автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Развитие теории и ресурсосберегаюших технологий изготовления крепежных изделий на высокопроизводительном автоматическом оборудовании

^ д? .... .... .X

г ч У /■....с' .¿&аь

* - * / ^

£ оО.М.ЬЯЪЯ-З&С^оУ

МАГНИТОГОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ им. Г.И.НОСОВА

' Ъ 9(

ЖЕЛЕЗКОВ Олег Сергеевич

И

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОМ АВТОМАТИЧЕСКОМ

ОБОРУДОВАНИИ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор В.Г.Паршин

Магнитогорск -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ............................................ 5

1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

И ПРИМЕНЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................. 8

1.1. Прогрессивные виды крепежных изделий............... 8

1.2. Тенденции совершенствования технологических процессов изготовления крепежа...................... 18

1.3. Основные направления совершенствования оборудования для изготовления крепежных изделий.................. 40

1.4. Задачи исследования................................ 55

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ШТАМПОВКИ

КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ.............................. 57

2.1. Скорость деформации и ее влияние на сопротивление деформации в высокопроизводительых процессах изготовления крепежа............................... 57

2.2. Теоретические основы определения деформированного состояния и энергосиловых параметров процессов штамповки крепежных изделий на базе вариационного метода в дискретной постановке...................... 89

2.3. Модель влияния конструктивно-технологических параметров на точность штампуемых изделий.......... 93

2.4. Модель изменения прочностных свойств при холодной штамповке стержневых крепежных изделий............ 101

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ШТАМПОВКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ............................ 112

3.1. Расчет энергосиловых параметров при безотходной

штамповке многогранных изделий.................... 112

3.2. Определение энергосиловых параметров при радиальной штамповке многогранных изделий.................... 126

3.3. Расчет энергосиловых параметров при полузакрытой высадке головок стержневых изделий ................. 134

3.4. Энергосиловые параметры процесса горячей штамповки головок клеммных болтов............................ 141

3.5. Прогнозирование точностных параметров при изготовлении крепежа на роторном оборудовании

и высадочно-прокатных машинах................... 148

3.6. Прогнозирование прочностных свойств холодно-высаженных стержневых изделий................... 155

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСАДКИ ПРОКАТКОЙ НА ОСНОВЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.......... 161

4.1. Исследование кинематики процесса высадки прокаткой .. 161

4.2. Энергосиловые параметры процесса холодной высадки прокаткой головок круглого поперечного сечения....... 172

4.3. Расчет энергосиловых параметров процесса горячей

высадки прокаткой головок прямоугольного сечения .... 186

4.4. Экспериментальные исследования процесса высадки прокаткой ......................................... 193

4.5. Совершенствование процесса высадки прокаткой....... 199

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ .............................214

5.1. Применение новых эффективных марок стали при изготовлении крепежа повышенной прочности.......... 214

5.2. Повышение прочности болтов за счет деформационного упрочнения......................................... 241

5.3. Разработка технологии изготовления болтов повышенной

прочности из термоупрочненного металла.............. 252

5.4. Повышение прочности болтов путем термоупрочнения с

использованием нагрева ТВЧ......................... 259

6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАЛООТХОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЮЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БОЛТОВ.... 268

6.1. Безоблойная и малоотходная технологии штамповки многогранных головок болтов........................ 268

6.2. Радиальная штамповка многогранных головок болтов... 284

6.3. Разработка технологии изготовления болтов облегченной конструкции........................................ 289

6.4. Совершенствование технологических процессов штамповки

головок овального и прямоугольного поперечных сечений 297 7. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЮЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖА ДЛЯ СОЗДАНИЯ РОТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ............... 310

7.1. Разработка комплексных технологий и выдача исходных данных для проектирования роторного оборудования ... 310

7.2. Совершенствование технологии и конструкции роторной линии модели ЛШГ-8................................ 324

7.3. Экономическая эффективность создания и внедрения роторного оборудования для изготовления крепежа_____ 330

ВЫВОДЫ ............................................ 349

ЛИТЕРАТУРА...................................... 354

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................... 374

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции, экономии материальных и трудовых ресурсов приобретают в настоящее время особое значение в связи с переходом экономики на рыночные отношения и необходимостью использовать интенсивные методы развития.

Крепежные изделия в количественном выражении являются наиболее массовыми деталями, применяемыми в различных отраслях промышленности. На их изготовление в конце 80 годов расходовалось до 1% выплавляемой в стране стали и значительные трудовые ресурсы. Однако потребность в крепежных изделиях, особенно в крепеже прогрессивной конструкции, удовлетворялась неполностью.

Основные направления повышения эффективности производства и применения крепежных изделий:

- освоение новых видов и расширение выпуска крепежных изделий прогрессивной конструкции ( крепеж повышенной прочности и коррозионной стойкости, облегченной конструкции, самостопорящиеся изделия, самосверлящие и резьбоформирующие винты, быстроустанавливаемый крепеж и др.);

- совершенствование технологических процессов изготовления крепежа (роторные технологии, высадка прокаткой, малоотходная и безоб-лойная штамповка, радиальная штамповка элементов в виде многогранников, закалка крепежа с использованием нагрева ТВЧ, механические и диффузионные способы нанесения покрытий и т.п.);

- совершенствование существующего и создание нового оборудования для изготовления крепежных изделий (кузнечно-прессовые автоматы новых поколений, автоматические роторные и роторно-конвейерные линии, высадочно-прокатные машины и т.п.).

Массовое производство крепежных изделий как в нашей стране, так

и за рубежом осуществляется с использованием кузнечно-прессовых автоматов (КПА) прерывистого действия, у которых выполнение технологических операций штамповки чередуется с транспортированием заготовок и полуфабрикатов. Традиционные КПА» достигнув быстроходности порядка 400-600 ходов в минуту, практически исчерпали резервы дальнейшего повышения производительности.

Существенно повысить производительность процессов изготовления крепежных изделий возможно за счет применения принципиально новых технических решений, в частности, за счет создания и внедрения роторных технологий и роторного оборудования.

Роторные машины, у которых выполнение технологических операций осуществляется в процессе непрерывного транспортирования заготовок и полуфабрикатов, по сравнению с традиционными КПА обладают более высокой производительностью (в 3-4 раз и более) и расширенными технологическими возможностями, так как обеспечивают применение различных по характеру операций (штамповка, резание, термообработка, сборка, контроль и др.) и специальных методов ОМД (радиальная штамповка, осадка с кручением, сферодвижная штамповка и др.).

Таким образом, расширение выпуска крепежа прогрессивной конструкции, разработка высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий, создание новых поколений КПА и роторного оборудования являются главными направлениями решения актуальной проблемы повышения эффективности производства крепежных изделий. Для решения этих проблем необходимо проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, создание научно обоснованных методов и методик расчетов технологических процессов с учетом специфики и особенностей штампуемых металлов и применяемого оборудования.

Основные этапы работы выполнялись в соответствии с Распоряжениями Совета Министров СССР № 2254р от 15.11.84 г. "О развитии производства высокопрочных крепежных изделий" и № 538 от 08.05.86 г.

"О мерах по обеспечению внедрения автоматических роторных и ротор-но-конвейерных линий в отрасли народного хозяйства в 1986-1990 гг. и на период до 2000 года' , а также в соответствии с координационными планами Департамента металлургии и концерна "Промметиз".

Цель работы состоит в совершенствовании теоретических и технологических основ создания высокопроизводительных ресурсосберегающих процессов изготовления крепежных изделий, в том числе с использованием роторного оборудования, а также в решении на этой основе важной народнохозяйственной проблемы повышения эффективности производства крепежа.

Основными научными результатами, полученными впервые, являются:

- выявленные закономерности изменения скорости деформации в процессах штамповки крепежных изделий на КПА, роторном оборудовании и высадочно-прокатных машинах;

- установленные закономерности изменения сопротивления деформации металлов, применяемых при холодной штамповке крепежа, в зависимости от скорости деформации;

- усовершенствованная методика расчета энергосиловых параметров процессов штамповки крепежных изделий на базе вариационного метода в дискретной постановке;

- установленные закономерности механики процесса формирования головок стержневых изделий высадкой прокаткой;

- разработанные методики прогнозирования прочностных свойств и точности штампуемых крепежных изделий;

- новые технические решения, направленные на повышение эффективности производства крепежных изделий.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались при разработке и совершенствовании высокопроизводительных ресурсосберегающих технологий, а также при создании роторного оборудования и высадочно- прокатных машин.

1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ . ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Прогрессивные виды крепежных изделий Крепеж прогрессивной конструкции - это изделия, обладающие высокой надежностью, расширенными функциональными и эксплуатационными свойствами, применение которых обеспечивает снижение материальных и трудовых затрат при изготовлении, монтаже и эксплуата-ции[1,2,3*4,5]. К изделиям прогрессивной конструкции относят крепеж повышенной прочности и коррозионной стойкости, самостопорящиеся изделия, самосверлящий и резьбоформирующий крепеж, а также крепеж быстроустанавливаемый.

Крепежные изделия повышенной прочности и коррозионной стойкости Надежность работы резьбового соединения в значительной степени зависит от усилия затяжки при сборке и сохранения этого усилия в процессе эксплуатации [6,7]. Применение крепежа повышенной прочности позволяет увеличить усилие затяжки. При этом уменьшается количество устанавливаемых изделий или уменьшается их диаметр, снижается металлоемкость машин и сооружений, уменьшаются трудозатраты при сборке и эксплуатации. Например, увеличение временного сопротивления аь болтов с 400...500 Н/'мм2 (класс прочности 4.8, 5.8) до 800...1000Н/мм2 (класс прочности 8.8, 10.9) позволяет экономить 400.«.500 кг металла на I тн изделий. Высокие усилия затяжки крепежа повышенной прочности предотвращают самоотвинчивание, исключая тем самым применение дополнительных стопорящих элементов и периодическую подзатяжку в процессе эксплуатации.

За рубежом крепежные изделия повышенной прочности (класс прочности 8 - 8.8 и выше) составляют 90...95% от общего объема произ-

водства, в то время как в странах СНГ доля крепежа повышенной прочности составляет 10% от общего выпуска. Поэтому расширение производства и применения крепежных изделий повышенной прочности является актуальной проблемой отечественной промышленности. На решение этой проблемы было направлено распоряжение СМ СССР № 2254р от 15.11.1984 г. "О развитии производства высокопрочных крепежных изделий", которое, к сожалению, во многом оказалось не выполненным.

Основные направления повышения прочности крепежных изделий связаны [8, 9]:

- с поиском новых эффективных марок стали, которые хорошо штампуются, а изделия после термообработки обладают требуемым уровнем механических свойств;

- с использованием термоупрочненного металла при холодной штамповке без последующей термообработки изделий;

- с применением термомеханической обработки заготовки в процессе ее горячей штамповки;

- с использованием деформационного упрочнения при холодной штамповке изделий без последующей их термообработки.

За рубежом широкое применение при изготовлении крепежа повышенной прочности находят боросодержащие стали [10,И,12]. Тенденция к расширению применения боросодержащих сталей наметилась и в нашей стране [13,14,15]. Боросодержащие стали типа 12Г1Р, 20Г2Р, 30Г2Р по сравнению с хромистыми (35Х, 38ХА, 40X) обладают меньшим сопротивлением деформации при холодной штамповке, что обеспечивает хорошую штампуемость и повышение стойкости высадочного инструмента. Боросодержащие стали хорошо прокаливаются при охлаждении как в воде или водяных растворах, так и в масле, а крепежные изделия из них после термической обработки обладают прочностными свойствами на уровне крепежа из хромистых сталей при более высоких показателях пластичности и ударной вязкости. Многочисленные испытания показы-

ваюг, что крепежные изделия из боросодержащих сталей по механическим свойствам соответствуют требованиям ГОСТ 1759-70 для классов прочности 8.8... 10.9 (болты) и 8... 10 (гайки).

Проблема повышения прочности высокопрочных болтов для монтажа стальных строительных конструкций неразрывно связана с предотвращением явления замедленного хрупкого разрушения (ЗХР) [16,17,18,19].

Научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (Япония) исследованы причины разрушения высокопрочных болтов, используемых в мостах [16]. На основании проведенных исследований и анализа большего статистического материала (обобщен опыт изучения ЗХР высокопрочных болтов за 15 лет) установлено, что замедленное хрупкое разрушение вызывается водородом, образующимся в результате коррозии в присутствии воды. Склонность болтов к замедленному разрушению повышается при повышении твердости их поверхностного слоя, а также в случае межзеренной сегрегации фосфора. Для предотвращения ЗХР предложено проводить термообработку болтов в печах с защитной атмосферой, использовать для изготовления высокопрочных изделий стали высокой чистоты с минимальным содержанием водорода, фосфора и серы, повышать температуру отпуска болтов до максимально допустимого уровня. Применение сталей с высоким содержанием углерода для изготовления высокопрочных болтов признано нежелательным.

Научно-исследовательским институтом метизной промышленности (НИИметиз, г.Магнитогорск) совместно с Магнитогорским метизно-металлургическим заводом (МММЗ) проведены исследования причин задержанного хрупкого разрушения высокопрочных болтов из стали 40Х"Селект" для строительных металлоконструкций [19]. На основании анализа информационных материалов и проведенных исследований установлены основные факторы, влияющие на сопротивление болтов ЗХР: свойства металла (химсостав, структура), технология изготовления (способы штамповки и формирования резьбы, режимы термообработки), уровень механических свойств и условия эксплуатации (атмосфера,

усилия затяжки» качество монтажа). По результатам исследований разработаны рекомендации но повышению качества высокопрочных болтов из стали 40Х "Селект", с целью исключения замедленного хрупкого разрушения. В частности, откорректированы режимы термической обработки высокопрочных болтов. Для повышения качества резьбы рекомендовано использовать шлифование резьбонакатных плашек, организованы поплавочный контроль и переработка сталей для изготовления высокопрочных болтов, разработана методика определения вероятности разрушения болтов при эксплуатации.

В Японии разработана высокопрочная сталь для крепежа высокой прочности [20], которая содержит 0,25...0,40% С; 0,1...1.5% Si; 0,3... 1,5% Мп; 2...4% Cr, 0,3...0,7% Mo; 0,05...0,15% V. Болты из этой стали обладают crh = 1270... 1470 Н/ мм2. Наличие ванадия и ограниченное содержание серы обеспечивают повышенное сопротивление замедленному хрупкому разрушению.

В нашей стране разработана сложнолегированная сталь 20Х2НМТРБ [21] для изготовления высокопрочных болтов с временным сопротивлением 1350... 1550 Н/мм2 .Болты из этой марки стали предназначены для монтажа строительных конструкций, работающих в агрессивных средах и при низкой температуре. Исследования, проведенные в НИИметизе, показали, что по комплексу механических свойств болты из ста