автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Создание новых и совершенствование существующих процессов холодной штамповки гаек с целью повышения качества и эффективности производства

Г и ().;

На правах рукописи

Артюхин Владимир Иванович

СОЗДАНИЕ НОВЫХ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ ГАЕК С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.16.05 "Обработка металлов давлением"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск -1997

Работа выполнена на Магнитогорском метизно- металлургическом заводе, в Магнитогорской горно-металлургической академии им. Г.И.Носова.

Научные руководители доктор технических наук,

профессор Паршин В.Г.;

кандидат технических наук, и.о. доцента Железков О.С.

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор Денисов П.И.;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Павлов A.M.

АО "Магнитогорский калибровочный завод"

Защита состоится " ^ " июня 1997г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 063.04.01 в Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им. Г. И. Носова по адресу. 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38. МГМА, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорской государственной горно- металлургической академии им. Г.И.Носова.

Автореферат разослан" & " 1997 ГОда

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук и> Селиванов В.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Производство гаек повышенной точности без дефектов- давняя проблема, но и сегодня она остается актуальной. Изготовление таких деталей холодной объемной штамповкой на многопозиционном оборудовании наиболее экономично. Но возникают трудности, связанные с качеством оформления изделий, дефектами, получением свойств и стойкостью инструмента. Перевод производства гаек повышенной прочности с точения на холодную многопереходную штамповку из среднеуглеродистых и легированных сталей усиливает и обостряет нерешенные проблемы. Вместе с тем, известные исследования процессов холодной штамповки гаек не учитывают особенностей многопереходной штамповки. При решении задач расчета энергосиловых параметров не исследована кинематика течения деформируемого, материала, не определен конструктивный параметр штамповки, ограничивающий деформацию заготовки, соответственно рост усилия. Не установлена взаимосвязь между конструктивно-технологическими параметрами, определяющими качественное оформление заготовок, с условиями деформации. Оценка технологичности новых способов производится по усилиям, рассчитанным по эмпирическим формулам, которые не учитывают влияние предварительного деформирования материала и конструктивных параметров заготовок. Это не позволяет разработчику на стадии проектирования оценить эффективность введения в процесс штамповки того или иного элемента конструктивного решения. В итоге создается множество способов, технологий. Оценить их можно только при штамповке. Результаты могут не принести ожидаемого эффекта.

В диссертации представлен комплексный подход к решению технических задач в условиях действующего предприятия с применением автоматизированного проектирования (САПР).

Цель работы. Создание новых и совершенствование существующих технологий изготовления гаек многопереходной холодной штамповкой, направленных на повышение качества и расширение сортамента выпускаемой продукции.

При реализации цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния конструктивно-технологических параметров штамповки гаек на качество изделий и величину технологического усилия.

2 Исследование кинематики течения деформируемого материала и построение математической модели формоизменения заготовок гаек. 3. Разработка алгоритмов проектирования и расчета энергосиловых па-

раметров многопереходных процессов холодной штамповки гаек.

4. Создание прикладных программ автоматизированного проектирования технологических процессов холодной штамповки гаек.

5. Создание и внедрение новых способов и технологических процессов изготовления гаек холодной штамповкой.

Научная новизна. 1. На базе многофакторного эксперимента определено влияние конструктивно-технологических параметров штамповки гаек на качество изделий и величину технологического усилия. Исследовано упрочнение сталей и неравномерность деформации.

2. С использованием метода конечных элементов разработана методика расчета зависимостей изменения усилий штамповки гаек от реальных конструктивных особенностей процесса формоизменения. Исследована кинематика течения металла.

3. Экспериментально установлено и исследованием методом конечных элементов подтверждено, что величина технологического усилия определяется условием выдавливания деформируемого материала в зазор между деформирующим инструментом.

4. Методом конечных элементов, с использованием вариационного принципа минимума полной мощности, определены рациональные фор-мы деформирующего инструмента.

5. Предложен новый критерий оценки качества штамповки, равный отношению диаметра опорной поверхности к размеру 'под ключ"- коэффициент настройки;

6. Аналитически определены диапазоны приоритетного использования конструктивно- технологических параметров заготовок, обеспечиваючцих получение качественных изделий.

7. На базе результатов, полученных при исследовании процесса холодного деформирования гаек экспериментальным и теоретическими методами, с применением теории подобия разработана многопараметрическая регрессионная модель формоизменения заготовок.

8. В рамках математической модели и результатов исследований созданы алгоритмы проектирования технологических процессов многопереходной штамповки гаек и расчета энергосиловых параметров. По алгоритмам созданы прикладные программы автоматизированного проектирования технологических процессов штамповки гаек.

9. Дополнены сведения о видах дефектов, возникающих на гайках при холодной штамповке, причинах их появления и мерах устранения.

Практическая ценность. Определены наиболее эффективные, с точки зрения управления качеством продукции, методы совершенствования технологических процессов изготовления крепежных изделий.

Созданы прикладные программы автоматизированного проектирования технологических процессов гаек, конструирования инструмента и оснастки.

На уровне изобретений разработаны новые способы изготовления гаек. На способы получены авторские свидетельства N1690942, N1830787 и положительное решение от 7.02.96 г. о выдаче патента по заявке.^95107763.

Исследованы механические свойства сталей, используемых при холодной штамповке гаек.

Разработаны конструкции роторного устройства для формирования резьбы в гайках и гаечных метчиков с вышлифованной в шахматном порядке резьбой. На роторное устройство получено авторское свидетельство N1826248.

Составлен классификатор дефектов на гайках.

Реализация работы. Прикладные программы автоматизированного проектирования используются в техническом центре Магнитогорского метизно- металлургического завода (МММЗ) при проектировании технологий, разработке чертежей и оснастки. С использованием результатов работы и новых способов на МММЗ освоено производство гаек по Ш555, 01№34, улучшено качество гаек по ГОСТ5915-70. ГОСТ6927-70, расширен сортамент по классам прочности 5 и 8. Внедрено устройство для испытания резьбовых изделий (а.с.Ш658016). Использование классификатора дефектов позволило снизить количество брака за счет своевременного выявления и устранения причин его появления. Выход годной продукции на экспорт вырос с 64 до 91%.

Внедрен технологический процесс изготовления заготовок гаек М8 для роторной линии ЛШГ-8.

Апробация работы. Основные положения работы изложены и обсуждены на: Всесоюзной научно-технической конференции "Оостоянил я перспективы создания высокопроизводительного КПО",Москва, ВДНХ, 1987; научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, ВНИИметиз, Магнитогорск, 1988; Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве", Магнитогорск, 1990; Межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века*, Магнитогорск, 1996; городской конкурс программных продуктов "МАГПРО 97", Магнитогорск, МГМА, 11-12 марта, 1997.

Публикации. Результаты работы отражены в 13 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 161 с. машинописного текста, 45 рис., 15 табл., список литературы из 101 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе, проведен анализ основных существующи; способов изготовления гаек холодной объемной штамповкой, методсб теоретических исследований и принципов построения автоматизированного проектирования.

Анализ способов изготовления гаек показал, что при яв|(ом преимуществе многопереходной штамповки известные способы умеют недостатки. Они заключаются в высокой энергоемкости, неравномерном распределении усилий штамповки по переходам, повышенньх требованиях к исходному металлу, нестабильном получении изделий повышенной точности и прочности, повышенных требованиях к точности прессового оборудования. Отходы материала достигают 18-25%.

Вполне реальной представляется попытка увязать применение технических приемов с формообразованием и получением необходимых свойств. При этом необходимо учитывать изменение механических свойств деформируемого материала по всему переделу. Наконец, следует предусмотреть возможность применения микролегированных марок сталей, позволяющих использовать термическую обработку для получения высокопрочных изделий. Не имеют доказательного подтверждения соображения о роли схемы течения деформируемого материала при многопереходной штамповке и влиянии конструктивных параметров инструмента (формируемых заготовок) на условия течения. Решение данной проблемы следует рассматривать комплексно с проведением необходимых экспериментальных и теоретических исследований.

Вопросы теории штамповки крепежных изделий рассмотрены в работах И.Я.Тарновского, ОАГонаго, Л.Г.Степанского, В.А. Евстратова,

B.Г.Паршина, Р.К.Ведерникова, Х.Кудо, В.И. Соколовского и др. авторов. Для решения конкретных технологических задач ОМД используются методы, основанные на введении упрощающих допущений, позволяющих преодолеть математические трудности. Это: метод совместного решения приближенных уравнений равновесия и уравнения пластичности

C.И. Губкина, Е.П. Унксова и др.; линий скольжения (метод характеристик) АДТомленова, В.Джонсона; сопротивления металлов пластическим деформациям ГАСмирнова-Аляева; энергетический с использованием вариационных принципов механики сплошных сред И. Я. Тар-новского, В.Л.Колмогорова, Г.Я. Гуна, Р. Хилла, ААПоздеева; конечно-разностный (метод конечных и граничных элементов) Л.Сегерлинда, Е.М.Морозова, В.И.Ураждина, А.З.Журавлева, Л.Г.Степанского и др. Основная проблема упомянутых методов заключается в достоверности задания граничных условий, точности полученных результатов, боль-

шинство авторов рассматривают конечную стадию формоизменения. В этот момент интенсивность роста усилия деформирования достигает максимального значения при минимальной деформации.

Наиболее удачную расчетную схему формирования заготовки гайки пластической деформацией предложили В.И. Соколовский и С.В.Бу-таков [24]. Расчетная схема рассматривалась по высоте как половина объема заготовки, считая заготовку симметричной. "Учитывая симметричность формы заготовки выделен элемент объема, ограниченный плоскостью, проходящей через середину грани многогранника и центральную ось, а также плоскостью, проходящей через вершину угла многогранника и центральную ось." Для математического описания характера течения металла весь объем выделенного элемента разбит на три зоны. Рассмотрен характер течения металла отдельно в каждой зоне с учетом условий на границах зон. Для приближенного решения выбраны координатные функции, удовлетворяющие граничным условиям и отражающие течение металла, а условие несжимаемости наложено как дополнительное ограничение на функционал. Таким образом, задача безусловной минимизации сведена к задаче поиска минимума функционала с дополнительными условиями. Благодаря этому упрощен выбор координатных функций скоростей. Выбранные функции скоростей позволили представить мощность и усилия деформирования в виде функций технологических параметров процесса, размеров заготовки, свойств материала. При решении функционала получены численные значения и построены графики зависимостей изменения усилия деформирования от деформации и конструктивно-технологических параметров (условий трения на поверхности заготовки, размеров формируемой полости для наметки отверстия, величины предварительной деформации и механических свойств деформируемого материала -стали 12Х18Н10Т).

Формирование гайки из цилиндрической заготовки рассмотрено за один переход в многогранной матрице. В работе не учтены особенности многопереходной штамповки. Схема и форма инструмента лишь условно соответствуют реальным. Не установлена взаимосвязь между конструктивными параметрами, определяющими качество оформления заготовки, с усилиями и конструктивно-технологическими параметрами штамповки. Не определен конструктивный параметр, ограничивающий деформацию заготовки и предельную величину усилий.

Обзор принципов построения автоматизированного проектирования показал преимущество использования специализированных программ, созданных на базе систем автоматизации конструкторского и технологического проектирования CAD, таких как AutoCAD, CADDI, Компас-график, DUCT, EUCLID и др.

Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования влияния конструктивно-технологических параметров холодной штамповки гаек на качество и технологическое усилие.

На первом этапе исследований проанализированы стадии формоизменения заготовок гаек при многопереходной штамповке. Анализ позволил описать и выделить основные: свободную осадку заготовки; закрытую штамповку с выдавливанием металла из области грани в область ребра заготовки; выдавливание металла в фаску; закрытую осадку торцевой фаски и др. В формообразование по переходам производят по разным схемам деформации. Как правило, имеет место сочетание нескольких стадий формоизменения, переходящих или дополняющих одна другую. Можно сделать вывод о сложном ха-рактере процесса пластического формоизменения при штамповке гаек.

На втором этапе исследована деформационная неоднородность в гайках. Методом твердости построены поля распределения степени деформации в меридианальных сечениях заготовок. В качестве модели использованы заготовки шестигранных гаек М20 по ГОСТ5915-70 из стали Юкп. На меридианальных плоскостях разрезов, выполненных через ребро и середину грани боковой поверхности заготовок, в установленном порядке производили замер твердости. По построенному тариро-вочному графику (огн\Л£|) в каждой точке замера определялась степень деформации Е|. Предел текучести деформируемого металла рассчитан по экспоненциальной зависимости, предложенной В.М. Розенберг и ГАСмирновым-Аляевым. Кривые упрочнения для сталей Юкп, 20Г2Р, 12Г1Р и 12Х18Н10Т построены путем испытания на растяжение образцов с определением коэффициентов а^д, С и сг. Особенно сильно деформационная неоднородность выражена на заготовках 4 перехода. Разброс значений степени деформации достигает е=0.36-2.07. Значительный перепад степени деформации имеется в месте перехода от области перемычки к боковой поверхности заготовки (£=0.6-1.6).

На третьем этапе установлено влияние конструктивно-технологических параметров многопозиционной штамповки на качество формирования гаек и силовые параметры процесса штамповки. Определен диапазон приоритетного использования конструктивных параметров (размеров фасок и полостей), обеспечивающий получение качественных изделий. Установлен оценочный критерий настройки оборудования при штамповке- параметр настройки с!\л/.

Анализ результатов исследования показал.

1. При степенях деформации е=0.025-0.15, соответствующих деформациям заготовок по переходам при многопереходной штамповке, среднее изменение угла образующей фаски приблизительно равно ±5°.

Угол образующей к опорной плоскости предварительно сформированной фаски, превышающий 50°, в процессе деформации увеличивается , а угол 45° и менее, уменьшается на величину в среднем 5°.

2. Наличие фасок позволяет деформировать заготовку на последующей операции на 13-16% с большей степенью, добиваясь лучшего заполнения ребер без опасения выдавливания металла в заусенец между деформирующим пуансоном и матрицей.

3. Использование разной высоты пирамидок, формирующих полости, выравнивает удельную нагрузку на опорные плоскости и оформление опорных поверхностей. Наиболее благоприятные условия для получения качественной заготовки гайки расположены в диапазоне И1/И2= 1.4-1.9, где М и Ь2~ глубина полости наметки со стороны задающего и выталкивающего пуансонов.

4. Выдавливание полостей под прошивку отверстия способствует полному оформлению шестигранника, повышению точности прошивки отверстия под резьбу и снижени»отходов металла.

Исследования подтверждают и уточняют степень и характер влияния полостей на процесс формообразование гаек. Формирование полостей целесообразно проводить одновременно с формированием шестигранника. Установлено, глубина М/Н =(0.35-0.5)Н, где Н- высота заготовки гайки, обеспечивает качественное оформление шестигранника при относительно невысоких значениях усилий штамповки.

Качественное оформление многогранника не всегда является заключительным этапом формообразования заготовки.С увеличением глубины полостей формирование многогранника наступает раньше чем опорных поверхностей (йи/). При выдавливании полостей глубиной И1> О З Н, параметр с№ становится основным, определяющим конечный момент формоизменения заготовки. Параметр с!\№ можно характеризовать как оценочный критерий настройки оборудования при штамповке-коэф-фициентом настройки. Но йю по диаметру формируется не равномерно, изменяется от максимального значения в направлении от ребра к ребру, до минимального значения в направлении, проходящем через середины противоположных граней. Экспериментально установлено, что при с№з> О.Эб-Б начинает формироваться заусенец по с1\«г. При проектировании технологии его можно использовать как технический параметр, определяющий конечное значение технологического усилия.

5. В процессе исследования разработан способ, снижающий контактное трение металла о деформирующий инструмент в самой напряженной зоне, перемычке, до величины жидкостного трения по всей площади деформируемого металла, контактирующего с жидкостным буфером. Способ реализован путем замыкания жидкости между инструмен-

том и деформируемым материалом в процессе штамповки с формированием полости. Использование жидкостного буфера снижает нагрузку на инструмент. За счет возможности применения глубокого выдавливания снижается металлоемкость штамповки, улучшается заполнение углов многогранника. Наибольший эффект использования жидкостного буфера наблюдается при двухстороннем встречном выдавливании полостей под последующую прошивку отверстия. Возможно получить перемычку минимального объема. В опытном порядке с двух сторон заготовок выдавливали полости суммарной глубиной, составляющей 0.85Н. Указанный размер лимитирован тем, что обеспечивает минимальный гарантированный зазор между пуансонами, даже в случае отсутствия между ними деформируемой заготовки.

6. Наличие дефектов исходного металла являются одной из основных причин появления дефектов на гайках. В работе получена количественная и качественная оценка влияния дефектов исходного металла на качество гайки. Установлено, что допускаемые по ГОСТ 1070278 дефекты не всегда обеспечивают получение качественного изделия. Испытание на осадку не во всех случаях может гарантировать необходимое качество металла, так как при этом не учтена неравномерность распределения дефеетов по длине бунта. По результатам составлен классификатор дефектов на гайках.

Полученные экспериментальные результаты обрабатывались по типовой методике определения доверительных' интервалов для малых выборок случайных величин. При проведений статистической обработки принимался уровень значимости Р1ф равным 0.95.

Третья глава, посвящена определение усилий холодной штамповки гаек. В главе изложено описание разработки многопараметрической регрессионной модели формоизменения гаек на базе теории подобия. Используя результаты экспериментальных исследований и численных значений, полученных при исследовании процесса холодного деформирования гаек вариационным методом разработана многопараметрическая регрессионная модель формоизменения гаек. Степень деформации сдвига- это относительная величина, инвариантная к преобразованию координат. Для геометрически подобных тел в сходных точках значения деформации будут одинаковы, если истории деформирования совпадают. Используя геометрическое подобие изделий, геометрическое подобие инструмента, подобие условий деформации в сравниваемый момент времени и соотношения, приведенные в работе В.И.Соколовского и C.B. Бутакова [24], по известным численным значениям энергосиловых параметров деформирования одного тела (модели, гайки М8 из стали 12Х18Н10Т) построили модель формоизменения подобного

процесса деформирования другого тела (изделия, гайки М8 из стали Юкп). Учитывая геометрическое подобие изделий:

9и „ 9м (с9)„ (о5)м ,

где: (о*)» и (о8)м- компоненты тензора напряжений изделия и модели; диИйи- удельное усилие деформирования изделия и модели. С «елью упрощения расчетов значения усилий штамповки заготовок (мэдели) приведены к безразмерному параметру К1, характеризующему рроцесс формоизменения заготовки гайки в шестигранной матрице в зависимости от деформации при перемещении пуансона:

К1= Рц / {(а,)ц Р»} = Р„ / {{ст,)и • ^ где: Р„,РМ-усилие деформирования изделия и модели;

Р„ и Р„ - площадь поперечного сечения изделия и модели;

Отсюда, усилие деформирования изделия:

Ри = К1-(<т8),гР,,

Полученные результаты значений ей Р(,'а, К1 для изделия при разных конструктивно -технологических параметрах представлены в виде математических моделей путем применения регрессионного анализа, аппроксимируя полученные значения используемыми математическими зависимостями. Оценка качества аппроксимации исходных данных проведена по минимальному значению стандартной ошибки "ЭО" и максимальному значению коэффициента ( множественной ) корреляции я. Адекватность модели оценивалась по "нулевой гипотезе". "Нулевая гипотеза" проверена с помощью дисперсионного анализа, на основе параметрического критерия Фишера.

Регрессионные зависимости К1=%|) для ¥=0.52 и предварительной деформации Бпр равной 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, описали полиномом 3-ей степени. Для всех значений впр коэффициент аО в математической модели имеет значимость 0.844, а значение коэффициента меньше стандартной ошибки, следовательно можно сделать вывод о том, что коэффициент аО не влияет на значение К1 и мм можно пренебречь. Выразив значение коэффициентов а1, а2 и аЗ как функции от епр получили математическую модель изменения значения К1 в зависимости от б, и еПр:

К1 я 81ЕЛР ■ Б| + а2 ач» • а 2 + аЗ ^р ■ е3 , где коэффициенты а1, а2 и аЗ :

а1 = Ь0 + Ы • е„р + Ь2 • бпр2 +• ЬЗ ■ епр3 а2 = Ь0 + Ы • + Ь2 • бпр2 аЗ = ЬО + Ы ■ 8пр + Ь2 ■ епр2 + ЬЗ • епр3 Влияние условий трения (¥- показатель, характеризующий условия трения)^ глубины формируемой полости Ь1=И/Н, где И - глубина полости,

описано зависимостями:

кз= ьо+м-м + ьг-м*

Согласно результатов анализа (уровень значимости для гипотезь Я=0 равен Р1=0-0.04) моделей можно принять и считать адекватно опи сывающие исходные зависимости. Коэффициент корреляции математи ческих моделей Я=0.931-0.999, почти функциональная связь.

Наложив дополнительные условия подобия: 1. Характер деформации и формоизменения заготовки гайки от цилиндрической до шестигранной за один переход [24] и в целом за несколько переходов, считать подобными.

2 Характер деформации и формоизменения заготовки гайки при многопереходном технологическом процессе на каэдом переходе считать подобным части общего процесса деформирования по п. 1.3. Процесс деформации заготовки прекращается до момента начала образования наплывов (заусенцев) на опорных поверхностях заготовки.

В рамках разработанной математической модели и результатов исследований создан алгоритм расчета энергосиловых параметров многопереходной штамповки гаек с учетом комплексного влияния технических факторов. Выбранные функции расчета деформаций и напряжений позволили представить удельное усилие и усилие деформирования по переходам в вида функций технологических параметров процесса, размеров заготовки, свойств материала.

С учетом коэффициента настройки- Кп условная деформация на ¡-ом переходе равна:

Бу( = кп • еу 1п(<Л|/с1к,) / 1л(с№/с1к|) где: с11 -диаметр торцевой фаски деформированной заготовки на ¡-ом переходе;

с1к -диаметр торцевой фаски до деформации на переходе; с1\« -диаметр торцевой фаски готовой гайки; су= 0.0954-условная полная степень деформации модели [24]; Дпя многопозиционного процесса уравнение расчета К1 примет вид:

К11 = а 1 етр • е^ + 82 епр £у)2 + аЗ 8Пр • Су)3, Удельное усилие деформирования:

д = К1 • К2 ■ КЗ ■ сх $

Оценка точности построения математической модели и алгоритма расчета удельного давления и технологического усилия для многопереходного процесса холодной штамповки гаек проведена путем сопоставления значений коэффициента К1 и усилия Р для каждого из переходов штамповки гайки М12. Сопоставительный анализ теоретических и экспериментальных зависимостей К1 и Р показал достаточно высокую точ-

ность определения усилий штамповки заключительной стадии процесса по всем переходам. Отклонение от средних выборочных величин на заключительной стадии деформирования не превышает 5%. В то же время в середине процесса деформирования отклонение на 1-3 переходах, составляет 7-18%, на 4 переходе до 46%, т.е. имеется существенное расхождение теоретических и экспериментальных зависимостей.

Вывод: алгоритм можно использовать для расчета конечных значений энергосиловых параметров многопераходного процесса штамповки гаек. Но он недостаточно точно описывает изменение знергосиловых параметров средней части стадии деформирования.

Для уточнения зависимостей изменения усилий штамповки от конструктивных особенностей процесса и исследования кинематики течения металла разработана методика расчета усилий с использованием метода конечных элементов. Процесс рассмотрен на заключительной стадии деформирования заготовки 4 перехода. Выбранная схема очага деформации от известных отличается тем, что рассматривается два меридианальных сечения деформируемой заготовки в разных (граничных) плоскостях, выполненных через ребро и середину грани боковой поверхности заготовок. Схема учитывает все особенности формы реального очага деформации, неравномерность распределения деформации по очагу, зависящую от истории предшествующей деформации.

На базе метода конечные элементов с использованием вариационного принципа минимума полной мощности проведено исследование влияния конструктивно-технологических параметров процесса штамповки на кинематику течения деформируемого металла и усилия штамповки. Задавая в качестве варьируемых параметров характерные координаты контура инструмента, путем минимизации функционала мощности пластического деформирования проведена корректировка очага деформации (определение рациональной формы деформирующего инструмента). Для поиска значений варьируемых параметров, сообщающих минимальное значение мощности энергозатрат деформации, был применен статистический метод определения экстремума- метод перебора. При расчете использована сетевая модель перебора значениями в интервалах [-К(х,у); +к(х,у)]. Коэффициент "к" задается индивидуально, с учетом сохранения основных размерных параметров изготавливаемого изделия. После определения с заданной точностью рациональных значений варьируемых параметров рассчитывается усилив штамповки и выдаются координаты деформирующего инструмента с построением поля скоростей. По полю скоростей оценивалось направление и интенсивность течения (кинематика течения) деформируемого материала на данном этапе деформации (рис.1).

Поле скоростей заготовки 4 перехода

Рже. 1

Изменение параметров опорной поверхности при штамповке заготовок гаек 4 перехода.

Безразмерный параметр йш/8

---изменение в плоскости грани;

- изменение в влосгостх ребра;

----предельные значен»;

облеси яриорягетяого жешшзованвя; - грани члаа оСласп.

Ряс. 2

По разработанной методике определена зависимость изменения удельного усилия от условий течения металла при заключительном оформлении опорной поверхности. Параметрический анализ показал, что формирование опорной поверхности гаек dw производится неравномерно в разных плоскостях. Размер dwr в плоскости сечения, проходящего через ребро, составляет около 1.06 от соответствующего размера в плоскости сечения, проходящего через грань ( рис. 2 ). Параметр Kn=dWj/S определен как коэффициент настройки. Из рис.2 видно, что при значениях 0.995< dw^S <1.0 резко растет значение удельного усилия. Эта зона и соответствующая по усилию штамповки зона 0.9376 < К« < 0.9427 определены как зоны граничной настройки, допускающие вероятность появления заусенца. Зоны 0.92< Кп<0.9376 и 0.965< dw/S < 0 995 определены приоритетными, соответствующими стандарту при допустимых удельных усилиях, не превышающих предельное значение 2500 Н/мм2. Удельное усилие конечного этапа штамповки на четвертом переходе гаек М20 составляет д= 2000.1 Н/лш5 При аналогичных конструктивно-технологических параметрах удельное усилие, рассчитанное по алгоритму, созданном с использованием теории подобия, равно д=1908.25 Н/мм2. Отклонение составляет 4.6%. Отклонение от среднего экспериментального значения д,=1981.36 Н/м^спстаьляет о.9ж

Проверочный расчет удельного усилия методом конечных элементов и результаты экспериментального исследования подтверждают адекватность разработанной математической модели и алгоритма для заключительной стадии деформирования.

Четвертая глава посвящена программе автоматизированного проектирования холодной объемной штамповки гаек. На~ Магнитогорском метизно-металлургическом заводе при участии автора разработан ряд прикладных программ (САПР-приложений) расчета и проектирования технологических процессов и инструмента для штамповки гаек, на многопозиционных холодноштампозсчных автоматах. В основу программ заложены результаты экспериментального и теоретического исследований. Программный продукт написан на АВТОЛИСПе и работает в системе AutoCAD (Autodesk Ltd.). Основные возможные пользователи программ -конструкторские и технологические службы цехов и подразделений предприятий по производству крепежных изделий холодной объемной штамповкой. Программы создают возможность по переводу изготовления технологического инструмента сложной формы на станках с ЧПУ, В комплект САПР- приложений входят программы GAIKA, INSTO, OBJEM, TRK, SPEC и др. Программа GAIKA позволяет по силовым параметрам проводить оценку технологичности разработанного процесса штамповки гаек. Расчет силовых параметров построен на

алгоритме, созданном на основе численных значений, полученных с помощью теоретических зависимостей,рассмотренных ранее.

Исходная информация подготавливается на основании формы, размеров и допусков на изделия в соответствии с требованиями стандартов (ГОСТ5915-70, ГОСТ5927-70, D1N934 и др.) и механических свойств деформируемого материала. Механические свойства и константы для расчета предела текучести по кривой упрочнения деформируемого материала приведены в таблице программы. В ходе расчета обращается внимание пользователя на превышение предельно допустимого удельного давления 2500 Н/мм2 и опасность разрушения прессового инструмента. Пользователю предоставляется возможность корректировать исходные данные, т.е. программа позволяет провести компьютерный эксперимент, варьируя геометрией детали заготовок по переходам и штампуемым материалом. Программа INSTO позволяет спроектировать в полуавтоматическом режиме до 100 типо-видов инструмента, имеющего поверхность тела вращения.

Прикладные программы являются обобщенным результатом проведенных автором экспериментальных и теоретических исследований, описанных ранее, переведенных на язык программирования и наглядно представленных для конструкгорско-технологических и исследовательских целей. Программы подшиваются в меню AutoCADa.

В пятой главе показано практическое использование результатов исследований. Прикладные программы внедрены в практику работы технического отдела МММЗ. Используя результаты исследований и САПР, разработаны и внедрены технологичесюие процессы холодной штамповки:

-гаек М8 по ГОСТ5927-70 на роторной линии ЛШГ-8; - гаек М6-М20 по ГОСТ5915-70, ГОСТ5927-70, DIN555, DIN934 5-8 классов прочности на многопврвходных холодноштамповочных автоматах, в том числе и с использованием борсодержащих марок сталей 12Г1Р, 20Г2Р.

Разработанный процесс холодной штамповки гаек М8 по ГОСТ5927-70 на роторной линии ЛШГ-8 позволил снизить усилив штамповки с 275 до 225 кН, отходы металла до 18%. Один из недостатков линии ЛШГ-8 заключался в том, что это высокопроизводительное оборудование требует создание и обслуживание целого гайконарезного участка. При участии автора разработана конструкция роторного автомата для формирования резьбы в гайках, получено авторское свидетельство. Разработан и опробован малоотходный способ, позволяющий снизить металлоемкость изделия на 10%, энергоемкость штамповки до 18%.

Разработанные способы и технологические процессы холодной штамповки гаек помогли расширить сортамент выпускаемой продукции, повысить качество и прочностные свойства изделий. В технологических процессах применены способы, защищенные авторскими свидетельствами N 1690942, N1830787 и патентом (заявка N95107763, пол.ре-шение от 7.02.96г.).

Использование борсодержащих сталей позволило проверить обсуждаемое в литературе мнение о положительном влиянии чистоты стали и специальных легирующих добавок на деформируемость, склонность к образованию трещин и получению необходимых свойств при термообработке в разных средах. Холодной штамповкой из сталей 12Г1Р и 20Г2Р получены гайки М6-М16 8 и 9 классов прочности. Применение последующей термической обработки (закалка в водный раствор или масло с последующим отпуском) дало получение гаек Мб- МЗО с механическими свойствами классов прочности 8 и 10 по ГОСТ 1759.587, 01\267.4, 180898 часть 2. В процессе работы исследовано влияние степени пластической деформации на величину зерна феррита и механически е свойства сталей 20кп и 20Г2Р после отжига.

Для испытания на растяжение создано приспособление, обеспечивающее строго осевое нагружение образцов, что повышает точность и достоверность результатов испытаний. На устройство получено авторское свидетельство.

С участием автора разработана конструкция резьбонарезающего метчика с вышлифованными в шахматном порядке нитками резьбы на заборном участке и части калибрующего участка. Испытание метчиков Мб, М8, М16х1.5, М16, М20Х1.5 усовершенствованной конструкции показало их преимущества по стойкости и качеству получаемой резьбы. В отличии от стандартных, усовершенствованные метчики стабильно обеспечивали получение резьбы с полем допуска 6Н, 7Н.

На основе анализа влияния поверхностных дефектов исходного металла, условий подготовки металла к штампов!®, кинематики течения металла и усилий по переходам штамповки на качество гаек и стойкость инструмента, определена взаимосвязь между видами дефектов, появляющихся на гайках, и причинами их возникновения. Определены количественные и качественные показатели дефектов и причин их появления. В обобщенном виде результаты представлены в классификаторе дефектов. Классификатор внедрен в практику работы технического центра и цехов МММЗ, изготавливающих гайки. Классификация дефектов позволяет принять встречные меры для предупреждения их образования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В процессе решения поставленных в диссертации задач по созданию новых и совершенствованию существующих способов изготовления гаек холодной объемной штамповкой с использованием автоматизированного проектирования были получены результаты, которые можно обобщить следующим образом:

1. На базе многофакторного эксперимента определены величины и характер изменения реальных усилий многопереходной штамповки гаек. Установлены факторы, определяющие качество оформления и зависимости изменения усилий от конструктивных параметров заготовок гаек. Разработаны рекомендации по построению технологических процессов холодной штамповки гаек многопереходным способом. 2 Используя результаты, полученные экспериментальным путем и исследованием процесса холодного деформирования гаек вариационным методом, с помощью теории подобия разработана методика расчета силовых параметров многопереходной штамповки. Методика позволяет создать адекватную математическую модель, упростив процедуру расчета силовых параметров штамповки. Разработана математическая модель конечного этапа процесса формоизменения, учитывающая реологические свойства материала, историю деформирования, особенности формы заготовки. Модель адекватно описывает конечный этап деформации заготовок при многопереходной штамповке. Проведен параметрический анализ зависимостей усилия деформирования, удельного давления, степени деформации от технологических параметров, относительных размеров заготовки, истории деформирования. Методом конечных элементов, на основе вариационного принцйпа минимума полной мощности, проведено исследование кинематики течения металла, выполнен расчет силовых параметров, подтвердивший адекватность разработанной математической модели. Установлена взаимосвязь удельных усилий деформирования с характером течения металла, определяемым формой деформирующего инструмента и конструктивными параметрами заготовок. Определены рациональные формы и параметры деформирующего инструмента. Предложен новый критерий оценки качества штамповки- коэффициент настройки. Он определяет конечную величину усилия штамповки и качество оформления изделия. Установлены граничные и приоритетные для использования параметры коэффициента настройки. Полученные экспериментальные значения удельного и общего усилия штамповки гаек показали хорошую сходимость с результатами теоретических исследований. Все расчетные кривые в рассматриваемой области лежат внутри доверительных интерва-

\

лов. Отклонение от средних выборочных величин не превышает 10%, что свидетельствует об адекватности математической модели реальному процессу штамповки.

3. На основе анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований разработаны алгоритм и программа автоматизированного проектирования технологических процессов многопереходной штамповки гаек. Программа включает численную реализацию расчета силовых параметров в рамках полученной математической модели. Разработаны прикладные программы проектирования технологического инструмента и оснастки. Программы написаны на АВТОЛИСПе и работают в системе AutoCAD. Применение программ сокращает сроки, повышает уровень и снижает трудоемкость технических разработок. В два раза снижается количество опытных штамповок.

4. На основании результатов исследований, с использованием программы GAIKA, разработаны новые способы и технологические процессы изготовления гаек, позволившие освоить производство изделий повышенной точности и прочности, расширить сортамент изготавливаемой продукции. Разработанные способы позволили: снизить металлоемкость производства на 10%; энергоемкость штамповки на 9-18%; повысить качество изделий и прочностные свойства.

Определена взаимосвязь между видами дефектов, появляющихся на гайках, и причинами их возникновения. Установлены количественные и качественные показатели дефектов, причины их появления и меры предупреждения. Построен классификатор дефектов на гайках.

Использование результатов работы позволило повысить выход годной продукции на экспорт с 64 до 91%.

В целом, в работе представлен комплексный подход к решению технических задач в условиях действующего производства, направленных на совершенствование имеющихся и создание новых способов изготовления гаек повышенной точности и прочности.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Технологические процессы изготовления гаек холодной объемной штамповкой / В.Г.Паршин, В.И.Артюхин, В.Л.Трахтенгерц, С.В.Попков//Черная металлургия: Бюллетень НТИ. N3.1996. С.67-75.

2. A.c. N1658016 СССР, МКИ G01 N 3/08. Устройство для испытания резьбовых деталей на растяжение.

3. A.c. N1690942 СССР, МКИ В21 К 1/64. Способ изготовления многогранных гаек.

4. A.c. N1830787 СССР, МКИ В21 К 21/00. Способ изготовления многогранных гаек.

5. Перспективы применения автоматических роторных и роторно-конвейерных линий при изготовлении крепежных изделий/ В.И.Мок-ринский, В.И.Артюхин // Состояние и перспективы создания высокопроизводительного КПО. Сб.тезисов Всесоюзн.научн.-техн.конференции. М.1987. С.74-77.

6. A.c. N1826248 СССР, МКИ В23 G 1/20. Роторный автомат для формирования резьб в гайках.

7. Металлосберегающие технологические процессы болтов и гаек/ Артюхин В.И., Волчков В В. И Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве. Тез.доклада Всесоюзного научн.-техн. совещания. Магнитогорск. 16-18 сент. 1990. С. 122-124.

8. Усовершенствование конструкции гаечных метчиков/ В.И. Артюхин, АМ.Каплин//Бюллетень "Черметинформация". N4.1991. С.65-66.

9. Перспективное направление развития метизных заводов/ Трах-тенгерц В.Л., Попков C.B., Артюхин В.И.// Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века. Сб.тезисов доклада Межгосуд. научн.-техн. конф. Магнитогорск. 14-17 мая. 1996. С.129-130.

10. Автоматизированный расчет и проектирование технологического процесса холодной штамповки гаек/ Паршин В.Г., Артюхин В.И., Попков С.В.//Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века. Сб.тезисов доклада Межгосуд. научн.-техн. конф. Магнитогорск. 1417 мая. 1996. С.138-139.

11. Заявка на патент N95107763. МКП В 21К 21/00. Положительное решение от 7.02.96г. Способ формирования полости в деталях.

12 Классификация дефектов и причин их появления на гайках, полученных холодной штамповкой/ В.Г.Паршин, В.И. Артюхин, ВЛ.Трах-тенгерц И Черная металлургия: Бюллетень НТИ. N3.1996. С.76-79.

13 Применение теории подобия для использования теоретических методов к решению новых задач ОМД /В.Г.Паршин. В.И.Артюхин // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб.науч.тр./ Под ред. Г.С.Гуна. Магнитогорск: МГМА, 1996. С.41-57.