автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка методики проектирования процессов формования высокоплотных порошковых деталей в условиях крупносерийного производства

Нп mm«* !'•*• "n-

rnrovcvf Наталья Взгктдею

№?ÜJ}-IK !'лТ0Щ1КИ ПГОШИРМШЯ ЯШИШЯ» гопозлния t L-;oîrnnnoTHHX nofwonijí nnw* и усждаш ¡п-'Унроперишюго iiP0H3»vf;rr-.

С'КЧКЛЛМГГСТЬ Oy ,0 5 Ль - .'ilC'CCfí И tfâîWW ' ■,'Л'ОЯГ!

паяген;'?-:'

АВТОР Е Ф Е Г А Г пнс'о^тацич m соискание r;ntoît ci "пони технических нзук

Ít.-KK) - )У?'5

¡acora вшюлиена ь Московском гооударсти^ннои технической унквсрс»ггете имени Н.д.Баунала.

Иаучниа руководит е«ы -Официальные оппоненты;

доктор технически* наук, профессор А.М.Дмигриев

доктор технических наук В.Н. Субич

кандидат технических наук К.П. Малиновский

Ведущее предприятие: ^ШИТЛМ. ¿ÍQMJ , Уанита состоится " /У" 0лЬЫ4 1995г. в час. ' На заседании диссертационного совета К 055.15.13 е

Московской государственной техническом университете кмега» Н.Э.Баумана по адресу! 107005, Москва,'¿-я Бауманская улица, дои 5.

Ваа отзыв на автореферат в одной экземпляре, заверенный печатьо, проспи выслать rio указанноиу адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. II.3.Баумана. Телефон для справок: 267-09-63

Автореферат разослан " MíWtY)f\ 1995г.

Учения секретарь диссертационного совета К 053.15.13

к.т.п.. доцент И,Н.Шубин

Тип ШТУ тирах 100 экз. ооъем 1.0 п.л. ЗакiZd

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Актуальность. В настоякее время. когда осупествляется переход хозяйства на новые экономические отноиения, требуется повыпение эффективности производства, создание новых технология, улучшение качества продукт«.

Это касается также обработки металлов давлением (ОМД).

Порошковые материалы в настоящее время занимают весомую доли Б производстве материалов с улучшенными и специальными свойствами.

В процессе формования металлических порошков с целы) получения брикета предполагаемых размеров, формы и плотности возникает две основные задачи - уплотнить материал и придать ему требуюпув-сяфорну. Но практика выдвигает перед поровковоа металлургией новые задачи, связанные с получение» плотных изделий сложной формы, обладавших заданными механическими характеристиками.

Появление новых методов формования таких как горячее прессование, высокоскоростное прессование, экструзия порошковых материалов, различные вилы нзостатического и гидростатического прессования, способствовало развитию новых направления теории формования.

Использование теории пластичности сжимаемых материалов позволило разработать новые механические схемы деформирования. В результате стало возможным изготовление деталей, для которых ранее эта технология считалась неприемлемой.

При изготовлении конструкционных деталей, по данным литера- -турного обзора, наибольшее применение находит метод холодного формования в закрытых пресс-формах. Этот метод легко поддается автоматизации и обеспечивает получение заготовок по форме и размерам, соответствует™ готовым изделиям, в большинстве случаев изделия, сформованные в закрытых пресс-формах, обработке резанием не подвергаются, а после спекания поступают либо в эксплуатацию, либо проходят дополнительную обработку в целях улучшения состояния поверхности, повышения точности по размерам, придания специальных свойств (термическая и хинико-термическая обрабока, пропитка и т.д.).

Поэтому, представляется целесообразным применение новых схем пластического деформирования к порошковый материалам с целью получения высокоплотных порошковых деталей. А также целесообразным яв-■ ляется и применение новых методов обработки, с целью получения за

гот ок.» с оадаыши сьоьсть«,и, одннакокдш по сбь^у изюмм.

Учшивал вш,знзшмашсо, задача воркования ьиоо^си;:отаа;£ и-риавовик детсяеп, разработка рсзошш&ций к ус;;оы;;; ко теанощга ущ.швакл;; параметры, втаюиие на шишке прочил -лык характеристик издепла ¡1 позволявшие, пшш оСраос:, уыхлжть ша, является ахтуаодод.

Цепь и оадачп; роботы. Цепь» касч-сяьей работы ившею-л г-ОДС.-ботка научно-обоспошшои негодшш проектирования ^ораогаши шсо-неплотных порешоаше вегаШ! в условиях крупносерийного пронатод-сгва на основе эшюриимташш м теоретических кесяедоБаннй процесса.

Дня дестишш поставленной цели иаойлощ;.:о рз»;ть а^ихш^ зада 'А!:

1. Экспериментально исследовать шшяыа слеп Е&сорш:*окнел со сдвигами ¡¡а ышсротзердость, определить гесиетраческое распределение Н10и в плоскости среза заготовок.

2. На-основе мучения распределении шшрогвердсстн в тихл-кости заготовки построить иатеыатическую ¡.одель, позьоалвдо считать значения иикротвердостн в различных точках образца а з&ьи» сирости от схеш де|орнированил, иагнпгно-иппульеда;!- обработан ¡¿ориосанноЕ заготовки или порошка.

3 Пр1шеняя нагнзшю-инпульсну» обработку, проследить ее влияние на характер распределения шосротвердости в различных сбласгяи детали,

4. Экспериментально определить сдвигозуй прочность цзтернага кеспаченнои заготовки.

5. Ояоедггипъ критерия оасики эсфзктшшсста разкш: (двуд) с;:е:< дефориировашш со сдвигами.

6. Связать количественно этот крнтеркк с углом укладки озрен частиц пороаяа, сдвиговое прочностью ( Тер ) неспечанных §ориован-Шл заготовок и прочностью детали после спекания.

?. Теоретически определить силы, несб;;скиуие для фориовшпи со сдвигами високоплотных порошеових цилиндрических деталей.

0. Провести шшкз серимовылусхаемого оборудования с целью его щшенешш дли реализации предло^ешш схем демрыировшш.

9. Разработать систему автоматизированного внбора иархк по-роЕка, технологических параметров операции его форыовани и марки пресса дли изготовления наделив с щшенешеи исаанических схем

г

формования, использующих интенсивные сдвиги.

Научная новизна. Количественно оценено влияние схеы деформирования со сдвигами на прочностные характеристики неспеченных заготовок .

Разработаны математические модели, программы расчета на ЭВМ, позволяющие рассчитать прочностные характеристики (микротвердость) в различных точках образца в зависимости от схем деформирования, магнитно-импульсной обработки формованной заготовки или порошка.

Найдена количественная зависимость между углом укладки зерен частиц порошка, сдвиговой прочностью (Ц> ) неспеченных формованных заготовок и прочностью детали после спекания.

Определены силы, необходимые для формования со сдвигами высокоплотных цилиндрических деталей.

Проведен анализ серийновыпускаемого оборудования с целью его модернизации для реализации предложенных схем деформирования.

На основе этих положений разработана система автоматизированного выбора марки порошка, технологических параметров операции его формования и марки пресса для изготовления изделий с применением механических схем формования, использующих интенсивные сдвиги.

Автор защищает:

' - методику оценки эффективности двух схем деформирования- со сдвигами;

- математическую модель влияния схеы деформирования, магнитно-импульсной обработки формованной заготовки или порошка на показатели микротвердости в различных точках образца;

- математическую модель влияния схем деформирования, состава шихты порошка на сдвиговую прочность формованной заготовки:

- теоретический расчет усилия, необходимых для формования со сдвигами высокоплотных цилиндрических деталей;

- анализ серийновыпускаемого оборудования с указанием его модернизации для реализации предложенных схем деформирования;

- систему автоматизированного выбора марки порошка, технологических параметров операции его формования и марки пресса для изготовления изделий в режимах интенсивных сдвигов.

Достоверность научных результатов работы подтверждается удов-лётворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных по силам формования высокоплотных порошковых цилиндрических деталей.

Практическая ценность. Разработана научно-обоснованная методика проектирования процессов формования порошковых деталей в условиях крупносерийного производства, включающая систему автоыати-аированнорго выбора марки порошка, технологических параметров операции его формования и марки пресса для изготовления изделий с применением механических схем формования, использующих интенсивные сдвиги.

Внедрение результатов. Разработанная методика проектирования передана заказчику в ЦНИИТИЫ. Экономический эффект внедрения составил 14,6 тыс. рублей (в ценах 1990г.).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на научных семинарах кафедры МТ-б МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Публикации. Но теме диссертации опубликовано 2 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на ПО страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 26 таблиц, список использованной литературы из 70 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении содержится обоснование актуальности работы'* научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ литературы по изучаемому вопросу.

Приведены модели прессуемого тела: феноменологическая, дискретного тела, субмикроуровня для выбора модели предстоящих исследований для учета механизма скольжения внутри зерен - основного в теории пластических деформаций.

Проанализировано деформированное состояние дискретного тела. Отмечены особенности процесса деформирования "раздробленной" среды; взаимосвязанность сдвигов, состояние "пластичных разгрузок". Отмечено, что все теоретические исследования опираются на принцип наименьшей возможной работы.

•Рассмотрены теоретические исследования напряженного состояния дискретного тела и экспериментальные исследования по разрушению 4 •

заготовок разной плотности. Отменено при этой, что"характер разру-еения может соответствовать деформировании» единого сжигаемого тела.

Проведен обзор экспериментальных исследований порошковых материалов на сдвиговую прочность. При этом отмечены возможности каждого вида испытания, а также сложность в технике проведения экспериментов .

Приведена классификация прессового оборудования для получения изделия из металлических порошков и отмечено, что технологический процесс формования со сдвигами в настояний момент не применяется в проныиленнон насгггабе из-за отсутствия рекомендаций по его выберу с целью реализации предложенных схем.

Сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследования.

Било проведено исследование влияния схем деформирования со сдвигани, импульсной магнитной обработки порожка и заготовки на никротвердость и на угол укладки частиц порошка. Для исследований была рассмотрена схема по рис. I.

Для моделирования влияния факторов ваврьировакия применена многофакторная схема, при которой эффект влияния каждого фактора оценивается по результата« всех опытов. Приведена методика построения планов и статистической обработки результатов экспериментов на основе регрисионного анализа. Составленный план был рассчитан по программе.

В качестве факторов варьирования были приняты:I- относительная координата по радиусу: 2- Относительная. координаты по высоте; 3 - Схема деформирования; 4 - обработка порошка импульсными магнитными полями; 5 - обработка заготовок импульсными магнитными полный. Из опыта известно, что выбранные факторы влияет на исследуемые величины в степени не выше квадратичной.Для реализации эксперимента был построен план 3*2°//9 модели вида:

ч сч <•/ с

( I )

где у - функция отклика;^ ; ^ - варьируемые факторы в кодированном масштабе. Формование было реализовано на гидропрессе типа "ПАСТ", в качестве материала использовали железный порошок ПЖ.РВ.3.200. Обработку порошка и заготовок импульсными магнитными

5

г •»

\

\ I

а) 5)

Рис Л Схеш деформирования: а- первая схема; б- вторая схема.

4

Рис.2. Схема иагннтно-иыпульснов обработки: I- источник импульсного магнитного поля? 2- поронок? 3- индуктор; 4-устройство замыкания цепи.

полями проводили на установке "Импульс-А" в лаборатории отдала 2.2. НИИ КН и ТП КГТУ им.Н.Э.Баумана. Схема обработки представлена на рис.2.

, Проведя эксперимент и полную его статистическую обработку на ЭВМ, была получена модель иккротвердости в любоа точке форнованно-го образца.

Установлено, что накбольшш прирост значении мюсротвердости наблшшется при реализации второй схемы дефомирования в центральной части образца и вдоль боковой поверхности по сравнению с дан-ншш по иккротвердости в этих ке областях образцов, полученных по парвоа схеме.

Провошшая при этом дополнительная обработка поролка ИИП позволяет снизить разброс микротвердостея в радиальном и осевых направлении формованного брикета. Снижение ыюсротвердости поду чаемоз в результате мнпульсио-нагнитной обработки, малосущественно, в сравнении со значительный выравниванием этоа характеристики в сечениях заготовки.

Проведенные экспериментально-аналитические исследования зависимости угла укладки частиц яороика дали возможность оценить количественно две предложенные схемы пластического деформирования! вторая схема дефоршрования характеризуется углом укладки б »35^2°; первая - р =40° ± 2°.

Обработка пороака импульсными магнитными полями снижает показатели р на 4° , что отражается на качестве заготовки и, в частности. на равномерности в укладке частиц.

В тсетьез главе представлены исследования материала на сдвиговую прочность. Дан анализ схем испытании в условиях сложного нагрухения. отмечены ряд достоинств и недостатков в их использовании.

Приведена схена и описание приспособленка для определения щ (Ркс.З) цилиндрических заготовок. Испытания были проведены на прессе УИИ-50, в результате фиксировались самописцем показания г резания. Величина касательного напрягения на поверхности среза Тер определялась по .формуле:

г Г • . ( 2 )

¿9> • Ж

где р- фиксированная величина нагрузки, Н;

23 - две плокади среза образцов, и*.

вую прочность ( Тер ).

Задача эксперимента состояла б определении влияния скеыы деформирования. воздействия импульсного магнитного поля на пероыж, заготовку, влияние стеарата цинка, наличия углерода в поролке 1Е.РВ .3.200., а такхе совыестных влияний порожка н заготовки на величину

Независимыми факторами является: X,- схема дгформвдования: Хг-наличие импульсно-иагнитной обработки порожка*. X,- наличие им-пульейо-кагннтной обработки заготовки; Х^концентрацга стеарата цинка; Х5- концентрация углерода. Все факторы варьнровалксь на двух уровнях. Планирова}{ие эксперимента позволило сократитэкспе-ршент до восьми опытов. Реализация эксперимента 2'//8 позволила получить уравнение регрессии первого порядка, анализ которого позволил установить заметно сильным влияние схемы деформирования.

Магнитно-импульсная обработка как поронка, так и заготовки влияет отрицательно, т.е. снижает Тер .

Установлено влияние пластификатора на сдвиговые процессы, так больгая концентрация стеарата цинка влияет на переориентацию зерен, подвергнутых сдвигу.

Содержание углерода приводит к снижению прочностных характеристик неспеченного полуфабриката, т.к. он облегчает скольжение частиц и снижает показатели ?<?> .

В четвертой главе представлены зависимости между углом укладки зерен в заготовке и показателями прочности. Суть анализа состо-б

эт в определении коэффициентов парной - корреляции ыевду каждыми дзумя параметрами на основании экспериментальных данных.

В результате анализа были получены зависимости сдвиговой прочности ( ) от угла укладки зерен в заготовке; прочности заготовки после спекания ( ) от угла укладки зерен (р ); прочности (<5а ) от сдвиговой'прочности формованной заготовки.

Уравнения регресс™ на основе корреляционного анализа позволяет выбирать пользователю сочетание технологических параметров, обеспечивающих требуемые прочностные характеристики, не производя испытаний с целью определения и/> , (5, .

В пяток главе теоретически определена сила формования высокоплотных порошковых цилиндрических деталей. Для ее определения выполнен анализ, базиругамйся на решении Соколовского В.В. для оее-симметричного радиального течения пластической массы. Было добавлено условие пластичности для сжимаемого тела. В качестве основы анализа были выбраны следующие схемы (Рис.4, 5).

Уравнение равновесия были решены численным методом с помощью программного пакета "оеьта-з. з РЕШАТЕЛЬ". Проведено сравнение теоретически определенного значения при обжиме детали с диаметра -36 мм до 32 им: Рт »80,17 кН; Рансп-92,32 кН. Расхождение незначительно, что подтверждает приемлемость допудений, сделанных в теоретическом анализе.

Шестая глава состоит из анализа серийновыпускаемого оборудования для выбора под предложенный технологический процесс формования со сдвигами.

Установлено, что требуются прессы, позволявшие разместить на них технологическую оснастку с большой высотой засыпной камеры, имеющие большой ход рабочих органов, на к .¡торых устанавливаются пуансоны, относительно большие усилия перемещения матрицы (по сравнению с усилием пуансона), которые позволили бы реализовывать принудительное перемещение матрицы.

По каждой из выбранных марок прессов, принадлежащим к различным типам: механические, механо-гидрарлические, гидравлические, показано, в чен> должна состоять такая модернизация.

Приведена научно-обоснованная методика выбора прессового оборудования .

Рис.'). Схема формования детали.

чу а - /

Рис.5, Напряженное состояние заготовки в точке пластической деформации

оегЛЕ шсоэд.

ил :мэллггратурнглг ллгочхкол усгллол.лил:).

'.¡•о лллболлл цлг&'соогсзнил ллллатся прнленекла см? ппл.стплеского лл^лмрлглллл со едллгсч гхл получеьллл глсслоплотллл лорсасЕЫД ¡¡гллелгллл :кип методов обработан позвсгпло г.олучз':ь слготоллл со г.гс:.етг.г:н, оптлаковшл! по объем/ лзделля. ллллго л;ол тв усповллл крулнссерль.чого производства

нсллл. Псзточу, разработка научио-сгосзгавэднсл! •■атощгкн про-ггс:'.:х-сз .'эгасзсикл ввсоясшютшг порога»!« да гадал .з уелолллл круп; соерлллого пгогзьодства, лв;пбтсл актуальней.

?.. !3 ггауяг.таго згсслгггшггглыюго з:селедсзагпп влллклл слал л: Ггр'л'роглллл го с22::г?.:гл ишгротвер/гссгь спгедедзяо геслелрл« час:сз г?сйг.?дгл25Г.:6 Н,,6 з пдсс::ссги среза заготовок, позвот«з::&б оолззтгллть гналтнякссть рассмотрении* с:гсп пластического де?оп-глрсзгллш.

з. На сс;к»атш кзученлл ргсяредешмд шшротвердостп поел росла лателат(л;ес'1£н -опель, которая позволь рассчитать значсаш •.иаротзгрЕсстп з рззикчгш точная образца з завкскиости от ".стрсэ :л условж прогеякт теянологическоз операции.

Пг2длс::51пше сш»! Формования позволили обеспечить выеоку» иро'гкеть -г-гогсис:; и цр$то:тять 'новшг метод экспершзгггаиьпог» определения сзагогоз прочности материала заготовки;

5.Определен гритерга оаенкн эффективности предло?.ешшх моа 'пластического гс|орш!роэаняя - Угол укладки зерен чзстзщ порозка < р ), которые; количественно связан со сдвиговой лрочност» о носпечзтюЗ заготовка ( % ) и прочность» детали ( 0» ) после спекажя.

6. В ходе теоретического анализа определены ежи, даэдогоашд длп зорпованил со сдвигом.

7. Проведзшш анализ сершшовштускаемого оборудования с це~ иьэ его применения в реализации предлозгюш сиен деюриированлл позволил определить области ррдконалъного пргаеиеига различии* гл-зов оборудования.

0. Разработанная иетоимка -автоматизированного выбора варги поровка, технологических пэраиетров операции его фэрновлшм и «арки пресса для изготовлешм изделий с нриченениеи схеи |ориовзтт ¡> резшш интенсив н.чзг сдвигов позволяет осупеогвить САПР иредл;-.-

и

AOi'inG технологии.

9. ГаяраЗотаннзя методика внедрена на лреппрштт ЦНИИ'ШМ. 3!><>но«кчсог.я: nijxtf.icr составил тыс. рублей (в ленах 1990г.).

По tsuc диссертации опубликована следуюане работы:

I. Дмитриев A.M., Коробова Н.В. Определение-силы формования

ьасокоплогных поропковых цилиндрических деталеР//Известил вцогас: учебник заведений. Машшостроенке. -1994 .-Н" ?-9.-С.Ю-1Ь.

?f Коробова Н.В. Обеспечение высокой прочности поропковых ^i'lor.ee плен формования со сдвигами//Известия высвих учебны): гассггтт. ¡Атиног.тросже. -1994.-1? 7-9.-С.55-41.