автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Надежность технологических процессов горячей объемной штамповки стальных осесимметричных поковок на кривошипных горячештамповочных прессах

ВВЕДЕНИЕ.

Технологические процессы горячей объемной штамповки стальных осесимметричных поковок в открытых штампах на КГШП (ТП ГОШ) широко используются в качестве заготовительного передела в различных отраслях машиностроения. Постоянно расширяется как номенклатура штампуемых поковок, так и сортамент сталей, используемых для их производства. Возрастают требования к качеству поковок вследствие ужесточения допусков на последующую обработку поковок. Недостаточный уровень надежности технологических процессов приводит к увеличению брака выпускаемых поковок, росту себестоимости их производства из-за увеличения расходов всех видов ресурсов и повышения затрат на устранения отказов инструмента и оборудования. Использование систем автоматизированного проектирования технологических процессов требует оценки надежности принимаемых организационно-управленческих и технологических решений как при подготовке производства, так и при его сопровождении. Поэтому решение задач, связанных с оценкой надежности ТП ГОШ является важной народнохозяйственной задачей, одним из основных источников повышения их эффективности, экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов, повышению конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Известные работы, посвященные данной проблематике, в основном, затрагивают лишь отдельные аспекты решения этой задачи, таких как оценка условий возникновения отдельных видов дефектов (отказов) при отрезке заготовки, ее нагреве и штамповке поковки. Имеющиеся модели прогнозирования показателей качества заготовок, обрабатываемых на технологических операциях ТП ГОШ, не учитывают в полной мере влияние режимов обработки заготовок, физико-механических свойств их материала, параметров, характеризующих состояние формообразующего инструмента. Несмотря на накопленный большой опыт разработки технологических

процессов горячей объемной штамповки практически отсутствуют модели, позволяющие получать количественные прогнозы возможного брака поковок, с учетом влияния на их качество случайных факторов, характерных для горячей объемной штамповки поковок в открытых штампах, значений показателей качества заготовок, формируемых на отдельных операциях технологического процесса, состояния штамповой оснастки.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов горячей объемной штамповки поковок в открытых штампах на КГШП на основе:

- выявления технологических операций наиболее критичных к отказам как по показателям качества, формируемым при обработке заготовки, так и к отказам, возникновение которых возможно при функционировании основных элементов технологического процесса;

- использования количественной оценки вероятностей отказов, позволяющей прогнозировать возможный процент брака изготавливаемых поковок, рационализировать размеры партий заготовок, запускаемых в производство, с учетом возможности возникновения отказов по основным показателям качества окончательной поковки и характерных отказов используемого инструмента на различных операциях ТП ГОШ;

- оптимизации технологических процессов штамповки поковок за счет снижения затрат на поддержание заданного уровня надежности их функционирования, рационализации режимов эксплуатации используемого инструмента и технологических параметров обработки заготовки на отдельных операциях.

Для достижения поставленной в работе цели решались следующие задачи:

- исследование и количественная оценка влияния колебаний значений основных технологических параметров технологических one-

штампов их конструктивных особенностей, температурно-силовых режимов их нагружения, физико-механических свойств характерных инструментальных сталей (предела прочности и предела выносливости) и физико-механических свойств материала заготовки (предела прочности, относительного удлинения и предела текучести) при температурах разрезки прутка и обрезки облоя поковки;

- в математических моделях надежности функционирования пггам-пового инструмента для разрезки сортового проката и обрезки облоя поковок, учитывающих влияние на возникновение отказов инструмента таких факторов, как температура локального нагрева рабочих элементов инструмента и неравномерность распределения напряжений в зоне контакта заготовки и инструмента, изменение физико-механических свойств деформируемой заготовки и материала рабочих элементов инструмента, а также нормативные значения предельно допустимой высоты торцевого заусенца, образующегося при разрезке заготовок и обрезке облоя поковок.

Практическое значение диссертационной работы заключается: - в снижении себестоимости производства стальных горячештам-пованных поковок за счет прогнозирования возможного брака на операциях разрезки сортового проката, нагрева заготовок перед штамповкой, штамповки поковок, обрезки облоя и пробивки наметки под отверстие;

- в рекомендациях по определению параметров технологических операций горячей объемной штамповки стальных поковок, обеспечивающих нормативные показатели качества изготавливаемых поковок с учетом конкретных технологических условий их производства;

- в рекомендациях по определению оптимальных размеров партий запуска поковок в производство, обеспечивающих снижение времени на подналадку технологических операций, замену штампового инструмента и сокращению затрат на устранение его отказов;

- в рекомендациях для определения количества комплектов штампового инструмента для разрезки сортового проката и обрезки об-лоя поковок с учетом условий, режимов и надежности его эксплуатации;

- в снижении трудоемкости подготовки, освоения и сопровождения производства стальных поковок за счет использования разработанного пакета прикладных программ для автоматизированных экспертных оценок надежности технологических процессов горячей объемной штамповки осесимметричных стальных поковок на кривошипных горячештамповочных прессах.

Диссертационная работа выполнялась в рамках следующих научно- исследовательских тем:

- "Автоматизация проектирования процессов штамповки круглых поковок на КГШП" (№ гос. регистрации 01.86.0027966);

- "Разработка модулей автоматизированной системы экспертных оценок изготовления стальных фасонных профилей" (№ гос. регистрации 01.88.0032067) по заказу предприятия п/я А-1950 ("Ижсталь", г. Ижевск);

- "Моделирование пластического течения упругопластической среды, ограниченной поверхностями произвольной конфигурации" (№ гос. регистрации 01.9.5000 1501, инв. № 02.960.004929) в соответствии с координационным планом научно - исследовательских работ ВУЗов Российской Федерации в области механики;

- " Надежность технологических процессов горячей объемной штамповки " ( № гос. регистрации 01.960009755 ) в соответствии с направлением "Жидкофазные технологии и ОМД", курируемого Головным Научно - Техническим Советом "Технология конструкционных и машиностроительных материалов" по плану научно -исследовательских работ ВУЗов Российской Федерации.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

12

Основные результаты исследований опубликованы в 36 печатных работах (статьи в центральных научно-технических журналах, межвузовских сборниках, тезисы докладов международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференций и семинаров).

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ПОКОВОК НА КГШП.

1.1. Основные виды отказов поковок, получаемых горячей объемной штамповкой в открытых штампах на КГШП.

В настоящее время разработана система ГОСТов [1,2], регламентирующих основные параметры технологических систем, показатели надежности их функционирования и условия контроля этих показателей. Наиболее близким по требованиям, предъявляемым к техническим системам, применительно к технологическим процессам горячей объемной штамповки поковок в открытых штампах на кривошипных горячештамповочных прессах (ТП ГОШ на КГШП) является ГОСТ 27.202-83 "Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготавливаемой продукции". В соответствии с этим ГОСТом под надежностью технологической системы ТС ТП ГОШ ( далее надежность ТП ГОШ) понимается способность технологического процесса сохранять в течении определенного промежутка времени работоспособность, обеспечивающую изготовление продукции при заданных технологических условиях с показателями качества и ритмом выпуска, установленными в нормативно - технической документации. В зависимости от целей оценка надежности ТС может производиться :

- по показателям, характеризующим соответствие показателей качества изготавливаемой продукции (поковок) требованиям нормативно-технической документации (оценка по показателям качества) в течении заданного промежутка времени;

- по показателям , характеризующим соответствие объема производимой продукции за заданное время или продолжительности изготовления продукции, требованиям нормативно-технической документации (оценка по параметрам производительности);

- по показателям, характеризующим соответствие нормативных данных по величине затрачиваемых материальных и трудовых ресурсов (оценка по затрачиваемым ресурсам);

- по комплексным показателям, характеризующим одновременно качество и количество выпускаемой продукции и величину затрачиваемых ресурсов.

Под параметрами качества ТС понимается не только показатели качества производимой продукции (поковок), но и показатели точности и стабильности технологического процесса и операций, входящих в его состав. Под параметрами производительности понимаются характеристики ТП, определяющие его производительность и влияющие на выпуск установленного объема продукции в заданные сроки (ритм выпуска, продолжительность цикла, продолжительность наладок и подналадок и т.п.).

При оценке надежности считается, что критерием отказа является наступление одного или одновременно нескольких следующих событий:

- выход одного или нескольких показателей качества изготавливаемой продукции за допустимые пределы, установленные в нормативно-технической документации или требованиях потребителя;

- выход параметров или режимов ТП за установленные границы;

- прекращение функционирования ТП, обусловленное отказом одного из элементов средств технологического оснащения;

- снижение ритма выпуска продукции ниже уровня, установленного в нормативно-технической документации;

- невыполнение установленного объема производства годной продукции в заданные сроки;

- невыполнение установленных функций человеком - оператором или внешние факторы (прекращение подачи электроэнергии, отсутствие заготовок, материалов и т.п.);

- превышение установленных нормативов по трудоемкости, себестоимости изготовления продукции и по другим видам расходуемых ресурсов из-за состояния ТП;

- нарушение на контрольных операциях нормативов контроля.

Основными количественными оценками надежности технологических процессов принято считать [2,3]:

- вероятность выполнения задания по выпуску продукции по ее показателям качества;

- вероятность выполнения задания по ритму выпуска продукции;

- вероятность выполнения задания по обоим вышеуказанным показателям одновременно;

- среднее время выполнения задания.

Показатели качества поковок, получаемых горячей объемной штамповкой в открытых штампах на КГШП, регламентируются ГОСТом 7808-85. Впервые классификация брака (отказов) поковок и источников его возникновения была приведена в работе Гостева В.И. [4] (Таблица1.1). Несмотря на преимущественно качественный характер данной классификации, ее можно рассматривать как первый результат использования системного подхода в анализе надежности ТП ГОШ и применения для ее оценки методов статистического моделирования, в частности, методов параметрической теории надежности.

Прогнозирование возникновения вышеперечисленных видов отказов при изготовлении поковок возможно при наличии моделей, позволяющих осуществлять количественную оценку показателей качества, формируемых на каждой из операций ТП ГОШ в зависимости от значений ее основных технологических параметров, характеризующих режимы обработки заготовки и состояние используемых средств технологического оснащения (инструмент, оборудование и т.п.).

Основные виды отказов при горячей объемной штамповке осесим-метричных поковок в открытых штампах на КГШП

Таблица 1.1

№ Виды отказов поковок Источник отказов Предельные значения

1 2 3 4

1. Отказы , обусловленные состоянием исходного материала [4].

1.1 Риски - мелкие, просматриваемые до дна царапины на поверхности поковки. Дефекты валков прокатного стана в виде задиров и заусенцев. Глубина до 0,2...0,5 мм

1.2 Волосовины - тонкие не просматриваемые до дна трещины на поверхности поковки Металлургические дефекты (подкорковые газовые пузыри ) Глубина до 0,5...1,5 мм

1.3 Закаты - заусенцы, закатанные в виде диаметрально противоположных складок Износ ручьев прокатных станов Глубина до 0,5 мм

1.4 Плены - отслаивающиеся с поверхности прутка пленки толщиной и остающиеся на поверхности поковок Металлургические дефекты Толщина до 1,5 мм

1.5 Инородные включения, понижающие механические свойства стали Металлургические дефекты

1.6 Флокены -скопление мелких извилистых трещин Нарушение режима охлаждения слитков и заготовок

1.7 Несоответствие марки стали Металлургические дефекты (отклонение химического состава стали) Предельно допустимые значения показателей химического состава

1.8 Несоответствие размеров профиля проката Неправильная калибровка проката Нижняя граница поля допуска на прокат

Продолжение Таблицы 1.1 2. Отказы по показателям качества заготовки, возникающие при разрезке прутка [5-12]._

1 2 3 4

2.1 Относительная продольная утяжина, Ь' = % (рис. 1.1) Механические свойства материала прутка, чрезмерный зазор между ножами, износ ножей 0,5 ...0,8

2.2 Относительная поперечная утяжина, /'= (рис.1.1) — 0,1 ...0,2

2.3 Относительная волнистость торца заготовки, £'= (рис.1.1) — 0,05 ..0,06

2.4 Относительное колебание объема заготовки, у — у дУ = н V» Механические свойства материла прутка, чрезмерный зазор между ножами, износ ножей, колебания размеров поперечного сечения прутка. ±3%

2.5 Относительный заусенец, (рис.1.1) Чрезмерный зазор между ножами, износ ножей. 0,03...0,04

2.6 Угол скоса торцев, ср (рис. 1.1) Механические свойства материла прутка, чрезмерный зазор между ножами. 8°

2.7 Торцевые трещины, Ь, Механические свойства материла прутка, чрезмерный зазор между ножами, колебания химического состава материала прутка 1...1,3 мм

2.8 Качество поверхности торцев заготовки, Механические свойства материла прутка, чрезмерный зазор между ножами. Яі 80

2.9 Максимальная длина заготовки Чрезмерный зазор между ножами. Ь3+Ав

2.10 Минимальная длина заготовки —

Ав, Ан - значения верхнего и нижнего допуска на длину заготовки, устанавливаемые с учетом ее диаметра, длины и вида оборудования, используемого для отрезки заготовки.

Продолжение Таблицы 1.1 3. Отказы, возникающие при нагреве заготовки под штамповку [13-17]. _

3.1 Недогрев заготовки, приводящий к понижению пластичности металла и образованию трещин в заготовке Недостаточная температура в объеме заготовки из-за чрезмерно высокой скорости нагрева или недостаточной выдержки или температуры печи Предельно допустимые термические напряжения

3.2 Пережог заготовки окисление или оплавление границ зерен стали с полной потерей ее пластических свойств. Нагрев заготовок до температур, превышающих предельно допустимые значения. Предельно допустимые значения температуры (табл.1.2)

3.3 Чрезмерное количество окалины Длительный нагрев при высоких температурах 2..3% от массы заготовки

3.4 Чрезмерный обезугле-роженным слой — 0,5..1 % от диаметра заготовки

4. Отказы при штамповке поковки [4].

4.1 Недоштамповка поковки Недостаточный нагрев заготовки.

4.2 Незаполнение полости гравюры штампа Недостаточный нагрев заготовки, недостаточная масса заготовки.

4.3 Дефекты формы ( незаполнение внешних радиусов скругления, "зажим", "прострел", "прессутяжина" ) (рис.1.2) Недостаточный нагрев заготовки, неправильно сконструированный штамп.

4.4 Перекос (смещение сверх установленного допуска одной половины поковки относительно другой) Неисправность оборудования (увеличенный зазор в направляющих) По ГОСТ 780885

Продолжение Таблицы 1.1 5. Отказы при обрезке облоя поковки и пробивке наметки под от-верстие[ 18,19,20 ]._

5.1 Смятие торцев поковки (след от нажимного пуансона) Неправильная конструкция обрезного штампа. По ГОСТ 7808-85

5.2 Остаточный облой �