автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных свойств инструментов кольцевой формы пластическим деформированием

ПАНИН Петр Михайлович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТОВ КОЛЬЦЕВОЙ ФОРМЫ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Специальность: 05.02.09 - Технологии и машины

обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАР Ш

Воронеж - 2012

005012361

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор

Хван Дмитрий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Семеноженков Владимир Степанович;

кандидат технических наук, доцент

Бойко Александр Юрьевич

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Тульский государственный

университет»

Защита состоится 21 марта 2012 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «[$ » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение конкурентоспособности - важнейшая задача машиностроения, которая во многом зависит от технологических и эксплуатационных характеристик режущих и мерительных инструментов. В связи с этим возникает необходимость разработки инновационных технологий, обеспечивающих высокую стойкость указанных изделий.

С точки зрения экономики машиностроения инструментальное производство является объектом первостепенной важности. Издержки предприятий на инструмент составляют значительную долю (до 10 %) себестоимости изделия. Поэтому проблема повышения стойкости инструментов является всегда актуальной для промышленности.

В машиностроении широко используются различные технологии повышения стойкости инструментальных сталей, требующие постоянного развития и совершенствования. В настоящее время достаточно успешно применяют термомеханическую обработку (ТМО) инструментальных сталей, основанную на сочетании пластического деформирования заготовок и их термообработки. К числу перспективных и эффективных технологий относится и предварительная термомеханическая обработка (ПТМО) заготовок инструментов, при которой пластическая деформация предшествует формообразованию и окончательной термической обработке. Однако в настоящее время данная технология реально не используется при изготовлении инструментов кольцевой формы ю-за трудностей реализации пластической обработки их заготовок, отсутствия соответствующей теории данного процесса, позволяющей оптимизировать технологию ПТМО с точки зрения достижения наибольшей стойкости указанных инструментов. В связи с этим возникает необходимость определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в вышеуказанных заготовках при наиболее оптимальных для них видах пластической обработки - осадка и осадка с кручением. Необходимым для инструментальной промышленности является также разработка соответствующей технологической оснастки и прессового оборудования для реализации указанных процессов пластического деформ ирования.

Актуальным для металлообрабатывающей промышленности является изготовление инструментов кольцевой формы с высокой стойкостью из низколегированной стали Х12М, что предполагает установление оптимальных значений пластической деформации и режимов термической обработки в общем технологическом процессе ПТМО для этой стали.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» на кафедре теоретической и прикладной механики в 2007 - 2011 гг. в соответствии с планом госбюджетной НИР № 149-1800-1

1Л

«Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении И ракетно* косм ической технике».

Цель и задачи исследования. Разработка процессов и определение технологических параметров пластического деформирования заготовок инструментов кольцевой формы, проектирование комплексной технологии изготовления инструментов с высокими эксплуатационными свойствами, а также создание научно обоснованных рекомендаций по проектированию ютам повой оснастки и прессового оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) при пластической осадке заготовок кольцевой формы.

2. Определить НДС при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы.

3. Разработать конструкции шгам повой оснастки для реализации пластической осадки с кручением заготовок кольцевой формы и методику расчета их основных конструктивных параметров.

4. Разработать конструкцию пресса для осадки с кручением заготовок кольцевой формы.

5. Установить влияние пластической деформации в условиях технологии ПТМО на стойкость инструментальной стали Х12М.

6. Внедрить результаты исследования в промышленность и учебный процесс.

Научная новшна результатов исследования. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Определено НДС. при пластической осадке заготовок кольцевой формы на основе данных, полученных методом измерения твердости, отличающееся тем, что учитывается упрочняемость материала.

2. Определено НДС при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы без учета сип трения на ее торцах, отличающееся тем, что учитывается упрочняемость материала.

3. Разработаны и обоснованы технические решения по созданию штам повой оснастки и прессового оборудования для пластической осадки с кручением заготовок кольцевой формы, отличающиеся тем, что обеспечивается плавное изменение в широком диапазоне соотношения между угловыми и линейными деформациями в обрабатываемой заготовке.

4. Разработаны технологии ПТМО применительно к инструментальной стали XI2М.

Практическая значимость работы.

1. Полученные результаты исследований позволяют выбрать оптимальные режимы пластического деформирования заготовки и прогнозировать степень повышения эксплуатационных свойств инструмента.

2. Разработанные конструкции шгам повой оснастки дают возможность реализовать технологии ПТМО в производственных условиях.

3. Предложенная конструкция пресса для пластической обработки с кручением заготовок кольцевой формы и созданная при этом методика расчета его основных конструктивных параметров позволят в условиях крупносерийного и массового производства реализовывать процесс осадки с кручением как один из самых эффективных способов создания однородной мелкозернистой структуры в металле.

4. Разработанная технология ПТМО позволит повысить значительно стойкость резьбонакатных роликов, плашек, дорнов, калибров и др.

Реализация работы.

1. Инновационная технология ПТМО изготовления резьбонакатных роликов внедрена на ОАО «ВACO». Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 300 ООО (триста тысяч) рублей.

2. Отдельные материалы диссертационной работы по конструкции пресса используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при изучении дисциплины «Теория обработки металлов давлением» по инженерной специальности 150201 «Машины и технологии обработки металлов давлением».

Личный вклад соискателя включает:

1. Эксперименты по пластической осадке заготовок кольцевой формы га стали с целью изучения напряженно-деформированного состояния.

2. Разработку методики определения напряженно-деформированного состояния при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы.

3. Разработку способа повышения стойкости инструментальной стали Х12М на основе технологии ПТМО.

4. Разработку конструкции новой технологической оснастки (штампов) для осуществления процесса осадки с кручением заготовки кольцевой формы.

5. Разработку конструкции пресса для штамповки с кручением заготовок кольцевой формы.

6. Определение степени влияния пластической деформации на стойкость инструментов в условиях ПТМО.

Методы исследований. Аналитические исследования выполнены на основе аппарата теории пластичности упругости. Эксперименты проводились на прессе ГМС-250 с использованием современной измерительной аппаратуры.

Конструкция штамповой оснастки разрабатывалась с применением методов теоретической механики и теории машин и механизмов. Обработка опытных данных проводилась с применением методов математической статистики на ЭВМ ®М РС.

Достоверность результатов исследований обеспечена корректностью постановки задач исследований, использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, согласованием теоретических и экспериментальных данных, которые были получены не только автором, но и другими исследователям и.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию кафедры «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» БГТУ «Военмех» им. Ф.Д. Устинова (Санкт-Петербург, 2009); Международной научно-технической конференции «СММТ-2011» (Санкт-Петербург, 2011); Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные задачи обработки металлов давлением и автотехнических экспертиз», (Винница, Украина, 2011); Российской научно-технической конференции, посвященной 70-летию со дня основания КБХА «Ракетно-космическая техника и технология 2011» (Воронеж, 2011); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 20072011); научных семинарах кафедры теоретической и прикладной механики ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2007-2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 4 - в гаданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 4 патента РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - предложена кинематическая схема штампа; [2] - разработана схема приложения к заготовке осевой силы и момента; [4] - предложена технология ПТМО: [5], [7], [8] -разработан узел поддерживающего элемента; [6] - предложена технология ПТМО, [9], [13] - дается методика расчета деформ ирующих нагрузок, [10], [11 ]. [12] - предложена методика расчета напряжений; [14] - выполнены эксперименты по осадке колец.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук доценту Хваку А.Д. за оказание помощи при выполнении диссертационной работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 76 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, основные выносимые на защиту положения, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов исследования.

В первой главе приведен анализ существующих на производстве достаточно эффективных способов улучшения эксплуатационных свойств инструмента - металлургические, связанные с разработкой новых марок сталей путем легирования; - нанесение износостойких покрытий на режущие кромки инструмента; - насыщение поверхностного слоя карбидами и нитридами; -оптимизация формы геометрии режущих кромок; - сочетание пластического деформирования и термообработки. Однако с точки зрения разработки инновационных технологий представляет практический интерес последний из указанных способов, так как повышенная износостойкость инструмента распределена равномерно по всему его объему и тем самым позволяет неоднократную переточку инструмента. В связи с этим в диссертации рассматривается наиболее технологичная схема сочетания пластической деформации и термообработки, а именно предварительная термомеханическая обработка (ПТМО), в которой пластическая обработка заготовки предшествует с любым интервалом времени всем видам термической обработки.

Требуется также знание НДС в пластически обрабатываемой заготовке для оптимизации технологии ГПМО, обеспечивающей наибольшее повышение стойкости для широко используемых в промышленности инструментов в форме кольца (дорн, калибр, резьбонакатной ролик, плашка).

В зависимости от формы инструмента требуется разработка и соответствующей штам повой оснастки, и прессового оборудования для пластического деформ ирования.

Анализ существующего состояния вопроса позволяет сформулировать цели и задачи исследований, приведенные во введении.

Во второй главе рассматриваются решети задач по осадке и осадке с кручением кольцевых заготовок. В первом случае выполнены опыты по осадке колец с размером г0хЯ0хН0 (исходные внутренний, наружный радиусы и высота заготовки). Опыты проводились на заготовках со следующими значениями размеров: г0 =4,5,6,8лш; Л0 = 20мм; #0=40лш. Для представленных размеров безразмерный коэффициент а = г()/У?0 будет равным

0,20; 0,25; 0,30; 0,40. Осадка их производилась ступенями до относительных деформаций е = 0,5; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,40; 0,50; 0,55.

Экспериментально установлено, что для всех типоразмеров заготовок при их пластическом деформировании выполняется условие

&Р,=Р,-Г,> о, (1)

где г, и р, - соответственно исходные и текущие координаты точек на торцах заготовки от ее центра. Текущие радиусы рассчитывали по формуле, полученной из условия несжимаемости материала:

р,=г,4\(2) Таким образом, внутренний и наружный радиусы заготовки увеличиваются с ростом относительной деформации, и тем самым процесс осадки заготовки кольцевой формы является монотонным, что, в свою очередь, позволяет определять НДС на основе теории течения, или деформационной теории пластичности.

На рис. 1 показаны графики изменения Др, трех точек на ториах заготовки с г0 = 4мм в зависимости от е: г2 = 12мм; г3 = Я0,

которые подтверждают справедливость выражений (1) и (2).

6

4

2 1

" 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Рис. 1. Зависимость Др, = /(е), а = 0,20 Результаты исследования НДС при осадке заготовок кольцевой формы методом измерения твердости позволили получить на основе деформационной теории пластичности следующие соотношения для расчета компонентов деформаций и напряжений в цилиндрической системе координат:

-е. + л/Зт/е,2 -е2- _ _ е. - УзУ^ - е? _ 2 г 2

Здесь с-,, е, - соответственно интенсивности напряжений и деформаций, определяемые методом измерения твердости; сг,, е. - соответственно осевые нормальное напряжение и логарифмическая деформация.

Получены также соотношения для расчета нормального и касательного напряжений, а также деформирующих нагрузок при осадке с кручением заготовок кольцевой формы на основе теории течения в предположении об отсутствии сил трения на торцах заготовок:

о-- = -£0(е)/Л; г = -ег0(е)/(1 - гг)р;

Р = -2ж1сг о (е)Л~' рйр\ М =^!<т0(еК'Л г Зек г

(4)

Здесь А = + р1; е = 1п—!—Д - накопленная деформация; г -

V 3 я2е2 1-е

сдвиг на торцевой поверхности заготовок.

Мощность, необходимая для пластического деформирования заготовки кольцевой формы, равна

/V = РУ + Мег>, (5)

где V, со - соответственно линейная и угловая скорости перемещения нагружающейся плиты, вращающейся без проскальзывания относительно торца заготовки.

Знание НДС позволит определять предельную пластичность и накопление повреждаемости с целью прогнозирования на основе построенной диаграммы пластичности материала инструмента возможности появления трещин в заготовке при ее деформировании в условиях ПТМО, а также энергосиловые параметры рассмотренного процесса.

В третьей главе представлены два варианта конструкции штампа для осадки с кручением заготовок кольцевой формы с применением гидропривода. В первом штампе осадка заготовки производится перемещением только одного (верхнего) торца вниз при неподвижном нижнем торце (рис. 2а), соприкасающимся с опорной плитой, которая, в свою очередь, дополнительно вращается, и тем самым создается прикладываемый к заготовке скручивающий момент. Во втором штампе благодаря взаимному перемещению пуансона и опорной плиты навстречу друг к другу оба торца заготовки также

перемещаются в указанном направлении (рис. 26). Скручивающий момент благодаря реечно-зубчатой передаче, жестко связанной с опорной плитой, как и в первом штампе, прикладывается к нижнему торцу заготовки. Из сопоставления принципов работы рассмотренных штампов следует, что второй из них является наиболее производительным.

а) б)

Рис. 2. Схема приложения нагрузок к заготовке С целью повышения эффективности обработки заготовок в условиях крупно-серийного и массового производства предложена конструкция пресса для штамповки с кручением без применения в нем кривошипного механизма. Главное преимущество пресса по сравнению с другими конструкциями - это возможность обеспечения плавного изменения в широком диапазоне соотношения между угловыми и линейными деформациями в обрабатываемой заготовке, что необходимо для опгимщации процесса деформирования для получения однородной мелкозернистой структуры в металле с целью достижения высоких эксплуатационных характеристик инструментов.

Мощность, необходимая для реализации процесса пластической обработки, определяется по соотношению (5), а потребная мощность электродвигателя привода пресса определяется по формуле

Л^.=Л'/?7,'/2. (б)

где щ, 72 - соответственно общий КПД всех взаимосвязанных подвижных элементов пресса и его привода.

Таким образом, представленные в диссертации конструкции штампов и пресса позволят эффективно реализовывать инновационные технологии ПТМО в промышленности.

В четвертой главе представлены результаты исследований инструментальной стали Х12М в условиях реализации технологии ПТМО. При этом по данным испытаний на сжатие цилиндрических образцов размером 020x30 мм построена кривая упрочнения. С целью удобства использования этой кривой при оценке НДС в заготовках предлагается аппроксимировать ее формулой А. Надаи

а = Ае(7) где а И е - соответственно интенсивность напряжений и логарифмическая деформация; А, п - характеристики материала, определяемые статистической обработкой кривой упрочнения. Для стали Х12М они равны ,4 = 1810 МПа,

п = 0,35. При є > 0,05 отклонение расчетных значений от опытной кривой течения находится в пределах ~ 10 %

Предложена технологическая схема ПТМО, показанная на рис. 3. Согласно этой схеме после выполнения заготовительных операций заготовки осаживаются при комнатной температуре до оптимального значения є ,тт, при котором достигается наибольшая стойкость стали. Установлены также оптимальные температурные режимы всех указанных на схеме позиций те рм ообработки. _______

1 -предварительная пластическая деформация; 2 - дорекристаллтационный нагрев (отдых); 3 - закалка с быстрым нагревом; 4 - окончательны й отпуск. Т«,,,, - ком натная температура; Трор - тем пература рекристаллизации а -фазы;М „-температура начала маргенсигного превращения; А - нижняя критическая точка при нагреве; A¿j- верхняя критическая точка при нагреве доэвтекгоианой стали; Л—->11 - область аустенигно -перлитного превращения; А->М - область аустенигно -маргенсигного превращения

Для определения smm были выполнены эксперименты на сжатие партии (36 штук) заготовок размером 025*40 мм. При этом осадка проюводилась на гидропрессе в специальном штампе до достижения деформации s =0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45; 0,50; 0,55. Для всех указанных деформаций осаживались по три заготовки с целью усреднения результатов испытаний. Далее из деформированных и неосаженных заготовок были изготовлены резцовые головки, после чего последние подвергались термообработке согласно схеме на рис. 3. Для стойкостных испытаний после соответствующей заточки резцовые головки устанавливались в специальной державке для крепления ее на токарном станке и производилась операция точения на прутке га стали 45 по выбранному режиму, одинаковому для всех резцовых головок. За крт-ерий износа резцовой головки был принят размер ширины площадки (h3= 0,3мм), образованной на задней грани режущей части головки в результате ее истирания.

Для оценки изменения стойкости стали был принят коэффициент относ отельной стойкости, определяемый по формуле

- Тг»?

Рис. 3. Технологическая схема ПТМО:

То'

где 7*0, Т - стойкости (в мин.) инструментов, изготовленных соответственно по традиционной (без ПД) и в условиях ПТМО технологий.

На рис. 4 представлен график изменения функции Кт = /(?). Здесь у = Кт, х = е; сплошная линия - экспериментальные данные; штриховая линия - аппроксимация в виде полинома на рисунке.

у = 65 909*1 -

106 82*'+ 55.594хгг 79719*+10025

!

\

|

1 : !

0 01 о: 03 О. Э! * се X

Рис. 4. Зависимость кт от е

Согласно рисунку следует, что до критического значения деформации £^,»0,10 стойкость уменьшается, что соответствует увеличению размеров зерна в структуре металла. При £>£кр происходит монотонное увеличение стойкости стали (и соответственно уменьшение размеров зерна), и при достижении е = г<ит = 0.50 КТ к 1,7, что соответствует образованию однородной мелкозернистой структуры в стали Х12М, и тем самым стойкость стали увеличивается в 1,7 раза по сравнению со стойкостью стали без дополнительной ПД.

Представлены также результаты металлографических исследований, указывающие на то, что балл карбидной неоднородности (БКН) у стали Х12М снижается с 9 единиц (в состоянии поставки) до 2 - 3 единиц после реализации новой технологии ПТМО. Таким образом, увеличение стойкости стали с ростом деформации е можно также объяснить снижением БКН, что вполне соответствует основным законам механики разрушения.

В пятой главе приведены результаты внедрения инновационной технологии ПТМО применительно к резьбонакатным роликам (М12) из стали Х12М на ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество»

(ВАСО). Схема указанной технологии представлена на рис. 5. Отличается она от традиционной включением в нее дополнительной операции пластической осадки предварительно изготовленной мехобработкой на заготовительной стадии заготовки кольцевой формы с установленными на основе пластической несжимаемости материала размерами (рис. 6). Здесь в скобках даны размеры, получающиеся после осадки с учетом припуска на мехобработку для формообразования резьбонакатного ролика в соответствии с его чертежом.

Рис. 5. Схема технологического процесса изготовления резьбонакатного ролика

в условиях ГТТМО

Рис. 6. Эскиз заготовки кольцевой формы для пластической осадки Для иллюстрации на рис. 7 показана фотография указанных выше роликов.

Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии изготовления резьбонакатных роликов составляет 300 ООО (триста тысяч) рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе представлены результаты исследования, направленного на разработку инновационной технологии в условиях ПТМО с целью повышения эксплуатационных свойств инструментов кольцевой формы из легированной стали Х12М. Приведенные теоретические и экспериментальные данные позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы.

1. Экспериментально установлено, что в заготовках кольцевой формы при их монотонной осадке текущие внутренний и наружный радиусы, а также определяющие координаты внутренних точек поперечного сечения радиусы монотонно увеличиваются, что позволяет считать рассмотренный процесс монотонным. В связи с этим при оценке НДС в указанных заготовках можно использовать деформационную теорию пластичности (или теорию течения) для определения энерго-силовых параметров при реализации процесса осадки, пластичности и накопленной повреждаемости в материале заготовки с целью прогнозирования возможности получения поковок без трещин, разрывов.

2. На основе деформационной теории пластичности решена задача определения НДС при осадке заготовок кольцевой формы с использованием экспериментальных данных, полученных методом измерения твердости. При этом получены соотношения для расчета всех компонентов деформаций и напряжений, являющихся функциями ингенсивностей деформаций и напряжений, а также - осевой деформации е. и осевого напряжения а,.

Рис. 7. Фотография резьбонакатных роликов

3. Решена задача по определению НДС при монотонной осадке с кручением заготовок кольцевой формы на основе теории течения с получением соотношений для расчета нормальных и касательных напряжений, деформирующих усилия сжатия и скручивающего момента, как функций геометрических параметров кольца, характеристик материала и относительной деформации. Установлено, что деформации сдвига приводят к уменьшению усилия сжатия.

4. С целью реализации процесса обработки заготовок кольцевой формы применительно к инновационной технологии ПТМО для повышения стойкости инструментов разработаны два типа штампов с применением гидромеханизма, позволяющих нагружать заготовку усилием сжатия искручивающим моментом и тем самым изменять плавно в широком диапазоне соотношения между угловыми и линейными деформациями для оптимизации указанной технологии, обеспечивающей максимальное увеличение стойкости инструментов.

5. Для повышения эффективности реализации процесса пластической обработки заготовок в технологическом режиме ПТМО в условиях крупносерийного и массового производства разработана конструкция пресса для осадки с кручением заготовок кольцевой формы, соответствующая по технической идее требованиям изобретения. Пресс позволяет изменять в широком диапазоне соотношения между угловыми и линейными деформациями, влияющего на образование однородной мелкозернистой структуры в материале заготовки, а также прикладывать к заготовке большие деформирующие нагрузки.

6. Разработана инновационная технология ПТМО применительно к инструментальной стали Х12М, позволяющая получеть однородную по всему объему инструмента мелкозернистую структуру и тем самым повысить стойкость инструмента из этой стали. Установлено, что при критических значениях деформации скр»ОД0 образуется крупнозернистая структура,

приводящая к снижению стойкости (Кт = 0,65), а при £ > екр происходит уменьшение размера зерна. Для стали Х12М установлено оптимальное значение еопт = 0,50, при котором стойкость стали увеличивается в - 1,7 раза.

7. Экспериментально установлено, что с увеличением степени пластической деформации балл карбидной неоднородности (БКН) понижается. Для исследованной стали исходный БКН для прутка в состоянии поставки составил ~ 9, а при с = 0,50 он равен (2 - 3)единиц. Таким образом, повышение стойкости инструментальной стали связано с уменьшением БКН.

8. На основе нового технологического процесса разработана промышленная технология изготовления резьбонакатных роликов (М10-М20),

которая внедрена на ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (ВАСО). Производственные испытания показали, что стойкость указанных роликов повысилась в - 1,5 раза по сравнению со стойкостью инструментов, изготовленных по традиционной технологии. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет ~ 300 ООО (триста тысяч) рублей по сравнению с базовым вариантом. Акт внедрения представлен в приложении.

9. Описание конструкции пресса для осадки с кручением и расчет его основных силовых и геометрических параметров будет использован при чтении курса лекций студентам специальности 150201 «Машины и технологии обработки металлов давлением» в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Акт внедрения представлен в приложении.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Хван А.Д. Гидравлический штамп для осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок / А.Д. Хван, П.М. Панин // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2008. - № 1. -С.31 -34.

2. Хван А.Д. Пресс для комбинированного нагружения при обработке металлов давлением / А.Д. Хван, П.М. Панин // Кузнечно-штам повочное производство. Обработка материалов давлением. - 2011. - № 10. - С. 36 - 39.

3. Панин П.М. Экспериментальное определение напряженно-деформированного состояния при пластической осадке кольцевых заготовок / П.М. Панин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. № 11.2. - С. 112 - 113.

4. Хван А.Д. Повышение стойкости стали Р6М5 / А.Д. Хван, П.М. Панин И Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. -Т. 7.№ I1.2.-C. 125- 128.

Статьи и материалы конференций:

5. Панин П.М. Осадка с кручением кольцевых заготовок / П.М. Панин, Д.В. Хван, H.A. Евдокимова // Научные исследования в области транспортных, авиационных и космических систем «АКТ-2009» (авиация, космос, транспорт): труды X Всерос. науч.-техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. - Воронеж: ВГТУ, 2009. - С. 252 - 256.

6. Хван Д.В. Пластическая осадка кольцевых заготовок /Д.В. Хван, П.М. Панин, H.A. Евдокимова // Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением: материалы Между пар. науч.-техн. конф., посвященной 75-летию кафедры «Высокоэнергетические

устройства автоматических систем» БГТУ «Военмех». СПб.: БГТУ «Военмех», 2009.-С. 153- 156.

7. Панин П.М. Напряженно деформированное состояние кольцевых заготовок при осадке со сдвигом / П.М. Панин, Д.В. Хван, H.A. Евдокимова // Обработка материалов давлением: сб. науч. тр. - Краматорск: ДГМА, 2010. — №2 (23). -С. 103-106.

8. Панин П.М. Пластическая осадка кольцевых заготовок / П.М. Панин, Д.В. Хван // Современные металлические материалы и технологии: труды IX Междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СГПУ, 2011. - С. 47 - 48.

9. Хван Д.В. Определение НДС при сжатии с кручением колец /Д.В. Хван, П.М. Панин, H.A. Евдокимова // Теоретичні і прикладні задачі обробки металів тиском та автотехнічних експертиз: труды Междунар. науч.-техн. конф. - Винница: ВНГУ, 2011. - С. 47 - 48.

10. Панин П.М. Экспериментальное исследование пластической осадки колец // Тезисы Рос. науч.-техн. конф., посвященной 60-летию со дня основания КБХА. Воронеж: ВГТУ, 2011. С.9.

И. Патент РФ на изобретение № 2306998. Устройство для осадки заготовок / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.A. Горячев, М.А. Дикарев, С.И. Бахматов, П.М. Панин. По заявке № 2006108685 от 20.03.2006 г. Опубл. 27.09.2007. Бюл. №27.

12. Патент РФ на изобретение № 2325451. Способы улучшения свойств инструментальной стали / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.B. Токарев, М.А. Дикарев, С.И. Бахматов, П.М. Панин, С.А. Баранников. По заявке № 2006122765 от 26.06.2006 г. Опубл. 27.05.2008. Бюл. № 15.

13. Патент РФ на изобретение № 2376098. Устройство для осадки заготовки / А.Д. Хван, Д.В. Хван, А.Т. Крук, A.B. Попов, С.И. Бахматов, О.М. Дикарев, A.B. Токарев, П.М. Панин, В.В. Федянин. По заявке № 2008141783 от 21.10.2008 г. Опубл. 20.12.2009. Бюл. № 35

14. Патент РФ на изобретение № 2384834. Устройство для сжатия цилиндрической заготовки / А.Д. Хван, Д.В. Хван Д.В., Бахматов С.И., Баранников С. А., Панин П.М., Дикарев О.М., Карпов В.А., Евдокимова H.A. -№2008147626. Заявлено 02.12.2008 г. Опубл. 20.03.2010 г. Бюл. №8

Патенты:

Подписано в печать 16.02.2012. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. №//

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

61 12-5/3558

ФГБОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ПАНИН Петр Михайлович л

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТОВ КОЛЬЦЕВОЙ ФОРМЫ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Специальность: 05.02.09 - Технологии и машины обработки

давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Д. В. Хван

Воронеж-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования............................10

1.1. Технологии повышения стойкости инструментов.........................10

1.2. Пластическая осадка заготовок кольцевой формы........................24

1.3. Технологическое оснащение для пластической осадки с кручением заготовок кольцевой формы.............................................................28

1.4. Выводы и задачи исследования...............................................37

Глава 2. Напряженно-деформированное состояние при пластической

осадке и осадке с кручением заготовок кольцевой формы в условиях монотонного нагружения.................................................................40

2.1. Экспериментальное исследование пластической осадки заготовок кольцевой формы..........................................................................40

2.2. Экспериментальное определение напряженно-деформированного состояния при пластической осадке заготовок кольцевой формы...............49

2.3. Напряженно-деформированное состояние при осадке с кручением заготовок кольцевой формы.............................................................52

2.4. Выводы.............................................................................57

Глава 3. Разработка конструкций технологической оснастки и пресса для

реализации осадки с кручением заготовок кольцевой формы....................59

3.1. Разработка конструкции штампа для осадки с кручением заготовок кольцевой формы с гидроприводом (Iй вариант).....................................59

3.2. Разработка штампа двустороннего действия для осадки с кручением заготовок кольцевой формы с гидромеханизмом (2м вариант)...................62

3.3. Пресс для пластической осадки с кручением заготовок кольцевой формы.......................................................................................67

3.4. Выводы..............................................................................74

Глава 4. Экспериментальное исследование влияния степени пластической

деформации на стойкость инструментов в условиях предварительной термомеханической обработки (ПТМО)..............................................76

4.1. Экспериментальное определение кривой упрочнения (течения) для инструментальной стали Х12М........................................................76

4.2. Технология ПТМО применительно к инструментальной стали Х12М .................................................................................................79

4.3. Исследование влияния степени пластической деформации на стойкость стали Х12М в условиях ПТМО............................................84

4.4. Выводы............................... .................................................98

Глава 5. Внедрение результатов исследований..................................99

5.1. Анализ существующих технологий изготовления инструментов

кольцевой формы из стали Х12М......................................................99

5.2. Разработка технологии изготовления инструментов кольцевой формы с улучшенными эксплуатационными свойствами осадкой в условиях ПТМО ................................................................................................102

107

108 111 119

5.3. Выводы...................................

Основные результаты работы и выводы Список использованных источников .... Приложение..................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Повышение конкурентоспособности важнейшая задача машиностроения, которая во многом зависит от технологических и эксплуатационных характеристик режущих и мерительных инструментов. В связи с этим возникает необходимость разработки инновационных технологий, обеспечивающих высокую

стойкость указанных изделий.

С точки зрения экономики машиностроения инструментальное производство является объектом первостепенной важности. Издержки предприятий на инструмент составляют значительную долю (до 10%) себестоимости изделия. Поэтому проблема повышения стойкости инструментов является всегда актуальной для промышленности.

В машиностроении широко используются различные технологии повышения стойкости инструментальных сталей, требующие постоянного развития и совершенствования. В настоящее время достаточно успешно применяют термомеханическую обработку (ТМО) инструментальных сталей, основанную на сочетании пластического деформирования заготовок и их термообработки. К числу перспективных и эффективных технологий относится и предварительная термомеханическая обработка (ПТМО) заготовок инструментов, при которой пластическая деформация предшествует формообразованию и окончательной термической обработке. Однако в настоящее время данная технология реально не используется при изготовлении инструментов кольцевой формы из-за трудностей реализации пластической обработки их заготовок, отсутствия соответствующей теории данного процесса, позволяющей оптимизировать технологию ПТМО с точки зрения достижения наибольшей стойкости указанных инструментов. В связи с этим возникает необходимость определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в вышеуказанных заготовках при наиболее оптимальных для них видах пластической обработки - осадка и осадка с кручением. Необходимым для инструментальной промышленности

4

является также разработка соответствующей технологической оснастки и прессового оборудования для реализации указанных процессов пластического деформирования.

Актуальным для металлообрабатывающей промышленности является изготовление инструментов кольцевой формы с высокой стойкостью из низколегированной стали Х12М, что предполагает установление оптимальных значений пластической деформации и режимов термической обработки в общем технологическом процессе ПТМО для этой стали.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» на кафедре теоретической и прикладной механики в 2007 - 2011 гг. в соответствии с планом госбюджетной НИР № 149-1800-1 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Цель работы и задачи исследования. Разработка процессов и определение технологических параметров пластического деформирования заготовок инструментов кольцевой формы, проектирование комплексной технологии изготовления инструментов с высокими эксплуатационными свойствами, а также создание научно обоснованных рекомендаций по проектированию штамповой оснастки и прессового оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) при пластической осадке заготовок кольцевой формы.

2. Определить НДС при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы.

3. Разработать конструкции штамповой оснастки для реализации пластической осадки с кручением заготовок кольцевой формы и методику расчета их основных конструктивных параметров.

4. Разработать конструкцию пресса для осадки с кручением заготовок кольцевой формы.

5. Установить влияние пластической деформации в условиях технологии ПТМО на стойкость инструментальной стали Х12М.

6. Внедрить результаты исследования в промышленность и учебный процесс.

Научная новизна результатов исследования. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Определено НДС при пластической осадке колец на основе данных, полученных методом измерения твердости, отличающееся тем, что учитывается упрочняемость материала.

2. Определено НДС при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы без учета сил трения на ее торцах, отличающееся тем, что учитывается упрочняемость материала.

3. Разработаны и обоснованы технические решения по созданию штамповой оснастки и прессового оборудования для пластической осадки с кручением кольцевых заготовок, отличающиеся тем, что обеспечивается плавное изменение в широком диапазоне соотношения между угловыми и линейными деформациями в обрабатываемой заготовке.

4. Разработаны технологии ПТМО применительно к инструментальной стали XI2М.

Практическая значимость работы.

1. Полученные результаты исследований позволяют выбрать оптимальные режимы пластического деформирования заготовки и прогнозировать степень повышения эксплуатационных свойств инструмента.

2. Разработанные конструкции штамповой оснастки дают возможность реализовать технологии ПТМО в производственных условиях.

3. Предложенная конструкция пресса для пластической обработки с кручением заготовок кольцевой формы и созданная при этом методика расчета его основных конструктивных параметров позволит в условиях крупносерийного и массового производства реализовывать процесс осадки с

кручением, как один из самых эффективных способов создания однородной мелкозернистой структуры в металле.

4. Разработанная технология ПТМО позволит повысить значительно стойкость резьбонакатных роликов, плашек, дорнов, калибров и др.

Реализация работы.

1. Инновационная технология ПТМО изготовления резьбонакатных роликов внедрена на ОАО ВАСО. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 300000 (триста тысяч) рублей.

2. Отдельные материалы диссертационной работы по конструкции пресса используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при изучении дисциплины «Теория обработки металлов давлением» по инженерной специальности 150201 «Машины и технологии обработки металлов давлением».

Личный вклад соискателя включает:

1. Эксперименты по пластической осадке заготовок кольцевой формы из стали с целью изучения напряженно-деформированного состояния.

2. Разработку методики определения напряженно-деформированного состояния при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы.

3. Разработку способа повышения стойкости инструментальной стали XI2М на основе технологии ПТМО.

4. Разработку конструкции новой технологической оснастки (штампов) для осуществления процесса осадки с кручением заготовки кольцевой формы.

5. Разработку конструкции пресса для штамповки с кручением заготовок кольцевой формы.

6. Определение степени влияния пластической деформации на стойкость инструментов в условиях ПТМО.

Методы исследований. Аналитические исследования выполнены на основе аппарата теории пластичности упругости. Эксперименты проводились

на прессе ГМС-250 с использованием современной измерительной аппаратуры. Конструкция штамповой оснастки разрабатывалась с применением методов теоретической механики и теории машин и механизмов. Обработка опытных данных проводилась с применением методов математической статистики на ЭВМ IBM PC.

Достоверность результатов исследований обеспечена корректностью постановки задач исследований, использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, согласованием теоретических и экспериментальных данных, которые были получены не только автором, но и другими исследователями.

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований докладывались на международных, российских конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию кафедры «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» БГТУ «Военмех» им. Ф. Д. Устинова (Санкт-Петербург, 2009); Международной научно-технической конференции «СММТ-2011» Санкт-Петербургского университета (Санкт-Петербург, 2011); международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные задачи обработки металлов давлением и автотехнических экспертиз» ВНТУ, (Винница, Украина, 2011); Российской научно-технической конференции, посвященной 70-летию со дня основания КБХА «Ракетно-космическая техника и технология 2011» (Воронеж, 2011); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2007-2011); научных семинарах кафедры теоретической и прикладной механики ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2007-20011).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ (включая 4 патента на изобретения), в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных

ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад соискателя составляет: [1] - предложена кинематическая схема штампа; [2] -разработана схема приложения к заготовке осевой силы и момента; [4] -предложена технология ПТМО; [5], [7], [8] - разработан узел поддерживающего элемента; [6] - предложена технология ПТМО, [9], [13] -дается методика расчета деформирующих нагрузок, [10], [11], [12] -предложена методика расчета напряжений; [14] - выполнены эксперименты по осадке колец.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук доценту Хвану А. Д. за оказание помощи при выполнении диссертационной работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 76 наименований и приложений. Материал изложен на 119 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 9 таблиц.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Технологии повышения стойкости инструментов

Развитие машиностроения выдвигает новые более жёсткие требования к выпускаемым изделиям - высокое качество, оптимальный вес и долговечность конструкции. Эти требования нельзя выполнить без использования металлов с высокими механическими свойствами. Для механической обработки таких материалов требуются инструменты с повышенными эксплуатационными характеристиками. Традиционными инструментальными материалами, используемыми для изготовления инструментов, является следующие: углеродистые инструментальные стали, углеродистые низколегированные стали, быстрорежущие стали и твёрдые сплавы. Повышению стойкости инструментов из этих материалов всегда уделяется большое внимание, и поэтому оно является актуальным и в настоящее время.

В промышленности для повышения эксплуатационного ресурса инструментов используются различные способы:

1. Технологии, связанные с разработкой новых марок инструментальных сталей путём дополнительного легирования при выплавке на металлургических предприятиях.

2. Процессы, связанные с нанесением износостойких покрытий на режущие кромки инструмента, а также насыщение поверхностного слоя инструментов износостойкими карбидами и нитридами.

3. Оптимизация геометрических и эксплуатационных параметров, а также поиск эффективных смазочно-охлаждающих технологических сред.

4. Технологии, основанные на сочетании пластического деформирования заготовок и термообработки. К ним относят: термомеханическую обработку (ТМО), механотермическую обработку (МТО) и предварительную термомеханическую обработку (ПТМО).

Значительный вклад в развитие теории механотермической обработки и в практические исследования в нашей стране внесли И.А.Одинг, В.С.Иванова, Л.К.Гордиенко и другие.

Термомеханическая обработка с деформированием мартенсита получила развитие в работах Г.В.Курдюмова, Б.Д.Грозина, М.Л.Бернштейна и других учёных.

Метод низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО) был предложен Д.К.Черновым в 1885году. Схема НТМО впервые сформулирована американскими учёными Липсом, Ван Цайленом. Большой вклад в практические исследования внесли А. П. Гуляев, Р. И. Энтин, Б. Я.Коган и другие.

Исследованиями, связанными с улучшением комплекса механических свойств сталей при высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО), занимались В. Д. Садовский, Л. М. Утевский, Ф. Р. Хашимов и другие.

Метод ПТМО получил широкое развитие в работах Г. В. Курдюмова, В.М. Кар донского, А. А. Штремеля. В работах этих учёных исследованы и классифицированы основные методы ТМО, позволяющие улучшать эксплуатационные характеристики конструкционных сталей, совмещая пластическую деформацию и термическую обработку. Однако в этих работах мало внимания уделяется изучению влияния ТМО на эксплуатационные характеристики инструментальных сталей, в частности на износостойкость.

В промышленности используется широкая номенклатура марок инструментальных сталей. Требования, предъявляемые к разным типам инструментальных сталей могут быть одними и теми же, например, твёрдость, вязкость и т.п. Однако их требуемый уровень неодинаков. Химический состав, а также структура сталей не в одинаковой мере влияют на режущие свойства инструментов. Оптимальное сочетание в инструментальной стали углерода и легирующих элементов приводит к высоким эксплуатационным характеристикам инструментов.

В [1] предложена инструментальная сталь для обработки сплавов большой твёрдост�