автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка технологических процессов калибровки и запрессовки дно- и многослойных спеченных порошковых втулок

ЯьНШГРАДСКК; ГОСУДАРСТЗЖ^: ТЕХНИЧЕСКИЙ УШЕРСИГЗГ

Ыа правах рукописи

- ДАЗХйЛЬ ЕАЕРАК

УДК 621.762.4

РАЗРАБОТКА ТЕОЛОГИЧЕСКИ)! ПРОЦЕССОВ ЮШ1БгОЗй1 'Л З.АДйЗССОЗК! ОДНО- И ¡ЙЮГОСЖЙШК СЕЧЕННЫХ ПОЮШЗНХ В1УЛ0К

Специальность 05.03.05

- процоссн и машин:* обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград 1991

Работа внпоянена на. кафедре ";<1гшшьт и технология обработки металлов давлением" Ленинградского государственного технического университета.

Научна руководитель: доктор технических наук,

профессор Рябинин А.Г.

Официальное оппоненты: доктор технических наук,

Ведущее предприятие: Ленинградский завод порошковой металлургии.

на заседании специализированного совета К СбЗ.38.16 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Ленинградском государственном техническом университете по адресу: 195251, Ленинград, Политехническая ул., 29.

С диссертацией коано озиакошгься в фундаментальной библиотеке института.

О'ГЗнбн на автореферат з двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес института.

Автореферат разослан К'91 г.

профессор Дурнав З.Д.

кандидат технических наук, доцэнт Подгорной В.З.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук',

СБ':;чЯ ХАРЛКГШШКА РАБОТЫ

Актугчлшость теми. Основными направлениями ссррештого развития производства является переход на ноэме технологические про-деп№, оиюЕашгыэ на более экономном -расходования онергяи, металла 1 других ресурсов. К числу таких нсзьтх технологий относится порош-тозая металлургия. За последний паль лег производство поролна в шре уддоклось, создаются козче конструкционные материалу на базе юро-нков, основанные ка процессах кх обработки дазл&ниом. Технология получения детале": из порогакоз в значительной степени справляется совехшкс?зозанибм зажгейае:" операции - прессования и ка-мброэли, ксторме не только определяют форму и размеры детали; но \ ее эксплуатационное свойства. 3 этой связи технология обработки заготовок дазлонкек язляется определяющей и ее совершенствование 1йляется актуальна?,:.

Работа выполнялась з соответствии с коордкнациоянга планом ¡аучне-исследовательских работ АН СССР от 2S.C2.I98I г., козлиге:«-¡оИ научно-технической программой ЛИН &УЗ РСФСР "Порошковая метал-¡ургия".

Цель габотн. Целью работя являлось разработка ;<:егсдк1ж рао-¡ета запрессовки многослойннх «печешшх порошкошпе цилиндрических ¡агстовок и пооледуюцай калибровки внутренней полости дорнозаниом, щенка рааноплотности сложных деталей посла дорнэвания к разра-!отка зозмегхкнх путей интенсификации процесса дорнованкя.

Научная новюна. Построение достатовдо обоснованной приближенной математической модели процесса пресс оваши длиннсмерннх цшиндрических деталей ил спечечнкх порошков с применением эластичной среде, решение задачи прессования многослойной цилиндра-;эскок заготовки, оценка величиян натяга при запрессовке, лострое-¡ие приОлгекеннрх математических методов расчета процесса дорноза-(ия одно- к многослойных заготовок при произвольном изменении 'ожрш вдоль оси или при наличии смещения оси полости огноок-■ельнс оси детали, оценка разноплотнооти таких олошых деталей юсле'доркования.

Практическая ценность. Построены аналитические зависимости уга компонентов тензоров скорости деформаций и напряжений при

прессовании Бластачной средой и дориоззяии, построена инженерная методика расчета экергосиловых параметров этих процессов, выражения для оценки разкоплотнооти при дорнозаквк сложннх деталей, предложены ковка схемы дорнонанка с применением зроисния дорна и гздроподпора, существенно раашряьцие возможности процесса дорио-вания и редуцирования.

Реализация работ«. Результат» работы зкедрет-1 на предприятии ЛНЯО "Красней Октябрь" /Ленинград/, в учебное процессе кафедрн шини и яежояогия обработки шгадяов давленном".

Апробация гоботы. 'цатериаян диссертации догладывались на научно-технической конференции ¿31&У им.адм.С.О .«¡акароза в I9CS г. нгй'чно-мвгодаческой конференции ЕЖ& в 1990 г., на научштх семинарах кафедры ¿МТОЗД в IS69-9C гг.

Публикации. По теме диссертации имеется научная статья, изданная э Ленинградском доме научно-технической пропагеиды а 1290 i

Объем работе. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и перечня испольаоЕашой литераторы. Работа содержим 18С страниц машинописного текста, S3 ' рисунков, 11 таблиц, список литературу содержит 7S наименований.

CCfiSPiuAL-IKS РАБОТЫ.

■ Во введении дается краткая 'характеристика цели и задач исследования.

Первая глава посвящена обзору имеющихся з дитературе саедени о процессах и технологических схемах получения деталей осесиммет-ричной формы из спеченных,порошков, классификации возможных схем получения осесимметричных деталей методом обработки давлением.

Теоретические и технологические разработки основных методов производства деталей из порошковых материалов принадлежат в СССР М.З.Балмшну, Г.М.ЗКдановичу, В. 3. Скоро ходу, П.А.Витязю, й.Б.Штер-ну, О.В.Роману, В.Я.Нврелькану,- Л.С.Богшскому, Н.К.Мертенсу и др., за рубежом «• Р.Тодоровичу. /НРБ/, К.Рому /США/, М.Вдье/Фран-ция/, Х.Гштару /ГДР/, В.Рутковскому /ПНР/, Ояне, Оквдэ /Япония/ И др. , . 4 ..

Однако ксснотря на широкий фронт работ в области порошковой ■■злюлогии, фронт оскценаучнвд: исследований значительно отстает по фичииа:/ катеиаяичеокил трудностей и физической неясности об урав-1енки состояния сыыа^/ок дискретной среда, способной к изменению глоткостн под дейсгзием только нормальных, но и только каса-'ельтгчх .шгрузок. До сих пор сохраняемся острая необходимость в >азработках прясйкксишг. математических моделей для разннх отдельное жласеос задач и те>з:ологичоских схем.

Анализ оснозккх схем показал, что прессовэние длинномерных цшшдрических деталей иг спеченных заготовок при мелкосерийном ¡роизводстзе целесообразно получать по схемам, в которых а ¡сачеи-•ве пуансона используется эластичная среда и процесс прессования гротекаот и напраплакик толвциак изделия. Для калибрования наибольшим! првииуцвстваш обладает метод дорнования прк калибровании ¡яутренних полостей н редуцирования прк обработке наружных по-юрхностзй, обеспечивающие заданное .уплотнение вблизи обрабатива-мой поверхности и раежр детали. 3 заключении формулируются за-,ачи исследования, когорте сводятся к следующему:

1 - Разработка приближенных теоретических схом расчета оправляющих параметром процессов прессования и запрессовки одно- й ногослойнмх цилиндрических втулок из спечешшх порошков ;

2 ~ Оценка усилий запрессовки и натяга ¡три прессовании одно' многослойных втулок, разработка ишзнорнкх зависимостей для ценки технологических параметров прессования прк осевом сжатии ластичной среды ;

3 - Разработка инженерной методики расчета процесса дорнова- ' ия осесшшетричннх спеченннх заготовок при постоянной и переменой толщине по длине заготовки, при налички сдащения оси полости

многослойное™, оценка разноплотности детали после дорнования ;

4 - Експерикент&льная проверка полученных зависимостей, ценка сопротивляемости деформации спеченнмх заготовок при их астякении;

5 - Разработка технологических рекомендаций по внедрению ассмотренннх схем прессования и калибрования, путей ингенсифика1-ии этих процессов;

6 - Проведение сравнительного анализа схем, тезиико-экономи-еские оценки прессования эластичной средой и дорнованием.

Во второй главе ка основании имеющихся в открытых публикация» материалов по теоретическому исследованию прессования ц'/линдричзс-ких втулок кз порошков, в том числе с применением еластичнкх сред, делаются обоснованные допущения о возможности пренебрежения осевыми составлякшрыи скорости деформации и напряжения и на основании этих допущений строится упрощенное решение задачи в аналитической форма:

ЪЬ -0.5(1 - ),

I, - 0.5 {I * р/Г*) , уг = О/УГ ( 1 ~

-<§> . ^ (1- ) +

= - (/ + </гл,

= - 0 + 26(1 + 5^')

• Анализ построенного решения показнвает, что касательными сос тавяямцими скорости деформации & £ и напряжения можно так

же пренебречь по сравнению с соответствующими радиальннми составляющими / &г и <3""р /, что позволяет о с е с клж тричную задачу в первом приблмкении решать в одномерной постановке. Это облегчает постановку и решение более сложных задач.

■Обобщение построенного -решения ка случай биметаллических заготовок из порошков показало, что наличие слоев из разных по прес суемости материалов существенно влияет на характер распределения плотности и компонентов деформаций. Показано, что усилие распрес-■ совки существенно зависит от отношения слоев. Глава заканчиваете/ схемой расчета осадки пуансона при прессовании полиуретаном цилж др'лческих втулок. Установлено, что процесс уплотнения управляет« 6

з:,ш безразмерными параметрами

По - 2 Н К/1, л» ; % - Рн/ррЦ ; = рк /вт

рз"й из которых определяется геометрическая! параметрами, второй-;ллозн1.51:, треткГ* - параметрами оластичноЛ сродн. Расчетная зави-лость для оценки относительной величины осадки полиуретана имеет 2,:

ъ й^УО-ьр)

Глава 3 поезлгрна разработке инженерной методики расчета про-:са ка.г.'/бровк;', ¡.гетодос дориоьаккя, построенной на материалах ис-»доааши: процесса щяссозапж и пр:гяхкх допущениях.

Процесс каллброзк;: разбит на два ■ этапа - первкй соответствует )'ору технологического ьазера мевду поверхностью заготовки и нат-второй - ся:ю:у гг/оцосеу калкброаки, На первом этапе гранич-. условие на повэряюсти заготовки до ее совмещения с позерх-:ть» хатркц» ар'.ипааог'ея - 0. На втором этапе, когда обра-¡тся кадок"" контакт яоронкоьоГ; втулки с трубой, граничное ус-зие соответствует допущению о непроницаемости граница ¿г = 0. [ второго ьтапа рзавшф имеет знц:

&г - и((*я/гг)(1г;+ г2)(1?:~ ^У'у;* >

М-ЩТ'ЧР .

у = - и/г • (л' - г1 т ♦ я*) г-'аг;-^/з, («¡¡/Г1-Уз)1

** - г*+

Л - % -^г (з + ««/V )+ Д

Усилие дорнования 2л -

3 случае длинномерной тонкостенной цилиндрической заготовки, доминирующими компонентами тензора напряжений остаются радиальная и напряжение сдвига при дорновании, т.е.

6'Г , Т > , В втом случае решение имеет вцд:

•Г * а*)/г. > ег~с(х)/г -

, - функция, являющаяся решением уравнения

Результаты некоторых численных расчетов приведен« на рис.1-3. Усилие дсрновения оценивается по формуле 8

Рис.1. Распределение радиального напряжения вдоль конической поверхности инструмента при разннх углах конусности. I - р = 5°, 2 - 10, 3 - 15.

ь

06 ол 0.2

О 2 4 6 8 10 2

Рис.2. Распределение сдвигового напряжения вдоль поверхности дорна при разннх углах конусности. I - $ = 5°,2-Ю°, 3-_|3 » 15°. Исходане параметры: Л. = 0,375, &„ - 0,4, Я, = 0,075, Ям = 0,2.

У 30

20

10

О '' Я Ю

Рис.3. Изменение усилия дорнования с углом конусности.

I - дл:ма пояска постоянная, 2 - длина дорна постоянная.

9

ГА9 -(R,/Ro-i)ci§ß ; L^lJ(?.

Lx- длина цилиндрической части инструмента /пояска/ ;

¿1- длина конической части дорна.

Расчет показал, что при прочих равных условиях усилие дорпованпя

убнвает с увеличением угла дорна до 8-1С0, а затем медленно возра

тает, что объясняется воздействием касательных и нормальных сил.

Дана оценка'энергозатрат при калибровании ю-югосложных загот

вок. Для этой цели наиболее удобна форма прессуемости порошков з

виде л о п

д - в „ ■+ тр

Энергия прессования оценивается интегралом

л - - CpJv ■

где W- объем прессовки при данном значении плотности. С учетом сохранения массы порошка энергозатраты на прессование однослойной заготовки оцениваются по формуле

Р"тг г1'"

/ - I Л ч - 2 -1

+ ( i + m б„ /з / v

где 6= f?, -Во ~ толщина слоя; h - длина заготовки ; $0- начальная относительная плотность. В случае прессования многослойной заготовки общие энергозатр ты определяются выражением:

А = Z/U = 2J>Z Roi&ib miai ,

где

+ ( I + m, s;,' p"'- ]

10 7

дана оценка влияния переменной толщинн заготовки или эксцентриситета, связанного со с:.;ес;екием оси полости, на распределение плотности в зоне дорнования.

3 случае изменения ттоп^лта заготовки вдоль оси дорнования изменение плотности подчиняется зависимости:

г ■ о ) 2. , „ 2.

r0= ra / Ro ,

где а = йо / Г = I/ г/ ; 2 ие/ Го ;

- профиль образующей детали, ^ - $ / к Расчеты по казн ваш /рис. 4/, что изменение плотности вдоль полости дорнования тем больше, чем тоньше стенки заготовки.

' О OS 7.Û 2

Рис.4. Распределение плотности по длина заготовки при ^ меняющейся от 1 до 2 вдоль оси заготовки. I - Го = 0,5, 2 - 0,8, ¡J ш 0,1.

При смещении оси внутренней полости относительно оси заготовки раз-ноплотность по контуру сечения подчиняется зависимости:

Результаты некоторых расчетов представлена на рис.5,

J заключении данного раздела рассмотрена обобщенная задача цорнован"^ осесимыетричного тел& произвольной форда. Внешние контур" тела огпсчваются выражением

Я? = Pc <t>(JE) . где под Ро - мояло понимать либо минимально радиус, либо средний

II

в

2Л

.10

40 30 120 Ш 200 ¥

Рис.5. Распределение плотности в окрестности внутренней полости втулки после дорнования. I - е = 0,1, 2 - ёГ > « С,2, 3 - ё и 0,3. г в 0,5, й = 0,1.

радиус внешней границы тела вращения, ~ безр>азмерная функ

ция осевой координаты.

Решение основной системы уравнений для компонентов тензора скоростей деформаций имеет вид:

а - У- + г.

с О ( я .. ч , . ТЗ ( 1 + р! )

(Го + (* - *<>) ±4 от/г)* - Ф:

€"к " (Гс+ (г-^И^/г)2-ф* (^ Т1 )

- г[^*(|"'о)'/>

¡¿±.па I Го + Г?-го") ^СУ/2

К.

Относительная скорость радиального перемещения порошка

~ - г» + (¿"-^¿а^/г ) ф* N

Г1)\Г~ ^ )

Л

це 11 - скорость дзюкения дорна, Г0 и С* - параметры дорна, равнение поверхности которого задается в виде

г4 - К + Cz-.fr«,"> -Ьао/л ,

йьемная скорость деформации порошка

' 2 [Го +

& Ро "(Го ч- '

\в Го / Яо , £ = % { п ® •

зременнне г и 5 меняются в пределах ^ Г « ф /5" ) .

Ло « 5 « гв + дс^ ы/а.

;е Д - относительная раздача внутренней поверхности.

Расчета показали, что на распределение скоростей деформации и шряжений в прессовке при дорнованш существенно зависят от формы гешией поверхности заготовки, однако даже для относительно толсто-сенних заготовок сдвиговая составляющая тензора скоростей деформа-щ в 4 и более раза меньше радиальной.

Для случая цилиндрической заготовки основное зависимости для >ставлящйх тензора''скоростей деформаций имеют вид!

Заполнен*» многочисленнее расчетм компонентов тензора скоростей

¡формаций с применением ПЭВМ.

Глава.4 посзящена зкспэрпментальнт 'исследованиям процесса назревания спеченных заготовок дорпованнем и исследованию их на ¡стяжение с целью определения предельной иеличшн ормаций при ютяжзини. 13

о (п, 1

(г0 + Л2 ")

г^-о

3. качестве испмчуемнх образцов использовалась цилиндрические втулки из спеченного .железного порошка с добавлением граната ШГр.З-ПкГр.8, спрзсозаннчх в пресс формах при разно:.: осевом давлении равном 125,140 и 180 ¿Па. После спекания в среде диосоцииро-ванного аммиака при температуре П50°С а точзнпе 2-х часов били получена заготовки с начальной пористостью 27,22 ¡: 23 что соответствует относительной плотности 0,83, 0,73 и 0,74. Кроме того, производилось дорнозадиэ втулок из нихромозого порошка марки ПХ2СШС-1.

Для снинсния разброса данных при дорноваяии внутренняя поверхность полости после спекания подергалась расточке.

В процессе з-кспаримзнтов фиксировались усилие калибровки, величина упругого последействия и изменение размеров внутреннего диаметра. Угол конусности дорна нанялся в пределах 3-7°, Сопоставление опнтнмх и расчетных значений усилия прессования и дорновангл показало их взаимное соответствие, ошибка при этом не превышала 10-15^, доверительней интервал измерений находился в тех хе пределах.

Установлено, что при изменении конечно": пористости от 17 до ¿6 >о /что соответствует относительной плотности - 0,83-0,75/ расхождение .у.езцну кривпак, описрвиоци;.?:; ьалпс;а.:ость усилия каляброшси 'от степени деформации, не превышало для порой воз на оснс.кз железа. Значительное влияние на усилие дорновання оказывает смазка. Так разность усилий при дорнованки порошков при наличии и отсутствии смазки с пористостью IV;» можзт достигать пяти крат, при пористости'ЗОЙ расхоэдеиш составляет 1,8-2 раза. Распределение плотности по толщине заготовки после дорновачпл приобретает неравномерней характер, причем ног. £!вжж<гр кость нарастает по .:ерс увеличения. -тсл-щин>т заготовки. '1пк, при начально" пористости порядка £>% расхождение плотности мокст достигать 3 окрестности поверхности дорновэния но.чсот происходить полное закрытие пор, в то вреня как вблизи внешней поверхности плотность ;лоь:ет б"ть близкой к- гтчаяь-ной.

В пятоГ: главе приведен« дв- ноано схем-: дсрнооягш, а одно:: .из которнх поступательное д.ж.еьпе дорна сов. «врио с арацсл-ольиш, что обеспечивает с:кг.:?п:о осопого усилия, узс-лич-лню скорости дор-новакия. Зторая схе:® предстп шлет собой дориозание с гэдроподпо-рои. Если гвдроподпор ооуи,йс пуй'5тся б:;з пр именси:» х^лг.ощол.^ую-цего слоя, то при та:-о"' схеме .чсз>*оьно зовл^и,е:и:о дор:,ованпл с ка~ 14

кленком пористой детали маслом, что может быть использовано при зготовленик подаипкиноз. При введении гвдроизолируклцего слоя гзд-оподпор позволяет увеличить угод дорна.

Па рис.6 приведен" обе «хеш дорнования.

Б

Рис.б. Новые схемы дорнования: А - схема дорнования с враще-тем; В - схема дорнования с гидроподпором. 1-дорн, 2-матрица,3-загоговка,4-привод,5-эластичный слой, 6-гвдро камера.

В заключении заполнено технико-экономическое сопоставление ва-иантоз технологш изготовления деталей типа "втулка" из спеченпнх атериалов. Сошегазление показало, что механическая обработка ка-:Иброванием является экономически выгодным и целесообразным, при том'обеспечивается годовой экономический эффект в размере 7,5 тыс, >ублей в год за счет , в основном, экономии сырья и повышения ко-ффициента использования материалов.

ЗЖЩ ПО РАБОТЕ

I, .Анализ состояния вопроса прессования и калибрования цилин-рических втулок из спеченных порошковдх заготовок показал, что грсссозание, калибровка и создание прессовых соединений из длинно-гернкх тонкостенных втулок из спеченных заготовок наиболее целесообразно осуществлять эластосгатичесянми методами. Калибровку внут-юннкх полостей целесообразно выполнять методом дорнования жестким ¡кструмектом с углом конусности з пределах 8-10°.

2. Построенная научно-обоснованная -приближенная математическая модель эластостатического прессования и калибрования методом дорнования прессованных спеченнчх втулок из однослойной и многослойной заготовок позволяет'выполнить необходимые расчеты и анали; напряженно-деформированного состояния прессовки, кинематические к силозне характеристики процессов обработки заготовок давлением.

3. Установлено, что помимо осевых моано в первом приближении пренебрегать и касательными компонентами напряжений и деформаций I сравнению с радиальными, как при эластостатическом прессовании, те и при дорновании. Это обстоятельство позволяет на этапа оценок вое пользоваться одномерной схемой расчетов, что существенно упрощает расчет и уменьшает время его выполнения.

4. Расчетами установлено, что на усилие распрессовки наиболее существенно влияет конечная плотность прессовки, слабее влияет тол щша заготовки. Весьма заметно влияет на усилие распрессовки отноч ниэ слоев порошков при изготовлении многослойной прессовки.

5. Качество прессового соединения существенно зависит от веда чиньт технологического зазора между внешним диаметром спеченной заготовки и внутренним диаметром труб», от сопротивляемости спеченнс

• заготовки растяжению при выборе газора на первом этапе запрессовю Эксперимент» показали, что прочность спеченных порошковгас .материалов при растяжении значительно ниже, чем при сжатии и предельная деформация при растяжении но превышает 16-1836. Опыта проводились * тонкостенных кольцах с толщиной стенок, не превышающих 0,15-0,И рг диуса.

6. Для выполнения экспериментальных исследований разработана методика испытания кольцевых образцов на растяжение, создан стенд, методика обработки опытных данных для построения диаграммы растя-:«

' ния материала.

7. Установлено, что зависимость усилия дорнования от степени деформации спеченной заготовки носит квадратичный характер при все значениях исходной плотности. Проникновение в толщу заготовки зонь уплотнения и деформации при дорноаании происходят с запаздыванием, при этом тем большим, чем меньше величина уплотнения.

6. С ростом угла конусности дорна усилие дорнования достигает наименьшего значения при углах 8-10°, являющихся оптимальными при классической схеме дорнования. Если воспользоваться новнми схемам* дорнования, две из которых предложены в работе - дорнование с гид-

оподпором и с вращающимся дорном, то есть основания полагать, что гол конусности может быть увеличен без опасения появления призна-об рааруыёния заготовки. 1

9. Ка оазкоплотность при дорнозании существенно влияет разно-олщпшостъ заготовки по длине и эксцентричность внутренних полос-ей. Эта рэзноплотность убузает с ростом толщшн заготовки.

10. Ка основании разработанной математической модели процессов рессования и дорновачия предлокеи алгоритм оценки основных иинема-ических и знергосщювчх параметров, определяющих зубор оборудоза-кя и оснастки.

11. Сраьнительннй технико-экономический анализ показал, что амена яехшической обработки калиброванием является весьма зффек-ивной как в условиях мелкосерийного, так и тем более нрупносерий-ого производства.