Розробка основ ресурсозберігаючих технологічних режимів кування дисків з уступами при використанні кільцевого конусного інструменту

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.05

“Процеси та машини обробки тиском”

Розробка основ ресурсозберігаючих технологічних режимів кування дисків з уступами при використанні кільцевого конусного інструменту

Ашкелянець Антон Володимирович

Дніпропетровськ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Чухліб Віталій Леонідович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, доцент кафедри обробки металів тиском.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Калюжний Володимир Леонідович, професор кафедри механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент Марков Олег Євгенійович, докторант кафедри обробки металів тиском Донбаської державної машинобудівної академії України Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ.

Захист відбудеться "12" жовтня 2010р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий „ 9 ” вересня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки в машинобудуванні зростає попит на вироби, форма яких наближена до диска з одним або двома уступами. Процеси виготовлення таких деталей за допомогою процесів ковальсько-штампувального виробництва є базовими для сучасного машинобудування, де широко розповсюджені деталі типу дисків з уступами (шестерні, колеса та ін.). Такі вироби отримують, зазвичай, з використанням великої кількості технологічних операцій, у тому числі, механічної обробки, що веде до значного збільшення витратного коефіцієнта металу за рахунок ковальського напуску. Окрім цього, формозміна зовнішньої бічної поверхні заготовки зумовлює форму поковки диска з уступом (циліндричної або конусної форми), що, в свою чергу, при неврахуванні закономірностей течії металу також призводить до необхідності призначення ковальського напуску. Наближення форми поковки до форми готової деталі передбачає розробку ресурсозберігаючої технології, що базується на зменшенні ковальського напуску. Одним із шляхів розробки таких технологій є використання доцільної форми технологічного інструменту. Різновидом інструменту, що використовується в ковальському виробництві, є кільцевий інструмент. На жаль, наразі відсутні дані про напружено-деформований та тепловий стан заготовки при використанні такого інструменту, що не дозволяє врахувати комплексний вплив на характер формозміни металу ряду важливих факторів, таких як зовнішній та внутрішній кути конусності кільцевого конусного інструменту, ступінь деформації та розміри заготовки. Зазначена обставина не дає, в загальному випадку, розрахувати всі необхідні технологічні параметри кування дисків з уступами, у тому числі заготовок для залізничних коліс, що веде до надлишкових витрат металу.

Використання математичного моделювання, зокрема, методу скінчених елементів, може дозволити належним чином врахувати комплексний вплив вищезгаданих параметрів на формозміну металу в процесах вільного кування. Але дослідження в такій постановці до наявної роботи не проводилися.

Таким чином, робота, що спрямована на визначення закономірностей формозміни металу в залежності від геометрії вихідної заготовки і форми та розмірів кільцевого технологічного інструменту при виробництві деталей дисків з уступом та розробку на основі отриманих даних ресурсозберігаючої технології виробництва таких деталей, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи відповідає напрямку наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконані в рамках програми та відповідної тематики держбюджетних науково-дослідних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ: ДР 0109U004017 „Оптимізація процесів обробки металів тиском для підвищення рівня властивостей металовиробів”, ДР 0109U004410 „Дослідження і розробка пропозицій щодо створення високоефективних технологічних процесів обробки металів тиском (ОМТ)”, ДР 0106U002225 „Моделювання процесів пластичного деформування та оптимізація фізико-механічних властивостей металів”. Автор був виконавцем цих робіт.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи стало вивчення закономірностей формозміни металу в залежності від форми і геометрії кільцевого конусного інструменту і розробка на основі отриманих даних удосконаленої технології виготовлення продукції ковальсько-штампувального виробництва, що забезпечує зменшення показників металоємкості.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

1. Провести експериментальні та теоретичні дослідження течії металу на зовнішній бічній поверхні циліндричної заготовки поковки диска з уступом при куванні з використанням кільцевого конусного інструменту в залежності від величини внутрішньої, зовнішньої конусності кільцевого конусного інструменту та глибини його проникнення.

2. Проаналізувати результати досліджень і одержати математичний опис залежностей впливу зовнішнього кута конусності на кінцеву висоту заготовки та вплив внутрішнього кута конусності кільцевого конусного інструменту на висоту отриманого уступу при обтисненні вихідної заготовки.

3. Теоретично визначити залежності обтиснення заготовки з розрахунку напружено-деформованого та теплового стану металу в функції від геометрії поперечного перерізу заготовки та інструменту.

4. Отримати теоретично і перевірити експериментально закономірності параметрів формозміни (висоти уступу, висоти та діаметра заготовки) від обтиснення заготовки при використані кільцевого конусного інструменту.

5. Визначити раціональні геометричні розміри кільцевого конусного інструменту для виробництва дисків з уступами, а також визначити вплив геометрії кільцевого конусного інструменту складної форми на формозміну заготовки залізничних коліс.

6. Визначити за отриманими залежностями технологічні параметри процесу виробництва дисків з уступами, зокрема, зовнішні і внутрішні кути конусності та висоту кільцевого конусного інструменту, величину деформації. Розробити технологічні рекомендації для удосконалення технології виробництва залізничних коліс.

7. Впровадити отримані розробки у виробництво та навчальний процес.

Об'єкт дослідження. Процес виробництва дисків з уступами, у тому числі, вільним куванням.

Предмет дослідження. Закономірності формозміни металу при використанні кільцевого конусного інструменту в процесі ковальсько-штампувального виробництва.

Методи дослідження. Для теоретичного визначення формозміни металу при новому способі кування із застосуванням кільцевого конусного інструменту використано варіаційний підхід у сполученні з методом скінчених елементів при урахуванні граничних умов у заданій області довільної форми. При проведенні фізичних експериментів використано елементи теорії подібності стосовно реологічно складних металів. Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних умовах з використанням сучасної вимірювальної апаратури. При проведені досліджень використано методи математичного моделювання, методи планування експерименту і статистичної обробки даних із застосуванням комп'ютерної техніки.

Наукова новизна. Наукову новизну мають перелічені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень, які вперше отримані в дисертації.

1. Вперше визначено характер вільної течії металу на зовнішній бічній поверхні поковки диску з уступом при використанні кільцевого конусного інструменту.

Такі дані отримані вперше. Урахування формозміни металу при використані кільцевого конусного інструменту дозволяє отримувати поковки диска з уступом з геометрією зовнішньої бічної поверхні циліндричної або конусної форми, наближеної до форми кінцевої продукції.

2. Вперше для кування дисків з уступами при використані кільцевого конусного інструменту теоретично визначені залежності з розрахунку напружено-деформованого та теплового стану металу в функції від геометрії поперечного перерізу заготовки та інструменту.

Такі залежності для кування дисків з уступом за допомогою кільцевого конусного інструменту не булі відомі. Використання отриманих залежностей дозволило виготовляти поковки дисків з уступами, які мають співвідношення діаметру диску до діаметру уступу в інтервалі 2,7…5,0 та висоти уступу до висоти диску в інтервалі 1,0…1,55, які раніше виготовляли з призначенням ковальського напуску, що дозволило наблизити форму поковки до форми кінцевого виробу та зменшити витратний коефіцієнт металу.

3. Вперше експериментально отримано залежності параметрів формозміни дископодібних заготовок від форми кільцевого конусного інструменту.

Вказані залежності були отримані вперше. Отримані експериментальні залежності дозволяють перевірити адекватність теоретичних розрахунків, а також наблизити форму поковки до форми кінцевого виробу зі зменшенням витратного коефіцієнту металу.

4. Одержали розвиток дослідження закономірностей течії металу при деформуванні заготовок залізничних коліс перед остаточним штампуванням з використанням кільцевого конусного інструменту складної форми.

Вони відрізняються урахуванням комплексного впливу ділянок кільцевого конусного інструменту зі складною формою на течію металу. Це дозволить запобігти появі характерного дефекту «затиск» при наступному штампуванні заготовок залізничних коліс та підвищити їх якість, а також зменшити циклічність технологічного процесу.

Практичне значення отриманих результатів. Дослідження процесу кування з використанням кільцевого конусного інструменту при виготовленні поковок дисків з уступами дозволило:

-отримувати куванням поковки з циліндричною та конічною бічною поверхнею для виробництва деталей типу «шестерня»;

-визначити геометричні розміри заготовки для виробництва дисків з уступами з використанням кільцевого конусного інструменту;

-обґрунтувати режими деформування при виробництві дисків з уступами з використанням кільцевого конусного інструменту;

-розробити технологічні рекомендації, які дозволяють зменшити витрати металу та енергії при виробництві дисків з уступами з використанням кільцевого конусного інструменту з зовнішнім кутом конусності 15^о та 45^о, внутрішнім кутом конусності 2^о і 6^о та співвідношенням діаметру центрального отвору кільцевого конусного інструменту до діаметра заготовки 0,375 - 0,625 за рахунок відсутності ковальського напуску;

-вдосконалити технологічну схему виготовлення залізничних коліс шляхом зменшення кількості операцій, що веде до зниження енергоємності виробництва та підвищення якості продукції.

На підставі результатів дисертаційної роботи:

-розроблені та запропоновані до впровадження рекомендації, що можуть бути використані в умовах колісопрокатного цеху ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ» при виробництві найбільш розповсюдженої повнопрофільної заготовки залізничних коліс діаметром 957 мм

ГОСТ 10791-2004 з використанням складної форми кільцевого конусного інструменту (акт від 22.05.2010 р.).

Результати, отримані в ході виконання дисертації, використовуються також в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при викладанні курсів «Технологія процесів ковальсько-штампувального виробництва», «Матеріали і розрахунки штампувального виробництва» та «Моделювання процесів ковальсько-штампувального виробництва», при виконанні студентами дипломних проектів, випускних магістерських і курсових науково-дослідних робіт (довідка від 11.05.2010 р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Всі принципові теоретичні та експериментальні результати, які були отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, виконаних автором. Особистий внесок у спільних публікаціях (згідно з переліком опублікованих робіт): [1] - аналіз впливу зовнішнього кута конусності кільцевого конусного інструмента на співвідношення кінцевої висоти зразка на початкову висоту заготовки Нк/Нз; [2] - аналіз формозміни металу при виготовленні повнопрофільної заготовки залізничних коліс з використанням кільцевого конусного інструменту складної форми; [3] - дослідження плину металу при отриманні повнопрофільної заготовки залізничних коліс; [4] - аналіз впливу внутрішнього кута конусності кільцевого конусного інструменту на висоту уступу диска; [5] - спосіб кування дисків з уступами з використанням кільцевого конусного інструменту.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції «Машини та пластична деформація металів» (м. Запоріжжя, 2007 р.), IX Міжнародна науково-практична конференція «Прогресивна техніка та технологія - 2008» (м. Київ, 2008 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні» (м. Краматорськ, 2009, 2010 р.р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Ресурсозбереження та енергоефективність процесів і обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії» (м. Харків, 2009 р.), Об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України і прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (м. Дніпропетровськ, 2007-2010 р.р.).

Публікації. Основні матеріали дисертації викладені в 4 публікаціях та 1 патенті України. Серед публікацій: 4 статті у спеціалізованих виданнях і тематичних збірниках згідно з перелікам ВАК України (зокрема, 1 стаття без співавторів).

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків, викладена на 131 сторінках; містить: таблиць - 4, рисунків - 80, список використаних джерел із 102 найменувань, додатків - 2.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність її теми, визначені мета, завдання, об'єкт, предмет і методи дослідження, представлені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача і апробація результатів дисертації.

Аналіз існуючих технологій виготовлення дисків з уступами

У даний час існує потреба в поковках типу дисків, виробництво яких становить на деяких машинобудівних заводах до 10% від загального випуску поковок.

З різноманіття поковок для дисків, які виготовляються куванням на пресах, можна виділити чотири групи, що відрізняються за формою, співвідношенням основних розмірів і технологічними особливостями.

До першої групи належать робочі диски, що мають одну або дві втулки та полотно, переріз якого може бути плоским або конічним; відношення зовнішнього діаметра D до товщини дисків по втулці H становить 7,5--15, а відношення висоти диска по втулці до товщини полотна h до 35, при цьому діаметр полотна диска перевищує діаметр втулки в 3,8--5 разів.

До другої групи належать покриваючі диски компресорних машин, які мають одну втулку та полотно з конічним профілем і відрізняються більшими розмірами центрального отвору в межах 550-1200 мм при зовнішньому діаметрі дисків 1250-2250 мм.

Третю групу складають диски турбін, у яких D/H становить 1,2--1,5, H/h = 2,5 і центральний отвір відносно невеликий.

До четвертої групи відносяться диски газових турбін, що працюють при більш високій температурі, і звичайно виготовляються з високолегованих марок сталей і нікелевих сплавів. Диски цієї групи характеризуються великою висотою втулкової частини без центрального отвору.

Технологічні процеси кування дисків характеризуються багатоопераційністю. Найбільший інтерес становлять кінцеве формоутворення та операція розгонки, які, зокрема, переважно виконують за допомогою спеціального пристрою, використовуючи вузькі розсувні бойки, що спричиняється недостатньою силою кувальних пресів (диски малих розмірів формоутворюються осадкою заготовок у кільцях або підкладних штампах).

Подібне співвідношення величини уступу до полотна диска можна одержати при штампуванні поковок. Але недоліком цієї технології є те, що ці поковки мають вагу до 250 кг, а одержання більшої маси поковки неможливе.

Аналіз існуючих технологічних процесів кування дисків з уступами показав, що при їх виготовленні у випадку, коли діаметр диска та висота уступу значно перевищують висоту полотна диска, має місце підвищена витрата металу за рахунок призначення ковальського напуску. Його призначення пов'язано з тим, що за існуючою технологією неможливо одержати форму поковки максимально наближену до форми готової деталі. Ця різниця компенсується призначенням ковальського напуску, що у подальшому видаляється механічною обробкою як надлишки металу з полотна диска, що призводить до підвищення металоємкості.

Розглянуто операції осадки та розгонки полотна диска, які відіграють істотну роль при одержанні повнопрофільної заготовки в існуючій технології виробництва залізничних коліс. Видами браку при їх виконанні є «затиск» металу та незаповнення порожнини штампа при подальшій деформації. Аналіз показав, що при виконанні цих операцій є запас металу, який у подальшому формує обід і диск залізничного колеса, і управляючи формозміною металу при виконанні цих операцій, можна підвищити якість одержуваного виробу.

Аналіз літературних джерел показав, що робота, спрямована на дослідження формозміни металу при куванні дисків з уступами і удосконалення існуючої технології шляхом наближення форми поковки до форми деталі, є актуальною. Актуальність теми обумовлена зниженням металоємкості продукції, що випускається, за рахунок зменшення ковальського напуску.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ виготовлення дисків з уступами при використанні кільцевого конусного інструменту

Основною проблемою при виготовленні дисків з уступами вільним куванням є те, що при використанні існуючої технології, а саме осадки в підкладному кільці, неможливо одержати уступ, висота якого в кілька разів перевищує висоту полотна диска. При цьому частина уступу, що не виконується при осадці в підкладному кільці, закривається ковальським напуском. Надалі цей напуск видаляють при механічній обробці, що призводить до підвищених металовитрат.

Спосіб кування дисків з уступами при використанні кільцевого конусного інструменту включає наступні основні технологічні операції: циліндричну заготовку осаджують, при цьому операцію осадки виконують у дві стадії. Першу осадку виконують за допомогою кільцевого конусного інструменту із заданим зовнішнім кутом конусності, а також із заданим внутрішнім конусним отвором з кутом конусності (діаметр центрального отвору повинен відповідати діаметру уступу диска). Другу стадію осадки виконують після видалення кільцевого конусного інструменту і наступного кантування на 180^о у підкладному кільці, де відбувається остаточне формування уступу.

Для складання повного факторного експерименту (ПФЕ), було обрано такі фактори, які впливають на формозміну заготовки при впровадженні кільцевого конусного інструменту, а саме: б_вн. - внутрішній кут конусності кільцевого конусного інструменту (Х₁); б_зов. - зовнішній кут конусності кільцевого конусного інструменту (Х₂); d_отв./D_з - відношення діаметра центрального отвору кільцевого конусного інструменту до діаметра заготовки (Х₃); h_впров./Н_з - відношення глибини впровадження кільцевого конусного інструменту до висоти заготовки (Х₄). Для розв'язання поставленої задачі був складений план повного факторного експерименту з варіюванням 4-х факторів на 2-х рівнях.

При варіюванні діаметра центрального отвору кільцевого конусного інструменту (d_отв.=15 і 25мм) бралося відношення його величини до початкового діаметра заготовки (D_з=40мм), тобто d_отв./D_з =15/40 (0,375); 25/40 (0,625). Глибина впровадження кільцевого конусного інструменту h_впров. приймалася 1/3 і 2/3 від початкової висоти заготовки Нз, тобто відношення h_впров./Нз = 0,333; 0,666 (1/3 і 2/3).

Інтервали, у яких варіювалися досліджувані фактори, знаходилися у таких межах:

-внутрішній кут конусності кільцевого конусного інструменту, б_вн. = 2..6^о;

-зовнішній кут конусності, б_зов. = 15..45^о;

-відношення діаметра центрального отвору до діаметра заготовки, d_отв./D_з = 0,375..0,625;

-відношення глибини впровадження кільцевого конусного інструменту до висоти заготовки, h_впров./Нз = 0,333..0,666.

Інтервали, в яких варіювалися досліджувані фактори представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Матриця повного факторного експерименту (ПФЕ)

№	Х1, бвн.,о	Х2, бзов.,о	Х3, dотв./Dз	Х4, hвпров./Нз
Верхній рівень	6	45	0,625	0,666
Нижній рівень	2	15	0,375	0,333
Нульовий рівень	4	30	0,5	0,499
Інтервал варіювання	2	15	0,125	0,166

Після складання плану повного факторного експерименту в лабораторії кафедри обробки металів тиском ім. акад. Чекмарьова О.П. Національної металургійної академії України (м. Дніпропетровськ) було виконано експериментальне дослідження, що відповідало першій стадії операції осадки за запропонованою технологією. Ця стадія містила в собі впровадження у заготовку кільцевого конусного інструменту. Після проведення експерименту були отримані експериментальні зразки. Типова форма зразків (у поперечному перерізі), отриманих при впровадженні кільцевого конусного інструменту за різними схемами деформації, наведена на рис. 1.

Рис. 1 - Фото отриманих зразків

Рис. 2 - Форма заготовки після впровадження кільцевого конусного інструменту

Вимірювання отриманих розмірів зразків виконувалося у 8-ми перерізах, крім діаметрів, які були визначені за результатами вимірів у 4-х перерізах (рис. 2). Після цього були отримані середні значення кожного з розмірів і середнє значення для досліду з урахуванням дублювання. Для аналізу формозміни заготовки становить інтерес побудова залежності зміни висоти заготовки в процесі деформації від зовнішнього кута конусності впроваджуваного кільця. Ці залежності представлені на рис. 3 і 4. Як параметр, що характеризує зміну висоти заготовки, обираємо відношення Нк до початкової висоти заготовки Нз.

На рис. 3 наведено криві при використанні інструменту з наступними геометричними розмірами: d_отв./D_з = 0,375, б_вн. = 6^о. Крива 1 відповідає глибині впровадження кільцевого конусного інструменту на 1/3 висоти заготовки Нз; крива 2 - при впровадженні кільцевого конусного інструменту на 2/3 висоти заготовки Нз. При аналізі кривої 1 можна відзначити, що при збільшенні зовнішнього кута конусності значення висотного показника Нк/Нз знижується; це, в свою чергу, свідчить про те, що зразок осаджується.

Хотілося б звернути увагу на криву 2. У цьому випадку при одній і тій же геометрії інструменту, але при збільшенні глибини впровадження кільцевого конусного інструменту, спостерігається більше значення зменшення висоти заготовки. Це свідчить про те, що при впровадженні кільцевого конусного інструменту схема деформації максимально наближається до операції осадки.

Рис. 3 - Графіки залежності висотного показника Нк/Нз від зовнішнього кута конусності кільцевого конусного інструменту б_зов. (d_отв./D_з = 0,375, б_вн. = 6^о)

На рис.4 наведена залежність, аналогічна рис. 3, але в цьому випадку використовувався інструмент при d_отв./D_з = 0,625, б_вн. = 6^о. При аналізі даних графіків можна відзначити, що зміна висоти заготовки при впровадженні кільцевого конусного інструменту практично ідентична зміні висоти заготовки у випадку, коли використовувався інструмент із d_отв./D_з = 0,375

(рис. 3). Однак при збільшенні відношення d_отв./D_з з 0,375 до 0,625 спостерігається більш значне зменшення висоти заготовки після впровадження кільцевого конусного інструменту. Так, при порівнянні рис. 3 і рис. 4 має місце відмінність кожного зі значень. Це свідчить про те, що більший об'єм металу потрапляє в порожнину центрального отвору кільцевого конусного інструменту, і це призводить до більш значного зменшення висоти заготовки.

Рис. 4 - Графіки залежності висотного показника Нк/Нз від зовнішнього кута конусності кільцевого конусного інструменту б_зов. (d_отв./D_з = 0,625, б_вн. = 6°)

Для аналізу формозміни заготовки становить інтерес побудова залежності зміни висоти уступу, що одержується в процесі деформації, від внутрішнього кута конусності впроваджуваного кільцевого конусного інструменту.

Після проведення ПФЕ та обмірювання отриманих зразків та аналізу графіків залежності впливу зовнішніх і внутрішніх кутів конусності технологічного кільцевого конусного інструменту були отримані рівняння регресії в алгебраїчному та графічному вигляді. При проведенні експерименту однією з функцій відгуку був обраний параметр: h_уст. - висота уступу.

У=11,713 - 0,542х₁ - 1,255х₂ + 1,3766х₃ - 3,144х₄ + 0,0923х₁₃ + 0,1994х₁₄ + 0,1411х₂₃ + 0,1657х₂₄ - 0,791х₃₄ + 0,1184х₂₃₄, (1)

де У - рівняння регресії, що описує вплив факторів (х_і) на висоту уступу (h_уст.), що одержується після впровадження кільцевого конусного інструменту.

При аналізі рівняння (1) можна відзначити, що на висоту одержуваного уступу, що одержується найбільший вплив має глибина впровадження кільцевого конусного інструменту. При цьому глибина впровадження зменшує значення висоти одержуваного уступу, тобто при збільшенні глибини впровадження уступ більш інтенсивно осаджується, що приводить до зменшення його висоти. Так само приводить до зменшення висоти уступу, що одержується, збільшення внутрішнього кута конусності кільцевого конусного інструменту.

Хотілося б відзначити, що спільний вплив зовнішнього кута конусності і діаметра центрального отвору кільцевого конусного інструменту (це фактор з індексом х₃₄) зменшує значення висоти уступу, але в меншому ступені ніж зовнішній кут конусності кільцевого конусного інструменту. Інші фактори незначно або взагалі не впливають на висоту одержуваного уступу при впровадженні кільцевого конусного інструменту. Це видно з рівняння регресії (1).

Теоретичні дослідження процесу гарячої пластичної деформації заготовки при впровадженні кільцевого конусного інструменту З наступною осадкою в підкладному кільці

Для подальшого теоретичного дослідження формозміни металу було обрано програму комп'ютерного моделювання «Forge3» фірми «Transvalor» (Франція).

Опис моделі процесу формозміни при моделюванні поставленої задачі: використовується закон тертя Амонтона; приймається теорія пластичного плину нестисливих середовищ Сен-Венана - Леві - Мізеса; задача вважається тривимірною. У програмі використовуються скінчені елементи у вигляді тетраедрів з лінійною апроксимацією середнього напруження і частково-лінійною апроксимацією швидкості (по кутових вузлах елемента та вузла в центрі ваги елемента).

Як вихідні дані були обрані такі показники: температура нагрівання заготовки: Т=1200^оС; температура інструменту: Т=50^оС; розміри заготовки: D_з=400мм, Н_з=400мм; швидкість опускання інструменту: V=60 мм/с; марка сталі заготовки: Ст45. кільцевий конусний інструмент металоємкість

На рис. 5 представлено результати математичного моделювання першої стадії деформації зразка кільцевим конусним інструментом зі вказаною геометричною формою (б_вн. = 6^о; б_зов. = 45^о; d_отв./D_з = 0,625; h_впров./Нз_. = 0,666), яке дає можливість оцінити температурні та деформаційні схеми розподілу в поперечному перерізі зразка.

а - розподіл температури; б - розподіл деформації; в - розподіл напружень

Рис. 5 - Результати математичного моделювання після впровадження кільцевого конусного інструменту:

При аналізі рис. 6 можна сказати, що візуально спостерігається дуже велика подібність поперечного перерізу зразків, отриманих у результаті математичного моделювання, з поперечним перерізом експериментально отриманих зразків. Це, в свою чергу, підтверджує правильність вибору граничних умов при моделюванні і так само підтверджує адекватність використовуваного програмного забезпечення.

a - вид зразка, отриманого математичним моделюванням; б - експериментально отриманий зразок

Рис. 6 - Порівняння геометрії отриманих зразків після 1-ої стадії

При моделюванні другої стадії (представлене на рис. 8) граничні умови вводилися тільки для інструменту, це: температура інструменту, коефіцієнт тертя та умови теплообміну заготовки та інструменту.

Що стосується заготовки, то всі її характеристики були перенесені після першої стадії за допомогою функції імпорту сітки. При використанні цієї функції заготовка переноситься з усіма змінами в результаті першого моделювання; це - перенесення сітки, значення температури, деформації, напружень і т.д.

На рис. 7 представлені результати математичного моделювання другої стадії технології, що полягає в осадці отриманої заготовки в підкладному кільці. Отримані дані дають так само можливість оцінити розподіл температури і деформації в поперечному перерізі зразка.

а - розподіл температури; б - розподіл деформації; в - розподіл напружень

Рис. 7 - Результати математичного моделювання осадки у підкладному кільці

а - вид зразка, отриманого математичним моделюванням; б - експериментально отриманий зразок

Рис. 8 - Порівняння геометрії отриманих зразків після 2-ої стадії

При зіставленні результатів математичного моделювання та експериментальних досліджень видно, що вони практично ідентичні (рис. 8). Це дозволяє стверджувати, що результати досліджень відповідають дійсності, а також підтверджує правильність вибору граничних умов при математичному моделюванні.

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ ДИСКІВ З УСТУПАМИ І ВИКОРИСТАННЯ КІЛЬЦЕВОГО КОНУСНОГО ІНСТРУМЕНТУ ПРИ ВИРОБНИЦТВІ ЗАГОТОВОК ЗАЛІЗНИЧНИХ КОЛІС

При використанні кільцевого конусного інструменту можливо одержувати поковки, у яких відношення висоти уступу до висоти одержуваної поковки h_уст/H_к перебуває в інтервалі 0,17-0,6, а відношення верхнього до нижнього діаметра полотна диска D_осн.в./D_осн.н перебуває в інтервалі 1,0-1,27. Основний вплив на значення верхнього діаметра полотна диска має зовнішній кут конусності кільцевого конусного інструменту. При цьому зовнішній кут конусності кільцевого конусного інструменту забезпечує формування об'єму металу для наступного одержання полотна диска, і чим більше зовнішній кут конусності, тим більшим є значення верхнього діаметра полотна диска.

Також важливу роль відіграє глибина впровадження кільцевого конусного інструменту на кінцеву форму отриманої поковки. Глибина впровадження кільцевого конусного інструменту перебуває в інтервалі 1/3 - 2/3 висоти заготовки, отже ступінь деформації лежить в інтервалі е = 33,3 - 66,6%.

Переходи нового способу виробництва дисків з уступом при використанні технологічного кільцевого конусного інструменту представлено на рис. 9.



Рис. 9 - Переходи нового способу виробництва дисків з уступом при використанні технологічного кільцевого конусного інструменту

На основі отриманих експериментальних та теоретичних досліджень були розроблені технологічні рекомендації для виготовлення таких деталей, як «диск з уступом» і «диск-шестерня конічна». На рис. 10 зображено креслення деталі «диск-шестерня конічна».

Рис. 10 - Креслення готової деталі «диск-шестерня конічна»

Креслення поковки «диск-шестерня конічна», отриманої при новому способі кування, представлено на рис. 11.

Як видно з рис. 11, при використанні нового способу кування дисків з уступами з використанням технологічного кільцевого конусного інструменту, можливо одержати форму поковки, максимально наближену до форми деталі. Це досягається за рахунок зовнішнього і внутрішнього кутів конусності кільцевого конусного інструменту.



Рис. 11 - Креслення одержуваної поковки при використанні нового способу кування

Так, на рис. 12 наведені види поковок, що одержані за існуючими технологіями виробництва даного типу виробів (штриховими лініями показано ковальський напуск, який видаляється механічною обробкою).

Осадка Протяжка Осадка в підкладному кільці

Рис. 12 - Креслення поковок, що одержані існуючими способами кування

Однак новим способом кування з використанням технологічного кільцевого конусного інструменту, можливо одержати поковку без призначення ковальського напуску, що дозволить зменшити витрати металу і підвищити конкурентоспроможність продукції, що одержується.

На підставі цього було розраховано витрати металу за існуючою і розробленою технологіями. Результати розрахунків показали, що при розробленому способі кування деталі «диск-шестерня конічна» витрати металу знизилися приблизно в 3...7 разів залежно від виду операцій.

Використання кільцевого конусного інструменту не обмежується тільки технологічними процесами виготовлення деталей «диск з уступом» та «диск-шестерня конічна», але також знаходить своє застосування при виготовленні повнопрофільної заготовки залізничних коліс.

Основною проблемою, з якою стикаються при виробництві заготовок залізничних коліс, є невиконання обода колеса через неповне заповнення верхньої частини штампа (рис. 13,б). Це, в у свою чергу, при подальшому розкочуванні може приводити до появи затиску в нижній частині ободу колеса.

Рис. 13 - Формозміна при штампуванні повнопрофільної заготовки залізничних коліс

На рис.13,а представлено фото вирізаної частини залізничного колеса нижньої частини ободу з явно вираженим затиском (за даними ВАТ «ІНТЕРПАЙП - НТЗ»). Дані види дефектів багато в чому пов'язані з нераціональним заповненням штампа, а саме з неефективним перерозподілом металу при одержанні вихідної заготовки перед штампуванням. У зв'язку з цим було запропоновано використовувати новий інструмент. При розробці цього інструменту було використано знання плину металу при одержанні поковок типу дисків з уступами. Знання плину металу при впровадженні кільцевого конусного інструменту дозволило використовувати його елемент у верхній частині штампа при виробництві заготовки залізничних коліс. Основна особливість даного інструменту - це кути внутрішньої та зовнішньої конусності, які дають можливість сформувати після його впровадження об'єм металу для наступного формування виробу.

На рис. 14 представлений переріз кільцевого конусного інструменту складної форми для попереднього формування заготовки перед штампуванням залізничного колеса. Також на цьому рисунку представлено креслення кільцевого конусного інструменту узяте із розробленого автором патента України (рис. 14,б).

а - перетин спроектованого штампу; б - креслення кільцевому конусному інструменту узяте із розробленого автором патенту України; в - збільшений елемент інструмента, що відповідає кільцевому конусному інструменту

Рис. 14 - Переріз кільцевого конусного інструменту складної форми:

Моделювання формозміни заготовки при використанні нового штампа (рис. 14,а) було виконано на програмному забезпеченні «Forge3». Використання цього забезпечення здійснювалося в рамках спільної Польсько-Української науково-технічної програми, підписаної між Національною металургійною академією України (м. Дніпропетровськ, Україна) і Politechnika Czestochowska (м. Ченстохова, Польща).

Моделювання виконувалося за даними, які були надані інститутом розвитку заводу ВАТ «ІНТЕРПАЙП - НТЗ». Для розрахунків використовувалися такі параметри:

а) розміри заготовки, що застосовується на ВАТ «ІНТЕРПАЙП - НТЗ» - діаметр: D=323мм, висота: Н=482мм; б) температура нагрівання заготовки: Т=1250^оС; в) температура інструменту: Т=350^оС; г) сила преса: Р=50МН; д) швидкість опускання інструменту: V=60 мм/с; е) коефіцієнт тертя 0,2; ж) матеріал заготовки: Ст55.

За існуючою технологією весь технологічний процес виробництва залізничних коліс на ВАТ «ІНТЕРПАЙП - НТЗ» виконується на 3-х пресах. Використання розробленого інструменту (рис. 14,а) дозволило виключити попередню осадку на пресі силою 20МН, і деформація заготовки починається відразу на пресі силою 50МН. Після впровадження цього інструменту в центральній частині заготовки формується частина маточини. При цьому раціональний плин металу дозволяє полегшити одержання обода залізничного колеса. Моделювання проміжної і кінцевої стадії першого етапу впровадження кільцевого конусного інструменту складної форми представлено на рис. 15.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 15 - Результат моделювання першого етапу із застосуванням кільцевому конусному інструменту

Після першого етапу на пресі силою 50МН отриману заготовку при переході на прес силою 100МН для остаточного штампування в чистовому штампі, кантують на 180^о і укладають на нижній штамп. При цьому центрування відбувається за рахунок частково сформованої маточини після першого етапу. Далі виконують остаточне штампування залізничного колеса в чистовому штампі.

ВИСНОВКИ

У дисертації отримане нове рішення науково-технічної задачі, що полягає у вивченні закономірностей формозміни металу в залежності від форми і геометрії кільцевого конусного інструменту та розробці на основі отриманих даних удосконаленої технології виготовлення продукції ковальсько-штампувального виробництва, що забезпечує зменшення показників металоємкості.

1. Аналіз існуючих технологічних процесів кування дисків з уступами показав, що при їх виготовленні, коли діаметр диска та висота уступу значно перевищують висоту полотна диска, є підвищена витрата металу за рахунок призначення ковальського напуску. Аналіз літературних джерел показав, що робота, спрямована на дослідження формозміни металу при куванні дисків з уступами та удосконалювання існуючої технології шляхом наближення форми поковки до форми деталі, є актуальною.

2. За результатам проведених експериментальних та теоретичних досліджень вперше визначено характер вільної течії металу на зовнішній бічній поверхні поковки диска з уступом при використанні кільцевого конусного інструменту, що дозволяє враховувати формозміну металу при використані такого інструменту та отримувати поковки диска з уступом з циліндричною та конічною бічною поверхнею для виробництва деталей типу «диск з уступом» і «диск-шестірня конічна».

3. Дані теоретичного дослідження формозміни металу при використанні кільцевого конусного інструменту дозволили вперше для кування дисків з уступами теоретично визначити залежності з розрахунку напружено-деформованого та теплового стану металу в функції від геометрії поперечного перерізу заготовки та інструменту. Знання цих залежностей дозволило виготовляти поковки дисків з уступами, які мають співвідношення діаметра диска до діаметра уступу в інтервалі 2,7…5,0 та висоти уступу до висоти диску в інтервалі 1,0…1,55, які раніше виготовляли з призначенням ковальського напуску, за рахунок наближення форми поковки до форми кінцевого виробу.

4. На основі експериментальних досліджень вперше отримано залежності параметрів формозміни дископодібних заготовок від форми кільцевого конусного інструменту. Отримані експериментальні залежності дозволяють перевірити адекватність теоретичних розрахунків, а також наблизити форму поковки до форми кінцевого виробу при виробництві поковок дисків з уступом при зменшенні витратного коефіцієнта металу та розробити технологічні рекомендації для цього процесу з використання кільцевого конусного інструменту з зовнішнім кутом конусності 15^о та 45^о, внутрішнім кутом конусності 2^о і 6^о та співвідношенням діаметра центрального отвору кільцевого конусного інструменту до діаметра заготовки 0,375 - 0,625.

5. Проведені теоретичні дослідження закономірностей течії металу при деформуванні заготовок залізничних коліс перед остаточним штампуванням з використанням кільцевого конусного інструменту складної форми. Вони враховують комплексний вплив ділянок кільцевого конусного інструменту зі складною формою на течію металу, що запобігає появі характерного дефекту «затиск» при наступному штампуванні заготовок залізничних коліс та підвищити їх якість, а також дозволяє зменшити циклічність технологічного процесу.

6. Розроблені та запропоновані до впровадження рекомендації з використання кільцевого конусного інструменту складної форми при виготовленні заготовок залізничних коліс, які були використані в умовах колісопрокатного цеху ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ» при виробництві найбільш розповсюдженої повнопрофільної заготовки залізничних коліс діаметром

957 мм (акт від 22.05.2010 р.).

7. Результати роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском Національної металургійної академії України (довідка від 11.05.2010 р.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНО У РОБОТАХ

1. Ашкелянец А.В. Экспериментальное исследование формоизменения металла при внедрении «врезного кольца» / А.В. Ашкелянец // Обработка материалов давлением: сб. научн. тр. - 2009. - №2(21). - С. 206-210.

2. Данченко В.Н. Оптимизация технологической схемы двухпроходной горячей штамповки железнодорожных колес / В.Н. Данченко, А.В. Шрамко, А.В. Ашкелянец, Х. Дыя // Кузнечно-штамповочное производство. ОМД - 2010. - №4. - С. 27-30.

3. Пройдак Ю.С. Анализ течения металла и причин образования поверхностных дефектов при многопереходной штамповке полнопрофильных заготовок железнодорожных колес / Ю.С. Пройдак, Х. Дыя, В.Н. Данченко, А.В. Шрамко, А.В. Ашкелянец // Metallurgy 2010 “New teсhnologies and achievements”. - Czestochowa, 2010. - Nr. 5. - P. 8-21.

4. Ашкелянец А.В. Анализ экспериментального исследования влияния внутреннего угла конусности на высоту уступа при внедрении «врезного кольца» / А.В. Ашкелянец, В.Л. Чухлеб // Обработка материалов давлением: сб. научн. тр. -2010. - №2(23). - С. 99-102.

5. Патент 90962 Україна, МПК (2009) В21К 1/28. Спосіб кування дисків з уступами / В.Л. Чухліб, А.В. Ашкелянець. - №а200814963; Заяв. 25.12.08. Опубл. 10.06.2010. Бюл. №11. - 4 с.

АНОТАЦІЯ

Ашкелянець А.В. Розробка основ ресурсозберігаючих технологічних режимів кування дисків з уступами при використанні кільцевого конусного інструменту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2010.

Дисертація присвячена визначенню основних закономірностей формозміни металу при використані кільцевого конусного інструменту, а також визначенню деформаційних умов максимального наближення форми і розмірів поковки до готового виробу та створенню нової технології одержання поковок деталей типу «диск з уступом» і «диск-шестірня конічна».

Було виконано аналіз і порівняння одержаних результатів експериментальних досліджень при використанні кільцевого конусного інструменту з подальшою осадкою у підкладному кільці і даних, одержаних шляхом математичного моделювання з використанням програмного забезпечення «Forge3».

За результатами експериментальних і теоретичних досліджень були розроблені технологічні рекомендації із застосування нового способу кування з використанням кільцевого конусного інструменту для одержання куванням поковок деталей типу «диск з уступом» і «диск-шестірня конічна», у яких діаметр диска та висота уступу значно перевищують висоту полотна диска.

Кільцевий конусний інструмент складної форми використаний як спроектований напівштамп при виробництві повнопрофільної заготовки залізничних коліс для попереднього перерозподілу об'єму металу перед остаточним штампуванням з метою оптимізації технологічного процесу.

Ключові слова: Кування, заготовка, осадка, інструмент, диск, уступ, поковка, кільце

АННОТАЦИЯ

Ашкелянец А.В. Разработка основ ресурсосберегающих технологических режимов ковки дисков с уступами при использовании кольцевого конусного инструмента. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Национальная металлургическая академия Украины. Днепропетровск, 2010.

Диссертация посвящена определению основных закономерностей формоизменения металла при использовании кольцевого конусного инструмента, а также в определении деформационных условий максимального приближения формы и размеров поковки к готовому изделию и созданию новой технологии получения поковок деталей типа «диск с уступом» и «диск-шестерня коническая»

Теоретическое исследование заключалось в математическом моделировании формоизменения металла при изготовлении поковок дисков с уступом при использовании кольцевого конусного инструмента. Был выполнен анализ и сравнение полученных результатов экспериментальных исследований при использовании кольцевого конусного инструмента с дальнейшей осадкой в подкладном кольце, с данными, полученными путем математического моделирования с использованием программного обеспечения «Forge3».

По результатам экспериментальных и теоретических исследований были разработаны технологические рекомендации по применению нового способа ковки с использованием кольцевого конусного инструмента для получения ковкой поковок деталей типа «диск с уступом» и «диск-шестерня коническая», у которых диаметр диска и высота уступа значительно превышают высоту полотна диска. Это позволило разработать ресурсосберегающие технологии изготовления дисков с уступами с применением кольцевого конусного инструмента путем снижения металлозатрат за счет максимального приближения формы поковки к конечным размерам детали.

Кольцевой конусный инструмент сложной формы использовался в качестве спроектированного полуштампа при производстве полнопрофильных заготовок железнодорожных колес для предварительного перераспределения объема металла перед окончательной штамповкой с целью оптимизации технологического процесса.

Ключевые слова: Ковка, заготовка, осадка, инструмент, диск, уступ, поковка, кольцо

ABSTRACT

Ashkeljanets A.V. Development of bases of resource-saving technological regimes of disks forging with ledges by using the ring conic tool. -Manuscript.

Thesis for the candidate degree in engineering sciences in the specialty 05.03.05 - Processes and machines of metal forming. - National metallurgic academy of Ukraine. - Dnepropetrovsk, 2010

The dissertation is devoted to definition of the basic laws of metalforming by using the ring conic tool and also to definition of deformation conditions for maximum approach of form and sizes of the forged piece to the finished product and creation of new technology of production of forged piece type details «a disk with ledge»

The analysis and comparison of the received results of experimental researches by using the ring conic tool with subsequent upset in the bottom spacing ring and the data received by mathematical modeling by the software «Forge3» have been made.

By results of experimental and theoretical researches of forging with using the ring conic tool technological recommendations about application of a new way for reception forged pieces for details named «disks with ledges» and «a disk-gear conic» at which diameter of a disk and ledge height considerably exceed height of a cloth of a disk have been developed.

The ring conic tool of the difficult form it was used as the designed semistamp for forged pieces production for railway wheels for preliminary redistribution of metal volume before final stamping with the purpose of optimization of the technological process.

Key words: forging, billet, upset, tool, disk, ledge, forged piece, ring

Размещено на Allbest.ru

...