автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технология изготовления стержневых крепежных изделий с повышенными эксплуатационными свойствами

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Курганский государственный университет

На правах рукописи

Копырин Владимир Иванович

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.02.08 - «Технология машиностроения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор В.Я. Герасимов

Курган - 1999

Работа выполнена в Курганском государственном университете

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ_ 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ_ 8

1.1. Виды и классификация стержневых крепежных изделий_ 8

1.2. Технологические операции изготовления стержневых

крепежных изделий__13

1.3. Технико-экономические показатели малоотходной технологии изготовления стержневых крепежных изделий_14

1.4. Задачи, решаемые при исследовании и совершенствовании

технологии изготовления стержневых крепежных изделий_15

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА_17

2.1. Механические характеристики стали и их определение_ 17

2.2. Пластическое растяжение плоских стальных образцов_19

2.3. Пластический изгиб плоских стальных образцов_27

2.4. Оценка жесткости стальных цилиндров при пластическом

изгибе в продольном и поперечном направлении_39

2.5. Осадка низких стальных цилиндрических образцов_43

2.6. Выводы_54

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

СТЕРЖНЕВЫХ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ_55

3.1. Технологическая схема волочения круглых прутков_56

3.1.1. Изменение физических свойств холоднотянутой стали_58

3.1.1.1. Метод удельного электрического сопротивления_58

3.1.1.2. Метод плотности_60

3.1.1.3. Метод магнитной проницаемости

(магнитоотрывной метод)_61

3.1.1.4. Метод электропроводности_61

3.1.2. Изменение механических свойств холоднотянутой стали_ 66

3.2. Технологическая схема редуцирования_75

3.2.1. Изменение физических свойств деформированного металла_77

3.2.2. Изменение механических свойств деформированного металла_80

3.3. Выводы_83

4. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ВЫСТУПОВ РЕЗЬБОВОГО ПРОФИЛЯ_84

4.1. Расчетная схема и напряжения_84

4.2. Дифференциальное уравнение равновесия_86

4.3. Решение дифференциального уравнения_88

4.4. Расчет осевого напряжения_88

4.5. Сравнительная оценка технологических схем формообразования выступов конической формы_92

4.6. Выводы_97

5. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ВПАДИН РЕЗЬБОВОГО ПРОФИЛЯ_98

5.1. Опытный инструмент и образцы_98

5.2. Изменение электропроводности деформированного металла_100

5.3. Деформирование широких стальных образцов.

Изменение размеров деформационного поля_103

5.4. Силовая характеристика процесса формирования впадин резьбы_108

5.5. Сравнительная оценка силового воздействия на металл_109

5.6. Выводы_115

6. АПРОБАЦИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТОК.

РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ_116

6.1. Механические испытания плоских стальных образцов

с профильными канавками_116

6.2. Сравнительная оценка эксплуатационных характеристик резьбы

и резьбовых изделий_128

6.3. Механические испытания стержневых крепежных изделий_136

6.4. Статистическая обработка результатов механических испытаний болтов_145

6.5. Рекомендации по изготовлению стержневых крепежных изделий_148

6.5.1. Механические свойства стержневых крепежных изделий_148

6.5.2. Технологические методы изготовления стержневых крепежных изделий_150

6.6. Технологические разработки и решения__155

6.7. Выводы__160

7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ_161

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 163

ПРИЛОЖЕНИЯ 170

ВВЕДЕНИЕ

Стержневые крепежные изделия являются самыми массовыми сборочными изделиями и занимают большой объем в современном метизном и машиностроительном производстве. Так, для сборки легкового автомобиля требуется до 4500 крепежных изделий, что составляет около 50% от общего числа. Крепежные изделия составляют до 2,5% массы легкового и почти 3,5% массы грузового автомобиля [72].

Технология изготовления крепежных изделий требует постоянного совершенствования, если учитывать большой объем их выпуска, обширную номенклатуру, разнообразные применяемые материалы. При этом возможны различные сочетания отдельных формообразующих технологических операций, включая применение деформационного воздействия при направленном и регулируемом упрочнении металла. С учетом непрерывного уменьшения доли обработки резанием на первое место выходят прогрессивные мало- и безотходные технологии изготовления стержневых крепежных изделий с повышенными механическими и эксплуатационными характеристиками.

Имеющаяся в литературе научно-техническая и технологическая информация недостаточно систематизирована и порой устарела или относится к отдельным конкретным материалам и технологическим операциям. Поэтому технологические вопросы требуют постоянного внимания, направленных теоретических и экспериментальных исследований с широким привлечением современных методов механики деформируемых сред и металлофизики. При этом можно получать обобщающие решения и результаты только на основе математического моделирования основных формоизменяющих и формообразующих технологических операций, в учетом особенностей и закономерностей пластического течения металла и его деформационного упрочнения.

Необходимы также комплексные экспериментальные исследования в виде механического или натурного моделирования с применением металла типовых марок, опытных образцов и заготовок, приближенных к реальным крепежным изделиям по форме и их целевому назначению.

Большой вклад в разработку теоретйческих основ пластического деформирования металлов внесли отечественные ученые - С.И. Губкин, М.В. Сторожев, Е.А. Попов, Г.А. Смирнов-Аляев, Г.Я. Гун, Л.Г. Степанский и др.

Среди зарубежных ученых можно отметить М. Губера, Р. Мизеса, Г. Генки, JT. Прандтля, Р. Хилла, А. Надаи и др.

Инженерные методы расчета технологических операций при пластическом деформировании металла изложены в трудах Н.Т. Деордиева, A.M. Дмитриева, А.Г. Овчинникова, Я.М. Охрименко, Д.Д. Папшева, И.Л. Перлина, Ю.Г. Проскурякова, И.П. Ренне и др.

Проблемы совершенствования технологии изготовления крепежных изделий нашли отражение в работах И.А. Биргера, В.Я. Герасимова, М.Я. Гринберга, Г.Б. Ио-силевича, J1.C. Кохана, Ю.А. Миропольского, В.М. Мисожникова, В.И. Мокринского, Г.А. Навроцкого, В.Г. Паршина, М.И. Писаревского, Б.М. Ригманта, Ю.Г. Шнейдера и др.

Среди зарубежных ученых можно назвать Б. Авицура, И. Биллигмана, Г. Закса, Э. Зибеля, Ш. Кобаяши, Х.Д. Фельдмана и др.

Прикладные вопросы в области металлофизики и контроля физико-механических свойств деформированного металла рассматривались в работах М.Л. Бернштейна, Г.Д. Деля, В.И. Зюзина, В.А. Крохи, Б.Г. Лившица, М.П. Марковца, A.B. Третьякова, Я.Б. Фридмана и др.

Вклад в развитие теории и практики металлообработки внесли известные научные школы в МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ «Станкин», Московском государственном техническом университете "МАМИ", государственном институте стали и сплавов, МГТАТУ им. К.Э. Циолковского, Балтийском государственном техническом университете, ЦНИИТМАШе, ЭНИКМАШе, Институте автоматизации и технологии машиностроения, Центральном НИИ информации и технико-экономических исследований черной металлургии, ВНИИМЕТИЗе, Уральском государственном техническом университете, Южно-Уральском государственном техническом университете, Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова, Курганском государственном университете и др.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Виды и классификация стержневых крепежных изделий

Проблемы совершенствования технологии изготовления стержневых крепежных изделий рассматривались в работах И. Биллигмана, И.А. Биргера, В.Я. Герасимова, В.М. Мисожникова, Г.А. Навроцкого, В.Г. Паршина, М.И. Писаревского и др. При этом основные задачи развития и совершенствования технологических операций и процессов при производстве крепежных изделий общего и специального назначения связаны с повышением качества и улучшением конструкций изделий на основе направленного и регулируемого деформационного воздействия на металл.

В число качественных характеристик крепежных изделий стержневой формы с резьбовым участком входят, в первую очередь, показатели точности и прочности, что требует применения эффективных марок сталей, термомеханической обработки металла и широкого использования эффекта деформационного упрочнения или наклепа металла. Это особенно актуально при формировании резьбового профиля на стержневых крепежных изделиях с применением холодного пластического деформирования металла.

Типовые стандартные крепежные изделия гладкие (без головки) и ступенчатые, включая резьбовые изделия, показаны на рис. 1.1. Формы головок для ступенчатых стержневых изделий показаны на рис. 1.2. [87]. При этом форма головки зависит от вида и назначения стержневого изделия. Головка может быть многогранной (чаще всего шестигранной), квадратного или прямоугольного сечения, трехгранной, круглой или шарообразной, полукруглой, цилиндрической, конической, плоской кольцевой, фасонной. Для каждой формы головки требуется своя схема набора металла и его формоизменения.

Типовые технологические схемы изготовления стержневых крепежных изделий с применением пластических формоизменяющих операций показаны на рис. 1.3. Образцы стержневых изделий с резьбой представлены на рис. 1.4.

Технологический процесс изготовления стержневых крепежных изделий включает такие типовые технологические операции, как отрезка заготовки (от проволоки или прутка по схеме пластического сдвига отрезаемой части), предварительный набор

1

а

к

ПП

V

10

Рис. 1.1. Стержневые изделия с головкой -а и без головки — б: 1 — болт; 2 — винт; 3 — самонарезающий винт; 4 — шуруп; 5 — заклепка; 6 — гвоздь; 7 - дюбель-гвоздь; 8 — шпилька; 9 — цилиндрический штифт;

10-резьбовая пробка

О

оо

I, , I

Ос»

П

ио

Ос»

Ос?

□

Ос*

Оо

ТО

Оо оо

Рис. 1.2. Формы предварительного набора металла при высадке и головки

стержневых изделий

а

Рис. 1.3. Технологические схемы изготовления болта при однократном (а) и двойном (б) редуцировании: 1 - заготовка; 2 - предварительный набор металла для головки; 3 - окончательная высадка головки; 4 - редуцирование стержня;

5 - накатывание резьбы

Рис. 1.4. Образцы накатанных стержневых изделий

металла для формирования головки (за счет образования конуса или перепада диаметров при редуцировании), окончательное формообразование круглой головки (по схеме высадки), редуцирование части стержня для последующего накатывания резьбы (при проталкивании заготовки в коническую полость редуцирующей матрицы), накатывание резьбы плоскими плашками или роликами.

В данной работе исследованы технологические операции изготовления наиболее распространенных резьбовых крепежных изделий типа шпилек и болтов с шестигранной головкой.

Конкретные характеристики для указанных стержневых крепежных изделий определяются государственными стандартами. Эти документы позволяют классифицировать изделия по названию, назначению, форме исполнения, размерам, точности изготовления, классам прочности, применению и способу термической обработки, состоянию поверхности, видам, классам и параметрам резьбы.

Подробная классификация с описанием стержневых крепежных изделий приведена в специальной литературе [4, 9, 13, 56, 60, 80, 87, 89-91].

Необходимо отметить, что изготовление стержневых крепежных изделий обработкой резанием требует высокого расхода металла - до 1400 кг на 1 т. болтов [76]. Поэтому в настоящее время при изготовлении крепежных изделий массового назначения доля обработки резанием не превышает 5-10%, включая такие операции, как отрезка заготовки, обрезка головки на требуемый профиль, снятие фаски и др.

Наиболее распространенными технологическими методами являются холодная и горячая штамповка с применением операций пластического деформирования металла.

1.2. Технологические операции изготовления стержневых крепежных изделий

Применение прогрессивных технологических схем и решений при изготовлении стержневых крепежных изделий пластическим деформированием исходной цилиндрической заготовки требует четкого разделения технологического процесса на отдельные операции, исследования состояния металла, его течения и деформационного или термического упрочнения с выходом на механические характеристики, точность и качество изготавливаемых изделий. При этом необходимо учитывать историю нагружения ме-

талла, вид и схему напряженно-деформированного состояния, взаимное влияние операций.

Основными формообразующими пластическими операциями являются: калибрование металла холодным волочением в жестких конических матрицах - волоках, высадка утолщения на стержне в виде головки или буртика [75]; редуцирование части стержня; формообразование резьбового профиля.

С учетом типовых технологических схем изготовления стержневых крепежных изделий, когда применяется в основном калиброванный металл и операции однократного и двойного редуцирования стержневой части изделия, в дальнейшем исследованы следующие технологические операции:

- волочение пруткового металла в жестких конических матрицах, когда формируется требуемый уровень механических свойств с учетом переработки на стержневые крепежные изделия;

- редуцирование стержневых заготовок в конической матрице с целью получения конструктивного перепада диаметров, в том числе и для накатывания резьбового профиля;

- резьбообразование на основе холодного пластического деформирования металла при различном уровне его предварительного упрочнения.

Указанные пластические операции влияют на качество стержневых изделий и их эксплуатационную надежность и себестоимость. При этом в работе были решены некоторые прикладные технологические задачи, апробация которых нашла отражение в публикациях и патенте Российской Федерации на изобретение [26-29, 32, 49-51, 63-65].

1.3. Технико-экономические показатели малоотходной технологии изготовления стержневых крепежных изделий

Малоотходная технология является прогрессивной в силу очевидных достоинств и преимуществ применения пластических формообразующих операций перед обработкой резанием [13, 76], основными из которых являются:

а) низкий расход металла. Например, при изготовлении болтов коэффициент использования металла составляет до 98% вместо 30-50% при обработке резанием;

б) малая трудоемкость. По некоторым данным трудоемкость обработки резанием и холодной объемной штамповкой, а также число станков и площади соотносятся как 4:1;

в) высокая производительность. Например, при холодной штамповке крепежных изделий с резьбой при диаметре до 6 мм она составляет до 350 шт/мин.; 6-12 мм - до 120-60 шт/мин.; свыше 16 мм - до 80-35 шт/мин.;

г) высокое качество изделий. Можно получать крепежные изделия со степенью точности 6 и 4. Шероховатость поверхности соответствует Яа = 0,16 - 1,25 мкм по ГОСТу 2789-73 [76]. Механические свойства (например, временное сопротивление) могут быть повышены на 30% и выше благодаря упрочнению металла и рациональной ориентации волокон в направлении деформации.

1.4. Задачи, решаемые при исследовании и совершенствовании технологии изготовления стержневых крепежных изделий

Изготовление стержневых крепежных изделий с повышенными эксплуатационными свойствами (по точности, прочности, надежности в работе) требуют решения целого комплекса технических^технологических задач. Основными из них являются: физические и механические свойства исходного металла и его способность к пластическому деформированию в выбранном диапазоне деформаций, изменения формы и размеров; особенности деформационного упрочнения металла и его интегральный и локальный уровень при различных схемах силового и деформационного воздействия с выходом на основные формообразующие и формоизменяющие технологические операции; сравнительная оценка механических и эксплуатационных характеристик изделий при применении различных технологических схем изготовления и контроля; технологические разработки, позволяющие повысить качество сборки стержневых крепежных изделий.

Более подробно технологические задачи рассматриваются в соответствующих разделах с выходом на практические рекомендации и при их апробации в лабораторных и производственных условиях. При этом оценивается современный технологический уровень изготовления стержневых крепежных изделий.

В работе большое внимание уделено применению математического и механического (натурного) моделирования исследуемых технологических операций, а также

типовых схем и методов механических и технологических испытаний металла, металлических заготовок и изделий. Достаточно подробно разработан и использован нераз-рушающий контроль металлической продукции, что позволило вп�