автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса получения полых ступенчатых валов и осей из трубных заготовок методом продольного редуцирования

На правах рукописи

РГВ од

? " ДВГ 2000

у

ФИНЬКО Владимир Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ

ПОЛЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ВАЛОВ И ОСЕЙ ИЗ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК МЕТОДОМ ПРОДОЛЬНОГО РЕДУЦИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2000 г.

Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Троицкий В.П.

Научный консультант кандидат технических наук, старший научный сотрудник Цепин М.А.

Официальные оппоненты: докггор технических наук, профессор Чиченев H.A.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Русинович Ю.И.

Ведущее предприятие:

АОЗТ «Метровагонмаш»

Защита состоится Ы^ОМ-к.Q 2000 г. в 10 00 часов на за-

седании диссертационного совета К053.08.02 в Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) по адресу: 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета)

Автореферат разослан" .5" " MCUH 2000

г

Ученый секретарь диссертацион кандидат технических наук, доц

Гонов С М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основная задача, стоящая перед машиностроителями - улучшение технологических показателей, снижение веса машин и механизмов при повышении их долговечности и надежности. Детали типа валов и осей являются одними из наиболее нагруженных деталей машин и механизмов и применяются во всех отраслях машиностроения. С целью повышения их работоспособности и долговечности в настоящее время начали применять экономичные конструкции полых валов и осей со сквозной рабочей полостью для подачи охлаждающей жидкости или смазки. Наиболее распространенный метод их изготовления - механическая обработка резанием сплошных кованных или катанных заготовок, приводящая к значительным отходам металла и отличающаяся невысокой производительностью. Актуальная задача интенсификации производства этой группы деталей - переход к качественно новой и более совершенной технологии, использующей методы обработки металлов давлением и, в частности, современные технологии кузнечно-штамповочного производства.

Одними из прогрессивных методов заготовительного кузнечно-штамповочного производства при изготовлении полых длинномерных изделий, являются процессы продольного редуцирования обжимом трубных заготовок через матрицы. Эти процессы имеют ряд преимуществ перед традиционными технологиями прессования, продольной и поперечной прокатки, выдавливания, волочения и радиальной ковки, обычно применяемых для этих целей в машиностроении. Преимущества заключаются в меньшей энергоемкости и металлоемкости деформирующего оборудования, более высокой гибкости технологии, более простой конструкции инструмента и др. Кроме того, эти процессы обеспечивают возможность эффективного производства ступенчатых полых поковок типа валов и осей из большинства марок среднелегированных конструкционных сталей на

имеющемся специализированном оборудовании цехов и участков кузнеч-но-штамповочных цехов.

В то же время, хотя процессы редуцирования сплошных заготовок изучены достаточно хорошо, имеющихся данных по схемам и режимам формоизменения при редуцировании полых трубных заготовок недостаточно для разработки научно обоснованной эффективной технологии и обоснованию ее практического применения.

Цель и задачи работы. Исследование процессов продольного редуцирования полых трубных заготовок для обоснования типовой технологии и разработки проектных решений по производству ступенчатых длинномерных полых поковок для автомобильных валов и осей.

При этом решались следующие задачи:

- на основе известных соотношений теории течения выполнить теоретический анализ процесса, разработать методику расчета оценки влияния основных технологических параметров редуцирования на геометрические характеристики получаемого изделия и напряженно-деформированного состояние материала;

- определить численные значения реологических и трибологических параметров деформации исследуемых модельных и натурных материалов, которые необходимы для расчетов математической модели;

- экспериментально исследовать силовые характеристики, особенности формообразования, виды дефектов, изменение структуры и твердости трубных заготовок при разных схемах процесса полугорячего продольного редуцирования ступенчатых длинномерных полых поковок;

- разработать и опробовать технологию полугорячей штамповки полых ступенчатых поковок для валов и осей с использованием многопереходного редуцирования;

- выполнить расчеты по оценке работоспособности типовой конструкции матрицы для редуцирования при предельных распорных нагрузках штамповки на ГКМ.

- разработать проектные предложения по конструкциям полых поковок для ступенчатых валов автомобильных двигателей, типовым технологическим схемам практической реализации новой технологии и провести укрупненный технико-экономический анализ ее эффективности.

Научную новизну работы составляют:

- разработанная на основе теории вязкого течения приближенная математическая модель продольного редуцирования толстостенных трубных заготовок и компьютерная методика расчета основных параметров процесса;

- результаты вычислительных экспериментов и анализа влияния основных технологических параметров редуцирования на характеристики напряженного и деформированного состояния при редуцировании;

- результаты экспериментальных исследований силовых характеристик, особенностей формообразования и видов дефектов трубных заготовок при разных схемах продольного редуцирования при однопереходной и многопереходной штамповке;

- результаты исследований изменений структуры и твердости при получении полугорячим продольным редуцированием опытных полых поковок из сталей 40Х и 18ХГТ;

- данные по расчету редуцирующей матрицы на смятие поверхности под действием распорных нагрузок при штамповке на ГКМ с использованием пакета прикладных программ «БРШЫ-К» для решения упругопла-стических задач методом конечных элементов.

Практическая значимость работы состоит в разработке проектных предложений по типовым конструкциям полых поковок ступенчатых валов для автомобилей и переходам штамповки, в разработке и опытном опробо-

вании технологии штамповки полых ступенчатых валов из сталей 40Х и 18ХГТ с редуцированием полой заготовки и высадкой стенки в средней части поковки, в разработке технологических схем производства полых валов и осей двигателей с применением прошивки сплошных заготовок на стане поперечно-винтовой прокатки, в проведении анализа технико-экономической эффективности новой технологии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технической конференции "Теория и технология процессов пластической деформации -96", -М. МГИСиС (ТУ) 1996 г.; На конференции второй международной специализированной выставки "Металл-Экспо '96" Новые материалы, технологии, оборудование., -М, ГАО ВВЦ, 1996 г. ; на научной конференции "100 лет Российскому автомобилю - Промышленность и Высшая школа", М., МАМИ, 1996 г.; на 50, 52 и 53-ой научных конференциях студентов и молодых ученых МГИСиС (ТУ) в 1996, 1998 и 1999 г.г

Публикации. По основному содержанию диссертации опубликованы тезисы двух докладов и одна статья в научном журнале.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих результатов и выводов по работе, изложена на 167 страницах, включает 90 страниц машинописного текста, 11 таблиц, 104 рисунка, 1 приложение, библиографический список из 79 наименований.

Основное содержание.

В первой главе обосновано преимущество использования полых валов и осей в различных конструкциях и отраслях машиностроения, проведен анализ прогрессивных способов их получения методами пластической деформации. Рассмотрены теоретические, технические и технологические аспекты редуцирования трубных заготовок. На основе обзора научно-технической и патентной литературы сформулированы цель и основные задачи исследований.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объекта исследования по конструктивному признаку в работе были выбраны полые валы и оси с переменным наружным диаметром. Конкретная номенклатура деталей была выбрана применительно к производственным условиям автомобильных заводов ВАЗ и АЗЛК для перспективных конструкций новых коробок передач.

Редуцирование, как одна из основных операций изготовления полых валов, осей, обечаек и т.п., было исследовано ранее в основном применительно к деформации монолитных прутков и тонкостенных труб с отношением М3<0,05, причем в условиях горячей и холодной деформации. В отличии от этого, основным объектом исследования по технологическому признаку в работе была выбрана операиия продольного редуцирования через конические матрицы толстостенных труб (Ъ/Р > 0,1) в режиме полугорячей обработки давлением. В качестве основных методов для исследования основной операции - редуцирования были выбраны экспериментальный метод физического моделирования на натурных и модельных материалах, теоретические методы математического моделирования на основе теории вязкого течения (в постановке Н.Н.Малинина и К.И.Романова) для задач ползучести в теории ОМД и математическое моделирование процессов ОМД на основе теории малых упругопластических деформаций А.А.Ильюшина (в постановке для метода конечных элементов). Кроме того, были использованы методы механических испытаний и измерения твердости, методы металлографического анализа микроструктуры, технико-экономические оценки структуры затрат и эффективности новой технологии.

В качестве основных материалов заготовок для физического моделирования и разработки технологии штамповки редуцированием использова-

ли технический свинец марки С1 (ГОСТ 3778-77) с добавками сурьмы (24%), пластилин (ОСТ 6-15-1525-86, Состав 60% каолин, 40 % парафин, 6 % вазелин, остальное наполнители), ашоминиево-магниевый сплав АМгб (ГОСТ 4784-74), сталь 45, стали 40Х и 18ХГТ (ГОСТ 4543-71).

.Для исследования реологических свойств материалов, определения характеристик трения на поверхности "образец-инструмент" использовали монолитные с диаметром и высотой 10±°',х20±°'1 мм, а также кольцевые образцы с размерами 18,1x9,5x5,25±0,2 мм соответственно. При исследовании технологических особенностей и физического моделировании редуцирования в качестве образцов использовали специально изготовленные полые заготовки диаметром ЗвД*0'1..^^0-1 х4.0±чл ...7.0±о''х50,±°-5...300 ±''° мм и бесшовные горячедеформированные трубы с наружным диаметром 44t0'1 и 38 ±0>1мм, с толщиной стенки 6±°>05... 4±0'05 мм по ГОСТ 8732-78. Заготовки деформировали для получения поковок со средним наружным диаметром 44, 34 и 24 мм. При этом обеспечивались средние значения коэффициентов обжатия К = 1,3... 1,5 при относительной толщине стенки трубы h/D= 0,15-0,2. Операция обжима трубы диаметром 54 мм последовательно на 44, 34 и 24 мм давала суммарное значение К « 2,25 и h/D « 0,4.

Исследования реологических свойств модельных материалов проводили на испытательной машине ZD 10/90. Установка для экспериментального исследования процесса редуцирования была создана на базе гидравлического пресса ДБ2426А, предназначенного для прессования изделий из пластмасс. Для установки были спроектированы и изготовлены 3 комплекта оснастки, в которую входили три контейнера и наборы матриц с отверстиями диаметрами d = 24,0±0,1...44,0±0,1 мм. Углы наклона образующей конической матрицы 2ß составляли 20° , 27°30' и 30°. Исследовали схемы редуцирования с прямым и обратным истечением металла.

Обработку экспериментальных данных, результатов физического моделирования и математическое моделирование операций редуцирования, а

также оформление данных, графиков, рисунков и документов проводили на персональном компьютере Intel Pentium-MMX-200 Mhz / RAM 48 Mb/HDD-4,1 Gb/ 2 Mb AGP/ Ultra DMA/ 8-x CD/ SB/ SVGA-15' фирмы LG-EIectronics в комплекте с планшетным сканером Scan Express 600 SEP фирмы Mustec. Использовали стандартные пакеты прикладных программ для Windows-95 и приложения Microsoft Office -98: MS Word-98, Exell-98, MS Paint, графические пакеты Adobe Photoshop-3 и Corel DR AW-7-TM. Для эмулированной операционной системы ДОС-6.22 использовали более ранние графические пакеты GRAPHER и PICMAKER.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЦЕССА РЕДУЦИРОВАНИЯ ТРУБЫ В КОНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ

Для приближенной математической модели по расчету процесса редуцирования трубной заготовки, использовали известные уравнения и допущения теории течения. Рассматривали медленные процессы формоизменения в абсолютно жестком инструменте вязкого несжимаемого изотропного твердого тела при изотермических условиях и кулоновском трении на контактной поверхности. Описывали осесимметричную задачу установившегося течения толстостенной цилиндрической трубы с исходным наружным диаметром 2 ri и толщиной стенки si при редуцировании через коническую матрицу с углом захода 2/3 в цилиндрической системе координат.

Продольное и окружное напряжение записали в виде:

2 2 , от ае cos у/\ ; cw = о„ cos (щ - -д) ( 1 )

где эквивалентное напряжение равно:

Ое = (с^2 + Об2.отав)т, (2)

a iff 1 - некоторая функция радиуса г и угла fi.

Скорости деформаций в радиальном направлении и в направлении нормали к образующей конической оболочки равны:

где г и И текущие радиус срединной поверхности и толщина оболочки, а эквивалентную скорость <£<. можно определить :

где V], Г] и к] - скорость, радиус и толщина стенки оболочки на входе в очаг деформации; иг, г^ и И2 - те же величины на выходе. Распределение толщины оболочки в зависимости от текущего радиуса оболочки было описано следующим дифференциальным уравнением:

ЩЬ&Ж (5)

/г 2у ' г

Дифференциальное уравнение равновесия после преобразования имело вид: гсНУ„

COS Щ - sin —J- [(1- k)sin у/ 1 eos Щ - л/з eos2 Ц/\

<Тgdr dr 2s¡n\j/

-VT sin2 i] = 0 , (6)

где k = (1- tg p), p - угол между касательной к меридиану и осью оболочки, f - коэффициент трения в законе Кулона.

Уравнения (5) и (6) содержат три неизвестные функции h(r), у/ i(r) и ае (г). Для получения замкнутой системы использовали уравнение состояния материала. В отличие от К.И.Романова, который на основе теории ползучести вывел основные соотношения для редуцирования труб, связь между инвариантами сте и определяли не уравнением ползучести с повреждаемостью, а реологическим уравнением состояния нелинейно-вязкой жидкости в виде:

(7)

или относительно интенсивности напряжений в эквивалентном виде:

<те=К4Л (7а)

где параметры С, К, и п, т - зависят от температуры и структуры материала и находятся обычно из испытаний при одноосном растяжении или сжатии. После логарифмирования и дифференцирования (7а) получили: <*<Те =

ае

а аналогичное преобразование выражения (4) дает формулу:

(8)

'б

Подставляя ее в (8):

(9,

с учетом (6) после преобразования получим:

— , (П)

Г

где:

_^l+Ktgfy,)_

'v^-iMnytg/M+M'+^MVi (12)

Значение ц/\ на выводе из очага деформации может быть найдено из условия равенства нулю продольного напряжения:

2 cos у/. = -(13)

|sin

где: ci2=[( и 2 sin fiW+ftg ft ^)]1/n. Интегрируя (11), получили:

гг г

- { — =ln(f) (14)

г г 2

или

f =expf (15)

Г2 A

Таким образом, задавая правую часть уравнения (15) в долях от г2 , можно численно решить интегральное уравнение с неизвестным нижним пределом интегрирования. Так можно определить зависимость функции щ от радиуса г при известном угле. При этом, решая уравнения (5), (6) и (9), получим распределение толщины стенки оболочки, эквивалентных напряжения и скорости деформации в зависимости от текущего радиуса срединной поверхности оболочки в очаге деформации и, как следует из (12 ), от угла захода матрицы Д реологических свойств материала К и т, а также величины коэффициента трения на поверхности инструмента f. Величина продольного напряжения ат2 на выходе определит усилие редуцирования.

Для численного решения приведенной системы уравнений и реализации описанного алгоритма вычислений необходимо было оценить количественные значения реологических параметрах исследуемых материалов и характеристиках трения на контактной поверхности "заготовка - инструмент". Результаты экспериментальных исследований и обработки литературных данных, полученные в работе, представлены в таблицах 1 и 2.

Для расчета характеристик геометрии и напряженно-деформированного состояния редуцирования труб на основе предложенной модели разработали алгоритм и методику вычислений, основанную на современной информационной компьютерной технологии и возможностях динамического обмена данными между приложениями Microsoft Office-98 для Windows-95. Это позволило решать задачу без составления программы на алгоритмическом языке, используя стандартные средства MS Office.

Таблица 1.

Значения реологических коэффициентов уравнения нелинейной вязкости.

Материал Реологические коэффициенты

К МПа С0=(1/К)1/т 1/с т п = 1/т

Пластилин ( экспер.) 1 = 20 0 С 0.39 110.8 0.2 5.0

Свинец С1, ( экспер.) 1 = 20 0 С 41.7 1.76- 10 "32 0.051 19.6

Свинец + 4 % Сурьмы '' 1 = 20 °С 26.3 1.94- 10 "24 0.06 16.7

Свинец=20° С 23.6 1.87- 10 "14 0.10 10.0

АМгб '> [35] 1 = 450 °С 76.7 7.58 • 10 "12 0.17 5.9

Сталь 45 '> 1=700 °С 69.8 8.10 • 10 14 0.14 7.1

*) обработка данных из литературы

Таблица 2

Значения коэффициента трения для исследуемых пар материалов и смазок

Деформируемый Температура Материал Смазка Коэфф.

материал С штампа трения/

Пластилин Тальк 0.40-0.46

( экспер.) 20 Сталь 45 Без смазки 0.20-0.23

Тефлон 0.05-0.07

Без смазки 0.40-0.42

Свинец С1 Машинное

( экспер.) 20 ШХ15 масло+графит 0.10-0.12

Литол 0.18-0.21

Тефлон 0.05

АМгб Без смазки 0.45-0.50

( экспер.) 20 5ХНМ Машинное

масло+графит 0.20-0.22

700 Вапор Т + 0.21

Сталь 45 800 графит 0.18

( экспер.) 700 5ХВГ Акводаг 0.09

800 Дисульфид 0.05

Молибдена

При расчетах использовали следующие исходные данные: г1=34,0 мм; Ь)= 5,0 мм; С] = 0,3 мм/с; р =10°...45°; значения вытяжки: ггМ = 0,706; реологических параметров К = 23,6 МПа; Ш= 0,1-0,5; коэффициент трения /=0,1 ...0,5; Проверку модели провели сравнением расчетных и экспериментальных распределений толщины стенки по длине очага деформации для полых поковок из свинца и стали 45, полученных в идентичных режимах. Ошибка находилась в пределах 10... 12%. Расчетные значения энергосиловых характеристик редуцирования использовали только как оценочные.

Из анализа вычислительных экспериментов и расчетных данных следует, что характер распределения интенсивности скоростей деформации по длине очага деформации очень слабо зависит от режима контактного трения и реологических характеристик деформируемого материала и в основном определяется такими геометрическими параметрами процесса редуцирования, как угол захода и высота матрицы. Абсолютные значения определяются, в основном, скоростным режимом редуцирования, величиной угла захода матрицы, ее высотой и толщиной стенки трубы, а значения функции \р\ на величину практически не влияют. Реология материала оказывает существенное влияние на величину и распределение эквивалентного напряжения: чем больше т, тем большая неравномерность распределения <тс(г).

Также было установлено, что распределение толщины стенки по длине очага деформации очень мало зависит от величины контактного трения и реологии материала, а определяется, в основном, соотношением размеров редуцируемой трубы, углом захода матрицы и исходной толщиной.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ПРОДОЛЬНОГО РЕДУЦИРОВАНИЯ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Экспериментальные исследования однопереходного продольного редуцирования толстостенных трубных заготовок (с отношением толщины

стенки к наружному диаметру ho/D0 > 0,.1) по прямой и обратной схеме показали, что для обратной схемы редуцирования устойчивость деформирования заготовки и технологичность сборки и разборки штамповой оснастки выше, а усилия и давления обжима на 25-30 % ниже, чем при прямом редуцировании. Поэтому в качестве основной схемы для дальнейших исследований было выбрано обратное редуцирование.

Анализ экспериментальных данных показал, что изменение усилия обжима по ходу пресса при обратном редуцировании характеризуется тремя стадиями. На начальной стадии при заходе заготовки в очко матрицы происходит монотонное возрастание усилия и давления обжима. Далее на второй стадии наблюдается установившееся течение металла при обжиме большей части заготовки по длине при относительном постоянстве усилий и давлений. На заключительной стадии происходит возрастание усилий и давлений за счет упругой деформации инструмента, под действием "распорных" нагрузок, что соответствует общим закономерностям заключительной стадии горячей объемной штамповки в закрытых штампах.

Исследование многопереходного редуцирования трубных заготовок из тех же материалов показало, что процесс достаточно устойчив при единичных обжатиях ( вытяжках по диаметру) в пределах Ког=1,04... 1,06 и суммарном обжатии Kdi=1,25... 1,3 на одном участке по длине.

Проведенный анализ особенностей формоизменения при редуцировании трубных заготовок позволил выявить основные виды дефектов и установить причины их возникновения. Было показано, что основная группа дефектов связана с потерей продольной либо поперечной устойчивости длинномерных заготовок (с Lo/Do>3,0) под действием осевой распределенной нагрузки. Существенными факторами в образовании дефектов являются также пластичность металла, разнотолщинность трубных заготовок, качество их торцов, чистота и равномерность обработки рабочей поверхности матриц, наладка инструмента и др.

Было показано, что дефекты потери поперечной устойчивости полых заготовок могут быть использованы для введения в качестве дополнительной формообразующей операции высадки стенки трубы для набора металла при получении ступенчатой поковки не только на ее концах, как принято в обычной практике штамповки, а также и в средней части поковки.

Были исследованы микроструктуры опытных поковок, полученных из сталей 40Х и 18ХГТ. В результате установлено, что после многократной (6...7 переходов) полугорячей деформации при температурах 800-850 °С исходная мелкодисперсная структура трубных заготовок, соответствующая 8 баллу зерна по ГОСТ 5639-82, существенно не изменяется. Несмотря на то, что наблюдаются участки с микроструктурой переходного типа (сорбит-мартенсит, феррит-сорбит и т.п.), в целом она соответствует 7...8 баллу зерна по ГОСТ 5639-82, удовлетворяет требованиям ТУ для таких поковок.

Исследования твердости по поверхности и в средней части по толщине стенки опытных поковок показали, что по длине и сечению поковки наблюдается значимый разброс показателей твердости по Бринелю, достигающий 20...45 единиц НВ. Однако общий уровень твердости превышает значения требований ГОСТа 4543-71 для стальных поковок, что свидетельствует о достаточно высоких механических свойствах опытных поковок.

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРОЕКТНЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ РЕДУЦИРОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ

ПОКОВОК

В качестве базового предприятия, для которого проводился сравнительный анализ предлагаемых решений, был выбран АООТ-ХК «Коломен -ский завод» - основной заказчик исследований. В качестве перспективных типовых конструкций были выбраны: шестерня ведущая и вал вторичный КПП автомобиля "Святогор" ПО АЗЛК, а также валы первичный и вторичный КПП автомобиля ВАЗ 2110. По новой технологии их изготовление

предлагается из труб диаметром 54...58 мм и диаметром 34...38 мм с толщиной стенок 6...8 мм. В работе приведены примеры конструкций полых поковок для первичного и вторичного вала КПП автомобиля ВАЗ 2110. Расчет толщины стенки после деформации проводили по методике, описанной в третьей главе. Назначение допусков и припусков на размеры проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 7505-74. Особенности заключались в выборе меньших углов уклона (25...30°) на напуски под заходные углы матриц для переходных ступеней. В диссертации представлены результата проектирования 6 технологических переходов штамповки на ГКМ полых поковок с высадкой стенки и редуцированием с разворотом поковки. Были разработаны три основные технологические схемы.

По первому варианту технология включает следующие операции: нагрев штучных исходных заготовок из сортового проката нормальной точности до температуры горячей обработки; прошивка заготовок на стане винтовой прокатки для получения трубных полуфабрикатов; резка на дисковых пилах штучных полых заготовок; полугорячая штамповка на ГКМ редуцированием концов и высадка утолщений в середине поковки; первичная термическая обработка в проходной печи; отделочные и контрольные операции. По предварительным оценкам для изготовления поковок автомобильных валов и осей из труб полугорячей штамповкой на ГКМ требуется от 2 до 5 операций редуцирования и 1...3 операции высадки.

По второму варианту технологии используется бесшовная труба, разделяемая на штучные заготовки дисковыми пилами. Операции высадки, редуцирования и термической обработки такие, как по первому варианту.

По третьему варианту трубная исходная заготовка получается горячим обратным выдавливанием. Остальные операции соответствуют первому варианту.

Расчеты характеристик НДС заготовки (Глава 3) и экспериментальные исследования (Глава 4) проводились для скоростей гидравлического

пресса У= 0,003-0,007 м/с., а проектная технология была ориентирована на штамповку на ГКМ со скоростью на два порядка выше - ¥=0,5...0,1 м/с. Для учета влияние скоростного фактора и максимальных распорных нагрузок, возникающих в конце рабочего хода ГКМ и в 3...5 раз превышающих усилия, необходимые для деформирования заготовки, были выполнены прочностные расчеты матриц. В качестве условия ее критической работоспособности, выбрали начало появления зон пластической деформации, где могло проявиться необратимое изменение геометрических размеров и искажение формы инструмента с потерей жесткости. Использовали следующие параметры физических свойств материала матрицы - стали 5ХНМ при температуре 800 °С: коэффициент Пуассона т] = 0,33 ; предел упругости стт = 230 МПа; модуль линейного пластического упрочнения Е 1=2* 10 4 МПа; модуль Юнга Е=2*10й МПа. В работе представлена методика и результаты расчетов с использование пакета "БРЬЕК-К", а также рекомендации по замене штамповой стали или увеличению габаритных размеров матрицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 .Разработаны математическая модель процесса продольного редуцирования и методика расчета характеристик геометрии и напряженно -деформированного состояния трубной заготовки в зависимости от основных технологических параметров формоизменения.

2. Для исследованных материалов определены реологические параметры уравнения нелинейной вязкости и характеристики контактного трения. Показано, что определяющими параметрами продольного редуцирования трубной заготовки по степени значимости на процесс деформирования являются угол захода матрицы, величина обжатия, скорость перемещения деформирующего инструмента, коэффициент контактного трения и показатель скоростного упрочнения деформируемого материала.

3. Экспериментально установлено, что при однопереходном редуцировании предпочтительной является схема с обратным истечением металла. Показано, что многопереходное редуцирование длинномерных с Lo/Do>3,0 толстостенных трубных заготовок (с ho/D0 > 0,.1) может быть устойчиво реализовано при единичных обжатиях за один переход в пределах Кш=1,04...1,0б и суммарном обжатии Kd£=1,25...1,3.

4. Установлено, что основная группа дефектов при редуцировании связана с потерей устойчивости длинномерных трубных заготовок. Эффект потери поперечной устойчивости может быть использован в качестве формообразующей операции для набора металла в средней части поковки.

5. Показано, что после многократного 6...7 переходного полугорячего редуцирования трубных заготовок из сталей 40Х и 18ХГТ при температурах 800-850 °С поковки соответствуют требованиям ТУ. Микроструктура опытных поковок соответствует 7...8 баллу зерна по ГОСТ 5639-82, а общий уровень твердости по Бринелю превышает требования ГОСТ 4543-71.

6. Определена номенклатура деталей автомобилей, которые целесообразно изготавливать из трубных заготовок методом продольного редуцирования. Для деталей представителей разработаны чертежи полых поковок, технологические схемы штамповки и предложено использовать для получения трубных заготовок прошивку сплошных полуфабрикатов на стане поперечно винтовой прокатки.

7. Выполнен анализ работоспособности штампового инструмента для редуцирования под воздействием максимальных нагрузок при штамповке на ГКМ. Установлено, что возможна потеря устойчивости формы матрицы за счет смятия поверхностных участков в местах максимальных значений интенсивности напряжений. Рекомендованы замена традиционного штампового материала для матриц - стали 5ХНМ на сталь ЗХ2В8 или увеличение высоты матрицы.

8. Анализ технико-экономической эффективности новой технологии производства полых автомобильных поковок показал значительное в 1,5...2,0 раза снижение трудоемкости, сокращение на 25...40% расхода металла и уменьшение в 2...3 раза плановой цены на поковки. По результатам работы принято решение организовать производство полых поковок на отдельном самостоятельном участке АОО ХК «Коломенский завод».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Изготовление полых заготовок методом прошивки с последующим обжатием в кольцевых матрицах и штампах. / В.П Троицкий., И.Л.Акаро,..., В.В. Финько и др.// Тезисы докладов конференции второй международной специализированной выставки "Металл-Экспо '96" Новые материалы, технологии, оборудование., -М, ГАО ВВЦ, 1996, с.8.

2. Финько В.В., Шаронов М.А. Разработка и изучение процесса изготовления полых изделий по схеме прошивка редуцирование. // Тезисы докладов 50-ой научной конференции студентов и молодых ученых института. -М: МГИСиС (ТУ), 1996, с. 38-39.

3. Технология изготовления полых заготовок методом прошивки с последующим обжатием в кольцевых матрицах./ В.П Троицкий., ИЛАкаро,..., В.В. Финько и др.// Металлург, -М.: Изд. "Металлургия", 1996, с. 16-17.