автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Малоотходная полугорячая штамповка малогабаритных деталей выдавливанием в закрытых штампах

А

На правах рукописи

Филиппова Марина Владимировна

МАЛООТХОДНАЯ ПОЛУГОРЯЧАЯ ШТАМПОВКА МАЛОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВЫДАВЛИВАНИЕМ В ЗАКРЫТЫХ ШТАМПАХ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 2009

003461896

Работа выполнена

На кафедре «Технология и автоматизация кузнечно - штамповочного производства» в Сибирском государственном индустриальном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Перетятько В.Н

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Евстифеев В.В. кандидат технических наук, доцент Кадыков В.Н.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический Университет им. И.И. Ползунова»

Защита состоится «3» марта 2009г. в 12 .00 часов в аудитории Зп на заседании диссертационного совета Д 212.252.01 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу:654007, г.Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова,42, ГОУ ВПО«СибГИУ» Факс: (3843) 465792; e-mail: kafkshp@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Автореферат разослан «29» января 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.252.01 д.т.н., профессор

О.И. Нохрина

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Малогабаритные детали диаметром до 20 мм и массой до 1 кг. изготовляют, как правило, на металлорежущих станках - автоматах. При этом до 70% металла уходит в стружку. Принимая во внимание, что количество таких деталей массового производства велико, и только в автотракторной отрасли составляет около 500 штук, общее количество металла, который теряется в стружку, превышает 100 тысяч тонн в год.

Высокую точность и хорошее качество поверхности детали можно получить, используя процесс холодной объемной штамповки выдавливанием. Однако этот процесс характеризуется высокими удельными усилиями и не рекомендуется для штамповки легированных марок стали, которые имеют твердость более 260НВ. Быстрое охлаждение нагретой заготовки и наличие окалины при горячей штамповке выдавливанием ухудшает качество поверхности и увеличивает припуски для дальнейшей обработки резанием.

Одним из направлений, позволяющих расширить границы применения штамповки выдавливанием, является разработка технологии полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах. В связи с этим развитие теории и совершенствование технологии обработки давлением, направленные на уменьшение потери металла, являются актуальной задачей.

Работа выполнена:

-в соответствие с перечнем критических технологий Российской Федерации - пункт «Энергосбережение»;

-в соответствие с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации - пункт «Энергосберегающие технологии»;

-в рамках федеральной целевой научно - технической программы «Сибирь», раздел 15.06, пункт 15.06.01 «Разработка новых технологических процессов изготовления изделий методами обработки давлением»;

-в соответствие с планом НИР «Алтайского научно - исследовательского института технологии машиностроения» (АНИТИМ) и Сибирского государственного индустриального университета (СибГИУ). Исполнитель кафедра «Технология и автоматизация кузнечно - штамповочного производства» (ТиАКШП).

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах и разработка научно обоснованных рекомендаций и методик расчета основных параметров процесса.

Основные задачи.

1. На основе разработанных расчетных схемы процесса выдавливания создать математическую модель расчета силовых параметров процесса штамповки в закрытых штампах.

2. Разработать методику расчета внешнего и внутреннего компенсатора для процесса выдавливания в закрытых штампах.

3. Разработать методику и экспериментально определить прочностные и пластические характеристики и поверхностной угар стали 18Х2Н4МА при температурах полугорячей штамповки.

4. Используя функцию желательности, определить оптимальную температуру нагрева заготовки для процесса полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах. Разработать алгоритм выбора технологического процесса выдавливания.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику проектирования технологического процесса изготовления детали «корпус распылителя» и внедрить ее в производство.

Научная новизна.

На основе компьютерного моделирования разработана методика расчета удельных усилий при штамповке выдавливанием в закрытых штампах. Экспериментально, используя метод планирования экспериментов, подтверждена адекватность компьютерного моделирования и получены математические модели. Приведена методика расчета компенсаторов.

Получены экспериментальные данные по сопротивлению металла деформации, пластическим свойствам и поверхностному угару для стали 18Х2Н4МА в интервале температур полугорячей штамповки.

Выполнено планирование экспериментов с использованием «функции желательности» и определена оптимальная температура нагрева заготовки из стали 18Х2Н4МА для полугорячей штамповки выдавливанием. Разработан алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований получены математические модели для расчета основных параметров процесса выдавливания; разработана научно обоснованная методика проектирования технологических процессов полугорячего выдавливания в закрытых штампах.

Практическая значимость. Разработана методика проектирования технологического процесса штамповки выдавливанием в закрытых штампах с компенсатором. Изучены механические свойства и поверхностный угар стали 18Х2Н4МА при температурах полугорячей штамповки. Определен оптимальный температурный интервал нагрева заготовки из стали 18Х2Н4МА для штамповки корпуса распылителя. Разработаны новые конструкции штампов и автоматическая линия для штамповки детали «корпус распылителя».

Реализация результатов. Результаты исследований использованы при разработке технологии полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах, проектировании штамповой оснастки и изготовления технологической линии для штамповки детали «корпус распылителя» в ООО «ТЕХНОМАШ» г. Барнаул.

Научные результаты исследования внедрены в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» в практику подготовки студентов специальности 150106 - Обработка металлов давлением.

Внедрение результатов работы в производство и учебный процесс подтверждены соответствующими актами и справками о внедрении.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: совместным использованием воспроизводимого по точности физического и математического моделирования, основанного на современных достижениях теории пластичности; широкого использования методов планирования экспериментов; адекватностью разработанных математических моделей; сопоставления полученных результатов с данными других исследователей; высокой эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденных актом внедрения в производство.

Предмет защиты. На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований формоизменения и силовых условий процесса полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах с наличием компенсатора.

2.Экспериментальные и аналитические модели расчета усилий и расчет оптимальной температуры полугорячей штамповки.

3.Методики: расчета усилий, расчета размеров компенсатора, расчета оптимальной температуры нагрева заготовки для полугорячей штамповки, определения механических свойств металла скручиванием при температурах полугорячей штамповки.

4. Технологические процессы выдавливания в закрытых штампах, разработанные на основе проведенных исследований.

Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследования, проведении компьютерного моделирования, планировании экспериментов и проведения лабораторных исследований, исследовании прочностных и пластических характеристик металла при температурах полугорячей штамповки, исследовании поверхностного угара при этих температурах, разработке метода применения «функции желательности» к задачам обработки металлов давлением, разработке конструкции штампов, участии в промышленном освоении автоматической линии для штамповки корпуса распылителя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях:

-4-ая Всероссийская научно - практическая конференция. «Информационные технологии в экономике, науке и образовании», г. Бийск. -2004.

-10-ая Всероссийская научно - практическая конференция. «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество», г. Новокузнецк, - 2006.

-6-ая Всероссийская научно - практическая конференция. «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» АБ" 2007, г. Новокузнецк, -2007.

-Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», г. Новокузнецк, - 2007.

-11-ая Всероссийская научно — практическая конференция «Металлургия: технологии, управление, инновации и качество», г. Новокузнецк, - 2007.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе две работы из перечня ВАКа для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения, списка используемой литературы из 114 наименований и 3-х приложений на 4 страницах. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунков и 11 таблиц.

Основное содержание работы.

Во введении показана актуальность работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе приведен обзор технологий, теоретических и экспериментальных исследований процессов точной штамповки выдавливанием. Изучение патентной и научной литературы показало, что в настоящее время перспективным направлением развития кузнечного производства является полугорячая точная штамповка выдавливанием. Точная штамповка выдавливанием позволяет получать поковки, которые по форме и размерам приближаются к готовым деталям, что позволяет свести к минимуму последующую обработку резанием. Коэффициент использования металла может быть доведен до 98%.

Значительный вклад в изучении процессов выдавливания внесен И.С. Алиевым, Ю.А. Алюшиным, В.А. Головиным, С.И. Губкиным A.M. Дмитриевым, В.В. Евстифеевым, П.С. Истоминым, А.Г. Овчинниковым, Л.И. Перлиным, Е.А. Поповым, И.П. Рене, А.Д. Томленовым, J1.A. Шофманом, В. Джонвоном, X. Кудо, Э. Томсеном и др.

Однако данных по усилию штамповки в закрытых штампах, расчету размеров компенсаторов, выбору оптимальной температуры нагревы заготовки для полугорячей штамповки в литературе практически нет. Исходя из этого, поставлена цель и задачи исследования.

Во второй главе приводится теоретический анализ и компьютерное моделирование силовых параметров процесса штамповки выдавливанием в закрытом штампе. Выдавливание металла в закрытом штампе является нестационарным процессом, который можно разделить на несколько стадий (Рисунок 1).

а - выдавливание в открытую полость; б - заполнение торцевой части стержня; в -заполнение компенсационной полости Рисунок 1 - Выдавливание в закрытом штампе

На первой стадии происходит процесс выдавливания в открытую полость. Эта стадия технологического процесса сравнительно хорошо изучена.

На второй стадии процесса происходит заполнение металлом торцевой части стержня. Эта стадия процесса требует дополнительного анализа.

На третьей стадии происходит вытеснение металла в компенсационную полость, которая требует также дальнейшего исследования.

Компьютерное моделирование на первой стадии выдавливания проводили на малогабаритных деталях размерами: Э от 14 до 24 мм, угол наклона матрицы у от 60° до 90°, коэффициенте трения ц от 0,1 до 0,3. Диаметр стержня готовой детали оставался постоянным и равным 9,6 мм. Коэффициент вытяжки (где Ро - площадь заготовки, Г - площадь выдавливаемого стержня) при этом составлял от 2,2 до 6,3.

Компьютерное моделирование проводили с использованием. метода конечных элементов (МКЭ) при помощи пакета прикладных программ.

На рисунке 2 приведен один из графиков зависимости относительного удельного усилия от коэффициента вытяжки л, и угла наклона матрицы к вертикальной оси у. для коэффициента трения ц=0,3. Как видно из рисунков с увеличением коэффициента вытяжки относительное удельное усилие увеличивается. Относительное удельное усилие р/о> растет с увеличением угла наклона матрицы у. С увеличением коэффициента трения ц возрастает величина относительного удельного усилия, однако характер общей зависимости р!ат =Г (X, у) не изменяется.

Для проверки адекватности компьютерного моделирования на первой стадии выдавливания были проведены экспериментальные исследования с

Рисунок 2 - Влияние коэффициента вытяжки и угла наклона матрицы на удельное усилие при ц=0,3

использованием метода планирования эксперимента. Была использована полуреплика 24"', которая содержит 8 опытов. Каждый опыт проводили 3 раза.

Итак, после реализации эксперимента получили линейное уравнение регрессии

р 1а, = 2,802 + 0,867 • Хх + 0,37 • Хг + 0,063 • А'3. (1)

Проверка адекватности модели по критерию Фишера показала, что гипотеза об адекватности модели не отвергается.

При анализе модели следует отметить, что все соображения о направлении и силе влияния факторов можно отнести только для выбранного интервала опытов.

В этом интервале опытов наиболее сильное влияние на относительное удельное усилие выдавливания оказывает коэффициент вытяжки Л; коэффициент трения -// и угол наклона матрицы - У.

В натуральном масштабе уравнение (1) можно записать в виде

р / а, = 0,0176 + 0,434 Л +3,7// + 0,237/, (2)

где у - задается в радианах.

На рисунке 3 приведен график относительного удельного усилия при выдавливании в зависимости от коэффициента вытяжки, коэффициента трения и угла наклона матрицы.

Точками показаны значения относительного удельного усилия, рассчитанного с использованием МКЭ. Как видно из рисунка 3, результаты расчетов с использованием МКЭ близко совпадают с экспериментальными данными.

Таким образом, МКЭ можно рекомендовать для анализа технологических операций выдавливания.

Кояффимионт вытяжки.

1 - ц=0,1; 2 - ¡.1=0,3; • - компьютерное моделирование Рисунок 3 - Влияние коэффициента вытяжки на относительное удельное усилие при 7=60°

На второй стадии процесса выдавливания, с использованием компьютерного моделирования, исследовали заполнение металлом торцевой части стержня, выполненного в виде цилиндра, конуса и специальной формы. На рисунке. 4 приведены конфигурация торцевой части стержня.

а б в

а—цилиндрическая форма; б - коническая форма; в - специальная форма Рисунок 4 - Конфигурация торцевой части стержня при выдавливании в закрытых штампах

При заполнении металлом торцевой части стержня усилие на пуансоне возрастает. Увеличение усилия оценивали в виде коэффициента Кф

(3)

Р<

где р1 - удельное усилие деформации на первой стадии выдавливания; -удельное усилие деформации на второй стадии выдавливания.

Адекватности модели проверяли путем опытной штамповки выдавливанием в закрытом штампе. Для этого поверхность выталкивателя изготовляли либо плоской, или она имела выемку в виде конуса или специальной конфигурации. В процессе выдавливания на гидравлическом прессе фиксировали усилие в момент заполнения полости штампа. Момент заполнения полости штампа определяли электроконтактным способом. Коэффициент формы торца стержня рассчитывали по уравнению (3).

В таблице 1 приведены данные моделирования (числитель) и опытные данные эксперимента (знаменатель).

Таблица 1. Значение коэффициента формы торца стержня

Вид торца Цилиндр Конус Специальная форма

Кф 2,0/2,10 1,8/1,88 1,7/1,79

Таким образом, удельное усилие при выдавливании металла в закрытом штампе можно найти как

Р = Кф ■ Р) (4)

На третьей стадии происходит заполнение металлом объема компенсатора. Часто течение металла на второй и третьей стадии происходит одновременно, т.е. металл вытесняется в компенсатор одновременно с заполнением торца стержня при закрытом выдавливании.

С использованием компьютерного моделирования исследовали заполнение металлом как внешнего, так и внутреннего компенсатора.

Исследования заполнения внешнего компенсатора проводили при толщине стенки компенсатора 0,5; 1,0; 2, и 4 мм (Рисунок 5). Усилие, при котором

происходило заполнения компенсатора, пересчитывали в относительное удельное усилие р/от.

Как и следовало ожидать, с увеличением толщины стенки величина относительного усилия уменьшается. Опытные данные можно аппроксимировать зависимостью.

р/ап -332,54 (О/ф3+-1200,3(В>ф:-1445, 6([Щ+584,36 (5) Достоверность аппроксимации составляет И2 =0,9965. Исследования заполнением металлом внутреннего компенсатора проводили при диаметре отверстия 2, 4, и 6 мм (Рисунок 6). Глубина компенсатора оставалась постоянной и составляла 10 мм.

1 - компенсационная полость; 2 - выталкиватель Рисунок 5 - Схема внешнего компенсатора

Опытные данные можно аппроксимировать зависимостью

р/ст = 0,9571п (¿/О) + 3,644. Достоверность аппроксимации составляет К2 =0,9998.

(6)

1 - компенсационная полость; 2 - выталкиватель Рисунок 6 - Схема внутреннего компенсатора

С увеличением диаметра внутреннего компенсатора величина относительного удельного усилия при заполнении полости компенсатора уменьшается.

Используя уравнения (5 и 6) можно найти удельное усилие заполнения компенсатора.

Экспериментальная проверка адекватности компьютерного моделирования по заполнению полости внутреннего компенсатора при штамповке выдавливанием в закрытом штампе показала хорошую сходимость результатов.

Способ безоблойной штамповки позволяет получить точную штамповку с минимальной последующей обработкой резанием. При безоблойной штамповке объем исходной заготовки должен быть равен объему готовой штамповки. Однако требование равенства объемов исходной заготовки и штамповки практически невыполнимо в связи с допусками на прокатную заготовку и малой точностью оборудования, применяемого для резки заготовок. В связи с этим необходимы дополнительные мероприятия, которые обеспечивали бы возможность успешной безоблойной штамповки при наличии неточных по объему заготовок. К числу таких мероприятий относится применение штампов с дополнительной полостью (называемых магазином или компенсатором), которая заполняется излишним объемом металла заготовки в конце рабочего хода пресса, при этом размер и форма штамповки не искажается. Магазин (компенсатор) располагается в той части полости штампа, которая заполняется в последнюю очередь.

Затекание излишнего металла в магазин (компенсатор) происходит только после оформления контура поковки. При этом:

Рк>Р, (7)

где р - удельное усилие штамповки (выдавливания); рк - удельное усилие для затекания металла в компенсатор.

Внешний компенсатор (магазин) располагается в пуансоне и затекание металла в него происходит после выдавливания и оформления контура стержневой части штамповки.

Затекание металла во внутренний компенсатор будет происходить только после полного выдавливания стержневой части штамповки и оформления торцевой части, т.е. при условии

Ре>Р (8)

При полугорячей штамповке детали «корпус распылителя» для дизельных двигателей приведен расчет размеров наружного и внутреннего компенсатора. Расчеты показали, что кольцевой компенсатор с подпором, расположенный в пуансоне имеет следующие размеры О=17,0мм, 13,0мм. Тогда толщина заусенца равна 2 мм и высота до 10 мм.

Размеры внутреннего компенсатора соответственно составляют ¿6 = 6 мм, А = 10 мм.

В третьей главе приведены экспериментальные данные по механическим свойствам и поверхностному угару стали 18Х2Н4МА при температурах

полугорячей штамповки. Для дальнейших исследования были выбраны детали массового производства из стали 18Х2Н4МА, которые объединены общим названием «корпус форсунки распылителя» для дизельных двигателей внутреннего сгорания. По назначению деталь - корпус форсунки распылителя используют для дизельных двигателей легковых автомобилей, грузовых автомобилей, тракторов, сельхозтехники, строительной техники, военной техники и т.д. По конструкции различают корпус форсунки распылителя для двигателей «Евро-2», «Евро-3» и т.д.

Разнообразие конструкция связывает общая конфигурация детали, которая состоит из корпуса большего диаметра, стержня меньшего диаметра, торцевой выступающей части и носика распылителя.

Корпус распылителя дизельной форсунки изготавливают из среднелегированной конструкционной стали 18Х2Н4МА (ГОСТ 4543-71), которая обеспечивает высокий комплекс механических и эксплуатационных свойств. Детали, изготовленные из этой стали, могут работать при температурах до 500 °С.

Структура образца в состоянии поставки представляет сорбит отпуска. Механические свойства стали 18Х2Н4МА в состоянии поставки: предел текучести - 390 МПа, временное сопротивление - 620 МПа, относительное сужение - 25%, относительное удлинение - 10%, твердость - 264 НВ. В этой стали отсутствует перлитное превращение, а интервал бейнитного превращения практически совпадает с мартенситным, поэтому даже при медленном охлаждении с температур горячей обработки металлов давлением получается структура мартенсита.

Испытания на горячее кручение (скручивание) являются распространенным методом исследования пластических свойств металла и его сопротивления деформации при высоких температурах. При испытании металла на кручение на пленке осциллографа записывали величину крутящего момента и количество оборотов до разрушения.

Степень деформации сдвига на поверхности образца определяли по

выражению.

= = (9)

где с10,10 - размеры рабочей части образца,

п7 - количество оборотов до разрушения образца.

В работе использовали образцы размерами й0 = 6 мм и /„ = 30 мм, таким образом, окончательно степень деформации сдвига до разрушения образца можно определить по уравнению

Л=0.628п, (10)

Предельную пластичность (степень деформации сдвига до разрушения образца) при кручении находим по зависимости (10).

Для определения сопротивления металла деформации по опытным данным на горячее кручение воспользуемся зависимостью

•л/,

учитывая, что диаметр образца 4> = 6 мм, окончательно получим

ег = 0.0306А/Г1К (12)

При нагреве металл соприкасается с атмосферой печи, взаимодействует с газами окислителями, в результате чего происходит окисление стали.

Методика определения поверхностного угара широко известна и состоит в следующем. Образец прямоугольного или квадратного сечения тщательно измеряют и взвешивают. Затем образец нагревают до определенной заданной температуры. Время нагрева и выдержки металла при высоких температурах задается исследователем. Во время нагрева на образце образуется окалина, которая удаляется с поверхности образца после его охлаждения. После удаления окалины производят повторное взвешивание образца. Величину поверхностного угара при данной температуре и времени нагрева находят как „ (т,-т2) ,

У,=^~л~ул1,кг/м\ (13)

где т1,т2- масса образца до нагрева и после удаления окалины, кг, /• - площадь поверхности образца, м*.

Результаты испытания стали 18Х2Н4МА на горячее скручивание до разрушения, обработанные в соответствии с зависимостями (10,12) приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты испытания стали 18Х2Н4МА на горячее скручивание___

Температура, °С Сопротивление деформации, о, МПа Пластические свойства, Л

600 450 1,89

700 355 4,41

800 290 7,85

900 245 11,30

1000 200 15,70

Известно, что зависимость сопротивления деформации от температуры описывается уравнением экспоненты.

а = а, • ехр(-£, • Т), (14)

где Т- температура в градусах Кельвина,

а/ и Ь, - коэффициенты, которые определяются экспериментально. Аппроксимируя экспериментальные данные экспоненциальной функцией, получим

сг = 2510,8- ехр(-0,002Г), Л2 = 0,9968, (15)

где к— величина достоверности аппроксимации.

Пластические свойства металла в общем случае можно описать сложной кривой с максимальной пластичностью при определенной температуре. Однако,

для исследованной марки стали в интервале температур полугорячей штамповки можно принять, что пластические свойства металла возрастают пропорционально температуре испытания.

А = а2 + Ь2-Т, (16)

где а2, Ь2 - коэффициенты, которые находятся из экспериментальных данных.

Аппроксимируя экспериментальные данные по пластическим свойствам стали 18Х2Н4МА, находим

Л = 0,0345Г - 28,799, Я2 = 0.9911, (17)

Большое значение величины достоверности аппроксимации Я2 указывает на правильный выбор аппроксимирующей функции.

Результаты исследования окисления поверхности стали при нагреве, которое оценивается величиной поверхностного угара, приведено в таблице 3.

Таблица 3 - Величина поверхностного угара при нагреве стали 18Х2Н4МА

Температура, °С 600 700 800 900 1000

Поверхностный угар, г/м2 0,05 0,06 0,12 0,23 0,40

По результатам исследования можно отметить: при нагреве до 600 °С образец приобретает матовый оттенок. Окисленный слой плотно держится на поверхности образца. При повышении температуры до 700 - 750 °С наблюдается небольшое количество окалины, которая плотно держится на образце. Начиная с температуры 900 °С и выше, количество окалины возрастает, и она начинает тонкой пленкой отслаиваться от образца.

Зависимость величины поверхностного угара от температуры (в интервале температур 600 - 1200 °С) и времени нагрева имеет вид.

(18)

где г - время нагрев, мин.,

Г - температура нагрева, градусы К.

В наших исследованиях при постоянном времени нагрева заготовки, уравнение (18) можно переписать в виде

У,=а3-ехр(^|), (19)

где а3 а4, Ь3 - коэффициенты.

Аппроксимируя опытные значения из таблицы 3, получаем

У, = 0,0003 ехр(0.0055Т). 1?=0,9757 (20)

При этом значение величины достоверность аппроксимации Я2 достаточно велико.

В четвертой главе приведена многокритериальная оптимизация температуры нагрева заготовки для точной штамповки. Анализируя результаты исследования механических свойств и поверхностного угара стали 18Х2Н4МА (Таблицы 2 и 3), трудно определить оптимальную температуру нагрева заготовки

для штамповки выдавливанием, так как с повышением температуру испытания уменьшается сопротивление металла деформации, повышаются пластические свойства, но возрастает поверхностный угар металла.

Поэтому одним из наиболее удачных способов решения задачи оптимизации процессов с большим количеством откликов является использование в качестве критерия оптимизации «обобщенной функции желательности». Под желательностью d понимают тот или иной желательный уровень параметра оптимизации. Для этого предлагается преобразовать измеренные значения свойств (откликов) в безразмерную шкалу желательности. Для построения шкалы желательности удобно использовать метод количественных оценок с интервалом значений желательности от нуля до единицы.

Обобщенная функция желательности О была использована для определения оптимальной температуры нагрева заготовки для точной объемной штамповки выдавливанием в закрытом штампе корпуса распылителя дизельной форсунки из стали 18Х2Н4МА.

Таблица 4 - Базовые значения свойств и соответствующие частные функции желательности

Свойства Уь МПа У2, А Уз, г!м1

Уп У12 У21 У22 Уз1 У32

Значение свойств у, 300 450 6,0 1,5 0,10 0,30

Желательность, d 0,70 0,20 0,70 0,20 0,70 0,20

Преобразование отклика y¡ в частную функцию желательности d¡ имеет вид d¡ = exp (~ехр (-zj), (21)

где

zi = b0 + b,y¡, (22)

или

d¡ = exp (-exp (- (b0 + b¡ y,))). (23)

Коэффициенты ¿>0 и b¡ определяются с использованием таблицы базовых свойств (Таблица 4).

Проводим расчеты для сопротивления деформации.

Для сопротивления деформации (первая колонка данных таблицы 4) при Ул=300, du= 0,70. Подставим принятое значение dt¡= 0,70 в уравнение (21).

0,70 = охр f-exp (-(bol + b„ y,,))) (24)

1/0,70 = 1,4286 = exp (exp(-(bol + b,,y„))- (25)

Дважды логарифмируя выражение (25), получим:

-(Ьщ+Ьиуи) = ¡n (in (1,4286)), (26)

или

•(Ъо1+ЬлУи)=-1,0309, (27)

аналогично при y¡¡ = 450, d¡2 = 0,20 (вторая колонка данных таблицы 4) 0,20 = exp (-ехр (- (Ь0!+Ьпу/г)),) (28)

1/0,20 = 5 =exp(expHboi+b„yi2))), (29)

-(boi+bu уц) = ln (ln (5)), (30)

-(boi+bayrJ = 0,4759. (31) Получаем систему уравнений:

Ьш + Ьц уц= 1,0309

Ьо1+Ь„у,3 =-0.4759 (32)

Подставляем вместо уц и уп минимальное ^;/=300 МПа и максимальное >■/7=450 МПа значение сопротивление деформации из таблицы 4, получим: Ь01 +300 Ьц = 1,0309,

Ь0,+450Ь ¡,=-0,4759. (33)

Решая систему, находим

¿>„/=4,0441 и Ьц = -0,01004. Подставив значения Ь0, и Ьц в уравнение (23), находим значение частной функции желательности для сопротивления металла деформации.

Таким образом, аналитическое выражение частной функции желательности для сопротивления деформации имеет вид:

с!, = ехр (-ехр (-4,0441 +0,01004 у,)) (34)

Аналогично получаем частные функции желательности для пластических свойств металла с12:

& =ехр (-ехр (0,978 - 0,3348 у¡)), (35)

и поверхностного угара при нагреве

с1} =ехр (-ехр (-1,7843 + 7,534уз)). (36)

Подставив опытные данные у1, уг и у3 из таблиц 2 и 3, находим значения частных функций желательности с1,, <12 и с!3 для разных температур нагрева. Для каждой температуры нагрева по уравнению (37) рассчитываем значения «обобщенной функции желательности».

Б= *с12 (37)

Температура, °С 600 700 800 900 1000

«Обобщенная функция желательности» 0,31 0,59 0,74 0,69 0,29

Как видно из опытных данных «обобщенная функция желательности» описывается кривой с максимумом. Максимальное значение функции желательности соответствует оптимальной температуре нагрева металла для полугорячей штамповки корпуса распылителя дизельной форсунки из стали 18Х2Н4МА. Таким образом, интервал оптимальной температуры нагрева заготовки составляет 830 - 850°С.

В работе также приведен графический метод определения «обобщенной функции желательности», который дает одинаковые результаты по выбору оптимальной температуры нагрева заготовки.

Алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием малогабаритных деталей (Рисунок 7) состоит из блока ввода исходной информации, где Д с!, I, I и а - размеры детали и угол половины конусности матрицы, блоков расчета объема и массы заданной детали.

Оператор условия характеризует возможности штамповки заготовки в холодном состоянии. Если твердость стали не превышает 260НВ, то рекомендуется использовать холодную штамповку выдавливанием для

получения данной детали. В противном случае для снижения сопротивления металла деформации необходимо производить нагрев заготовки.

Второй условный оператор определяет возможность использование технологии штамповки с нагревом заготовки. Если при нагреве в индукторе токами высокой частоты допускается возможность штамповки с поверхностным угаром У>0у25 г/м2, то следует применять технологию горячей штамповки. В противном случае необходимо снизить температуру нагрева, чтобы уменьшить величину поверхностного угара.

При КИМ (коэффициент использования металла)<0,8 рекомендуется применять технологию выдавливания в открытом штампе со свободным течением металла в стержневую часть детали.

При КИМ больше 0,8 и меньше 0,90 рекомендуется технология штамповки с внешним кольцевым компенсатором, который удаляется в отдельном переходе, или на металлорежущих станках.

При КИМ>0,90, рекомендуется технология штамповки с внутренним компенсатором, где окончательные размеры детали получают на металлорежущих станках.

Разработан и используется в технологических расчетах алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием. В алгоритме предусмотрен выбор технологии холодной, горячей или полугорячей штамповки. Рассматриваются технологические процессы выдавливания без компенсатора и с компенсатором.

В пятой главе приведена методика проектирования технологического процесса получения изделий методом точной полугорячей штамповки в закрытом штампе. На основании общего алгоритма штамповки выдавливанием разработана технология штамповки детали массового производства - «корпус распылителя» для дизельных двигателей из стали 18Х2Н4МА. Разработана конструкция штампа для изготовления поковки. Совместно с ООО «ТЕХНОМАШ» разработана и внедрена в производство автоматизированная линия для полугорячей штамповки выдавливанием в закрытом штампе детали -«корпус распылителя». От реализации в промышленности технологии, разработанной на основе проведенных исследований, получен экономический эффект.

Заключение н основные выводы

1. Актуальность темы диссертации определяется тем, что в настоящее время одним из направлений, позволяющих расширить границы применения полугорячей объемной штамповки, является разработка технологии точной штамповки выдавливанием в закрытых штампах.

2. Установлено, что штамповка выдавливанием в закрытом штампе является нестационарным процессом и состоит из трех стадий. Проведено компьютерное моделирование первой стадии процесса закрытого выдавливания. Выявлены основные факторы, влияющие на величину относительного удельного усилия выдавливания. Проверка адекватности модели с использованием метода планирования экспериментов показала хорошую сходимость результатов. Компьютерным моделированием установлены коэффициенты, учитывающие

Рж«ет объема поковки |

Расчет миссы покоим I

Холодная штдмгезека

на>2бо ">

1

Гврячлашгампоока ----------'-'Г.^У<0,25

_______т:

Гктуюрячаяштзмпоока J

КИМ<0,8

1 Свободное вьщавпивамив

—|нвружный компенсатор р—КИМ»0,Э

Виуфвмний комшнсатф

1

Расчет удельного усдаин дефэршшл

Расмеграамеровкрыпаисашра ]

• «а

Пймагь

Рисунок 7 - Алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием

возрастания удельного усилия выдавливания при заполнении торцевой части стержня на второй стадии выдавливания. Проведена экспериментальная проверка адекватности модели.

3. Выполнено компьютерное моделирование третьей стадии закрытого выдавливания, при котором происходит заполнение полости компенсатора. Рассмотрены модели заполнения металлом внешнего и внутреннего компенсатора. Экспериментальная проверка адекватности модели показала хорошую сходимость результатов. Предложена методика расчета размеров внешнего и внутреннего компенсатора для процесса выдавливания в закрытых штампах.

4. Разработана методика и проведены исследования по определению прочностных, пластических характеристик и поверхностного угара стали 18Х2Н4МА при температурах полугорячей штамповки. Рассчитаны погрешности экспериментальных данных при определении пластических свойств металла, сопротивления металла деформации и величины поверхностного угара.

5. Приведены основные положения по применению «функции желательности» для оптимизации задач обработки металлов давлением. Разработан аналитический способ расчета обобщенной функции желательности. Приведен пример расчета оптимальной температуры нагрева заготовки для детали - «корпус распылителя» из стали 18Х2Н4МА, которую штампуют по технологии полугорячего выдавливания в закрытом штампе. Рассмотрен графический способ по выбору оптимальной температуры нагрева для полугорячей штамповки выдавливанием корпуса распылителя из стали 18Х2Н4МА. Совпадение результатов, полученных аналитическим и графическим способом, подтверждает достоверность использования обобщенной функции желательности.

6. Установлен оптимальный температурный интервал нагрева заготовки стали 18Х2Н4МА для полугорячей штамповки выдавливанием в закрытом штампе. Разработан и используется в технологических расчетах алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием. В алгоритме предусмотрен выбор технологии холодной, горячей или полугорячей штамповки. Рассматриваются технологические процессы выдавливания без компенсатора и с компенсатором.

7. Анализ теоретических и экспериментальных данных позволил разработать научно - обоснованные рекомендации и методику проектирования процессов полугорячей штамповки в закрытых штампах, которые были использованы при разработке технологии изготовления детали массового производства - «форсунки распылителя» различных конструкций.

8. Совместно с ООО «ТЕХНОМАШ» разработана и внедрена в производство автоматизированная линия для штамповки выдавливанием в закрытом штампе детали - «корпус распылителя», подтвержденная актом внедрения. Годовой экономический эффект от внедрения составляет 1 млн.456 тыс. рублей. Доля диссертанта составляет 25% или 364,5 тыс. рублей в год.

Работы по теме диссертации

1. Поксеваткии М. И. Применение внутреннего компенсатора при горячей штамповке выдавливанием [Текст] 1 М.И. Поксеваткин, М.В.Филиппова, В.Н. Перетятько // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургия : сб. науч. тр. / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк, 2005. - Вып. 14.-С. 118-122.

2. Филиппова М.В. Моделирование технологии полугорячей штамповки [Текст] / М.В. Филиппова, В.Н. Перетятько // Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество : тр. всерос. науч.-практ. конф. / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк, 2006. - С. 98-101.

3. Филиппова М.В. Разработка технологии полугорячей штамповки [Текст] / М.В.Филиппова, В.Н. Перетятько // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургия : сб. науч. тр. / Сиб. гос. индустр. ун-т. -Новокузнецк, 2006. - Вып. 17. - С. 92-96.

4. Перетятько В.Н. Выбор оптимальной температуры нагрева заготовки для полугорячей штамповки [Текст] / В.Н. Перетятько, М.В. Филиппова // Известия вузов. Черная металлургия. - 2006. - № 6. - С. 16-19.

5. Выбор размеров заготовки при штамповке шара [Текст] / В.Н. Перетятько, A.B. Бахаев, С.А. Вахман, М.В. Филиппова // Вестник горнометаллургической секции РАЕН. Отделение металлургия : сб. науч. тр. / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк, 2007. - Вып. 18. - С. 64-68.

6. Филиппова М.В. Многокритериальная оптимизация температуры нагрева заготовок для точной штамповки [Текст] / М.В. Филиппова, В.Н. Перетятько // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве : труды 6 всероссийской науч.-практ. конф. / Сиб. гос. индустр. ун-т. -Новокузнецк, 2007. - С.391-394.

7. Перетятько В.Н. Расчет компенсатора при точной штамповке выдавливанием [Текст] / В.Н. Перетятько, М.В. Филиппова // Металлургия: Технология, управление, инновация, качество : сб. тр. всерос. науч.-практ. конф. / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк, 2007. - С.146.

8. Филиппова М.В. Определение размеров заготовки при штамповке выдавливанием [Текст] / М.В. Филиппова // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения : тр. всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / под ред. С.М. Кулакова ; Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк , 2007. - Вып. 11, ч. 2. Технические науки. - С. 159-161.

9. Филиппова М.В. Удельные усилия затекания металла в компенсатор [Текст] / М.В. Филиппова // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии : сб. науч. тр. / Сиб. гос. индустр. ун-т. - М. ; Новокузнецк, 2008. - Вып. 21. - С. 83-86.

10. Филиппова М.В. Аналитический расчет функции желательности при полугорячей штамповке стали 18Х2Н4МА [Текст] / М.В. Филиппова // Известия вузов. Черная металлургия. - 2008. - № 4. - С. 67 - 68.

] 1. Филиппова М.В. Автоматизированный комплекс для полугорячей штамповки выдавливанием [Текст] / М.В. Филиппова // Вестник горнометаллургической секции РАЕН. Отделение металлургии : сб. науч. тр. / Сиб. гос. индустр. ун-т. - М.; Новокузнецк, 2008. - Вып. 22. - С. 85-89.

Изд-лиц. ИД №01439 от 05.04.2000_

Подписано в печать 20,01 2009 г. Формат бумаги 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ (Н

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Издательский центр ГОУ ВПО «СибГИУ»

Введение.

1 Обзор технологий, теоретических и экспериментальных исследований процессов точной штамповки выдавливанием.

1.1 Точная штамповка в закрытых штампах.

1.2 Удельные усилия при штамповке выдавливанием.

1.3 Температурные условия при выдавливании.

1.4 Математическое моделирование процессов штамповки.

Выводы и постановка задачи исследования.

2. Исследование процесса выдавливания в закрытых штампах.

2.1 Математическая модель первой стадии процесса выдавливания.

2.1.1 Компьютерное моделирование первой стадии выдавливания.

2.1.2 Проверка адекватности моделирования.

2.2. Вторая стадия выдавливания.

2.2.1 Компьютерное моделирование.

2.2.2 Проверка адекватности модели.

2.3. Математическое моделирование третьей стадия выдавливания.

2.3.1 Исследования влияния внешнего компенсатора на заполнение торцевой части стержня.

2.3.2. Исследование влияния внутреннего компенсатора на заполнение торцевой части стержня.

2.4 Расчет компенсатора при точной штамповке выдавливанием.

Выводы.

3 Механические свойства и поверхностный угар стали 18Х2Н4МА при температурах полугорячей штамповки.

3.1 Исследование образцов на горячее кручение.

3.1.1 Определение предельной пластичности

3.1.2 Определение сопротивления деформации.

3.2 Методика определения поверхностного угара.

3.3 Результаты исследований.

3.4 Оценка точности экспериментов.

3.4.1 Погрешности экспериментов при определении пластичности металлов.

3.4.2 Погрешности экспериментов при определении сопротивления металла деформации.

3.4.3 Погрешность эксперимента при определении поверхностного угара.

Выводы.

4. Модель температуры нагрева заготовки стали 18Х2Н4МА для полугорячей штамповки.

4.1 Функция желательности для решения задач с несколькими откликами

4.2.Аналитический метод определения обобщенной функции желательности.

4.3. Графический метод нахождения обобщенной функции желательности.

4.4 Алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием.

Выводы.

5. Инженерная методика проектирования технологических процессов полугорячего выдавливания в закрытых штампах.

5.1. Порядок разработки технологического процесса.

5.2. Разработка технологии штамповки детали «корпус распылителя».

5.3. Автоматическая линия для штамповки корпуса распылителя.

Выводы.

Актуальность работы.

Малогабаритные детали диаметром до 20 мм и массой до 1 кг изготовляют, как правило, на металлорежущих станках-автоматах. При этом до 70% металла уходит в стружку. Принимая во внимание, что количество таких деталей массового производства велико, и только в автотракторной отрасли составляет около 500 наименований, общее количество металла, который теряется в стружку, превышает 100 тысяч тонн в год.

Высокую точность и хорошее качество поверхности детали можно получить, используя процесс холодной объемной штамповки выдавливанием (ХОШВ). Однако этот процесс характеризуется высокими удельными усилиями и не рекомендуется для штамповки высоколегированных марок стали, которые имеют твердость более 260НВ. Быстрое охлаждение нагретой заготовки и наличие окалины при горячей штамповке выдавливанием ухудшает качество поверхности и увеличивает припуски для дальнейшей обработки резанием.

Одним из направлений, позволяющих расширить границы применения штамповки выдавливанием, является разработка технологии полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах.

Несмотря на высокие технико-экономические показатели, процессы полугорячей точной штамповки выдавливанием в закрытых штампах медленно внедряются в производство, что связано, в некоторых случаях, с недостаточной изученностью теории и технологии процесса.

Работа выполнена:

-в соответствие с перечнем критических технологий Российской Федерации - пункт «Энергосбережение»;

-в соответствие с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации - пункт «Энергосберегающие технологии»;

-в рамках федеральной целевой научно — технической программы «Сибирь», раздел 15.06, пункт 15.06.01 «Разработка новых технологических процессов изготовления изделий методами обработки давлением»;

-в соответствие с планом НИР «Алтайского научно — исследовательского института технологии машиностроения» (АНИТИМ) и Сибирского государственного индустриального университета (СибГИУ). Исполнитель кафедра «Технология и автоматизация кузнечно — штамповочного производства» (ТиАКШП).

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах и разработка научно обоснованных рекомендаций и методик расчета основных параметров процесса.

Основные задачи.

1. На основе разработанных расчетных схем процесса выдавливания в закрытых штампах создать математическую модель расчета силовых параметров процесса штамповки в закрытых штампах.

2. Разработать методику расчета внешнего и внутреннего компенсатора для процесса выдавливания в закрытых штампах.

3. Разработать методику и экспериментально определить прочностные и пластические характеристики и поверхностной угар стали 18Х2Н4МА при температурах полугорячей штамповки.

4. Используя функцию желательности, определить оптимальную температуру нагрева заготовки для процесса полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах. Разработать алгоритм выбора технологического процесса выдавливания.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику проектирования технологического процесса изготовления детали «корпус распылителя» и внедрить ее в производство.

Научная новизна.

На основе компьютерного моделирования разработан расчет удельных усилий при штамповке выдавливанием в закрытых штампах. Экспериментально, используя метод планирования экспериментов, подтверждена адекватность компьютерного моделирования и получены математические модели. Приведена методика расчета компенсаторов.

Получены экспериментальные данные по сопротивлению металла деформации, пластическим свойствам и поверхностному угару для стали 18Х2Н4МА в интервале температур полугорячей штамповки.

Выполнено планирование экспериментов с использованием «функции желательности» и определена оптимальная температура нагрева заготовки из стали 18Х2Н4МА для полугорячей штамповки выдавливанием. Разработан алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований получены математические модели для расчета основных параметров процесса выдавливания; разработана научно обоснованная методика проектирования технологических процессов полугорячего выдавливания в закрытых штампах.

Практическая значимость. Разработана методика проектирования технологического процесса штамповки выдавливанием в закрытых штампах с компенсатором. Изучены механические свойства и поверхностный угар стали 18Х2Н4МА при температурах полугорячей штамповки. Определен оптимальный температурный интервал нагрева заготовки из стали 18Х2Н4МА для штамповки корпуса распылителя. Разработаны новые конструкции штампов и автоматизированная линия для штамповки детали «корпус распылителя».

Реализация результатов. Результаты исследований использованы при разработке технологии полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах, проектировании штамповой оснастки и изготовления технологической линии для штамповки детали «корпус распылителя» в ООО «Техномаш» г. Барнаул.

Научные результаты исследования внедрены в ГОУ В ПО «Сибирский государственный индустриальный университет» в практику подготовки студентов специальности 150106 - обработка металлов давлением Внедрение результатов работы в производство и учебный процесс подтверждены 1 соответствующими актами и справками о внедрении.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: совместным использованием воспроизводимого по точности физического и математического моделирования, основанного на современных достижениях теории пластичности; широкого использования методов планирования экспериментов; адекватностью разработанных математических моделей; сопоставления полученных результатов с данными других исследователей; высокой эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденных актом внедрения в производство.

Предмет защиты. На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований силового процесса полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах с наличием компенсатора.

2. Экспериментальные и аналитические модели расчета усилий и расчет оптимальной температуры полугорячей штамповки.

3. Методики: расчета усилий, расчета размеров компенсатора, расчета оптимальной температуры нагрева заготовки для полугорячей штамповки, определения механических свойств металла скручиванием при температурах полугорячей штамповки.

4. Технологические процессы выдавливания в закрытых штампах, разработанные на основе проведенных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях:

-4-ая Всероссийская научно - практическая конференция. «Информационные технологии в экономике, науке и образовании», г. Бийск. - 2004.

-10-ая Всероссийская научно - практическая конференция. «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество», г. Новокузнецк, - 2006.

-6-ая Всероссийская научно - практическая конференция. «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве,» А8" 2007, г. Новокузнецк, - 2007.

-Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски решения», г. Новокузнецк, - 2007.

-11 -ая Всероссийская научно — практическая конференция «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество.» г. Новокузнецк, - 2007.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе две работы из перечня ВАКа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и заключения, списка используемой литературы из 115 наименований и 3-х приложений. Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 11 таблиц.

Выводы

1. На основе проведенных теоретических исследований разработана последовательность проектирования технологического процесса полугорячей штамповки выдавливанием в закрытых штампах.

2. Разработан и внедрен в производство технологический процесс полугорячей штамповки выдавливанием в закрытом штампе детали «корпус распылителя».

3. Разработана и внедрена в производство автоматизированная линия для штамповки выдавливанием в закрытом штампе детали «корпус распылителя», подтвержденная актом внедрения.

Заключение и основные выводы

1. Актуальность темы диссертации определяется тем, что в настоящее время одним из направлений, позволяющих расширить границы применения полугорячей объемной штамповки, является разработка технологии точной штамповки выдавливанием в закрытых штампах

2. Установлено, что штамповка выдавливанием в закрытом штампе является нестационарным процессом и состоит из трех стадий. Проведено компьютерное моделирование первой стадии закрытого выдавливания. Выявлены основные факторы, влияющие на величину относительного удельного усилия выдавливания. Проверка адекватности модели с использованием метода планирования экспериментов показала хорошую сходимость результатов. Компьютерным моделированием установлны коэффициенты, учитывающие возрастания удельного усилия выдавливания при заполнении торцевой части стержня на второй стадии выдавливания. Проведена экспериментальная проверка адекватности модели.

3. Выполнено компьютерное моделирование третьей стадии закрытого выдавливания, при котором происходит заполнение полости компенсатора. Рассмотрены модели заполнения металлом внешнего и внутреннего компенсатора. Экспериментальная проверка адекватности модели показала хорошую сходимость результатов. Предложена методика расчета размеров внешнего и внутреннего компенсатора для процесса выдавливания в закрытых штампах.

4. Разработана методика и проведены исследования по определению прочностных ,пластических характеристик и поверхностного угара стали 18Х2М4НА при температурах полугорячей штамповки. Рассчитаны погрешности экспериментальных данных при определении пластических свойств металла, сопротивления металла деформации и величины поверхностного угара.

5. Приведены основные положения по применению «функции желательности» для оптимизации задач обработки металлов давлением. Разработан аналитический способ расчета обобщенной функции желательности. Приведен пример расчета оптимальной температуры нагрева заготовки для детали «корпус распылителя» из стали 18Х2Н4МА, которую штампуют по технологии полугорячего выдавливания в закрытом штампе. Рассмотрен графический способ по выбору оптимальной температуры нагрева для полугорячей штамповки выдавливанием корпуса распылителя из стали 18Х2Н4МА. Совпадение результатов, полученных аналитическим и графическим способом, подтверждает достоверность использования обобщенной функции желательности.

6. Установлен оптимальный температурный интервал нагрева заготовки из стали 18Х2Н4МА для полугорячей штамповки выдавливанием в закрытом штампе. Разработан и используется в технологических расчетах алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием. В алгоритме предусмотрен выбор технологии холодной, горячей и полугорячей штамповки. Рассматриваются технологические процессы выдавливания без компенсатора и с компенсатором.

7. Анализ теоретических и экспериментальных данных позволил разработать научно - обоснованные рекомендации и методику проектирования процессов полугорячей штамповки в закрытых штампах, которые были использованы при разработке технологии изготовления детали массового производства - «форсунки распылителя» различных конструкций.

8. Совместно с ООО «ТЕХНОМАШ» разработана и внедрена в производство автоматизированная линия для штамповки выдавливанием в закрытом штампе детали - «корпус распылителя», подтвержденная актом внедрения. Годовой экономический эффект от внедрения составляет 1 млн. 456 тысю рублей. Доля диссертанта составляет 25% или 364,5 тыс. в год.

1. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливания на прессах Текст. / А.Г. Овчинников. М. : Машиностроение, 1983. - 200 с.

2. Гладких А.Н. Холодная высадка и выдавливание изделий Текст. / А.Н. Гладких. М. : ЦИНТИАМ, 1964. - 52 с.

3. Головин В.А. Холодное прессование фасонных деталей Текст. / В.А. Головин, И.К. Букин-Батырев. М. : НИИМАШ, 1965.- 108 с.

4. Головин В.А. Производство полуфабрикатов и готовых изделий холодным выдавливанием Текст. / В.А. Головин, Д.Н. Митькин. М. : НИИТАвтопрот, 1968. - 48 с.

5. Мишунин В.А. Опыт изготовления деталей методом холодного выдавливания Текст. / A.B. Мишунин // Кузнечно-штамповочное производство. 1968. - № 10. - С. 4

6. Фаворский В.Е. Холодная штамповка выдавливанием Текст. / В.Е. Фаворский. М. : Машиностроение, 1966. - 380 с.

7. Howard F. Development and application of cold extrusion Текст. / F.Howard, A.I.Dennison // Steel metal Industries. 1966. - V.43, № 467.

8. Tomes C.T. Selection of Steel and heat treatments for east of cold extrusion Текст. / C.T.Tomes, E.H.Kottcamp // Industr. Heet. 1967. - № 1. - P. 34.

9. Алексеев В.П. Исследование процесса выдавливания полых изделий Текст. / В.П. Алексеев, Я.Е. Бейгельзимер, В.З. Спусканюк // Известия вузов. Машиностроение. 1989. - № 2. - С. 153.

10. Артес А.Э. Холодное выдавливание колец подшипников из сталей ШХ15 и ШХ15СГ Текст. / Э.А. Артес, Е.С. Серов // Малоотходные технологические процессы холодной объемной штамповки. — М.:Мосстанкин, 1984.-Вып. 1.-С.13-22.

11. Кузнецов Г.В. Холодное выдавливание деталей гидроаппаратуры Текст. / Г.В. Кузнецов, Ю.И. Канзберг, Е.И. Зориев // Кузнечно-штамповочное производство. — 1975. № 2. - С. 42-43.

12. Ренне И.П. Технологические возможности процесса выдавливания полых изделий Текст. / И.П. Ренне, А.И. Сумарокова // Кузнечно-штамповочное производство. -1987.-№6.-С. 7-10.

13. Капустин И.А. Штамповка поковок типа стакан Текст. : учебное пособие / А.И. Капустин ; под. ред. Е.И. Семенова. М. : Темп, 1991. -240 с.

14. Кузнецов В.П. Холодное выдавливание полых цилиндрических изделий Текст. / В.П. Кузнецов // Кузнечно-штамповочное производство. 1968. - № 9. - С.5.

15. Алиев И.С. Технологические процессы холодного поперечного выдавливания Текст. / И.С. Алиев // Кузнечно-штамповочное производство. 1988. - № 6. - С. 1-4.

16. Кузнецов Г.В. Комбинированное выдавливание деталей с фланцами Текст. / Г.В. Кузнецов, В.М. Мирошниченко, Ю.И. Канзберг // Кузнечно-штамповочное производство. 1974. - № 5. - С.21-23.

17. Шубин И.Н. Определение усилия раскрытия матриц при боковом выдавливании Текст. / И.Н. Шубин // Машины и технология обработки металлов давлением : труды МВТУ. 1976. - № 229, вып.11. - С. 82-87.

18. А.Г. Овчинников, И.Н. Шубин, Е.В. Пахомов // Технология изготовления заготовок в машиностроении Текст. : сборник. — М. : Машиностроение, 1971. С. 98-107.

19. Овчинников А.Г. Штамповка выдавливанием поковок с боковыми отростками и фланцами Текст. / А.Г. Овчинников, О.Ф. Дрель, И.С. Поляков // Кузнечно-штамповочное производство. 1979.- № 4. — С. 1013.

20. Овчинников А.Г. Определение поля напряжений и удельных усилий при радиальном выдавливании Текст. / Изв. вузов. Машиностроение. -1977.-№2.-С. 114-119.

21. Головин В.А. Технология холодной штамповки выдавливанием Текст. / В.А. Головин, А.Н. Митькин, А.Г. Резников. М. : Машиностроение, 1973. - 496 с.

22. Холодная объемная штамповка Текст. : справочник / под. ред. Г.А. Навроцкого. М. : Машиностроение, 1973. - 496 с.

23. Артес А.Э. Групповое производство деталей холодной объемной штамповкой Текст. / А.Э. Артес. М. : Машиностроение, 1991. — 192 с.

24. Евстратов В.А. Основы технологии выдавливания и конструирования штампов Текст. / В.А. Евстратов. Харьков : Вища школа, 1987. - 144 с.

25. Евстифеев В.В. Классификация технологических процессов холодной объемной штамповки. Вопросы групповой технологии : учебное пособие для ИТР Текст. /В.В. Евстифеев, А.Э. Артес. — М.: Машиностроение, 1987.-80 с.

26. Мишунин В.А.Теория и практика процесса холодного выдавливания Текст. / В.А. Мишунин. М. : Машиностроение, 1993. — 321 с.

27. Сторожев М.В. Теория обработки металлов давлением : учебник для вузов Текст. / М.В. Сторожев, Е.А. Попов. М. : Машиностроение, 1977.-423 с.

28. Pearson С.Е. The Extrusion of Metals Текст. / C.E.Pearson. Chapman, 1953.

29. Tresca H. Sur L Econlement des Corps Solides Soumis a de Fortes Pressions Текст. / H.Tresca. Paris Comp.Rend., Acad. Sei. - 1964. - 59, 11.-S.754.

30. Курпанов H.C. Давление, истечение и твердость пластических тел Текст. / Н.С. Курпанов, С.Ф. Жемчужный // ЖРМО. 1913. - № 3. - С. 256-310.

31. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов Текст. Т. 1 Физико-механические основы пластической деформации / С.И. Губкин. — М. : Металлургиздат, 1961. 376 с.

32. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов Текст. Т. 2. Физико-химическая теория пластичности / С.И. Губкин. М. : Металлургиздат, 1961. -416 с.

33. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов Текст. Т. 3. Теория пластической обработки металлов / С.И. Губкин. М. : Металлургиздат, 1961.-306 с.

34. Истомин П.С. Прессование Текст. / П.С. Истомин. М. : ОНТИ, 1943.

35. Шофман JI.A. Основы расчета процессов штамповки и прессования Текст. / JI.A. Шофман. М. : Машгтз, 1961.-340 с.

36. Перлин И.Л. Теория прессования металлов Текст. / И.Л. Перлин, JI.X. Рейтберг М.: Металлургия, 1975. - 447 с.

37. Рыбин Ю.И. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением Текст. / Ю.И. Рыбин, А.И. Рудской, A.M. Золотов. СПб. : Наука, 2004. - 644 с.

38. Эдуардов М.С. Штамповка в закрытых штампах Текст. / М.С. Эдуардов. -М. : Машиностроение, 1971. 240 с.

39. Журавлев А.З. Основы теории штамповки в закрытых штампах Текст. / А.З. Журавлев. М.: Машиностроение, 1973. - 224 с.

40. Журавлев А.З. Давление на стенку при штамповке в закрытом ручье с затеканием металла в углы Текст. / А.З.Журавлев // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. - № 8.

41. Журавлев А.З. Напряжение и удельное давление при затекании в угол закрытого штампа Текст. / А.З.Журавлев // Изв. вузов. Чер. металлургия. — 1965. № 5.

42. Поксеваткин М.И. Малоотходные процессы горячей штамповки Текст. : учебное пособие / М.И. Поксеваткин. Барнаул : Изд-во АПИ, 1989.-90 с.

43. Поксеваткин М.И. Классификация и выбор компенсационных устройств в штампах объемной штамповки Текст. / М.И. Поксеваткин, Г.П. Тетерин, Д.М. Поксеваткин // Кузнечно-штамповочное производство. 1994. - № 6. - С. 17-18.

44. Поксеваткин М.И. Курсовое проектирование по горячей объемной штамповке Текст. : учебное пособие / М.И. Поксеваткин. — Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2006. 123 с.

45. Поксеваткин М.И. Алгоритмизация выбора и расчета штамповых компенсаторов при штамповке выдавливанием Текст. / М.И. Поксеваткин, A.A. Штильников, Г.А. Овчаров, Д.М. Поксеваткин // Кузнечно-штамповочное производство. — 2006. № 9. - С. 33-35.

46. Ребельский A.B. Основы проектирования процессов горячей объемной штамповки Текст. / A.B. Ребельский. М.: Машиностроение, 1965. -248 с.

47. Антанок Р.И. Сравнение эффективности способов повышения точности поковок : труды МГТУ Текст. / Р.И. Антанок, Е.В. Космыкина. М. : Изд-во МГТУ. - 2003. - № 586. - С. 103-108.

48. Хилл Р. Математическая теория пластичности Текст. / Р. Хилл. М. : ГИТТЛ, 1956.-407 с.

49. Прагер В. Теория идеально пластических тел Текст. / В. Прагер. Ф.Г. Ходж. М.: Изд-во иностр. лит., 1956. - 398 с.

50. Томсен Э. Механика пластических деформаций при обработке металлов Текст. / Э. Томсен, Ч. Янг, Ш. Кобояши. М. : Машиностроение, 1968. - 504 с.

51. Соколовский В.В. Теория пластичности Текст. / В.В. Соколовский. -М. : Высшая школа, 1969. 608 с.

52. Шофман JI.A. Элементы теории холодной штамповки Текст. / J1.A. Шофман. М. : Оборонгиз, 1952. - 335 с.

53. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов Текст. / А.Д. Томленов. М. : Металлургия, 1972. - 408 с.128

54. Джонсон В. Механика процесса выдавливания металлов Текст. / В. Джонсон, X. Кудо. М.: Металлургия, 1965. - 174 с.

55. Алюшин Ю.А. Определение верхней оценки удельного усилия при прессовании металлов Текст. / Ю.А.Алюшин // Кузнечно-штамповочное производство. 1965.-№ 1.-С. 10-13.

56. Рвачев М.А. Анализ экспериментов по визиопластичности с помощью метода R функций Текст. / М.А. Рвачев, В.Д. Покрас. - Деп. В УкрНИИНТИ, 18. 12.87, № 3194 Ук. - 87. - 22 с.

57. Березовский В.Н. Деформированное состояние при осадке шара и цилиндра Текст. / В.Н. Березовский, В.Е. Логинов // Изв. вузов. Чер. металлургия. 1984.- № 4. - С.65 - 71.

58. Толчинский М.С. Использование функции тока для экспериментального исследования стационарного пластического течения Текст. / М.С.Толчинский // Изв. вузов. Машиностроение. 1971. - № 10. -С. 155-158.

59. Алюшин Ю.А. Исследование деформированного состояния при истечение металла в облой Текст. / Ю.А. Алюшин, Т.П. Жигулев // Изв. вузов. Черная металлургия. 1972. - №10. - С. 24-26

60. Kiuchi V. Flow of solía metal lurinq extrusion: three limensional simulation by finite element method. 1. Текст. / V.Kiuchi, V.Mendoza, I.Vanadimoto // Seisah Kenkun=Mon. f. Inst. Ind. Sei. / Univ. Tokyo. 1994. - 46, № 12. -C.651-654.

61. Kiuchi M. Flow of solid metal lurinq extrusion: three limensional simulatioh by finite element method. 2. Текст. / M.Kiuchi, I.Vanaqimoto. V. Mendoza // Seisan Kenkyn = Mon. f. Inst. Ind.Sci / Univ.Tokyo. 1995. - 47, № 10.-C. 506-509.

62. Филимонов Ю.Ф. Штамповка прессованием Текст. / Ю.А. Филимонов, Л.А. Позняк. М. : Машиностроение, 1964. - 215 с.

63. Брюханов А.Н. Ковка и объемная штамповка Текст. / А.Н.Брюханов. М.: Машгиз, 1960. - 373 с.

64. Лялин В.М. Определение температурных режимов заготовки при полугорячей штамповке в зависимости от требуемых механических свойств Текст. / В.М. Лялин, Р.В. Серегин, В.И. Петров // Изв. вузов. Чер. металлургия. 2003. - № 1. — С.25-27.

65. Прудко О.Г. Полугорячая объемная штамповка в металлургическом производстве ОАО «АвтоВАЗ» Текст. / О.Г. Прудко // Кузнечно-штамповочное производство. 2006. - № 1. - С. 14-15.

66. Новик Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов Текст. / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. М. : Машиностроение ; София : Техника, 1980. -304 с.

67. Кожевников И.Ф. Планирование экспериментов при изучении влияния методов вторичного рафинирования и чистоты шихты на качество стали Текст. / И.Ю. Кожевников, Ф.С. Новик, В.И. Оханов, Т.Г. Яковлева // Заводская лаборатория. 1976. - Т.42, № 1. - С. 80-82.

68. Тарлинский В.Д. Разработка высокопрочных сварочных электродов с применением математического метода Текст. / В.Д. Тарлинский, Л.С. Воронина, Е.М. Рогова, Ф.С. Новик // Сварочное производство. 1973.-№ 3. - С.3-5.

69. Планирование промышленных экспериментов в литейном производстве Текст. / Ф.С. Новик, Л.Б. Коган, Д.П. Иванов [и др.] // Литейное производство. 1970. - № 5. - С.5-7.

70. Гуляев Ю.Г. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением Текст. / Ю.Г. Гуляев, С.А. Чумасов, A.B. Губинский. Киев : Наукова думка, 1986. - 240 с.

71. Попов Е.А. Некоторые варианты приближенного анализа операций обработки давлением Текст. / Е.А.Попов // Машины и технологии обработки металлов давлением. М.: МВТУ, 1973. - № 163. - С. 168-177.

72. Теория пластических деформаций металлов Текст. / Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмгоров [и др.] ; под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М. : Машиностроение, 1983. - 588 с.

73. Попов Е.А. Роль теории в повышении эффективности обработки металлов давлением и качестве продукции Текст. / Е.А. Попов // Качество и эффективность при листовой и объемной штамповке. — М.: Изд-во МВТУ, 1977. С.9-15.

74. Численное моделирование процесса выдавливания стальных изделий с помощью системы Q FORM 2D/3D Текст. / П.А. Петров, Д.А. Гневашев, Ю.И. Филиппов [и др.] // Сб. науч. трудов / Московский автомеханич. институт. М., 2003. - С.227-233.

75. Салиенко А.Е. Новые компьютерные технологии в ковке и штамповке Текст. / Е.А. Салиенко, А.Н. Солдаткин, A.M. Рудис У/ Кузнечно-штамповочное производство. 2004. - № 4. - С. 36-39.

76. Миленин A.A. Исследование численных свойств различных алгоритмов метода конечных элементов применительно к трехмерным задачам ОМД Текст. / Гос. металлург, академ. Украины ; A.A. Миленин. Днепропетровск, 1996. - 15 с.

77. Миленин A.A. Сравнительный анализ возможности МГЭ и MIO при математическом моделировании процессов ОМД Текст. / A.A. Миленин // Изв. АН СССР. Металлы. 1997. - № 2. - С.65-72.

78. Володин И.М. Моделирование процессов горячей объемной штамповки Текст. / И.М.Володин. М. : Машиностроение, 2006. - 253 с.

79. Дель Г.Д. Математическое моделирование горячей высадки Текст. / Г.Д. Дель, В.В. Перфильев, Ф.И. Клейнерман // Изв. вузов. Чер. металлургия. 1988. - № 8. - С. 52-56.

80. Перфильев В.В. Управление пластическим течением металла при высадке путем неоднородного нагрева заготовок Текст. : автореферат дис. канд. техн. наук / В.В. Перфильев ; ВПИ. Воронеж, 1988. - 20 с.

81. Осколков А.И. Заполняемость внутреннего компенсатора при горячей штамповке выдавливанием Текст. / А.И. Осколков, М.И. Поксеваткин, Ю.А.Гуляев // Труды НПО «АНИТИМ». Барнаул, 1991. - Вып.1. - С. 25-31.

82. Перетятько В.Н. Выбор оптимальной температуры нагрева заготовки для полугорячей штамповки Текст. / В.Н. Перетятько, М.В. Филиппова // Изв. вузов. Чер. металлургия. 2006. - № 6. - С. 16-19.

83. Металловедение и термическая обработка стали Текст. / под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рихштадта. М. : Металлургия, 1983. - Т.2. - 366 с.

84. Кудрявцев И.В. Материалы в машиностроении Текст. / И.В. Кудрявцев. -М. : Машиностроение, 1967. Т.2. —496 с.

85. Гуляев А.П. Металловедение Текст. / А.П. Гуляев. — М. : Металлургия, 1977. 647 с.

86. Iring К.Н. Quantitative hot workability test vor metals Текст. / K.H. Iring // Iron age. 1944. - № 20. - V. 153.

87. Зайков M.A. Критерий пластичности при обработке металлов давлением Текст. / М.А. Зайков, В.Н. Перетятько // Изв. вузов. Чер. металлургия. — 1959. № 5.

88. Испытание стали методом горячего скручивания Текст. / В.Г. Осипов // Бюл. ИННН. 1947. - С. 22.

89. Пластичность сталей при высоких температурах Текст. / М.Н. Зуев [и др.] -М.: Металлургиздат, 1963. 104 с.

90. Богатов A.A. Механические свойства и разрушения металлов Текст. / A.A. Богатов. Екатеринбург : Изд-во УПИ, 2002. - 329 с.

91. Колмогоров B.JI. Напряжения, деформация, разрушение Текст. / B.JL Колмогоров. М. : Металлургия, 1970.-229 с.

92. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести Текст. / H.H. Малинин. М. : Машиностроение, 1968. - 400 с.

93. Ковка и штамповка Текст. / под ред. E.H. Семенова. М. : Машиностроение, 1985. - Т. 1. — 562 с.

94. Темлянцев М.В. Окисление и обезуглероживание стали в процессах нагрева под обработку металлов давлением Текст. / М.В. Темлянцев, Ю.Е. Михайленко. М. : Теплотехник, 2006. - 200 с.

95. Перетятько В.Н. Пластичность металла при горячей деформации Текст. / В.Н Перетятько // Обработка металлов давлением : межвузовский сборник. Свердловск : Изд-во УПИ, 1982. - С. 58-64.

96. Перетятько В.Н. Оценка повреждаемости при горячем кручении Текст. / В.Н. Перетятько // Обработка металлов давлением : межвузовский сборник. Свердолвск : Изд-во УПИ, 1982. - С. 96-100.

97. Справочник машиностроителя Текст. / под ред. Н.С. Ачеркана. М.: Машиностроение, 1955. - Т.1 - 568 с.

98. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химических процессов Текст. / Л.П. Рузинов. М.-Л. : Химия, 1972. - 342 с.

99. Harrinqton Е.С. / Industr. Qnality Control. 1965. - 21. - №10. - S. 494498.

100. Новик Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов Текст. / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. М.: Машиностроение ; София: Техника, 1980. - 304 с.

101. Ланской E.H. Автоматизация проектирования процессов холодной объемной штамповки и создание систем автоматизированного134производства Текст. : учебное пособие / E.H. Ланской, В.В. Евстифеев, В.В. Грязнов. М. : Машиностроение, 1988. - 68 с.

102. Классификация технологических процессов холодной объемной штамповки Текст. : учебное пособие / В.В. Евстифеев, А.Э. Артес. М.: Машиностроение, 1987. - 80 с.

103. Классификатор деталей, рекомендованных к изготовлению методами холодной и полугорячей объемной штамповки Текст. / А.И. Осколков, Ю.А. Гуляев, В.Н. Перетятько [и др.]. Барнаул : АНИТИМ, 1988. - 104 с.

104. Ковка и штамповка Текст. : справочник / ред. Совет : Е.И. Семенов (пред.) [и др.]. М.: Машиностроение, 1986. - Т. 2. - 592 с.

105. Филиппова М.В. Аналитический расчет функции желательности при полугорячей штамповке стали 18Х2Н4МА Текст. / М.В. Филиппова // Изв. вузов. Чер. металлургия. 2008. - № 4. - С. 67 - 68.

106. Утверждаю: ^Г^йеральный директор ООО «ТехнОмаш»ктн, снс Осколков А.И. « » декабря 2006 г.1. АКТвнедрения результатов работы

107. Разработанная технология и линия для штамповки корпуса распылителя внедрены в производство в 2006 г.

108. Расчеты показали, что при изготовлении корпуса распылителя полугорячей штамповкой экономия металла на одной детали составляет 20,16 г. по сравнению с получением этой детали резанием на токарных автоматах (Приложение А).