автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологии поперечно-клиновой прокатки

В в е д е н и е

Глава I. Состояние вопроса. Выводы и постановка задачи

Глава 2. Расчет геометрических и силовых параметров очага деформации.

2.1. Определение площади поверхности контакта .«.

2.2. Определение площади задней площадки контакта.

2.3. Определение площади дополнительной площадки контакта

2.4. Определение составляющих деформирующего усилия

2.5. Особенности трения на наклонной площадке контакта.

2.6. Определение КПД процесса и выбор оптимального контакта. Выводы по второй главе

Глава 3. Методика экспериментального исследования ПКП и обсуждение результатов

3.1. Исследование составляющих деформирующего усилия.

3.2. Исследование осевого натяжения и определение условий оптимального формообразования.

3.3. Исследование площади контакта.

3.4. Определение среднего удельного усилия на поверхности контакта.

3.5. Исследование нормальных и касательных напря -жений на наклонной поверхности контакта точечными тензодатчиками . НО

3.6. Исследование температурного состояния процесса деформирования.

3.7. Исследование зависимости напряжения текучести от обжатия, температуры и скорости деформации.

Выводы по третьей главе

Глава 4. Выбор оптимальных параметров технологического процесса ПКП. Примеры отдельных технологических решений.

4.1. Критерии оптимальности процесса ПКП.

4.2. Параметры, обеспечивающие оптимальное осевое натяжение

4.3. Определение параметров, обеспечивающих вращение заготовки.

4.4. Оценка остаточной пластичности прокатываемых изделий по параметрам процесса

4.5. Примеры отдельных технических решений.

4.6. Расчет оптимальной формы отрезных и раздели -тельных инструментов. Вывод по четвертой главе

Глава 5. Использование результатов исследования для разработки совершенствования и внедрения в производство технологических процессов поперечно-клиновой прокатки. Выводы по пятой главе

В "Основных направлениях экономического и социального раз -вития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" говорится, что основные тенденции развития обработки металлов давлением заключаются в замене технологических процессов, основанных на ре -зании металла, экономичными и малоотходными методами пластического формообразования деталей, резком повышении качества продукции, экономном использовании материальных ресурсов [ I ] .

Одним из процессов обработки металлов давлением, который решает поставленную задачу, является поперечно-клиновая прокатка (ПКП). Применение этого процесса взамен резания на токарных автоматах позволяет более чем в десять раз увеличить производитель -ность труда, повысить коэффициент использования металла до 80. 98$, повысить стойкость изделий, работающих на истирание на 25. 50% [2] .

Широкое внедрение процесса ПКП началось около 15 лет назад. Оно стало возможным благодаря всестороннему изучению процесса, а также накопленному в производственных условиях опыту. В настоящее время разработана инженерная теория процесса, позволяющая вести расчет основных параметров технологии: режимов обжатия, геометрии инструмента, использование ресурса пластичности заготовок, усилия деформации, возможно прогнозирование точности прокатанных деталей.

Исследованием и внедрением процесса в нашей стране занимаются ВНЙИМетМаш (г. Москва), НШТМаш (г. Волгоград), ЭНИКМаш (г. Воронеж), ГПНТИ (г. Горький), НИИТОП (г. Ростов-на-Дону), ФТИ АН БССР (г. Минск) и другие организации; аналогичные работы проводятся за рубежом фирмами ГДР, ЧССР, Японии, США, Великобритании. В нашей стране эксплуатируется около 100 единиц оборудования ПКП, что удовлетворяет потребность не более, чем на 10% без учета расширения технологических возможностей ПКП.

Планами Минтракторсельхозмаша, Минавтопрома, Минстройдорма-ша и других ведомств предусмотрено ускоренное внедрение ПКП. В соответствии с принятой Минавтопромом программой до 1990 г. намечено внедрение 77 комплексов и более ста технологических процес -сов ПКП. Внедрение процесса должно осуществляться не только за счет изготовления нового оборудования узкого назначения, но и за счет разработки совершенных комбинированных технологических про -цессов. В силу этого, задача оптимизации технологии прокатки и повышения качества прокатываемых деталей является актуальной.

Одним из направлений оптимизации является развитие теории процесса и уточнение расчета его параметров. Дело в том, что существующие методы расчета геометрии контактных поверхностей, усилий прокатки, формоизменения являются приближенными полуэмпири -ческими, и в определенной области параметров дают существенные погрешности. Другое направление оптимизации технологии может заключаться в выявлении зависимости между напряженно-деформированным состоянием и качеством изделий. Настоящая работа посвящена уточнению расчетных методов, исследованию и оптимизации парамет -ров процесса ПКП.

Выполненная работа включает разработку методики расчета и алгоритма программы для определения площади контакта, учитываю -щую изменение формы очага деформации в результате течения мате -риала, а также наличие задней и дополнительной контактных площадок, расчет составляющих деформирующего усилия, расчет оптимальной формы лезвия ножа. Работа содержит также разработку методик и исследование осевого усилия, контактных напряжений и сил тре -ния, температурного эффекта деформации, характера проявления реологических свойств материала в условиях ПКП. Исследовалось ка -чество прокатываемых изделий, выявлены критерии, характеризующие качество получаемых изделий, позволяющие оптимизировать технологию при обеспечении устойчивого протекания процесса.

Результаты работы обсуждены на 7 конференциях и совещаниях, опубликованы в 10 научных трудах. При выполнении работы создано 37 изобретений, получен патент в Великобритании, осуществляется патентование изобретений в США, ФРГ, Франции, Японии. Результаты работы использованы при заключений лицензионного соглашения с

С л Т--/-Л фирмой "Агромашинаимпекс" НРБ, контракта с фирмой " с Пп

Австралия, опционного соглашения с фирмой " ^ НасЬеНйп Италия. Отдельные процессы и инструмент внедрены на Криничанском ремзаводе им. Дергачева (г. Макеевка), на Лидском заводе сельскохозяйственных машин им. 50-летия БССР (г. Лида), с годовой экономической эффективностью - 275712 руб.

Автор защищает ряд положений по разработке и исследованию процесса ПКП:

- разработке алгоритма расчета площади контакта, учитывающего не только пересечение жестких контуров, но и характер течения материала;

- определению формы, размеров и площади дополнительной и задней площадок контакта с учетом дефектов формообразования;

- разработке методики и исследованию осевого натяжения;

- разработке методики, исследованию и установлению регрессионной зависимости для определения составляющих деформирующего усилия;

- разработке методики, исследованию и установлению регрессионной зависимости для определения температурного состояния на оси заготовки при ПКП;

- исследованию удельного давления и сил трения на наклонном участке очага деформации, а также определению зон отставания и опережения;

- исследованию особенностей проявления реологических свойств металлов в процессе ПКП, с целью установления регресси -онной зависимости для определения напряжения текучести;

- расчету оптимальной формы режущего инструмента для ПКП;

- установлению критерия точного формообразования, обеспечивающего минимальные значения эллипсности и утонения в прокатываС емых изделиях. При 8 > 1,3 критерием является А/= 7; при

1,3 - G"y m ах t где $ - обжатие, равное отношению исходного диаметра заготовки к конечному, бг - предел текучести материала заготовки, - напряжение вдоль оси заготовки.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Процесс поперечно-клиновой прокатки известен с прошлого века [3, 4] , а его практическое применение началось в 50-е годы настоящего столетия после достижения определенного уровня развития техники. Наиболее широко разработкой технологии и оборудования занимаются в СССР, США, ЧССР, ГДР и Японии [5, б] .Ряд стран экспортируют технологию и оборудование.

Суть процесса заключается в следующем. Исходная заготовка I (рис. 1.1) помещается между противолежащими инструментами 2. При встречном движении одного или двух инструментов они внедряются в заготовку, вызывая ее вращение. По мере развития процесса происходит постепенное оформление профиля детали и вытеснение избытков металла по направлению к торцам заготовки или местам набора.

Основными параметрами, характеризующими процесс являются: скорость распространения очага деформации вдоль заготонки за оборот, определяемая углом заострения инструмента $ относящимся к одной стороне, осевые усилия деформации, определяемые углом нак -лона боковой грани инструмента Л к калибрующей поверхности параллельной основанию, и обжатие В , равное отношению исходного диаметра заготовки к конечному.

Конструкция инструмента включает: участок внедрения А » деформирующий участок Б , переходной участок В и участок калибровки Г . При необходимости на участке калибровки устанавливаются отрезные ножи 3, служащие для отделения концевых отходов, и разделительные ножи 4.

Для реализации процесса служат следующие типы станов, различающиеся по кинематическим признакам (рис. 1.2). Станы с круглым инструментом: двухвалковые (рис. 1.2, а), валково-сегментные (рис. 1.2, б), трехвалковые (рис. 1.2, е). Станы с плоским инст -рументом: с двумя подвижными плитами, установленными вертикально прокатки рис. 1.2, в), с подвижной и неподвижной плитой, установленными горизонтально (рис. 1.2, д), с двумя подвижными плитами, установленными на ребро (рис. 1.2, г).

Широко распространены валковые станы. Парк созданного оборудования позволяет прокатывать изделия диаметром от 1,5 мм до 130 мм. Разработкой валковых станов занимаются: ВНИИМетМаш (г. Москва) [7] , БИИТМаш (г. Волгоград) [8, 9 ] , ПКТИ (г. Горький) [Ю, II] , НИИТОП (г. Ростов-на-Дону), а также фирмы: "Смераловы заводы народни подник" (ЧССР) [12, 13] , "Митсубиси юкоге кабусики кайте" (Япония) [14, 15] , "Дженерал моторе" (США) [16] . Конструкция валковых станов обеспечивает максимальную производительность, возможность работы от прутка и штучных заготовок, компактность прокатной клети при относительно большой длине инструмента. Известен ряд конструкций, где клиновой инструмент расположен по винтовой линии, что способствует повышению про' изводительности и позволяет работать без механизма загрузки [17]

Основным недостатком валковых станов является трудоемкость изготовления инструмента, причем для изготовления высокоточного инструмента сложной формы требуется применение специального обо -рудования.

Разработкой станов с валково-сегментным инстррментом занимается ЭНИКМаш (г. Воронеж) [18] . Конструкция станов очень ком -пактна и обеспечивает максимальную производительность. Рабочие органы стана выполнены в виде сегмента, жестко связанного со станиной, и приводного валка, установленного внутри сегмента. К не -достаткам стана относится отсутствие регулировки закрытой высоты и трудоемкость изготовления кольцевого инструмента, причем один из них должен быть выпуклым, другой - вогнутым.

Фирмой УЕВ (ГДР) разработан стан для ПКП, где инструмент устанавливается вертикально на двух подвижных плитах [19, 20} .

Рис. 1.2 Схемы станков поперечно-клиновой прокатки

Привод стана гидравлический. Его основные преимущества состоят в компактности прокатной клети и простоте изготовления плоского инструмента. Недостатком является низкая производительность из-за обратного холостого хода плит и двух остановок для выгрузки и загрузки заготовки.

Станы с инструментом, расположенным на подвижной и неподвижной горизонтальной плитах, разрабатывает ФТИ АН БССР. Пхивод станов гидравлический. По сравнению со станами с двумя подвижными плитами их отличает более высокая производительность, поскольку для выгрузки прокатанной и загрузки исходной заготовки не требуется остановки стана.

ФТИ АН БССР наряду с разработкой станов с плоскими плитами ведет разработку трехвалкового стана с ЧПУ, предназначенного для прокатки изделий универсальным инструментом в условиях мелкосе -рийного производства. В настоящее время создан первый экспериментальный образец такого стана [21] . Проведенные исследования показали, что при трехвалковой схеме прокатки уменьшается вероятность осевого разрушения материала заготовки, возрастает крутящий момент, действующий на заготовку, а также уменьшается величина осевой утяжины [22, 23] .

В поисках наиболее перспективной схемы прокатки и совершен -ной конструкции КПО им. М.И.Калинина (г. Воронеж) приступил к разработке станов [24] с плоскими плитами, установленными на ребро. Механический привод стана обеспечивает высокую скорость движения плит. Стан предназначен для работы от штучных заготовок и снабжен необходимыми механизмами для их выгрузки и загрузки.

Широкое внедрение процесса ПКП стало возможным после выпол -нения целого ряда исследований и накопления опыта в области раз -работки технологии. В настоящее время освоена прокатка большой группы изделий из конструкционных сталей и отдельных изделий из жаропрочных сталей» а также из титановых сплавов. Разработаны технологические процессы прокатки из трубчатых, квадратных и шестигранных профилей. Качество прокатываемых изделий по точности и шероховатости поверхности во многих случаях достигло уровня ме

Клиновая прокатка является частным случаем поперечной про -катки. Теоретические основы клиновой прокатки базируются на фундаментальных работах по теории поперечной прокатки Целикова А.И.

26, 27] , Смирнова B.C. [28, 29] , Тетерина П.К. [30, 3l] .

Основной вклад в исследование и разработку теории процесса ПКП, создание парка специального высокопроизводительного оборудования внесли Балин А.Ф., Макушок Е.М., Щукин В.Я., Казанская И.й., Андреев Г.В., Рогов И.В., Никольский Л.Н., ТихауэрП., Веремее -вич Ю.И., Дулов Г.А., Клушин В.А., Матвеев A.B., Поздняков О.Д., Красневский С.М., Дубень A.C., Пеев В.М. и др.

Первые исследования в области ПКП у нас в стране провел Балин А.Ф. [32.34| . Им изучены силовые и кинематические параметры процесса, напряженное состояние в очаге деформации, силы трения на контакте инструмента с заготовкой. Разработан и внедрен первый стан на Горьковском автозаводе для прокатки заготовок под штамповку шатуна двигателя.

Широкое развитие процесс ПКП получил во ВНЙИМетМаше, где под руководством Казанской И.И. разработана целая гамма автоматизированных станов, проведены исследования силовых и кинематических параметров процесса, разработан ряд новых технологических процессов и конструкций инструмента [35] .

Роговым И.В. [зб] изучена кинематика процесса клиновой прокатки; определен диаметр качения прокатываемой заготовки, геометрия очага деформации. Исследованы силовые параметры процесса клиновой прокатки; распорное усилие, воспринимаемое валками при ханической обработки на токарных автоматах прокатке, крутящий момент, прилагаемый к валкам для осуществле -ния процесса, осевые усилия, действующие на прокатываемую зато -товку. В работе даны рекомендации по выбору оптимальных параметров процесса.

При участии и под руководством Никольского Л.Н. исследован и разработан технологический процесс ПКП валково-сегментным ин -струментом, создана гамма валково-сегментных станов [37] .

П.Тихайэром (ГДР) под руководством В.С.Смирнова разработан графический метод для определения площади поверхности контакта очага деформации, определены условия устойчивого протекания процесса без проскальзывания и разрыва прокатываемой заготовки [зв] .

Работы Веремеевича Ю.Н. посвящены разработке технологичес -ких процессов и оборудования для ПКП, скща относятся две модификации двухвалковых и трехвалковый станы [39, 40] .

Расширение области применения поперечно-клиновой прокатки во многом связано с прокаткой трубчатых заготовок. Матвеевым A.B. исследованы особенности прокатки полых заготовок, разработана методика расчета инструмента [4lJ . В работе исследован ряд общих вопросов по определению геометрии и площади контактных поверхностей, а также силовых параметров процесса.

Стремясь к более точному определению параметров процесса ПКП, Поздняков О.Д. применил метод характеристик [42] . Им определены составляющие деформирующего усилия, контактные усилия, среднее удельное усилие деформации. Кроме того, в работе определена ско -рость деформации. Затронуты вопросы условий разрушения заготовок при прокатке.

На основе процесса горячей ПКП разработан процесс холодной ПКП. Из-за более низкой пластичности материала при холодной ПКП происходит его расслаивание по поверхности заготовки и разрушение в сердцевине. Однако, проведенные исследования позволили выявить узкую область параметров, при которых этот процесс реализуется.

Работы по холодной ПКП начаты Дуловым Г.А. [43] , им ис -следованы геометрические параметры очага деформации, определены силовые параметры процесса и оптимальные геометрические параметры. Для реализации процесса разработан специальный стан с валковым инструментом. Целый ряд разработанных им технологических процессов внедрен в производство.

В работе Пеева В.М. [44] значительно расширена область исследований процесса холодной ПКП. При определении площади контактной поверхности им учтено уширение, определены оптимальные пара -метры процесса связанные в единую математическую модель, проведены исследования температурного эффекта деформации.

В лаборатории прикладной механики Физико-технического института АН БССР при участии и под совместным руководством Макуш -ка Е.М. и Щукина В.Я. выполнен цикл работ по исследованию процесса ПКП, разработке технологии и оборудования.

Щукиным В.Я. уточнена геометрия контактных поверхностей и исследованы удельные контактные усилия при поперечной прокатке, изучены причины вскрытия полостей в заготовках, исследовано напряженно-деформированное состояние при прокатке, разработаны новые способы клиновой прокатки [45, 46] , исследованы кинематические и силовые параметры процесса [47] , разработан ряд конструкций оборудования, в том числе стан с ЧПУ [48, 49]

Работы Андреева Г.В. посвящены определению геометрии и площади контактных поверхностей. Исследованы силовые и кинематические параметры процесса [50] , область устойчивого протекания ПКП [51] , даны рекомендации по выбору геометрических параметров, обеспечивающих протекание процесса без проскальзывания между инструментом и заготовкой и без разрыва прокатываемого стержня [52] , изучены удельные усилия на контакте [53] .

Вопросам точности изделий, получаемых ПКП, посвящена работа Клушина В.А. [54] . В работе выявлены факторы, влияющие на точность прокатанных заготовок. Определена зависимость между пара -метрами процесса и величиной припуска и допуска на заготовках для различных типов оборудования. Проведен анализ существующих схем прокатки и даны рекомендации по их применению [55, 56, 57] .

В работе Дубень A.C. [58] получили развитие вопросы, связанные с изучением напряженно-дефоршрованного состояния при ПКП. Разработана математическая модель ПКП и создана программа расчета оптимальных технологических процессов на ЭВМ.

Красневским С.М. выполнена работа, посвященная разработке критериев деформируемости металлов при пластическом формоизменении, базирующегося на нелинейном накоплении повревдаемости, им предложен новый метод испытания металлов на предельную пластич -ность, основанный на поперечной прокатке образцов специальной формы, проведены исследования остаточной пластичности на оси прокатанной детали в зависимости от параметров процесса ПКП [59, 60].

Несмотря на довольно большой объем проведенных исследований в ПКП многие вопросы изучены недостаточно или в первом приближении. Результаты некоторых исследований плохо согласуются между собой и поэтому требуют уточнения.

Задача по определению площади поверхности контакта решается в целом ряде работ [36, 41, 50, 61.64] , где получены соответствующие выражения. Однако, расчетные значения площади поверхности контакта, полученные по этим выражениям из разных источников, не согласуются между собой. Как видно из рис. 1.3, площадь наклонной площадки контакта рассчитанная для одних и тех же параметров по выражениям приведенным в работах [4l] и [50] существенно отличаются, а в некоторой области параметров не совпадают по характеру.

2.0 40 60 cL,<paB.

Рис. 1.3 Зависимость площади наклонного участка очага деформации от угла наклона боковой грани инструмента (-D = 21 мм, ß = 7°); I - полученная Матвеевым A.B., 2 - полученная Андреевым Г.В., 3 - экспериментальная

Анализ расчетных формул, приведенных в работах [36, 41, 51, 61 .64] , показал, что они дают решение только в первом приближении, поскольку при их выводе не учтены некоторые особенности течения металла в очаге деформации, в том числе не учитывается влияние смещенного объема на форму и площадь контакта. Пояснение дает рис. 1.4, а, где приведены формы проекций контактных границ очага деформации в двух разновидностях без учета течения материала. Пусть на каком-то участке душны инструмента, где заготовка совершает половину оборота, его ширина увеличинается на АС , тогда длина прокатанной части увеличится также на АС , а длина непрокатанной уменьшится на АС . Сравнивая объем металла вошедший в очаг деформации от исходной заготовки и объем металла вышедший из него в стержень заготовки видим, что они не равны Ш£ АС, поскольку всегда

Течение материала формируется при деформации свободной по -верхности очага деформации, вызывая изменение его формы и размеров. В промежутке мевду циклами деформации, во время которого заготовка совершает половину оборота, свободная поверхность очага деформации удлиняется на величину Д , уменьшая тем самым протя -женность участка исходной заготовки, вовлекаемого в деформацию, до величины .В связи с этим уменьшается угол наклона свободной поверхности относительно угла наклона инструмента «С , который сообщался ей в момент выхода из очага деформации. Изменят также свое положение характерные точки очага деформации 8 и Е • Схема очага деформации (рис. 1.4, б) позволяет составить условие постоянства объемов, которое потребуется в последующем при определении площади поверхности контакта

И-коЬида

1-го Вида

XI

Рис. 1.4 Виды поверхности контакта

Изменение положения точки F требует учета доли деформации на калибрующей площадке. С увеличением угла наклона боковой де -формирующей грани происходит увеличение доли деформации на калибрующей площадке ABC , а при достижении предельного значения угла наклона 90° практически вся деформация будет происходить на калибрующей площадке. Вслед за этим возрастает доля удлинения от калибрующей площадки, и чем она больше, тем раньше произойдет отрыв поверхности контакта от наклонной деформирующей грани инст -румента. Это положение подтверждает образец, извлеченный из заторможенных инструментов (рис. 1.5).

В предшествующих работах [36, 41, 51, 61.64] при опре -делении площади поверхности контакта не учтены также задняя пло -щадка, возникающая вследствие особенностей пластического качения, и дополнительная площадка, возникающая вследствие калибровки овальности после первого прохода.

Задняя площадка F* (рис. 1.4, а, б) составляет часть контактной поверхности, образованной в результате уширения.

Дополнительная площадка контакта (рис. 1.4, в) образу -ется прокатанным участком заготовки и калибрующей площадкой в двух случаях. В первом - за счет избытка металла в прокатанном участке заготовки, придающем его сечению форму эллипса. Во втором - в результате упругой деформации прокатанного участка заготовки, которую он сохраняет после выхода из очага деформации, оставаясь за -ключенным между противолежащими калибрующими площадками.

Совершенно очевидно, что задняя и дополнительная площадки контакта увеличивают момент сопротивления вращению и могут вызвать проскальзывание между инструментом и заготовкой, поэтому представляется важным учитывать воздействие дополнительной и задней площадок на усилие прокатки и условие устойчивого протекания процесса.

Рис. 1.5 Заготовка с отпечатком контактных поверхностей

Таким образом, точность расчетных выражений для определения площади поверхности контакта снижается целым рядом общепринятых допущений.

В силу этого, в работах [51, 62.64] рассмотрен только первый вид формы контакта, поэтому при больших углах наклона бо -ковой деформирующей грани, когда реализуется второй вид формы контакта, расчетные формулы некорректны, как показано на рис. 1.3. Хорошее совпадение расчетных значений с экспериментальными при угле ¿с = 20° объясняется тем, что при этом угле доля удлинения от деформации на калибрующей площадке незначительна. То же отно -сится и к расчетным фордулам, приведенным в работах [36, 41, 61] . В работах [36, 50] форма калибрующей площадки упрощена до тре -угольника, а форма наклонной деформирующей грани упрощена до трапеции. Таким образом уточнение параметров поперечно-клиновой прокатки следует начинать с формы, контура и площади фактических площадок контакта.

В известном смысле к производным от площади контакта параметрам, характеризующим процесс, относятся составляющие деформирующего усилия: усилие прокатки Рх , действующее вдоль инструмента, осевое усилие Ру , действующее вдоль оси заготовки, распорное усилие Рг , действующее перпендикулярно основанию инструмента.

В силу того, что выражения для расчета составляющих деформирующего усилия базируются на площади- поверхности контакта, они, в свою очередь, также требуют уточнения как по площадям, так и по напряжениям. Однако, как показала экспериментальная проверка вы -ражений для определения усилия прокатки и распорного усилия [36, 41, 51, 61.64] , погрешность, возникающая мевду расчетными и экспериментальными значениями, может считаться приемлемой для прокатки, поскольку по этим данным производят выбор требуемого оборудования с некоторым запасом по развиваемому усилию. Более благо приятная сходимость возникает вследствие полуэмпирических подхо -дов, а при обработке данных применялись искаженные площадки, в силу чего и происходит существенная компенсация погрешности при переходе от площадок к распорному и рабочему усилиям.

В отличие от усилия прокатки и распорного усилия осевое усилие необходимо для выбора технологических параметров. Его величина характеризует интенсивность осевой деформации заготовки и требует максимально высокой точности расчетов, поскольку сказывается на качестве прокатываемых изделий, уменьшение интенсивности осе -вой деформации относительно заданной приводит к накоплению металла на прокатанном участке заготовки и придает его сечению форму эллипса, увеличение приводит к утонению прокатанного участка заготовки. Изменить величину осевого усилия можно изменяя геометрию инструмента. Этим путем следуют при наладке технологического процесса, подбирая геометрические параметры инструмента таким обра -зом, чтобы они обеспечивали необходимое осевое усилие, которое в данном процессе можно рассматривать как осевое натяжение. Множество вариантов выполнения геометрии инструмента делают процесс наладки длительным и трудоемким. Из вышесказанного вытекает актуальность определения величины оптимального осевого усилия обеспечивающего прокатку изделий без эллипсности и утонения и установле -ния оптимально точной зависимости между геометрическими парамет -рами инструмента и осевым усилием.

В работах [41, 5о] приведены расчетные выражения для определения осевого усилия, однако, они плохо согласуются между собой (рис. 1.6) и не имеют экспериментального подтверждения на всем интервале изменения, что не позволило авторам внести необходимые коррективы в расчетные выражения. Причины отсутствия экспериментальных данных усматриваются в том, что исследование трудоемко, а специальные методики еще не разработаны. Несмотря на это, раскры

Ру Н ъооо

-V

J гооо

1000 го w во so ос°

Рис. 1.6 Зависимость осевого усилия от угла наклона боковой грани инструмента (J3 = 7°, § = 1,5, D =21 мм): I - полученная Матвеевым A.B., 2 - полученная Андреевым Г.В., 3 - экспериментальная тие роли осевого усилия,как натяжения и регулятора условий деформирования .необходимо, и значение таких исследований очевидно.

Действие сил трения при ПКП обеспечивает вращение заготовки и влияет на величину составляющих деформирующего усилия. Задача определения сил трения решена полуэмпирически [41] путем построения поля скоростей относительного скольжения в очаге деформации и определения равнодействующей силы трения, в то время как экспериментальные исследования не проводились. Точность расчетных выражений может быть оценена только косвенными методами, это дает основание считать ранее проведенные исследования не завершенными. Экспериментальное исследование процесса позволит дать оценку расчетным выражениям, получить картину распределения сил трения на поверхности контакта, установить положение зон отставания и опережения, определить коэффициент трения. На необходимость исследования сил трения указывает разноречивость данных о среднем коэф -фициенте трения, значение которого определялось из выражения Тк - /т (Гц » при исследовании сил трения Тк и удельного давления , В работе [41] принято допущение, что коэффициент трения на калибрующей площадке равен 0,25, а на наклонной деформирующей грани - 0,5. В ряде работ проводилось экспериментальное исследование коэффициента трения и рекомендованы иные значения. В работах [50, 64] показано, что коэффициент трения на калибрую -щей площадке равен 0,4, а на наклонной деформирующей грани 0,7. В работе [36] приведено значение коэффициента трения на наклонной деформирующей грани 0,5. В работе [55] рекомендуется принимать коэффициент трения от 0,2 до 0,3. Коэффициент трения на наклонной площадке контакта, выполненной с рифлением, во многом зависит от профиля и размеров рифления, учитывая это, можно более точно оп -ределить его величину.

Температура деформации при горячей ПКП также является одним из наиболее существенных параметров, влияющих на устойчивость процесса, качество прокатываемых изделий, усилие прокатки, плас -тичность материала заготовки. При этом представляется важным знать не только начальную температуру прокатки, но и в конце прокатки. Разница мевду начальной и конечной температурой может быть очень значительной, поскольку процесс протекает относительно длительное время (для процессов ОВД) и при значительных удельных давлениях. Падение температуры в процессе прокатки может оказать решающее влияние на его устойчивость, поскольку возрастает сопротивление деформации, при этом увеличивается момент сопротивления вращению и уменьшается коэффициент трения. Кроме того, снижение (или повышение) температуры в ходе прокатки может снижать плас -тичность материала и приводить к его разрушению. Измерение температуры деформации в ходе прокатки представляет собой сложную техническую задачу. Отсутствие опыта в этой области требует разра -ботки новой методики исследования.

Особенности проявления реологических свойств в металле при ПКП характеризуются локальным характером деформации, специфичес -ким температурным состоянием и распределением скорости деформаций. Изменение температуры, скорости и степени деформации при ПКП вы -зывает изменение сопротивления деформации в широких пределах, при этом оказываются значимы смешанные факторы: температура и скорость деформации, температура и степень деформации, скорость и степень деформации. Данные для расчета сопротивления деформации, приводимые в литературе [бб, 67] не дают необходимой точности. Представляется важным получить более точную эмпирическую зависимость для определения сопротивления деформации при режимах ПКП, учитывающую влияние смешанных факторов и масштабного фактора.

Одно из основных преимуществ процесса ПКП состоит в относи -тельно высоком качестве изделий, что позволяет ему успешно конкурировать с другими процессами ОЩ. В сравнении с резанием на токарных автоматах, ПКП обеспечивает более высокую производительность и коэффициент использования материала, но в ряде случаев уступает по точности. В настоящее время только часть изделий ПКП служат заготовками под последующее шлифование, большая же часть проходит токарную обработку для получения более точной заготовки с припусками под шлифование. Решение задачи повышения качества прокатываемых заготовок послужит снижению трудоемкости при их последующей обработке и будет способствовать повышению экономичес -кой эффективности при внедрении процесса.

Теория ПКП позволяет определить точность прокатываемых изделий во времени при прокатке больших партий, а также содержит сведения рекомендательного характера о связи качества изделий с па -раметрами процесса [54, 55] . Зависимость для определения точ -ности во времени основана на статистических методах и не учитывает начальную точность заготовки, в то время как она может иметь эллипсность, конусность, утонение и другие погрешности формы на прокатанных участках, что составляет значительную часть поля до -пуска* Начальная точность во многом зависит от начальных параметров процесса, геометрии инструмента и степени обжатия, которые в ходе длительной реализации процесса не изменяются. Определение начальных параметров, определяющих максимально возможную точность формы при реализации процесса, будет способствовать повышению точности вообще и представляет поэтолчу важную задачу.

В ряде случаев процесс ПКП включает обрезку концевых отходов и разделение заготовки ножами. Конструкция ножей вызывает большую неравномерность деформации, степень обжатия изменяется от единицы в начале ножа до сколь угодно больших величин в момент отделения отхода на конце ножа, когда зазор между противолежащими ножами близок к нулю. Это увеличивает вероятность проскальзывания между ножом и заготовкой, способствует образованию на торцевой поверх -ности утяжин и заусенцев. Для уменьшения неравномерности деформации за счет более плавного изменения степени обжатия разработана конструкция ножей с плавно изменяющимся углом подъема, уменьшаю -щимся к концу ножа [68, 69*] , однако это дает частичное решение. Разработка конструкции ножей, обеопечивающих постоянную степень обжатия, позволит устранить неравномерность деформации при обрезке и будет способствовать повышению устойчивости протекания про -цесса, а также улучшению качества торцевых поверхностей.

Одним из важных направлений развития процесса Ш.И, в котором он получил бурное развитие, является разработка новых способов реализации процесса и совершенствование конструкции инструмента. За последние 15 лет в этой области создано более 200 изобретений, направленных на расширение технологических возможностей, повыше -ние производительности процесса, повышение качества изделий, по -вышение стойкости и снижение металлоемкости инструмента. Тенден -ция к совершенствованию конструкции машин и инструмента созфаня -ется и в настоящее время, она вызвана новыми требованиями к про -цессу ПКП в связи с его распространением в области авиастроения, станкостроения, автостроения и др. отраслей народного хозяйства.

Выводы и постановка задачи

- Широкое развитие поперечно-клиновая прокатка получила в последние 10.15 лет. За это время разработано оборудование и тех -нологические процессы для прокатки большой номенклатуры изделий. Качество прокатываемых изделий приблизилось к качеству изделий, получаемых механической обработкой на токарных автоматах, при этом обеспечивается более высокий коэффициент использования материалов 0,8.0,98 и более высокая производительность труда (в 5. Л О раз). Доказана высокая экономическая эффективность как в области изготовления метизов, деталей, так и заготовок под последующую штамповку, сварку и т.п.

- При расчете геометрической форды и размеров площади кон -такта пока не учтено изменение площадок за счет течения материала. Осталась вне поля внимания также площадь задней и дополни -тельной площадок контакта. В силу этого расчетные выражения для определения площади контакта содержат целый ряд допущений и мо -гут быть определены как первое приближение.

- Требуют уточнения также зависимости для расчета составляющих деформирующего усилия путем учета параметров площадок. Недостаточное внимание уделялось исследованию осевого усилия, что не позволяет оценить точность расчетных параметров процесса, поскольку оно выполняет роль продольного натяжения.

- Задача определения сил трения также требует своего развития. Известных данных недостаточно для точного определения радиуса качения. Экспериментальных исследований по измерению эпюр контактных сдвигающих напряжений не проводилось.

- Исследование температурного эффекта деформации и захолажи-вания заготовки представляет собой важную задачу, связанную с изменением силовых параметров процесса. Для проведения исследований требуется разработка новой методики, учитывающей специфику про -цесса.

- Процесс ПКП имеет некоторые особенности проявления реологических свойств, что вызывается изменением температурного поля, спецификой неравномерности деформации, локальностью очагов деформации.

- Теория ПКП позволяет определить точность прокатываемых изделий во времени, при прокатке больших партий и не учитывает на -чальную точность заготовки, в то время как она может иметь эллип-сность, конусность, утонение и другие погрешности формы, что составляет значительную часть поля допуска. Определение начальных параметров, обеспечивающих максимально возможную точность формы, будет способствовать повышению точности вообще.

- Конструкция ножей для обрезки технологически необходимых концевых отходов и разделения заготовок вызывает большую неравномерность деформации, что увеличивает вероятность проскальзывания между ножом и заготовкой и вероятность неразделения.

- Одна из тенденций развития процесса ПКП состоит в разра -ботке новых способов реализации процесса и совершенствовании конструирования инструмента и оборудования. Она находит отражение в более чем 200 изобретений, созданных в области ПКП за последние 15 лет.

В результате анализа литературных данных и опыта накоплен -ного в ФГИ АН БССР и других организаций были сформулированы задачи исследования:

- Используя возможности современной вычислительной техники, а также экспериментальные результаты разработать методику расчета параметров контактных площадок, учитывающую специфику формообра -зования в очаге деформации. На этой основе уточнить расчет сос -тавляющих деформирующего усилия.

- Разработать методику исследования осевого усилия. Провести исследование составляющих деформирующего усилия и сопоставить их с расчетными данными.

- Разработать методику и провести исследование эпюр напряжений трения и удельного давления на наклонном участке очага деформации. Выявить зоны отставания и опережения.

- Разработать методику и исследовать температурный эффект деформации. Разработать методику и провести исследование особен -ностей проявления реологических свойств металлов при режимах ПКП.

- Провести исследование условий формообразования и установить их связь с параметрами процесса.

- Рассчитать форду лезвия ножа, обеспечивающую постоянную степень обжатия при деформации.

- Разработать новые конструкции инструмента на уровне изобретений, направленные на совершенствование процесса и средств его осуществления.

- Результаты исследования внедрить в производство.

2 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ

15. Результаты работы использованы в раде технологических процессов поперечно-клиновой прокатки . Для Криничанского ремзавода им. Дергачева и Лидского завода сельхозмашин разработаны технологические процессы прокатки детали "палец" и заготовки детали звено", внедрение которых на этих заводах дало суммарный годовой экономический эффект 275712 рублей. Два технологических процесса разработаны по лицензионному соглашению для предприятия ОСМ "Метал" г. Толбухин (Болгария). Один технологический процесс разработан при выполнении контракта с фирмой " Seco titan " (Австралия).

1. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1.8I-I985 годы и на период до 1990 года. - М.: Политиздат, 1981. - 45 с.

2. Клушин В.А., Макушок Е.М., Щукин В.Я. Совершенствование поперечно-клиновой прокатки. Мн.: Наука и техника, 1980,- 280 с.

3. Кордон К. Горячая обработка металлов. М. : Машгиз, 1929.- 139 с.

4. Привилегии на усовершенствование матриц для прокатки металлических изделий. Патент, 1887.

5. Дубень A.C., Щукин В.Я. Совершенствуя старое. Промышленность Белоруссии, 1976, № 12, с. 38-39.

6. Щукин В.Я., Лущик Э.А. Совершенствование поперечно-клиновой прокатки в машиностроении. Отечественные и зарубежные изобретения. Мн.: БелНИИНТИ, 1980. - 52 с.

7. Поперечная прокатка в машиностроении / Целиков А.И., Казан -екая И.И., Сафонов A.C. и др. М.: Машиностроение, 1982.- 192 с.

8. Конструкции автоматических станов поперечно-клиновой прокатки / Веремеевич Ю.Н., Суворин Е.П., Горовой P.C. и др.- Куз-нечно-штамповочное производство, 1976, № 9, с. 29-31.

9. Мандрик А.П. Поперечно-клиновая прокатка деталей. Технология и организация производства, 1976, № 4, с. 14.

10. Балин А.Ф., Рогов И.В. Станы поперечно-клиновой прокатки Д-1000 и Д-650 Труды ГПКТИ, 1969, вып. 4. - 117 с.

11. Балин А.Ф. Поперечно-клиновая прокатка кузнечных заготовок.- М.: Машгиз, 1959. 76 с.

12. Va по haп С. Tzansir&zse го&Спа $ог tße pzoduetion d ten с shed and semi-/fin is h ta components. -Jzon and Stttl}pnt,1969}l>.W-m13