автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка технологического процесса и оснастки для производства на универсальных гидропрессах крупногабаритных деталей типа "станкан" из железных порошков

На гцадах рукописи

Огаджннян Олег Инанонич

РАЗРАБОТКА.ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОСНАСТКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НА УНИВЕРСАЛЬНЫХ ГИДРОПРЕССАХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ ТИПА "СТАКАН" ИЗ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ

Специальность 05.03.05 - Процессы и наяины обработки

давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кост - 1993

Работа выполнена в Московском университете имени Н.Э.Баумана

государственном техническом

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор А.М.Дмитриев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.А.Головин

канцнцат технических наук, профессор Н.А.Шесгаков

Ведущее предприятие:

ГНШ "ТЕШГ

(ДО

Залита состоится Т99й г. в 1 { час.

на заседании диссертационного совета К 053.15.13 в Московском государственном техническом университете имени Н.Э .Баумана по адресу.- 107005, Москва. 2-я Бауманская улица, дом 5.

Ват отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.В.Баумана, -Телефон для справок: 267-09-63

Автореферат разослан " „иА-рГК 1998 :г>

Ученый секретарь совета к.т.н., доцент

И.Н.Шубин .

Подл, к лечат Сб. 98 Объем I п.л. Типография МГТУ мы. Н.Э.Баумана

Зах. -УЗ

Тир. 100 экз.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ----------------------; -

Актуальность ■ Решете задач, связанных с уменьшением материалоемкости изделий, увеличением коэффициента использования материала, повышением производительности труда, снижением энергозатрат в маиино-, автомобиле-, тракторо-, и турбостроении, электротехнической и других отраслях промышленности, осуществляется путем применения методов порошковой металлургии.

Дальнейшее развитие порошковой металлургии связано с рсира-ооткой технологии производства изделий из поронковых материалов. В представленной работе содержатся результата мсслсдовашы но разработке технологическою процесса формования крупногабаритных деталей типа "стакан" из железного порожка.

В настоящее время подобные детали изготавливают горячей объемной штамповкой с последующей обточкой на металлорежуяих станках. Однако расширение применения этого способа изготоппения подобных деталей нецелесообразно из-за большого отхода металла в стружку.

При производстве таких деталей из железнчх поронков способ холодной нтамповки из предварительно спеченной заготовки неприемлем из-за очень больяих удельных . сил, действуодах на инструмент.

Горячая штамповка (ДТП) позволяет снизить нагрузки на инструмент и получить высокоплотные изделия, однако при ото» возникает "проблема запиты заготовки,, от окисления.

В процессе холодного формования с последуюдиы спеканием, свободном от отмеченных вынз недостатков других процессов, получают детали с невысокими механическими характеристиками из-за ."элыяой остаточной пористости (12... 15%). Несмотря на традиционные представления' о наличии однозначной евл^и между силой формования и плотностью материала, практическая деятельность показывает, что увеличение первой приводит не к росту плотности, а к образованию перепрессовочных треюш • в заготовке.

Процесс холодного зюрмования со сдвигом частиц порошке друг относителыго друга позволяет получать более плотные детали, однако, для его применения необходимо создание слециализиропашюго оборудования. Поэтому этот процесс до настоятоего времени не напел широкого промысленного применения.

. ' Следовательно, разработка технологического процесса формо-. вания порошковых деталей, обеспечивающего повышение плотности пс

сравнении с деталями, изготовленными традиционней процессами, на '•укествуюде;.! универсальной оборудовании является новой актуальной задачей.

Работа выполнялась в Соответствии с грантом на 1996-97 г.г. );о проблеме "Машиностроение".

Поль и задачи работы. Целы) работы является разработка технологического процесса и осналжи, обеспечивающих необходимое качесию ( равномерн; по объему заданная плотность) при произвол.-.тве деталей типа "Стакан" относительно крупных размеров (о более 100 ми) из железного порошка на универсальных гидропрессах , разработка негодик определения сил, формования и выбора обо-руповалия.

.В соответствуй с поставленной целью работы били решены следу юлие задами.

I. Разработать способ изготовления. деталей из железного пороше?, обеспечивающий при холодной формовании в закрытых матрицах среднюю плотность не ниже 92% от плотности компактных деталей.

?. Разработать методику определена, сил деформирования и выбора оборудования для осунествления процесса.

3. Разработать схему формования и конструкции штампа.

4. Разработать устройство для создания дополнительного давления на дно формуемого стакана.

Отработать в лаборатории и опробовать в промышленных условиях предлагаемый технологический процесс и штамп для его осунествления.

Научная новизна работ состоит в перечисленном ниже.

Разработана научно - обоснованная методика расчета деформирующих сил, при которых обеспечивается заданная плотность, для схемы формования с активными силами трения. Определено соотиоие-ние сил формования порошковой заготовки, которые необходимо приложить к ее торцам и к принудительно переметаемой матрице, с целью повышения плотности заготовки.

Автор занижает:

- способ изготовления на универсальном оборудовании деталей типа "Стакан" относительно крупных размеров, обеспечивавший благодаря формованию с применением активных сил контактного гре .ля достаточно равномерное распределение плотности,, величина которой

г-

не менее 92« от "плотности компактного" материала",

- методику расчета сил формования и выбора оборудования ;ш>> осудесгвления разработанного технологического процесса.

- конструкцию штампа, позволяющего осуществить иреллагаеинк технологический процесс.

Достоверность результатов. получешшх в холе теоретически* исследований, подтверждается удовлетворительна' сяшадени'-!.' результатов, полученных на основе экспериментальных исследований и .пассчитанннх по теоретическим зависимостям. Достоверность результатов, полученных в холе экслермыелт&лышл обеспечивается применением приборов, позволяющих достаточно точно фиксировать силу на любом этапе формования.

. Практическая ценность.

Разработанный технологический процесс позволяет изготавливать детали типа "Стакан" относительно крупных размеров из железного порожка на универсальной оборудовании методом телопиого Формования с последующим спеканием. Предложенная методика ощ».-.-деления- сил позволяет осуществить 1 " и- г кии и ,,,

оборудования а сконструировать темп. Ре^ультап; ......ш-., ччн» »1

не пользована при разработке технологического щюцссся , .¡.I щк.«.»-пленного прокгвокства и проведении пгашювхи он'л . л трь-.н •:<-■ талеп.

Апробаю;« работ». Основные материалы ш-сир;, •;« . £оло:гены на научных сакчшарах кааелри_МТ-6 МГТУ им. и.*-*."^«уипь•». но Рсероссавсгоз научно-технической коиференшш "ЮСК^и- ; <д-днп рождения доктора технических наук Ы.Вг.Ыооки-.. 1996 г.), международной научно-технической конференции "КЮ лет росоиЧ соку автомобилю" (г.Москг.а, 1996 г.).

Публикации. По мзтериэл&м диссертации опубнико» ,ы л-'-¡¡л -10:2 работы..

.' Структура и обьем работы. Диссертация изложена на I13 страницах маишописного текста, состоит из введения, пяти Т'дав, обтгих выводов, списка • литературы и приложения, содержит >{','

рисунков, 16 таблиц, список литература из 07 каииенокшии

- г ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РлШТН

Во введении обоснована актуальность работы, сОДмулярго-'Ш! ее цель, научная новизна, практическая значимость и 1мл м лил, выносимые на защиту.

Б первой главе приводится обзор современного состояния й

рубежом. Рассматриваются преимущества и недостатки различных способов формования, возможность их использования для изготовления деталей рассматриваемого типа. Приводятся результаты исследований, полученные М.Ю.Балышшм, Г.М.Ждановичем. С.С.Кипарисовым, Г.А.Меерсоном. В.Е.Перельманом, И.Д.Радомысельским, А.Г.Овчинниковым. А.М.Дмит1 левым, М.В.Широковым, М.А.Антожиныы и другими учеными, из которых следует, что процесс холодного формования с использованием сил трёния, способствующих инициированию интенсивных сдвигов в формуемом теле, . позволяет изготавливать высокоплотные детали с хорошими механическими характеристиками. Однако, для его щ менения необходимо создание специального оборудования. Имеющиеся специализированные прессы не позволяют изготавливать крупногабаритные детали из-за малых высот штампового пространства и величин ходов ползуна.

В конце главы сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе разработана методика определения силы формования, которая позволяет учесть долю сил трения в процессе формования и произвести выбор оборудования. Так как максимальная сила требуется на этапе пластического течения,' когда уплотнение порошкового тела завершено и его объем изменяется незначительно, расчет силовых параметров производится для этого этапа формования. Процесс деформирования считали осескынетричным.

Очаг пластической деформации схематизировали областью, ограниченной дугами окружностей, как показано на рис. I.Следуя рекомендациям Б.С.Азаренко, В.П.Бирюкова поле скоростей в очаге пластической деформации считали центральным по направлению к полюсу 0. При этом абсолютные значения скоростей материальных частиц на равном удалении от полиса в =conat полагали одинаковыми. Тогда расход металла через торовую поверхность R = const определяется как произведение абсолютного значения скорости v на гакжадь этой поверхности. Указанную площадь определяли как для поверхности, полученной вращением кривой с(г) вокруг оси z .(рис.1). Функцкю p(z) можно записать в виде уравнения окружнос-

перспектив развития порошковой металлургии в нашей стране и за

(I)

Площадь поверхности врадения определили в виде:

8 = 2« | р V . . | - 1* (2)

Используя р, выраженное из уравнения (I), получили выражение для производной ар/аа :

с1р z

_; (3)

йь

Л2-7

В - 7."

Преобразовали подингегральное выражение (2) с учетом (3):

; + /к2. г2 | /

1 +

*2

_ 2

Л

2 _2

+ 1

И - г г Н - г

Проинтегрировав выражение (2) с учетом (4), получили :

Б = [ гр + Л ( 1 - созр) | (5)

Условие постоянства расхода металла:

уБ = (К^ - г2). (б)

Отсюда абсолютное значение скорости: * ( я\ - г2)

Б

Мощность пластической деформации определяли,' принимая модель идеальножесткопластического тела. Ее находили, в виде интеграла:

И = "в ] ' (7)

V ,

где - интенсивность скоростей деформаций, V - обьем очага пластической деформации. .

Интенсивность скоростей деформаций находили через ее компоненты в цилиндрической системе координат р, 'г: 6 '

г

'i " где

£ : P

'A

9 9 9

- E (E -E l^+fE -E —У

p 2 2 UZ

Op

iv

<>z

<5v

—5 +—p. ар о s

(8)

(9)

Сечение очага пластической деформации было разбтя на совокупность конечных, но достаточно малых площадей (ячеек), двумя семействами линий: дугами радиусом !»-сопаг и лучший, тфл-векешшми из полюса и делящими рассматриваемое сечение в зоне величины угла р, как это показано на рис.2.

При этом, в соответствующем объеме, каждая ячейка представляет собой кольцо с радиальным сечением в виде четырехугольника. Вершины его обозначили 1,2,3,4 , пронумеровав их против часовой стрелки для принятой системы координат р,и.

Интегрирования (7) осуществляли численно путем суммирования в малых объемах ду :

М N

(iv -- £ £

j=l k=1

(ElAV)j,k .

( In;

Частные производные от проекции вектора скорости u пениях (9) определили, полагая их постоянными в пределах каж го конечного рбъема воспользовавшись выражениями произвом.'шх Функции F(x,y) через значения функции в узлах:

1

2А

<»f <'х

•П- . 1

Эу 2А

F2-F4

f -f ■2 4

FrTFl

F3"F1

где а - площадь четырехугольника 1,2.3,4.

В нашем случае произвели замену координат х,у на г,с, а нн^ч-функции ¥ подставили V .V .

* р а

' Модность, расходуемую на сдвиг на границах очага пласплоской деформации, определим в виде следующего интеграла:

4

о

Рис. 2. Сх. ла.разбиения очага пластической

деформации на конечные площади (ячейки)

1,2 - поверхности трения в очаге пластической деформации; З.А - поверхности трения в жестких зонах 8

«сдв = I «V, ds , . (12)

s

где avt- разрыв скорости вдоль границы очага пластической деформации с жесткими зонами. При этом полагали, что ь направлении, перпендикулярном границе, разрыв.скорости отсутствует.

• Выие мы приняли допущение о полярном характере течения металла в очаге пластической деформации. В жестких зонах имеет место перемещение металла с одинаковой скорость», параллельной оси г. Поэтому считали, что разрыв скорости на границе очага пластической деформации равен проекции вектора скорости на ось

• V - V = V sin Ф , f

где ч> - текущий угол, меняющийся от 0 до р С рис.3). Тогда:

WCHB - j^z f V 5in v dS = jb v E 1 sin 9j+1/2 *SJ + 1/2#(I3) r 3 g r J j= X

■Площадь поверхности, образованной вращением - отрезка j+i/2 вокруг оси z , находили аналогично формуле (5), изменив лишь пределы интегрирования.

Определили мощность, расходуемую на трение формуемой заготовки об оснастку. Она состоит из мощности трения по границам очага пластической дефоомации .и жестких зон (рис.3). Касательные напряжения, возникающие от действия сил трения полагали пропорциональными а . Модность трения в очаге пластической 'деформации можно представить в виде мощностей, расходуемых на преодоление сил трения ло конической и цилиндрической поверхностям . Для каждой из поверхностей были выведены формулы Для подсчета компоненты мощности сил трения, входящих в выражение :

v -- ívdsk .. ш)

А ■ -

где и - коэффициент трения; оз 7 сопротивление деформированию; v - скорость перемещения частот загс.овки относительно поверхности матрицы; s„ - площадь поверхности контакта.

Л

.. • г _ - • • 9

' На основании вышеизложенных теоретических выкладок была состален алгоритм определения деформирующей силы по заданным размерам детали. Расчеты выполнялись на 1вм рс 386. По результатам расчетов были получены теоретические зависимости силы формования от коэффициента трения, высоты и толщины стенки детали.Установлено, что сила формования увеличивается при увеличении коэффициента трения, высоты стенки над конусом и при уменьшении : олщины стенки детали.

В третьей главе разработана конструкция опытного штампа, обеспечивающая движение формообразующих инструментов, которое позволяет прилагать нормальные и сдвигающие слои заготовки напряжения на универсальном оборудовании. Универсальное оборудование имеет два привода: ползуна и'выталкивателя, применительно к нему штамповал оснастка показана на рис.А. Штамп состоит из пуансона верхнего I, обжимной матрицы '2, плавающей матрицы 3. набора ю. них пуансонов -втулок 4, иглы 5, обоймы обжимной матрицы 9, обоймы плавающей матрицы 10, системы рычагов (на шарнирах) II, технологических прокладок 12. Позиции 6, 7. 8 (рис.4) обозначают соответственно плиту ползуна, стол.и шток цилиндра выталкивателя пресса.

Обжимная матрица 2 запрессована в обойму 9 и имеет- перепад радиального размера у нижнею торца (угол конусности 20°, высота конического участка 20 мм); Плавающая матрицы 3, внутренняя цилиндрическая полость которой имеет диаметр равный диаметру нижнего торца обжимной матрицы, запрессована в обойму 10. Наружный диаметр пуансонов - втулок 4 должен по посадке с зазором соответствовать внутреннему диаметру плавающей матрицы 3. Рабочие поверхности обжимной матрицы 2, пуансона I и одного пуансона -втулки 4 должны быть полированы.

Даны рекомендации по сборке штампа на прессе, обеспечению контроля в процессе формования и извлечению готового изделия из штампа, являющиеся результатом накопленного опыта работы со штампом и обеспечивающие изготовление изделий . требуемого качества.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований.

Основной задачей исследования операции холодного формования деталей типа "Стакан" являлось определение рациональной, схемы 10

а) . 0)

Рис.4 Схема птамга: а - начало формования; б - окончание Формования

приложения сил и перемещении инструмента при изготовлении деталей с разномерно распределенной по высоте плотностью, величина которой в стенке детали составляет 90% и более от теоретической плотности компактного материала.

Вначале, во избежание ввода в процесс формования дополнительных устройств для обеспечения противодавления при формовании детали, было решено опробовать схему с использованием имеюшихгт а прессе приводов (ползуна и выталкивателя). Проведенный дробный факторный эксперимент, в котором варьировали 5 факторами на 2-х уровнях: х^- марка формуемого порошка, х2-'сила на первом этапе формования, мн, х3- сила на втором этапе формования, р2, МН, х4~ содержание стеарата цинка в шихте, % , х&- содержание меди в шихте. % , позволил получить модель зависимости качества изделия от варьируемых параметров:

У = 11,43 + Х1 - 3,37 х2 - 9,14 х3 + 2,69 Х2 Х3 (15) Эксперименты показали, что у всех полученных деталей были-расслойные трещины, имеющие окружное направление. Анализируя поэтапно схему деформирования, пришли к заключению, что расслойные трещины появлялись на втором этапе формования, когда предварительно сформованная силой рх заготовка, подвергалась оконча,-тельнону формованию обжимной матрицей 2. В это время происходит истечение материала из кармана плавающей матрицы 3 в кольцо между обжимкой матрицей 2 и иглой 5. Ввиду того, что в этот момент сила Рг -о, истечение материала в указанную кольцевую щель, сопровождаемое интенсивным сдвигом частиц порошка, приводило к разрушению заготовки. Тем самым была обоснована необходимость внедрения в схему формования дополнительного устройства, обеспечивающего противодавление на дно формуемого стакана (рис.5).

Поэтапная схема процесса формования с противодавлением на дно детали представлена на рис.6.

Экспериментальная отработка вышеуказанной схемы процесса подтвердила возможность изготавления крупногабаритных и высокоплотных деталей типа "стакан" из железного порошка на . универсальных гидропрессах. Построена математическая модель, позволяющая по заданным значениям величин сил на этапах формования рассчитывать плотность изготавливаемой детали. Модель имеет вид:

у = 6,28 - 0,0025 x, "<"'0,8 x, + 0,01 x. - 0,04 x; +■ 1 3 4 5

+0,4 Х2Х3 . (16)

Рис.5. Гидросхема устройства обеспечения'противодавления на дно стакана: I - фильтр; 2 - насос; 3 - обратный клапан: 4 - предохранительный клапан; 5 - нанометр; 6 - гидроцилиндр

а)

б)

Рис.6. Этапы формования: а - формование в закрытой матрице; б - выдавливание с использованием активных сил контактного трения

\

Аналогично предыдущему эксперименту варьировали 5 факторами на 2-х уровнях. Независимыми факторами являлись: хх - марка формуемого порошка, х2 - сила на нервом этапе формования, р, МН, х3 - сила противодавления на втором этапе формования, рп, МН, х4 -содержание стеарата цинка в шихте, % ,х5 - содержание меди, % .

Анализ данной модели показал, что в рассмотренном диапазоне изменения факторов влиянием содержания в шихте смазки и легиру.. -цей железный порошок добавки на плотность деталей можно пренебречь, а наилучкее качество было получено пру. следуших значениях факторов: сила 'на первом'этапе формования - 5МН. сила противодавления на втором -этапе формования - O.öMH.

Проведенные эксперименты по изготовлению высоких деталей типа'"стакан" (Н - 140 мм), подтвердили универсальность разработанной схемы процесса.

При формовании предложенным способом неравномерность распределения плотности по высоте стенки детали .составляет не более 9% (рис.7).

6V7V ftfg

Рис.7. Распределение плотности по высоте стенки детали

Сравнение теоретических результатов с проведенными экспериментальными исследованиями показывает их удовлетворительную схо-14 . ■

дииость по деформирующей"силе "(в~пределах~15Ж)у-что погггвеэтдает ~ возможность применения предложенной теоретической методики для анализа рассматриваемых операций.

Е_п312Я_глэве разработан промышленный технологический процесс изготовления деталей "Отек" и "Каркас", в результате которого повиваются механические характеристики вышеуказанных деталей, а для детали "Каркас" производственный цикл сокращается на две операции. Рассчитанный экономический эффект составляет 15227 руб. ? год за счет снижения затрат на электроэнергию, заработную плату, »иортизячионные- отчисления и затрат на содсгжгда и попоит оборудования.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ

' I. Разработанный способ изготовления на универсальном оборудовании качественных крупногабаритных деталей типа "Стакан" из железного порожка позволяет обеспечить достаточно большую (92.4% от плотности компактного материала) и равномерно распределенную по высоте стенки плотность деталей.

2. Конструкция разработанного и изготовленного штампа к ункь<?рсальиону гидропрессу обеспечивает интенсивные сдьиги в материале при формовании, что позволяет значительно повысить . плотность изделия.

3, Выявлена необходимость обеспечения противодавления ' на дно детали в окончательной стадии формования,. величина которого составляет 0.1...0.2 от оО«ей силы формования детали. Для обеспечения противодавления с такой силой разработано специальное приспособление к ушверсальночу оборудованию.

• Ч. Разработанная методика определения деформирующей силы я составленная программа, позволяют при вводе размеров изделия рассчитать вегагчкну деформирующей силы, оценить дол» сил трения в'процессе формования и произвести выбор оборудования.

5. Проведенный теоретический анализ влияния изменения различных факторов (коэффициента трения, высоты' и толщины стенки детали) на силу формования позволил установить, что последняя увеличивается при увеличении коэффициента трения, высоты стенхи над конусом и при уменьшении толщины стенки детали.

6. Полученная на основе экс* эркментальных исследований с использованием теории планирования эксперимента математическая модель, позволила рассчитывать'плотность,изделия при ' различных

значениях сил на этапах формования. Установлено, что при итаи- ■ повке на прессе силой 5 МН стакана с наружнщ диаметром 106 мм, внутренним диаметром 72 мы и высотой 100 мм из порошка марки ПЖРВ 3. 200.28 можно обеспечить среднюю-плотность 7,24 кг/м5, а при высоте стакана 140 мм - среднюю плотность 6,8 кг/м'.

7. Установлено, что на качество изделия значительно влияет марка поровков, а влиянием смазки и легируюжеи добавки в рассь.-тренних диапозовах их варьирования можно пренебречь.

8. В результате опробовав технологического процесса формования изделий в лабораторных условиях на универсальном гидропрессе К 03С32 силой 5 МН изготовлена опытная партия деталей.

- 9. Применение разработанного метода уплотнения пороика и конструкции штампа позволили изготовить формованием за один переход заготовки деталей "Отек" и "Каркас",' обладающие заданной плотностью. Операция формования по разработанной схеме была включена в технологический процесс производства указанных деталей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Огаджанян О.И. Определение удельных сил формования деталей типа "Стакан" из железных порояхов // Изв. вузов. Машиностроение.- 1995.- №10-12.- GЛ12-П5.

2. Дмитриев A.M., Огаджанян О.И. Формование высокоплотных полых цилиндрических деталей из железного порошка на универсальных гидропрессах // Исследования в области теории, технологии и оборудование штамповочного производства. - Тула, 1996. - С. 102 -106.

3. Огаджанян О.И. Формование полых цилиндрических деталей из железного пороика на универсальных гидропрессах // Технологические процессы v. оборудование куснечно-лтамповочного производства: Матер. Всерос. науч.- техн. конф. "ЮО-летие со дня роли д-ра техн. наук М.В.Сторожева".- И., 19у6.- С.93-96.

4. Дмитриев A.M., Огаджанян О.И., Герасимов В.В. Применение активных сил трения в операциях холодного выдавливания цилиндрических деталей // 100 лет'российскому'автомобилю. Промышленность и акола: Тез.докл. Междунар. науч.-техн. конф,- М.. 1996.- С.34. 16 ■