охолодження разом із піччю. Отримано залежність, що характеризує стадії накопичення пошкоджень при деформації і можливості відновлення пластичності за допомогою термообробки. На основі отриманих результатів рекомендовані режими термообробки, при проведенні яких можливе досягнення штампів критичних глибин вдавлювання.

П'ятий розділ присвячений впровадженню результатів досліджень. Шляхом експериментальних досліджень розподілу твердості по Віккерсу на меридіональному перерізі заготовок поршня показано, що найбільше значення твердості, а отже накопиченої інтенсивності деформацій, виявляється поблизу контакту деформуючого ролика.

При підвищеній твердості заготовки поршня із сталі 38Х2МЮА окружні і меридіональні деформації у внутрішній порожнині поршня виявилися меншими в порівнянні з деформаціями в заготовках, виготовлених з більш м'якої сталі. Відмінність у вихідній твердості на 13% приводить до нестабільного заповнення порожнини поршня при закочуванні, і викликає зростання зазору між шатуном і поршнем.

Для одержання стабільних геометричних параметрів заготовок поршень-шатун при закочуванні необхідно проводити розбраковування по їх вихідній твердості. При заданих регламентованих, чи зменшених числах твердості заготовок поршня і дотриманні інших режимів деформації гарантується стабільний зазор. У випадку збільшених чисел твердості заготовок поршня необхідно здійснювати процес закочування роликом, геометрія якого відрізняється від існуючого. На рис. 8 представлена запропонована нами геометрія ролика, закочування яким запобіжить нестабільність одержання осьового зазору і зменшить використаний ресурс пластичності.

Рис. 8. Закочувальний ролик

Рекомендований також спосіб з’єднання поршня із шатуном, що має сферичну головку, шляхом радіальної деформації елементу поршня, що замикає головку шатуна. У запропонованому способі передбачені оптимальні співвідношення радіальних переміщень закочувального ролика щодо зовнішньої поверхні поршня і зазору між шатуном і поршнем у зоні закочування, а також застосування в якості замикаючого елементу поршня, що дозволяє забезпечити необхідний осьовий зазор і підвищити надійність з’єднання. Радіальне переміщення закочувального ролика з перемінною твірною щодо зовнішньої поверхні поршня здійснюють на відстані 1,1-1,3 величини зазору між шатуном і поршнем в зоні закочування.

Подана заявка про видачу деклараційного патенту на корисну модель: спосіб з’єднання поршня з шатуном, що має сферичну головку № u 200602077 від 27.02.2006 р.

Застосування для виготовлення головки шатуна замість різання технології об'ємного штампування дозволяє підвищити коефіцієнт використання металу, знизити загальну трудомісткість виготовлення і поліпшити механічні характеристики готового виробу.

На підставі аналізу рівня і характеру розподілення контактних напружень запропонована конструкція висадочних матриць. Обидві матриці однобандажні, тому що максимальне значення n не перевищує 5000 МПа. Збільшення максимуму нормальних напружень і підвищення значення дотичних напружень викликає необхідність застосування твердосплавних робочих вставок, запресованих у бандаж з боку робочого торця верхньої матриці. Поряд із забезпеченням необхідного рівня напружень в зоні найбільших контактних навантажень цей прийом скорочує витрати твердого сплаву, оскільки довжину робочої вставки верхньої матриці можна зменшити.

В умовах масового випуску шатунів робочі вставки матриць рекомендується виготовляти з твердого сплаву ВК20. При менших обсягах виробництва краще застосовувати сталь Х12М. В обох випадках бандажі виготовляють зі сталі 35ХГСА або 35ХГНА.

Усі перераховані рекомендації запропоновані для використання в закритому акціонерному товаристві “Будгідравліка” (м. Одеса).

В результаті досліджень поетапного формування внутрішнього шліцьового профілю карданного вала дизель-потяга показано, що підвищення продуктивності “охоплюючого” протягування, збільшення коефіцієнта заповнюваності необхідно підбирати геометричні розміри заготовок з відношеннями t0/d0=0,13. Практичний інтерес представляють також рекомендації з обмеженням осьової течії металу, що викликає збільшення гідростатичної складової показника напруженого стану, а отже зростання пластичності.

Отримані в роботі шляхи деформування часток матеріалу в небезпечних областях деформуємих заготовок зі сталі 20Х дозволяють шляхом моделювання процесу оцінювати використаний ресурс пластичності за критеріями деформуємості для будь-яких матеріалів, діаграма пластичності яких відома.

Рекомендації з удосконалення технологічного процесу формування внутрішнього шліцьового профілю запропоновані для використання в інституті надтвердих матеріалів АН України.

Висновки

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів холодного пластичного формозмінювання, що супроводжуються характерною схемою деформації – деформації стиску і деформація розтягу, з метою удосконалення технологічних процесів закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса, об’ємної штамповки сферичної головки шатуна, а також “охоплюючого” протягування при формуванні внутрішніх профілів карданних валів. Робота спрямована на вирішення актуальних задач машинобудівного виробництва – підвищення його ефективності, економії металу, поліпшення якості і надійності промислової продукції.

В результаті досліджень, здійснених за темою дисертаційної роботи, отримано такі основні результати:

1.Досліджено зміни показників напруженого стану в процесах холодного формозмінювання заготовок з однотипним механізмом деформації. Сформований технологічний паспорт досліджених матеріалів у виді певних функцій (крива течії, діаграма пластичності, крива Баушигера, градуювальний графік). Розвинутий метод побудови кривих течії матеріалів, що дозволяє при дослідженнях на розтяг одержати більш достовірні дані у виді функцій інтенсивності напружень і інтенсивності деформацій в області локалізації деформацій.

2. Розроблені методи розрахунку напружено-деформованого стану в процесах холодного пластичного формозмінювання, що супроводжуються характерною схемою деформації – деформації стиску і деформація розтягу. Методи враховують зміцнення металу і апробовані на конкретних технологічних процесах: закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса і “охоплюючого” протягування, при формуванні внутрішнього шліцьового профілю карданних валів.

3. Проведена оцінка деформуємості заготовок пари поршень-шатун при закочуванні. Застосовані сучасні критерії деформуємості, що враховують швидкість зміни показників напруженого стану та розрахований ресурс пластичності металу в небезпечних областях заготовки. Показано, що на зовнішніх поверхнях контакту ресурс пластичності близький до вичерпання. Визначені області деформування, найбільш близькі до руйнування при поетапному формуванні шліцьового профілю заготовки, досліджено можливість відновлення пластичності за допомогою термообробки.

4. Виявлено механізм появи бракувальної ознаки у вигляді змінного осьового зазору при закочуванні пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса. Показано, що на змінний осьовий зазор впливають механічні характеристики досліджуваних сталей, непрямим проявом яких є твердість. Встановлено, що для більш твердих металів необхідно виконувати закочування роликом, геометрія якого відрізняється від існуючого. Крім того показано, що параметр вдавлювання ролика в деформуєму заготовку є функцією зазору між внутрішнім діаметром поршня і діаметром шатуна.

5. Досліджено напружено-деформований стан у процесі холодного об’ємного штампування головки шатуна. Показана можливість виготовлення головки шатуна із сталі 30Х3МФА об'ємним штампуванням на спеціальному штампі. Механіку процесу висадження сферичних стовщень досліджували шляхом моделювання процесу холодного об'ємного штампування шарових пальців автомобіля із сталі 45. Показано, що з точки зору деформуємості заготовок із сталі 30Х3МФА процес можна здійснювати в холодному стані. Питомі контактні навантаження на інструмент досягають значень, при яких штампове оснащення працює в несприятливих умовах.

6. На основі дослідженого механізму утворення бракувальних ознак у вигляді руйнування металу в процесі закочування, а також утворення неприпустимих осьових зазорів при закочуванні пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса розроблені інженерні рекомендації до проектування процесу і оснащення, що дозволило збільшити виготовлення виробів без бракувальних ознак. Підприємством ЗАТ “Будгідравліка” (м. Одеса) і Інститутом надтвердих матеріалів АН України (м. Київ) використовуються методики розрахункової оцінки деформуємості заготовок, що дозволило створити алгоритм управління режимами обробки металів, для деформування яких потрібні великі зусилля, прискорити процес проектування технологічних процесів і в підсумку зменшити кількість бракованих деталей від руйнування металу.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Музычук В.И. О возможности получения головки шатуна аксиально-роторного поршневого насоса методом пластического формоизменения // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. - 2004.- С. 345-349.

2. Огородніков В.А., Нахайчук О.В., Музичук В.І. Вплив термообробки на відновлення запасу пластичності виробу під час формування внутрішнього шліцьового профілю // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2004.- № 5. - С. 92-96.

3. Огородников В.А., Грушко О.В., Музычук В.И. О технологическом паспорте материала заготовок поршня с шатуном аксиально-роторного поршневого насоса // Промислова гідравліка і пневматика. – 2004.- № 4(6).- С. 88-92.

4. Грушко О.В., Огородников В.А., Музычук В.И. Особенности построения кривой течения материалов на участке шейкообразования // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. - 2005. - С. 93-97.

5. Нахайчук О.В., Огородников В.А., Музычук В.И. Напряжённо-деформированное состояние процесса закатки поршня-шатуна поршневого насоса // Вибрации в технике и технологиях. – 2005. - № 2(40). – С. 63-66.

6.Огородников В.А., Музычук В.И. Кинематика деформирования в процессе закатки поршня с шатуном аксиально-роторного поршневого насоса // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. – 2005. - № 1. – С. 28-32.

7. Огородников В.А., Нахайчук О.В., Музычук В.И. Исследование процесса закатки поршня с шатуном аксиально-роторного поршневого насоса // Проблеми трибології. – 2005. - № 1(34). – С. 129-133.

8. Музичук В.І., Огородніков В.А. Деформований стан у технологічній операції закочування поршня із шатуном аксіально-роторного поршневого насоса // Зб. наук. пр. ВДАУ.- Вінниця: ВДАУ, 2005. Вип. 20. - С. 219-226.

9. Огородников В.А., Нахайчук О.В., Музычук В.И. Приложение теории деформируемости к решению задач механики формирования внутреннего шлицевого профиля обжатием на оправке // Прогрессивные технологии и оборудование кузнечно-штамповочного производства. – Москва: МГТУ “МАМИ”. - 2003.- С. 66-75.

10. Музичук В.І. Дослідження впливу рекристалізаційного відпалу на відновлення запасу пластичності виробу при формуванні внутрішнього шліцьового профілю // Збірник матеріалів IV міжвузівської НПК аспірантів “Сучасна аграрна наука: напрями досліджень, стан і перспективи”. – Вінниця: ВДАУ. - 2004. – С. 221-224.

11. Музичук В.І. Застосування теорії деформуємості в прикладних задачах механіки // Збірник матеріалів V міжвузівської НПК аспірантів “Сучасна аграрна наука: напрями досліджень, стан і перспективи”. – Вінниця: ВДАУ. - 2005. – С. 222-225.

12. Музычук В.И., Огородников В.А. Механика процесса закатки поршня с шатуном аксиально-роторного поршневого насоса // Междунар. науч. симпоз. “Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров”. –Москва: МГТУ “МАМИ”. - 2005. - С. 70-72.

Анотації

Музичук Василь Іванович. Удосконалення технологічних процесів холодного формозмінювання з однотипним механізмом деформації на основі теорії деформуємості. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – процеси та машини обробки тиском. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2006.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності виготовлення заготовок складного профілю з однотипним механізмом деформації і розробці рекомендацій з удосконалення технологічних режимів на основі теорії деформуємості.

У роботі розглянуті і вивчені технологічні процеси закочування пари поршень-шатун аксіально-роторного поршневого насоса, формування внутрішнього шліцьового профілю методом “охоплюючого” протягування. Ці процеси поєднує однотипний механізм деформації – деформації стиску і деформація розтягу, що полегшує створення розрахункового апарату, який дозволяє оцінювати граничне формозмінювання заготовок і розробити інженерні методики розрахунків впливу основних параметрів процесів на якість готових виробів.

При розв’язанні задач удосконалення і розвитку розглянутих технологічних процесів розроблені методи дослідження напружено-деформованого стану в процесах з однотипним механізмом деформації, засновані на поєднанні методу подільних сіток, методу твердості, а також методу сумісного рішення рівнянь рівноваги та умов пластичності.

Ключові слова: напруження, деформації, пластичність, деформуємість, руйнування, граничне формоутворення, якість виробів.

Музычук Василий Иванович. Совершенствование технологических процессов холодного формоизменения с однотипным механизмом деформации на основе теории деформируемости. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. – процессы и машины обработки давлением. – Винницкий национальный технический университет, Винница, 2006.

Диссертация посвящена повышению эффективности производства заготовок сложного профиля с однотипным механизмом деформации и разработке рекомендаций по усовершенствованию технологических режимов на основе теории деформируемости.

В работе рассмотрены и изучены технологические процессы закатки пары поршень-шатун аксиально-роторного поршневого насоса, формирование внутреннего шлицевого профиля методом “охватывающего” протягивания. Эти процессы объединяет однотипный механизм деформации – деформации сжатия и деформация растяжения, что облегчает создание расчётного аппарата, позволяющего оценивать предельное формоизменение заготовок и разработать инженерные методики расчётов влияния основных параметров процессов на качество и технологическую наследственность готовых изделий.

При решении задач усовершенствования рассматриваемых технологических процессов разработаны методы исследования напряжённо-деформированного состояния в процессах с однотипным механизмом деформации, основанные на сочетании метода делительных сеток, метода твёрдости, а также метода совместного решения уравнений равновесия и условий пластичности.

Получил дальнейшее развитие способ построения кривых течения материала в области образования “шейки” при растяжении цилиндрических образцов. На основе феноменологических критериев деформируемости усовершенствованы методы расчёта использованного ресурса пластичности, выполнена оценка деформируемости заготовок пары поршень-шатун при закатке, рассчитан ресурс пластичности на этапах формирования внутреннего шлицевого профиля заготовок из стали 20Х. Даны рекомендации по восстановлению запаса пластичности заготовок при формировании шлицевых профилей карданного вала дизель-поезда методом холодного пластического деформирования.

На основе теоретических и экспериментальных исследований выявлен механизм образования брака, связанного как с разрушением заготовок в процессе их формообразования, так и с нестабильным получением осевых зазоров при закатке пары поршень-шатун. Предложен способ закатки пары поршень-шатун, предотвращающий брак, связанный с образованием нестабильного осевого зазора, а также разрушением металла в процессе закатки.

Предложен способ изготовления сферических головок шатуна аксиально-роторного поршневого насоса методом объёмной штамповки, получена информация о механике формоизменения данного процесса. При определении напряжённо-деформированного состояния использовали метод твёрдости, была также изучена волокнистая макроструктура деформируемого материала заготовок.

На основе построенной диаграммы пластичности исследуемой стали 30Х3МФА и проведённого анализа показателей напряжённого состояния оценен использованный ресурс пластичности при штамповке, а также предложена конструкция штамповой оснастки.

При исследовании процесса формирования внутреннего шлицевого профиля, для оценки использованного ресурса пластичности, строили диаграммы пластичности стали 20Х, а также пути деформирования частиц в опасной области деформируемых заготовок. При этом напряжённое состояние определяли поэтапно с применением метода решения уравнений равновесия и условия пластичности Мизеса, метода характеристик и метода твёрдости. На каждом этапе упрочнение учитывали по интенсивности напряжений, найденной из градуировочного графика. В рассматриваемых процессах исследовано влияние промежуточной термообработки на восстановление запаса пластичности материала втулки карданного вала, в котором в процессе “охватывающего” протягивания практически исчерпывается ресурс пластичности.

Рекомендации по усовершенствованию технологических процессов закатки пары поршень-шатун и объёмной штамповки сферической головки шатуна предложены для внедрения в закрытом акционерном обществе “Стройгидравлика” (г. Одесса), по усовершенствованию технологического процесса формирования внутреннего шлицевого профиля предложены для внедрения в институте сверхтвёрдых материалов АН Украины.

Ключевые слова: напряжение, деформации, пластичность, деформируемость, разрушение, предельное формообразование, качество изделий.

Vasyl I. Muzychuk. The improvement of technological processes of cold form alteration with a brother-mechanism of deformation based on the theory of deformation ability. – Manuscript.

Dissertation to obtain the Scientific Degree of the Candidate of Technical Sciences (Ph. D. in Technical Sciences) in the speciality 05.03.05 – Processes and Machinery of Pressure Treatment. – Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2006.

The dissertation is devoted to the efficacy of producing half-finished compound profile with a brother-mechanism of deformation as well as development of recommendations on the improvement of technological conditions on the basis of the theory of deformation ability.

Technological processes of rolling a pair of piston-con-rod of the axial-rotor piston-pump, development of internal spline profile by means of the method of “embracing” stretching are highlighted in the article. These processes are united by the brother-mechanism of deformation, i.e. compression deformation and tension deformation. It assists in the creation of a calculating device useful in evaluating the limits of form alteration of half-finished products and development of engineering calculation methodology concerning the impact of main parameter processes on the quality and technological heredity of finished products.

The methods of studying tense and deformed conditions in the processes with the brother-mechanism of deformation grounded on the combination of the methods of dividing grids, solidity and the method of joint decision of balance equations and plasticity conditions have been elaborated.

Key words: tension, deformation, plasticity, deformation ability, destruction, the limits of formation, the quality of products.

Підписано до друку 05. 07 2006 р. Формат 6084/16

Наклад 100 прим.

Надруковано у видавничому відділі

Вінницького державного аграрного університету.

Вул. Сонячна, 3, с. Агрономічне, Вінницький р-н, 21008.

Тел.: 46-00-03