автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Совершенствование работоспособности деформирующего инструмента направленным изменением его напряженного состояния

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

"СТАНКИН"

РГ6 оа

На правах рукописи

_ 9 ЬВГ

ВЕКСЛИН ИЛЬЯ ИСААКОВИЧ

УДК 621.793.6:669.268-621.9.539.374

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДЕФОРМИРУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НАПРАВЛЕННЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ЕГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре теоретической механики Самарского Государственного технического университета

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доктор технических наук, доктор технических наук,

профессор Семенов Е.И. профессор Степанский Л.Г. с.н.с. Нагайцев A.A.

Ведущее предприятие - А.О. Самарская металлургическая компания "САЛЕНО".

Защита диссертации состоится "2В" сентября 1993 г.

в _ часов на заседании специализированного Совета

Д0634201 в Московском Государственном технологическом университете "СТАНКИН" по адресу: 101472, Москва, К 55, Вадковский пер., д.З-а, тел. 289-35-73

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственного технологического университета "СТАНКИН". Автореферат разослан "_"_1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, д.т.н., профессор

Бубнов В.А.

3.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы. Широкое применение на машиностроительных вводах холодной и полугорячей объёмной штамповки (высадка, калиб->вка и пр.), особенно на автоматических линиях, внедрение процес->в прерывистого, полунепрерывного и непрерывного прессования зедъявляют все более высокие требования к повышению работоспособ-эсти деформирующего инструмента и прессовой оснастки. Вместе с зм, стойкость инструмента подобного назначения остается до после-яего времени довольно низкой, несмотря на значительное количест-э исследований по совершенствованию его конструкций, технологии зготовления, применению разнообразных инструментальных материа-эв повышенной прочности и износостойкости и т.п.

Решение этой важной народнохозяйственной задачи связано с правлением рядом факторов, ответственных за работоспособность нструмента: температурный фактор, напряженно-деформированное остояние объекта, реакция материала на заданный нагрузочный ко-плекс. Вопросы исследования и управления температурным полем, а акже материаловедческие решения достаточно подробно изучены в ногочисленных работах, выполненных в последнее десятилетие. К ислу менее изученных следует отнести вопросы оценки и направлен-ого изменения напряженно-деформированного состояния в контакт-ых зонах инструмента. Сложившееся положение объясняется:

- отсутствием систематических данных по зависимости износо-тойкости и контактной жесткости поверхностных зон деталей дефор-ирующего инструмента от напряженного состояния, формирующегося ри направленной конструкторской проработке и в процессе техноло-ической обработки его деталей;

- отсутствием алгоритма расчета напряженно-деформированного остояния ( в особенности для сложно-профильного инструмента) с ыходом на гарантированную работоспособность;

- недостаточным использованием численных методов расчета, ориентированных на электронно-вычислительные машины, для исследования напряженного состояния деформирующего инструмента;

- сложностью получения достоверной информации о внешнем тем-пературно-силовом воздействии на инструмент.

Соответственно поиск научно-обоснованного технического решения, приводящего к повышению работоспособности деформирующего инструмента и имеющего важное народнохозяйственное значение, сохраняет свою актуальность.

Работа выполнена в 1967-1991 годах по координационным планам МИНВУЗа РС4СР и МИНАВТОПРОМа СССР в двух отраслевых лабораториях машиностроительного факультета Самарского политехнического института.

Целью работы является научно-обоснованное техническое решение способствующее совершенствованию деформирующего инструмента направленным изменением его напряженного состояния конструкторскими и технологическими воздействиями, внедрение которого имеет важное народнохозяйственное значение.

Достижение поставленной цели осуществлено:

- разработкой концепции, обеспечивающей совершенствование деформирующего инструмента, в первую очередь, методами направленного измерения напряженного состояния для создания в инструменте поля предварительных сжимающих напряжений, способствующих повыпе-нип износостойкости и контактной жесткости его рабочих зон;

- установлением закономерностей влияния предварительных (остаточных) и рабочих напряжений в инструменте на износостойкость

и контактную жесткость его поверхностных зон;

- теоретическими исследованиями упругого и упруго-пластического напряженно-деформированного состояния в расчетных моделях инструмента;

- разработкой и использованием методов исследования количес-венных закономерностей контактно-силового воздействия в инстру-ентальньх объектах;

- разработкой и применением алгоритма проектирования и рас-ета деформирующего инструмента с оптимальным по износостойкости

контактной жесткости напряженным состоянием в его деталях;

- лабораторными и производственными испытаниями работоспосо-ности разнообразного инструмента, а также промышленной апробаций разработанных конструкций.

Научная новизна работы заключена:

- в концепции совершенствования работоспособности де-юрмиругацего инструмента на основе использования неравнопрочных инструкций и направленного изменения в них поля напряжений, вли-гацих на износостойкость и контактную жесткость рабочих зон, кон-трукторскими и технологическими решениями;

- в теоретически обоснованном и экспериментально подтвержден-юм наличии экстремальной зависимости износостойкости и контакт-гай жесткости поверхностных зон инструмента от компонентов резу-ътируюцего напряженного состояния, регулируемых методами скреп-:ения (выполнено на базе нового способа исследований по а.с. £3426);

- в математических моделях для аналитических и численных асчетов и полученных решениях напряженного состояния в деформи->ущем инструменте;

- в методике и результатах теоретического и эксперименталь-гого исследования контактной жесткости и поля остаточных напряже-[Ий, формируемого в предварительно напряженных деталях инструменты при шлифовании и упрочнении поверхностных зон;

- в разработанных неразрушаицих инструмент способах и резу-[ьтатах экспериментального определения эпюр контактных давлений

по а.с. 565047.

Практическая ценность полученных в работе результатов (по мнению автора) заключена:

- в повыпении работоспособности тяже л онагруженно го деформиру «цего инструмента целенаправленным скреплением формообразуяцих вставок;

- в рационализации технологии механической обработки рабочих зон напряженных деталей штамповых конструкций;

- в установленных количественных закономерностях распределения контактных давлений в рабочей зоне инструмента;

- в разработанной методике проектирования и прочностных расчетов скрепленного деформирущего инструмента;

- в результатах от внедрения в производство многослойных штампов на ряде подшипниковых заводов ( 4 ГПЗ, 9 ГПЗ, 15 IT13), на Самарском ПО - завод им.Тарасова, Самарском "Заводе клапанов"; упругих пресс-шайб на металлургических заводах (Белая Калитва -

- БКМЗ, Каменск-Уральск - КУМЗ), четырехслойных контейнеров на Самарском металлургическом ПО - Завод им.В.И.Ленина.

Применение разработанного инструмента обеспечило получение подтвержденного годового экономического эффекта свыше 500 тыс. руб. (в ценах до 1991 г.).

■Апробация работы. Основные положения диссертации долокены и обсуждены: на Первой сессии Поволжского совета (г.Казань, 1963); на Общесоюзной конференции "Теплофизика процессов механической обработки давлением" (г.Куйбьшев, 1966); на Объединенных технических совещаниях в НИИТАВТОПРОМе (г.Москва, 1967); на Втором научно-техническом совещании по инструментальным сталям (г.Запорожье, 1968); на Общесоюзной конференции "Опыт внедрения прогрессивных методов обработки металлов давлением" (г.Тула, 1968); на Меж вузовской конференции "Исследование износа с целы) выявления пу-

тей повыпения срока службы и качества выпускаемых машин" (г.Москва, 1868); на КПТИ (г.Запорожье, 1968); на Межвузовской конференции "Теория формирования технологических напряжений и их инженерное приложение" (г.Запорожье, 1969); на Всесоюзной научно-технической конференции "Контактная жесткость в машиностроении" (г.Тбилиси, 1974); на Четвертой Всесоюзной мезвузовской научно-технической конференции "Научные основы автоматизации производственных процессов в машиностроении и приборостроении" (г.Москва, 1975); на Общесоюзном научно-техническом совещании "Контактная жесткость в машиностроении" (г.Куйбышев, 1977); на Всесоюзной научно-технической конференции "Повшение качества и эффективности изготовления технологической оснастки методами пластического деформирования" (г.Таллин, 1977); на Областной научно-практической конференции "Обеспечение качества в машиностроении" (г.Новосибирск, 1978); на Десятой Всесоюзной конференции по прессованию металлов (г.Москва, 1985); на Областной научно-технической конференции "Автоматизация и комплексная механизация тепловых процессов" (г.Сызрань, 1987); на Межвузовской конференции "Прогрессивные инструменты и методы обработки резанием авиационных материалов" (г.Куйбышев, 1989).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 47 работ, в том числе одна монография, 32 статьи и 4 авторских свидетельства.

Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов на 340 е.; содержит 156 иллюстраций, список использованных источников (261 наименование) и приложение (отдельный томК

2-2388

ВВЕДЕНИЕ

Проблема совершенствования деформирующего инструмента носит комплексный характер. В её решение значительный вклад внесли работы отечественных ученых А.И.Брюханова, О.А.Ганаго, Я.М.Охрименко В.Н.Северденко, Б.<5.Трахтенберга и ряда других исследователей. В их работах применительно к деформирующему инструменту выделены и рассмотрены основные факторы, регламентирующие его работоспособность.

Среди этих факторов особо отмечена важность регулирования напряженного состояния поверхностных зон деформирующего инструмента и в особенности технологических остаточных напряжений.

Однако применительно к реформирующему инструменту вопросы формирования остаточных напряжений изучены недостаточно. Традиционные технологические методы (шлифование, поверхностное упрочнение и др.) формируют поле напряжений только в контактных зонах и, по-существу, не затрагивают напряженного состояния всей штамповой конструкции. Вместе с тем длительная работоспособность деформирующего инструмента вцелом определяется как полем напряжений в контактных зонах, так и напряженным состоянием в материале всех ответственных деталей инструмента.

В соответствии с изложенным цель и задачи настоящей работы направлены на теоретические и экспериментальные разработки, обеспечивающие увеличение ресурса деформирующего инструмента (штампы для холодной и полугорячей штамповки, упругие пресс-иайбы и тя-желрнагруженные контейнеры для прессования легких сплавов) за счет направленного изменения поля остаточных упругих и упруго-пластических напряжений в инструментальных объектах конструкторскими и технологическими методами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. В первой главе обсуждаются основные вопросы регламентиру-щие работоспособность деформирующего инструмента - обеспечение юобходимой прочности лимитирующих элементов конструкции, износо-:тойкости и контактной жесткости рабочих зон. Отмечается, что для /величения работоспособности гяжелонагруженных конструкций прин-допиаяьное значение имеет напряженно-деформированное состояние.

- В известных работах, посвященных проблеме повышения стой-сости деформирующего инструмента основное внимание уделяется во-фосам обеспечения (в других случаях - повышения) прочности или ксущей способности инструмента. Отмеченные цели достигаются обы-шо переходом от монолитных к скрепленным конструкциям. Количест-зенный аспект влияния напряженно-деформированного состояния в контактных объёмах деформирующего инструмента на износостойкость и сонтактную жесткость рабочих зон при этом не рассматривается.

Вместе с тем, в технологии машиностроения известны разработки, з которых связывается повышение износостойкости с уменьшением уровня растягивающих напряжений конструкторскими или технологически методами.

Оценка износостойкости до настоящего времени реализуется экспериментальными методами, которые носят, как правило, характер технологических проб. При этом не обеспечивается выполнение основ-1ых параметров контактного трения, характерных для натуры. Тем салим результаты испытаний не являются достаточно надежными. Из ра-5от в области технологии машиностроения известно, что одним из существенных способов повышения контактной прочности рабочих зон является упрочнение методом поверхностного пластического деформирования (ПЦЦ). В ряде работ установлено, что на контактную жесткость определяющее влияние оказывает (при фиксированных параметрах тгружения) структурное состояние материала, которое регламенти-

10.

рует физико-механические характеристики материала в зоне обработки. Известно, что отделочно-улроадякщие метода увеличивают износостойкость и контактную выносливость за счет формирования поля сжимающих остаточных напряжений и микрогеометрии с более качественными характеристиками по шероховатости и волнистости. Установлено также положительное влияние остаточных сжимающих напряжений на увеличение твердости поверхностных зон. Однако в известных публикациях вопросы оценки влияния предварительно наведенных в конструкциях напряжений на формирование итоговых полей остаточных напряжений и на результирующее поле рабочих напряжений, по-сущес-тву, не рассматриваются. Недостаточно также исследовано влияние поля остаточных напряжений, формирующегося при шлифовании, на износостойкость и контактную жесткость рабочих зон.

Затронутый круг вопросов о влиянии напряженно-деформированного состояния на контактную жесткость рабочих зон деформирующего инструмента вообще не изучен.

- Реализация скрепленных конструкций тяжелонагруженного инструмента требует разработки надежных методов аналитического,'численного и экспериментального определения напряженно-деформирован ного состояния. Однако в многочисленных методах расчета деформирующего инструмента не учитывается возможность повышения его износостойкости за счет направленного изменения поля напряжений. Аналитические методы расчета несущей способности многослойных деформирующих конструкций (штампы, контейнеры прессов и т.п.), основанный на вычислении результирующих усилий на разъёмах, довольно сложны и поэтому требуют использования ЭВМ, что не всегда приемлемо для ускоренных инженерных расчетов. Имеющиеся графические представления итоговых решений (номограммы для расчетов на прочность) также не учитывают специфический характер работу вставок в штамповом инструменте и, кроме того, ограничиваются в осно-

том расчетами цилиндрических конструкций.

Следовательно, важным является разработка новых методов ис-ледования износостойкости и контактной жесткости и соответству-дего аппаратурного оснащения, позволяющих исследовать износосто-кость и контактную жесткость инструментальных материалов в уело- • иях приближенных к эксплуатационным по основным параметрам и осо-енностям нагружения рабочих поверхностей деформирупцего инстру-ента.

- Одной из наиболее сложных расчетных схем прессового инст-умента является модель многослойного контейнера с пресс-шайбой временного диаметра (ПЩЦ - используются при непрерывном прессо-ании легких сплавов). Основной характеристикой ПЩЦ является ■пругое приращение при прессовании наружного диаметра (рабочего юяска) пресс-шайбы. При расчетах ШПД необходимо учитывать дефор-1ацию сопряженного с ней контейнера. До настоящего времени доста-'очно обоснованные методы расчета подобных конструкций отсутству-

)Т.

Как уже отмечалось, расчеты деформирующего инструмента на грочность выполнены, в основном, для сравнительно простых по конфигурации конструкций. Вместе с тем, все более широкая реализация ¡ложных схем прессования придает актуальность разработке методики эасчета новых моделей деформирующего инструмента повышенной несущей способности.

- Для определения напряженно-деформированного состояния в деформирующем инструменте существенным является наличие информации

э параметрах внешнего силового нагружения (осевые усилия прессования, штамповки, распределение и количественные значения контактных давлений на рабочих поверхностях инструмента, в том числе, при пластическом течении).

Отмечается: традиционное определение осевых усилий при шта-

мповке и прессовании осуществляется методой тензометрирования деформаций в нагружаемых деталях инструмента при помощи проволочных тензодатчиксв. Для изучения количественного распределения контактных давлений на гравюре., как правило, используются точечным датчики-месдозы либо метод измерения деформаций в фольге. Применение этих методов требует препарирования инструмента, а в ряде случаев вообще затруднено.

Отмеченное предопределило необходимость дальнейпего совершенствования известных методов и разработки новых методов измерения давлений.

В соответствии с изложенным сформулирована концепция новогс подхода к проектированию высокостойкого тяжелонагруженножо деформирущего инструмента. Решение вопроса базируется в основном на применении скрепленных конструкций, состоящих из монолитной особо выделенной вставки с оптимальным (по износостойкости и контактной жесткости) распределением окружных нормальных напряжений, уровень которых регулируется варьированием натягов, и условно равнопрочной Сс наибольшей несущей способностью) бацпажирую-щей многослойной обоймы. Наведение благоприятного поля сжимапцш рабочих напряжений на гравюре дополнительно может быть осуществлено направленным технологическим воздействием при механической обработке рабочих поверхностей формообразующих вставок.

В порядке реализации концепции повышения работоспособности деформирующего инструмента (для холодной штамповки и прессован» в работе поставлены и решаются следующие задачи:

1. Исследование и анализ основных причин выбраковки тяжело-нагруженного деформирущего инструмента.

2. Разработка способов экспериментального исследования и Т1 оретическое обоснование характера зависимости износостойкости и контактной жесткости от компонентов напряженного состояния, в т*

числе:

- влияние предварительных (сборочных) и рабочих (технологических) напряжений на износостойкость;

- влияние технологических напряжений на контактную жесткость рабочих зон;

- влияние остаточных напряжений при шлифовании и ПОД на поверхностную прочность.

3. Разработка расчетных моделей скрепленного инструмента с учетом управления напряженно-деформированным состоянием, в том числе:

- скрепленные модели с полем упругих напряжений;

- скрепленные модели с полем упруго-пластических напряжений;

- применение численных методов упруго-пластических расчетов моделей скрепленного инструмента на базе МКЭ.

4. Разработка способов количественной оценки контактно-силового воздействия на инструмент, в том числе:

- с применением тензометрирования деформаций в инструменте;

- с использованием точечных месдоз;

- разработка и использование пуансон-динамометра;

- разработка и использование нового неразрушающего способа исследования контактных давлений;

- определение контактных давлений расчетными методами.

5. Разработка алгоритма проектирования и расчета деформирующего инструмента с использованием, на первом этапе, номографического анализа прочности скрепленных конструкций, а для завершающего расчета напряженного состояния - численного метода конечного элемента.

6. Апробация результатов теоретических разработок и экспериментальных исследований моделей скрепленного и другого двформиру-ющего инструмента в промышленных условиях, а также внедрение раз-

работанных конструкций.

П. Методические вопросы, касающиеся методов исследований и аппаратурного оснащения, рассмотрены во второй главе диссертации,

Существующие методы испытаний материалов на износостойкость, контактную жесткость, определения коэффициента трения не могут быть напрямую использованы для изучения износостойкости и контактной жесткости поверхностных зон материалов с учетом особенносте! напряженного состояния, характерного для рабочих зон штамповых кс нструкций. В работе с учетом специфических условий штамповки разработан ряд новых методов испытаний материалов на износостойкое^ и контактную жесткость в предварительно-напряженных образцах.

- Для исследований предварительно-напряженных материалов при регулировании поля напряжений на износостойкость в условиях трения разработана новая (а.с.339838) испытательная установка квг зианалогового класса. Нагружение образцов на установке, моделирующей износ гравюры, достигается методом дорнования цилиндрически каналов в специальных модельных образцах (плоских шайбах) калиброванными шариками. На установке обеспечено моделирование особенностей и параметров нагружения во всем диапазоне характерном для эксплуатационных условий холодной штамповки. Аналогия распространяется на характер и частоту нагружения (циклический, ударно-повторный с наложением усилий контактного трения), среднюю скорост; контактного трения, температуру в очаге деформации, уровень радиального давления при штамповке, сочетание материалов контактной пары "заготовка - штамп", чистоту поверхности гравюры, наличие смазки.

- Для исследования контактной жесткости предварительно-напр* женных поверхностных зон штампов в зависимости от величины и знака остаточных напряжений в материале использован метод измерения диаметров пластических отпечатков С^ду в торцевой поверхности скре

шенных плоских шайб. Варьирование напряженного состояния в обра-щах обеспечено регулированием величин натяга.

- Разработана методика аналитического исследования формиро-)ания поля остаточных напряжений при финипном шлифовании. Для эасчетной модели шлифуемого образца определено поле рабочих и остаточных напряжений для различных эпюр силовых воздействий при ва-зьировании температурного поля в образце.

- Разработана методика исследования влияния механической обработки деталей инструмента с предварительно наведенным полем наряжений на поверхностную прочность. Последняя оценена по измене-1ию твердости по Виккерсу на торцевой поверхности модельных скреп-пенных плоских шайб после шлифования образцов в напряженном состоянии и после обкатки шариком. Поверхностную твердость образцов контролировали на различных технологических стадиях:

- после запрессовки шлифованных ненапряженных вставок в обоймы с различными натягами и шлифования в напряженном состоянии;

- после обкатывания шариком торцевой поверхности в напряженном состоянии;

- после распрессовки упрочненных образцов.

- В основу аналитического расчета напряженно-деформированного состояния скрепленных штампов повышенной работоспособности положено три отправных условия:

- для возможности оптимизации конструкции штампов (по износостойкости и контактной жесткости) используется расчетная модель инструмента с особо выделенной вставкой; в основу расчета положена схематизированная модель в виде длинной толстостенной трубы;

- получение на гравюре на этапе нагружения оптимального по износостойкости и контактной жесткости уровня окружных нормальных напряжений 6$ ;

- обеспечение наибольшей несущей способности упругой банда-

4-2388

жирующей обоймы.

Решение выполнено при допущениях, позволяющих осуществить аналитический расчет скрепленных штамповых конструкций на основе формул Ляме. В отличие от известных расчетов напряжений в скрепленных конструкциях, когда используется метод сечений, в диссертационной работе применен способ сложения напряженных состояний от поочередно действующих давлений. Такой подход позволил получить достаточно компактные формулы для расчетов диаметральных натягов, исполнительных размеров колец до сборки инструмента и проверки его на прочность. При расчетах эквивалентных напряжений в двухслойных конструкциях применена энергетическая теория прочности, для многослойных цилиндрических конструкций - теория прочности наибольших касательных напряжений.

Результаты расчетов напряжений и геометрических параметров инструмента представлены в виде формул (в безразмерных параметрах) и номограмм для анализа прочности и выбора геометрических размеров скрепленных конструкций с регламентированным уровнем скрепления особо выделенной вставки.

- Решение для оценки напряженного состояния цилиндрических штампов при законе нагружения, отличающимся от равномерного, получено полуобратным методом теории упругости. Для удовлетворения уравнений равновесия и совместности напряжений подобрана бигармо-ническая функция напряжений, окончательное'выражение которой определено удовлетворением граничным условиям для расчетной модели цилиндрической матрицы. Полученное решение позволило выполнить оценку эеличин погрешностей расчета напряжений в цилиндрических штампах в случае равномерного нагружения по формулам Ляме.

- В основе упруго-пластического расчета напряженного состояния двухслойных скрепленных цилиндрических матриц для холодной деформации приняты те же условия, что и ранее, но при наличии моно-

яитной упруго-пластической обоймы. Необходимая несущая способность эбоймы обеспечена за счет допущения в материале обоймы пластических деформаций во время сборки и в процессе штамповки. При расчетах плоского напряженного состояния в обоймз пренебрегаем упрочением материала; распределение внешних давлений считаем равномерным. Для анализа напряженного состояния различных вариантов таких конструкций разработаны и построены (в безразмерных параметрах) зоответствующие номограммы. Они позволяют определять границы пластических зон обоймы, осуществлять проверку прочности инструмента : заданным уровнем скрепления вставки, определять величины натягов.

- Для исследования влияния на напряженное состояние штампов

: конической формообразующей поверхностью при холодной деформации /гла сС раскрытия полости и коэффициента контактного трения уи. на зкружные нормальные напряжения 6"д на гравюре выполнены:

- расчет зависимости величины радиального давления Ра от параметров Ли ул. ;

- проведено тензометрирование деформаций в матрице при холод-гай вытяжке цилиндрических латунных стаканов без смазки заготовок

I с применением графитовой смазки.

Экспериментально получены осциллограммы усилий в калибрующем 1уансоне, а также интенсивности напряжений на торцевой поверхнос-~и калибрующей матрицы.

- Разработан метод анализа и направленного изменения напряжен-ю-деформированного состояния в пресс-шайбах переменного диаметра. Гапряженно-деформированное состояние в пресс-шайбах с распорным :онусом и в однокорпусных пресс-шайбах исследовано расчетами на

>ВМ методом конечного элемента. Направленное изменение напряженно-'о состояния в пресс-шайбах с целью обеспечения деформации рабоче-■о пояска, при которой не происходит наволакивания металла на [ресс-шайбу и задиров внутренней поверхности втулки контейнера

при необходимой прочности конструкций, достигнуто за счет соответствующего изменения конфигурации пресс-шайб.

- По различным методикам осуществлен анализ напряженно-деформированного состояния цилиндрического контейнера при локализации зонн нагружения по высоте контейнера. Этот анализ выполнен для оценки погрешностей расчетов методом конечного элемента, по методике С.П.Тимошенко, а также по формулам Ляме и важен для согласования деформаций ПШПД и втулки контейнера.

- С целью упрощения технологии измерений осевых усилий разработано и использовано новое измерительное устройство - пуансон-динамометр. Последний состоит из двух пластин калиброванной твердости, между которыми размещены твердозакаленные шарики, одновременно воспринимающие изменяемое усилие. О наибольшей величине усилия судим по совокупности отпечатков иариков на пластинах.

- Для исследования контактных давлений наряду с применением точечных месдоз ("свидетелей") в работе разработаны два новых устройства точечных месдоз: датчик с коническим стальным элементом, самотормозящимся в коническом отверстии упругой стальной втулки,

и датчик из фотоупругого материала, исключающие использование тен-зоизмерительной аппаратуры.

- Для совершенствования технологии измерения нормальных контактных давлений при холодной штамповке разработан новый метод (а.с. 565047). На предварительно деформированной в штампе заготовке выполнена методом резания калиброванная сетка, состоящая из продольных (или поперечных) полос в виде трапецевидных в поперечном сечении выступов. Размеры выступов зависят от предельной величины контактных давлений, материала заготовки, характера течения металла, размеров и конфигурации заготовки.

Для измерения контактных давлений заготовку с выступами помещаем в матрицу и нагружаем (через пуансон) усилием большим

по величине, чем при первоначальном нагружении. После извлечения заготовки из матрицы измеряем ширину реформации зубцов сетки (лупой Бринелля либо на профилогрш^е). По величине деформации зубцов судим об уровне давления в зоне локализации зубца.

Новый метод позволяет получить достоверную информацию о распределении контактных давлений при отсутствии проскальзывания заготовки относительно гравюры. При этом исключаются затраты на изготовление специальной оснастки и переналадку прессов, уменьшается непроизводительный простой прессового оборудования. Метод не требует препарирования штампа, использования сложной электронно-измерительной аппаратуры и применим для измерения значительных по величине давлений, характерных для объёмной штамповки.

- Аналитическое исследование контактных давлений выполнено в работе путем расчета напряженно-деформированного состояния методом конечного элемента для схематизированной модели "деформирующий инструмент - деформируемая заготовка". Принятый подход позволил получить информацию о распределении контактных давлений без проведения сложных экспериментальных исследований. Эта методика использована для исследования контактных давлений на контейнер (с диафрагмой и рассекателем) при прессовании проволоки из сплава Д16, а также при холодной штамповке шарика и ролика.

Ш. Определяющее значение в получении обоснованных решений по оптимизации конструкций деформирующего инструмента имеет информация о зависимости износостойкости и контактной жесткости как функции варьируемых остаточных напряжений конструктивного и технологического происхождения при прочих равных условиях. Эта группа вопросов рассмотрена в третьей глазе работы.

- Для исследования влияния на закономерности износа в условиях контактного трения, уровня и знака предварительных (монтажных) 00 и рабочих нормальных окружных напряжений, формирующихся в

5-2388

контактных зонах инструмента, использован способ испытания по а.с. 223426. Исследования выполнены дорнованием твердоэакаленными калиброванными шариками плоских образцов (двухслойных скрепленных шайб с цилиндрическими каналами в центре) на специально разработанной лабораторной установке (а.с. 339838), обеспечивающей моделирование основных особенностей и параметров циклического нагруже-ния рабочих зон деформирующего инструмента. В ходе реализации экспериментальных программ варьировали уровень натягов ( Л ) в образцах, радиальное давление при дорновании ( Р0 ) и материал образцов. В качестве критериев износа образцов приняты: увеличение диаметра отверстия в образце, ¿0. - потеря массы образца (при фиксированном числе циклов дорнования).

С учетом целевой ориентации на оптимизацию штампов для холодной высадки шариков и роликов в работе исследованы в качестве материалов для вставок в кольцевых скрепленных образцах стали 111X15 и У8 (аналогичные исследования выполнены для сталей Х12Ф1, Р6М5 и др., результаты которых обсуждаются в гл.6).

По результатам исследований (рис.1) установлено: зависимости 4^}лй(бд)нооя1 экстремальный характер. Эти результаты получены впервые. Для их теоретического обобщения в работе выполнен анализ напряженного состояния на внутренних поверхностях вставок перед шариком и позади его при дорновании.

В предположении равенства радиальных нормальных напряжений величина внутреннего давления со стороны шарика ( 6% = - /о ) и равенства осевых нормальных напряжений касательным напряжениям, определяемым по закону Кулона ( = = уи. Р0 , здесь- коэффициент контактного трения), для интенсивности напряжений получено в безразмерных параметрах:_'

Нй+(<-*) ь (и

Л-6в/Р0 . Ив-бд/Ро

где

Штряяч/аса Ь'ЯОМПа л*«* ййм

Р„та

Диаграммы экспериментальных зависимостей критериев износа от величины окружных напряжений &д на контактной поверхности образцов (сталь УЗ, Ш?СЭ60) после ряда циклов нагружений ¿(1 - потеря размера, мк; ¿й- потеря массы образца, мг; - радиальное давление между индентором и образцом, МПа.

При дорновании впереди шарика ^и ■< 0 за ним -уи >0 , что соответствует сжимающим и растягивающим- значениям осевых напряжений в материале образца впереди и позади индентора.

Как видно из формулы (I), зависимость К ( также как и при экспериментальных исследованиях (см.рис.1), имеет экстремальный характер при закрепленных значениях М. . Причем оптимальные

_№7Г «ОТ/

значения относительных нормальных окружных напряжений Кд "Чд /Ра~~

---5—. При коэффициенте трения для сталей со смазкой и без

г ОПТ

неё в интервале М = 0. ..1,0: = -0,5...-1,0 впереди дорна опт

и Но = 0...-0,5 позади его. Тогда для контактной пары "111X15 -- 111X15" Н^СЭ 62-640,33...0,42 имеем Ед"7" = -0,67...20,71 перед дорном и Д^"" = -0,29...-0,34 позади его.

Полученные расчетные значения Яд"* согласуются с экспериментальным результатом.

Для разработки конструкций скрепленных штампов в работе установлена связь между Л , б в и критериями ) А 0.:

здесь 7в , 2/ , ~ радиусы внутренний, разъёма и наружный; Е - среднее значение модуля упругости для вставки и обоймы; Р0-- равномерное внутреннее давление. Зависимость (2) представлена на нижнем поле рис.1.

- Величину контактной деформации поверхностной зоны плоских образцов (контактную жесткость) определяли по размерам диаметров упругих отпечатков ( с{{/) при вдавливании твердозакаленного шарика 0 5 мм (и ролика 0 5x10) в торцевую поверхность образцов.

Для возможности варьирования величины и знака окружных нормальных напряжений в рабочей зоне образца применялись плоские скрепленные шайбы, как и при исследованиях износостойкости. В предположении равенства интенсивности упругих напряжений условному пределу текучести при сжатии ( [б$]сср- Для сферического индентора, Па) и равенства диаметров пластического и упругого отпечатков в ненапряженных образцах Од , с/у . В работе на основе энергетической теории формоизменения получена полуэмпирическая зависимость

в виде:

кг 8,22 Р

3,5-103й ф^ь)2* 0,32(2[б5]с%-£Н0№)

(3)

о5_ /_|¡32Р_ (4)

у " 103ь* о,32(2[б$]гС1р-4,ноЬг)' ■

Здесь: Р - усилие на индентор, Н; с!уСТ , бу* ~ размеры диаметров упругих отпечатков во вставке и обойме, мм.

5сг ад

^ Теоретические и экспериментальные зависимости цл ) 4п

(ь) представлены на рис.2 при изготовлении вставок и обойм из стали 1ДХ15 НЬр 41-43, Р = 2,5 кН.

¡Гг к,

мм

0,9 \

0,9

нов

№

гг

о» Й_ ***

• ••и | 1.

•

Рис .2

Графические зависимости диаметров отпечатков во вставке и обойме от величины натяга в скрепленном образце при вдавливании в его торец шарика 0 5 мм: С^у - рассчитанные (сплошные линии) диаметры упругих отпечатков, <1ц - диагонали пластических отпечатков (измеренные): О-в радиальном, О-в тангенциальном направлениях, а - для вставки, б - для обоймы.

' Установлено, как и при исследованиях износостойкости, зависимость контактной жесткости от окружных нормальных напряжений (на рис.2 представлена в зависимости от величины натяга) имеет экстремальный характер. Теоретические и экспериментальные результаты свидетельствуют об обоснованности выбора расчетной модели для оценки контактной жесткости. Из полученных результатов также следует, что величина пластического внедрения и упругого сбликения шарового (и цилиндрического) индентора с контактной поверхностью тем меньше, чем меньше отличается напряженное состояние в контактных зеках поверхности от равного всестороннего сжатия. Наличие в рабочая "юно предварительных ( остаточных) напряжений сжатия приводит к снижа-

нию как упругой, так и пластической деформации.

Таким образом, разработанная методика расчета позволила определять оптимальные характеристики остаточных напряжений в скрепленных конструкциях с учетом контактного взаимодействия и величины рабочих нагрузок.

- Вторым структурным элементом остаточных напряжений, который исследован и учитывается в работе, является формирование технологических остаточных напряжений, образующихся при финишном шлифовании рабочих поверхностей инструмента. В расчетной модели шлифуемой детали осуществлено теоретическое (методом конечного элемента) исследование напряженно-деформированного состояния поверхностных зон инструмента как раздельно при температурном, силовом, так и совместном температурно-силовом воздействии. При шлифовании рабочие остаточные напряжения, как показано в ряде работ, наиболее полно описываются в предположении трапецеидального закона нагружения абразивом обрабатываемой поверхности. В работе показано, что переход от модели равномерного закона нагружения к трапецеидальному приводит к увеличению значений компонентов нормальных к поверхности напряжений до 20$. Установлено: на формирование остаточных напряжений при финишном шлифовании определяющее влияние оказывают не только температурный градиент, регламентирующий уровень термопластических деформаций, но и контактные давления. Вдоль поверхности максимальные значения нормальных напряжений вдвое превышают значения нормальных напряжений ортогональных к поверхности (в этом же направлении формируются значительные остаточные напряжения растяжения) . Имеет место удовлетворительное соответствие между расчетными значениями напряжений и полученными экспериментальными данными. По результатам исследований сформулированы рекомендации по обоснованному выбору режимов шлифования рабочей поверхности инструмента с учетом получения оптимального (по износостойкости) поля

зстаточных напряжений.

- В работе исследовано влияние составляющих поля остаточных напряжений (монтажные напряжения, технологические - после шлифования и поверхностной пластической деформации) на изменение контактной жесткости поверхностных зон. Исследования выполнены на плоских скрепленных шайбах из стали ШХ15, Н?Сэ51-52 с варьируемым уровнем натягов d между вставкой образца и его обоймой (рис.3 и 4). Одну из серий предварительно напряженных образцов (рис.3) подвергали шлифованию ( V/f = 15 м/с, Sri = 0,05 мм/ход, 5/у>=5м/мин), другую серию - поверхностному обкатыванию шариком 5 = 0,07 мм/об, Я = 200 об/мин). В предположении нормального закона расеяния показаний твердости выполнено необходимое число измерений, при котором с вероятностью d = 0,95 получен средний результат с погрешностью £ = 10 HV (каждое значение твердости получено как среднее из пяти измерений).

Установлено: с ростом предварительных сжимающих нормальных напряжений поверхностная твердрсть вставок заметно увеличивается (графики 2 на рис.36, 46). После шлифования предварительно напряженных образцов с повышением & твердость обойм и вставок снижается (графики 3 на рис.За, б). Для обойм распрессованных образцов (графики 4 на рис.За, б) выявлено дополнительное повышение уровня твердости; для вставок - снижение твердости, по сравнению с исходной.

Обкатка поверхности скрепленных и шлифованных образцов повидает поверхностную твердость и практически выравнивает её значения для всех образцов, полученных при варьировании á (графики 3 на рис.4а, б). Во вставках распрессованных образцов выявлено снижение значений твердости (график 4 на рис.4а).

Таким образом, при исследованиях установлена положительная роль предварительных растягивающих напряжений на величину повер-

хностной прочности образцов после механической обработки и последующей разгрузки от предварительных напряжений. Установлено, что поверхностная обработка предварительно сжатых деталей инструмента (вставки в скрепленных конструкциях) целесообразна лишь в случае исключения при эксплуатации их разгрузки от монтажных напряжений. В противном случае происходит снижение поверхностной твердости как после шлифования, так и упрочнения обкаткой. Результаты исследований позволили прогнозировать характер изменения основных характеристик качества поверхности предварительно напряженных деталей и выбрать пути дальнейшего совершенствования поверхностной обработки, направленные на увеличение работоспособности ответственных деталей штампов.

Обобщая материалы исследований по гл.З, можно констатировать: при варьировании конструктивными натягами и режимами механической обработки может быть обеспечено рациональное распределение остаточных напряжений в инструментальном материале вплоть до создания оптимального (по износостойкости и контактной жесткости) уровня напряжений на рабочей поверхности инструмента.

Зависимость твердости по Виккерсу в поверхностной зоне при шлифовании от предварительных напряжений, заданных натягом А . а - в обоймах, б - во вставках.

Г - эпюры окружных нормальных напряжений; 2 - твердость после запрессовки; 3 - твердость

Рис. 3

после шлифования в скрепленном состоянии; 4 - твердость после распрессовки обработанных образцов.

т,т ш

ш т

т,та

л® Яш

.№

ер, ю

то по гоо о

—Я

к 3

к

<5< »«

<

*

ЦМ V ал Ц2 а)

к-Г-Л

N Л

а._

хг N

V !5 в 10 в 1! О,

\

у'

Ч

\

\

¿,М1

г)

Зависимость твердости по Виккерсу в поверхностной зоне после обкатывания образцов шариком от предварительных напряжений, заданных натягом А . а - в обоймах, б -— во вставках. I - эпюры окружных нормальных напряжений; 2 - твердость

Рис.4

после запрессовки; 3 - твердость после шлифования и обкатывания в напряженном состоянии; 4 - твердость после распрессовки обработанных образцов.

1У. Инструмент типа цилиндрических матриц является одним из

наиболее широко распространенных (высадка, выдавливание, прессо-»

вание, волочение и др.). Среди разнообразных решений, направленных на повшение раббтоспособности и снижение затрат на деформирующий инструмент, особое место занимает разработка скрепленных штампов. Они применяются главным образом для машин безударного действия, а также с жестким графиком движения ползуна, на которых ударная нагрузка выражена значительно слабее, чем на молотах. Внедрение разработанных скрепленных конструкций позволяет*одновременно решить целый комплекс задач:

- увеличить стойкость штампов путем повышения их прочности (за счет более равномерного распределения напряжений по попереч-

ному сечению инструмента) и износостойкости (за счет уменьшения уровня окружных растягивающих напряжений на гравюре и перехода в область сжимающих напряжений);

- существенно снизить расход высококачественных и дорогостоящих марок инструментальных сталей;

- повысить технологичность отдельных операций по изготовлению штампов, упростить транспортировку и хранение штампов;

- повысить характеристики качества штамповок и т.п.

В основу расчета скрепленных штампов повышенной работоспособности в работе принято, как было отмечено ранее, два отправных условия:

- получение на этапе нагружения оптимального по износостойкости уровня окружных нормальных напряжений бд на гравюре особо выделенной вставки;

- обеспечение наибольшей несущей способности условно равнопрочной обоймы при минимальных габаритах инструмента.

Выполнение первого требования оказывает существенное влияние на характер объёмного напряженного состояния контактных зон штампа, увеличивает энергоёмкость материала, повышает сопротивляемость рабочих объёмов при циклическом силовом нагружении и положительно сказывается на кинетике разупрочнения и разрушения контактных зон инструмента. Реализация второго условия обеспечивает необходимую работоспособность обоймы при минимальных габаритах, гарантирует безопасность сборки и эксплуатации инструмента, уменьшает вероятность потери натягов на повнрхностях разъёмов обоймы под влиянием повторных нагружений в процессе штамповки.

Необходимость решения поставленных задач предопределила использование известных аналитических и численных методов расчета напряженно-деформированного состояния в скрепленном инструменте, их совершенствование, а также разработку новых решений. Эти воп-

росы рассмотрены в четвертой главе диссертации:

- В основу расчета напряженного состояния в многослойном деформирующем инструменте с особо выделенной вставкой положена ррр.четная модель конструкции цилиндрической формы в виде толстостенной трубы неограниченной длины, ориентированная на использование формул Ляме.

^Расчетная модель

¡1 - слойной цилиндрической конструкции. Р - равномерное внутреннее давление; Рр Р2, Р , Рк, Р - равномерные давления от попеременно выполняемых диаметральных натягов

ф- радиусы

разъёмов колец.

Рйс. 5

Решение для цилиндрических конструкций выполнено при следующих допущениях:

- давления от натягов Р„, действующие на цилиндрических поверхностях разъёмов и внутреннее рабочее давление Р0> равномерно распределены;

- касательные и осевые напряжения, возникающие при сборке инструмента и в процессе его эксплуатации отсутствуют;

- материалы всех колец конструкции имеют одинаковые модули

4 8, Я Л Я

Рйс. 5

упругости и после термообработки сохраняют достаточную пластичность. Обычно для расчета напряжений в скрепленных штампах используется метод сечений. В данной работе применен способ сложения напряженных состояний от поочередно действующих Р0 и Рк (рис.5). Подобный подход позволил получить компактные решения для определения диаметральных натягов и проверки многослойного цилиндрического инструмента на прочность. Итоговые формулы имеют бид:

~ ПК уЕ „ .. .

(п-*)*+*еЧ с' й2лН о ■ (5)

2гК1 8 Р0 >

где - радиусы разъёмов, Ак- диаметральные натяги.

На основе полученных решений разработаны (в безразмерных параметрах) номограммы для инженерных расчетов различных вариантов конструкций, отличающихся уровнем скрепления особо выделенной вставки (рис.6). С применением номограмм получены исходные данные для проектирования и расчета многослойных матриц и конструкций многослойных контейнеров для прессования. Использование номограмм является одним из этапов разработанного в диссертации алгоритма проектирования и расчета тяжелонагруженного деформирующего инструмента. Для расчета инструмента с реальной конфигурациг♦» гравюры в работе использован численный метод ксчечного элемента.

Номограмма для расчета многослойной конструкции при ?=0.

Порядок расчета геометрии инструмента и алгоритм проверки его на прочность с использованием номограммы показан стрелками ключа.

Рис.6

- Во многих случаях деформирования силовое воздействие на инструмент отличается от равномерного. В работе полуобратным методом теории упругости найдено напряженное состояние в модели штампа при параболическом осесимметричном законе нагружения гравюры. Решение основано на подборе функции напряжений V , удовлетворяющей бига-

рмоническому уравнению: я2

8гг

Функция напряжений подбирается в виде:

У-Мпи-Вгг^Сг*, <7)

здесь А, В - произвольные функции 2 , С - полином второй степени от 2 .

Рис. 7. Эпюры распределения напряжений на контуре цилиндрической матрицы с параболическим законом распределения на гравюре инструмента.

Граничные условия для расчетной схемы на рис. 7:

(при г - г4) =- (<¡1+о)

(при 2 = 0 ) ¡^г^-о. Итоговые компоненты напряженного состояния инструмента получены в виде:

мычг? (9)

ь-М* ^- Ш)" '

-^нттттш

.ту. Щ-тЩ) 1

Нормальные напряжения для данной схемы нагружения существенно отличаются от напряжений, получаемых по формулам Ляме. Напряженное состояние в данном случае зависит не только от нормальных напряжений бд , , но и от осевых нормальных напряжений > а также от касательных напряжений . Следовательно, при расиреде-лении внутренних давлений, отличающихся от равномерного, номограммы, полученные на основе решений Ляме, можно использовать липь для первоначальной оценки прочности инструмента, а также для выбора исходной геометрии проектируемых конструкций.

- Напряженно-деформированное состояние в сложнопрофильном инструменте, а также при сложных схемах нагружения (что характерно для большинства конструкций деформирующего инструмента) возможно оценить лишь на основе современных численных методов расчета. В работе использована программа упруго-пластических расчетов на ЭВМ методом конечного элемента (МКЭ). С использованием МКЭ выполнен, в частности, анализ прочности четырехслойного контейнера диаметром 1350 мм со сложной щелевой полостью для пресса усилием

50 ЬШ, усовершенствована и внедрена в производство существенно более работоспособная конструкция.

Выполнен также расчет деформаций и напряжений в пресс-шайбах переменного диаметра и сопряженных с ними цилиндрических контейнерах. В итоге разработаны перспективные конструкции пресс -шайб переменного диаметра. Ряд конструкций внедрено в производство.

- Для оценки достоверности результатов численных расчетов методом МКЭ в разнообразном деформирующем инструменте выполнены аналитические расчеты напряженно-деформированного состояния по методике С.ПЛимошенко для контейнера с различным по высоте гидростатическим нагружением. Анализ результатов расчетов, полученных по различным методикам, показал: применение метода МКЭ дает расхождение не более 15% по сравнению с результатами расчетов по методике С.П.Тимошенко и хорошо согласуется с решениями Ляме.

- В работе выполнен аналитический расчет двухслойных конструкций с особо выделенной вставкой и монолитной упруго-пласт.иче-ской обоймой. В основу расчета положена упруго-пластическая модель без учета упрочнения материала и ассоциированный закон текучести. Эти решения использованы для оптимизации конструкций конкретной номенклатуры двухслойных штампов (см.гл.6). Интенсивность напряжений, согласно условия начала текучести Сен-Венана, равна пределу текучести б^у материала обоймы

а •

Нормальные окружные и9 и радиальные напряжения в упругой

области обоймы имеют вия:

где , 2г - внутренний и наружный радиусы обоймы; _ внешний радиус границы пластической зоны обоймы. Причем

Рри -Л (*/ < 4) - вл (V- ??)]//>*,, (12)

где Р0 - внутреннее давление; - внутренний радиус вставки. Радиус £2 определяется из уравнения

Лг~г!Сп(А/*,)'- 4(<-2рР'*1б$), <п>

На основе полученного решения также разработаны номограммы, типа приведенной на рис.8. С помощью номограмм сравнительно просто осуществляется аналитический расчет геометрии двухслойного инструмента и проверка его на прочность. Порядок расчета показан на номограмме стрелками ключа.

Рис.8. Номограмма для упруго-пластического расчета двухслойной цилиндрической матрицы при

Использование получанных решений позволило повысить несущую способность монолитной обоймы за счет допущения во внутренних зонах материала пластической деформации при стабилизации оптимального (с позиций износостойкости и контактной жесткости) напряженного состояния упругой вставки.

- Возможное изменение" характера напряженного состояния в контактных объёмах холодных штампов при наличии конических формообразующих поверхностей при варьировании коэффициента контактного трения ¿11 изучено до настоящего времени недостаточно. Данный аспект рассмотрен в диссертации применительно к операции холодной вытяжки.

При оценке напряженно-деформированного состояния в конической матрице величина радиального давления Р0 является определяющей и в случае вытяжки с утонением стенки находится из зависимости (рис.9):

Р0 = бп СввсС - Г5ЙоС , (14)

где 6/1 - нормальные давления; X - касательные нагрузки; -- угол раскрытия конической полости.

Схема вытяжки цилиндрического стакана.

I - пуансон, 2 - заготовка, 3 - калибрующая матрица.

Рис. 9

Допуская зависимость X от коэффициента контактного трения в виде Г^Абл , из уравнения равновесия сил по рис.9 най-

*ено: б _ РЯЛЫ

п~ г г)(5Ш у/ СШ)~

р _ Ы)

где 1,1?- внутренний и наружный радиусы контактной поверхно-

сти.

Осевое усилие при вытяжке Р^и) получено в виде:

где б§ - предел текучести материала заготовки; 21'п. - диаметр пуансона, К= 2Хп!(Яи).

В итоге имеем:

Ро_ уУ + ¿дс* -.^¿/к+ куи^ты. (17)

Таким образом, Р0 нелинейно зависит как от^ , так и от угла раскрытия матрицы а . Анализ зависимости (17) показывает, что с уменьшением коэффициента трениярадиальное давление Р0 существенно возрастает, т.е. с улучшением условий контактного трения удельные нагрузки, действующие на инструмент, возрастают. Характер изменения Р0 с варьированием_// и Л приводит к соответствующим изменениям напряженного состояния инструмента.

Для изучения неординарного влияния смазки на напряженное состояние калибрующей матрицы осуществлен эксперимент по вытяжке латунных цилиндрических стаканов с утонением стенки с использованием различной по вязкости смазки и без неё. Подтверждено, что уровень эквивалентных напряжений в матрице возрастает с уменьшением , что существенно при выборе состава, способа введения и дозировки смазки при холодной обработке металлов давлением, и в особенности для штампов армированных твердым сплавом, а также в

случаях ограниченного запаса прочности матрицы.

Таким образом, полученные в гл.З и 4 решения, учитывающие особенности нагружения и эксплуатации деформирующего инструмента в сочетании с ранее известными методами прочностного расчета скрепленных конструкций дают необходимый аналитический аппарат для разработки алгоритма проектирования и расчета деформирующего инструмента повышенной работоспособности.

У. Для получения количественных оценок по аналитическим решениям (гл.4), а также для возможности реализации экспериментальных исследований (гл.З) необходима достоверная информация по усилиям деформирования, а также по уровню и закону распределения контактных давлений в рабочей зоне инструмента. Ограниченные возможности известных методов измерения давлений рассмотрены в гл.1. В главе пятой решены задачи совершенствования известных и разработки новых методов экспериментальных исследований по указанным вопросам.

- Для крупногабаритных инструментальных наладок и особенно при действии значительных по величине усилий применение методов тензометрирования для определения усилий связано, как отмечалось, со значительными сложностями. В работе для этих целей разработан новый способ измерения усилий, исключающий монтаж в штампах дат-чиков-месдоз. Задача решена путем использования пуансон-динамометра, включающего комплект из двух стальных пластин с нормируемым в узком интервале значениями твердости, пространство между которыми заполнено калиброванными твердозакаленными шариками. При контрольных испытаниях установлено, что полученные при помощи пуансон-динамометра максимальные усилия отличаются от данных тензометрирования не более 5%. В производственных условиях за счет применения пуансон-динамометра получен большой массив информации об усилиях. Установлена зависимость максимального усилия при по-

лугорячей калибровке колец роликоподшипников на КИП от номера цикла калибровки в виде Рт - » где Рщ - максимальное

усилие калибровки; Pj - то же - в первом цикле.

По результатам обобщения экспериментальных данных получена полуэмпирическая формула для расчета максимальных усилий при калибровке колец подшипника в интервале температур 20-7Ю°С:

Pmax=K6s(l-W7<-<fO~2í}) (Fmx ¿n (ю>

где К = 2,5 и К = 1,2 - соответственно, для внутренних и наружных колец; , МПа - предел текучести материала заготовки (при i = = 20°С); ¿j - температура заготовки, °С;JU - коэффициент внешнего трения (при t = 680-700°С); d.„ , Н, мм - геометрические параметры поковки; Fntin • ^тах, мм*" - наименьшая и наибольшая площади сечения контейнера и очка при контакте штампов по зеркалу.

По формуле (18) получена важная информация о потребных усилиях штамповки на КПЛП и уровне результирующих силовых нагрузок на инструментальный блок, позволившая рационализировать использование прессового оборудования на 9 ГПЗ.

- В целях ускорения и упрощения экспериментального определения контактных давлений наряду с использованием традиционных мес-доз для тензометрирования деформаций с помощью проволочных т^нзо-датчиков разработаны и использованы при выполнении исследовательских программ новые конструкции точечных месдоз. Их (клиновый са- > мотормоэящийся датчик и датчик, изготовленный из фотоупругого материала) применение позволило исключить использование тензоизме-рительной электронной аппаратуры.

- В тех же целях разработан новый (а.с. 564047; бшл.изобр. 1977.- N25) способ определения контактных давлений, основанный на измерениях деформаций калиброванных выступов на предварительно деформированной заготовке или закладных деталях. Метод использован для измерения контактных давлений при лабораторных испытани-

ях и в производственных условиях. Этим способом установлены, например, при выдавливании инструментальных полостей на модельном материале закономерности распределения контактных давлений по высоте матрицы (рис.Ю). Эпюры имеют вид парабол, веришь» которых определяют максимальное по величине давление в зависимости от величины внедрения пуансона ( ). Установлено: между эпюрами контактных давлений и величиной осевых усилий деформации имеется вполне удовлетворительное согласование (при численные

значения контактных давлений соотносятся как соответствующие значения усилий деформирования).

ш

Рис.10. Эпюры контактных давлений по высоте матрицы. Сплав

Д1.

1 - £//, = б,5мм, Л/) = 3,32 мм

2 - с/л 6,5 мм, аА = 8,30 мм

3 - 12 мм, &/1 = 3,32 мм

4 - 12 мм, лЬ = 5,81 мм. Здесь Сл- диаметр пуансона;

й/} - глубина его внедрения. Эмпирическая зависимость распределения контактных давлений по высоте матрицы получена в виде:

Н,мн

где Н - произвольная точка по высоте заготовки на контактной поверхности.

При обработке экспериментальных результатов по методу наименьших квадратов величина контактных нормальных давлений принималась в виде бк(И) = й » где О , ё , с - коэффициенты,

определяемые по результатам измерений и зависящие от ¿Ь . Полученные результаты использованы в виде базовых для расчета контакт-

них давлений при выдавливании осесимыетричных полостей в инструментальных материалах.

- В работе для определения эпюр контактных давлений на инструмент при холодной высадке шариков и роликов, а также при прессовании алюминиевых сплавов (для контейнеров и пресс-шайб) использованы численные расчеты напряженного состояния на ЭВМ методом конечного элемента. При этом рассматривались расчетные математические модели в связанных задачах "инструмент - деформируемая заготовка". Этот подход позволил исключить экспериментальное определение внешнего теыпературно-силового контактного воздействия на инструмент и усовершенствовать технологию расчетов напряженно-деформированного состояния для широкой номенклатуры деформирующего инструмента.

г

По результатам разработок, выполненных в гл.5, создан экспериментальный, расчетный и расчетно-экспериментальный аппарат для количественной оценки осевых усилий штамповки-прессования и контактных давлений в рабочей зоне инструмента. Эти разработки использованы в алгоритме проектирования и расчета деформирующего инструмента.

У1. Результаты промышленных испытаний различных конструкций деформирующего инструмента, созданных в процессе выполнения исследовательских программ, представлены в гл.6 диссертации.

- При испытаниях стальных двухслойных шаровысадочных штампов и штампов с твердосплавными вставками установлено, что при холодной сборке инструмента на контактной поверхности обойм имеет место пластическая деформация, нарастающая в процессе многократного нагружен ия при штамповке и приводящая к релаксации напряжений. Это проявляется в потере расчетного натяга и, как следствие, уменьшается стойкость инструмента. Увеличение его работоспособности достигается двумя путями: во-первых, за счет перехода к трехслойным

упругим конструкциям, в которых осуществлено снижение пиковых напряжений в элементах конструкции и, во-вторых, применением двухслойных композиций, в которых внутренние слои монолитной обоймы в процессе сборки целенаправленно вводились в область ограниченных пластических деформаций для достижения эффекта автофретажа. Промышленные испытания двухслойных серийных матриц при высадке шариков на Самарском' ПО ГПЗ-4, изготовленные с оптимальным (по износостойкости) натягом при сборке, показали в условиях серийного производства увеличение стойкости в 2,5-3 раза по сравнению с монолитными; твердосплавные двухслойные шариковысадочные матрицы обеспечили повышение стойкости в 14-65 раз. Предельные значения стойкости достигнуты при наличии в материале стальной обоймы пластических деформаций при сохранении необходимого уровня во вставке. В конструкциях скрепленных штампов использованы вставки уменьшенных размеров по сравнению с ранее применяемыми. Это дополнительно повысило эффективность применения твердосплавного инструмента.

- Результатами производственных испытаний скрепленных двух-и трехслойных двусторонних матриц для высадки головок винтов подтвержден экстремальный характер зависимости износостойкости рабочей поверхности от уровня окружных нормальных напряжений б'д , установленный в лабораторных условиях. Совершенствование конструкций стальных матриц для высадки головок винтов на горизонтально-высадочных автоматах (завод КЗАГЭ) по уровню Вд обеспечило повышение стойкости в 8-12 раз.

При испытаниях на том же заводе серийных скрепленных матриц для высадки винтов и заклепок получено по сравнению с монолитным ' инструментом повышение' стойкости в 7-8 раз. Годовой экономический эффект для исследованного типажа инструмента составил более 15 тыс. руб. (в ценах до 1991 г.).

- Полученные в работе результаты и разработки положены в основу алгоритма проектирования и расчета разнообразных тяжелона-груженных скрепленных штампов, внедренных в производство. Алгоритм включает последовательную реализацию следующих этапов:

- анализ причин съёма с эксплуатации типового инструмента для установления факторов, влияющих на прочность его деталей и износостойкость контактных поверхностей. Выбор на этой основе управляемых конструкторскими и технологическими воздействиями факторов;

- экспериментальное (на модельных образцах) определение оптимальных количественных значений управляемых факторов (для скрепленных штампов - определение величины оптимальных значений нормальных окружных напряжений на гравюре особо выделенной вставки);

- определение величин контактных давлений и осевых усилий во время штамповки или прессования;

- номографический расчет геометрии (радиусы разъёмов и натяги в скрепленной конструкции) для выбора упрощенной расчетной модели конструкции;

- численный расчет методом конечного элемента напряженного состояния в инструменте для расчетной модели с реальной конфигурацией гравюры и действительной схемой нагружения;

- опытно-промьшленная проверка работоспособности усовершенствованной конструкции для уточнения его геометрии.

- В качестве иллюстрации фрагмента расчета инструмента методом конечного элемента на рис. II представлена схема разбиения на конечные элементы трёхслойной матрицы для высадки шаров диаметром I 5/16". Результаты выполненных расчетов согласуются с данными номографических расчетов упруго-пластических деформаций в кольцах двухслойной обоймы.

т- На Самарском ПО ГиЗ-9 с положительным экономическим эффектом внедрены сборные стальные матрицы для холодной бысадки кони-

ческих роликов типа 7312 на холодно-высадочных автоматах: стойкость инструмента по сравнению с монолитным увеличена в 4,4 раза. Замена шарикоподшипниковой стали 111X15 (аналогично и для Х12Ф1) при изготовлении вставок роликовысадочных матриц на быстрорежущие стали Р6М5 и ПРЗАМЭФ2 (ЩСЭ63) обеспечило дальнейшее увеличение стойкости (против монолитного - в 12,8 раза).

Рис. II. Схема нагружения и разбиения на конечные элементы заготовки (к.э. 1-25), вставки (к.э. 26-157) и бандажей (к.э. 158-223 и 224-333).

- Методом конечного элемента исследованы закономерности течения металла в инструментальной наладке на Каменск-Уральском металлургическом заводе (контейнер с диафрагмой и рассекателем). По результатам исследований изменено расположение стоек рассекателя, что обеспечило повышение качества прессования алюминиевых шин за счет более равномерного истечения металла при непрерывном прессова-

нии. Годовой экономический эффект составил более 192 тыс. руб. (в ценах до 1991г.).

- Для повышения технологичности прессования при гарантированной прочности однокорпусных пресс-шайб переменного диаметра в работе методом МКЭ выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния в пресс-шайбах на ряде металлургических заводов страны (БКМЗ, КУМЗ, СМПО им.В.И.Ленина). Разработаны рекомендации по усовершенствованию конструкций пресс-шайб, которые апробированы с положительным технико-экономическим результатом (эксплуатация инструмента продолжается).

- Разработан и внедрен новый четырехслойный контейнер на Самарском металлургическом заводе. Экономический эффект от внедрения по каждому контейнеру более 70 тыс. руб. (в ценах до 1991г.).

- Разработанные в диссертации принципы инженерного расчета и проектирования скрепленного инструмента использованы также при расчете матриц для горячего выдавливания клапанов на Самарском "Заводе клапанов". Экономический эффект (с учетом ряда других мероприятий) составил более 53 тыс.руб. (в ценах до 1991г.).

- Применение бандажирования составных вставок в секционном инструменте и в штампах с некруговой гравюрой успешно внедрено на Самарском ПО им.Тарасова. Б сочетании с профильным шлифованием секций обеспечено повышение стойкости инструмента на 20-50$ по сравнению с монолитным инструментом.

- Новые способы экспериментальных исследований износостойкости и контактной жесткости, а также распределения контактных давлений внедрены в учебный процесс и в исследовательскую практику двух отраслевых лабораторий машиностроительного факультета Самарского Государственного технического университета.

Приведенные в шестой главе результаты по апробации и внедрению деформирующего инструмента высокой работоспособности подтвер-

ждены соответствующими актами и справками.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Получено научно-обоснованное техническое решение важной народнохозяйственной задачи соверленствования работоспособности деформирующего инструмента за счет формирования в нем поля конструктивно наведенных остаточных напряжений, обеспечивающих высокую износостойкость рабочих зон.

2. На основе теоретических решений по оценке упругого и упруго-пластического напряженного состояния в скрепленном деформирующем инструменте с особо выделенной вставкой и разработанных инженерных номограмм для аналитических расчетов инструмента на прочность расширены возможности расчета напряженного состояния в моделях сложных деформирующих конструкций, установлены погрешности расчетов при использовании упрощенных граничных условий и численногс метода расчета.

3. Теоретически обоснованы и экспериментально установлены на

. модельных предварительно напряженных образцах качественно одинаковый экстремальный характер изменения износостойкости и контактной жесткости рабочих зон инструментальных объектов от уровня и знака конструктивно наведенных остаточных и результирующих напряжений. Установлены также количественные закономерности формирования поля остаточных напряжений в расчетных моделях поферхностных зон деталей инструмента при финишном шлифовании, что привело к совершенствованию конструкций деформирующего инструмента.

4. Теоретически установлено и подтверждено экспериментально, что в матрице с конической формообразующей гравюрой уменьшение коэффициента контактного трения между заготовкой и матрицей приводи1: к возрастанию в ней уровня растягивающих окружных напряжений, а также к уменьшению уровня предварительно наведенных сжимающих на-

пряжений. Эти результаты учтены при назначении уровней скрепления профильных вставок.

5. Экспериментальной оценкой жесткости (по показателям твердости) поверхностных зон скрепленных двухслойных образцов после шлифования и ПЦЦ установлено:

- после шлифования поверхностная твердость обойм понижается обратнопропорционально уровню натягов в образцах, во вставках -повышается с увеличением натягов; в распрессованных образцах поверхностная твердость обойм возрастает по сравнению с исходной, твердость поверхностных зон вставок - уменьшается пропорционально уровню имевшихся натягов;

- после обкатывания шариком на фиксированных режимах поверхностная твердость образцов возрастает и не зависит от уровней натягов; в распрессованных образцах поверхностная твердость обойм не изменяется, во вставках - уменьшается пропорционально уровню имевших место натягов вплоть до исходных значений. Полученные результаты способствовали совершенствованию технологии механической обработки деталей деформирующего инструмента и улучшению качества рабочих поверхностей профилирующих вставок.

6. Теоретически обоснованы, разработаны и нашли применение неразрушающие инструментальную оснастку методы экспериментального определения величины контактных давлений, действующих со стороны заготовки на деформирующий инструмент, а также методы количественной оценки осевых усилий штамповки и прессования. Использование этих методов привело к совершенствованию технологии измерения контактных давлений и осевых усилий при штамповке и прессовании и к установлению информации, являющейся исходной при расчетах напряженного состояния в деформирующем инструменте.

7. На основе выполненных теоретических и экспериментальных решений разработан и нашел применение алгоритм проектирования и ■

расчета тяжеяонагруженного деформирующего инструмента для холодной высадки и горячего прессования, внедрение которого на ряде машиностроительных заводов страны обеспечило повьшение работоспособности указанного инструмента с подтвержденным годовым экономическим эффектом свыпе 500 тыс. руб. (в ценах до 1991 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Трахтенберг Б.Ф., Векслин И.И. Инженерный метод расчета двухслойных цилиндрических матриц для холодного деформирования. У/Передовой научн.техн. и произв.опыт/ ГОСШГИ.- 1964.64-44/1.- 20с.

2. Векслин И.И., Трахтенберг Б.Ф. Экспериментальное определение усилий при штамповке клапанов выдавливанием на КГШ.//Механика :Сб. тр./КПтИ.- Куйбьшев, 1967,- С.233-236.

3. A.c. 223426 СССР. Способ испытания материалов на износостойкость. /В.ф.Трахтенберг, И.И.Векслин //Бюлл.изобретений.-1968.- »24.

4. Трахтенберг Б.Ф., Векслин И.И. К расчету скрепленных штампов с цилиндрической вставкой для холодной деформации / Механика: Сб.тр.//КПтИ.- Куйбышев, 1969.- C.I3I-I38.

5. Методика расчета и конструктивные особенности скрепленного инструмента для холодной объёмной штамповки: Руководящий материал/ МИНАВТОПРОМ.- Куйбышев, 1969,- 30 с.

6. Векслин И.И., Трахтенберг Б.Ф. Исследование износостойкости инструментальных сталей в зависимости от характера напряженного состояния// Повышение износостойкости и срока службы машин: Сб.докл./ ДНГИ.- Киев, 1970— Вып.П.- С. 15-21.

7. Квазианалоговые испытания штамповых сталей/ Векслин И.И., Кенис М.С., и др.// Производство и исследование быстрорежущих и штамповых сталей: Сб.докл.П научн.-техн.совещания по инструм.ста-

лям.- Запорожье, Москва, 1970.- С. 98-102.

8. Векслин И.И., Ваенский В.Н. Улучшение теплофизических и прочностных свойств штампов в скрепленных конструкциях// Теплофизика процессов механической обработки давлением: Сб.тр./КПтИ.-Куйбыпев, 1970.- С. 245-2«.

9. A.c. 339838 ОХР. Установка для испытания материалов на износостойкость./ И.И.Векслин, А.Г.Москалик, Б.Ф.Трахтенберг// Бюлл.изобретений.- 1972.- №17.

10. Векслин И. И. Измерение технологических усилий штамповки на горизонтально-ковочных машинах//Кузнечно-штамповочное производство.- 1973.- »I.- С. 41-42.

11. Ахматов В.А., Векслин И.И., Лаптев Д.Д. Контактная жесткость предварительно-напряженных поверхностей//Вестн.машиностроения.- 1976.- №7.- С. 27-31.

12. Векслин И.И. Об одной задаче расчета деформации упругой полосы жестким цилиндром// Информационное обеспечение, адаптация, динамика и прочность систем - 74/ Тольят.политехи.ин-т.-Куйбышев, 1976.- С. 505-506.

13. A.c. 564047 СССР. Способ определения контактных давлений при холодной штамповке./ И.И.Векслин, Б.Ф.Трахтенберг// Билл.изобретений.- 1977.- »25.

14. Использование нового метода для определения контактных давлений на матрицу поддержки и её прочностной расчет/ Векслин

И.И., Калинин Б.Г. и др.// Повышение, качества и эффективности изготовления технол.оснастки методами пластич.деформирования: Сб. докл./Таллинск.политехи.ин-т.- Таллин, 1977.- С. 15-17.

15. Зависимость поверхностной твердости от предварительных напряжений и методов обработки/ Папшев Д.Д., Векслин И.И. и др. //Прогрессивн.технолог.методы повыиения надежности и долговечности деталей машин- и инструментов: Межвузовск.сб.тр./КуАИ, КПтИ,-

Куйбышев, 1977.- С. 53-57.

16. Методика экспериментального определения контактных давлений на матрицу поддержки при выдавливании глубоких полостей/ Векс-лин И.И., Хамин О.Н. и др.//Теория расчета и конструирование деформирующего и формообразующего инструмента:Сб. тр./КуАИ, КПтИ.- Куйбышев, 1979.- Бып.З.- С. 26-28.

17. Некоторые особенности проектирования сложкопрофильных матриц для холодной штамповки/ Москалик A.C., Векслин И.И. и др. //Теория расчета и конструирование деформирующего и формообразующего инструмента: Межвузовс.сб.тр./КуАИ, КПтИ.- Куйбышев, 1979.-Вып.З.- С. 99-116.

18. Новый метод экспериментального исследования распределения давлений на стенки контейнера при холодной осадке в закрытой полости/ Векслин И.И., Шостак Б.Ю. и др.//Кузнечно-штамповочное производство.- 1979.- И.- С. II—12.

19. Векслин М.И., Москалик А.Г., Золотов А.Д. Измерение контактных давлений при холодной штамповке полюса генератора/ Теория расчета и конструирование формообразующего и деформирующего инструмента: Иежвузовс.сб.тр./КуАИ, КПтИ.- Куйбышев, 1981.- С. 20-25.

20. Векслин И.И., Ваенский В.Н. Влияние смазки на напряженное состояние холодных штампов при наличии конических формообразующих поверхностей//Изв.вузов. Машиностроение.- 1982.- №11.- С. 147-150.

21. Векслин М.И., Дробязко И.С. Исследование стойкости матриц сборной конструкции для холодной высадки/'' Кузнечно-штамповочное производство.- 1983.- №11.- С. 39-40.

22. Хамин О.Н., Векслин И.И., Трахтенберг Б.Ф. Экспериментальное исследование контактных давлений при выдавливании осесимметричных полостей//Кузнечно-штамповочное производство.- 1984.- №2. - С. 14-15.

'23. Векслин И.И., Смагин В.М. Фотоупругий датчик для измере-|ия контактных давлений//Кузнечно-штамповочнео производство.-984.- т.- С. 27-28.

24. Векслин И.И. Упруго-пластический расчет двухслойных мат->иц для холодной высадки//Изв.вузов. Машиностроение.- 1985,- №8.-■ С. 98-101.

25. Моделирование работы пресс-шайбы переменного диаметра с юмоцыо метода конечного элемента/ Щеголеватых В.Д.,Векслин И.И., [ др.//Всесоюзн.конф.по прессованию металлов: Докл./ Москва, Ка-[енск-Уральский - М., 1985.- С. 150-152.

26. Векслин И.И., Дробязко И.С. Исследование технологических 'силий при полугорячей калибровке деталей подшипников//Кузнечно-•штамповочное производство.- 1986.- №5.- С. 28.

27. Иванов Ю.И., Векслин И.И., Черкесова JI.А. Исследование (апряхенно-деформированного состояния в зоне шлифования методом ¡онечного элемента//Изв.вузов. Машиностроение.- 1989.- №3.- С. :37-142.

28. Напряжения в пресс-шайбах переменного диаметра/ Щеголе-1атых В.Д., Векслин И.И. и др.// Вопросы авиац.науки и техники. !ер. Технология легких сплавов.- Вып.1.- 1989.- С. 44-48.

29. Векслин И.И., Хамин О.Н. Напряженное состояние полых ;олстостенных цилиндров при произвольном законе нагружения осесим-(етричной полости//Тр.научттехн.конф. фак.мат.знаний КПтИ.- Куй-¡ышев, 1980.- Ч.1.- С. 25-30.-Дел. в ВИНИТИ 03.03.82, №895.

30. Напряженно-деформированное состояние соединений труб при шительном статическом нагружении в условиях повышенных температур ' Баркан Б.С., Векслин И.И. и др.//Совершенствование эксплуатации (ефтепромысловых труб: Сб.тр./ВНШТНЕФТЬ.-Куйбышев, ВНИИГНЕФГЬ, :991.- С. 91-94.