автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Выбор рациональных параметров процесса раскатки дисков диаметром от 300 до 1000 мм

О 0 п п (у

Мшмтерство высшего и среднего специального образования РСФСР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТАНКаИНСТШЕНТАЛЬНЫК ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАСКУЛШ Евгений Розденович

УДК 621.73.074:62-477

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РАСКАТКИ ДИСКОВ ДИАМЕТРОМ ОТ 300 ДО 1000 ш

Специальность 05.03.05 - Процессы л малины обработки

давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1990

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени станкоинструментальном институте и НПО "НИИтракторо-сельхозмаш".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор E.H. 1АНСК0Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук.

профессор Е.И. СЕМЕНОВ; кандидат технических наук Н.Ы. ГЛУХ.

Ведущая организация - Волгоградский научно-исследовагель ский институт технологии машиностроения (НПО "ВНЖШАШ". -г. Волгоград).

Защита диссертации состоится " , rf,. 1930 г

в ^г^Ы^часов на заседании специализированного ученого совет в Московском ордена Трудового Красного Знамени станкоинструментальном институте по адресу: I0I472, Москва, ГСП, К-55, Банковский пер., дом ЗА. Тел. 289-43-16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке С1АНКИНА.

Автореферат разослан " 2.0" I930 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент В Д. Старостин

■'■'Чтт^ащ

г ) ОБЩАЯ ХАРШЕНГСТИКА РАБОТЫ

^^1иАктуальность проблема. В условиях все расширявшегося производства машин и механизмов самого разнообразного назначения для нужд народного хозяйства на современном этапе выдвигается одна из важнейших задач - строжайшая экономия ресурсов на основе внедрения в производство новейших достижений науки и техники.

Из всего многообразия деталей машин обширную группу представляют детали типа дисков: крупные звездочки цепных передач, диски' воздуходувных машин, паровых и газовых турбин, дисковые пилк, рабочие органы почвообрабатывающих машин и многие другие. Технологические процессы изготовления дисковых деталей зависят от их размеров, конфигурации, серийности изготовления и парка действующего оборудования. Большое количество таких деталей получают вырезкой круглой в плане заготовки из листового проката с последующей обработкой резанием. Ступицы изготавливаются отдельно и присоединяются к полотну с помощью сварки, резьбовых соединений или клепки. Названные технологические процессы обуславливают потери металла только при раскрое не менее 25$, особенно велики потери при изготовлении крупногабаритных дисков, наружный диаметр которых составляет от 300 до 1000 мм и более.

Уменьшение расхода металла может быть достигнуто путем применения процессов горячей штамповки. Однако для штамповки дисков диаметром, например 600-700 мм, требуется 25-тонный молот; при этом необходимая покоекэ монет быть получена в результате приблизительно 100 ударов.

Для уменьшения деформирующего усилия при изготовлении цель-ноштампованных дисков применяют различные методы локализации деформации, в том числе используется и процесс раскатки.

Преимущества раскатки очевидны: уменьшение площади контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки, величины потребного усилия деформирования, а также возможность реализации больших конечных степеней деформации до 60-70$ и уменьшение общей трудоемкости изготовления.

В ряде работ по научному и экспериментальному исследованию процесса раскатки дается обоснование некоторых параметров раскатки. Имеющиеся рекомендации и обобщения относятся к получению дисковых деталей до 200 мм. Одной из. главных причин малой изученно-

сти процесса раскатки крупногабаритных дисков является практическое отсутствие отечественного оборудования для получения данного вида деталей раскаткой. Большинство работ посвящено изучению процессов осадки обкаткой, условия деформирования которых принципиально отличаются от условий процесса раскатки двумя одинаковыми вращающимися валками.

Б связи с этим глэеной задачей данной работы является теоретический анализ, процесса двухвалковой раскатки с учетом специфики и особенностей деформирования, разработка модели кинематики течения металла при раскатке дисков и создание на этой основе методики расчета некоторых технологических параметров.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка прогрессивного технологического процесса изготовления крупногабаритных дисковых деталей, позволяющего получать высококачественные диски с минимальными припусками под последующую обработку резанием и проведение теоретических и экспериментальных исследований с целью выбора рациональных параметров раскатки и внедрение технологического процесса и модернизированного стана в производство.

Методы исследования. Исследования процесса раскатки дисков двумя вращающимися валками одинаковой геометрии осуществлялись с использованием известных теоретических и экспериментальных методов. Разработка модели кинематики течения металла основана на инженерном методе расчета, вклшаицем в себя поэлементный анализ влияния факторов, сопутствующих процессу. Напряженное состояние металла в очаге деформации определялось в соответствии с теорией пластических деформаций с использованием метода линий скольжения.

Экспериментальные исследования проводились на экспериментальном и затем на модернизированном стане конструкции НПО "НИИ-тракторосельхозмаш". Суть экспериментальных исследований заключается в установлении возможностей перераспределения металла в очаге деформации в зависимости от выбранных параметров деформации и начальных условий деформирования (с внедрением валков в цилиндрическую заготовку и без внедрения, с периферийной переформируемой зоной и без нее).

Кроме того, проводились экспериментальные исследования по определению возможности получения дисков сложной геометрии из сшшеов на основе .титана и никеля.

Научная новизна. Определена криволинейная форма образующей рабочей чао531 валка и деформируемой части заготовки, обеспечивающей достижение постоянства степени деформация по радиусу диска при переменном значении величины абсолютного обжатия. Лапы теоретическое обоснование и анализ механизма двухвалковой раскатки. Раэработава модель кинематики течения металла с учетом сложного силового нагружения очага деформации и влияния сил контактного трения па возможности Перераспределения металла в очаге деформации.

Практическая ценность работы заключается в разработке технология раскатки крупногабаритных дисков, в соэдании л внедрении двухвалкового стаиа с механизмом смещения оси вращения заготовки относительно плоскости осей вращения рабочих валк'оз, обеспечивающим относительное равновесие радиальных сил контактного тренпл па поверхности контакта в процессе раскатки.

Внедрение результатов работы в производство позволило ПОД7 твердить возможность перевода изготовления о традиционных малоэффективных и трудоемких технологий на технологию получения дисков о применением раскатка.

Апробация работы. В полном объеме диссертация доложена и об-сувдена на кафедре "Автоматические системы и модули обработки металлов давлением" Московского ордена Трудового Красного Знамени станкоанструментального института 21 ихш 1989 года.

Публикация. Основное содержание работы отражено в одной статье и трех авторских свидетельствах на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пеоти глав и выводов по каждой главе, общих выводов и приложения. Работа содержит цб страниц машинописного текста, 50 рисунков, 2 таблиц и список литературы из наименований. Общий объем работы - 160 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении сфогщлированн обоснование актуальности работы [ основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе освещена область применения раскатки для из-■отовления дисков, представлены способы и особенности процесса тскатки, а такм.известные конструкции и технологические схемы, ех преимущества и недостатки

В вопросы теоретических в экспериментальных исследований процесса раскатка деталей типа дисков внесли большой вклад ¿.П. Агеев, В.Ф. Баркая, К.Н. Богоявленский, К.К. Екимов.Н.П.Ел-кин, А.Ф. Звягинцев, Ю.А. Зимин, В.Н. Казаченок, Б.А. Кирсанов, В.Д. Ковалев, Л.Т. Кривда, С.Ы. Молчанов, 3. Марциняк, А.Д.Пехота, В.В. Наговицин, A.C. Пшенишшок, С.М. Соломович, M.D. Шафран и другие. ^

Анализ и обобщение накопленного научного н практического опыта на отечественных заводах дает возможность определять мощность и деформирующее усилие для раскатки дисков, спроектировать раскатной инструмент, выбрать необходимую форму заготовки под раскатку и представить общую картину формоизменения изделия в процессе деформирования, установить некоторые элементы кинематики процесса.

Тем не менее теоретические обобщения и практические рекомендации по изучению и применению процессов раскатки крупногабаритных дисков диаметром, превыпавдим 200 мм, отсутствуют.

Подавляющее большинство работ посвящено изучению и исследованию процессов осадки обкаткой, при реализации которых торцы изделия подвергаются неравномерному деформированию.

В связи с этим теоретический анализ процесса раскатки дио-ков двумя вращающимися валками позволит представить не только общую картину течения и перемещения металла в очаге деформации, но в выявить основные факторы, сопутствующие процессу, их влияние на формоизменение изделия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: ^

выявить рациональную схему и параметры деформирования для обеспечения надлежащего перераспределения металла и очаге деформации;

установить условия радиального и тангенциального самозахватов заготовки диска для симметричной схемы раскатки;

разработать модель кинематики течения металла при двухвалковой раскатке дисков в условиях сложного силового нагрухения очага деформации;

определить направления и величины сил контактного трения,а также их распределение и влияние на перераспределение металла в процессе деформирования;

описать напряженно-деформированное состояние диска с учетом

симметричного приложения деформирующих усилий к его торцам;

проанализировать напряженное состояние металла в очаге деформации.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям процесса раскатки дисков и выявлению влияния параметров деформирования на возможности перераспределения металла в очаге деформации.

В связи с тем, что параметры деформирования определяются заданием постоянного или переменного значения дЬ - абсолютного об-аатия (рис. I), при реализации условий дЬ-УЛГи const - форма образующей рабочей части валка описывается уравнением (рис.1,в):

Рис. I. Возможные параметры деформирования

где степень деформации за один оборот заготовки;

h - текущая высота заготовки; Ь0- толщина полотна раскатанного диска; S - величина подачи валка за один оборот заготовки; f>- текущий радиус заготовки; PQ- начальный радиус раскатки заготовки.

Приняты допущения: за один оборот заготовки угловая скорость материальных точек заготовки постоянна;

обжимные валки имеют одинаковую геометрию и частоту вращения;

течение металла к центру заготовки исключено вследствие наличия центральной жесткой зоны.

Б соответствии с теорией прокатки принято также, что линейные скорости точек на выходе металла из валков больше линейных скоростей соответствующих точек на входе металла в валки. Следовательно, наиболее вероятным является радиально-тангенциальное течение и перемещение металла в очаге деформации в результате перехода частиц металла с траекторий движения меньшего радиуса на траектории движения большего радиуса.

Исходя из условий отсутствия деформации металла на входе в валки и постоянства смещенного объема, перемещение точки заготовки в радиальном направлении для случаев задания параметров дефор-миоования дЬ =const ; 6h = const (рис. I,а); ап = const ; E^-va«* (рис.1,б) илЬ-var; £у, = const (рис. 1,в), получаем следующие значения текущего перемещения дБ (рис. 2):

„ля (a) (2)

да* <« vTh 131

^жЫ^Ы^'М^ « * Я-s}

-f^p-Ai- (4>

£

где а. = ----------- ; p' = P - S ; Ь - угол между напраз

ь C'i - cJ Jo J

а

£

о

г о

ос

л

ос

Рис. 2. К определению текущего перемещения дб элемента заготовки

ленияш линий входа и выхода металла из Балков; о - угол между образующей деформируемой части заготовки и плоскостью, перпендикулярной оси вращения заготовки.

Абсолютная тангенциальная деформация Д С :

д£=\//5Сг^ + {рьтр^^+л^-грЫп^ (5)

Исходя из условия равновесия и допущения постоянства коэффициента трения в месте контакта определены условия радиального и тангенциального самозахватов заготовки.

Третья глава посвящается разработке модели кинематики течения металла при раскатке дисковых деталей. Особое внимание уделе но вопросам распределения и влияния сил контактного трения,распо ложения условных зон опережения и отставания на поверхности кон такта, а также нейтральных линий тангенциального и радиаль

ного $$ скольжений. Разработаны алгоритмы определения координа точек нейтральных линий тангенциального и радиального скольжени! для общего случая раскатки со смещенной осью вращения заготовки (рис. 3). В соответствии с этими алгоритмами определены координаты зс^и Ул точек нейтральных линий тангенциального (I) и радиального (2) скольжений:

где

Ч,=У ф- - ' -у _ /

У*" . Но '

(6)

(7)

(8)

(91

Рис. 3. Расположение нейтральных линий скольжения и распоеделение сил контактного трения для общего случая раскатки

Tj nTt - радиальные и тангенциальные силы ' контактного трения

Выведены аналитические зависимости по определению значений радиальных Тр и тангенциальных Tt сил контактного трения в любой точке поверхности контакта.

1^=\5¿rv (К+ arc Sin ^^ ^^ —)

где

X — т Cos(%-*- ü2c$m . )

(10) (II)

CoS/^

В этой же главе определены значения нейтрального радиуса тангенциального скольжения - условная окружность радиуса j3* , разделяющая зоны опережения и отставания в любой момент процесса

При этом следует тлеть в виду, что при раскатке диска деформируемый металл перемещается и течет, в основном, в радиальном направлении заготовки. Это обстоятельство в значительной мере влияет на напряжения, возникащие в очаге деформации, и на их распределение по поверхности контакта.

Для упрощения решегаш задачи принимались следующие допущения:

криволинейная поверхность диаметрального сечения валка заменена двумя прямолинейными участками;

принята идеальная пластичность и что внедрение Балка в радиальной направлении заготовки происходит без учета упругих деформаций;

пластические смещения металла бесконечно малы и свободная поверхность по наружному диаметру диска не изменяет своей формы;

в зоне очага деформации, бликней к периферии, частицы металла перемещаются от центра заготовки к периферии, а в зоне, ближней к центру заготовки, - от периферии к центру;

ввиду незначительного тангенциального течения частиц металла в очаге деформации по сравнению с радиальным течением рассматривается плоское напрякенно-дефорглированное состояние;

касательные напряжения на поверхности контакта приняты пропорциональными пределу текучести и определяются величиной коэффициента трения в соответствии с зависимостью:

где касательные напряжения;

- максимальное значение коэффициента контактного трения;

к - пластическая постоянная.

Б соответствии с принятыми условиями при постановке задачи по определению напряженного состояния в очаге деформации использовались известные аналитические зависимости для расчета и построения полей линий скольжения, определения нейтрального сечения и напряжений

с^с^-к Ь\.п2оС аз)

= ¿ср+кЬСп2(?< (14)

ТК=2/ик=кОоь2о<:о (15)

В результате анализа оказалось, что поверхность контакта I очаг деформации мокно условно разделить на шесть зон с различными условияш силоеого нагрукения (рис. 4).

Рис. 4. Схема контактного нагрукения различных областей поверхности контакта

Тр- радиальные силы контактного трения, действующие ' в результате относительного обкатывания поЕерх-( ностеи валка и заготовки;

Те- радиальные силы контактного трения, возникающие ■> от относительного скольжения поверхностей валка и заготовки в результате деформирования;

Э~ нейтральные линии радиального и тангенциального 3 I1 1 скольжений соответственно.

В четвертой главе изложено обоснование выбранной схемы раскатки, описание конструкции и работы созданного стана, даны рекомендации по выбору формы и размеров рабочих валков.

В пятой главе освещается суть экспериментальных исследований, главной задачей которых является установление закономерностей перераспределения металла в очаге деформации в процессе деформирования. Определены факторы, влияющие на формоизменение заготовки е процессе раскатки и выявлены возможности управления

этими факторами для выяснения возможностей расширения области применения процесса раскатки дисковых деталей с различной конфигурацией и размерам;:.

Были проведены экспериментальные исследования, целью которых являются уточнение и подтверждение разработанных теоретических посылок процесса раскатки крупногабаритных дисков двумя вращающимися валками одинаковой геометрии.

Для проведения экспериментальных работ был изготовлен экспериментальный стан конструкции НПО "НИИтракторосельхозмаш", который в отличие от известных схем позволяет реализовать в процессе раскатки четыре движения валков относительно поверхности заготовки. В работе приведен общий вид стана и его кинематическая схема.

В результате экспериментальных исследований установлено влияние ряда технологических факторов на возможности перераспределения металла в очаге деформации и на развитие радиальных и тангенциальных деформаций.

Некоторое несоответствие теории и экспериментальных данных в части развития тангенциальных деформаций объясняется сложностью механизма течения металла в очаге деформации и тем, что при разработке теоретической модели кинематики течения металла не учитывался фактор сдвига радиального элемента от действия тангенциальных сил контактного трения.

Установлена возможность получения дисков из плоской цилиндрической заготовки без предварительной формовки обрабатываемой поверхности в штампах.

Представлены фотографии макрошлифов, отделенных от раскатанных дисков, и графическое изображение развития деформаций по стадиям раскатки для различных случаев деформирования. Отмечается, что для всех без исключения случаев раскатки наблюдаются четыре характерных явления:

Удлинение радиального элемента - штифта (шпильки); уменьшение его размера в поперечном направлении по всей длине, либо незначительное увеличение поперечного размера в периферийной части диска. Кроме того, в результате раскатки имеет место отклонение оси радиального элемента заготовки от первоначальной прямолинейности и смещение участков радиального элемента относительно исходного положения в теле заготовки в направлении раскатки.

Выявлен и объяснен механизм удлинения радиального элемента заготовки в уменьшения его размера в поперечном направлении, а также изложены принципы влияния центральной в пэриферийной не-деформируемнх зон на поведение частиц металла при раскатке.

Установлено, что при смещении оси вращения заготовка относительно плоскости осей вращения рабочих валков изменяется перераспределение радиальных сил контактного трения и происходят перераспределение смещения металла.

Выявлены возможности получения крупногабаритных дисков из титановых и никелевых сплавов.

Экспериментально установлено и подтверадено положение о том, тео металл в процессе раскатки перемещается и течет, в основном, в радиальном направлении, на основе чего разработана методика раочета заготовки и других технологических параметров с использованием экспериментальных данных.

Основополагающим при проектировании технологии раскатки яв-ияется определение параметра раскатки:

а=б|Ь (1б)

Параметр раскатки для заготовки одного и того же диока дол-юн быть неизменным для соблюдения оптимальных условий захвата (аготовки в радиальном направлении. Следовательно, при атом воз-южна вариация величин 3 и .Это обстоятельство дает широкие зозможности для использования рабочих валков одной и той же гео-¡етрии при задании различных режимов раскатки.

В шестой главе отмечается, что в результате проведенных ра-1от на ПО "Невский завод им. В.И. Ленина" в г. Ленинграде внедрен I эксплуатацию дискораскатный стан, спроектированный и изготов-:енный в НПО "НИИтракторосельхозмаш".

На основе приведенной в работе методики разработана и внед-ена технология изготовления двух дисков и двух покрышек о приме-ением раскатки.

До внедрения нового технологического процесса и дискораскат-ого стана для получения дисков с применением раскатки изделия анного типа изготавливались из поковок, полученных на молотах вободной ковкой с последующей черновой и чистовой обточкой.Дей-твующий до внедрения стана технологический процесс отличается

крайне низким коэффициентом использования металла (0,1-0,18) и большой трудоемкостью обработки резанием.

Отмечается, что применение стана дает возможность применять " для получения заготовки молот с массой падающих частей в 2-3 раза меньшей, чем применялся раньше, и возможность в 4-5 раз увеличить коэффициент использования металла. Значительно сокращена общая трудоемкость изготовления дисков.

Внедрепле новой технологии позволило снизить трудоемкость черновой обдирки на 80%.

Годовой экономический эффект от внедрения стана составил 77,8 тыс.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В процессе раскатки диска металл в очаге деформации течет в основном в радиальном направлении от центра к периферии.

2. Форма образующей рабочей части валков должна обеспечивать нв один оборот заготовки постоянство степени деформации по его ширине при переменном значении абсолютного обжатия.

3. Выбранные параметры деформирования позволяют обеспечить достижение максимальных радиальных и минимальных тангенциальных деформаций в процессе раскатки.

4. Очаг деформации условно разделяется нейтральной линией тангенциального скольжения на зона опережения, отставания и нейтральной линией радиального скольжения, поперек направления раскатки на зоны положительного (от центра дяска) и отрицательного (к центру диска) направления действия сил контактного трения в общем случае раскатки,

5. Радиальными силами контактного трения можно управлять с целью задания требуемого перемещения металла.

6. Напряженное состояние металла очага деформации описывается одни« напряжением растяжения и двумя сжатия.

7.На основе разработанной математической модели кинематики течения металла установлено, что очаг деформации разделяется на шесть областей с различными условиями силового нагружения.

8. Дисковые детали простой и сложной геометрии можно получать раскаткой как из цилиндрической заготовки, так и из заготовки с заранее подготовленной формой деформируемой части.

9. Применение малоотходного технологического процесса раскатки и дпскораскатного стана является целесообразным при производства дисков диаметром от 300 до 1000 мм.

Содержание работы отражено в следующей литературе и автор-сих свидетельствах на из обре теши:

1. Наскулия Е.Р., Алыпиц 'Л.Я., Грайфер А.Х. Изготовление зтале": типа дисков методом раскатки. Вестнпк машиностроения. -383. - Гг 7. - 65-67 с.

2. Маскулия Е.Р. и др. A.c. 248623. Способ раскатки дета-гй типа дисков. Б.II., 1969, Г 24.

S. Паскулля Е.Р. и др. A.c. '' 476927. Устройство для раскати деталей типа дисков. Б.П., 1975, .Г 25.

4. Г.'аскулля Е.Р. и др. A.c. ." 512253. Стан для раскатки пз-елий типа дисков.

- 917с ТЛБИПд Формат оум.ьихй4Дь. Тштяж 120 акя Заказ 276. 17.04.90. I п.л. Бесплатно. 1ирах 1<!и ЭКЗ*

Лаборатория офсетной печати ШО "НИИтракторосельхозмаш". 109004. Москва, 2-4. Марксистская, 22.