автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Регулирование неравномерности упрочнения металла при холодной штамповке стержневых изделий и повышение их качества

Р Г Б ОА

2 2 МАЙ 1395

На- правах рувоциоч

ГЕРАСИМОВ Усилий Яковлевич

уж 621,735.32: 539,374.4

РЕГУЛИРОВАНИЕ неравномерности упрочнения МЕТАЛЛА при ХОЛОДНОЙ шта1.ш0вкв стершевых

изделий и повышение их качества

Слециальиость 05.16.05 -Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ ;

Г

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук .

Магнитогорск 1595

Работа выполнена в Курганском машиностроительном институте

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

Овчинников А.Г..

доктор технических наук, профессор Барков Л.А.

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РСФСР Поляков М.Г.

Ведущее предприятие - АО "Магнитогорский кзлибровочный завод"

^Защита состоится " ^ " 1995

часов на заседании диссертационного с

г.

в ±12 часов на заседании диссертационного совета , '

Д 0S3.04.0I в Магнитогорской государственной сгооно-метаялургкчес-кой академии иы.Г.И.Носова по адресу :

455000, г.Магнитогорск, прЛенина,38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГМА. Автореферат разослан " /{ " ЛД 1995 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кзня.техн.наук, доцент --

Селиванов В.Н.

/г

ОБЩАЯ. Ш'АКТЕШСТИКД. РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Технологические процессы объемной холодной штамповки стеркневых изделии наиболее полно удовлетворяют требованиям безотходной и малоотходной технологии и их широкое применение в специализированном метизном, а также машностроя- • тельном производстве является важной и актуальной задачей.

Учитывая обширную номенклатуру стер&невшс ыапшнострои- .. тельных изделий (порядка тысяч, в том числе 8 тысяч типоразмеров стандартных крепенных изделии), большой объем их выпуска, использование в основном низко- и среднеуглеродистых сталей, не обеспечивавших высокие механические характеристики изделий,. становится понятной актуальность совершенствования технологических процессов их изготовления.

В большинстве публикации в области холодной высадки и штамповки стерксневых изделий нет однозначных рекомендаций, недостаточно учитывается история деформирования металла и неоднородность механических свойств на всех технологических операциях. Поэтому создание на базе ксшийженых исследований надегсних, обоснованных методов оценки деформационного упрочнения металла, разработка рекомендаций по направленному и регулируемому упроч- . нению, повышении качества и прочностных характеристик изделий представляет одно из главных направлений совершенствования технологии производства машиностроительной продукции, где стержневые изделия составляют большой удельный вес.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение механических и эксплуатационных характеристик стержневых изделий и их качества на осно^ ве регулирования неравномерности деформационного упрочнения металла на основных технологических операциях холодной шташозки, •

. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Выполненные экспериментальные и теоретические исследования кинематики и напряженно-деформированного •состояния металла для основных технологических операций холод-' ной штамповки стержневых изделий, сфор:лударованные и обоснован-* ше общие положения по выбору технологических параметров представляют экспериментально-аналитическое обобщение и решение актуальной научной проблемы совершенствования технологических процессов холодной штамповки деталей машин массового назначения. Научную новизну работы составляют: I. Новые теоретические разработки:

- методика расчета результативных деформаций я напряжений при течении металла в конической матрице (процесс калибровки пруткового металла), позволяющая оценивать и регулировать местную и интегральную неравномерность деформационного упрочнения;

- расчетный метод определения энергосиловых параметров при • течении металла в конической матрице (операции калибровки и

редуцирования), лозводявдай учитывать влияние основных технологических параметров и устанавливать зону оптимальных углов входного конуса матрацы;

- методика оценки цикличности упрочнения а разупрочнения металла за счет проявления эффекта Баушингерг; при непрерывном пластическом сжатии стальных заготовок (операции предварительной и окончательно;! высадки);

- методика установления границ оптимального и предельного деформирования металла на основных формообразующих операцию; с учетом направленного п регулируемого упрочнения.

2. Ковке экспериментальные результаты:

- впервые доказана возможность получения калиброванного пруткозого металла с однородным упрочнешегл по всему поперечному сечешш и установлено влияние этой однородности на неравномерность распределения механических свойств в деформированном объеме на последующих операциях;

- предложена и проверена методика оценки неравномерности деформационного упрочнения металла но изменению его фиэико-ыеханлческих характеристик;

- устанозки для определения физических свойств деформированной стали (по удельному электрически^ сопротивлению, магнитной проницаемости);'

- новые способы оценки упрочнения металла испытаниями на продольный п поперечный изгиб, растворением в кислоте;

- метод повышения точности и качества стержневых изделий за счет уменьшения или устранения пластического изгиба деформируемых заготовок;

- впервые доказана возможность значительного повышения механической прочности стержневых резьбовых изделий благодаря регулированию деформационного упрочнения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. На основе выполненных исследований разработаны методики обоснованного выбора технологических параметров с учетом обеспечения точноот, пошвенноЁ прочности стержневых изделий,

Подтверждена возможность сшшения себестоимости изделий " за счет применения менее прочных и более дешевых сталей благодаря направленному упрочнению металла. В целом прочность при растяжении для болтов, винтов, цпилек монет быть увеличена на 40-50% и более, что позволит в ряде случаев исключить термическую обработку.

•. Основше теоретические положения, методы анализа а оценки напряженно-деформированного состояния а уровня получаемых в металле или изделиях физико-механических характеристик, результаты экспериментальных исследований, технические И технологические -решения применительно к изготовлению стерхчевых изделий. холодный пластический деформированием обобщены в монографии "Технологические основы холодной высадки стесиневых крепежных изделий".

Результаты выполненных исследований частично использованы при разработке" технологических, процессов изготовления коротких п длинных ступенчатых стеркневых изделии холодным пластическим деформированием взамен обработки резанием. Суммарный экономический эффект, подтвержденный актами, составил 325 тыс.руб. (в ценах-до 1.1.91 г.),

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: ' " ""

- Всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и совещаниях: "Основные направления технического прогресса метизного производства"(Магнитогорск, 1974);"Новое в кузнечно-штамповочном производстве"(Запорожье, 1975); "Дуга совершенствования технологии холодной объемной штамповки и высадки" (Омск, 1978); ''Инженерные проблемы автоматизации и улучшения условий труда в кузнёчно-штамповочном производстве" (Запорожье , 1984); "Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов" (Брянск, 1986); ^Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин" (Курган, 1991);

—' научно-технических конференциях и совещаниях: Магнитогорского горно-металлургического института (Магнитогорск, 1978, 1979); "Повышение надежности и долговечности машин в свете решений ХХУ съезда КПСС" (Курган, 1976); "Широкое внедрение малоотходной технологии - важнейший источник экономии материальных ресурсов, повышения эффективности производства" (Курган, 1983); "Достижения и перспективы применения обработка давлением в ма-

пиностроешш" (Курган, 19В4); "Прогрессивная технология обработки «алокестких деталей" (Тольятти, 1987); "Новое в резьбовых соединениях, способах резьбообразованяя, конструкциях инструмента, способах и средствах контроля" (Тольятти, 1988); "Разработка и применение новой техники, технологии и автоматизированных систем в прошмениости" (Цурган, 1988); "Молодые ученые Курганского маашностроительного института научно-техническому прогрессу" (Курган, Х9Ь9);

- научных семинарах: кафедры сопротивления мг-терналов и кафедры изппн и автоматизации обработки давд^шем МВТУ им. Н.Э.Бауьана (Москва, 1985, 1987).

В цело:.: диссертационная работа рассмотрена и одобрена на объединенном семинаре кафедр Магнитогорской горно-металлургической академии им. Г.К.Носова (1995 г.) и заседании НТС Курганского маишностроительного института (1995 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 85 научных работ, в том числе: I монография, 3 брошюры к 3 авторских свидетельства на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕЛ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, сема разделов к заключения, изложенных на 332 страницах машинописного текста, содержат 149 рисунков, список литературы из 162 наименований. и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ содераит в краткой форме изложение научной новизны, практической значимости диссертационной работы.

Теоретическая часть работы базируется на основных положениях теория пластичности, разработанной С.И.Губкиным, А.А.Иль-шакв«, В.В.Соколовсщнл, А.В.Ишшнским, М.В.Сторожевым, Е.А.Поповым, Г.А.Сыарновым-Аляевшд, М.Губером, Р.Мизесом, Г.Гешси, Р.Халлои к другими учеными.

Для оценки результатов исследований были использованы работа Й.Л.Дерлина, А.Г.Овчинникова, Е.И.Семенова, Я.М.Охрименко, ВД.Твтрика, А.П.Чекмарева, Л.Г.Степанского, И.П.Ренне, Ю.Г.Шней-дзра,А.Ы.Дмитриева, Г.Э.Аркулиса, Б.А.Никифорова, П.И.Денисова, Г.С.ГУкв, а также зарубежных исследователей - Э.Забеля, Г.Зак-са, К.Выллгиана, Э.Тоысена, Ч.Янга, Н.Кобаяша, Б.Авицура и др.

При исследовании специальных вопросов, связанных с азыене-щен фйзико-шхашачеекдх а экевдуатационных характеристик ме-

таяла а изделий при их холодной высадке и шташовке, бшщ учтены результаты работ П.А.Больианиной, В.В.Лашша, В.Д.Кузнецова, Ю.Бернштейна, Б.Г.Лившица, Г.А.Навроцкого, Г.Д.Деля, С.С.Со-ловцова, Г.Б.Талыпова, А.С.Ьольмира, Е.Н.Мошнина, В.Д.фдешщщо-ва, Н.Т.Деордиева, Е.И.Исаченкова, А.Н.Кудинова, М.ГЛолякова, В.Г.Паршина, Л.А.Баркова, В.В.Евотигоеева, В.А.Крохи, *

СТЕРЖНЕВЫЕ ИЗД2ЛИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ ~ •

Стер.сневые изделия могут быть резьбовыми (болты, винты, ' шурупы, шпильки, резьбовые пробки, шаровуе пальцы, метчики й др.), а такяе без резьбы - заклепки, гвозди, штифты, пальцы, ролики, оси и др. Большой объем и номенклатуру занимают ступенчатые стержневые изделия, имеющие головку или буртик. В зависимости от вида и назначения стер;шевого изделия применяют техно-*, логический процесс изготовления холодной высадкой или штамповкой с соответствующим числом формообразующих операций (рис. I), Одной из основных технологйческих операций являете^ калибровка металле путем волочения в конической матрице. Затем следуют формообразующие операции - предварительная и окончательная вы-! садка с оформлением головки или буртика на стержневом изделии,, редуцирование всего стерши или некоторой- его части и накатывание резьбы. . ' '.

Применительно к названным технологическим операциям под- , готовки калиброванного металла и его переработки холодной штакь повкой решались вопросы оценки' и регулирования неравномерности деформационного упрочнения с учетом истории нагружения металла, изменения его физико-механических характеристик при изменении знака холодной пластической деформации (эффект БаушнгераУ и деформационном старении, тепловые явления при формообразовании ступенчатых изделий, продольного пластического изгиба' деформируемых заготовок, точности и качества изделий.

Показана практическая вакность получения стержневых изделий массового .назначения с повышенными механическими характеристиками при использовании мало- и среднеуглеродистых сталей аа счет интенсивного и направленного упрочнения металла как в отдельных зонах и частях изделия, так и для всего изделия при минимальном числе технологических операций.

РИС. I, Технологические схемы штамповки болта при однократном (а) я двойном (б) редуцировании: I - заготовка; 2 - предварительная высадка головки; 3 - окончательная высадка головки; '

4 - редуцирование стерння под накатку резьбы;

5 - накатывание резьбы.

ВОЛОЧЕНИЕ ПРУТКОВ КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ В ЖЕСТКИХ КОНИЧЕСКИХ ЖГРМЦЮС

Для оценка неравномерности распределения механических свойств в поперечно;.*, сечении протянутого" прутка выполнен расчет нормального напряжения 6"цх нз кокической контактной поверхности матрицы с учетом непрерывного нелинейного упрочнения металла.

Дифференциальное уравнение равновесия при условии равномерного распределения касательного напряжения по длине контакта (по'Г.Я.Гуну), степенного закона упрочнения металла . Ъ'^бо+Ао'б0 11 Услшю геку1еста t= б"т запаси-

ваотся в виде

£ [?* ^ Г.,.,\ < „2лЛ"»-г 1Л л - Ш

а г

Здесь ^ ~ интенсивность напряжений, равная по условию Губера-мцзеса кзпр(£.сеш:и текучести б"т ;

степень попеоечной де&ошацаа

[•;.(-- радиусы исходного прутка а в рассчитываемом

' и I 1

^ сечении;

О.- угол входного конуса матрицы; (у - коэффициент ' трепал;

Ао !1 ~ кснстап,г11 ¡'.атериала. Решений, уравнения (I) выполнено двумя способами- разложением в степенной ряд .

а с применением метода интерполяции, когда составляется интерполяционный полином Лагранзса для двух узлов - входа и выхода металла из очага деформации. После интегрирования получена-следующая зависимость для нормального напряжения

(3)

(»"•-«Я 1 -1

ю

При этом было принято, что нормальное напряжение 6^.= б"о -.на входе в очаг деформации ц £ГП2 _ 0,5 &о (среднее значение по данным Б.Р.Картака - на выходе из очага деформации).

Подучены зависимости для нормального напряжения на выходе ез очага деформации для среднего сеченая. Исследование зависимостей па экстрел*ум по £ ^ л с1 показало, что увеличение степени деформации д коэффициента трения приводит к росту осевого напряжения , а это по условию текучести обусловливает уменьшение нормального напряжения бд^ • Увеличение угла конусности матрицы дает обратный результат, что согласуется с известными решениями И.Л,Перлина, А.П.Чекмарева и др.

На рис. 2,б,г дано сравнение результатов расчетного определения нормального на'прянения с решением Э.Зябеля (при осреднении .механических свойств протягиваемого металла) и Г.Э.Арку-ляса (при линейном законе упрочнения) (рис. ¿,а,в).

'Наиболее полно характер деформационного упрочнения металла отражает метод интерполяции, который и был попользован для расчетной оценки неравномерности упрочнения.

Для оценки интегрального упрочнения металла в протянутых прутках был использован метод удельного электрического сопротивления, позволяющий учесть скрытую (поглощенную) энергию как часть затраченной работы деформации (по Ы.А.Большаниной, В.Е.Па-нану, М Д.БернштеЁну). .Для этого были протянуты прутки из сталей 10кп, 20| 35 и 45, применяемых при штамповке стержневых изделий. ,

Изменение относительного удельного электросопротивления 0/Д в функции степени деформации для протянутых прутков "дано на рис. 3 ( р - удельное сопротивление для отожженного ыеталла),

. Впервые удалось установить немонотонный характер изменения электросопротивления, а также границы оптимального (при однородном упрочнении металла в поперечном сечении прутка - степень поперечной деформации £0 ] я предельного деформирования со степенью при преимущественном упрочнении металла в периферийной, зоне и при интенсивном упрочнении металла в центральной зоне прутка. Анализ таких графиков для различных

Рис. 2. Изменение нормального напряжения по дяане контакта при волочении прутков из стали 35

п

Ц

Л) <1,6

\Н \Ъ 1,2

10

1г 2 х/

/ 4

в! / Ъ 1

бг (¿0 / Г [

й / // *

Ш v 'у !

У

О

02

0,ъ М

Рас. 3. Изменение удельного электрического сопротивления протянутой стали в зависимости от степени поперечной деформации: I - сталь Юкп; 2 - сталь 20; 3 - сталь 35; 4 - сталь 45

паряметров волочения и марок сталей показал, что наибольшее влияние на величину £0 оказывают условия .контактного трения. Эуо особенно заметно при небольших углах сС . Практически н.а возможность получения калиброванного' металла с однородным упрочнением в его поперечном сечении указывали Линикус и Закс.

Применение других методов физико-механических испытаний протянутого металла (по магнитной проницаемости, плотности,

твердости, сопротивлению пластическому продольному и поперечного изгибу, растворимости в кислотах) показало полное совпадение результатов.

Доя асолвдовзшшх углеродаотых сталей найдены такие, граница оптимального и продельного деформирования прутков: . £>0,10-0,26; ¿1 л. 0,07-0,12 и 0,20-0,40.

Для расчетной оцешш неравномерности упрочнения металла при волочении пруткоз были определены мощности пластической деформации:

-сдвига (на сферических поверхностях)0

<5>

- сил контактного трения на коническом и цилиндрическом ■ участках

} (6)

Здесь (5о п 6*^ - пределы текучести для зон входа металла в •• очаг деформации и выхода из него;

(3^ - нормальное напряжение на выходе из конуса, опредв- • ляемое по формуле (3) при ^ • ' *

. Затем были учтены результаты исследований американских, ые-* хаников Р.Нэддела и А.Аткинса, предложивших понятие коэффициента избыточной работы. В диссертации применен по аналогии коэф-, фициент избыточной мощности, который! характеризует перераспре- ' деление скорости течения металла в периферийной и центральной зонах прутка из-за тормозящего действия сдвига я контактного трения и определяется по отношению средней мощности , отно-сенной к площэди периферийной зоны П, к средней мощности \Х/ , рассчитанной для всего поперечного сечения:

16 Ш (8)

•7 \и

С учетом распределения радиальной , окружной и

Продольной деформаций в поперечном сечении протянутого

прутка, а таете значений оптимальной и предельной степеней поперечной деформации £д и получены графики изменения коэффициента избыточной мощности. Аналогичный характер получен для твердости по Виккерсу в поперечном сечении прутков (рис. 4). Коэффициент избыточной мощности позволяет получать результаты по деформационному упрочнению металла с учетом всех основных параметров процесса волочения при любом их сочетании.

Расчет результативных деформаций (интенсивности деформаций) для центральной I и периферийной П зон выполнен по формулам, полученным с учетом аддитивности деформаций - гастянения (для всего поперечного сечения) и сжатия в периферийной зоне:

£,=2(2,375-0^) 8/3; ¿л Л (К-о^Е/з. м

Значения интенсивности напряжений были найдены по аппроксимирующей зависимости , которые сравнивали с твердостью (калиброванная сталь 35):

i 63/е щ/мх

0,09 1,026 ~ 1,027

0,19 1,013 1,014

0,29 0,992 0,994

0,40 0,960 0,963

Такая методика оценки напрякенно-деформированного состояния и неравномерности упрочнения металла позволяет выбирать диаметр исходного металла и степень поперечной деформации, обес-' печивает в целом оптимальное проведение операции волочения прутков.

ПЛАСТИЧЕСКОЕ СЖАТИЕ ЗАГОТОВОК КОНИЧЕСКИМ И ПЛОСКИМ ПУАНСОНАМИ

Пластическое сжатие осесимметричных заготовок коническим н плоским цуансонами (рис. 5) соответствует предварительному в окончательному формообразованию головки или буртика на стержневом изделия. Б качестве параметра, характеризующего течение металла вне конической части пуансона, принято отнесение высоты бочкообразной части заготовки к ее диаметру в месте перехода

Рис. 4. Изменение коэффициента избыточной мощности (а) и твердости (б): I - сталь 20; 2 - сталь 35; 3 - сталь 45

жесткой зош в пластическую

Ь/<1 = \/1Ъ11Ь5Ш{Ы0-Ч>1з}/№-1Щио. (10)

Здесь

степень деформации сжатия; ~ коэффициент высадки; £(,• - длина деформируемой части заготовка до и после высадки;

ио- диаметр заготовки; о[0- угол конусности пуансона.

Как показали эксперименты по высадке цилиндрических заго-. товок из атогаенной и калиброванной сталей Юкп, 20, 35 и 45 при различных значениях Ко с^о к скорости деформирования опытное изменение соотношения Н/([ согласуется с расчетными _ его. значениями, Зависит только от |<0 и с/0 , возрастая при их увеличении.

Особый интерес представляет деформирование и упрочнение металла при наборном формообразовании при изменении знака пластической деформации (эффект Баушингера), когда имеет место ин-•тенспвный (до 19-13$) и длительный (в диапазоне ¿г =0,15-0,32) спад удельного электросопротивления. Длительность проявления 'эффекта возрастает при увеличении угла конусности цуансона.

На неоднородность упрочнешш металла указывают и результата определения твердости в меридиональной плоскости шсанетшх кексов« Наибольшая твердость и упрочнение достигаются при затекании шталла в пуансон. Полученные результаты согласуются с дащгниа по изменении волокнистого строения металла (по Е.И.Се-шнову).

Неравномерность упрочнения металла по высоте высааенного конуса ыоано оценивать расчетным путем по изменению продольной дефор'лащщ для различного сочетания технологических параметров

г ■

где (, - ноуэр горизонтального слоя при разбивке конуса на $

слоев. Высадка цилиндрических заготовок в конических пуансонах с определением интенсивности деформаций по методике Г.Д.Деля показала совпадение расчетных и опытных значений продольной деформации.

При сжатии цилиндрических и чисто конических заготовок пластическая зона практически сразу охватывает весь объем, а для заготовок со ступенчатым изменением несткости (по рис.5,в) наряду с пластической зоной имеется и несткая коническая часть, •что оказызает влияние и на продольный изгиб таких заготовок.

В общем случае формообразование головки или буртика происходит с неравномерным течением металла по высоте и зависит от • степени деформации сжатия и степени попереч-юй деформации для калиброванного металла. Так, на графиках г.членения электросопротивления и радиальной деформации в зависимости от степени деформации сжатия четко наблюдается окстремугл, соответствующий наиболее равномерная упрочнению металла в объеме высаленной ■ головки (соответственно минимум и максимум). Степень дефотацш1 саатия при этом названа экстремальной и для углеродистых стало; изменяется э диапазоне 0,55-0,85.

. Аналогичные границы деформирования установлены также по изменению твердости, магнитных свойств и угла конуса "застоя", ■что согласуется с результатами исследований Я.М.Охрименко и В.А.Тюринз.-

. • Предложен расчетный метод определения коэффициента формы "]}Д( голову пли буртика. Исследованы циклы разупрочнения металла при пластическом сжатии образцов из оточенного и калиброванного металла. Показаны особенности разупрочнения металла при классическом и широко распространенном пути нагруаения 1,растякение-с£атие" душ калиброванной прутковой стали. При это впервые установлено несколько циклов разупрочнения металла при непрерывном пластическом сжатии цилиндрических заготовок. Исследование циклов разупрочнения выполнено по изменению удельного электрического сопротивления и твердости. Степени деформации скатия, соответствующие наибольшее разупрочнению металла, названы экстремальными я обозначены £ . £ -Х-Х- и (рис. 6), - у - -

Таким образом, экспериментально подтверждена возможность проявления эффекта Баушнгера как при малых, так и при больщш степенях деформации сжатия, что согласуется с исследования:® Г.Б.Толыпоаа, Д.¡¿.Васильева, Г.Э.Лркулиса, В.Г.Паршина.

Рис. 6. Изменение ¡экстремальной степени деформации сжатия

в зависимости от степени поперечной деформации - • • калиброванного металла для стали 20 (индекс - •)» 35 (индекс - х) и 45 (индекс - о)

Б производственных условиях знание экстремальных степеней • деформация снатия, соответствующих максимально?^ разупрочнению , металла в деформированном объеме, позволит регулировать прочностные характеристики получаемых изделий, добиваться требуемого уровня локального (например, в головке) или интегрального упрочнения металла.

Одним из важных для практики вопросов является деформационное старение холодношташованных изделяй. Например, естест- . венное старение холодноштампованных болтов продолжается порядка 30-36 суток, причем наибольший спад электросопротивления наблюдается для половины указанного срока. Этот вопрос наиболее важен для крепежных изделий ответственного назначения при сборке мостов, мачт, опор а других металлоконструкций.

Применительно к операциям формообразования головки или буртика на стержневых изделиях разработана методика расчета и оцен- . ки теплового эффекта пластической деформации.

В целом вдполнен комплекс исследований для операций цреД" верительной ц окончательной высадки с оценкой течения и упрочнения металла л моделированием на натурных образцах,

РЕДУЦИРОВАНИЕ ЦЦДИНДИШЖИХ ЗАГОТОВОК И НАКАТЫВАНИЕ РЕЗЬШ

При редуцировании цилиндрической заготовки (рис. 7) происходит уменьшение диаметра заготовки от начального до конечного при проталкивании в конической матрице с углом конусности с^ • Как и при волочении, существенное влияние на неравномерность упрочнения металла в поперечном сечении редуцированной части заготовки и формируемый „ри этом интегральный уровень механических свойств изделия в целом (например, на предел прочности) оказывает давление на конической контактной поверхности матрицы.

Вю. 7. Схема редуцирования заготовка в конической матрице

Идентичность геометрических условий процессов редуцирования и волочения позволяет воспользоваться дифференциальным уравнением (I)"с учетом нового граничного условия = (по А.Г,Овчинникову). Решение моано представить в виде

1

(13)

Принтом давление также непрерывно уменьшается по длине контакта, что совпадает с расчетами Л.Г.Степанс„ого, К,Чана и Ш.Коба-япщ, .выполненными для процесса прессования в конической матри-

це, а такие результатам! определения твердости па конической поверхности редуцированных заготовок. . . -

Оценка неравномерности упрочнения металла црп редуцировании и накатывании резьбы выполнена по изменению удельного. электросопротивления, плотности, магнитных свойств и твердости. Общ{й характер изменения физико-механических свойств металла . совпадает с цроцессом волочения прутков, но оптимальная и предельные степей! деформации смещаются в сторону меньших значе- . ний. Так, для исследованных углеродистых сталей получено:. £ X0,04-0,05; 0,10-0,20, а 0,20-0,26. Пра пре-

вышении второй предельной степени деформации таете исчерпывается ресурс пластичности металла, появляются растягивающие напряжения в. центральной частд (на продольной оси) заготовки, что' ' подтверждено такие з экспериментах Г.Д.Деля. Такие параметры, как угол входного конуса матрицы и коэффициент трения не оказывает существеююго влияния на установленные границы.деформирования. . '

При накатывании резьбы на отожаешшх (£р г $ )' и 'редуцированных заготовках достигается дополнительное уплотнение и упрочнение металла. Доупрочнение нлкелекаедх слоев металла вызывается более упрочнённой после редуцирования периферийной -зоной» При больших степенях деформации (£п я 0,30) дабдвдастсд . особенно сильное доуплотнение металла, в том числа и в.центральной зоне. Однако ото не приводит к соответствующему росту механических характеристик изделия. Так, повышение предела' прочности цря'растянешш редуцированных и накатанные заготовок й'з стали .20 и 35 наблюдается только при и составляет порядка 40-50/5. Пра превыиении второй предельной степени -деформации прирост прочности уменьшается из-за нарушений структуры металла. цри редуцировании.

Редуцирование заготовок перед накатыванием резьбы с направленным я регулируемым упрочнением металла позволяет поручать класс прочности для резьбовых деталей 6.8-6.9 вместо класса прочности 4.8 (дяя стала 20) и класс прочности 6.9 вместо класса 5.6 для стала 35.

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ИЗГИБ ДЕЙОРШРУЕШХ ЗАГОТОВОК

Определение размеров деформируемых заготовок и выбор-технологических параметров практически невозможно осуществить без оценки пластического изгиба заготовок на отдельных переходах штамповки. В противном случае, трудно гарантировать качество изделий и предотвращение массового брага.

Исследование пластического изгиба заготовок-выполнено для неупругой области с учетом нелинейного деформационного упрочнения металла при их осадке, высадке и редуцировании. Расчет критической силы, при достижении которой возникает продольный погиб пластически-деформируемой заготовки, в;- отаен по каса-телънс-мбдульной нагрузке в соответствии с рекомендациями А.С.Волькпра, В.Д.Клншпшкова, А.Г.Овчинникова, Е.Н.Мошнина, Э.Томсена.

Предельное отношение длины пластически деформируемой части заготовки к ее диаметру определяется из условия равенства критического напряжения пределу текучести

■_/ шо 'Яр ПГ '

(Здесь Ь. - касательный модуль;

' - предел текучести.

. При редуцировашш цилиндрической заготовки недеформиро-ванная ее часть должна находиться в упругой области, то есть оставаться яесткой. В атом случае предельное соотношение размеров составляет порядка 16-12, уменьшаясь с увеличением прочностных характеристик металла.

Особого внимания заслуживает тот факт, что пластический изгиб заготовок наступает не сразу при деформировании, а только при достижении некоторой степени деформации сжатия, названной начальной ¿.^ и составляющей для углеродистых сталей порядка 0,03-0,10. С увеличением прочности стали устойчивость заготовок снижается в связи с преимущественным ростом предела текучести по сравнению с касательным модулем.

• Впервые выявлены особенности пластического изгиба при пластическом ¡снатии заготовок из калиброванного металла. В этом случае предел текучести ^ к касательный модуль изменяются немонотонно при изменен;:;: степени поперечной деформации

-Сопоставление прогибов заготовок, деформированных при раз-

личных- скорости (на гидравлическом и краворшшши крессах), не0выявило различия ни в начале потери устойчивости, ни в её интенсивности. ••

При редуцировании цилиндрических заготовок как 'постоянной жеоткости (однократное редуцирование), так и переменной аест-кости (при двойном редуцировании) предельншл условием являет» ся равенство или превышение осевого напряжения над пределом .' текучести.

Впервые выявлены особенности пластического изгиба заготовок, переменной несткости, имеющих цилиндрический и конический дефорглируемие участки (рис. 5,в). Начальная степень деформаций сжатия при отоы составляет 0,03-0,04, а потеря устойчивости зависит от величины и интенсивности распространения шшстичес- • 'кой зоны. Устойчивое дефорг.ированце таких заготовок мояет быть достигнуто за счет изменения размеров конической или цилиндрической части. Например, при с10 —4 грЭД» предельное соотно- ' шение размеров Но / йй составляет 1,0-0,9, что совпадает с экспериментальными данными И.Вшицу.ша.

В работе предложен расчетный метод определения предельного ' отношения высот |\0 /¡¡0] . для цилиндрического участка, который базируется на зависимости (12) для продольной деформации -(рис. 8). Здесь - высота цилиндрической часта при "базо-

вом" угле о^о = 4 град. Пунктирная кривая 3 построена по экспо* риментальнш данным И.Еяллигмана.'

РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЯШ ПЛАСШЧ5СК(М Ф0К.Ю0БРА30ДАШ-Ш СТУПЕНЧАТЫХ СТЕШЕВ^Х ИЗДЕШ ■

Для определения объема головки или буртика, соотношегшя , диаметров высакиваемйго конуса, длины деформируемой части заготовка разработана номограмма'(Для изделий диаметром стерння от 2. до 30, мм).,, которая проверена и подтверждена в практических условиях. Получаемое соотношение размеров заготовки оценивает» сд и при необходимости корректируется с учетом пластического

Рассмотрены тажв вопросы точности и качества изделий, доказано влияние нарушений волокнистого строения, кольцевых складок (в случае потери устойчивости), смещения оси головки относительно оси стержневой части изделия. " .

Предложен метод непр§рывного центрирования редуцированной

. из предельную Еысоту цилиндрического участка заготовка переменной ессткостп:. I - при I = 14; 2 - при I = 42; П = 42

часта заготовки, позволяющий уменьшить ее искривление на 30% л более, что гарантирует качественное проведите процесса и позволяет устранить, брак.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА И Л?АКТ1ПЕСК0Е ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Реоена задача по определению осевого напряаения при течений металла в конической матрице с учетом непрерывного упрочнения металла применительно к процессам волочения и редуцирования;

Ц5

Здесь 3 ~ интеграл для давления металла на конической поверхности матрицы.

При волочении прутков наибольшая сходимость расчета и эксперимента получена с формулой З.Зибеля, которая учитывает аффект Кербера-Эйхингера (эффект сдвиговой деформации):

Решение Б.Авицура, выполненное по методу верхней оценки при линейной аппроксимации кривой упрочнения, дает завышенные значения для осеього напряяения (в среднем на 60-25$, уменьшение при увеличении степени поперечной деформй^ии ).

При редуцировании получена удовлетворительная сходимость ■ с известным решением Н.Т.Деордиева, В.Д.Коробкяна и П.Д.Чуда-кова.

Расчетным путем получено, что осевое напряжение не равно нулю.при нулевой степени деформации (что совпадает с выводом Авицура).

Выполнена оценка вклада отдельных мощностей сдвиговой деформации на формирование осевого напряжения. Получено, что относительная ¡лоцщзсть сдвиговой деформации и мощности сил контактного трения непрерывно уменьшаются при увеличении степени поперечной деформации. Особенно заметно это проявляется при не-. , больших значениях £ . В совбкупности, с учетом цолученногр решения для осевого напряжения впервые доказано немонотонное изменение' оптимального угла (при минимальном осевом напряжении/, в функции степени поперечной деформации и коэффициента трения- • (рис.- 9). Экстремальные значения угла достигаются при.волочении прутков с оптимальной степенью поперечной деформации. .;*'

Экспериментами по холодной высадке заготовок болтов из стали 20 доказана возможность уменьшения числа переходов штамповки за счет совмещения операций редуцирования и формообразо-' вания головки, что осуществимо также цри штамповке щаровш? ' пальцев и других ступенчатых изделий.

Полученные результаты Использованы на Катайском насосном заводе при холодной штамповке пальцев муфты за одак переход взамен обработки резанием.

1Ь

1опго.

Ч

г

> 1 1

/ < \ О \ ^

( 1 \

1 V а

ь

к г

«и

о,г о,з щ £

_ • 1 и к.

й / г \ А 3

1 1 N

5".

0 0,1 0,2 0,ъ 0,к £

Рис. 9. Изменение оптимального угла входного конуса матрицы в зависимости от степени деформации при волочении прутков из стали 20 (а) и 45 (б): I - Л = 0,05; 2 - ^ в 0,10; 3 - £ = ОДЕ 7

Эффект от Енедрения такой технологии составил свыше 42 тыс. рублей. На Семипалатинском арматурном заводе выполнены исследования по высадке буртика в средней части длинных ступенчатых деталей - шпинделей задвияек. Спроектированы разъемные штампы, проверен технологический процесс высадки на заготовках из стали 2D диаметром 20 мм. Экономический эффект составил свыше 2&0 тыс.рублей (в ценах на I.I.9I г.). • .

Рекомендации по формообразованию и упрочнению металла при предварительной и окончательной высадке приняты на Друяковском метизном заводе. Методика оценки напряженно-деформированного состояния металла при волочении прутков принята на Магнитогор-■' ском калибровочном п Константиновском металлургическом заводах.

На Петропавлоском заводе малолитражных двигателей приняты к работе рекомендации но оптимальному и предельному деформирог ванию металла при редуцировании и накатывании резьбы,'позволяющие получать самонарезающие шпильки, что уменьшает количество ;■ сборочных единиц.

Для исследованных формообразующих операций разработаны и апробированы алгоритмы для расчета деформационных и энергосиловых параметров.

0ВД1Е ВЫВОДЫ

1. Проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по оценке основных формообразующих операций холодной штамповки стернневых изделий за счет направленного п. регу-'

лируемого деформационного упрочнения металла с разработкой в целом экспериментально-аналитического метода. Исследована' one--рация волочения прутков в нестких конических матрицах (получе-. ние калиброванного металла), предварительное и окончательное формообразование головки или буртика, редуцирование а накатывание резьбы, которые в совокупности представляют типовой технологический процесс штамповки изделий.

2. Построена математическая модель применительно к процессу течения металла в коническом матрице (операции волочения и редуцирования), позволяющая оценивать напрякенпо-дефоргдцроваи-нее состояние металла в его поперечном сечении,» управлять упрочнением металла как локально в отдельных зонах, так а интегрально для всего сечения.

3." Разработана методика расчета результативных деформаций и вдпряженай для протянутого пруткового металла, выявлены гра-щцщ оптимального и предельного деформирования, что позволяет получать калибррванный металл с требуемым распределением механических свойств в его поперечном сечении в соответствии с целевым назначением. Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возмозность получения калиброванного металла с равномерным (однородным) упрочнением в поперечном сечении.

4. Выполнена обширная программа экспериментов по оценке, прогнозированию и управлению деформационным упрочнением металла при.набррном- формообразовании ступенчатых стержневых изделий при деформировании заготовок в конических и «глоских пуансонах, Вперзые доказано существование нескольких циклов разупрочнения металла при различном исходном его состоянии (отожженном или наклепанном.после волочения), установлены'длительность и глубина кх проявления, дано объяснение проявлении эйфекга Баушинге-ра при малых и больших степенях деформации. Исследовано деформационное старение металла и холодноштампованных стержневых изделий, установлены временные границы старения. Предложена методика оценки теплового аффекта холодного пластического деформирования. В целом установлены границы оптимального и предельного деформирования металла и указаны пути регулирования деформационного упрочнения.

5. Изучена неравномерность упрочнения металла на финишных операциях изготовления стержневых изделий - при редуцировании

и накатывании резьбы, разработана методика установления границы оптимального и предельного -деформирования металла. Доказана возможность значительного повышения прочности изделий (в 1,4-1,5 раз и более) за счет' "направленного и интенсивного деформационного упрочнения, металла.

6. Поставлена а решена задача устранения пластического изгиба деформируемых заготовок на основных технологических операциях. Для осадки, высадуси и редуцирования установлены предельные соотношения размеров заготовок. Полученные сведения позволяют значительно повысить точность и качество изделий за счет технологических мероприятий.

7. Разработана методика обоснованного выбора и расчета технологических параметров при пластическом формообразовании ступенчатых изделий. Предложены и оценены способы регулирования искривления редуцированной часта заготовки, а также смещения

оси головки относительно оси стеркня изделия.

8. Выполнена сравнительная оцегжа полученных решений и результатов путем расчета и сопоставления с известными решениями применительно к осевому напряжению при волочении и редуцировании. Доказано, что осевое напряжение не равно нулю при нулевой степени деформации. Выполнена оценка вклада отдельных мощностей пластической деформации в величину осевого иапрязегшя. Выявлена зона оптимальных углов для входного конуса волос, причем оптимальный угол изменяется немонотонно в функция'степени деформации (обглтия). ''

9. На базе полученных теоретических решений и экспериментальных результатов разработаны и проверены технологичес:сие процессы безотходной птамповкп и высадки коротких и длинных ступенчатых стержневых изделий. Экономический эффект, пелучец-шй за счет металлосберегавцих технологии, составил 325 тис. рублей в год (в ценах до 1.1.91 г.). Рекомендации и методики оценки иапрянешю-деформированного состояния при холодной штамповке стержневых изделий приняты на ряде заводов.

10. Разработаны алгоритмы для расчета напряженно-деформированного состояния, деформационных и энергосиловых параметров для основных технологических операций холодной штамповки стер£- ' невых изделий, а такие для процесса калибровки прутков.

Часть результатов диссертационной работы применяется в учебном процессе при обучении студентов специальности 1201 со специализацией в области кузнечио-штамповочного производства.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЕЕШЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛВДШЩ РАБОТАХ

1. Владимиров Ю.В., Герасимов В.Я. "¡Технологические основы . холодной высадки стержневых крепежных изделий. - М.: Машяност-' роение, 1984. - 120 с.

2. Герасимов З.Я. Сб устойчивости заготовок,при холодном редуцировании //Автомобильная промышленноеть. 1976. Л 6.

С. 30-32, . : Л

3. Герасимов В.Я., Владимиров Ю.В. Определение рациональных технологических параметров холодной высадки стернневых кре-пекных изделий. Сер. Метизное производство: Экспрессккфори, • /Ин-т "Черметикформация". - М.: 19??. Вып. 2. 21 с»

4* Герасимов В.Я., Мокринскин В. И. Определение деформаций на контактных поверхностях при холодной высадке стержневых изделий с головками //Технический прогресс в метизном производстве /МЧИ СССР. М.: Металлургия, 1977. С.75-79.

5.. Герасимов В.Я. Холодная высадка стеркневых крененных изделий с учетом.теплового эффекта деформации //Черная металлур гця. Взл. ин-та "Черметинформация". 1978. И 20. С. 49-51.

6. Герасимов, В.Я. Прибор для определения температуры внутри деформируемого объема пластически формоизменяемого тела //Заводская лаборатория. 1978. Т.44. 1» II. С.1374-1375.

7. Герасимов В .Д.,, Мокринский В.И. Оценка неравномерности упрочнения металла при холодной высадке ст..;жневых изделий с

' головками //Технический, прогресс в метизном "производстве. /МЧМ СССР. М»: Металлурги^,, Щ8. й 7. С.65-68.

8. Герасимов В..Я., 0. связи мезду эффектом Баушипгера и равномерностью упрочнения, металла при осадке цилиндров //Изв.вузов. Черная металлургия* 1979* & С.5<;-55.

9. Герасимов ВА£Ц Исследование эффекта Баушингера при зна-. коперемеакой. пластической деформации калиброванной стали //Изв.

АН СССР» Металлы, 1980, £ 4^ '£.171-173.

10. Герасимов Определение однородного упрочнения калиброванного металла осадкой высоких цилиндров //Изв.вузов. "Черная .датэлдуркщ, 1981. й 6, С.154.

. II, Герасимов Расчет нормального напряжения при волочении круглых црутков //Изв,вузов, Черная металлургия. 1982. Й 12. С.40-44«

12. Герасимов Определение оптимальной деформации при холодном редуцировании //ШШШйтЫЩЯ промышленность. 1983.

. £<2. С.26-27,

13. Герасимов В.Я. Изменещ§ фдайкр-механичесглх и эксплуа-тахионных характеристик калибррвэдшрй стали при проявлении эффекта. Баушшгера /Д1зв, АН С09Р, Ме?§ллы. 1983. И I. С. 112-115.

14. Герасимов В.Я. О циклах рдзупрочнения металла при осадке цилиндров //Изв.вузов. Черная металлургия. 1983. Г» 2. С.51-54,

15. Герасимов В.Я. Границы'дефрршфования стали при ее во- , лрчении и редуцировании //Автомобильная промышленность, 1985.

# 9. С.29-30. |

16. Герасимов В.Я. Расчет продольной деформации при предварительной высадке цилиндрических заготовок в конических пуансонах /Деп.: Черметинформация. гё 2837 чм. 19.03.85 г.

17. Герасимов В.Я. Особенности проявления ■ сффекта Баушин-гера при пластических формообразующих операциях //Изв. АН СССР. Металлы. 1985. S 6. С.131-134.

18. Герасимов З.Я. Определение однородного упрочнения калиброванной стали осадкой низких цилиндров //Изв.вузов. Черная металлургия. 1990. И 6. G.I06.

19. Герасимов З.Я. Оценка упрочнения металла при пластическом редуцировании .стержневых изделий //Теория механизмов, прочность машин и аппаратов: Сб.науч.тр. /¡SM - курган, 1993. С.93-98.

20. Герасимов В.Я." Электроиндуктивный контроль- деформационного упрочнения калиброванной стали //Сталь. 1993. £ В. С.62.

21. Герасимов В.Я. Опытная оценка изгибной жесткости сортовой холоднотянутой стали //Сталь. 1995. $ I. С.47.

22. A.c. 684289 СССР. Способ определения остаточной поперечной деформации при калибровке волочением /В.Я.Гераеямов, В.И.Мокринский //Открытия. Изобретения. 1979. 1Ъ 33. С.148.

23. A.c. 844983 СССР. Способ определения степени деформационного упрочнения металла /В.Я.Герасимов, В.И.Мокринский //Открытия. Изобретения. 1981. II 25. C.I93.

24. Устройство для вихретокового контроля /В.Я.Герасимов //Открытия. Изобретения.• 1993. JS 32. С.53.

Подгшраяр в печать 23,03.У5 Формат 60x64 1Д6

бумага тип. Плоская печать Усл,печ.л,2,0 Уч.изд.л. 3,0 Заказ JS 32 Тиран 100 экз. Бесплатно

. ц'"|1' Vu" ■"'»1', 1'и"........ i . i' ". ч i»......."'i. 11 .'м.11.1 "1 ■ '. 1 '-и"; "i.i.j

' Редакдионно-цздательскии отдел Курганского машиностроительного института, 640669, Курган, пл. им.В.И,Ленина

Курганский машиностроительный институт, корпус ротапринт, г, lepras, ул. Пролетарская, 62.