автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства винтовой прокатки точных полых заготовок малого диаметра

На правах рукописи

МАТЮХ Алексей Иванович

УДК 621.774.353

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВИНТОВОЙ ПРОКАТКОЙ ТОЧНЫХ ПОЛЫХ ЗАГОТОВОК МАЛОГО ДИАМЕТРА

Специальность 05.16.05 -"Обработка металлов давлением"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Лауреат премии Совета министров СССР профессор, доктор технических

наук Вавилкин Н.М.

\

\

\

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Современные способы производства точных полых заготовок для деталей ответственного назначения

1.2. Анализ влияния технологических факторов на основные параметры процесса прошивки

1.3. Методы исследования теплового состояния деформируемого металла и технологического инструмента в процессах ОМД

1.4. Методы оценки точностных параметров полых заготовок и влияния на них основных технологических факторов

1.5. Выводы и постановка задач исследования ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОШИВКИ В СТАНАХ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

2.1. Методика расчета геометрических и деформационных параметров

2.1.1. Расчет геометрических параметров очага деформации

2.1.2. Расчет деформационных параметров процесса прошивки

2.1.3. Расчет кинематических и энергосиловых параметров прошивки

2.1.4. Программа расчета геометрических и деформационных параметров очага деформации

5 8

12

20

27 32

35

36 36 39 41

8

2.2. Анализ влияния основных факторов прошивки на геометрические и деформационные параметры процесса 47

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА ПРОШИВНОГО СТАНА 68

3.1. Математическая модель теплового состояния очага деформации прошивного стана и рабочего инструмента прошивного стана 68

3.1.1. Математическая формулировка задачи 69

3.1.2. Метод решения задачи сопряженного теплообмена 80

3.2. Исследование теплового состояния технологического инструмента прошивного стана 8 9

3.2.1. Исследование теплового состояния валка прошивного стана 90

3.2.2. Исследование теплового и термонапряженного состояния оправок конической и сферической калибровок 94

3.2.3. Исследование теплового эффекта деформации при прошивке 116

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЫХ ЗАГОТОВОК 12 6

4.1. Анализ точностных параметров полых заготовок 127

4.2. Корреляционно-регрессионный анализ закономерностей формирования толщины стенки

полой заготовки 134

4.2.1. Методики расчета геометрической

модели полой заготовки 135 4.2.2. Анализ формы геометрических моделей полых заготовок 13 6 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПР0ИЗВ0ДСВТВА ТОЧНЫХ

ПОЛЫХ ЗАГОТОВОК 14 4

5.1. Оборудование технологической линии 145

5.1.1. Роликовый зацентровщик 145

5.1.2. Прошивной стан СВПД-4 0 150

5.1.3. Шнековый холодильник 155

5.2. Технологический процесс производства

точных полых заготовок малого диаметра 161

5.2.1. Резка сортового проката на заготовки мерной длины 161

5.2.2. Нагрев мерной заготовки 162

5.2.3. Зацентровка заготовок 162

5.2.4. Прошивка 163

5.2.5. Контролируемое охлаждение полых заготовок 164

5.2.6 Статистическая обработка точностных параметров выборочной партии 164 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 168 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 171 ПРИЛОЖЕНИЕ 184

ВВЕДЕНИЕ

Снижение расходного коэффициента металла, достижение высокой эффективности производства и повышение качества изделий являются для машиностроительных предприятий задачами первостепенной важности. Полые заготовки нашли широкое применение в производстве валов турбин и коробок переключения передач, втулок, подшипниковых колец, стволов охотничьих ружей и др., и составляют сегодня значительную долю объема производства машиностроительных предприятий. Исследованиями, проводимыми в Московском институте стали и сплавов в последние годы доказана принципиальная возможность и высокая по сравнению с другими способами эффективность производства точных полых заготовок методом винтовой прокатки в прошивном стане, позволяющая отказаться от многочисленных промежуточных технологических операций. Одним из ключевых факторов достижения экономичности и эффективности массового производства полых заготовок является высокая точность изделий. Нестабильность точностных параметров и механических свойств обычно вызвана конструктивными недостатками прошивных станов, невысокой износостойкостью технологического инструмента и существенно нестационарным температурным полем в очаге деформации.

В силу названных причин, исследования направленные на совершенствование оборудования и технологии прошивки полых заготовок малого диаметра с целью улучшения качества и эффективности производства являются весьма актуальными .

Настоящая работа посвящена комплексному исследованию особенностей прошивки полых заготовок на основе современных методов математического моделирования и экспериментальных исследований, совершенствованию технологического процесса их производства.

С использованием методов математического моделирования проведено комплексное исследование основных параметров прошивки в стане винтовой прокатки. Выявлено влияние основных факторов (углов подачи и раскатки, калибровок инструмента и др.) на геометрические, кинематические, деформационные, и энергосиловые параметры прошивки в диапазоне обеспечивающем стабильное качество полых заготовок .

Численным решением дифференциального уравнения теплопроводности были определены следующие важнейшие технологические параметры: тепловое и термонапряженное состояние в объеме оправки заданной калибровки, тепловое состояние металла заготовки в очаге деформации, температура заготовки после прошивки, тепловое состояние технологического инструмента прошивного стана. Предложена методика оценки износостойкости и выбора материала для изготовления прошивных оправок.

Разработана методика оценки точности полученных гильз, основанная на статистических методах. На основе корреляционно-регрессионного анализа установлен ряд технологических факторов являющихся причиной статистически закономерных нарушений точности полых заготовок.

Разработан пакет компьютерных программ, позволяющих прогнозировать важнейшие параметры протекания процесса

прошивки и эффективно управлять основными технологическими факторами для достижения высокой точности и других качественных показателей полученных полых заготовок. На основании проведенных исследований предложены компоновка клети и калибровки технологического инструмента специализированного прошивного стана, новый зацентровщик, разработано устройство охлаждения заготовок с заданной скоростью и технология производства точных полых заготовок.

На защиту выносятся: технология производства полых заготовок из широкого спектра материалов; программа расчета основных параметров прошивки и математическая модель теплового состояния очага деформации и технологического инструмента прошивного стана; методика оценки и анализа точности полых заготовок.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Современные способы производства точных полых заготовок для деталей ответственного назначения

Полые заготовки (сравнительно короткие толстостенные трубы 0<50мм; 0/Б<5; Ь=250...800мм) широко применяются в современном машиностроительном производстве для изготовления колец, втулок, полых осей, элементов гидравлических систем, стволов охотничьих ружей.

Наиболее распространенными способами получения полых заготовок являются механическая обработка и методы основанные на пластической деформации материалов. Являясь наиболее простым способом получения полых заготовок и изделий из них, механическая обработка в то же время характеризуется значительными отходами металла в стружку, повышенным расходом дорогостоящего инструмента, низкой производительностью [1,2].

Одним из существующих способов получения такого класса полых заготовок является их прессование на трубопро-фильных прессах и последующей раскаткой на трехвалковом стане. Особенностью процесса прессования является благоприятная схема напряженного состояния: всестороннее равномерное сжатие. Это позволяет обрабатывать (прессовать) трубы из различных труднодеформируемых и малопластичных марок стали. Открытая прессовая прошивка в последнее время применяется редко из-за невысокой точности получаемых полых заготовок, наличия на их внутренней поверхности многочисленных дефектов (особенно в районе заднего при прессовании торца), повышенного расходного коэффици-

ента за счет выпрессовки сердцевины заготовки. Заполняющая прошивка, закрытая (нарастающая) прошивка в глухом контейнере и сквозная прошивке в контейнере с матрицей позволяют устранить ряд указанных недостатков [3-5]. В целом прессование труб, обладая значительными технологическими возможностями, имеет ряд существенных недостатков. Высокие требования к качеству наружной поверхности исходных заготовок обусловливает необходимость из предварительной обточки, что повышает расход материала. Исходной заготовкой является полая гильза, полученная, как правило, сверлением, что также снижает коэффициент использования металла. Стойкость инструмента (матриц, игл, прессшайб, втулок контейнеров) невысокая из-за воздействия значительных температурно-силовых нагрузок [3,4]. Кроме того, прессованные трубы имеют повышенную разно-стенность, связанную с неустойчивым положением прошивной иглы на оси прессования [5].

Сравнительно новым процессом получения полых заготовок является прошивка в стане продольной прокатки (прессвалковая прошивка)[4,6]. Напряженно-деформированное состояние заготовки в очаге деформации характеризуется при прессвалковой прошивке всесторонним сжатием. Существенное достоинство метода в возможности использования непрерывнолитой заготовки, однако разно-стенность полученных этим способом заготовок незначительно меньше, чем при прессовании [7].

Кроме того, в мировой практике известны несколько технологических процессов производства толстостенных труб малого диаметра. Основной операцией большинства из них является раскатка в трехвалковом стане, а операция

прошивки осуществляется в двухвалковом прошивном или прессвалковом стане [7,8]. В зависимости от назначения к качеству труб предъявляются требования по ГОСТам или специальным техническим условиям; горячекатаные трубы изготавливают по ГОСТ 8732-70 (обычной точности) и ГОСТ 9567-75 (повышенной точности). Для труб диаметром до 50 мм разрешается допуск по наружному диаметру при обычной и повышенной точности соответственной 0,5 мм и 0,35 мм. По толщине стенки допуск составляет 12,5-15% и 12,5%, если толщина стенки не превышает 15 мм соответственно при обычной и повышенной точности.

Трубы, требования к точности и качеству которых не могут быть обеспечены при горячей прокатке, производят холодным деформированием. В этом случае заготовкой является горячекатаная труба. Операцию холодного деформирования осуществляют на станах холодной прокатки (ХПТ, ХПТР, ХПТС), на волочильных станах и пр. Возможны различные комбинации способов деформирования [9]. В качестве общих недостатков можно указать относительно невысокую точность (поперечная разностенность более 8%), формируемая, как правило, на стадии прошивки и высокая себестоимость, обусловленная большим количеством технологических операций.

Одним из наиболее прогрессивных способов получения полых заготовок из самых различных марок сталей и сплавов является прошивка в валковых станах винтовой прокатки [11-15]. Процесс прошивки в станах винтовой прокатки известен давно, и достаточно хорошо изучен. Исследованиями, проводимыми в Московском институте стали и сплавов в последние годы доказана принципиальная возможность

и высокая по сравнению с другими способами эффективность производства точных полых заготовок методом винтовой прокатки в прошивном стане, позволяющая отказаться от многочисленных промежуточных технологических операций [16-23] .

Однако, существующие оборудование и технология мало учитывают особенности прошивки гильз малого диаметра, такие как, невысокую стойкость инструмента, в частности прошивных оправок малого диаметра, проблемы, связанные с малым диаметром справочного стержня, необходимостью снижения расходного коэффициента, повышения качества прошиваемых заготовок и другие [16,19,21-23]. Одной из важных задач оптимизации процесса прошивки является повышение точности гильз. Ряд проблем связан с конструктивными особенностями прошивного стана и другого оборудования в технологической линии производства полых заготовок. Опытом промышленной эксплуатации доказана нерациональность использования традиционных промышленных прошивных станов в производстве полых заготовок малого диаметра. Вместе с тем, проектирование нового оборудования простым уменьшением существующего не приводит к желаемым результатам. Для всесторонней комплексной оптимизации технологического процесса, а также совершенствования конструкции агрегатов в линии производства точных полых заготовок необходим анализ технологических факторов и их влияния на основные параметры процесса.

1.2. Анализ влияния технологических факторов на основные параметры процесса прошивки

Для прошивки сплошных заготовок в гильзы широко применяются валковые станы, различающиеся по форме валков (бочковидные, чашевидные, грибовидные и дисковые). Настройка таких станов осуществляется изменением улов подачи (3 и раскатки 5, причем угол раскатки, как правило, задается конструктивно. В станах с бочковидными валками угол раскатки 5=0, с грибовидными валками 8>0, с чашевидными 8<0. Дисковые станы, характеризующиеся наличием смещения оси поворота валков, применяются сравнительно редко, поэтому далее не рассматривались [9]. Таким образом, в общем случае, задача оптимизации технологического процесса прошивки полых заготовок малого диаметра разделяется на две области: выбор рациональных конструктивных особенностей оборудования и оптимальных технологических факторов для достижения высокого качества изделий.

В теории и практике обработки металлов давлением основные параметры процессов пластической деформации разделятся на геометрические, кинематические, деформационные и энергосиловые [10,11]. Методы их определения делятся на экспериментальные и теоретические, а также сочетающие в себе достоинства каждого из подходов -комбинированные. Экспериментальным методам посвящены фундаментальные труды известных ученых Полухина П.И., Потапова И.Н., Шевакина Ю.Ф. и многих других. Такой подход дает точные объективные данные, но имеет ряд недос-

татков, связанных со значительной трудоемкостью исследований. Из современных работ можно отметить монографию [17] в которой детально рассмотрены и экспериментально исследованы основные параметры прошивки в стане винтовой прокатки в зависимости от применяемых калибровок инструмента и технологических режимов. Можно отметить и работу [25], где авторами предложен статический метод экспериментального исследования параметров процесса прошивки.

Теоретические методы позволяют создавать сложные математические модели основанные на установленных закономерностях процесса [26-30]. Математические модели позволяют исследовать широчайший диапазон варьируемых факторов и оптимизировать процесс согласно различным целевым функциям. Однако и такой подход не лишен недостатков. В первую очередь они связаны со значительными трудностями моделирования течения металла в очаге деформации, при этом допущения, принимаемые авторами, зачастую значительно снижают точность расчетов.

Автор работы [2 6] обобщает опыт использования математического моделирования при исследовании, оптимизации и проектировании технологических процессов обработки металлов давлением. Рассмотрены несколько примеров моделирования тепловых задач, имеющих технологическое значение для проектирования и оптимизации процессов. Особое значение для повышения точности расчетов имела постановка и решение сопряженных контактных температурных задач ОМД, а также термоупругих задач для определения напряжений в заготовках и изделиях.

Теоретические основы моделирования процессов пластической деформации разработаны коллективом ученых под руководством Г.Я.Гуна [27].

В работе [30] предлагается использовать в качестве критерия для оценки режима деформирования при прошивке накопленную степень деформации Л (параметр Одквиста). Параметр позволяет учесть факторы, влияющие на дробность деформации: настройку стана, калибровку валков, суммарное обжатие, диаметр заготовки, коэффициент овали-зации, диаметр валка и другие. В зависимости от технологических задач параметр А должен минимизироваться (стали обладающие пониженной пластичностью) или максимизироваться (с целью лучшей проработки структуры при использова