автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Повышение долговечности базовых деталей кузнечно-прессовых машин, испытывающих циклическое нагружение

Кузнечно-прессовое оборудование - гидравлические и кривошипные прессы, ковочные и штамповочные молоты, горизонтально-ковочные машины и другие в процессе эксплуатации часто испытывают столь высокие нагрузки, что силовые детали машин работают на пределе прочностных возможностей материала.

Вследствие значительных технологических сил и больших размеров штампуемых изделий, при создании прессов резко возрастают их габаритные размеры. Например, пресс силой 100 МН фирмы «М^а» США имеет высоту 7 м, размеры в плане 4x5м, его вес составляет 9,5 МН. Естественно конструкцию станины таких машин невозможно изготовить цельной. Станины прессов, да и другие детали, например, штамповый набор пресса 650 МН, работающий во Франции, изготавливают составными, соединенными между собой стяжными элементами.

Молоты также конструктивно выполняются составными, однако их сопряженные поверхности кинематически подвижны, и стянуты между собой через упругие элементы. Это необходимо потому, что вследствие волновых деформаций, которые неизбежны в молотах, цельные станины будут быстро разрушаться. При взаимном соударении стоек с шаботом, а также подцилиндровой плиты со стойками часть энергии удара рассеивается, при этом КПД молота снижается на 8-12 %, однако долговечность его базовых деталей повышается.

После 6-8 лет работы в прессах наблюдается чрезмерное изнашивание сопряженных поверхностей и как результат перераспределение первоначальных расчетных напряжений. Особенно возрастают напряжения в колоннах пресса, в среднем на 45-70 %. Изнашивание происходит в результате взаимного проскальзывания сопряженных и стянутых нормальной силой поверхностей. Величина взаимного проскальзывания не превышает - 0,7 мм, что в свою очередь затрудняет удаление продуктов износа. В результате этого на поверхностях возникает фреттинг-износ, характеризующийся одновременным действием процессов окисления.

Изнашивание сопряженных поверхностей штамповочных молотов происходит вследствие взаимного соударения, например стоек с шаботом. Количество соударений от 3-х до 5-и после каждого технологического удара по поковке. В смену в молоте с массой падающих частей (мпч) 16 т стойки соударяются с шаботом примерно 3 тыс. раз со средней силой удара до 10 т. При взаимном соударении происходит пластическая деформация, упрочнение, перенаклеп и скалывание металла, что недопустимо по условиям техники безопасности.

Для восстановления изношенных поверхностей в прессах, в связи со сложностью и дороговизной их разборки, применяют специальные комбинирован2 ные фрезерно-шлифовальные станки, которые устанавливают непосредственно на станине. Изношенные поверхности фрезеруют, затем шлифуют. В молотах изношенные поверхности восстанавливают наплавкой с последующим фрезерованием.

Большой вклад в развитие общей теории износа внесли проф. Проников A.C., проф. Коллинз Д.Ж. проф. Крагельский И.В., проф. Костецкий Б.И., проф. Хрущев М.М. и другие. Применительно к прессам и молотам известны работы проф. Морозова Б.А., д.т.н. Суркова А.И., проф. Кирдеева Ю.П., к.т.н. Шпыгаря С.А., к.т.н. Монахова-Ильина Г.П.

Установлено, что при ударном нагружении, как и при циклическом безударном, накопление пластических деформаций происходит примерно на первых 100 циклах. Рекомендовано с целью снижения износа при циклическом нагружении в прессах осуществлять предварительный наклеп сопряженных поверхностей, а при ударном в молотах установку между поверхностями прорезиненной прокладки. Какие-либо другие рекомендации по повышению долговечности сопряженных деталей отсутствуют. Остается открытым доказательство возможности моделирования износа на физических моделях.

Актуальность работы определяется необходимостью прогнозирования износа сопряженных поверхностей элементов кузнечно-прессовых машин и определения путей его снижения.

Целью работы является повышение долговечности базовых деталей кузнечно-прессовых машин за счет выравнивания контактных давлений, снижения фретгинг-износа в кинематически неподвижных сопряженных поверхностях прессов и обеспечения минимально возможной скорости взаимного соударения деталей молотов. Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие научные задачи:

1. Выполнить обзор видов отказов, связанных с фреттинг-износом и ударным износом. Проанализировать существующие методики расчета на износ и методы его снижения.

2. Определить возможность моделирования ударного износа на физических моделях. Усовершенствовать установку для испытаний сопряженных поверхностей на ударный износ.

3. Получить выражения для оценки износа в сопряженных поверхностях базовых деталей кузнечно-прессовых машин. Выполнить экспериментальное подтверждение выражений для оценки износа.

4. Разработать методы снижения фреттинг-износа и ударного износа в прессах и молотах. 3

На защиту выносятся следующие положения:

1. Выражения для оценки износа в сопряженных поверхностях базовых деталей кузнечно-прессовых машин.

2. Физические причины и закономерности фреттинг износа в кинематически неподвижных соединениях прессов.

3. Практические рекомендации по снижению износа в сопряженных элементах базовых деталей прессов и молотов.

Научная новизна заключается в:

- применении способа рифления в кинематически неподвижных сопряженных элементах кузнечно-прессовых машин, что обеспечивает выравнивание контактных давлений и удаление в канавки разрушающих продуктов износа. В теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности этого способа;

- математической модели динамики штамповочных шаботных молотов, учитывающей массы составных частей и жесткости упругих связей;

- установленной взаимосвязи между величиной износа плоских контактирующих поверхностей, скорости соударения и числом циклов нагружения.

Практическое значение работы заключается в:

- разработке рекомендаций по снижению ударного износа в базовых деталях молотов путем выбора жесткости упругих связей, обеспечивающих минимальные скорости соударения;

- повышении долговечности сопряженных поверхностей базовых деталей гидравлических прессов не менее чем в четыре раза при применении взаимно контактирующих поверхностей «плоскость - рифление».

Основные положения и материалы диссертационной работы доложены:

- на Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства», г. Тула, ноябрь, 1999г.;

- на заседаниях кафедры «Системы пластического деформирования» МГТУ «СТАНКИН».

Материалы диссертационной работы и основные результаты исследований отражены в 3 публикациях, в числе которых, две статьи опубликованные в соавторстве с д.т.н., профессором Кирдеевым Ю.П., в журнале «Кузнечно-штамповочное производство» («Оценка износа сопряженных поверхностей базовых деталей молотов», № 3, 2000г.; «Метод снижения износа в кинематически неподвижных соединениях прессовых машин». - 2001, № 12) и тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства», г. Тула 1999 г. 4

Общие выводы

1. Возникновение малых взаимных проскальзываний в кинематически неподвижных сопряженных поверхностях деталей прессов, а также взаимных соударений составных базовых деталей молотов, вызывающих соответственно фреттинг-износ и ударный износ является органическим недостатком указанных машин.

Износ в ряде случаев столь велик, что приводит в прессах к перераспределению нагрузок и отказам базовых деталей, а в молотах к тому же и сколам, что недопустимо по условиям техники безопасности.

2. Теория, описывающая явления фреттинг-износа и связанной с ним фретгинг усталости, позволяющая производить расчеты, разработана недостаточно.

Существующие зависимости оценки потери веса образцов при фрет-тинг износе с тремя эмпирическими коэффициентами не могут быть приемлемы для расчета износа базовых деталей прессов. Рекомендации по снижению фреттинг-износа относятся только к контролю усилия затяжки сопряженных поверхностей.

Теория расчета на ударный износ отсутствует. Не ясен вопрос о возможности моделирования износа на динамических моделях. Рекомендуемые способы снижения ударного износа в молотах путем обильной смазки соударяющихся поверхностей или установки между ними резиновых прокладок не эффективны. Необходима разработка способов повышения долговечности, определение зависимостей оценки износа.

3. Выбрана и усовершенствована установка для испытания на износ при повторных ударах. По расчетам на динамической модели установки определена требуемая величина жесткости виброизоляции из условия, что наковальня в процессе удара остается практически неподвижной.

Физическое моделирование процесса износа и оценка его результатов показали, что максимальное расхождение износа экспериментальных значе

94 ний отклонения натуры от плоскостности с расчетными составило более 20 %.

4. Установлено, что на износ в существенной степени влияет скорость соударения. Исходя из этого доказано, что при заданных ударных массах существует критическая скорость, ниже которой износ отсутствует. При больших скоростях зависимость величины износа от числа циклов нагружения удовлетворительно аппроксимируется полиномом 3-й степени, что позволяет оценивать долговечность по износу.

5. На основе конструкции молота с м.п.ч. 160 кН сформулирована четырехмассовая динамическая модель. Проведенное компьютерное моделирование с использованием программного обеспечения РЬОУ/ЪЕАНЫ показало, что максимальная относительная скорость соударения стоек с шаботом составляет 3,4 м/сек, а развиваемые при этом контактные давления превышают допустимые по ударному износу примерно на 60 %.

Установлено, что снижение уровня напряжений до допустимого значения и предотвращение ударного износа стыков поверхностей возможно при уменьшении жесткости крепления стоек с шаботом с 109 Н/м до 5*107 Н/м. Требуемое значение жесткости может быть реализовано заменой стальных пружин на полиуретановые амортизаторы.

6. Комплекс проведенных исследований позволил обосновать способ уменьшения износа кинематически неподвижных сопряженных поверхностей в гидравлических прессах путем рифления сеткой канавок одной их контактных поверхностей. Эффективность применения рифленой контактной поверхности достигается деформацией контактных площадок, при этом происходит увеличение площади контакта, а также выравнивание контактных давлений.

На основе гипотезы Макгригора «нулевого износа» получены выражения, позволяющие определить требуемый размер, образованных рифлением, контактных площадок. По проведенным расчетам для исключения фрет

95 тинг-износа в гидравлических прессах силой 200 и 300 МН контактирующих поверхностей стойки и поперечины при ширине канавки Н = 5 мм размер стороны а" контактной площадки должен быть равен 9,5 мм.

7. Для экспериментального обоснования эффективности применения рифления контактных площадок сконструировано и изготовлено приспособление к кривошипному прессу. Проведены сравнительные испытания при нормальном пульсирующем нагружении образцов, имеющих плоские контактирующие поверхности и образцов один из которых выполнен с рифлением.

По результатам экспериментальных исследований установлено, что долговечность по фреттинг-усталости для контакта рифленой поверхности по сравнению с плоскими контактными поверхностями увеличилась не менее чем в четыре раза.

96

1. Белов А.Ф., Розанов Б.В., Линц В.П. Объемная штамповка на гидравлических прессах. М.: Машиностроение, 1986, 240 с.

2. Горяйнов В.И. Лыжников Е.И. Холодноштамповочное оборудование и его наладка. М.: Высшая школа, 1988, 256 с.

3. Кузьминцев В. Н. Ремонт кузнечно-прессового оборудования. М.: Высшая школа, 1974, 200 с.

4. Семенов Е.И. (пред.) и др. Ковка и штамповка. Справочник. В 4-х т., М.: Машиностроение, 1985 Т.1.

5. Разработка теории и методов обеспечения несущей способности базовых деталей мощных молотов. Кирдеев Ю.П. докторская диссертация.

6. Шпыгарь С.А., Сурков А.И., Монахов-Ильин Т.П. Исследование фретгинг-износа плоских поверхностей при пульсирующем нагружении./ М.: -Вестник машиностроения. 1986, № 11,-с. 14-17.

7. Сурков А.И., Шпыгарь С.А. Контроль усилия затяжки колонн гидравлических прессов./ М.: Кузнечно-штамповочное производство. -1986, №3,-с. 28-29.

8. Богачев И.Ф. Повышение стойкости кузнечных бойков./ М.: Кузнечно-штамповочное производство. 1967, № 6, с. 48-49.

9. Камнев П.В., Коротких Е.Л., Юргенсон З.Е. Повышение стойкости бойков ковочных прессов./ М.: Кузнечно-штамповочное производство. 1967, - № 6, с. 42-46.

10. Ю.Карпенко А.К., Кирдеев Ю.П., Рей Г.И. и др. Повышение долговечности шаботов тяжелых штамповочных молотов./' М.: Кузнечно-штамповочное производство. 1987,-№ 4.

11. Кирдеев Ю.П., Строева В.Н., Карпенко А.К. Исследование прочности составных шаботов тяжелых молотов./ М.: Кузнечно-штамповочное производство. 1989, - № 12, с. - 14-16.97

12. Шпыгарь С.А., Монахов-Ильин Г.П. Исследование разработки стыков составных конструкций /М.: Вестник машиностроения. - 1985, № 12.

13. И.Голего Н.Л., Алябьев А.Я., Шевель В.В. Фреттинг-коррозия металлов. Киев: Техника, 1974, 279 с.

14. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг-коррозия. Л.: Машиностроение, 1976, 272 с.

15. Филимонов Г.Н., Балацкий JI.T. Фреттинг в соединениях судовых деталей. Л.: Судостроение, 1973, 296 с.

16. Рябченко A.B., Муравкин О.Н. Фреттинг-коррозия металлов и способы Pix защиты / Коррозия и защита металлов в машиностроении. М.: Машгиз, 1959, 273-331 с.

17. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение. 1985. 424 с.

18. Сурков А.И., Шпыгарь С.А., Лобанов H.A. Исследование повреждений рабочих цилиндров прессов для окончательной формовки труб большого диаметра // Сб. науч. тр. / ВНИИМЕТМАШ. 1983. Новое в создании и исследовании кузнечно-прессовых машин. С. 69 73.

19. Проников A.C. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978, 592 с.

20. Капелюк К.А., Кожинский И.И., Кудрявцев H.A. Восстановительный ремонт станин. Кузнечно-штамповочное производство, 1964, № 4.

21. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов, М.: Машиностроение, 1996, 364 с.

22. Кирдеев Ю.П., Жарков К.А. Авторское свидетельство СССР № 1374075, кл, G Ol V 7/08, 1988.

23. Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А.К., Федосов A.A. Инженерные методы исследования ударных процессов, М.: Машиностроение, 1977, 240 с.

24. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю., Изнашивание при ударе. М.: Машиностроение, 1982, 192 с.

25. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия: Пер. с англ. М.: Мир, 1989,510 с.98

26. Методика оценки результатов измерения отклонений формы и расположения рабочих поверхностей на базе средней плоскости. ЭНИКМАШ, 1978, 30 с.

27. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1984, 439 с.

28. Атопов В.И., Сердобинцев Ю.П., Славин O.K. Моделирование контактных напряжений. М.: Машиностроение, 1988. -272 с.

29. Башта О.Т. Исследование влияния поверхностных слоев на декремент колебаний.// Проблемы прочности, 1970, № 9, с.28 -30.

30. Карпенко А.К., Зимин Ю.А., Кирдеев Ю.П., Козлов A.B. Исследование динамической прочности станин тяжелых штамповочных молотов. Кузнечно-штамповочное производство, 1984, № 11, с. 27-29.

31. Морозов Б.А. Моделирование и прочность металлургических машин. М.: Машиностроение, 1963, 289 с.

32. Кирдеев Ю.П. Анализ и предотвращение повреждений элементов машин обработки давлением: Учебное пособие. М.: МГТУ «Станкин», 1997 г.

33. Гаркунов Д.Н. Триботехника /пособие для конструктора/. М,: Машиностроение, 1999. 336 с.

34. Решетов Д.Н., Левина З.М. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971.

35. Лебедев A.A., Ковальчук Б.И., Уманский С.Э. и др. Справочное пособие по расчету машиностроительных конструкций на прочность. К.: Тэхника, 1990, 240 с.