автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Технологические основы повышения стойкости полых пуансонов для горячего деформирования осесимметричных поковок

□□3476249 На правах рукописи

Фатеев Вячеслав Игоревич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ПОЛЫХ ПУАНСОНОВ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ПОКОВОК

Специальность 05.03.05 Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула 2009

003476549

Работа выполнена на кафедре «Механика пластического формоизменения» в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Яковлев Сергей Петрович

доктор технических наук, профессор Овчинников Анатолий Георгиевич:

доктор технических наук, профессор Калпин Юлий Григорьевич;

доктор технических наук, профессор Сосенушкин Евгений Николаевич

Ведущее предприятие: ФГУП «Государственное научно-

производственное предприятие «Сплав» (г. Тула)

Защита состоится «27» октября 2009 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.01 ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300600, г. Тула, проспект Ленина, 92,9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан «¿?^> . 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

* Л С^ А.Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение в производство прогрессивных процессов обработки материалов давлением, максимально приближающих формы заготовок к формам готовых изделий (прессование, вытяжка, штамповка и др.), имеет большое народнохозяйственное значение, т.к. позволяет значительно сократить потери обрабатываемого материала и снизить затраты на последующую механическую обработку, а также совместить процессы формообразования с операциями упрочнения металлов и сплавов. Особенно это актуально в массовом производстве осесимметричных деталей типа «стакан».

Повышение производительности кузнечно-прессового оборудования находится в прямой зависимости от увеличения стойкости штампового инструмента. Стойкость штампов - один из показателей экономической эффективности горячей штамповки. Расходы на штамповый инструмент составляют в среднем 15...30 % от стоимости поковок и наиболее высокие (52 % и выше) -при горячем прессовании (выдавливании).

Особо остро проблема стойкости штампового инструмента проявляется при производстве корпусных изделий. Низкую стойкость показывают головки прошивных пуансонов (100...600 штамповок), что связано с их крайне тяжелыми условиями эксплуатации. В процессе горячей штамповки в штамповом инструменте формируются остаточные напряжения до 500 МПа, а температура поверхности достигает 500...750 °С при циклически меняющихся нагреве и охлаждении, а также силовых нагружениях. Такие условия работы инструмента порождают термомеханическую усталость, которая сопровождается возникновением и развитием разгарных трещин. Поэтому решение проблемы повышения стойкости штамповой оснастки предопределяет, с одной стороны, создание рациональных режимов штамповки, а с другой, установление закономерностей процессов разрушения материала штампа, работающего в условиях циклически меняющихся температурных и силовых нагрузках. При этом инструмент и заготовка должны рассматриваться как единая многомерная система с комплексом входных и выходных параметров.

Исследования показывают, что наибольшее повышение долговечности штампов горячей штамповки достигается при правильном выборе режимов эксплуатации, марки штамповой стали и режимов её термической, упрочняющей и других видов обработок. Научно обоснованные режимы термических и упрочняющих обработок можно правильно назначить только после всесторонних исследований закономерностей температурно-силового нагружения и причин, вызывающих появление и развитие трещин, а также разрушение штампов. Таким образом, дальнейшее развитие исследований температурных условий нагружения, определение остаточных температурных напряжений и обобщение экспериментальных данных с целью разработки научно обоснованных комплексных методов упрочнения для получения оптимальной структуры, повышающей эксплуатационные характеристики штамповых сталей, представляют большое практическое значение.

Создание высокостойкого штампового инструмента является составной частью народнохозяйственной проблемы - повышения технико-экономической эффективности процессов металлообработки.

Повышение долговечности штамповой оснастки для горячей обработки металлов давлением является важной научной проблемой, об актуальности и необходимости решения которой свидетельствуют Постановления Правительства РФ, решения и приказы директивных органов. В соответствии с ними Тульским политехническим институтом (ныне - Тульский государственный университет) при непосредственном участии автора в период с 1983 по 2008 гг. выполнялись хоздоговорные и госбюджетные НИР.

В частности, в последние годы (2003 - 2007 гг.) работа выполнялась в соответствии с проектами Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований (гранты № НШ - 1456.2003. 8 и № НШ -4190.2006. 8), государственным контрактом Федерального агентства по науке и инновациям № 02. 513. 11. 3299 (2007), грантами РФФИ № 05 - 01 - 96705 (2005 - 2006 гг.) и № 07 - 01 -00041 (2007 г.) и научно - технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 гг.)».

Цель работы: повышение стойкости литых пуансонов горячего деформирования осесимметричных деталей путем установления взаимосвязей технологических параметров обработки, выбора научно обоснованных комплексных методов упрочнения и рациональных режимов эксплуатации.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1. Установить температурно-силовые режимы эксплуатации литых пуансонов для горячей обработки металлов давлением,

2. Оценить величины и характер перераспределения остаточных напряжений и их влияние на закономерности усталостного разрушения литых пуансонов.

3. Исследовать кинетику возникновения и роста усталостных трещин в штамповом инструменте для горячей обработки металлов давлением при изготовлении корпусных изделий методом прошивки, при котором головки прошивных пуансонов работают в крайне тяжелых температурно-силовых условиях и имеют низкую стойкость.

4. Разработать комплексную методику исследования, позволяющую оценить эффективность влияния различных видов упрочняющих обработок на раз-гаростойкость и долговечность литых пуансонов, работающих в условиях циклически меняющихся температурных и силовых нагрузок.

5. Обосновать режимы упрочняющих технологий, обеспечивающих повышение долговечности штампового инструмента.

6. Определить области рационального применения различных видов упрочняющих технологий.

7. Обобщить теоретические и экспериментальные исследования стойкости литых пуансонов, методов упрочнения их материалов, позволяющих повы-

сить долговечность инструмента для горячей обработки металлов давлением.

Методы исследования. Исследования выполнены с использованием математического аппарата теории пластичности, теории теплопередачи и теории зарождения и распространения трещин. Условием, обеспечивающим современный уровень моделирования, является широкий анализ работ, посвященных как экспериментальным, так и теоретическим исследованиям, логическая связь с теоретическими и экспериментальными результатами предыдущих исследований, сопоставление некоторых выводов с ранее известными фактами.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики и теории планирования эксперимента.

Автор защищает:

- закономерности формирования температурных полей многомерной системы «инструмент - заготовка» с учетом скорости перемещения инструмента относительно разогретой заготовки при циклически меняющихся температур-но-силовых воздействиях;

- физические и математические модели определения величин и характера распределения остаточных напряжений под действием различных методов упрочняющих технологий в результате циклического температурного воздействия;

- математическую модель возникновения и распространения термоусталостной трещины, по скорости роста которой определяется число циклов до разрушения литых пуансонов;

- методику оценки роста трещин усталости штамповых сталей в зависимости от различных методов упрочняющих обработок и условий эксплуатации инструмента обработки металлов давлением;

- методику определения оптимальных режимов и рациональных областей применения различных методов упрочняющих обработок исследуемых сталей с целью повышения их эксплуатационных характеристик и получения высокостойкого штамповош инструмента;

- обобщения выполненных теоретических результатов и экспериментальных исследований разгарного разрушения и изменения на их основе служебных характеристик штамповых сталей после физических, электродинамических и комбинированных технологий упрочнения;

- практические рекомендации по обоснованию и назначению рациональных параметров режимов эксплуатации литых пуансонов и комплексных методов упрочнения его материалов.

Научная новизна работы состоит в выявлении физических и математических закономерностей, адекватно отображающих температурно-силовые условия работы многомерной системы «инструмент - заготовка - матрица», установлении механизма возникновения и распространения усталостных трещин, появления и изменения остаточных напряжений в процессе термической обработки и штамповки, обеспечивающих повышение эффективности литых пуан-

сонов на основе выбора комплексных методов упрочнения и режимов их эксплуатации, позволяющих на стадии проектирования прогнозировать стойкость пуансонов.

Достоверность результатов обусловлена корректностью применения современных математических методов, широким использованием ЭВМ, удовлетворительным сравнением результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными (расхождение не более 5 %).

Научная значимость. Создана научная база для обеспечения возможности повышения стойкости штампового инструмента путем назначения рациональных режимов эксплуатации и увеличения долговечности литых пуансонов для горячей обработки металлов давлением путем выбора рациональных научно обоснованных комплексных методов упрочнения.

Практическая ценность. В выполненном автором комплексе исследований практическую ценность представляют:

- метод расчета температурных полей и напряжений в движущемся относительно разогретой заготовки осесимметричном инструменте для горячей обработки металлов давлением;

- выявленный характер распределения и изменения остаточных напряжений при термоциклировании, предопределяющие зоны вероятного зарождения усталостных трещин в штамповом инструменте;

- результаты исследований ограниченной долговечности и кинетики развития разгарных трещин, позволяющие установить эффективность различных технологий упрочнения литых пуансонов;

- режимы физических, электродинамических п процессе ЭШП и комбинированных методов упрочнения, повысивших стойкость штампового инструмента;

- рекомендации рационального применения исследованных методов упрочнения в соответствии с режимами эксплуатации.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в ЦНИТИМ (г. Москва), ОАО «Корпорация «ТРВ» (г. Королев, Московская область), ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева (г. Королев, Московская область), ОАО «Штамп» (г. Тула), ОАО «Туламашзавод», ОАО «Точприбор» (г. Иваново), ОАО «ТНИТИ» (г. Тула), ФГУП «ГНПП «Сплав» (г. Тула), ЗАО «Тульский завод цепей» (г. Тула), АО «Тракторный завод «Траком» (г. Кишинев).

Отдельные материалы научных исследований использованы:

при написании учебных пособий «Курсовое проектирование деталей машин», «Детали машин. Курсовое проектирование» и «Механика. Проектирование механизмов и деталей машин»;

- в учебном процессе на кафедрах «Механика пластического формоизменения» и «Проектирование механизмов и деталей машин» ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»;

- при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Теория обработки металлов давлением» и «Новые техпроцессы и оборудование», при подготовке бакалавров направления 150400 «Техноло-

гические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по специальности 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальности 150201 «Машины и технологии обработки металлов давлением»;

- при подготовке кандидатских и магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектах, выпускных квалификационных работ бакалавров.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на конференции «Состояние и основные направления повышения стойкости штампового инструмента». - Ижевск, 1977 г., конференции «Сверхпластичность металлов».

- Тула, 1986 г., Международной конференции «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий». -Волгоград, 1997 г., Международной конференции «Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач». -ТулГУ. - Тула, 2000 г., Межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи». - СГУ. - Самара, 2002 г., Международной конференции «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства». - Волгоград, 2003 г., Первой общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - производству».

- Вологда, 2003, Всероссийской научно - технической конференции «Наука -производство - технология - экология»: в 5-ти т. - Киров, 2003 г., ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (г. Тула, 1974 — 2008 гг.). Вклад автора в разработку новых технологий повышения стойкости литых пуансонов горячего деформирования отмечен дипломами лауреата премий им. С.И. Мосина в области машиностроения.

Диссертация в целом докладывалась на семинаре кафедры «Проектирование механизмов и деталей машин» (ТулГУ, 2008 г.) и на расширенном заседании кафедры «Механика пластического формоизменения» (ТулГУ, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, среди них: монографии - 3; авторских свидетельств СССР - 4; статей в центральной печати и зарубежных рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук» - 18; статей в различных сборниках научно-технических трудов - 25. Общий объем - 48 печ. л., авторский вклад - 32 печ. л.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору С.С. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и приложения. Включает 298 страниц машинописного текста, содержит 155 рисунков, 12 таблиц, список использованных источников из 162 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность проблемы, рассматриваемой в работе, ее научная новизна, формулируются цель и задачи исследования, реферируется содержание разделов диссертации.

В первом разделе в соответствии со сформулированными целью и задачами исследования рассматривается современное состояние проблемы. Анализируются основные факторы, влияющие на стойкость литых пуансонов горячего деформирования металлов. Подчеркивается актуальность решаемой проблемы, проводится анализ существующих подходов к ее решению. Отмечается значительный вклад в теорию обработки металлов давлением и в решение проблемы стойкости штампового инструмента, который внесли учёные Е.И. Вельский, А.Н. Брюханов, В.А. Голенков, A.M. Дмитриев, Г. Закс, Ю.Г. Калпин, В.Д. Кухарь, А.Г. Овчинников, JI.M. Охрименко, JI.A, Позняк, Е.А. Попов, В.П. Северденко, Е.И. Семенов, E.H. Сосенушкин, И.Я. Тарновекий, А.Д. Томлёнов, Б.Ф. Трахтенберг, М.А. Тылкин, С.П.Яковлев и ряд других исследователей. Показано, что классическая теория не позволяет описать на современном уровне физические процессы, происходящие в инструменте, работающем в сложных условиях термосилового нагружения. Эта проблема, несмотря на значительное число работ, все еще остается недостаточно изученной. На основе проведенного анализа публикаций сформулированы ряд направлений и задач, решение которых необходимо для повышения стойкости штампового инструмента при горячей обработке металлов давлением посредством выбора рациональных научно обоснованных режимов эксплуатации и комплексных методов упрочнения.

Во втором разделе рассматриваются эксплуатационные требования, предъявляемые к штампам, и возможное их разрушение. Показано, что стойкость штампового инструмента зависит от большого числа факторов, которые можно разделить на конструктивные, эксплуатационные, металлургические и технологические. Одновременное воздействие множества факторов на стойкость штампового инструмента для горячего деформирования затрудняет установление основных закономерностей и причин выхода литых пуансонов из строя. Однако основными причинами выбраковки большинства литых пуансонов являются:

местное или общее изменение размеров и формы рабочей поверхности гравюры;

появление развитой сетки трещин термической усталости.

Процесс разрушения материала литых пуансонов состоит из двух основных явлений: зарождения трещины и ее распространения.

Развитие повреждаемости при ударно-циклическом нагружении связано с образованием у препятствий дислокационных скоплений и их последующим «сминанием», а стойкость материала зависит от его способности сопротивляться зарождению и распространению усталостных трещин.

В общем случае решение задач теории трещин состоит из двух этапов:

1) формулировки необходимых механических концепций распространения трещин в твердых телах и составления на этой основе критериальных уравнений;

2) определения локального поля напряжений около трещины в деформируемом теле.

Основные выводы, относящиеся к трещиностойкости:

а) для высокопрочных материалов порообразующие включения играют незначительную роль, и при увеличении предела текучести их влияние уменьшается (предполагается, что последнее связано с локализацией течения и декогезией полос скольжения). При этом включения определяют профиль поверхности разрушения;

б) для достижения высокой трещиностойкости необходимо предотвратить локализацию течения, а если это не удается, то затруднить протекание процесса декогезии полос скольжения. Стремление очистить материал от поро-образующих включений успеха не принесёт. Это существенное отличие от поведения низкопрочных материалов, для которых первостепенное значение для достижения высокой трещиностойкости имеет снижение концентрации поро-образующих включений.

Эти выводы исключительно важны для создания новых сплавов и могут быть основой для предсказания поведения высокопрочных материалов.

Существенное влияние на стойкость литых пуансонов оказывает разгар-ное разрушение их материалов. Отличительной особенностью методики по изучению разгара является возможность в процессе испытания следить за кинетикой развития трещин в образцах и ограниченной долговечностью. Термическая усталость оценивается средними размерами трещин, растущими от краёв к центру дна надреза образца. В большинстве других методик термическая усталость оценивается числом циклов до появления первой трещины или трещины определенного размера. Результаты исследования ограниченной долговечности Nq сталей марок 30Х2ГСМФ, 4Х4М2ВФС, ЗХЗМЗФ и 4Х5МФС в зависимости от числа термоциклов m представлены на рисунках 1-4.

С ростом числа термоциклов происходит значительное увеличение долговечности стали 30Х2ГСМФ (рисунок 1), максимум которой приходится на 200 термоциклов. Дальнейшее термоциклированне приводит к уменьшению числа повторных ударов до разрушения. Малая пластичность при высокой твёрдости способствует росту усталостных трещин и объясняет наибольший спад долговечности в образцах с твердостью HRC 48...50. Оптимальная твердость HRC 44...46 обеспечила наилучшие значения ограниченной долговечности. Снижение долговечности образцов с твердостью HRC 40...42 связано с общим снижением уровня механических свойств стали и объясняется процессами коагуляции карбидов и сопутствующим разупрочнением.

Кривые ограниченной долговечности стали 4Х4М2ВФС имеют более высокую величину исходной максимальной долговечности образцов с твёрдостью HRC 40...42 (рисунок 2). Меньшая разгаростойкость стали 4Х4М2ВФС предопределила смещение максимума с 200 до 150 термоциклов. Повышение твердости приводит к резкому и интенсивному снижению ограниченной долговечности. Использовать сталь 4Х4М2ВФС с твердостью HRC 40...42 нецелесообразно ввиду смятия поверхности инструмента при удельных силах штамповки 500...570 МПа и температурах разогрева 650...700 °С. Рациональный уровень твёрдости в этом случае должен составлять HRC 44...46.

Y

1 -X» \

:оо

(/ 1 \ \

(

1 1 Ч

11*1 200 З!» 400 51X1 «10 7№ 81» 900 1000

Рисунок 1 - Ограниченная долговечность стали 30Х2ГСМФ в зависимости от числа теплосмен при интервалетермоциклирования 20...650 °С: 1 - НИС 40...42; 2 - НКС 44...46; 3 - НИС 48...50

100 200 400 500 60О 700 $(Ю WO 1000

Рисунок 2 - Ограниченная долговечность стали 4Х4М2ВФС в зависимости от числа теплосмен при интервале термоциклирования 20...6S0°C: 1-HRC40...42;

2 - HRC 44...46; 3-HRC 50...52

Характер расположения кривых сталей марок 4Х5МФС (рисунок 3) и ЗХЗМЗФ аналогичен рассмотренным выше. Минимальной долговечностью обладает сталь с твёрдостью НЯС 48...52. Сталь марки 4Х5МФС имеет несколько большую разгаростойкость, чем сталь марки 4Х4М2ВФС, что подтверждается производственными испытаниями при изготовлении изделия типа "стакан" диаметром 0,13 м. Инструмент при обратном ходе пресса обильно охлаждался водой. Стойкость прошивных пуансонов из стали м арки 4Х4М2ВФС составила 600...800 штамповок, из стали марки 4Х5МФС - на 200...500 штамповок выше. Сталь марки ЗХЗМЗФ обладает наивысшей разгаростойкостью из исследуемых сталей. Максимум ее ограниченной долговечности смещен к 500 тепло-сменам (рисунок 4) Преобладающее действие разупрочнения у этой стали наступает в 2,5...3,5 раза позже, чем у остальных исследуемых сталей. Степень снижения максимума долговечности к 1000 термоциклам составляет всего 13%.

:м> ЗОВ 4№ 300 ЫН> 700 Ш Ш I0ÜU

Рисунок 3 - Ограниченная долговечность стали 4Х5МФС в зависимости от числа теплосмен при интервале термоциклирования 20...650°С: 1 - HRC 40...42; 2 - HRC 44...46; 3 - HRC 48...S2

Рисунок 4 - Ограниченная долговечность стали ЗХЗМЗФ в зависимости от числа теплосмен при интервале термоцшслирования 20. ..650 °С: 1- 1ШС 40...42; 2 - 1ЖС 44...46; 3-ННС48...52

Самое высокое сопротивление термической усталости показала сталь марки ЗХЗМЗФ. Трещины были обнаружены лишь после 200 термоциклов и длина их оставалась в 1,5...2 раза меньше, чем в образцах из стали марок 4Х4М2ВФС и 4Х5МФС. Сталь марки ЗОХ2ГСМФ обладает хорошей разгаро-стойкостью, что согласуется с результатами изучения ограниченной долговечности. При условии обильного охлаждения рабочей поверхности тяжелонагру-женного прессового инструмента сталь марки 30Х2ГСМФ может обеспечить его длительную работу. Результаты исследований позволяют обосновать режим термообработки штамповых сталей в состоянии поставки, обеспечивающий максимальную разгаростойкость.

В третьем разделе рассматриваются температурные условия эксплуатации литых пуансонов для горячей обработки металлов давлением. Учитывается влияние тепловыделения и слоя окалины на температуру поверхности контакта при горячей штамповке. Общее количество энергии, затрачиваемой на процесс деформирования, определяется по формуле Финка, а сопротивление линейной деформации, зависящее в основном от температуры и скорости деформации, - по формуле А.И. Целикова.

Для решения задачи о передачи тепла в системе из трех тел (заготовка -окалина - инструмент) с различными теплофизическими свойствами принимались следующие допущения: 1) теплофизические параметры окалины не изменяются при изменении температуры; 2) температура от заготовки к инструменту передается путем теплопроводности; 3) толщина окалины во время работы остается постоянной; 4) решается одномерная задача неограниченной плоскости, так как толщина слоя окалины значительно меньше радиуса кривизны инструмента.

Условия теплообмена соприкасающихся тел через прослойку окалины записывались в виде

Я = = = (1)

где q - количество теплоты, переходящее от заготовки к инструменту в единицу времени через единицу площади (тепловой поток); ^ Хг - коэффициенты теплопроводности заготовки и инструмента; % - коэффициенты теплопередачи заготовки и инструмента.

Тепловое состояние заготовки и инструмента описывалось системой уравнений:

д'1\(х,т) д2Т2(х,х) , . ..

" = ах-> 0,х > 0),

Эх дх2

дт дх1

(2)

где Т1(х, т) и Т2(х, т) - температура заготовки, инструмента; и а2 - коэффициенты температуропроводности заготовки и инструмента.

Решение для температур заготовки 0} и инструмента ©2 искалось в виде

е,-^^0---1-х

7-0 _г0 1 + А'й

х < егй:

2л/а,г

+ ехр

■4° 1

егЛ

= 1_х

(3)

х •{ егЛ—Ъ= - ехр |

х^М. . -¡"2

<хк2^)2

егЛ;

м

где Кв=— — = — = — - критерий, характеризующий тепловую

Х2\<*1 Х2\С2у2 В2 активность одного тела по отношению к другому; В|, В2 - коэффициенты тепловой активности первого и второго тел (коэффициенты аккумуляции теплоты); Сь Сг - удельные теплоемкости тел; 71, у2 - плотности тел;

к2 = К+&, А.1 Х2

1 1

--1---; епс

ВХ В2

\ ( ,ег(с

- функции Гаусса.

. Далее проводится расчет температурных полей в штамповом инструменте, движущемся относительно заготовки при горячей штамповке.

Распространение температуры в конечном осесимметричном цилиндре не имеющем тепловых источников, в безразмерном виде описывается уравнением

50 3/ '

/а2е,-

1

+-г

д&1 а2©,

дг

(4)

ч дг£ г бг ^ ^

Задача решается конечно-разностным методом - методом дробных шагов. У поверхности инструмента в месте контакта с заготовкой сетка сгущена, так как в этой области возникают наибольшие градиенты температур. Результаты расчета распределения температур в пуансоне из стали ЗХЗМЗФ и матрицы из стали 5ХНМ представлены на рисунке 5. Анализ результатов исследования показал, что наибольший перепад температур происходит в поверхностных слоях пуансона. Контактная поверхность пуансона имеет температуру выше, чем поверхность матрицы.

Температурно-напряженное состояние пуансона сложнее, чем состояния матрицы, поэтому объектом для дальнейших исследований выбран пуансон. Решение задачи о распределении температурного поля в полом цилиндрическом конечных размеров пуансоне, погружающемся в разогретую заготов-

ку, проводится аналитически методом изображении с использованием разложе^ ния в ряд Фурье. Исходное уравнение имеет вид

дТ(г,г,1)

8.1

Г д2 I д | д1 дг2 г дг дг2

где / - длина пуансона.

Используя принцип суперпозиций, решение ищем в виде Т(г,г,Ъ = Т1(г,г,0 + Т2(г,г,Ъ . В результате использования преобразования Лапласа получили:

(5)

(6)

Tv{r,z,t) = ®(r,z) + ^i¿Z

/7=1

00 Х2„/02(ЛД„)К0(гД„) I ехр Г 2 л2 ^ —гК+М'

/и=1 «г

»1=1

БШ-

'о(

I

(7)

ои|гИо(гД||)[7д-0(г>г)]Л-

Р

72(/-,2,0=—II

' и=1ет=1

Р,п

ПРт) КыпК1+Рт(е'"( со<К1)

БШСЙ^

ш„

,(8)

где п - число шагов по времени; ш - число шагов по радиусу; У0 - объем заготовки, кп и иш- параметры в преобразовании Лапласа; /0 и А'ц - функции Бесселя; Лир- наружный и внутренний радиусы пуансона соответственно;

К = тУ II.

Аналитический метод расчета удобен для точного определения температуры Т в интересующей точке пуансона в определенный момент времени. Для расчета распределения температурных полей по тешу пуансона в течение рабочего периода инструмента аналитический метод требует большого количества машинного времени. Численный метод для инженерных расчетов является более экономичным и дает достаточную точность определения температурных полей в движущемся, водоохлаждаемом изнутри, пуансоне горячей штамповки (рисунок 6).

Пуансон

Рисунок 5 - Распределение температуры в телах пуансона и матрицы

|г-10. м Рисунок 6 - Распределение температуры в теле пуансона в установившемся режиме (в про цессе выдавливания)

Распределение температуры в теле пуансона из стали ЗХЗМЗФ в установившемся режиме показано на рисунках 6-9.

г-ю': м

1 чЬОО°С

500 °С

1 \600C

/

/

; ^ 650"С

2

2-10 . М

Г-Ю.М

Л Л00°с

/ 500°С

1 :,боо°с

1

/

/ /

1 №П°Г

3 гТО/?м

г-10. м

350 С

г -10. м

Рисунок 7 - Распределение Рисунок 8 - Распределение Рисунок 9 - Распределение

температуры в теле пуансона в конце выдавливания

температуры в теле пуансона в момент окончания контакта с заготовкой

температуры в теле пуансона в начале остывания

Из результатов расчета следует, что наибольший разогрев наблюдается в поверхностных слоях пуансона и по мере приближен ия к оси температура снижается. Максимальный нагрев пуансона происходит в период паузы, когда заготовка выдавлена, а пуансон ещё не начал подниматься. Максимальная температура разогрева поверхностных слоев нижнего торца инструмента перед периодом подъёма достигает 600...650 °С. В период остывания температура снижается до 400 °С. Наибольший градиент температур возникает в поверхностной зоне толщиной ~ 1-10 "3 м и составляет 80... 100 град/мм. Для уменьшения пере-

пада температур поверхностных слоев, очевидно, перед началом работы исследуемый инструмент целесообразно подогревать до ~ 400 °С.

Расчёт температурных полей даёт возможность определить изменение температуры по телу пуансона, имеющего форму, близкую к цилиндрической, в процессе всего времени работы штампового инструмента. Для оценки уровня разогрева прошивного пуансона и подтверждения предложенного температурного расчёта был поставлен эксперимент. Чертеж опытной головки пуансона из стали 5ХНМ представлен на рисунке 10.

Колебания температуры в точках расположенных на расстоянии 0,7-10"3 м и 11,5-10'3м (зона А рисунка И) от поверхности пуансона в зависимости от числа штамповок, показаны на рисунке 12. Кривые, построенные по максимальным и минимальным значениям температур, показывают, что стабильный режим устанавливается после первых 6...7 штамповок. Уровень температуры в поверхностных слоях (точка 0,7-10° м) выше, чем в теле пуансона (точка 11,5-10'3м). Кроме того, амплитуда колебания температур максимальная в поверхностных слоях штампового инструмента. Максимальная температура цикла в точках расположенных на расстоянии 0,7-10"3 м от поверхности пуансона в период квазистационарного теплового режима пуансона, составляет 650 °С - минимальная - 425 °С. Для установившегося теплового режима (VI - XI штамповки) экстраполяция на поверхность контактирования показывает температуры 650...750 °С - (зона "А") и 620...650 °С (зона "Б"). От поверхности к оси пуансона температура постепенно снижается до 330...430°С. Анализ результатов эксперимента показал, что основная масса пуансона в процессе штамповки имеет температуру 350...450 °С. Очевидно, что перед работой подогрев пуансонов необходимо производить до этой температуры. Кроме того, увеличение времени контактирования пуансона с заготовкой Тк с 4 до 7 с (рисунок 13) повышает температуру инструмента на 150...200 °С.

ает N4

Пксскшпь сапрцкцснр^нчя Зет №2

Рисунок 11 - Схема расположения точек замера температур в пуансоне

Рисунок 10 - Общий вид опытной головки прошивного пуансона для измерения температур

И 80 120 !. I

Рисунок 12 - График изменения температуры в зоне А на расстоянии 0,7 м и 11,5 • 10 м от поверхности

Наибольший разогрев и перепад температур в течение цикла наблюдаются в поверхностных слоях пуансона. На рисунке 14 показан максимальный разогрев головки пуансона в точках замера на глубине 0,7-10"3 м от поверхности контакта с заготовкой дня различных штамповок. Минимальная температура разогрева наблюдается в области застойной зоны в нижней части головки пуансона.

контактирования на температуру расположенных от поверхности

поверхности пуансона на расстоянии х=0,7 мм

Таким образом, максимальная температура поверхности пуансона достигает 650...750 °С при установившемся режиме работ!,I, что важно знать при выборе марки штамповой стали и назначении режимов её обработки. Температура горячих пуансонов изменяется циклически, причём амплитуда цикла уменьшается по мере удаления от поверхности к оси пуансона. Материал поверхностной *зоны работает в более тяжёлых условиях, и в поверхностном слое толщиной 1-Ю"3 м наблюдаете:! наибольший градиент температур. С увеличением времени контактирования с разогретой заготовкой температура поверхности пуансона резко возрастаем Кроме того, предложенный метод расчёта температуры разогрева прошивной головки штампового инструмента хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований. Это позволяет с достаточной достоверностью определить расчётным путем влияние геометрических размеров, формы, свойства материала инструмента, заготовки, пограничного слоя смазки, временных параметров цикла штамповки, предварительного подогрева, условий теплоотвода, температуры заготовки и т.п. на распределение температурных полей по объёму пуансона.

Распределением температурных полей, градиентом температуры определяются температурные напряжения, возникающие в процессе работы штампового инструмента Расчет температурного поля движущегося полого водоохлаж-даемого пуансона позволил провести анализ напряженного состояния цилиндрического пуансона с теплопроводным включением.

Используя теорему обращения интегрального преобразования Ханкеля, получим систему интегральных уравнений типа Фредгольма II рода. После достаточно громоздких преобразований (приведены в диссертации) получили выражения для определения нормальных напряжений в сечении полого пуансона.

Для исследования термонапряженного состояния цилиндра с теплопроводным включением находим решение уравнения

1 дТ

д2Т

+ 1 дТ | д2т

я 2 (9)

дг* г 8г дг1 « Зт

используя преобразования Лапласа по Т и косинус преобразование Фурье по Z.

Напряжения в рассматриваемом цилиндре, вызванные температурным

полем, выражаем через термоупругий потенциал Ф и функцию Лява Ь:

a,r=G

<N>

дг-1

-А Ф

\ г

д +—

dz

цД£-

дЧ£ с>2

<,Л1дф л,*.] л, 1 3L.

ozz=2G

'д2Ф \ /

-А Ф + —

и.2 dz V

ап = 2 G

, о2Ф

5

(2-ц)Д£,-

dz2

7 N

3z2

(10)

где с,.,., Офф, <тг2, ct,.z - радиальные, тангенциальные, осевые и касательные

термоупругие напряжения; Д - оператор Лапласа; G - модуль упругости 2-го рода; ц, а - коэффициенты Пуассона и линейного расширения.

Исследования показали, что локальность нагрева пуансона существенно зависит не только от протяженности зоны нагрева, но и от тонкостенности и теп-лофизических параметров. Представляется возможность соответствующим изменением соотношения теплофизических параметров материала пуансона и охлаждающей жидкости достичь изменения знака максимальных напряжений в опасных сечениях.

В четвертом разделе проводится расчет силовых параметров эксплуатации пуансонов горячего деформирования металлов.

Термоупругие напряжения (10) найдены с использованием метода Гудьера. Приведенные на рисунках 15... 17 графики - результаты расчётов осевых аш радиальных агг и тангенциальных офф напряжений для цилиндрического пуансона из стали ЗХЗМЗФ при следующих исходных данных: внешний радиус R = 0,045 м, внутренний радиус р = 0,015 м, длина L = 0,097 м, ц = 0,3, а = 1,42-105 град"1, Е = 186 ГПа, начальная температура пуансона Т„ = 400 °С,

410 °С, температура заготовки Т^ = 800 °С, температура воды Т„ = 20

°С. На рисунках 15... 17 напряжения azz, а„, афф представлены в зависимости от безразмерных величин x = {r- р)/(Д - р), r| - zll.

Анализ результатов расчета показал, что в процессе одного цикла на-гружения термоупругие напряжения аа, агг, стфф меняют знак. В разных зонах пуансона кривые напряжений в процессе работы изменяются по величине и имеют различную направленность. Наибольших значений напряжения aw огг,

а,,, достигают в конце цикла штамповки. Сократив время пассивного контакта до 0,3... 0,4 с, после периода выдавливания можно значительно уменьшить термоупругие напряжения в объёме пуансона. Максимальные термоупругие напряжения растяжения оа, а„, афф возникают в поверхностных зонах пуансона. Если учесть, что наибольший разогрев штампового материала до 600...650 °С происходит в зонах соприкосновения с разогретой заготовкой и что при повышенных температурах физико-механические свойства материалов понижаются, то, очевидно, наиболее вероятно зарождение и развитие трещин усталости будут происходить в поверхностной зоне пуансона. Кроме температурного, пуансон испытывает силовое циклическое воздействие. Для более полной оценки нагруженности материала штампового инструмента были проведены экспериментальные исследования по определению удельных нагрузок, возникающих в процессе штамповки.

rr Mini п. ММ п ИМ /г iMrtii о»..!МПо1 о— .¡МЛп)

Определение уровня удельных нагрузок, возникающих в материале пуансонов для горячей штамповки, осуществлялось с помощью гидравлической месдозы, включённой в гидросистему рабочего цилиндра пресса ПО-437. Для регистрации сигналов тензодатчиков применялись тензостанция 8АНЧ-7М и шлейфовый осциллограф Н-700. Из анализа результатов испытаний можно сделать вывод, что при горячей прошивке изделий типа "стакан" удельные нагрузки в пуансоне достигают 400...570 МН/м2, т.е. средние удельные силы составляют 480 МН/м2. Отклонения от среднего удельного давления происходят, очевидно, от неравномерности разогрева штампуемой заготовки (стали для изготовления инструмента горячей штамповки должны обладать достаточной раз-гаростойкостью и высоким комплексом механических свойств при температуре 600...650 °С и удельных силах штамповки Р = 400...570 МПа.

Расчет напряжений, возникающих в цилиндрическом пуансоне под действием силовых нагрузок, выполнялся для штампового инструмента, изготов-

2

Рисунок 15 - Зависимость Рисунок 16 - Зависимость осевых напряжений радиальных напряжений от времени контакта от времени контакта

Рисунок 17 - Зависимость тангенциальных напряжений от времени контакта

ленного из стали 5ХНМ, материал заготовки - сталь 45. Удельная сила на пуансоне при прошивке определялась методом баланса работ.

Для упрощения решения задачи использовался метод суперпозиции. Напряженное состояние прошивной головки пуансона перед первой паузой (конец этапа выдавливания, пуансон вдавливается в заготовку, а заготовка заполняет матрицу - самый напряженный момент) моделируется напряженными состояниями трех конечных полых цилиндров: пуансона, заготовки и матрицы. Определяющая система имеет вид:

[стсрф - ПК/- + огг)]+1 + Ц'

(<*ФФ -а#г) = °>

5т,

-у [°ФФ - + ^ГГ )]- 2(1 + ц)-^ +

&

даг

дг

агг °фф

г

дхг

ФФ-" дг

= 0,

до гг , <ХГ2 | _ о дг дг г

(12)

■ для первого цилиндра:

• для второго цилиндра:

Граничные условия в этом случае запишутся следующим образом: агг( р,2) = 0, тГ2(р,7) = 0;] а,г(Я,2) = Рк, х,.2(Я,г) = 0;] огг(р,г) = 0, хг2(р,г) = 0; агг(Я,2) = 0, = РТР\\

- для третьего цилиндра:

стп.(р,г) = агг(Я,г) = 0;ог2 = о(/-,1) = Р2;о22(г,0) = 0;| (Р.г) = (Л, г) = хГ2 (г ,0) = хп (г,1) = 0, ]

где р, Я, 1 - внутренний, внешний радиусы и высота пуансона; Р2- нормальная осевая нагрузка; Рк - нормальная радиальная нагрузка на внешнюю цилиндрическую поверхность пуансона; Ртр- удельная сила преодоления сил трения между боковой поверхностью пуансона и заготовкой:

(13)

(14)

(15)

Рур = Ра -р--

(16)

2Я

Решение уравнений (12) при граничных условиях (13) с помощью функций перемещения Тимпе имеет вид:

><р

_ ^л2

"я2-р2

( "> 1, л

"й2-р2

ст22=0;

где /д- контактное давление.

Аналогично находится решение уравнений (12) с учетом граничных условий (14):

ап = -Р>

ТР-

я р<

Я2-Р2

3 + 2ц (г2-К2} /'2 2 ^ г "Р

8(1 + ц) { Р2 ] , ^ )

1-2ц

( 9 ?

2(1-ц)

-1п-

Яр'

1 1 + 2ц г2

2(1-ц) 4(1 +и) р2 2

1п^ +

1-2Ц р' 1-Ц Л2_02 Л

3 + 2ц

4(1 +Ц)

+ ог

/Г-р2 г

г2- 0,062512 +

4(1 + ц) 1-2ц 2 1-ц

0,5-1п—+ 1п— 11

(18)

Решение уравнений (12) с учетом граничных условий (15) для полого цилиндра с осесимметричной нагрузкой на торце находится с использованием функции Лява Ь, содержащей нечетные функции относительно переменной г из-за несимметричности нагрузки относительно срединной плоскости цилиндра:

= I + 2(2 - ц)2от]/0(атг) + <2татг1\{атг) + [д,„ -

т=1

оо

- 2(2 - ц)^ ]а:0 (атг) + ЗтатгК, (аиг)}со5 а„,г + 2 {[(1 -2ц) х

/7=1

X Д„ - Л^МТ^Н- [(1 -2ц)„ + Я„ ^„г - С„К„гсЫСпг -

- ВпКп2вЬКпг\]й{Кпг) + ТпГ0\

-■ФФ

-X [-Л

(атг)

а „,г

К\{атг)

т=1 I итг («т'")

со

тг )]созаш2 +

х [МК„г) + ^»З+кЛ, + Оп)сИКпг + (С„ + Вп)зИКп2 + + СпК„2сИК„2 + йпК„2*ЬКпг X/, (А» +7„Г, (^,г)]/(А»};

оо

/ р N

—-ета,„г

~ ^пр-т''

а„,г

АГ| >соза,„г +

+ I {[(1 + 2ц)0„ + Ап\1гКп2 + [(1 + 2ц)С„ + +

п=1

+ СпКпгсЪКп2 + Оп Кп2зНКп2

~ Ъ{^„+Ап)сИКп2 + {Сп+В^ИКп2^СпКп2скКпг+ (19)

и=1

+ ад^ЛА'^У] (К„г) +7„Г, (А„г)

со ш=1

- 2(1 - ц)5т (а,„г) - 5„,атгА: 0(аотг)}зт +

+ I [(Ап + 2уЮп)зЬКпг + (Д„ + 2\хСп)сИК„2 + /7=1

+ СПКП2СИКП2 + где К„ - корни трансцендентного уравнения;

^(Кп,К)-Т^1(Кп,И) = 0-,МКпЛМК„,гШКп,г),¥1(Кп,г) - функции Бесселя первого и второго рода, нулевого и первого порядка соответственно;

1ъ(Кп,г),1\(Кп,г),Кц(К„,г),К\(Кп,г) - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода.

При решении уравнений (19) с учетом граничных условий (15) получается бесконечная система уравнений. Постоянные А„; В„; С„; Эп; Рт; 0т; Я„; 8Т находились при ш=п=12. Найденные значения постоянных подставляются в формулы (19). После алгебраического сложения (15), (17), (19) определяются напряжения, возникающие в пуансоне в результате механического воздействия.

Результаты расчета напряжений от механических воздействий в тех же точках пуансона, что и для температурных напряжений, представлены на рисунке 19. Пуансон изготовлен из стали 5ХНМ, материал заготовки - сталь 45. График суммарных напряжении , возникающих от нагрева и в результате механического нагружения в точке пуансона, находящейся от нижней поверхности на расстоянии 0,5-10"3 м, в конце периода выдавливания (худший случай) показан на рисунке 18, г. Анализ результатов расчета показал, что наибольшие суммарные напряжения материал штампового инструмента испытывает в поверхностной зоне возле нижнего торца пуансона. В этой же зоне наблюдается максимальный разогрев металла пуансона.

Рисунок 18 - Зависимости огг(г) -(я), т„ (г) - (б), о!;! (г) -(в), афф (г) - (г)

Для регистрации деформации после удаления слоев металла с пуансона Использовали прибор АИД-2М (автоматический измеритель деформации). Снятие слоев производили на токарном станке с интенсивным охлаждением при малых скоростях резания и подачи, чтобы исключить разогрев металла. В работе применялись тензодатчики типа ПКБ-20-200.

Остаточные напряжения распределяются по толщине стенки неравномерно и меняют знак несколько раз. Термическая обработка стали 5ХНМ даёт существенный прирост остаточных напряжений (рисунок 19).

В результате циклического температурного воздействия, в процессе штамповки, происходит перераспределение напряжений по толщине стенки пуансона.

На рисунках 20 и 21 представлены эпюры, показывающие распределение остаточных напряжений <тт после 50 и 100 циклов штамповки. Остаточные напряжения сш по толщине пуансона имеют по три пика растяжения и сжатия. Максимальные напряжения растяжения достигают ст = 400 МПа и находятся на расстоянии 0,029 м от внешней поверхности. Максимальные остаточные на-

пряжения сжатия удалены от поверхности на 0,023 м. Максимальный перепад остаточных напряжений ст = 660 МПа расположен в районе 0,023...0,029 м от внешней поверхности пуансона. Пик сжимающих напряжений, расположенный в 3...4-10'3 м от внешней поверхности, равный <тт = -180 МПа, в сочетании с циклическим разогревом до 600...650 С и резким охлаждением способствуют формированию "белых слоев" с мартенситной структурой, обладающих повышенной хрупкостью. В зоне максимального перепада остаточных напряжений температура разогрева металла не превышает 400 °С и при штамповке стали сохраняются достаточно высокие физико-механические свойства.

остаточных напряжений в головке остаточных напряжений в головке

пуансона после закалки пуансона после 50 циклов штамповки

о„.МПз

Рисунок 21 - Эпюра окружных остаточных напряжений в головке пуансона после 100 циклов штамповки

Как показано выше, возникновение и развитие разгарных трещин происходят с поверхности в зоне наибольшего разогрева, при котором физико-механические свойства штамповых сталей значительно снижаются. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при неблагоприятном сочетании температурных, остаточных напряжений и напряжений от механического воздействия суммарные тангенциальные напряжения растяжения в поверхностных слоях пуансона могут достигать 1300... 1500 МПа. Если учесть наличие хрупких "белых слоев" в поверхностной зоне инструмента, то наличие растягивающих остаточных напряжений создают благоприятные условия для зарождения и роста трещин. Очевидно, величина напряжений растяжения, в процессе циклического термического воздействия при штамповке, возрастает до тех пор, пока не превысит предела прочности материала в области трещины (концентратора напряжений). Затем происходит интенсивный рост трещин, и напряжения релаксируют. При дальнейшей работе штампового инструмента процесс повторяется и продолжается рост трещин.

Таким образом, в штамповом инструменте в процессе работы формируются значительные напряжения, в поле действия которых облегчаются зарождение и рост трещин. С гделью увеличения срока службы пуансонов необходимо создавать условия, способствующие устранению растягивающих напряжений в поверхностных слоях инструмента. Для этого нужно поддерживать температуру по телу пуансона, близкую к рабочей, и применять штамповые стали, имеющие достаточно высокие физико-механические свойства при 650...750 °С. При этом уменьшается вероятность образования разгарных трещин, и стойкость инструмента будет определяться в основном теплостойкостью и износостойкостью применяемых штамповых сталей.

Питый раздел посвящен экспериментальному моделированию, сопоставлению результатов экспериментального и теоретического исследований.

Определение термоупругих напряжений, возникающих в результате термического циклического воздействия в защемленном образце с надрезом (рисунок 22), проводилось как экспериментально, так и теоретически.

Рассматривается элемент конструкции, в котором распространяется усталостная трещина в одной плоскости. Время работы элемента характеризуется числом циклов N. С величиной N и радиусом р геометрической конфигурации подвижного контура усталостной трещины нужно обращаться, как с непрерывными переменными. Направление скорости распространения усталостной трещины - по нормали к её контуру. В этом случае существующая система дифференциальных уравнений кинетики распространения усталостной трещины вырождается в одно уравнение:

где Ф (?.) - характеристическая функция усталостного разрушения, которая при данных условиях является характеристикой материала; а - координатный угол в системе А. - функция, зависящая от деформации растяжения в области предразрушения тела и радиуса р.

В данном случае надрез-трещина будет распространяться в одной плоскости, перпендикулярной к оси у. Поэтому уравнение (20) для описания кинетики распространения надреза-трещины примет вид

При малых значениях X функция Ф(Х) достаточно точно аппроксимируется полиномом т-й степени:

Величины А„ и ш устанавливаются на основании эксперимента и являются характеристиками материала. Предложенная формула позволяет проводить аналитические исследования кинетики распространения усталостных трещин для различных видов циклического нагружения.

Для проведения термомеханических испытаний опытных образцов была создана экспериментальная установка, позволяющая моделировать в широком диапазоне амплитуд, температур, напряжений и времени условия работы ре-

(20)

т

ф(Х)= ела".

(22)

ального инструмента. Разработанная методика испытания штамповых сталей дает возможность изучать кинетику развития разгарных трещин в процессе термоциклирования. Термическая усталость оценивается средней величиной трещин, растущих от краёв по дну надреза образца. Скорость роста средней величины трещин (средняя величина трещин в зависимости от количества термоциклов) достаточно чувствительно реагирует на изменение химического состава, максимальной температуры цикла, на различные методы механической и режимы термической обработок.

Для экспериментальных испытаний штамповых сталей был разработан опытный образец размером 10x10x10 -10'3 м с односторонним У-образным надрезом, с радиусом в вершине надреза р = 1#10 ми углом раскрытия а= 90° (рисунок 22). Образец при защемленных концах нагревается до Тисп=550°С в течение 12 с и охлаждается до 20 °С в течение 7 с. Термический треугольный цикл нагружения образца, т.е. график изменения температуры от времени нагрева и охлаждения, будет иметь вид, представленный на рисунке 23.

Рисунок 22 - Образец с односторонним У-образным надрезом

Рисунок 23 - График изменения температуры в надрезе образца

Статические (доциклические) характеристики стали не могут в полной мере служить объективной оценкой работоспособности, поэтому ограниченную долговечность образцов определяли после термоциклирования и различных методов упрочняющих обработок, сравнивая их с ограниченной долговечностью исходного состояния. Усталостные испытания проводились на копре повторных здаров, конструкция которого показана на рисунке 24. Повторные удары наносились с противоположной стороны надреза образца с частотой 600 ударов в минуту при потенциальной энергии удара 0,2 Дж. Ограниченную долговечность определяли по числу ударов до полного разрушения образца. Типичная зависимость числа повторных ударов от количества теплосмен представлена на рисунке 25.

Были проведены оценка термоусталостной прочности защемленных образцов при наличии концентрации напряжений и экспериментальное определение остаточных напряжений. Замер остаточных напряжений в опытных образцах осуществляли на рентгеновских диафрактометрах ДРОН-2,0 и УРС-50И.

Опытные образцы (см. рисунок 22) изготовлены из штамповой стали марки ЗХЗМЗФ, термообработаны на твёрдость НЯС 44... 46 и подвергнуты термоциклированию в интервале температур 20...550 °С. Измерение остаточных напряжений производили после 0, 50, 100, 200, 500, 800 теплосмен на поверхности и на глубине 0,3; 0,8; 1,8; 2,8; 3,4; 4,0х 10° м. Слои металла между

замерами удаляли с образцов с помощью электрохимического анодного растворения в электролите: 15 °/о-й раствор ЫаС1 при рабочем напряжении 11=12В. На рисунках 26 и 27 показаны эпюры остаточных напряжений после различного количества теплосмен и характер распределения остаточных напряжений по глубине образца.

Рисунок 24 - Копер повторных ударов для испытания сталей на ограниченную долговечность

1

/ 1

/ \

N

J Ч

ч ч

v 500 1000 1500 2000 2500 3000 Рисунок 25 • Влияние числа теплосмен на ограниченную долговечность штамповой стали

■а 120

Е 80 g "10 и

= -80 = -120 •S-160 5-200

1-j-

\\ V

КдА /\уА /л — 1

\жи с—

Рисунок 26 - Эшоры остаточных напряжений 1-го рода на глубине образца после теплосмен: 1-0; 2 -50; 3-100; 4 -200; 5-500; 6-800

Рисунок 27 - Влияние числа теплосмен на характер распределения остаточных напряжении сгт на различной глубине образца: 1 - поверхность; 2-0,3; 3-0,8; 4 -1,8; 5 -2,8; 6 -3,4; 7 - 4,0 • 10"3 м от поверхности

Анализ эпюр остаточных напряжений (см. рисунки 26 и 27) показал, что в интервале от 0 до 100 теплосмен в образце формируются и преобладают остаточные напряжения растяжения, что, очевидно, должно снизить его ограниченную долговечность. К 500 теплосменам начинают преобладать остаточные напряжения сжатия, что должно повысить ограниченную долговечность образца. В интервале 500...800 теплосмен наблюдается тенденция к формированию напряжений растяжения, и к 800 термоциклам - остаточные растягивающие напряжения становятся значительными. Ограниченная долговечность испытуемого образца к 800 теплосменам снижается. Можно предположить, что для штамповой стали марки ЗХЗМЗФ от 0 до 100 теплосмен идёт процесс разупрочнения, от 100 до 500 - процесс упрочнения, от 500 теплосмен - вновь разупрочнения. Ограниченная долговечность на первом этапе снижается, на втором этапе

до 500 термоциклов повышается и па третьем этапе понижается вплоть до разрушения образца.

Проведенные экспериментальные исследования позволили оценить расчётную живучесть образцов из штамповых сталей при ударно-усталостном и усталостных изгибах и оценить сопротивление ударно-усталостному разрушению поверхностно упрочненных штамповых сталей.

В шестом разделе даны практические рекомендации, позволяющие увеличить стойкость пуансонов, а также приведены результаты их применения в промышленности. Рассматривается влияние электрошлакового переплава (ЭШП) на механические характеристики и свойства, разгаростойкость и ограниченную долговечности штамповых сталей. Исследования проводили на сталях марок 5ХНМ, ЗХЗМЗФ, 4Х5В2ФС и 4ХМФС. ЭШП осуществляли на установке А-550. Результаты испытаний позволяют сделать выводы, что ЭШП заметно повышает пластичность и вязкость штамповой стали при слабом влиянии на прочностные свойства. Обеспечение пластических и вязкостных свойств металла ЭШП позволяет отказаться от операции перекова слитков либо использовать слабые степени обжатия.

Ограниченную долговечность сталей изучали в широких интервалах твёрдости. Установлено, что наибольшая долговечность сталей различных марок достигается при значениях её твёрдости в интервале НЯС 30...50. По имеющимся рекомендациям твёрдость пуансонов для горячего деформирования не должна быть ниже НЯС 40...46. В этом интервале твёрдости ЭШП повысил ограниченную долговечность сталей различных марок от 1,5 до 3,5 раз.

Далее изучалась разгарная стойкость электрошлаковых сталей. Наиболее полное изучение влияния электрошлакового переплава на разгаростойкость, изменения микроструктуры и твёрдости проводили на стали марки 5ХНМ. Интервал термоцикпирования выбирали в пределах 20...550 °С. Первые нарушения сплошности стали наблюдали ранее 200 термоциклов в виде отдельных пор. Образование пор можно связать с коагуляцией вакансии путем их дрейфа в поле напряжений. В процессе термоциклирования количество пор растет и увеличиваются их размеры.

Замеры роста трещин производили после 100, 200, 400, 500, 600, 800 и 1000 термоциклов, затем вычисляли их среднюю длину и глубину. ЭШП способствовало более раннему появлению разгарных трещин (после 100 тепло-смен) и в большем количестве, но развивались они значительно медленнее. Высокое сопротивление развитию термоусталостных трещин связано со строением электрошлакового металла и прежде всего дисперсным распределением неметаллических включений, играющих роль концентраторов напряжений. Благоприятным является уменьшение в 3...4 раза общего количества включений в электрошлаковой стали. Наблюдаемое снижение твёрдости стали марки 5ХНМ в процессе термоциклирования до НЯС 42...44 связано с высокой максимальной температурой цикла, превышающей температуру отпуска (430 °С). Процессы отпуска изменяют микроструктуру от исходной троостита до троостосорби-та. В электрошлаковой стали 5ХНМ-Ш твердость начинает снижаться при большем количестве термоциклов, чем в прокате.

Исследуемые стали по разгаростойкости можно расположить в следующем порядке: 4ХМФС, 4Х5В2ФС, ЗХЗМЗФ и 5ХНМ. Первые трещины в стали

5ХНМ появляются после 100... 150 термоциклов и растут значительно интенсивнее, чем в стали других марок. Влияние твердости на разгаростойкость стали неодинаково и зависит от ее химического состава. Так, сталь марки 5ХНМ обладает лучшей разгаростойкостью при твёрдости HRC 36...38, сталь марки ЗХЗМЗФ - при твердости HRC 44...46, сталь марки 4Х5В2ФС - при HRC 40...42, сталь марки 4ХМФС - при HRC 44...46. ЭШП дополнительно повышает разгаростойкость штамповых сталей различных марок от 1,5 до 2,5 раза, а при твёрдости HRC 44...46 - от 1,3 до 1,8 раза. Важным выводом является возможность повышения твёрдости пуансонов из сталей разных марок после ЭШП на 4...6 ед. HRC по сравнению с прокатом, не снижая при этом их разгаростойкости.

Для пуансонов, выполненных из сталей всех марок, применение ЭШП существенно повышает их разгаростойкость при всех рассмотренных интервалах термоциклирования. Так, разгаростойкость пуансона из стали 5ХНМ-Ш повысилась в 1,5 раза. Подтверждается отмеченный ранее факт позднего зарождения трещин в образцах из проката и их более интенсивный рост, особенно при температуре термоциклирования 20...650 °С. Замедление роста трещин здесь при числе термоцгаслов более 600 объясняется снижением твёрдости стали при отпуске и повышением её пластических свойств. Пуансон из электрошлаковой стали марки ЗХЗМЗФ показал в 1,7...3,5 раза большую разгаростойкость по сравнению с пунсоном из проката. Влияние ЭШП для стали 4Х5В2ФС не сказалось на развитии трещин разгара при небольшом числе циклов. Однако, с повышением количества термоциклов до 1000, раз гаростойкость повысилась в 1,5...1,8 раза относительно проката. Характер влияния ЭШП на разгаростойкость стали 4ХМФС отличается от рассмотренного выше. Для всех интервалов термоциклирования первые трещины разгара появляются от 100 до 200 тепло-смен в отличие от 50...100 циклов у проката. С ростом температуры цитирования разгаростойкость стали ЭШП в отличие от катаной возрастает, и трещины появляются при большем количестве теплосмен.

Электрошлаковую сталь марок 5ХНМ, ЗХЗМЗФ, 4Х5В2ФС и 4ХМФС различной твёрдости подвергали термоцикпированию и последующему испытанию на ограниченную долговечность по аналогии с катаной сталью марок ЗОХ2ГСМФ, 4Х4М2ВФС, ЗХЗМЗФ, 4Х5МФС. Необходимость проведения этих испытаний объясняется значительным влиянием структурных превращений и разгарного разрушения штамповой стали в процессе эксплуатации на стойкость инструмента.

Характер изменения ограниченной долговечности стали в зависимости от ее химического состава, твёрдости и числа термоциклов оказался неоднозначным. Повышение твёрдости стали марок 5ХНМ и 4Х5В2ФС с 36 до 52 ед. HRC вызвало снижение её исходной ограниченной долговечности (до термоциклирования). Как в катаном состоянии, так и после ЭШП, в отличие от стали марки 4ХМФС, где наблюдается обратная зависимость, сталь марки ЗХЗМЗФ показала лучшие результаты при твёрдости HRC 44...46. Электрошлаковый переплав способствовал значительному повышению исходной ограниченной долговечности различных марок стали при всех опробованных значениях твёрдости. По стойкости к циклическим ударным нагрузкам в исходном состоянии при твёрдости HRC 41...46 рассматриваемые стали можно расположить в следующем порядке: 4ХМФС, 5ХНМ, ЗХЗМЗФ, 4Х5В2ФС.

Исследование влияния максимальной температуры термоциклирования на ограниченную долговечность штамповой стали показало, что с повышением температуры цикла с 550 до 650 °С долговечность снижается. Для электрошлаковой стали марок 5ХНМ и 4ХМФС более заметен уровень разупрочнения на первом и третьем этапах по сравнению с катаным металлом. Однако долговечность стали ЭШП остается при этом выше в несколько раз по сравнению с прокатом. В связи с изложенным для катаной стали марки 5ХНМ верхний предел термоциклирования не должен превышать 500...550 °С, что совпадает с практическими рекомендациями. Пуансон из стали 5ХНМ-Ш целесообразно эксплуатировать также при максимальной температуре цикла не более 550 °С, а при большем числе циклов (1000) - не более 400 °С. Для стали ЗХЗМЗФ рекомендуем максимальную температуру цикла эксплуатации - 650 °С, а при длительной эксплуатации - 550 °С. Использование ЭШП для стали ЗХЗМЗФ позволяет в отличие от стали 5ХНМ-Ш повысить температуру разогрева инструмента до 700 °С.

Катаную сталь 4Х5В2ФС необходимо использовать при рабочих температурах 550...600 °С, а после ЭШП - при 650 °С. Для стали марки 4ХМФС обоих способов получения верхним температурным пределом является 450 °С, а при небольшом числе циклов - 600 °С.

Далее приводятся результаты исследований влияния физических, электродинамических методов воздействия в процессе ЭШП и комбинированных методов упрочнения пуансонов. Изучалось влияние ультразвука, пульсирующего магнитного воздействия (ПМВ), высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) и различные их сочетания. Эксперименты по изучению влияния ультразвука на свойства штамповой стали проводили на опытно- экспериментальной установке ЭШП с ультразвуковым воздействием (УЗВ) с использованием генератора ультразвуковой частоты УЗГ-10М.

Выбор оптимальной удельной мощности УЗВ, вводимой в расплав, осуществляли на стали марки ЗХЗМЗФ. Использовали УЗВ удельной мощностью 33* 103, ЮОхЮ3 и 200*103 Дж/м3 (рисунок 28). Применение УЗВ мощностью ЗЗхЮ3 Дж/м3 способствовало повышению комплекса механических свойств и ограниченной долговечности стали марок ЗХЗМЗФ и 5ХНМ (рисунок 29) после закалки и отпуска. В большей степени применение УЗВ повысило значения ударной вязкости (на 40 %) и ограниченной долговечности (в 1,5 раза). Причиной улучшения свойств стали явилось главным образом очищение металла от неметаллической фазы и её диспергирования, и, как следствие, однородности упрочненных структур мартенсита, троостита. Благоприятную роль играет также измельчение дендритной структуры и повышение ее однородности. Дальнейшее повышение удельной мощности подводимого ультразвука до Ю0...200х103 Дж/м3 привело к резкому снижению характеристик всех механических свойств и ограниченной долговечности во всём интервале изучаемых значений твердости. Причины этого - нарушение сплошности металла, появление в структуре трещин, пористости и разнозернистости. Отмечены неравномерность распределения по размерам дендритов и неметаллических включений, зашлаковывание отдельных участков слитка.

Рисунок 28 - Ограниченная Рисунок 29 - Ограниченная

долговечность стали ЗХЗМЗФ после ЭШП: долговечность стали ЗХЗМЗФ (1...3) (1) ЭШП с УЗВ 33xlOJ Дж/м3 (2); и 5ХНМ (<1...6) в состоянии проката

100x10® Дж/м3 (3); 200x103 Дж/м3- (4) исходной пос тавки (1,4); после ЭШП (2,5)

н ЭШП с УЗВ ЗЗхЮ3 Дж/м3 (3,6)

Таким образом, ультразвук оказался достаточно эффективным методом повышения стойкости пуансонов. Вместе с тем очевиден факт невысоких энергетических возможностей метода УЗВ, его дороговизны и низкой технологичности. В этой связи особое значение приобретает использование методов электродинамического воздействия на расплав.

Пульсирующее магнитное воздействие (ПМВ) на расплав металла осуществляли на электрошлаковой установке А-550 путем взаимодействия магнитного поля соленоида, подключённого к полупроводниковому преобразователю, с током переплава. Напряжение Uc =80В, fc »0,5 Гц, 1с =0,5,8 и 12А. С увеличением силы тока соленоида наблюдалось повышение однородности троо-стита после термической обработки. ЭШП с ПМВ при оптимальной силе тока соленоида 1с = 8А увеличила разгаростойкость по сравнению с ЭШП в 2 раза, а по сравнению с контрольным вариантом - в 3 раза (рисунок 30). Образцы, полученные ЭШП с ПМВ при Ic= 8А, обладают также наибольшей ограниченной долговечностью (рисунок: 31) как в исходном состоянии, так и после термоцик-лирования. С повышением силы тока соленоида от 0 до 8А пик ограниченной долговечности смешается вправо (200, 450 и 650 термоциклов соответственно) и Одновременно возрастает его значение. При измеш:нии 10 от 8 до 12А происходит снижение ограниченной долговечности и пик смещается к 500 термоциклам. Дальнейшее повышение числа термоциклов приводит к снижению ограниченной долговечности, особенно в металле ЭШП с 1с = 0.

Таким образом, ЭШП с ПМВ по оптимальному варианту с вводимой в расплав энергией 1280 Дж/с повышает разгаростойкость и ограниченную долговечность штамповой стали 4ХМФС и может явиться эффективным методом повышения стойкости горячештампового инструмента.

200 400 600 800 Рисунок 30 - Влияние пульсирующего магнитного воздействия при ЭШП на разгаростоикость стали 4ХМФС, НКС 44...46:1- прокат, 2 - ЭШП с 1С=0; 3 -ЭШП с 1с =5А; 4 - ЭШП с 1с =8А: 5 - ЭШП с 1« =12А

Рисунок 31 - Влияние пульсирующего

магнитного воздействия при ЭШП на ограниченную долговечность стали 4ХМФС, ¡ШС 44...46:1- прокат. 2 - ЭШП с 1с =0; 3- ЭШП с 1с - 5А; 4 - ЭШП с =8А; 5- ЭШП с 1С =12А

Рисунок 32 - Влияние ВТМО на ограниченную долговечность стали ЗХЗМЗФ, 1ШС 44...46, интервал термоциклировамия 20...550 °С: 1 - прокат, 2 - ЭШП, 3 - е -50%; 4 - £=65%; 5 - £=77%; 6 - г =83%

Рисунок 33 - Влияние ВТМО на разгаростойкость стали 4Х5В2ФС; НКС 44.. .46, интервал термоцнклирования 20...550°С: 1 - прокат,- 2 - ЭШП; 3 - е =40%; 4 - е =50%; 5- е=77%; 6 - г =87%

Исследования влияния высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) на разгаростойкость и ограниченную долговечность проводили на злектрошлаковых сталях ЗХЗМЗФ-Ш (см. рисунок 32), 4Х5В2ФС-Ш (см. рисунок 33), а также на сталях ЗХЗМЗФ и 4ХМФС после ЭШП с ПМВ. ВТМО сталей осуществляли на полупромышленной установке горячего гидропрессования, изготовленной на базе гидропресса "Комацу май-пресс" силой 3000 кН.

Наибольшая долговечность обнаружена у образцов из стали ЗХЗМЗФ-Ш с £=83% в исходном состоянии (без термоцнклирования). С увеличением теп-лосмен ограничения долговечность снижается и при 500 термоциклах имеет ограниченную долговечность, меньшую, чем сталь ЗХЗМЗФ-Ш без гидропрессования. От 500 термоциклов до 1000 и выше наблюдается стабильное повышение ограниченной долговечности (см. рисунок 32) у образцов из стали ЗХЗМЗФ-Ш с е = 83% (кривая 6). Пик максимальной ограниченной долговеч-

ности стали ЗХЗМЗФ-Ш с 8 =77; 83 % (кривые 5 и 6 рисунок 32) сдвигаются в район более 1000 теплосмен.

Полученные результаты исследования позволяют считать комбинированный метод ЭШП с ПМВ и последующей ВТМО с использованием горячего гидропрессования наиболее эффективным для горячештамповых сталей.

Таким образом, ВТМО является эффективным методом обработки штам-повых сталей. С увеличением степени обжатия разгаростойкость и ограниченная долговечность повышаются. Высшая долговечность и разгаростойкость обнаружена при степени обжатия 83 %, полученной горячим гидропрессованием по схеме ВТМО. Улучшение служебных характеристик штамповых сталей связано с образованием полигональных, термически устойчивых дислокационных построении после ВТМО. Кроме того, после горячего гидропрессования по схеме ВТМО повысился балл аустенитного зерна, мартенсит имел более мелкокристаллическое строение, устранены хрупкие цепочки карбидных построений, неметаллические включения стали более мелкими и распределились по объёму металла равномернее.

ЭШП положительно повлиял на долговечность и разгаростойкость пуансонов. Лучшие результаты получены с помощью комбинированных методов обработки (ЭШП + УЗВ, ЭШП+ПМВ, ЭШП + ВТМО, ЭШП + ПМВ + ВТМО). На экспериментальных образцах, изготовленных из стали ЭШП с ПМВ с последующим горячим гидропрессованием по схеме ВТМО, обнаружены самые высокие значения поверхностных остаточных напряжении сжатия от = -240 МПа и, как следствие, высшая разгаростойкость и ограниченная долговечность.

Результатом работы: явилась разработанная и о пробованная методика выбора рациональных научно обоснованных режимов эксплуатации кузнечно -прессового оборудования и комплексных методов повышения стойкости штам-пового инструмента, позволяющие повышать эффективность применения различных упрочняющих технологий, увеличивать разгаростойкость и улучшать служебные характеристики пуансонов для горячей обработки металлов давлением.

Разработанные рекомендации использованы при расчете и проектировании следующих технологических процессов повышения физико-механических свойств сталей и служебных характеристик пуансонов для горячей обработки металлов давлением:

- технологического процесса изготовления фасонных заготовок пуансонов из стали ЗХЗМЗФ электрошлаковым переплавом с наложением пульсирующих магнитных полей с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной стойкостью. Процесс внедрен в производство на ФГУП «ГНПП»Сплав» (г. Тула) с экономическим эффектом, полученным в результате повышения стойкости инструмента в 1,3...1,5 раза и коэффициента использования оборудования;

- конкурентоспособного технологического процесса изготовления литых фасонных пуансонов с ультразвуковым воздействием в процессе ЭШП. Технологический процесс, а также применение высокостойкого инструмента позволили снизить металлоемкость производства до 25 %, увеличить твердость инст-

румента на 6...8 единиц HRC и повысить стойкость пуансонов для изготовления изделий типа «стакан» в 1,6 раза. Процесс принят и внедрен в производство на ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П Королева (г. Королев, Московская область) и ОАО «Точприбор» (г. Иваново);

- технологического процесса изготовления инструмента высокотемпературной термомеханической обработкой заготовок инструмента после ЭШП. Процесс принят к внедрению в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ» (г. Тула). Технико-экономическая эффективность разработанного процесса связана с улучшением физико-механических свойств сталей и служебных характеристик пуансонов для горячей обработки металлов давлением, что связано с особенностями полученной тонкой кристаллической и субзеренной структуры и дало возможность повысить стойкость пуансонов в 2,1 раза;

- технологического процесса изготовления пуансонов горячего деформирования ЭШП с ПМП и последующим гидропрессованием по схеме ВТМО. Новый технологический процесс внедрен в производство на ОАО «Корпорация «ТРВ» (г. Королев, Московская область).

Применение комбинированной упрочняющей обработки позволило повысить стойкость инструмента в 2,5...4 раза по сравнению с ЭШП и прокатом. Эффект достигается путем создания в поверхностных слоях инструмента значительных остаточных напряжений сжатия.

В заключении приводятся основные результаты работы.

В приложении представлены документы подтверждающие внедрение результатов работы на предприятиях отрасли.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации представлено новое решение важной научно-технической проблемы - повышения стойкости литых пуансонов горячего деформирования осесимметричных поковок посредством установления закономерностей формирования полей температурно-силовых напряжений многомерной системы «инструмент - заготовка - матрица», возникновения и распространения усталостных и разгарных трещин, появления и изменения остаточных напряжений в процессе термической обработки и штамповки и на основе этого выбора научно обоснованных комплексных методов упрочнения и рациональных режимов эксплуатации.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено, что основными причинами, приводящими к изменению формы и размеров рабочей поверхности горячих пуансонов, являются трещины разгара и пластическая деформация металла гравюры.

2. Расчет температурных полей в пуансоне и экспериментальные исследования показали, что при деформировании заготовки с начальной температурой 950...1000 °С разогрев поверхности пуансона происходит в период его активного контакта с заготовкой и доходит в конце процесса выдавливания до 650...750 °С. В нерабочий период температура поверхностного слоя понижа-

ется до 360...420 °С. С целью снижения термоупругих напряжении при первом цикле деформирования заготовки пуансон перед работой следует подогревать до 350...430 °С.

3. Предложенный теоретический расчет температурных полей, с учетом скорости движения пуансона относительно разогретой заготовки на примере осесимметричной прошивной головки, показал хорошую сходимость с результатами эксперимента.

4. Теоретическими исследованиями нестационарных температурных напряжений в пуансоне цилиндрической формы с теплопроводным включением установлено, что локальность нагрева инструмента зависит от напряженно-деформируемого состояния, тонкостенности пуансона и теплофизических параметров штамповой стали. Изменением соотношения теплофизических параметров материала и интенсивности охлаждения инструмента достигаются благоприятные изменения как величины, так и знака остаточных напряжений в пуансоне.

5. Теоретическое и экспериментальное определение остаточных напряжении в головках прошивных пуансонов после термообработки и различного числа циклов штамповки показало, что остаточные напряжения от поверхности к оси инструмента неоднократно изменяются по величине и знаку. С увеличением числа штамповок возрастает величина растягивающих остаточных напряжений, что является одной из причин зарождения и развития усталостных и разгарных трещин в поверхностных слоях и в теле инструмента.

6. Сделан анализ этапов развития усталостной трещины в пуансоне при циклическом температурно-силовом воздействии, при котором влияние величины и характера изменения остаточных напряжений на усталостное разрушение и долговечность пуансона являются определяющими.

7. Установлено, что применение электрофизических методов воздействия в процессе кристаллизации является эффективным: методом формирования структуры и улучшения эксплуатационных характеристик пуансонов. После ЭШП при твердости HRC 40...46 долговечность пуансонов увеличивается от 1,7 до 3 раз, увеличивается разгаростойкость, что позволяет поднять верхний температурный предел эксплуатации от 550 до 700 °С и увеличить твердость инструмента на б...8 единиц HRC. Ультразвуковое воздействие удельной мощности 33*103 Дж/м3 в процессе ЭШП диспергирует дендритную структуру, значительно очищает металл от самых крупных неметаллических включений, повышает ударную вязкость на 40 %. Стойкость пуансонов после закалки и отпуска на твердость HRC 53...55 увеличивается в 1,5 раза. Дальнейшее увеличение удельной мощности УЗВ неэффективно.

8. Показано, что пульсирующее магнитное воздействие в процессе ЭШП значительно повышает разгаростойкость и ограниченную долговечность пуансонов. Наибольшая разгаростойкость и стойкость получена на пуансоне из стали 4ХМФС с твердостью HRC 44...46 после ЭШП с ПМВ при силе тока Ic = 8А, напряжении Uc. = 80 В, частоте тока 1*~ 0,5 Гц с вводимой в расплав энергией 1280 Дж/с.

9. Исследовано влияние высокотемпературной обработки (ВТМО) на служебные характеристики пуансонов. Разгаростойкость и ограниченная долговечность исследуемых образцов при твердости НН.С 44...46 увеличились в 2,1 раза по сравнению с прокатом и ЭШП. С увеличением степени обжатия при гидропрессованнии по схеме ВТМО улучшаются физико-механические свойства сталей и служебные характеристики пуансонов для горячей обработки металлов давлением, что объясняется особенностями полученной тонкой кристаллической и субзеренной структуры.

10. Установлено, что комбинированные упрочняющие способы изготовления пуансонов являются эффективными методами повышения их стойкости. ПМВ в процессе ЭШП с последующим горячим гидропрессованием по схеме ВТМО со степенью обжатия е= 83% повысил разгаростойкость пуансонов от 3 до 10 раз по сравнению с ЭШП. Долговечность после комбинированной обработки в исходном состоянии и после различного числа теплосмен в 2,5...4 раза больше, чем у пуансонов из ЭШП и проката.

11. Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что наибольшую разгаростойкость и ограниченную долговечность имеют штампы, у который в поверхностных слоях созданы значительные остаточные напряжения сжатия. В порядке возрастания эффективности упрочнения и влияния его на долговечность пуансонов методы обработки располагаются следующим образом: прокат с ВТМО, ПМВ в процессе ЭШП, ЭШП с последующей ВТМО; ПМВ в процессе ЭШП с последующей ВТМО.

12. Разработана и опробована методика выбора рациональных научно обоснованных режимов эксплуатации кузнечно-прессового оборудования и комплексных методов повышения стойкости штампового инструмента, позволяющие повышать эффективность применения различных упрочняющих технологий, увеличивать разгаростойкость и улучшать служебные характеристики штампов для горячей обработки металлов давлением.

13. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету температурных полей движущегося полого водоохлаждаемого пуансона, что позволяет с достаточной достоверностью определить расчетным путем влияние геометрических размеров, формы, свойств материала инструмента, заготовки, пограничного слоя, смазки, временных параметров цикла штамповки, предварительного подогрева, условий теплоотвода и т.п. на распределение температурных полей по объему пуансона. Разработаны новые технологические процессы изготовления заготовок пуансонов электрошлаковым переплавом изношенного инструмента и сортового проката: с наложением ультразвукового воздействия; применением пульсирующих магнитных полей; высокотемпературной термомеханической обработки, а также комбинированных методов. Материалы диссертационной работы использованы также в учебном процессе.

По теме диссертации публиковано более 50 научных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ:

Монографии:

1. Влияние деформационно-термических обработок на свойства штамповых сталей для горячего деформирования / В.И. Фатеев и [др]. Тула: ТулПИ, 1982.152 с. Деп. В ВИНИТИ 12 ноября 1982, № ЗД/1344.

2. Фатеев В.И., Кисурин A.A., Поляков В.Н. Влияние некоторых упрочняющих обработок на свойства штамповых сталей для горячего деформирования. Тула: ТулПИ, 1984.204 с. Деп. в ВИНИТИ 27 августа 1984, № ЭД/2553.

3. Фатеев В.И. Температурно-силовые параметры эксплуатации штампов горячего деформирования стальных заготовок: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007.124с.

Статьи в издания*, входящих в «Перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК России для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук»:

4. Фатеев В.И., Кисурин A.A., Ревякина Е. А. Влияние электрошлакового переплава на свойства штамповой стили 5ХНМ // Металловедение и термическая обработка металлов. 1979. №'). С.55-56.

5. Фатеев В.И., Кисурин A.A., Поляков В.Н. Влияние циклических температурных воздействий и некоторых методов упрочнения на распределение остаточных напряжений стали ЗХЗМЗФ // Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. №3. С.29-31.

6. Фатеев В.И., Бербенец A.B., Кисуриша H.A. Деформирование пластмассовой гильзы в процессе выстрела // Известия ТулГУ: Физика. Тула, 1999. Вып.2. С.158-163.

7. Фатеев В.И. Температурное поле цилиндрического водоохлаж-даемого пуансона // Известия ТулГУ. Сер. Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Тула, 2004. Вып.1. С. 177-18!?.

8. Фатеев В.И. Термоупругие напряжения в полом осесимметрич-ном пуансоне для горячей штамповки // Известии ТулГУ. Сер. Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Тула, 2004. Вып.1. С.188-193.

9. Анализ параметров долговечности сталей для штампов горячей штамповки / В.И. Фатеев [и др.] // Производство проката. 2005. №6. С.23-26.

10. Фатеев В.И. Влияние горячего гидропрессования на эксплуатационные характеристики деталей машин II Известия ТулГУ. Сер. Машиноведение, системы приводов и детали машин. Тула, 2006. Вып. 3. С. 142 -147.

11. Фатеев В.И. Влияние термоциклирования на характер и величину остаточных напряжений в деталях II Известия ТулГУ. Сер. Машиноведение, системы приводов и детали машин. Тула, 2006. Вып. 3. С. 147 -150.

12. Фатеев В.И. Моделирование напряженного состояния полых

осесимметричных пуансонов в лабораторных условиях // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, 2007. Вып. 1. С. 67 - 71.

13. Фатеев В.И. Влияние ультразвука в процессе ЭШП на служебные характеристики литых пуансонов горячего деформирования // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, 2007. Вып. 1. С. 71 - 76.

14. Фатеев В.И. Теоретическое и экспериментальное определение температур в полом подоохлаждаемом осесимметричном пуансоне// Известия ТулГУ. Технические науки. Тула, 2007. Вып. 2. С. 85 - 92.

15. Фатеев В.И., Выборной Н.Н. Исследование влияния горячего гидропрессования на эксплуатационные характеристики материалов для изготовления деталей зубчатых передач // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. ТулГУ, 2008. Вып. 4. С. 150-154.

16. Фатеев В.И. Определение температурных полей в полом водо-охлаждаемом осесиммегричном пуансоне горячего прессования // Заготовительные производства в машиностроении. М.: Машиностроение. 2009, №3.

С. 31-34.

17. Фатеев В.И. Исследование сложного напряженного состояния полых водоохлажденных осесимметричных пуансонов для горячегр деформирования в лабораторных условиях // Заготовительные производства в машиностроении. М.: Машиностроение. 2009, №6. С. 44-51.

18. Фатеев В.И. Оценка расчетной долговечности образцов из штамповых сталей при усталостном и ударно-усталостном нагружениях //Кузнечно-штамповочное производство. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. М.: Машиностроение. 2009, №6. С. 41-47.

19. Фатеев В.И. Влияние высоковольтного электроимпульсного воздействия на стойкость литых пуансонов для горячего деформирования // Кузнечно-штамповочное производство. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. М.: Машиностроение. 2009, №7. С. 29-32.

20. Фатеев В.И. Расчет температурных полей движущегося полого цилиндрического водоохлаисдаемого пуансона // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула, ТулГУ. 2009. Вып. I. С. 146-152.

21. Фатеев В.И. Термоупругие напряжения в полом осесимметричном водоохлаждаемом пуансоне горячего деформирования // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула, ТулГУ. 2009. Вып. 1. С. 98-104.

Публикации в сборниках международных и всероссийских научных конференциях и в различных сборниках научно-технических трудов:

22. Методика испытаний штамповых сталей на термическую усталость. / В.И. Фатеев [и др.] // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением: сб. науч. тр. / ТулПИ, Тула, 1974. Вып.2. С. 113-119.

23. Исследования влияния различных способов упрочняющей обработки на разгаростойкость стали 5ХМН. / В.И. Фатеев [и др.] И Исследования в об-

ласти пластичности и обработки металлов давлением: сб. науч. тр. / ТулПИ. Тула, 1977. Вып.4. С.103-106.

24. Поляков В.Н., Фатеев В.И., Гринберг В.М. Исследование работоспособности сталей для крупных штампов // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением: сб. науч. тр. / ТулПИ. Тула, 1977. Вып.5. С.28-33.

25. Фатеев В.И., Кисурин A.A. Исследование влияния электрошлакового переплава на стойкость штамповой стали марки 4ХМФС. // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением: сб. науч. тр. / ТулПИ. Тула, 1978. Вып.б. С.96-103.

26. Фатеев В.И., Поляков В.Н., Кисурин A.A. Влияние надрезов, их формы и способов получения на долговечность и термическую усталость. Тула: ТулПИ, 1979, 12 с. Деп. в Черметинформации 3 июля 1979, №60-78.

27. Фатеев В.И., Поляков В.Н., Кисурин A.A. Установка для исследования свойств сталей, работающих при циклически меняющихся температурах и напряжениях. Тула: ТулПИ, 1981. 6 с. Деп. в Черметинформации 23 июня 1981,№1310.

28. Фатеев В.И., Кисурин A.A., Юдкин Ю.П. Влияние ультразвукового воздействия в электрошлаковом процессе на структуру свойства стали 53ХМЮА и стойкость деталей машин. II Управление сварочными процессами: сб. науч. тр. / ТулПИ. Тула, 1983. С.55-60.

29. Фатеев В.И., Тихомирова Н.Д., Кисурин A.A. Влияние термоциклической обработки на служебные характеристики штамповых сталей // Влияние термоциклической обработки на структурное состояние и механические свойства металла и сплавов: тез. докл. науч.-технич. совета. Киев, 1987. С.64-66.

30. Фатеев В.И., Панченко Е.В. Расчет изменения радиуса при газостатической формовке углов коробчатых деталей // Исследования в области теории, технологии и оборудования штампового производства: сб. науч. тр. / Тул-ГУ. Тула, 1996. С.115-118.

31. Фатеев В.И., Панченко Е.В. Величина и характер распределения остаточных напряжений в головке прошивного пуансона // Прикладные задачи газодинамики и недеформируемых твердых тел: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 1996.

С.193-197.

32. Фатеев В.И., Елисеев A.A. Исследование остаточных напряжений в стали, подвергнутой термоциклированию // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 1997. С.96-100.

33. Яковлев С.П., Фатеев В.И., Кисурина H.A. Роль остаточных микронапряжений в упрочнении конструкций штампов // Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки металлов давлением и резанием: сб. науч. тр. ТулГУ. Тула, 1999. Вып.2. С.96-101.

34. Фатеев В.И., Кисурина H.A., Панченко Е.В. Исследование величины и характера распределения остаточных напряжений в осесимметричных деталях, работающих в условиях термического нагружения // Сборник научных

трудов МНТК «Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач»: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 2000. С.97-99.

35. Фатеев В.И., Юдкин Ю.П., Юрченко Д.А. Исследование влияния горячего гидропрессования на эксплуатационные характеристики стали 40Х // Сборник научных трудов МНТК «Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач»: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 2000. С. 100-102.

36. фят^св 0 J'f Т£цсупиня H.A. TGrtMOvntyvri-is напряжения в полом осссиммстричном водоохлаждаемом пуансоне // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 2000. С.46-51.

37. Яковлев С.П., Фатеев В.И., Кисурина H.A. Численный метод определения температурного поля пуансона // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 2000. С.51-55.

38. Фатеев В.И., Кисурина H.A. Температурное поле пуансона горячей штамповки // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 2000. С.120-125.

39. Яковлев С.П., Фатеев В.И., Кисурина H.A. Температурное поле движущегося полого цилиндрического водоохлаждаемого пуансона // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 2000. С.125-130.

40. Фатеев В.И., Кисурина H.A. Температурное поле пуансона горячей штамповки осесимметричных деталей Сб. тр. 12-й межвуз. конф. «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара, 2002. С. 173-178.

41. Фатеев В.И., Кисурина H.A. Численный метод определения температурного поля полого водоохлаждаемого пуансона // Сборник трудов 12-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара, 2002. С.178-183.

42. Фатеев В.И., Кисурина H.A. Влияние ультразвука в процессе ЭШП на служебные характеристики штампованной стали // Труды Первой общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - производству». Вологда, 2003. С.77-79.

43. Фатеев В.И., Кисурина H.A. Влияние пульсирующего магнитного воздействия в процессе ЭШП на разгаростойкость и ограниченную долговечность // Труды Первой общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - производству». Вологда, 2003. С.79-80.

44. Фатеев В.И., Харин Д.В. Исследование влияния ультразвука на служебные характеристики штампованных сталей марок 53ХМЮА и 5ХНВ // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технология - экология»: в 5-ти т. Киров, 2003. Т.2. С.28-29.

45. Фатеев В.И., Кисурина H.A. Влияние высоковольтного электроимпульсного воздействия на структуру и служебные характеристики штампованных сталей // Научные основы решения проблем сельскохозяйственного машиностроения: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 2003. С.202-205.

46. Фатеев В.И. , Кисурина H.A. Расчетная оценка долговечности образцов из штампованных сталей при ударно-усталостном и усталостном нагру-жении // Научные основы решения проблем сельскохозяйственного машиностроения: сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 2003. С.266-271.

Авторские свидетельства и патенты:

47. A.c. 779416 СССР, МКИ3С21.Д.8/00. Способ термической обработки штампов / A.A. Кисурин, Фатеев В.И., В.Н. Поляков. - заявл. 26.04.76; опубл. 18.07.80, Бюлл. №42. - С.6

48. А..С. 829694 СССР. МКИ3С21.Д.8/00. Способ уппочнения нггампо-вой стали для горячего деформирования / Фатеев В.И., В.П. Бирюков и [др.]. -заявл. 30.03.79; опубл. 15.07.81, Бюлл. №18. - С. 4.

49. A.c. 998754 СССР, МКИ3С21.Д.8/00. Способ виброимпульсной обработки расплавленного металла / Фатеев В.И., A.A. Кисурин, Н.П. Романов.

50. A.c. 1362044 СССР, МКИ3С21.Д.8/00. Способ получения слитка / Фатеев В.И., A.A. Кисурин и [др.].

Подписано в печать 04.09.2009. Формат бумаги 60x84 у16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,32. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 0/£.

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 97а.

Введение.

1. Цель и задачи исследований.

1.1. Современное состояние, обзор литературы и 25 постановка проблемы

1.2. Методы получения, основные характеристики и 35 марки высокостойких штамповых сталей.

1.3. Основные факторы, влияющие на стойкость штампов 51 горячего деформирования металлов.

1.4. Основные виды разрушения штампов для горячей 54 штамповки.

1.5. Актуальность решаемой проблемы, цель и задачи 58 исследования.

2. Эксплуатационные требования, предъявляемые к 62 штамповым сталям и возможное их разрушение.

2.1. Механические характеристики и свойства штамповых 62 сталей.

2.2. Распространение трещин при усталостном 67 нагруженйи.

2.3. Разгарное разрушение и ограниченная долговечность 87 штамповых сталей.

3. Температурные условия эксплуатации штампов 94 для горячей обработки металлов давлением.

3.1. Влияние тепловыделения и слоя окалины на 94 температуру поверхности контакта при горячей штамповке.

3.2. Расчет температурных полей в штамповом 101 инструменте, движущемся относительно заготовки при горячей штамповке.

3.3. Аналитический метод расчета температурных полей в 108 пуансоне, движущемся относительно разогретой заготовки

3.4. Экспериментальное определение распределения 117 температурных полей в водоохлаждаемом осесимметричном пуансоне

3.5. Анализ напряженного состояния цилиндрического 125 пуансона с теплопроводным включением.

4. Расчет силовых параметров эксплуатации 137 штампов горячего деформирования металлов.

4.1. Определение термоупругих напряжений в полом 137 цилиндрическом пуансоне.

4.2. Определение уровня удельных нагрузок, возникающих 144 в материале штампов при горячей штамповке.

4.3. Расчет напряжений возникающих в цилиндрическом 147 пуансоне под действием силовых нагрузок.

4.4. Распределение остаточных напряжений в пуансоне при 157 горячей штамповке.

5. Экспериментальные исследования.

5.1. Определение термоупругих напряжений, 165 возникающих в результате термического циклического воздействия в защемленном образце с надрезом.

5.2. Установка для термоциклирования пггамповых сталей.

5.3. Оценка термоусталостной прочности пггамповых 181 сталей при наличии концентрации напряжений и экспериментальное определение остаточных напряжений.

5.4. Установка для испытаний пггамповых сталей на 199 ограниченную долговечность.

5.5. Расчётная оценка живучести образцов из пггамповых 202 сталей при ударно-усталостном и усталостном изгибах и оценка сопротивления ударно-усталостному разрушению поверхностноупрочненных пггамповых сталей.

6. Повышение стойкости штампового инструмента.

6.1. Пути повышения стойкости пггамповых сталей

6.1.1. Влияние электрошлакового переплава на 213 механические свойства и ограниченную долговечность ряда штамповых сталей

6.1.2. Влияние ЭШП на разгаростойкость штамповой стали.

6.1.3. Влияние ЭШП на ограниченную долговечность 220 термоциклированных сталей.

6.2. Физические и электродинамические методы 229 воздействия в процессе изготовления пуансонов

6.2.1. Влияние ультразвука в процессе ЭШП на служебные 229 характеристики пуансонов.

6.2.2. Влияние пульсирующего магнитного воздействия в 232 процессе ЭШП на разгаростойкость и ограниченную долговечность пуансонов.

6.3. Влияние высокотемпературной термомеханической 234 обработки на служебные характеристики пуансонов.

6.4. Методика повышения стойкости штампов за счет 249 увеличения долговечности штамповых сталей для горячей обработки металлов давлением путем выбора рациональных научно-обоснованных комплексных методов упрочнения.

6.5. Промышленное опробование результатов исследований 251 Заключение и основные выводы. 253 Список используемой литературы 257 Приложение 1. 276 Приложение 2. 278 Приложение 3. 281 Приложение 4. 285 Приложение 5. 286 Приложение 6. 288 Приложение 7. 290 Приложение 8. 292 Приложение 9.

Внедрение в производство прогрессивных процессов обработки материалов давлением, максимально приближающих формы заготовок к формам готовых изделий (прессование, вытяжка, штамповка и др.), имеют большое народнохозяйственное значение, т.к. позволяют значительно сократить потери обрабатываемого материала и снизить затраты на последующую механическую обработку, а также, совместить процессы формообразования с операциями упрочнения металлов и сплавов. Особенно это актуально в массовом производстве осесимметричных деталей типа «стакан».

Повышение производительности кузнечнопрессового оборудования находится в прямой зависимости от увеличения стойкости штампового инструмента. Стойкость штампов — один из показателей экономической эффективности горячей штамповки. Расходы на штамповый инструмент составляют в среднем 15 — 30 % от стоимости поковок и наиболее высокие (52% и выше) при горячем прессовании (выдавливании).

Особо остро проблема стойкости штампового инструмента проявляется при производстве корпусных изделий. Низкую стойкость показывают головки прошивных пуансонов (100.600 штамповок), что связано с их крайне тяжелыми условиями эксплуатации. В процессе горячей штамповки в штамповом инструменте формируются остаточные напряжения до 500 МПа, а температура поверхности достигает 500.750°С при циклически меняющихся нагреве и охлаждении. Такое явление порождает процессы термомеханической усталости, которые сопровождаются возникновением и развитием разгарных трещин. Поэтому решение проблемы повышения стойкости штамповой оснастки предопределяет, с одной стороны, оптимизацию режимов штамповки, а с другой, установление закономерностей процессов разрушения материала штампа, работающего в условиях циклически меняющихся температурных и силовых нагружений.

При этом инструмент и заготовка должны рассматриваться как единая многомерная система с комплексом входных и выходных параметров.

Исследования показывают, что наибольшее повышение долговечности штампов горячей штамповки достигается при правильном выборе режимов эксплуатации, марки штамповой стали и режимов её термической, упрочняющей и т.п. обработок. Научно обоснованные режимы термических и упрочняющих обработок можно правильно назначить только после всесторонних исследований закономерностей температурно-силового нагружения и причин, вызывающих появление и развитие трещин и разрушения штампов. Таким образом, дальнейшее развитие исследований температурных условий нагружения, определение остаточных температурных напряжений и обобщение экспериментальных данных с целью разработки научно-обоснованных комплексных методов упрочнения для получения оптимальной структуры, повышающей эксплуатационные характеристики штамповых сталей, представляет большое практическое значение.

Создание высокостойкого штампового инструмента является составной частью народнохозяйственной проблемы — повышения технико-экономической эффективности процессов металлообработки.

Повышение долговечности штамповой оснастки для горячей обработки металлов давлением является важной научной проблемой, об актуальности и необходимости решения которой свидетельствуют Постановления, Решения и Приказы директивных органов. В соответствии с ними Тульским политехническим институтом (ныне - Тульский государственный университет) при непосредственном участии автора в период с 1983 по 2007 г. г. выполнялись хоздоговорные и госбюджетные НИР, в том числе и по федеральной целевой программе НТР.

Для решения проблемы повышения долговечности штампов для горячей обработки металлов давлением актуальными являются решения следующих задач:

1. Установление механизма выхода из строя штампового инструмента.

2. Установление температурно-силовых режимов эксплуатации литых пуансонов для горячей обработки металлов давлением.

3. Оценка величины и характера перераспределения остаточных напряжений и их влияния на закономерности усталостного разрушения литых пуансонов.

4. Исследование кинетики возникновения и роста усталостных трещин в штамповом инструменте для горячей обработки металлов давлением при изготовлении корпусных изделий методом прошивки, при котором головки прошивных пуансонов работают в крайне тяжелых температурно-силовых условиях и имеют низкую стойкость.

5. Разработка комплексной методики исследования, позволяющей оценить эффективность влияния различных видов упрочняющих обработок на разгаростойкость и долговечность литых пуансонов, работающих в условиях циклически меняющихся температурных и силовых нагрузок.

6. Обоснование режимов упрочняющих технологий, обеспечивающих повышение долговечности штампового инструмента.

7. Определение области рационального применения различных видов упрочняющих технологий.

8. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований стойкости литых пуансонов, методов упрочнения их материалов, позволяющих повысить долговечность инструмента для горячей обработки металлов давлением.

Цель работы: повышение стойкости литых пуансонов горячего деформирования осесимметричных поковок путем установления взаимосвязей технологических параметров обработки, выбора научно обоснованных комплексных методов упрочнения и рациональных режимов эксплуатации.

В соответствии со сформулированной целью и задачами исследования в первом разделе исследуется современное состояние проблемы.

Анализируются основные факторы, влияющие на стойкость штампов горячего деформирования металлов. Подчеркивается актуальность решаемой проблемы, проводится анализ существующих подходов к решению проблемы. Отмечается значительный вклад в теорию обработки металлов давлением и в решение проблемы стойкости штампового инструмента, который внесли учёные Е.И. Вельский, А.Н. Брюханов, В.А. Голенков, A.M. Дмитриев, Г. Закс, Ю.Г. Калпин, В.Д. Кухарь, А.Г. Овчинников, JI.M. Охрименко, JLA. Позняк, Е.А. Попов, В.П. Северденко, Е.И. Семенов, Е.Н. Сосенушкин, И .Я. Тарновекий, А.Д. Томлёнов, Б.Ф. Трахтенберг, М.А. Тылкин, С.П.Яковлев и ряд других исследователей. Показано, что классическая теория не позволяет описать на современном уровне физические процессы, происходящие в инструменте, работающем в сложных условиях термо - силового нагружения. Отмечается, что эта проблема очень сложна и, несмотря на значительное число работ, все еще остается недостаточно исследованной. На основе проведенного анализа публикаций сформулированы ряд направлений и задач, решение которых необходимо для повышение стойкости штампового инструмента для горячей обработки металлов давлением посредством выбора рациональных научно-обоснованных режимов эксплуатации и комплексных методов упрочнения.

Во втором разделе рассматриваются эксплуатационные требования, предъявляемые к штампам и возможное их разрушение. Показано, что стойкость штампового инструмента зависит от большого числа факторов, которые можно разделить на конструктивные, эксплуатационные, металлургические и технологические. Одновременное воздействие множества факторов на стойкость штампового инструмента для горячего деформирования затрудняет установление основных закономерностей и причин выхода штампов из строя. Однако основными причинами выбраковки большинства штампов являются: местное или общее изменение размеров и формы рабочей поверхности гравюры; появление развитой сетки трещин термической усталости.

Процесс разрушения материала штампов состоит из двух основных явлений: зарождения трещины и ее распространения.

В общем случае решение задач теории трещин состоит из двух этапов:

1) формулировки необходимых механических концепций распространения трещин в твердых телах и составления на этой основе критериальных уравнений;

2) определения локального поля напряжений около трещины в деформируемом теле.

Основные выводы, относящиеся к трещиностойкости, состоят в следующем: а) для высокопрочных материалов порообразующие включения играют незначительную роль, и при увеличении предела текучести их влияние уменьшается (предполагается, что последнее связано с локализацией течения и декогезией полос скольжения). Незначительная роль порообразующих включении относится к распространению уже существующей трещины вдоль плоскости, наклоненной к плоскости исходной трещины. При этом* включения определяют профиль поверхности разрушения; б) для достижения высокой трещиностойкости необходимо предотвратить локализацию течения, а если это не удается, то затруднить протекание процесса декогезии полос скольжения, чрезмерное стремление очистить материал от порообразующих включений успеха не принесёт. Это существенное отличие от поведения низкопрочных материалов, для которых первостепенное значение для достижения высокой трещиностойкости имеет снижение концентрации порообразующих включений.

Эти выводы исключительно важны для создания сплавов и могут быть основой для предсказания поведения высокопрочных материалов.

Существенное влияние на долговечность штампов оказывает разгарное разрушение их материалов. Отличительной особенностью методики по изучению разгара является возможность в процессе испытания следить за кинетикой развития трещин в образцах. Термическая усталость оценивается средней величиной трещин, растущих от краёв к центру дна надреза образца. В большинстве других методик термическая усталость оценивается числом циклов до появления первой трещины или трещины определенного размера. Исследования ограниченной долговечности проводилось для сталей марок ЗОХ2ГСМФ, 4Х4М2ВФС, ЗХЗМЗФ и 4Х5МФС.

Самое высокое сопротивление термической усталости показала сталь марки ЗХЗМЗФ. Трещины были обнаружены лишь после 200 термоциклов и длина их оставалась в 1,5. .2 раза меньше чем в образцах из стали марок 4Х4М2ВФС и 4Х5МФС. Сталь марки ЗОХ2ГСМФ обладает хорошей разгаростойкостью, что согласуется с результатами изучения ограниченной долговечности. При условии обильного охлаждения рабочей поверхности тяжелонагруженного прессового инструмента сталь марки 30Х2ГСМФ может обеспечить его длительную работу. Результаты исследований позволяют обосновать оптимальный режим термообработки штамповых сталей в состоянии поставки обеспечивающий максимальную разгаростойкость.

В третьем разделе рассматриваются температурные условия эксплуатации штампов для горячей обработки металлов давлением. Учитывается влияние тепловыделения и слоя окалины на температуру поверхности контакта горячей штамповки. Общее количество энергии, затрачиваемой на процесс деформирования, определяется по формуле Финка, а сопротивление деформации, зависящее в основном от температуры и скорости деформации, по формуле А.И. Целикова.

Для решения задачи о передачи тепла в системе из трех тел (заготовка - окалина - инструмент) с различными теплофизическими свойствами принимались следующие допущения: 1) теплофизические параметры окалины не изменяются при изменении температуры; 2) температура от заготовки к инструменту передается за счет теплопроводности; 3) толщина окалины во время работы остается постоянной; 4) решается одномерная задача неограниченной плоскости, так как толщина слоя окалины значительно меньше радиуса кривизны инструмента.

Проводится расчет температурных полей в штамповом инструменте, движущемся относительной заготовки при горячей штамповке. Задача решается конечно-разностным методом - методом дробных шагов. У поверхности инструмента в месте контакта с заготовкой сетка сгущена, так как в этой области возникают наибольшие градиенты температур. Анализ результатов исследования показал, что наибольший перепад температур происходит в поверхностных слоях пуансона. Контактная поверхность пуансона имеет температуру выше, чем поверхность контакта матрицы.

Решение задачи о распределении температурного поля в полом цилиндрическом конечных размеров пуансоне, погружающемся в разогретую заготовку, проводится аналитически методом изображений с использованием разложения в ряд Фурье и используя принцип суперпозиций.

Аналитический метод расчета удобен для точного определения температуры R интересующей точке пуансона в определенный момент времени. Для расчета распределения температурных полей по телу пуансона в течение рабочего периода инструмента аналитический метод требует большого количества машинного времени. Численный метод для инженерных расчетов является более экономичным и дает достаточную точность определения температурных полей в движущемся, водоохлаждаемом изнутри, пуансоне горячей штамповки.

Из результатов расчета следует, что наибольший разогрев наблюдается в поверхностных слоях пуансона и по мере приближения к оси температура снижается. Максимальный нагрев пуансона происходит в период паузы, когда заготовка выдавлена, а пуансон ещё не начал подниматься. Максимальная температура разогрева поверхностных слоев нижнего горца инструмента перед периодом подъёма достигает 600.650°С. В период остывания температура снижается до 400°С. Наибольший градиент температур возникает в поверхностной зоне толщиной ~ 1-10 " м и составляет 80.100 °С/мм. Для уменьшения перепада температур поверхностных слоев, очевидно, перед началом работы исследуемый инструмент целесообразно подогревать до ~ 400°С.

Расчёт температурных полей даёт возможность определить изменение температуры по телу пуансона, имеющего форму, близкую к цилиндрической, в процессе всего времени работы штампового инструмента. Для оценки уровня разогрева прошивного пуансона и подтверждения предложенного температурного расчёта, был поставлен эксперимент.

Показано, что стабильный режим устанавливается после первых 6-7 штамповок. Уровень температуры в поверхностных слоях выше, чем в теле пуансона. Кроме того, амплитуда колебания температур максимальная в поверхностных слоях штампового инструмента. Максимальная температура цикла в период квазистационарного теплового режима пуансона, составляет 650° С - минимальная - 425 °С. От поверхности к оси пуансона температура постепенно снижается до 330-430°С.

Предложенный метод расчёта температуры разогрева прошивной головки штампового инструмента хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований. Это позволяет с достаточной достоверностью определить расчётным путем влияние геометрических размеров, формы, свойства материала инструмента, заготовки, пограничного слоя смазки, временных параметров цикла штамповки, предварительного подогрева, условий теплоотвода, температуры заготовки и т.п. на распределение температурных полей по объёму пуансона.

Распределением температурных полей, градиентом температуры определяются температурные напряжения, возникающие в процессе работы штампового инструмента. Расчет температурного поля движущегося полого водоохлаждаемого пуансона позволил провести анализ напряженного состояния цилиндрического пуансона с теплопроводным включением.

Исследования показали, что локальность нагрева пуансона существенно зависит не только от протяженности зоны нагрева, но и от тонкостенности, а таюке теплофизических параметров. Представляется возможность соответствующим изменением соотношения теплофизических параметров материала пуансона и охлаждающей жидкости достичь изменения знака максимальных напряжений в опасных сечениях.

В четвертом разделе проводится расчет силовых параметров эксплуатации штампов горячего деформирования металлов.

Термоупругие напряжения в квазистатическом приближении найдены с помощью метода Гудьера.

Анализ результатов расчета показал, что в процессе одного цикла нагружения термоупругие напряжения он, а^, афф меняют знак. В разных зонах пуансона кривые напряжений в процессе работы изменяются по величине и имеют различную направленность. Наибольших значений напряжения огг, афф достигают в конце цикла штамповки. Сократив время пассивного контакта, до 0,3. 0,4 сек, после периода выдавливания, можно значительно уменьшить термоупругие напряжения в объёме пуансона, максимальные термоупругие напряжения растяжения а77, офф возникают в поверхностных зонах пуансона. Если учесть, что наибольший разогрев штампового материала до 600.65С происходит в зонах соприкосновения с разогретой заготовкой, и, что при повышенных температурах физико-механические свойства материалов понижаются, то, очевидно, наиболее вероятно зарождение и развитие трещин усталости будет происходить в поверхностной зоне пуансона. Кроме температурного, пуансон испытывает силовое циклическое воздействие. Для более полной оценки загруженности материала штампового инструмента были проведены экспериментальные исследования по определению удельных нагрузок, возникающих в процессе штамповки.

Определение уровня удельных нагрузок, возникающих в материале штампов для горячей штамповки, осуществлялось с помощью гидравлической месдозы, включённой в гидросистему рабочего цилиндра пресса ПО-437. Для регистрации сигналов тензодатчиков применялись тензостанция 8АНЧ-7М и шлейфовый осциллограф Н-700. Из анализа результатов испытаний можно сделать вывод, что при горячей прошивке изделий типа "стакан", удельные нагрузки в пуансоне достигают 400.570 МПа, т.е. средние удельные силы достигают 480 МПа, отклонения от среднего удельного давления происходят, очевидно, от неравномерности разогрева штампуемой заготовки. Стали для изготовления инструмента горячей штамповки должны обладать достаточной разгаростойкостью и высоким комплексом механических свойств при температуре 600.650°С и удельных силах штамповки Р = 400.570 МПа.

Анализ результатов расчета показал, что наибольшие суммарные напряжения материал штампового инструмента испытывает в поверхностной зоне возле нижнего торца пуансона. В этой же зоне наблюдается максимальный разогрев пуансона.

Для регистрации деформации после удаления слоев металла использовали прибор АИД-2М (автоматический измеритель деформации). Снятие слоев пуансона производили на токарном станке с интенсивным охлаждением при малых скоростях резания и подачи, чтобы исключить разогрев металла. В работе применялись тензодатчики типа ПКБ-20-200.

Остаточные напряжения распределяются по толщине стенки неравномерно и меняют знак несколько раз. Термическая обработка даёт существенный прирост остаточных напряжений.

В результате циклического температурного воздействия в процессе штамповки происходит перераспределение напряжений по толщине стенки пуансона.

Возникновение и развитие разгарных трещин происходит с поверхности в зоне наибольшего разогрева, при котором физико-механические свойства штамповых сталей значительно снижаются. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при неблагоприятном сочетании температурных, остаточных напряжений и напряжений от механического воздействия, суммарные тангенциальные напряжения растяжения в поверхностных слоях пуансона могут достигать 1300. 1500 МПа. И если учесть наличие хрупких "белых слоев" в поверхностной зоне инструмента, то наличие растягивающих остаточных напряжений создают благоприятные условия для зарождения и роста трещин. Очевидно, величина напряжений растяжения, в процессе циклического термического воздействия при штамповке, возрастает до тех пор, пока ни превысит предела прочности материала в области трещины (концентратора напряжений). Затем происходит интенсивный рост трещин и напряжения релаксируют. При дальнейшей работе штампового инструмента процесс повторяется и продолжается рост трещин.

Таким образом, в штамповом инструменте в процессе работы формируются значительные напряжения, в поле действия которых облегчается зарождение и рост трещин. С целью увеличения срока службы штампов необходимо создавать условия, способствующие устранению растягивающих напряжений в поверхностных слоях инструмента.

Пятый раздел посвящен экспериментальному моделированию, сопоставлению результатов экспериментального и теоретического исследований.

Определение термоупругих напряжений, возникающих в результате термического циклического воздействия в защемленном образце с надрезом, проводилось экспериментально — теоретическим методом.

Решение достаточно точно аппроксимируется полиномом т-й степени. Константы полинома устанавливаются на основании эксперимента и являются характеристиками материала. Предложенная формула позволяет вести аналитические исследования кинетики распространения усталостных трещин для различных видов циклического нагружения.

Разработанная методика испытания штамповых сталей дает возможность изучать кинетику развития радарных трещин в процессе термоциклирования. Оценивается термическая усталость средней величиной трещин, растущих от краёв по дну надреза образца. Скорость роста средней величины трещин (средняя величина трещин в зависимости от количества термоциклов) достаточно чувствительно реагирует на изменение химического состава, максимальной температуры цикла, различные методы механической, термической и другие виды обработки сталей.

Была проведена оценка, термоусталостной прочности штамповых сталей при наличии концентрации напряжений и экспериментальное определение остаточных напряжений. Замер остаточных напряжений в опытных образцах осуществляли на рентгеновских диафрактометрах ДРОН-2,0 и УРС-50И.

Анализ эпюр остаточных напряжений показал, что в районе от 0 до 100 теплосмен в образце формируются и преобладают остаточные напряжения растяжения, что, очевидно, должно снизить его ограниченную долговечность. К 500 теплосменам начинают преобладать остаточные напряжения сжатия, что должно повысить ограниченную долговечность образца. В интервале 500.800 теплосмен наблюдается тенденция к формированию напряжений растяжения и к 800 термоциклам остаточные растягивающие напряжения становятся значительными. Очевидно, ограниченная долговечность испытуемого образца к 800 теплосменам снижается.

Статические (доциклические) характеристики стали не могут в полной мере служить объективной оценкой работоспособности, поэтому ограниченную долговечность образцов определяли после термоциклирования и различных методов упрочняющих обработок, сравнивая их с ограниченной долговечностью исходного состояния. Усталостные испытания проводились на копре повторных ударов. Повторные удары наносились с противоположной стороны надреза образца с частотой 600 ударов в минуту при потенциальной энергии удара 0,2 Дж. Ограниченную долговечность определяли по числу ударов до полного разрушения образца.

Проведенные экспериментальные исследования позволили оценить расчётную живучесть образцов из штамповых сталей при ударно-усталостном и усталостном изгибах и оценить сопротивление ударно-усталостному разрушению поверхностно-упрочненных штамповых сталей.

В шестом разделе разрабатываются практические рекомендации, позволяющие увеличить стойкость штампов. Рассматривается влияние электрошлакового переплава (ЭШП) на механические свойства, разгаростойкость и ограниченную долговечности штамповых сталей. Результаты испытаний позволяют сделать выводы, что ЭШП заметно повышает пластичность и вязкость штамповой стали при слабом влиянии на прочностные свойства. Обеспечение пластических и вязкостных свойств металла ЭШП позволяет отказаться от операции перекова слитков, либо использовать слабые степени обжатия.

Ограниченную долговечность сталей изучали в широких интервалах твёрдости. Установлено, что наибольшая долговечность сталей различных марок достигается при значениях её твёрдости в интервале HRC 30.50. По имеющимся рекомендациям твёрдость штампов для горячего деформирования не должна быть ниже HRC 40.46. В этом интервале твёрдости ЭШП повысил ограниченную долговечность сталей различных марок от 1,5 до 3,5 раз.

Далее изучалась разгарная стойкость электрошлаковых сталей. Интервал термоциклирования выбирали в пределах 20 - 550°С. Первые нарушения сплошности стали наблюдали ранее 200 термоциклов в виде отдельных пор. Образование пор можно связать с коагуляцией вакансии, путем их дрейфа в поле напряжений. В процессе термоциклирования количество пор растет и увеличиваются их размеры.

Замеры роста трещин производили после 100, 200, 500,800 и 1000 термоциклов, затем вычисляли их среднюю длину и глубину. ЭШП способствовало более раннему появлению разгарных трещин (после 100 теплосмен) и в большем количестве, но развивались они значительно медленнее. Высокое сопротивление развитию термоусталостных трещин связано со строением электрошлакового металла и прежде всего -дисперсным распределением неметаллических включений, играющих роль концентраторов напряжении. Благоприятным является уменьшение в 3.4 раза общего количества включений в электрошлаковой стали.

ЭШП дополнительно повышает разгаростойкость штамповой стали различных марок от 1.5 до 2,5 раза при твёрдости HRC 44.46 - от 1,3 до 1.8 раза. Важным выводом является возможность повышения твёрдости пуансонов из сталей разных марок после ЭШП на 4.6 ед. HRC по сравнению с прокатом, не снижая при этом их разгаростойкости.

Для пуансонов, выполненных из сталей всех марок, применение ЭШП существенно повышает их разгаростойкость при всех рассмотренных интервалах термоциклирования. Подтверждается отмеченный ранее факт позднего зарождения трещин в образцах из проката и их более интенсивный рост, особенно при температуре термоциклирования 20 - 650°С. Замедление роста трещин здесь при числе термоциклов более 600 объясняется снижением твёрдости стали при отпуске и повышением её пластических свойств.

Характер изменения ограниченной долговечности стали в зависимости от ее химического состава, твёрдости и числа термоциклов оказался неоднозначным. Электрошлаковый переплав способствовал значительному повышению исходной ограниченной долговечности различных марок стали при всех опробованных значениях твёрдости.

Исследование влияния максимальной температуры термоциклирования на ограниченную долговечность штамповой стали показало, что с повышением температуры цикла с 450 до 650°С долговечность всех исследуемых марок стали снижается. Однако долговечность стали ЭШП остается при этом выше в несколько раз по сравнению с прокатом.

Далее приводятся результаты исследований влияния физических, электродинамических методов воздействия в процессе ЭШП и комбинированных методов упрочнения штампов. Изучалось влияние ультразвука, пульсирующего магнитного воздействия (ПМВ), высокотемпературной термо - механической обработки (ВТМО) и различные их сочетания. Эксперименты по изучению влияния ультразвука на свойства штамповой стали проводили на опытно- экспериментальной установке ЭШП с ультразвуковым воздействием (УЗВ). ">

Использовали УЗВ удельной мощностью 33.10 Дж/м , 100.10 Дж/м

3 3 3 3 и 200.10 Дж/м . Применение УЗВ мощностью 33.10 Дж/м способствовало повышению комплекса механических свойств и ограниченной долговечности стали после закалки и отпуска. В большей степени применение УЗВ повысило значения ударной вязкости (на 40%) и ограниченной долговечности (в 1,5 раза). Причиной улучшения свойств стали, явилось главным образом, очищение металла от неметаллической фазы и её диспергирование, и, как следствие, однородности упрочненных структур мартенсита, троостита. Благоприятную роль играет также измельчение дендритной структуры и повышение ее однородности. Дальнейшее повышение удельной мощности подводимого ультразвука до 100.200.103 Дж/м привело к резкому снижению характеристик всех механических свойств и ограниченной долговечности во всём интервале изучаемых значений твердости. Причиной этого явилось нарушение сплошности металла, появлением в структуре трещин, пористости и разнозернистости. Отмечены неравномерность распределения по размерам дендритов и неметаллических включений, зашлаковывание отдельных участков слитка.

Таким образом, ультразвук оказался достаточно эффективным методом повышения стойкости штампов. Вместе с тем очевиден факт невысоких энергетических возможностей метода УЗВ его дороговизны и низкой технологичности. В этой связи особое значение приобретает использование методов электродинамического воздействия на расплав.

Пульсирующее магнитное воздействие (ПМВ) на расплав металла осуществляли на электрошлаковой установке А - 550, за счет взаимодействия магнитного поля соленоида, подключённого к полупроводниковому преобразователю, с током переплава. С увеличением силы тока соленоида наблюдалось повышение однородности троостита после термической обработки. ЭШП с ПМВ при оптимальной силе тока соленоида Ic = 8А увеличила разгаростойкость по сравнению с ЭШП в 2 раза, а по сравнению с контрольным вариантом - в 3 раза. Образцы, полученные ЭШП с ПМВ при Ic= 8А обладают также наибольшей ограниченной долговечностью как в исходном состоянии, так и после термоциклирования. С повышением силы тока соленоида от 0 до 8А, пик ограниченной долговечности смешается вправо (200, 450 и 650 термоциклов соответственно) и одновременно возрастает его значение. При изменении 1с от 8 до 12А происходит снижение ограниченной долговечности и пик смещается влево к 500 термоциклам. Дальнейшее повышение числа термоциклов приводит к снижению ограниченной долговечности, особенно и металле ЭШП с 1с = 0.

Таким образом, ЭШП с ПМВ по оптимальному варианту с вводимой в расплав энергией 1280 Дж/с повышает разгаростойкость и ограниченную долговечность штамповой стали и может явиться эффективным методом повышения стойкости горячештампового инструмента.

Исследования влияния высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) на разгаростойкость и ограниченную долговечность сталей осуществляли на полупромышленной установке горячего гидропрессования, изготовленной на базе гидропресса "Комацу май-пресс" силой 3000 кН.

Полученные результаты - исследования позволяют считать комбинированный метод ЭШП с ПМВ и последующей ВТМО с использованием горячего гидропрессования наиболее эффективным для горячештамповых сталей.

Таким образом, ВТМО является эффективным методом обработки штамповых сталей. С увеличением степени обжатия разгаростойкость и ограниченная долговечность повышаются. Высшая долговечность и разгаростойкость обнаружена при степени обжатия с ~ 83% полученной горячим гидропрессованием по схеме ВТМО. Улучшение служебных характеристик штамповых сталей связано с образованием полигональных, термически устойчивых дислокационных построении после ВТМО. Кроме того, после горячего гидропрессования по схеме ВТМО повысился балл аустенитного зерна, мартенсит имел более мелкокристаллическое строение, устранены хрупкие цепочки карбидных построений, неметаллические включения стали более мелкими и распределились по объёму металла равномернее.

ЭШП положительно повлиял на долговечность и разгаростойкость штампов. Лучшие результаты подучены с помощью комбинированных методов обработки (ЭШП + УЗВ, ЭШП+ПМВ, ЭШП + ВТМО, ЭШП + ПМВ + ВТМО). На экспериментальных образцах, изготовленных из стали ЭШП с ПМВ с последующим горячим гидропрессованием по схеме ВТМО обнаружены самые высокие значения поверхностных остаточных напряжении сжатия <jm = -240 МПа, и, как следствие, высшая разгаростойкость и ограниченная долговечность.

Результатом работы явилась разработанная и опробованная методика выбора рациональных научно-обоснованных режимов эксплуатации кузнечно - прессового оборудования и комплексных методов повышения стойкости штампового инструмента, позволяющие повышать эффективность применения различных упрочняющих технологий, увеличивать разгаростойкость и улучшать служебные характеристики штампов для горячей обработки металлов давлением.

Таким образом, на защиту выносятся:

- закономерности формирования температурных полей многомерной системы «инструмент — заготовка — матрица» с учетом скорости перемещения инструмента относительно разогретой заготовки при циклически меняющихся температурно-силовых воздействиях;

- физические и математические модели определения величин и характера распределения остаточных напряжений под действием различных методов упрочняющих технологий в результате циклического температурного воздействия; математическая модель возникновения и распространения термоусталостной трещины, по скорости роста которой определяется число циклов до разрушения штампов;

- методика оценки роста трещин усталости штамповых сталей в зависимости от различных методов упрочняющих обработок и условий эксплуатации инструмента обработки металлов давлением;

- методика определения оптимальных режимов и рациональных областей применения различных методов упрочняющих обработок исследуемых сталей с целью повышения их эксплуатационных характеристик и получения высокостойкого штампового инструмента; обобщения выполненных теоретических результатов и экспериментальных исследований разгарного разрушения и изменения на их основе служебных характеристик штамповых сталей после физических, электродинамических и комбинированных технологий упрочнения; практические рекомендации по обоснованию и назначению рациональных параметров режимов эксплуатации штампов и комплексных методов упрочнения его материалов.

В исследованиях использован математический аппарат теории пластичности, теории теплопередачи и теории зарождения и распространения трещин. Условием, обеспечивающим современный уровень моделирования, является широкий анализ . работ, посвященных как экспериментальным, так и теоретическим исследованиям, логическая связь с теоретическими и экспериментальными результатами предыдущих исследований, сопоставление некоторых выводов с ранее известными фактами.

Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и разработанных методик обусловлена корректностью применения современных математических методов, широким использованием ЭВМ, удовлетворительным сравнением результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными (расхождение не более 5%).

Научная новизна работы состоит в выявлении физических и математических закономерностей, адекватно отображающих температурно-силовые условия работы многомерной системы «инструмент — заготовка -матрица», установлении механизма возникновения и распространения усталостных трещин, появления и изменения остаточных напряжений в процессе термической обработки и штамповки, обеспечивающих повышение эффективности литых пуансонов на основе выбора комплексных методов упрочнения и режимов их эксплуатации, позволяющих на стадии проектирования прогнозировать стойкость пуансонов.

Научные результаты работы включают:

- установление закономерностей формирования температурных полей и полей напряжений, возникающих в инструменте, движущемся относительно разогретой заготовки;

- определение распределения по телу штампового инструмента остаточных напряжений, возникающих в результате циклического температурно-силового воздействия;

- оценка эффективности различных методов упрочнения, и их влияние на разгаростойкость и долговечность пуансонов, работающих в условиях циклически меняющихся температур и напряжений;

- получены аналитические зависимости, описывающие процессы зарождения и распространения усталостных трещин, по скорости роста которых легко предсказать стойкость штампов горячей обработки металлов давлением;

- установлены закономерности изменения физико — механических свойств материалов и их влияние на стойкость инструмента в процессе эксплуатации; определены режимы физических методов упрочнения и электродинамических воздействий в процессе электрошлакового переплава (ЭШП), а также их комбинаций, повышающие разгаростойкость, долговечность штампов, качество изделий в целом;

- получены режимы комбинированных методов упрочнения, эффективно формирующие остаточные напряжения сжатия в теле штампового инструмента, обеспечивающие повышение его стойкости;

- обобщены результаты исследовании разгарного разрушения и изменения служебных свойств различных марок штамповой стали после физических, электродинамических и комбинированных методов упрочнения, позволяющие определить режимы их эксплуатации и области рационального применения.

Создана научная база для обеспечения возможности повышения стойкости штампового инструмента за счет оптимизации режимов эксплуатации и увеличения долговечности штампов для горячей обработки металлов давлением путем выбора рациональных научно-обоснованных комплексных методов упрочнения.

В выполненном автором комплексе исследований практическую ценность представляют:

- метод расчета температурных полей и напряжений в движущемся относительно разогретой заготовки осесимметричном инструменте для горячей обработки металлов давлением;

- выявленный характер распределения и изменения остаточных напряжений при термоциютировании, предопределяющий зоны вероятного зарождения усталостных трещин в штамповом инструменте;

- результаты исследований ограниченной долговечности и кинетики I развития разгарных трещин, позволяющие установить эффективность различных технологий упрочнения литых пуансонов;

- режимы физических, электродинамических в процессе ЭШП и комбинированных методов упрочнения, повысивших стойкость штампового инструмента;

- рекомендации рационального применения исследованных методов упрочнения в соответствии с режимами эксплуатации.

Результаты исследований внедрены в ЦНИТИМ г. Москва), ОАО «Корпорация «ТРВ» (г. Королев, Московская область), ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева (г. Королев, Московская область), ОАО «Штамп» (г. Тула), ОАО «Туламашзавод», ОАО «Точприбор» (г. Иваново), ОАО «ТНИТИ» (г. Тула), ФГУП «ГНПП «Сплав» (г. Тула), ЗАО «Тульский завод цепей» (г. Тула), АО «Тракторный завод «Траком» (г. Кишинев).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В диссертации представлено новое решение важной научно-технической проблемы - повышения стойкости литых пуансонов горячего деформирования осесимметричных деталей посредством установления закономерностей формирования полей температурно-силовых напряжений многомерной системы «инструмент - заготовка - матрица», возникновения и распространение усталостных и разгарных трещин, появления и изменения остаточных напряжений в процессе термической обработки и штамповки, и на основе этого выбора научно - обоснованных комплексных методов упрочнения и рациональных режимов эксплуатации.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено, что основными причинами, приводящими к изменению формы и размеров рабочей поверхности горячих пуансонов, являются трещины разгара и пластическая деформация металла гравюры.

2. Расчет температурных полей в пуансоне и экспериментальные исследования показали, что при деформировании заготовки с начальной температурой 950. 1000 °С разогрев поверхности пуансона происходит в период его активного контакта с заготовкой и доходит в конце процесса выдавливания до 650.750 °С. В нерабочий период температура поверхностного слоя понижается до 360.420 °С. С целью снижения термоупругих напряжений при первом цикле деформирования заготовки пуансон перед работой следует подогревать до 350.430 °С.

3. Предложенный теоретический расчет температурных полей, с учетом скорости движения пуансона относительно разогретой заготовки на примере осесимметричной прошивной головки, показал хорошую сходимость с результатами эксперимента.

4. Теоретическими исследованиями нестационарных температурных напряжений в пуансоне цилиндрической формы с теплопроводным включением установлено, что локальность нагрева инструмента зависит от напряженно-деформируемого состояния, тонкостенности пуансона и тепло-физических параметров штамповой стали. Изменением соотношения теп-лофизических параметров материала и интенсивности охлаждения инструмента достигаются благоприятные изменения как величины, так и знака остаточных напряжений в пуансоне.

5. Теоретическое и экспериментальное определение остаточных напряжений в головках прошивных пуансонов после термообработки и различного числа циклов штамповки показало, что остаточные напряжения от поверхности к оси инструмента неоднократно изменяются по величине и знаку. С увеличением числа штамповок возрастает величина растягивающих остаточных напряжений, что является одной из причин зарождения и развития усталостных и разгарных трещин в поверхностных слоях и в теле инструмента.

6. Сделан анализ этапов развития усталостной трещины в пуансоне при циклическом температурно-силовом воздействии, при котором влияние величины и характера изменения остаточных напряжений на усталостное разрушение и долговечность пуансона являются определяющими.

7. Установлено, что применение электрофизических методов воздействия в процессе кристаллизации является эффективным методом формирования структуры и улучшения эксплуатационных характеристик пуансонов. После ЭШП при твердости HRC 40.46 долговечность пуансонов увеличивается от 1,7 до 3 раз, увеличивается разгаростойкость, что позволяет поднять верхний температурный предел эксплуатации от 550 до 700 °С и увеличить твердость инструмента на 6.8 единиц HRC. Ультразвуко

3 3 вое воздействие удельной мощности 33*10 Дж/м в процессе ЭШП диспергирует дендритную структуру, значительно очищает металл от самых крупных неметаллических включений, повышает ударную вязкость на 40 %. Стойкость пуансонов после закалки и отпуска до твердости HRC 53.55 увеличивается в 1,5 раза. Дальнейшее увеличение удельной мощности УЗВ неэффективно.

8. Показано, что пульсирующее магнитное воздействие в процессе ЭШП значительно повышает разгаростойкость и ограниченную долговечность пуансонов. Наибольшая разгаростойкость и стойкость получена на пуансоне из стали 4ХМФС с твердостью HRC 44.46 после ЭШП с ПМВ при силе тока Ic = 8А, напряжении Uc. = 80 В, частоте тока f ~ 0,5 Гц с вводимой в расплав энергией 1280 Дж/с.

9. Исследовано влияние высокотемпературной обработки (ВТМО) на служебные характеристики пуансонов. Разгаростойкость и ограниченная долговечность исследуемых образцов при твердости HRC 44.46 увеличились в 2,1 раза по сравнению с прокатом и ЭШП. С увеличением степени обжатия при гидропрессованнии по схеме ВТМО улучшаются физико-механические свойства сталей и служебные характеристики. пуансонов для горячей обработки металлов давлением, что объясняется особенностями полученной тонкой кристаллической и субзеренной структуры.

10. Установлено, что комбинированные упрочняющие способы изготовления пуансонов являются эффективными методами повышения их стойкости. ПМВ в процессе ЭШП с последующим горячим гидропрессованием по схеме ВТМО со степенью обжатия 8= 83% повысил разгаростойкость пуансонов в 3.10 раз по сравнению с ЭШП. Долговечность после комбинированной обработки в исходном состоянии и после различного числа теплосмен в 2,5.4 раза больше, чем у пуансонов из ЭШП и проката.

11. Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что наибольшую разгаростойкость и ограниченную долговечность имеют штампы, у который в поверхностных слоях созданы значительные остаточные напряжения сжатия. В порядке возрастания эффективности упрочнения и влияния его на долговечность пуансонов методы обработки располагаются следующим образом: прокат с ВТМО, ПМВ в процессе ЭШП, ЭШП с последующей ВТМО; ПМВ в процессе ЭШП с последующей ВТМО.

12. Разработана и опробована методика выбора рациональных научно обоснованных режимов эксплуатации кузнечно-прессового оборудования и комплексных методов повышения стойкости штампового инструмента, позволяющие повышать эффективность применения различных упрочняющих технологий, увеличивать разгаростойкость и улучшать служебные характеристики штампов для горячей обработки металлов давлением.

13. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету температурных полей движущегося полого водо-охлаждаемого пуансона, что позволяет с достаточной достоверностью определить расчетным путем влияние геометрических размеров, формы, свойств материала инструмента, заготовки, пограничного слоя, смазки, временных параметров цикла штамповки, предварительного подогрева, условий теплоотвода и т.п. на распределение температурных полей по объему пуансона. Разработаны новые технологические процессы изготовления заготовок пуансонов электрошлаковым переплавом изношенного инструмента и сортового проката: с наложением ультразвукового воздействия; с применением пульсирующих магнитных полей; высокотемпературной термомеханической обработки, а также комбинированных методов. Материалы диссертационной работы использованы также в учебном процессе.

1. Абрамов В. В. Остаточные напряжения и деформации. М.: Маш-гиз, 1963. 355 с.

2. Авербух А. 3. Сжатая трещина на границе круглого включения // Известия АН СССР. Сер. Механика твердого тела. М., 1979. № 1. С. 133-137.

3. Авербух А. 3. Сжатие плоскости с трещиной и включением // Прикладная математика и механика. 1977. №4. С. 762-768.

4. Агоджино С.Х. Влияние надрезов, напряженное состояние и пластичность, теоретические основы инженерных расчетов. М.: Мир, 1978. 258 с.

5. Александров А. Я., Соловьев Ю.И. Пространственные задачи теории упругости. М.: Наука, 1978. 464 с.

6. Андрейкив А. Е., Стадник М.М., Панько И.Н. Кинетика усталостного распространения внешней, близкой в плане к кольцевой трещины в круглом цилиндре // Физико-химическая механика материалов. 1977. № 3. С 25-31 .

7. Андрейкив А. Е., Панасюк В. В. Определение долговечности квазихрупких тел с трещинами при циклическом нагружении // Физико-химическая механика материалов. 1975. № 5. С. 56-61.

8. Андрейкив А. Е. Разрушение квазихрупких тел с трещинами при сложном напряженном состоянии. Киев: Наукова думка, 1976. 144 с.

9. Андрейкив А.Е., Морозович Я.Ю. Температурная задача теории трещин для полупространства // Прикладная механика. 1977.- № 2.- С. 124-128.

10. Арутюнян Р. А., Вакуленко А. А., Уманский С. Э. О циклическом нагружении пластической среды со старением // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1979. № 2. С. 79-83.

11. Арутюнян Р.А., Каменцева З.И. Циклическое упрочнение стареющих сплавов // Исследования по теории упругости и пластичности. Л.: Изд-во ЛГУ, 1976. Вып.2. С. 92-105 .

12. Базык А. С., Кисурин А. А. Экспериментальная установка для испытания инструментальных штамповочных сталей на термическую усталость // Технологии машиностроения. Тула, 1967. Вып. 12. С. 93-99.

13. Баландин Г. Ф. Термическая усталость металлов в судовом энергомашиностроении. Л.: Судостроение, 1967. 271 с.

14. Баренблатт Г. И., Ентов В. М., Салганик Р. Л. О кинематики распространения трещин // Известия АН СССР. Сер. Механика твердого тела. 1966. № 1. С. 65-74; № 2. С. 38-45; № 5. С. 112-121; № 6. С. 98-107 .

15. Бельский Е. И., Томилин Р. Н. Повышение стойкости штампов при объемной штамповке. Минск: Госиздат БССР, 1962. 199 с.

16. Бельский Е. И., Томилин Р. Н. Стойкость молотовых и прессовых штампов в зависимости от веса поковок // Кузнечно-штамповочное производство. 1962. № 8. С. 11-13 .

17. Бельский Е. И. Стойкость кузнечных штампов. Минск: Наука и техника, 1975. 239 с.

18. Бельский Е. И., Ситкевич М. В., Траймак Н. С. Упрочнение литых и деформированных инструментальных сталей. Минск: Наука и техника, 1982. 280 с.

19. Бережницкий Л.Т., Стащук Н.Г. Коэффициенты интенсивности напряжений возле трещины на продолжении литейного жесткого включения // Доклады АН УССР. Сер. А. Физико-математические и технические науки. 1981. № 11. С. 49-53 .

20. Бережницкий Л. Т., Стащук Н.Г. О развитии трещины в окрестности вершины жесткого включения // Доклады АН УССР. Сер. А. Физико-математические и технические науки. 1981. № 12. С. 29-33 .

21. Бернштейн М. J1. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. В 2т.. Т.2. М.: Металлургия, 1968. 596-1171 с.

22. Бернштейн М. J1. Прочность стали. М.: Металлургия, 1974. 199 с.

23. Болотин В. В. К теории замедленного разрушения // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1981. № 1. С. 137-146 .

24. Бородачев Н. М. Термоупругая задача Герца в случае осевой симметрии // Известия АН СССР. Отделение техн. наук. Механика и машиностроение. 1964. № 5. С. 83-87 .

25. Бородачев Н. М. Термоупругая задача для бесконечного тела с осесимметричной трещиной // Прикладная механика. 1966. № 2. С. 91-99 .

26. Вавакин А. С., Салганик P. J1. К экспериментальному исследованию скоростной зависимости трещиностойкости // Известия АН СССР. Сер. Механика твердого тела. 1975. № 5. С. 127-137 .

27. Геллер Ю. А. Голубева Е. С. Исследование разгаростойкости штамповых сталей // Известия вузов. Черная металлургия. 1964. № 9. С. 148-154.

28. Геллер Ю. А. Инструментальные стали,- 4-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1975. 527 с.

29. Генералов М. Б., Кудрявцев Б. А., Партон В. 3. Осесимметричная контактная задача термоупругости для вращающегося конечного штампа // Известия АН СССР. Сер. Механика твердого тела. 1977. № 6. С. 133-143.

30. Глебов А. Д., Кисурин А. А., Николаев В. И. Влияние ТМО на ограниченную долговечность стали марки 4Х5В2ФС // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула: Изд-во ТПИ, 1970. Вып.9. С. 146-154 .

31. Глебов А. Д., Кисурин А. А. Термоусталостное разрушение штмаповых сталей в зависимости от ряда технологических факторов // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула, 1968. Вып. 7. С. 72-83 .

32. Гольдштейн Р. В. К пространственной задаче теории упругости для тел с плоскими трещинами произвольного разрыва / Р. В. Гольдштейн. М.: Ин-т проблем механики АН СССР, 1979. - № 122. -С. 114-125.

33. Гольдштейн Р. В., Ентов В. М. Некоторые качественные методы в механике разрушения. М.: Ин-т проблем механики АН СССР, 1976. № 76. С. 65-77.

34. Гохберг М. М. Прочность при малом числе циклов нагружения. М.: Наука, 1969. 235 с.

35. Гудремон Э. Специальные стали. В 2-х томах. Т. 2. М.: Метал-лургиздат, 1960. С. 958-1638.

36. Гуляев А. П., Малинина К. А., Саверина С. М. Инструментальные стали: справочник. 2-е издание переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1975. 272 с.

37. Гуревич С. Е., Едидович JI. Д. О скорости распространения трещин и пороговых значениях коэффициента интенсивности напряжений в процессе усталостного нагружения // Усталость и вязкость разрушения металлов. М.: Наука, 1974. 262 с.

38. Данчеев А. С. Исследование стойкости и особенностей разрушения материала инструмента для горячей штамповки изделий типа «стакан»: дис. . канд. техн. наук: 05.03.05: 12.12.74: утв. 30.06.75. Тула, 1974. 112 с.

39. Джеймс М. Некоторые вопросы взаимодействия ползучести и усталости, теоретические основы инженерных расчетов. М.: Мир, 1976. № 3. С. 36-49.

40. Довнар С. А. Термомеханика упрочнения и разрушения штампов объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1975. 255 с.

41. Екоборн Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлургия, 1971. 264 с.

42. Екоборн Т., Коносу С., Екоборн А. Микро- и макроподходы в механике разрушения к описанию хрупкого разрушения и усталостного роста трещин // Механика разрушения. М.: Мир, 1980. № 20. С. 148-167.

43. Ентов В. М., Салганик P. JI. Трещина Прандтля в вязко-упругом теле. Стационарное распределение трещин // Известия АН СССР. Сер. Механика твердого тела. 1969. № 6. С. 41-60.

44. Жилюнас А. Н. О микроскопическом механизме распространения усталостных трещин // Сопротивление материалов. Каунас, 1974. С. 87-101 .

45. Захариев Г. О длительной прочности в условиях ползучести. // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула: Изд-во ТПИ, 1970. Вып.8. С. 112-123 .

46. Ибрагимов В. А. О влиянии деформационной анизотропии на состояние в окрестности конца трещины / В. А. Ибрагимов // Прикладная математика и механика. 1977. № 5. С. 943-948.

47. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 с.

48. Поздняк JI.A. Инструментальные стали: справочник / Л.А.Поздняк и др.. М.: Металлургия, 1977. 168 с.

49. Ирвин Д. Парис П. Основы теории роста трещин и разрушения // Разрушение: в 7-ми т. Т. 3. Инженерные основы и воздействие внешней среды / под. ред. Е.М. Морозова. М., 1976. 66 с.

50. Кадашевич Ю. И., Новожилов В. В. Теория ползучести микронеоднородных сред // Исследование по упругости и пластичности. Сб. 12. Л., 1978. С. 59-71.

51. Ким Ю. Д., Кисурин А. А. Температурный режим пуансона горячей штамповки // Известия вузов. Машиностроение. 1986. № 1. С. 94-97.

52. Кисурин А. А., Поляков В. Н. Влияние теплосмен на ограниченную долговечность стали 5ХНМ после ТМО // Обработка металлов давлением. Тула: изд-во ТПИ, 1971. Вып. 13. С. 84-88.

53. Кисурин А. А., Поляков В. Н. Увеличение стойкости штамповых сталей при цикличном нагружении после ВТМО и ПТМО // Технология машиностроения. Тула: изд-во ТПИ, 1972. Вып. 22. С. 36-49.

54. Кисурин А. А. Температурное поле прошивного пуансона при горячей объемной штамповке / А. А. Кисурин и др. // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула, 1973. Вып.1. С. 63-75.

55. Кисурин А. А., Данчеев А. С. Условия работы прошивного пуансона при горячей объемной штамповке // Кузнечно-штамповочное производство. 1974. № 9. С. 8-10.

56. Кисурин А. А., Данчеев А. С., Довбащук О. Я. Исследование раз-гаростойкости и ограниченной долговечности сталей марок 5ХНМ, 4Х4М2ВФС, ЗОХ2ГСМФ для инструмента горячей объемной штамповки // Передовой производственный опыт. 1974. № 4. С. 16-26.

57. Кисурин А. А. Влияние факторов, упрочняющих технологий на долговечность штамповой стали 4Х5В2ФС // Износ и стойкость при обработке металлов давлением. Братислава, 1974. С. 58-65.

58. Кисурин А. А., Поляков В. Н. Влияние некоторых факторов упрочняющей технологии на стойкость штамповых сталей // Разработка и внедрение процессов объемной штамповки. Таллин, 1971. С. 36-48.

59. Кисурин А.А., Фатеев В.И., Поляков В.Н. Способы повышения долговечности деталей грузоподъемных машин, работающих в условиях переменных нагрузок. // Подъемно-транспортные машины. Труды / Тул-ПИ. Тула, 1976. С. 117-122.

60. Кисурин А. А. Исследование влияния различных способов упрочняющей обработки на разгаростойкость стали 5ХНМ / А. А. Кисурини др. // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула: изд-во ТПИ, 1977. Вып. 4. С. 45-58.

61. Кисурин А. А. Исследование влияния электрошлакового переплава на стойкость штамповой стали марки 4ХМФС / А. А. Кисурин и др. // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула: изд-во ТПИ, 1978. Вып. 6. С. 12-21 .

62. Кисурин А. А., Фатеев В. И., Поляков В. И. Влияние некоторых упрочняющих обработок на свойства штамповочных сталей для горячего деформирования. ТулПИ. М., 1984. 85 с. Библиогр.: С. 44-80 . Деп. в ВИНИТИ 27 августа 1984, № ЗД/255Э.

63. Кисурин А. А., Ким Ю.Д., Сапожников Б. JI. О распределении термоупругих напряжений в штампах цилиндрической симметрии / А. А. Кисурин // Инженерно-физический журнал. 1985. Т. XIX, № 2. С. 334-335 . Деп. В ВИНИТИ 12.06.85, № 1836-85.

64. Кисурин А. А. Влияние циклических температурных воздействий и некоторых методов упрочнения на распределение остаточных напряжений в стали ЗХЗМЗФ / А. А. Кисурин и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. № 3. С. 29-31.

65. Кисурина Н. А., Яковлев С. П., Фатеев В. И. Определение термоупругих напряжений в полом цилиндрическом пуансоне // Лучшие работы студентов и молодых ученых технологического факультета Тульского государственного университета. Тула, 2000. С. 93-96.

66. Кисурина Н. А., Фатеев В. И. Разгарная стойкость электрошлаковых сталей марок 5ХНМ, ЗХЗМЗФ, 4Х5В2ФС, 4ХМФС // Лучшие работы студентов и молодых ученых технологического факультета Тульского государственного университета. Тула, 2000. С. 96-99.

67. Кисурина Н. А., Фатеев В. И. Термоупругие напряжения в полом осесимметричном водоохлаждаемом пуансоне // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Тула, 2000. С. 46-51.

68. Кисурина Н. А., Фатеев В. И., Яковлев С. П. Численный метод определения температурного поля пуансона // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Тула, 2000. С. 51-54.

69. Клепиков С. А. Улучшения свойств сталей для холодно-штампового инструмента на стадиях металлургического передела : дис. . канд. техн. наук: 05.16.01: защищена 10.06.82: утв. 30.12.82. Тула, 1982. 310 с. Библиогр.: с. 270-285.

70. Криштал М. А., Рене И. П., Кисурин А. А. К испытанию сплавов на термическую усталость при отсутствии и приложении механической нагрузки // Заводская лаборатория. 1971. № 5. С. 596-598.

71. Криштал М. А., Рене И. П., Кисурин А. А. Влияния различных схем ТМО на ограниченную долговечность штамповой стали марки 4Х5В2ФС // Металловедение и термическая обработка металлов. 1975. № 1. С. 33-35.

72. Кухарь В.Д., Фатеев В.И., Бербенец А.В. Предварительный анализ прочности пластмассовых осесимметричных деталей // Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач. Труды / ТулГУ. Тула, 2000. С.99-102.

73. Лифанов И. К., Саакян А. В. Метод численного решения задачи о вдавливании штампа в упругую полуплоскость с учетом тепловыделения // Прикладная математика и механика. 1982. Т. 46, Вып. 3. С. 494-501.

74. Лурье А. И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. 939с.

75. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

76. Макгован JI. Ю. Расчетный метод представления роста усталостной трещины при высокой температуре в широком диапазоне изменения параметров // Теоретические основы инженерных расчетов. М.: Мир, 1981. № 3. С. 28-46.

77. Махутов Н. А. Деформационные критерии малоциклового и хрупкого разрушения : автореф. дис. д-ра техн. наук:. М.: ИМАШ, 1973. 40 с.

78. Махутов Н. А. Кинетика развития малоциклового разрушения при повышенных температурах // Исследование малоцикловой прочности при высоких температурах. М.: Наука, 1975. С. 58-78.

79. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.

80. Трощенко В. Т. Методы исследования сопротивления металлов деформированию и разрушению при циклическом нагружении / В. Т. Трощенко и др.. Киев: Наукова думка, 1974. 250 с.

81. Морозов Е. М., Никишков Г. П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980. 312 с.

82. Николаевский В. И. О разрушении вязкоупругих тел // Прикладная математика и механика. 1981. Т. 45, Вып. 6. С. 58-69 .

83. Новожилов В. В. К основам равновесных трещин в хрупких телах // Прикладная математика и механика. 1969. № 5. 112-130 с.

84. Осесимметричная задача о трещине, растущей в упругой среде с переменной скоростью // Известия АН СССР. Сер. Механика твердого тела. М.: Наука, 1983. № 3. С. 25-34.

85. Охрименко Я. М. Повышение стойкости штампов, полученных электрошлаковым переплавом // Кузнечно-штамповочное производство. 1977. № 9. С. 12-16 .

86. Опука А. Труды 22-го японского национального симпозиума по прочности, разрушению и усталости. 1977. 136 с.

87. Панасик В. В., Саврук М. И., Дацышин А. П. Распределение напряжений около трещин в пластинках и оболочках. Киев: Наукова думка, 1976. 198 с.

88. Панасюк В. В., Андрейкив А. Е. Усталостное распространение трещины в квазихрупком теле при циклическом нагружении // Прогнозирование прочности материалов и конструкционных элементов машин большого ресурса. Киев: Наукова думка, 1977. С. 65-78 .

89. Парнус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М.: Физматгиз, 1963. 263 с.

90. Партон В. 3., Морозов Е. М. Механика упруго-пластического разрушения. М.: Наука, 1974. 416 с.

91. Патон Б. Е., Медовар Б.И., Бойков Г. А. Электрошлаковое литье: обзор. М., 1974. 70 с.

92. Побережный О. В. Термоупругое состояние среды с термоизолированной трещиной // Прикладная механика. 1970. № 11. С. 59-66.

93. Поздняк JI. А. Основные принципы легирования и обработки теплоустойчивых штамповых сталей: дис. д-ра техн. наук. Запорожье, 1972. 355 с.

94. Поляков В. Н., Кисурин А. А. Влияние поверхностного упрочнения на стойкость штамповой стали марки 5ХНМ // Обработка металлов давлением. Тула: изд-во ТПИ, 1974. Вып. 25. С. 29-34.

95. Поляков В.Н. Методика испытаний штамповых сталей на термическую усталость / В.Н. Поляков и др. // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Труды / ТулПИ. Тула, 1974. Вып.2. СЛ13-119.

96. Поляков В.Н., Фатеев В.И., Гринберг В.М. Исследование работоспособности сталей для крупных штампов // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Труды / ТулПИ. Тула, 1977. Вып.5. С. 84-90/

97. Серенсен С. В. Прочность при малоцикличном нагружении / С. В. Серенсен и др.. М.:Наука, 1975. 287 с.

98. Сапунов В. Т., Морозов Е. М. Сопротивление материалов распространению трещин при циклическом нагружении. М.: МИФИ, 1978. 267 с.

99. Сарайкин В. А. Решение осесимметричной задачи о трещине, расширяющейся в упругой среде с переменной скоростью // Динамика сплошной среды. Новосибирск : Ин-т гидродинамики СО АН СССР, 1981. Вып. 53. С. 37-51.

100. Северденко В. П., Томило А. Н. Тепловая стойкость штампов при горячей штамповке // Пластичность и обработка металлов давлением. Минск : Наука и техника, 1966. С. 87-101.

101. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. В. Несущая способность и расчеты на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1975.488 с.

102. Смирнов Г. В. Вопросы стойкости штампов для горячего деформирования. М.:ЦНИИТЭИ приборостроения, 1972. 179 с.

103. Соболев Н. Д., Егоров В. И., Костин В. М. Изучение условий деформирования и разрушения при термоусталостном нагружении // Материалы Всесоюзного симпозиума по малоцикловой усталости при повышенных температурах. Челябинск: ЧПИ, 1974. Вып. 2. С. 128-136.

104. Соловьев В.Д., Фатеев В.И. Курсовое проектирование деталей машин: учеб. пособие 2-е изд., Тула: ТулГУ, 2004. 306с.

105. Сторожев М. В., Е. А. Попов Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 432 с.

106. Тетельмен А. Пластическая деформация у вершины движущейся трещины // Разрушение твердых тел. М.: Металлургия, 1967. С. 261-301.

107. Тканов Ю. Р., Кисурин А. А. Применение ЭШП для повторного использования сталей вышедшего из строя штампового инструмента // Технология машиностроения. Тула: изд-во ТПИ, 1973. Вып. 33. С. 70-79 .

108. Трахтенберг Б. Ф. Исследование тепловых явлений при штамповке и пути повышения стойкости инструмента: дис. д-ра техн. наук. Куйбышев, 1968. 368 с.

109. Трахтенберг Б. Ф. Стойкость штампов и пути ее повышения. Куйбышев: Облиздат, 1964. 279 с.

110. Трощенко В. Г. Усталость и неупругость металлов. Киев: Нау-кова думка, 1974. 174 с.

111. Трощенко В. Т., Покровский В. В. Влияние цикличности нагружения на характеристики трещиностойкости стали: сообщение // Проблемы прочности. 1980. № 11. С. 3-10.

112. Кисурин А. А. Установка для исследования свойств сталей, работающих при циклически меняющихся температурах и напряжениях / А. А. Кисурин и др.. М.: Черметинформация, сектор деп. № 12, 1981. 2542 с.

113. Фатеев В. И., Н. А. Кисурина Температурное поле пуансона горячей штамповки // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи.-Тула, 2000. С. 125-129 .

114. Фатеев В. И., Поляков В. Н., Кисурин А. А. Влияние надрезов, их формы и способов получения на долговечность и термическую устойчивость. М., 1979. 12 с. Деп. в Черметинформации 3 июля 1979, №60-78.

115. Фатеев В. И., Ревякина Е. В., Кисурин А. А. Влияние ЭШП на стойкость штамповых сталей для горячего деформирования // Пути повышения качества и эффективности использования металла в машиностроении. Тула, 1980. С. 44-52 .

116. Фатеев В. И. Повышение эксплуатационных свойств штампов горячего деформирования методами упрочняющей обработки: дис. канд. техн. наук (05.03.05) : защищена (09.06.1982) : утв. (17.11.1982). Тула, 1982. 240 с. Библиогр.: С. 198-212.

117. Фатеев В.И., Поляков В.Н., Кисурин А.А. Влияние концентраторов напряжений и способов их получения на долговечность деталей грузоподъемных машин // Подъемно-транспортные машины. Труды / ТулПИ. Тула, 1978. С. 155-160.

118. Фатеев В.И., Кисурин А.А., Ревякина Е. А. Влияние электрошлакового переплава на свойства штамповой стали 5ХНМ // Металловедение и термическая обработка металлов. 1979. №9. С.55-56.

119. Фатеев В.И., Кисурин А.А., Щукин В.Ф., Поляков В.Н. Влияние деформационно-термических обработок на свойства штамповых сталей для горячего деформирования. ТулПИ. Тула, 1982. 153 с. Деп. в ВИНИТИ 12 ноября 1982, №ЗД/1344.

120. Фатеев В.И., Кисурин А.А., Юдкин Ю.П. Влияние ультразвукового воздействия в электрошлаковом процессе на структуру свойства стали 53ХМЮА и стойкость деталей машин. // Управление сварочными процессами. Труды / ТулПИ. Тула, 1983. С.55-60.

121. Фатеев В.И., Кисурин А.А., Поляков В.Н. Влияние циклических температурных воздействий и некоторых методов упрочнения на распределение остаточных напряжений стали ЗХЗМЗФ // Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. №3. С.29-31.

122. Фатеев В.И., Кисурин А.А. Влияние ВТМО на свойства штамповых сталей // Сверхпластичность металлов: тез. докл. второго науч.-технич. совета. Тула, 1986. 4.2 42с.

123. Фатеев В.И., Панченко Е.В. Расчет изменения радиуса при газостатической формовке углов коробчатых деталей // Исследования в области теории, технологии и оборудования штампового производства. Труды / ТулГУ. Тула, 1996. С.115-118.

124. Фатеев В.И., Панченко Е.В. Величина и характер распределения остаточных напряжений в головке прошивного пуансона // Прикладные задачи газодинамики и недеформируемых твердых тел. Труды / ТулГУ. Тула, 1996. С.193-197.

125. Фатеев В.И., Елисеев А.А. Исследование влияния горячего гидропрессования на эксплуатационные характеристики стали Р6М5 // Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, станков и инструментов. Труды / ТулГУ. Тула, 1997. 56с.

126. Фатеев В.И., Елисеев А.А. Исследование остаточных напряжений в стали, подвергнутой термоциклированию // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Труды / ТулГУ. Тула, 1997. С.96-100.

127. Фатеев В.И., Бербенец А.В., Кисурин А.А. К вопросу решения задачи Стефана для случая осесимметричного обтекаемого тела // Известия ТулГУ: Физика. Вып.2. Тула, 1999. С. 158-163.

128. Фатеев В.И., Кисурина Н.А. Температурное поле пуансона горячей штамповки осесимметричных деталей // Сб. тр. 12-й межвуз. конф. «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара, 2002. С.173-178.

129. Фатеев В.И., Кисурина Н.А. Численный метод определения температурного поля полого водоохлаждаемого пуансона // Сб. тр. 12-й межвуз. конф. «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара,2002. С.178-183.

130. Фатеев В.И., Кисурина Н.А. Влияние ультразвука в процессе ЭШП на служебные характеристики штампованной стали // Труды Первой общерос. науч.-технич. конф. «Вузовская наука производству». Вологда,2003. С.77-79.

131. Фатеев В.И., Кисурина Н.А. Влияние пульсирующего магнитного воздействия в процессе ЭШП на разгаростойкость и ограниченную долговечность // Труды Первой общерос. науч.-технич. конф. «Вузовская наука производству». Вологда, 2003. С.79-80.

132. Фатеев В.И., Харин Д.В. Нелинейный расчет корпуса капсулы с использованием суперэлемента // Труды Первой общерос. науч.-технич. конф. «Вузовская наука — производству». Вологда, 2003. С.17-18.

133. Фатеев В.И., Харин Д.В. Исследование влияния ультразвука на служебные характеристики штампованных сталей марок 53ХМЮА и 5ХНВ // Матер. Всерос. науч.-технич. конф. «Наука производство - технология - экология»: в 5-ти т. Т.2. Киров, 2003. С.28-29.

134. Фатеев В.И., Кисурина Н.А. Влияние высоковольтного электроимпульсного воздействия на структуру и служебные характеристики штампованных сталей // Научные основы решения проблем сельскохозяйственного машиностроения. Труды / ТулГУ. Тула, 2003. С.202-205.

135. Фатеев В.И., Кисурина Н.А. Расчетная оценка долговечности образцов из штампованных сталей при ударно-усталостном и усталостном нагружении // Научные основы решения проблем сельскохозяйственного машиностроения. Труды / ТулГУ. Тула, 2003. С.266-271.

136. Фатеев В.И. Температурное поле цилиндрического водоохлаж-даемого пуансона // Известия ТулГУ. Сер. Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Вып.1. Тула, 2004. С. 177-188.

137. Фатеев В.И. Термоупругие напряжения в полом осесимметрич-ном пуансоне для горячей штамповки // Известия ТулГУ. Сер. Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Вып.1. Тула, 2004. С.188-193.

138. Фатеев В.И. Анализ параметров долговечности сталей для штампов горячей штамповки / В.И. Фатеев и др. // Производство проката. 2005. №6. С.23-26.

139. Харитонов Н.Н., Фатеев В.И. Определение эксплуатационных сроков подтяжки стяжного элемента из стали ЗОГСТ // Подъемно-транспортные машины. Труды / ТулПИ. Тула, 1973. Вып.2. С. 197-204.

140. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.

141. Шлаттер Р. Электрошлаковый переплав легированных инструментальных сталей // Электрошлаковый переплав: материалы III Между-нар. симпозиума. Киев, 1973. С. 78-101.

142. Тылкин М. А. Штампы для горячего деформирования металлов / М. А. Тылкин и др.. М.: Высш. шк., 1977. 496 с.

143. Якушев О. С. Электрошлаковый переплав с наложением электромагнитных полей / О. С. Якушев и др. // Специальная электрометаллургия. Киев, 1974. Вып. 23. С. 28-45.

144. О. С. Капустин Электрошлаковый переплав отработанного го-рячештампового инструмента в пульсирующем магнитном поле / Капустин О. С. и др. // Передовой производственный опыт. 1977. № 7. С. 41-52.

145. Эскин Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию. М.: Металлургия, 1970. 200 с.

146. Яковлев С. П., Фатеев В. И., Кисурина Н. А. Роль остаточных микронапряжений в упрочнении конструкций штампов // Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки металлов давлением и резанием. Тула, 1999. Вып. 2. С. 96-102.

147. Яковлев С. П., Кисурина Н. А. Увеличение стойкости штамповых сталей при циклическом нагружении после ВТМО // Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки металлов давлением и резанием. Тула, 1998. Вып. 1. С. 54-65.

148. Яковлев С. П., Кисурина Н. А., Фатеев В. И. Температурное поле движущегося полого цилиндрического водоохлаждаемого пуансона: сб. науч. тр. // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Тула, 2000. С. 130-134.

149. Ярема С. Я. Исследование роста усталостных трещин и кинетические диаграммы усталостного разрушения // Физико-химическая механика материалов. 1977. № 54. С. 15-24.

150. А.с. 779416 СССР, МКИ3С21.Д.8/00. Способ термической обработки штампов / А.А. Кисурин, Фатеев В.И., В.Н. Поляков, заявл. 26.04.76; опубл. 18.07.80, Бюлл. №42. С.6.

151. А.с. 829694 СССР, МКИ3С21.Д.8/00. Способ упрочнения штамповой стали для горячего деформирования / Фатеев В.И., В.П. Бирюков и др.. заявл. 30.03.79; опубл. 15.07.81, Бюлл. №18. С. 4.

152. А.с. 998754 СССР, МКИ3С21.Д.8/00. Способ виброимпульсной обработки расплавленного металла / В.И. Фатеев, А.А. Кисурин, Н.П. Романов.

153. А.с. 1362044 СССР, МКИ3С21.Д.8/00. Способ получения слитка / В.И. Фатеев и др..

154. Dover W. D., Hibbert R. D. The influence of stress and amplitude distribution on random famigue crack growth // Engng. Fract. Mech. 1977. № 2. P. 120-132 .

155. George D. L., Sneddon J. N. The axisimmetric Bouussinesg problem for a heated PUNCN // J. Math, and Meth. 1962, vol. 11, № 5.- P. 44-51 .

156. Klesnil M. Met Sci Engng / M. Klesnil, P. Lucas.- 1972. P. 9

157. Olesiak Z., Sneddon J. N. The distribution of thermal stress in an infinite clastic solid containing a penny-chaped crack // Arch hation Mech and Analusis. 1960. № 3. P 4

158. Olesiak Z. Plastic zone due to thermal stress in infinite solid containing a penny-chaped crack // Jut. J. Eng Sci. 1968. № 2. P. 8

159. PoocL. P. ASTM STP, 513, 1972

160. Sack R. A. Extension of Griffith theory of rupture to three-dimension // Proc. Phys. Soc.- 1946 P. 58

161. Shail R. Some thermoelastic stress distributions in an infinite solid athick plate containing penny-chaped cracd. // Mathimatics. 1964. № 2. P. 11.

162. Vokobori Т., Kamei A., Konosu S. Engng Fract. // Mech. 1976. № 2.1. P. 8

163. Vokobori T. Konosu S. Preprint Japan Soc. Mech. Engrs // T. Vokobori. 1976. № 760. P. 2.