автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающей технологии безоблойной полугорячей штамповки поковок типа крестовин

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЕЗОБЛОЙНОЙ ПОЛУГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК ТИПА КРЕСТОВИН

Специальность: 05.16.05 -Обработка металлов давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С 0^3 ш

Новокузнецк - 2012

005011611

Работа выполнена на кафедре «Обработка металлов давлением и металловедение» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальной университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Перетятько Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Евстифеев Владислав Викторович кандидат технических наук, доцент Ковтум Анатолий Анатольевич

Ведущая организация: Алтайский государственный технический

университет им. И.И. Ползунова

Защита диссертации состоится «28» февраля 2012 г. в ]2_часов 00 мину т в зале заседаний ЗП на заседании диссертационного совета Д 212.252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, Кемеровская область, Новокузнецк, ул. Кирова, д. 42. Факс (3843)46-57-92, c-inail: ds2l225201@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан «2?» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.252.01

О.И. Нохрина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Развитие кузнечно-штамповочного производства позволяет в настоящее время получать точные по массе поковки с минимальными припусками на механическую обработку и существенным уменьшением металлоотходов за счет применения безоблойной схемы штамповки.

В настоящее время перспективным направлением развития безоблойной штамповки является штамповка выдавливанием, которая позволяет получать поковки по форме и размерам приближенным к готовым деталям.

Одним из направлений, позволяющих расширить границы применения штамповки выдавливанием, является разработка процесса выдавливания из шаровой заготовки в закрытых штампах. Поэтому развитие теории и совершенствование технологии безоблойной схемы штамповки выдавливанием в закрытых штампах, направленное на уменьшение потери металла, является актуальным.

Работа выполнена в соответствии с Государственной программой «Основы политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу» от 30 марта 2002 г. и перечнем критических технологий РФ, разделы «Компьютерное моделирование», «Энергосбережение», а также в соответствии с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в РФ раздел «Энергетика, энергосбережение», утвержденный президентом РФ 21 мая 2006 г. №843 и раздел «Энергоэффективность, энергосбережение» утвержденный президентом РФ 07 июля 2011 г. №899.

Цель работы: разработать новую научно-обоснованную ресурсосберегающую технологию полугорячей безоблойной штамповки поковок типа крестовин на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований основных силовых параметров процесса.

Задачи исследования.

1. Оценить основные силовые параметры процесса штамповки поковок типа крестовин одно- и двухсторонним выдавливанием из шаровой заготовки в закрытых штампах на основе трехмерной твердотельной модели, спроектированной в инженерном программном комплексе компьютерного моделирования.

2. Исследовать и рассчитать основные силовые параметры процесса двухстороннего выдавливания поковок типа крестовин в закрытых штампах методом математического моделирования на основе существующих расчетных схем одностороннего выдавливания.

3. Экспериментально исследовать процесс штамповки поковки крестовины одно- и двухсторонним выдавливанием из шаровой заготовки в закрытых штампах, с целью оптимизации основных параметров процесса.

4. Разработать методику и провести исследования по определению прочностных, пластических характеристик и поверхностного угара стали 20Х. На основе полученных результатов исследований, а также используя метод «обобщенной функции желательности», определить оптимальную температуру нагрева заготовки под штамповку поковок типа крестовин выдавливанием в закрытых штампах.

5. Разработать алгоритм выбора технологического процесса штамповки поковок выдавливанием на основе теоретических и экспериментальных исследований, а также использовать результаты проведенных исследований при производстве поковок типа крестовин на промышленных предприятиях.

Методы исследования. В ходе исследований в диссертационной работе использовались: метод трехмерного твердотельного моделирования при помощи специализированного инженерного программного комплекса, предназначенного для анализа процессов обработки металлов давлением (ОМД); метод теории подобия и моделирования процессов ОМД; метод планирования эксперимента; метод исследования механических свойств металла; методика определения поверхностного угара; метод обобщенной функции желательности.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, анализе научно-технической информации, организации и постановке экспериментов, непосредственном участии в их проведении, обработке и анализе полученных данных, а также использовании результатов исследований при производстве поковки.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов 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; высокой эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденных актом использования результатов в производстве.

Научная новизна:

• разработаны трехмерные твердотельные модели штамповки поковок типа крестовин из шаровой заготовки выдавливанием в закрытых штампах при условии двухстороннего приложения нагрузки с помощью инженерного программного комплекса компьютерного моделирования;

• разработаны математические расчетные схемы для определения основных параметров процесса двухстороннего выдавливания поковок типа крестовин на основе существующих расчетных схем одностороннего выдавливания;

• впервые научно обоснована возможность использования двухстороннего выдавливания полугорячей шаровой заготовки для производства поковки крестовины с улучшенными механическими характеристиками в закрытых штампах на основе анализа новых научных результатов полученных экспериментально, а также с помощью разработанных математических схем и трехмерных твердотельных моделей процесса выдавливания;

• определена оптимальная температура нагрева заготовки из стали 20Х для двухстороннего выдавливания поковки типа крестовин с помощью аналитического метода «обобщенной функции желательности» на основе результатов проведенных исследований по сопротивлению металла деформации, пластическим свойствам и поверхностному угару для стали 20Х;

• разработан научно-обоснованный алгоритм проектирования технологических процессов штамповки выдавливанием поковок в закрытых штампах.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

-спроектирована и использована на производстве новая технологическая операция безоблойной полугорячей штамповки двухсторонним выдавливанием поковок типа крестовин из шаровой заготовки в закрытых штампах на основе

ключевых идей разработанной и изготовленной штамповой оснастки (патент РФ №90723);

-разработан алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием поковок, позволяющий учитывать геометрию поковки, технологические особенности процесса, а также выдавливать поковки с компенсатором и без;

-определены основные параметры, используемые в технологическом процессе штамповки двухсторонним выдавливанием поковок в закрытых штампах из стали 20Х: температура нагрева заготовки, прочностные и пластические характеристики, а также поверхностный угар.

Реализация результатов работы: результаты исследований использованы при разработке ресурсосберегающей технологии полугорячей безоблойной штамповки выдавливанием поковок типа крестовин и проектировании штамповой оснастки для производства поковок на ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод» и ООО «Промышленные металлоконструкции» г. Новокузнецк.

Научные результаты исследования используются при подготовке студентов по специальности 150106 - Обработка металлов давлением в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Использование результатов работы в производственном и учебном процессах подтверждено соответствующими актами об использовании и внедрении.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методики определения и результаты расчета основных силовых параметров процесса выдавливания поковки крестовины в закрытом штампе.

2. Методики и результаты экспериментальных исследований прочностных, пластических характеристик и поверхностного угара стали 20Х.

3. Результаты определения оптимальной температуры нагрева заготовки из стали 20Х под штамповку выдавливанием в закрытом штампе.

4. Технологический процесс полугорячего безоблойного выдавливания поковок типа крестовин, разработанный на основе проведенных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 7-ая Всерос-

сийская научно - практическая конференция «Высокие технологии, прикладные исследования, промышленность», г. Санкт-Петербург, 2009 г.; 11-ая Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски решения», г. Новокузнецк, - 2007 г.; Всероссийская научно -практическая конференция «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, - 2008 г.; 13-ая Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски решения», г. Новокузнецк, - 2009 г.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям и задачам, методам исследования и научной новизне соответствует: пункту 1 - «Исследование и расчет деформационных, скоростных, силовых, температурных и других параметров разнообразных процессов обработки металлов, сплавов и композитов давлением»; пункту 2 - «Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью методов физического и математического моделирования»; пункту 3 - «Исследование структуры, механических, физических, магнитных, электрических и других свойств металлов, сплавов и композитов в процессах пластической деформации»; пункту 6 - «Разработка способов, процессов и технологий для производства металлопродукции, обеспечивающих экологическую безопасность, экономию материальных и энергетических ресурсов, повышающих качество и расширяющих сортамент изделий» паспорта научной специальности 05.16.05 - обработка металлов давлением.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в рецензируемых научных журналах и изданиях, а также получен патент РФ №90723.

Объем и структура диссертации: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы из 106 наименований и 5-ти приложений. Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 65 рисунков и 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность работы, сформулирована цель, представлена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен аналитический обзор теоретических и экспериментальных исследований процесса штамповки поковок. Изучение научно-технической литературы показало, что в настоящее время перспективным направлением развития кузнечного производства является штамповка выдавливанием в закрытых штампах. В результате были выявлены существующие технологические процессы штамповки поковок типа крестовин и поставлены задачи исследования.

Во второй главе приводится теоретический анализ, трехмерное и математическое моделирование силовых параметров процесса штамповки выдавливанием в закрытом штампе, а также проверка адекватности моделирования.

Выдавливание металла в закрытом штампе является нестационарным процессом, который можно разделить натри стадии (рисунок 1).

а) первая стадия б) вторая стадия в) третья стадия

Рисунок 1 - Выдавливание в закрытом штампе На первой стадии процесса выдавливания (рисунок 1а) происходит осадка шаровой заготовки пуансонами спроектированного штампа. Во время второй стадии (рисунок 16) происходит течение металла в боковые полости гравюры штампа. На третьей стадии процесса выдавливания (рисунок 1в) происходит окончательное заполнение металлом гравюры штампа и углов боковых отростков.

Компьютерное моделирование проводили с использованием метода конечных элементов (МКЭ). При этом применяли шаровую заготовку диаметром 30 мм.

Первая стадии процесса выдавливания хорошо изучена, поэтому для неё проводили только компьютерное моделирование, варьируя коэффициент трения при двух- и одностороннем приложении нагрузки. Как видно из рисунка 2, с увеличением коэффициента трения относительное удельное усилие увеличивается.

2

<и о к

Я я 4,5

Р я 8

« ч 3,5 § 3 ^ к 25

I § 2

К о , _

8 >> 1.5

и О

--——-

,— ~г

0,1 0,2 0,3

Коэффициент трения, единиц

0,4

1-двухстороннее и 2-одностороннее приложение нагрузки Рисунок 2 — Влияние коэффициента трения на относительное удельное усилие

На второй стадии процесса выдавливания исследовали заполнение металлом боковых отростков при двух - и одностороннем приложении нагрузки, варьируя коэффициент трения от 0,1 до 0,4 и коэффициент вытяжки от 1,2 до 1,8.

Для проверки адекватности трехмерного моделирования на второй стадии были проведены экспериментальные исследования для каждого вида приложения нагрузки. Для проведения исследований использован метод планирования эксперимента. После реализации эксперимента получили линейное уравнение регрессии в кодовых переменных для двухсторонней и односторонней деформации. Проверка адекватности модели по критерию Фишера показала, что гипотеза об адекватности модели не отвергается.

В натуральном масштабе уравнения для двухстороннего (1) и одностороннего (2) деформирования имеют вид

/о> =0,8 + 0,8-Л + 2,2-//. (1)

рх1ат =1,69 + 2-Я + 0,7- ц. (2)

Па рисунке 3 приведены графики относительного удельного усилия при двухстороннем и одностороннем приложении нагрузки в зависимости от коэффициента вытяжки и коэффициента трения. Как видно из г рафиков результаты расчетов с использованием МКЭ близко совпадают с экспериментальными данными.

Коэффициент трения, единиц при коэффициенте трения 0,1; -х- при коэффициенте трения 0,4;

Коэффициент вытяжки, единиц -я- при коэффициенте вытяжки 1,2; -X— при коэффициенте вытяжки 1,8;

1 - двухстороннее и 2 - одностороннее приложение нагрузки; -•- компьютерное моделирование.

Рисунок 3 - Влияние коэффициента трения на относительное удельное усилие После проверки адекватности была построена математическая модель (рисунок 4а) и получено выражение (3) второй стадии выдавливания при двухстороннем приложении нагрузки, используя за основу существующую модель (рисунок 46) А.Г. Овчинникова при одностороннем приложении нагрузки.

д =-(\ + и) +

( 4-- /7 з ^

{ » ~4В)

, 4м{1~г) , я

ч---1--.

а) двухстороннее приложение нагрузки; б) одностороннее приложение нагрузки; 1,4 - область пластической деформации; 2,3 - жесткие зоны. Рисунок 4 - Схематизированные очаги пластической деформации Проведенные ранее исследования с достаточной для практики точностью подтверждают расчеты по формуле (3).

На рисунке 5 приведен график относительного удельного усилия при двухстороннем (рисунок 5а) и одностороннем (рисунок 56) приложении нагрузки в зависимости от коэффициента вытяжки и коэффициента трения.

Как видно из графиков результаты расчетов с использованием метода конечных элементов близко совпадают с экспериментальными данными, а также с

математическим моделированием с погрешностью около 5%.

6Г-,--- и 6

5,5-

«с | 4,5 ^

и Щ 4

§ 13,5

Л и -

ц к 3

I & 2

Е 1,5 1,85 1,2

1,35 1,5 1,65 1,85 1,2 1,35 1,5 1,65 1,8 Коэффициент вытяжки, единиц Коэффициент вытяжки, единиц

а) при коэффициенте трения -0,1; б) при коэффициенте трения - 0,4; • -компьютерное моделирование; -ж- математическое моделирование;

-ш- эксперимент.

Рисунок 5 — Влияние коэффициента вытяжки на относительное удельное усилие

На третьей стадии процесса выдавливания исследовали процесс окончательного заполнения металлом углов боковых отростков гравюры штампа при двухстороннем и одностороннем приложении нагрузки, варьируя коэффициент трения от 0,1 до 0,4 и коэффициент вытяжки X от 1,2 до 1,8.

На рисунке 6 приведены графики зависимости относительного удельного усилия от коэффициента вытяжки и коэффициента трения при двухстороннем (рисунок 6а) и одностороннем (рисунок 66) приложении нагрузки соответственно.

Из графиков видно, что с увеличением коэффициента вытяжки и коэффициента трения относительное удельное усилие увеличивается, кроме того при выдавливании при условии двухстороннего деформирования требуется гораздо меньшее относительное удельное усилие, чем при одностороннем.

А^Г\,ЪЪ 1,5 1,65 1

Х12~135 1,5 1,65 1,8

И ц'

а) двухстороннее приложение нагрузки; б) одностороннее приложение нагрузки. Рисунок 6 - Влияние коэффициентов вьггяжки и коэффициента трения

на относительное удельное усилие Для проверки адекватности компьютерного моделирования на третьей стадии выдавливания была построена математическая модель третьей стадии выдавливания поковки с боковыми отростками.

Принимая за основу модель выдавливания поковок при одностороннем приложении нагрузки, построенную А.З. Журавлевым, получили математическую модель течения металла в боковые отростки и выражение (4) для расчета усилия выдавливания поковок при двухстороннем приложении нагрузки.

<1 =¥к 1

2а О

' + + И" -«4-4,5^ + 1,924-1,5 + °

й п2 в и1

(4)

2 а П о2 ""£)'""" 1)2 вН

где \|/к - безразмерное напряжение внутри угла, щ=2,07; а - размер фаски в углу

закрытого ручья, мм; О - диаметр пуансона, мм; Н- высота поковки, мм.

Для определения удельного усилия третьей стадии выдавливания поковки с

заполнением углов ручья воспользовались коэффициентом, равным

К

ф-

Яг

(5)

где дполн- удельное усилие выдавливания поковки с затеканием металла в угол закрытого ручья; <?2-удельное усилие выдавливания поковки на второй стадии.

Кроме вышесказанного, во второй главе получено уравнение (6) для определения полного усилия выдавливания поковки для двухстороннего приложения нагрузки в закрытых штампах, анализируя выводы и равенства М.С. Эдуардова для одностороннего выдавливания поковок в закрытых штампах.

р=&-<г,кф (6)

В третьей главе приведены экспериментальные данные по механическим свойствам и поверхностному угару стали 20Х при температурах полугорячей штамповки. Для дальнейших исследования была выбрана поковка крестовины из стали 20Х.

Для исследования пластических свойств стали 20Х и ее сопротивления деформации использованы испытания на горячее скручивание, которые проводили на специально сконструированной машине.

В работе использовали образцы размерами (1п=6 мм и 10 = 30 мм. Окончательно степень деформации сдвига до разрушения образца определяли по уравнению

Л=0,628п, (7)

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

сг = 12л/3^%., (8)

та

Для определения поверхностного угара образец квадратного сечения измеряли, взвешивали и нагревали до заданной температуры. При этом на образце образовывалась окалина, которая удалялась с поверхности образца после его охлаждения и производилось повторное взвешивание. Величину поверхностного угара при температуре и времени нагрева находят как

(ш, -тЛ , У, ~ р , г/ см , (9)

где т!,т2 - масса образца до нагрева и после удаления окалины, г;

Р— площадь поверхности образца, см2.

Результаты испытания стали 20Х приведены в таблице 1.

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

ог = а,-ехрС-^-Г), (10)

где Г-температура, К; а,,¿/-коэффициенты, определяющиеся экспериментально. Таблица 1 - Результаты испытания стали 20Х на горячее скручивание

Температура, °С Сопротивление деформации, МПа Степень деформации сдвига, единиц

600 351 5,10

700 252 6,35

800 184 7,65

900 135 10,20

1000 108 13,30

1100 81 18,60

<т = 2510,8 • ехр(-0,002Г), Я2 = 0,9968 (11)

где Л - величина достоверности аппроксимации.

Степень деформации сдвига металла можно описать сложной кривой с максимальной пластичностью при определенной температуре. Однако, для исследованной марки стали в интервале температур полугорячей штамповки принимаем, что степень деформации сдвига возрастает по экспоненциальной зависимости:

У = а 2-еЬ2'Т, (12)

где а2, Ь2~ коэффициенты, которые находятся из экспериментальных данных. Аппроксимируя экспериментальные данные по степени деформации сдвига:

Л = 0,5192 .е0'Ш6-т; Я2 = 0,9908

(13)

Результаты исследования окисления поверхности стали при нагреве, которое оценивается величиной поверхностного угара, приведено в таблице 2. Таблица 2 - Величина поверхностного угара при нагреве стали 20Х

Температура, °С Поверхностный угар, г/см2

600 0,05

700 0,11

800 0,17

900 0,28

1000 0,51

1100 0,74

Зависимость величины поверхностного угара от температуры и постоянном времени нагрева имеет вид:

Уг=а3-ехр[-Щ, (14)

где Г-температура нагрева, градусы К; а3, Ьз - коэффициенты. Аппроксимируя опытные значения из таблицы 2, получаем

Уг = 0,0006ехр(0,0053Г) (15)

В четвертой главе приведена многокритериальная оптимизация температуры нагрева заготовки для штамповки выдавливанием. Анализируя результаты исследования механических свойств и поверхностного угара стали 20Х (таблицы 1 и 2), трудно определить оптимальную температуру нагрева заготовки для штамповки выдавливанием, так как с повышением температуры испытания уменьшается сопротивление металла деформации, повышаются пластические свойства, но возрастает поверхностный угар металла

Одним из наиболее удачных способов решения задачи оптимизации процессов с большим количеством откликов является использование в качестве критерия оптимизации «обобщенной функции желательности». Для этого необходимо преобразовать измеренные значения свойств в безразмерную шкалу желательности.

Обобщенная функция желательности £> была использована для определения оптимальной температуры нагрева заготовки для объемной штамповки выдавливанием в закрытом штампе крестовины карданного вала из стали 20Х.

Таблица 3 - Базовые значения свойств и частные функции желательности

Свойства Сопротивление деформации <1ь МПа Степень деформации сдвига ё2, единиц Угар металла сЬ, г/см2

У п У12 У21 У22 Уз1 У32

Значение свойств, у| 108 252 3,30 6,35 0,11 0,28

Желательность, с! 0,70 0,20 0,70 0,20 0,70 ^ 0,20

Формула преобразование отклика^ в частную функцию желательности 4:

4(0 = ехр[- ехр[- 2,1 б 1 - 0,01064 • х I] (16)

Подставляя опытные значения _у,для различных температур, находим значения частных функций желательности ^ для разных температур нагрева

Полученные значения частных функций желательности с1, для разных температур нагрева заносим в таблицу 4.

Аналогично рассчитываются частные функции желательности для пластических свойства и поверхностного угара.

Далее, для каждой температуры нагрева рассчитываем значения обобщенной функции желательности Б и заносим в таблицу 4. Таблица 4-Частные и обобщенные функции желательности_

Температура, °С Частные функции желательности Обобщенная функция желательности, Э

сопротивление деформации db МПа степень деформации сдвига с12, единиц угар металла с13, г/см2

600 0,01 0,12 0,79 0,11

700 0,17 0,21 0,71 0,37

800 0,41 0,36 0,52 0,43

900 0,59 0,55 0,15 0,43

1000 0,70 0,75 0,04 0,13

Как видно из опытных данных, максимальное значение функции желательности соответствует оптимальной температуре нагрева металла для полугорячей штамповки крестовины из стали 20Х в интервале температур нагрева 830 - 850°С.

Разработан алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием, состоящий из блоков ввода и расчета исходной информации, а также условных операторов.

Первый оператор характеризует возможности штамповки в холодном состоянии - если твердость стали не превышает ЗООНВ. В противном случае для снижения сопротивления металла деформации необходимо производить нагрев.

Второй условный оператор определяет возможность использования штамповки с нагревом заготовки. Если при нагреве угар >0,3 кг/м2 - следует применять технологию горячей штамповки. Технология полугорячей штамповки выдавливанием рекомендуется при величине поверхностного угара меньше 0,3 кг/м2

Третий оператор определяет величину коэффициента использования металла (КИМ): КИМ<0,8 - применяется выдавливание в открытом штампе;

КИМ>0,8 - технология выдавливания с внутренним компенсатором.

В пятой главе приведена методика проектирования процесса полугорячей штамповки выдавливанием в закрытом штампе. На основании общего алгоритма штамповки разработана технология выдавливания поковки - «крестовина». На основе полученного патента РФ №90723 разработана и изготовлена штамповая оснастка для выдавливания поковок типа крестовин из шаровой заготовки. На ООО «Промышленные металлоконструкции» и ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод» разработана технологическая операция безоблойной полугорячей штамповки двухсторонним выдавливанием в закрытом штампе поковки -«крестовина», в которой используются результаты проведенных исследований. От реализации в промышленности технологии, разработанной на основе проведенных исследований, рассчитан ожидаемый экономический эффект.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что штамповка выдавливанием является нестационарным процессом и состоит из трех стадий. Выявлены основные факторы, влияющие на величину силовых параметров процесса полугорячего выдавливания поковки «крестовина» из шаровой заготовки при одностороннем и двухстороннем приложении нагрузки.

2. Разработана математическая схема и рассчитаны основные силовые параметры второй и третьей стадии процесса полугорячего двухстороннего выдавливания поковки «крестовина» из шаровой заготовки.

3. Разработана методика исследования и определены прочностные, пластические характеристики и поверхностный угар стали 20Х. Рассчитаны погрешности экспериментальных данных при определении пластических свойств и сопротивления металла деформации, а также величины поверхностного угара.

4. Определен оптимальный температурный интервал нагрева заготовки для штамповки двухсторонним выдавливанием поковки «крестовина» из стали 20Х, используя разработанный аналитический метод расчета обобщенной функции желательности на основе результатов прочностных, пластических характеристик и поверхностного угара.

5. Спроектирован и используется алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием на основе анализа теоретических и экспериментальных данных, а также полученных научно - обоснованных рекомендаций и методик проектирования процессов штамповки выдавливанием в закрытых штампах.

6. Разработана технологическая операция безоблойной полугорячей штамповки двухсторонним выдавливанием в закрытом штампе поковки - «крестовина», результаты которой использованы в производстве на ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод» и ООО «Промышленные металлоконструкции». От реализации результатов в промышленности, рассчитан экономический эффект.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в рецензируемых журналах и изданиях

1. Перетятько В.Н. Осадка шаровой заготовки [Текст] / В.Н. Перетятько, A.A. Фёдоров, A.B. Бахаев // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2011,- № 6. - С. 1719

2. Перетятько В.Н. Моделирование безоблойной штамповки из шаровой заготовки [Текст] / М.В. Филиппова, A.B. Бахаев, В.Н. Перетятько, A.A. Фёдоров // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2011. - № 10. - С. 24-27.

Труды периодических изданий и научно-пракггических конференций

3. Малоотходная технология штамповки осесимметричных поковок из шаровой заготовки [Текст] / В.Н. Перетятько, Г.С. Котлов, М.В. Филиппова, A.A. Фёдоров //Высокие технологии, прикладные исследования, промышленность: сб. науч. тр. / Политехнический университет. - СПб., 2009. - С. 12 -14.

4. Перетятько В.Н. Полугорячая штамповка выдавливанием в закрытых штампах [Текст] / В.Н. Перетятько, М.В. Филиппова, A.A. Фёдоров // Наука и молодежь : проблемы, поиски, решения: труды Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк: СибГИУ, 2007. - С. 243 - 247.

5. Филиппова М.В. Применение шаровой заготовки для штамповки [Текст] / М.В. Филиппова, A.A. Фёдоров, A.B. Бахаев // Наука и молодежь : проблемы, по-

иски, решения: труды Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк: СибГИУ. — 2009. - № 13. - С. 113.

6. Перетятько В.Н. Качество шаровой заготовки [Текст] / В.Н. Перетятько, М.В. Филиппова, A.A. Фёдоров, A.B. Бахаев // Металлургия: технологии, управления, инновации, качество : сборник науч. трудов / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк : СибГИУ, 2008. - С. 15 - 18.

7. Перетятько В.Н. Малоотходная технология штамповки [Текст] / В.Н. Перетятько, A.A. Фёдоров, М.В. Филиппова // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии : сб. науч. тр. / Сиб. гос. индустр. ун-т. - М.; Новокузнецк, 2009. - С. 71-73.

8. Филиппова М.В. Безотходная штамповка шестерни [Текст] / М.В. Филиппова, A.A. Фёдоров, В.Н. Перетятько, A.B. Бахаев // Вестник горнометаллургической секции РАЕН. Отделение Металлургия : сб. науч. трудов / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк: СибГИУ, 2011. - Вып. 29. - С. 92-96.

9. Перетятько В.Н. Удельное усилие при выдавливании [Текст] / В.Н. Перетятько, М.В. Филиппова, A.A. Фёдоров // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение Металлургия : сб. науч. трудов / Сиб. гос. индустр. ун-т. -Новокузнецк, 2011. - Вып. 28. - С. 53-56

10. Перетятько В.Н. Штамповка выдавливанием [Текст] / В.Н. Перетятько, М.В. Филиппова, A.A. Фёдоров, A.B. Бахаев // Будущее машиностроения России : сб. науч. трудов / МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М., 2009. - С. 28-32

11. Перетятько В.Н. Механические свойства и поверхностный угар стали 20Х при температурах полугорячей штамповки [Текст] / В.Н. Перетятько, М.В. Филиппова, A.A. Фёдоров // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение Металлургия : сб. науч. трудов / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк : СибГИУ, 2011.-№ 28. - С. 10 - 16.

12. Пат. 90723 Российская Федерация, МПК В 21К1/00 Штамп для горячей штамповки поковок типа крестовин из шаровой заготовки [Текст] / Перетятько В.Н., Фёдоров A.A.; заявл. 2009132377, опубл. 20.01.10 г., Бюл. №2.

Изд. лиц. ИД №01439 от 05.04.2000 _

Подписано в печать 26.01.2012 Формат бумаги 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,05 Уч. - изд. л. 1,17 Тираж 100 экз. Заказ №

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Издательский центр ФГБОУ ВПО «Сиб-ГИУ»

61 12-5/1784

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

На правах рукописи

Фёдоров Александр Андреевич

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ БЕЗОБЛОЙНОЙ ПОЛУГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК

ТИПА КРЕСТОВИН

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Новокузнецк - 2012

Содержание

Введение..................................................................................................................3

1 Обзор технологий, теоретических и экспериментальных исследований процессов штамповки поковок типа тел вращения....................................10

1.1 Безоблойная штамповка поковок выдавливанием в закрытых штампах ..11

1.2 Выбор оптимальной температуры нагрева заготовок и метода планирования эксперимента для штамповки выдавливанием.........................22

1.3 Методики определения силовых параметров процесса штамповки..........25

Выводы и постановка задач исследования....................................................36

2 Исследование процесса выдавливания поковки крестовины................38

2.1 Методика проведения компьютерного моделирования процесса выдавливания........................................................................................................39

2.2 Компьютерное моделирование первой стадии процесса выдавливания... 45

2.3 Моделирование второй стадии процесса выдавливания............................49

2.3.1 Компьютерное моделирование второй стадии..........................................49

2.3.2 Проверка адекватности модели..................................................................54

2.3.3 Математическая модель второй стадии выдавливания............................66

2.4 Моделирование третьей стадии процесса выдавливания...........................76

2.4.1 Компьютерное моделирование третьей стадии выдавливания...............76

2.4.2 Математическое моделирование третьей стадии выдавливания............80

2.5 Определение полного усилия выдавливания поковки................................86

Выводы..................................................................................................................89

3 Исследование механических свойств стали 20Х........................................90

3.1 Исследование образцов на горячее кручение...............................................91

3.1.1 Определение предельной пластичности....................................................93

3.1.2 Определение сопротивления деформации.................................................96

3.2 Методика определения поверхностного угара.............................................97

3.3 Результаты исследований...............................................................................98

3.4 Оценка точности экспериментов.................................................................ЮЗ

3.4.1 Погрешности экспериментов при определении пластичности

металлов...............................................................................................................

3.4.2 Погрешности экспериментов при определении

сопротивления металла деформации.................................................................105

3.4.3 Погрешности экспериментов при определении

поверхностного угара..........................................................................................106

Выводы................................................................................................................108

4 Моделирование температуры нагрева заготовки из стали 20Х...........109

4.1 Функция желательности для решения задач с несколькими откликами.............................................................................................................109

4.2 Аналитический метод определения обобщеной функции желательности......................................................................................................113

4.3 Алгоритм выбора технологического процесса штамповки

выдавливанием....................................................................................................118

Выводы................................................................................................................121

5 Проектирование процесса бокового выдавливания поковки..............122

5.1 Порядок разработки процесса полугорячего выдавливания....................122

5.2 Разработка технологии штамповки детали «крестовина»........................122

5.3 Внедрение технологического процесса выдавливания поковки крестовины...........................................................................................................126

5.4 Экономическая эффективность внедрения процесса полугорячего

выдавливания детали «крестовина»..................................................................130

Выводы................................................................................................................130

Заключение и основные выводы...................................................................131

Список использованных источников............................................................132

Приложение А....................................................................................................143

Приложение Б....................................................................................................145

Приложение В....................................................................................................147

Приложение Г.....................................................................................................148

Приложение Д....................................................................................................149

Введение

Одним из главных резервов ускорения развития экономики является рациональное использование всего, чем мы располагаем, и в первую очередь металла. Машиностроители изыскивают дополнительные резервы экономии металла, одним из направлений которых является совершенствование заготовительной базы и внедрение малоотходных технологических процессов.

Точная объемная штамповка в закрытых штампах может в настоящее время обеспечить получение поковок по третьему классу точности. При этом детали, изготовленные объемной штамповкой в закрытых штампах, обладают более высокой прочностью и надежностью, чем при облойной штамповкой в открытых штампах.

Несмотря на внедрение прогрессивных технологии, обеспечивающих значительную экономию материальных ресурсов, все еще большое количество металла уходит в отходы и в стружку. В течение почти десятилетнего периода металлоотходы в машиностроении и металлообработке остаются на одном и том же уровне - 27%. Сокращение количества отходов в значительной степени зависит от совершенствования заготовительной базы.

Вопросы оптимизации структуры парка оборудования заготовительных цехов машиностроительных предприятий и получения точных заготовок весьма актуальны на промышленных предприятиях страны. Однако в настоящее время предприятия все еще имеют в наличии большой парк металлорежущих станков для черновых, обдирочных и других подготовительных работ, а в трудоемкости механической обработки 50 - 80% составляют работы по удалению лишних припусков. Машиностроители ежегодно вынуждены терять более 750 тыс. т металлопроката по причине несоответствия заготовок готовой продукции по размерам и объемной массе.

Поэтому использование оптимальных, с точки зрения обработки заготовок для получения готовой продукции позволит, во-первых, повысить коэффициент использования оборудования за счет сокращения времени на об-

работку, а во-вторых, сократить расходы на инструменты за счет повышения их срока службы, доля которого в себестоимости составляет 5 - 8%, а иногда и 40%.

Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что ускорение перехода на малоотходную технологию изготовления деталей, наращивание выпуска точных заготовок особенно важно для экономии металла в машиностроении. Особое внимание должно быть уделено рассмотрению технологических возможностей выпуска оборудования для малоотходной штамповки на основе создания новых конструкций малоотходных штампов и существующих схем горячей штамповки.

Актуальность исследования.

Развитие кузнечно-штамповочного производства позволяет в настоящее время получать точные по массе поковки с минимальными припусками на механическую обработку и существенным уменьшением металлоотходов за счет применения безоблойной схемы штамповки.

В настоящее время перспективным направлением развития безоблойной штамповки является штамповка выдавливанием, которая позволяет получать поковки по форме и размерам приближенным к готовым деталям.

Одним из направлений, позволяющих расширить границы применения штамповки выдавливанием, является разработка процесса выдавливания из шаровой заготовки в закрытых штампах. Поэтому развитие теории и совершенствование технологии безоблойной схемы штамповки выдавливанием в закрытых штампах, направленное на уменьшение потери металла, является актуальным.

Работа выполнена в соответствии с Государственной программой «Основы политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу» от 30 марта 2002 г. и перечнем критических технологий РФ, разделы «Компьютерное моделирование», «Энергосбережение», а также в соответствии с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в РФ раздел «Энергетика, энергосбережение», ут-

вержденный президентом РФ 21 мая 2006 г. №843 и раздел «Энергоэффективность, энергосбережение» утвержденный президентом РФ 07 июля 2011 г. №899.

Цель работы: разработать новую научно-обоснованную ресурсосберегающую технологию полугорячей безоблойной штамповки поковок типа крестовин на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований основных силовых параметров процесса.

Задачи исследования.

1. Оценить основные силовые параметры процесса штамповки поковок типа крестовин одно- и двухсторонним выдавливанием из шаровой заготовки в закрытых штампах на основе трехмерной твердотельной модели, спроектированной в инженерном программном комплексе компьютерного моделирования.

2. Исследовать и рассчитать основные силовые параметры процесса двухстороннего выдавливания поковок типа крестовин в закрытых штампах методом математического моделирования на основе существующих расчетных схем одностороннего выдавливания.

3. Экспериментальное исследовать процесс штамповки поковки крестовины одно- и двухсторонним выдавливанием из шаровой заготовки в закрытых штампах, с целью оптимизации основных параметров процесса.

4. Разработать методику и провести исследования по определению прочностных, пластических характеристик и поверхностного угара стали 20Х. На основе полученных результатов исследований, а также используя метод «обобщенной функции желательности», определить оптимальную температуру нагрева заготовки под штамповку поковок типа крестовин выдавливанием в закрытых штампах.

5. Разработать алгоритм выбора технологического процесса штамповки поковок выдавливанием на основе теоретических и экспериментальных исследований, а также использовать результаты проведенных исследований при производстве поковок типа крестовин на промышленных предприятиях.

Методы исследования: в ходе исследований в диссертационной работе использовались: метод трехмерного твердотельного моделирования при помощи специализированного инженерного программного комплекса, предназначенного для анализа процессов обработки металлов давлением (ОМД); метод теории подобия и моделирования процессов ОМД; метод планирования эксперимента; метод исследования механических свойств металла; методика определения поверхностного угара; метод обобщенной функции желательности.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, анализе научно-технической информации, организации и постановке экспериментов, непосредственном участии в их проведении, обработке и анализе полученных данных, а также использовании результатов исследований при производстве поковки.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов 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; высокой эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденных актом использования результатов в производстве.

Научная новизна:

— разработаны трехмерные твердотельные модели штамповки поковок типа крестовин из шаровой заготовки выдавливанием в закрытых штампах при условии двухстороннего приложения нагрузки с помощью инженерного программного комплекса компьютерного моделирования;

— разработаны математические расчетные схемы для определения основных параметров процесса двухстороннего выдавливания поковок типа крестовин на основе существующих расчетных схем одностороннего выдавливания;

— впервые научно обоснована возможность использования двухстороннего выдавливания полугорячей шаровой заготовки для производства поковки крестовины с улучшенными механическими характеристиками в закрытых штампах на основе анализа новых научных результатов полученных экспериментально, а также с помощью разработанных математических схем и трехмерных твердотельных моделей процесса выдавливания;

— определена оптимальная температура нагрева заготовки из стали 20Х для двухстороннего выдавливания поковки типа крестовин с помощью аналитического метода «обобщенной функции желательности» на основе результатов проведенных исследований по сопротивлению металла деформации, пластическим свойствам и поверхностному угару для стали 20Х;

— разработан научно-обоснованный алгоритм проектирования технологических процессов штамповки выдавливанием поковок в закрытых штампах.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

-спроектирована и использована на производстве новая технологическая операция безоблойной полугорячей штамповки двухсторонним выдавливанием поковок типа крестовин из шаровой заготовки в закрытых штампах на основе ключевых идей разработанной и изготовленной штамповой оснастки (патент РФ №90723);

-разработан алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием поковок, позволяющий учитывать геометрию поковки, технологические особенности процесса, а также выдавливать поковки с компенсатором и без;

-определены основные параметры, используемые в технологическом процессе штамповки двухсторонним выдавливанием поковок в закрытых штампах из стали 20Х: температура нагрева заготовки, прочностные и пластические характеристики, а также поверхностный угар.

Реализация результатов работы: результаты исследований использованы при разработке ресурсосберегающей технологии полугорячей безоб-

лойной штамповки выдавливанием поковок типа крестовин и проектировании штамповой оснастки для производства поковок на ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод» и ООО «Промышленные металлоконструкции» г. Новокузнецк.

Научные результаты исследования используются при подготовке студентов по специальности 150106 - Обработка металлов давлением в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Использование результатов работы в производственном и учебном процессах подтверждено соответствующими актами об использовании и внедрении.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методики определения и результаты расчета основных силовых параметров процесса выдавливания поковки крестовины в закрытом штампе.

2. Методики и результаты экспериментальных исследований прочностных, пластических характеристик и поверхностного угара стали 20Х.

3. Результаты определения оптимальной температуры нагрева заготовки из стали 20Х под штамповку выдавливанием в закрытом штампе.

4. Технологический процесс полугорячего безоблойного выдавливания поковок типа крестовин, разработанный на основе проведенных исследований.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 7-ая Всероссийская научно - практическая конференция «Высокие технологии, прикладные исследования, промышленность», г. Санкт-Петербург, 2009 г.; 11-ая Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски решения», г. Новокузнецк, - 2007 г.; Всероссийская научно - практическая конференция «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, - 2008 г.; 13-ая Всероссийская конфе-

ренция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски решения», г. Новокузнецк, - 2009 г.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертационная работа по своим целям и задачам, методам исследования и научной новизне соответствует: пункту 1 - «Исследование и расчет деформационных, скоростных, силовых, температурных и других параметров разнообразных процессов обработки металлов, сплавов и композитов давлением»; пункту 2 - «Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью методов физического и математического моделирования»; пункту 3 - «Исследование структуры, механических, физических, магнитных, электрических и других свойств металлов, сплавов и композитов в процессах пластической деформации»; пункту 6 -«Разработка способов, процессов и технологий для производства металлопродукции, обеспечивающих экологическую безопасно�