_{Размещено на http://www.allbest.ru/}

_{ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин» и ЗАО «Прочность»}

_{На правах рукописи}

Автореферат

_{диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук}

Разработка методов обеспечения долговечности силовых деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента

Специальность 05.03.05 - Технологии и машины обработки давлением

_{Корнилова Анна Владимировна}

_{Москва - 2009}

_{Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин» и ЗАО «Прочность»}

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Власов А.В.

_{Доктор технических наук Щеглов Б.А.}

_{Доктор технических наук Кривонос Г.А.}

_{Ведущее предприятие: ООО «ОМЗ - Спецсталь» (г. Санкт-Петербург)}

_{Защита состоится 2009 г. на заседании диссертационного Совета Д 212.142.01 при Государственном общеобразовательном учреждении Московский государственный технологический университет «Станкин»}

_{Адрес: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский переулок, д. 3А}

_{С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «Стнакин»}

_{Автореферат разослан 2009 г.}

_{Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Волосова М.А.}

_{Общая характеристика работы}

_{Актуальность темы. Пункт 5 «Основ политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и на дальнейшую перспективу» делает упор на освоение ресурсосберегающих технологий и улучшение потребительских свойств изделий, то есть касается непосредственно процессов обработки металлов давлением. Технологические процессы обработки металлов давлением, обеспечивающие снижение расхода металла и повышение прочностных свойств изготавливаемых изделий широко применяются в современном машиностроении. Срок морального износа кузнечно-прессового оборудования достаточно длителен. Следовательно, необходимо гарантировать надежное функционирование таких машин весь период их эксплуатации. В настоящее время на большинстве российских предприятий используется оборудование, выработавшее часть (а иногда и весь) проектный ресурс. Внедрение новых прогрессивных технологий на таком оборудовании требует точного прогнозирования остаточного ресурса с учетом всех имеющихся дефектов (технологических и появившихся в процессе эксплуатации). Силовые детали кузнечно-прессового оборудования и штамповый инструмент подвергаются высоким циклическим нагрузкам, а специфика этого вида оборудования такова, что не выявленный дефект при интенсификации процесса нагружения машины, может привести к аварийной ситуации (вплоть до смертельных случаев).}

_{Для вновь проектируемых прессов повышение точности штамповки достигается увеличением жесткости машины, которая в свою очередь обеспечивается повышением материалоемкости и завышенными запасами прочности, что нерационально. Альтернативой этому методу может являться рациональное распределение металла по сечению машины, что позволит без увеличения металлоемкости достигать поставленной цели.}

_{В результате анализа современного состояния конструкций и практики эксплуатации силовых деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента выявлено следующее:}

_{- в настоящее время не существует методики определения долговечности силовых деталей кузнечно-прессовых машин, которая позволила бы рекомендовать действенные меры по ее повышению. Практически нигде не рассматривается вопрос допустимого дефекта и определения остаточного ресурса;}

_{- отсутствие методики оценки долговечности инструмента ограничивает возможности создания рациональных конструкций и режимов эксплуатации, обеспечивающих надежное выполнение заданной программы.}

_{В настоящее время бурно развиваются численные методы определения напряжений и деформаций, методы механики разрушений, специальные разделы математики (риск-анализ, методы принятия решений в условиях неопределенности и многокритериальности и т.д.). Возникла и успешно развивается трибофатика - наука о сочетании и взаимном влиянии процессов поверхностного повреждения и объемного разрушения, характерного для штампового инструмента. Однако, новые перспективные подходы не находят практического применения при расчетах прочности, долговечности и допустимой дефектности деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента. Соответственно не подвергаются пересмотру и коэффициенты запаса. Следовательно, разработка методов обеспечения долговечности силовых деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента на базе современных подходов к этой проблеме является актуальной задачей.}

_{Цель работы. Целью работы является обеспечение требуемой долговечности силовых деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента путем создания научно-обоснованных технических решений по проектированию и эксплуатации, основанных на применении современных численных и экспериментальных методов определения напряжений и деформаций, постулатах механики разрушения и трибофатики, риск-анализе и современных методах оптимизации.}

Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи:

– разработать рекомендации по повышению долговечности и снижению износа инструмента для холодной листовой штамповки, путем математического моделирования комплекса разрушающих процессов, происходящих в его рабочих деталях и подтвердить эффективность предложенных рекомендаций натурным экспериментом;

– разработать комплекс экспериментов, определяющих возможность рационального применения материалов для рабочих деталей разделительного инструмента, на примере экспериментальных исследований стандартных и специальных механических характеристик штамповой стали Х12МФ (ГОСТ 5950-2000), рекомендуемой как перспективная, но для которой эти характеристики не определены,

– предложить критерии выбора рациональных параметров сечений станин открытого типа, в том числе кривошипных прессов, учитывающие противоречивость требований повышения долговечности и снижения металлоемкости при сохранении (повышении) заданного уровня жесткости с целью минимизации износа и усталостной деградации инструмента и подтвердить адекватность математического моделирования натурным экспериментом;

– разработать методику определения долговечности силовых деталей с технологическими и эксплуатационными дефектами и их остаточного ресурса, путем создания базы математических моделей дефектов, и предложить рекомендации по сочетанию видов неразрушающего контроля с целью повышения надежности выявления дефектности;

– _{разработать базисные компоненты системы автоматизированного проектирования станин открытого типа, где на стадии проектирования детали в автоматизированном режиме будет составляться карта допустимых технологических дефектов, что позволит существенно сократить время не только на проектирование самой детали, но и на формирование параметров отбраковки;}

– разработать математическую модель разрушения штоков штамповочных молотов на базе линейной механики разрушения и предложить рекомендации по повышению их долговечности.

Научная новизна состоит:

· в определении, классификации и учете взаимовлияния разрушающих процессов в рабочих деталях инструмента для разделительных операций холодной листовой штамповки на различных этапах эксплуатации инструмента;

· в разработанном комплексе экспериментов, определяющих возможность рационального применения материалов и термо- и поверхностных обработок для рабочих деталей разделительного инструмента;

· в предложенных критериях выбора рациональных параметров сечений станин открытого типа, позволяющих повышать долговечность используемого инструмента и качество получаемых изделий за счет снижения изгибных деформаций стоек станин;

· в натурном экспериментальном исследовании напряженно-деформированного состояния станин открытого типа и разделительного инструмента, подтвердивших эффективность предлагаемых рекомендаций по повышению долговечности;

· в базисных компонентах системы автоматизированного проектирования станин открытого типа, где впервые в автоматизированном режиме строится карта допустимых дефектов, позволяющая проводить обоснованную отбраковку силовых деталей на стадии изготовления;

· в предложенном системном подходе к созданию базы математических моделей дефектов литых деталей кузнечно-прессового оборудования, где каждому дефекту (группе дефектов), регламентируемому ГОСТ 19200 - 80 «Отливки из чугуна и стали. Термины и определения» соответствует своя математическая модель, позволяющая повышать надежность прогнозирования долговечности детали;

· в критериях выбора сочетания «материал-диаметр» штока, позволяющих существенно удлинять стадию живучести штока, разработанных на базе моделирования разрушения штоков молотов с помощью линейной механики разрушения.

Практическая ценность состоит:

· в экспериментальном комплексном исследовании стандартных и специальных механических характеристик стали Х12МФ, рекомендуемой ГОСТ 5950-2000 для изготовления рабочих деталей разделительного инструмента;

· в новых конструкциях станин прессов открытого типа, обеспечивающих максимально достижимую долговечность инструмента при минимально возможной металлоемкости станины за счет уменьшения изгибных деформаций стоек станины;

· в методике определения долговечности вновь проектируемых силовых деталей, деталей с дефектами и остаточного ресурса существующих конструкций, учитывающей реальные условия их эксплуатации;

· в рекомендациях по комбинированию видов неразрушающего контроля, позволяющие существенно повышать вероятность обнаружения дефектности при минимизации рисков предприятия;

· в способах повышения долговечности инструмента, установленного на существующие прессы, заключающихся в рациональном расположении инструмента в штамповой зоне, выборе истории нагружения, минимизирующей усталостную деградацию материала его рабочих частей, торможение усталостного дефекта путем однократной перегрузки;

· в технологии изготовления штоков молотов повышенной долговечности, включающей в себя обязательный анализ исходной заготовки и режимы ее предварительной термической обработки, требуемые режимы закалки, режимы шлифования и упрочнения, а так же расчет ожидаемой долговечности с учетом величины неизбежного остаточного прогиба после термообработки.

Реализация результатов работы:

_{Для молотов с МПЧ 800 кг ОАО «Труд» (Нижегородская область, п. Вача) спроектировано и изготовлено 30 штоков. Штоки были спроектированы с учетом рекомендаций данной работы, термо- и поверхностно обработаны по предлагаемой технологии. Срок их службы увеличился в 10-30 раз по сравнению с используемыми ранее.}

Для проектируемой в ЗАО «Прочность» станины уникального многопозиционного пресса-автомата, предназначенного для брикетирования мелкодисперсных отходов доломита, по предлагаемой методике была определена карта допустимых дефектов.

_{Для главного цилиндра пресса силой 31,5 МН («Сентравис Продакшн Юкрейн», Украина, Днепропетровская обл., г. Никополь) после проведения капитального ремонта был определен остаточный ресурс с рекомендациями по срокам обследований.}

_{Для станин реверсивного прокатного стана 5000 ОАО «Северсталь» построены карты допустимых дефектов при приложении нагрузки 9000 тонн и определен запас прочности по пороговому значению коэффициента интенсивности напряжений. Полученные результаты позволили внедрить на стане новые прогрессивные технологии без изменения конструкции станин.}

Для станин реверсивного прокатного стана 2800 ОАО «Северсталь» проведен расчет долговечности при выборе радиуса закругления в концентраторе и предложены малозатратные меры по увеличению долговечности, таким образом, чтобы на существующем стане стало возможно внедрить новые технологии, требующие увеличения технологической нагрузки в 1,5 раза выше номинальной без реконструкции станин.

Для станин непрерывного прокатного стана 2000 ОАО «Северсталь» составлены карты допускаемой эксплуатационной дефектности и обнаруженных дефектов. Полученные результаты показали, что на этом стане недопустимо проводить ранее планируемую прокатку сталей категории прочности Х70-Х100.

Для учебного процесса разработан курс «Методы обеспечения надежности технологических комплексов для обработки металлов давлением», читаемый автором с 2004 года в ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» для студентов, обучающихся по специальности 05.03.05 - «Технологии и машины обработки давлением». Курс обеспечен учебным пособием, рекомендованным Учебно-методическим объединением по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и специальностям: «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», «Машины и технология обработки металлов давлением» и методическим пособием для выполнения лабораторных работ.

Методические указания по расчетно-экспериментальному определению долговечности и остаточного ресурса внедрены в практику экспертных организаций Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждена результатами натурных экспериментальных исследований и практикой эксплуатации.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в учебном и методическом пособиях, 41 статье и 4 патентах.

_{Апробация диссертации. В ходе выполнения диссертационной работы результаты исследования докладывались на Международной научно-технической конференции «Новые методы и средства исследования процессов и машин обработки давлением» (Краматорск, 2005); Colloguium “Mechanical fatigue of metals” (Тернополь, 2006); XV Симпозиуме РАН “Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем (Звенигород, 2006); Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы, новые материалы и оборудование обработки материалов давлением» (Рыбинск, 2006); Международной научно-технической конференции «Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением» (Краматорск, 2006); конференции «Неделя металлов в Москве» (2006); Международной конференции по теории механизмов и машин (Краснодар, 2006); конференции «Основные направления повышения качества экспертизы промышленной безопасности металлургических объектов» (Москва, 2006); Международной научно-технической конференции «Физико-механические проблемы формирования структуры и свойств материалов методами обработки давлением» (Краматорск, 2007), на научном семинаре кафедры «Прикладная механика» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008), а также на регулярно проводящихся семинарах НО «Ассоциация металлургических экспертных центров» и ЗАО «ПРОЧНОСТЬ».}

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов. Диссертация содержит 350 страниц, включая 159 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 221 наименования и приложений.

_{Основное содержание работы}

_{Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертации, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.}

_{В главе 1 «Обзор гипотез накопления повреждаемости в условиях многоцикловой усталости» систематизированы все известные гипотезы накопления повреждаемости. Нормативные и руководящие документы по определению прочностных характеристик деталей кузнечно-прессового оборудования указывают на то, что оценку долговечности таких деталей следует производить по одной (линейной) гипотезе накопления усталостных повреждений или же она не проводится вообще. В настоящее время развиты и нашли практическое применение и другие гипотезы, учитывающие различные аспекты этой проблемы. Все существующие гипотезы накопления усталостных повреждений можно разбить на несколько групп в зависимости от того фактора, который автор гипотезы счел наиболее значимым. Наиболее известная группа - гипотезы линейного накопления повреждений. Первая гипотеза этой группы была предложена Пальмгреном в 1924 г. и усовершенствована Майнером. Позднее с накоплением статистических и экспериментальных данных в нее были внесены уточнения (Когаевым В.П.), и до сих пор она остается наиболее применяемой для определения числа циклов до разрушения деталей, подвергающихся спектру нагружения. Особый интерес из гипотез этой группы представляет билинейное правило накопления повреждений Мэнсона. Оно основано на предположении Гровера о том, что весь процесс усталости можно разделить на 2 фазы - зарождение трещины и ее рост, и хорошо согласуется с постулатами механики разрушения. Другая группа гипотез - гипотезы, основанные на предположении о превалирующем влиянии на повреждаемость снижения предела выносливости материала. Это гипотезы - Генри, Гатса, Броуна - Уорка, Серенсена С.В., Шашина М.Я, Почтенного Е.К. и др. Гипотезы Кортена - Долана, Марко - Старки и Марина основаны на предположении о том, что на повреждаемость наибольшее влияние оказывает вид кривых повреждаемости (зависимостей повреждаемости от относительного числа циклов). Особые места занимают гипотеза Сосновского Л.А., базирующаяся на предположении о том, что законы накопления усталостной повреждаемости различны для циклически упрочняющихся, разупрочняющихся и циклически стабильных материалов, и гипотеза спектрального суммирования Райхера В.Л.}

_{Показано, что методика оценки усталостной долговечности по различным гипотезам, применяемая на стадии проектирования, позволит снизить риск ошибки в определении реальной долговечности штампового инструмента и оборудования. Для производственных условий - это задача весьма актуальна, т.к. определяет количество штампов-дублеров, необходимых для выполнения заданной программы.}

В главе 2 «Долговечность разделительного инструмента для холодной листовой штамповки» приведена систематизация предельных состояний инструмента для холодной листовой штамповки (рис. 1).

Рис. 1. Виды предельных состояний и их сочетаний для разделительного инструмента холодной листовой штамповки

Анализ литературных данных показал, что единственным предельным состоянием рабочих деталей штампов для холодной листовой штамповки до сих пор считался износ, и повышать их долговечность рекомендуется именно за счет повышения изностойкости. Однако, расчеты и экспериментальные исследования автора выявили, что такой инструмент работает в условиях сочетания двух разрушающих процессов - износа и усталости. Виды отказов матриц показаны на рис.2. штамповка шток молот



а) б) в)

Рис. 2. Виды отказов матриц: а - износ матрицы-пуансона по вырубному контуру (1) и по контуру для пробивки отверстия (2), б - сквозная трещина в матрице, результатом которой явилось полное разрушение, в - угловая трещина, которая привела к частичному разрушению

_{Доказано, что оценка долговечности инструмента должна выполнят}ься на базе комплексных показателей по критериям износоусталостных повреждений. Показано, что на различных этапах эксплуатации штампа (от первой отштампованной детали до его выхода из строя) износ и усталостная деградация материала штампа могут, как ускорять, так и существенно замедлять действие друг друга. При назначении мер повышения долговечности инструмента необходимо учитывать взаимное влияния этих процессов. Часто меры, призванные устранить (уменьшить) отрицательное влияние износа, ускоряют усталостную деградацию, например, хромирование или применение многослойных покрытий. В зависимости от уровня напряжений возможна парадоксальная ситуация, когда с увеличением затрат на поверхностную обработку инструмент выходит из строя за такое же (или меньшее) число циклов нагружения, но по другому предельному состоянию. Показано, что применительно к штампам для холодной листовой штамповки нельзя рекомендовать меры (новые материалы, новые виды термо - и поверхностной обработки и т.п.) по повышению долговечности без проведения прямых износоусталостных испытаний с дальнейшей оценкой результатов по критериям трибофатики. При этом для получения достоверного результата, выборка должна быть репрезентативной.

_{Литературные данные однозначно указывают на превалирующее влияние на долговечность инструмента жесткости применяемого оборудования. Этому вопросу посвятили свой работы Е.Н. Ланской, С.К. Касымкулов, А.П. Качанов, В.П. Кокоулин и др., из зарубежных Г. Оливо.}

_{Однако, ни одна из рекомендуемых в литературе методик, как расчетных, так и экспериментально моделирующих процесс нагружения инструмента, не учитывает этот фактор. Автором был проведен математический эксперимент по определению напряженно-деформированного состояния инструмента с оборудованием. Был выбран открытый кривошипный пресс силой 1 МН (модель КЕ2130А). Для выявления максимальных напряжений в вырубной матрице был применен метод конечных элементов (MSC/N4W). Симметричность конструкции позволила проводить расчет лишь ее половины. На рис. 3 показана модель станины пресса с основными размерами. Материал станины СЧ25 (ГОСТ 1412-85). Базовое сечение этой станины спроектировано по типу двухстоечного, а сечения, расположенные в верхней части станины, выполнены коробчатыми. Были рассмотрены две конечно-элементных модели, включающие в себя станину пресса, кривошипный вал, подштамповую плиту и инструмент с расположением длинной стороны матрицы перпендикулярно и параллельно фронту пресса. Кроме того, была создана конечно-элементная модель вырубной матрицы с жесткой заделкой опорной поверхности (для расчета без учета упругих деформаций станины пресса по стандартной методике). На рис. 4 показана схема приложения сил к матрице (а, б). К разделительной кромке матрицы прикладывали распределенные силы, соответствующие максимальным технологической и поперечной , распределенные силы трения (торцевую и боковую ), а так же распределенную силу от затяжки винтов . К узлам кривошипного вала, расположенным в месте контакта с шатуном, прикладывалась сила, равная максимальной технологической и противонаправленная ей. Так же прикладывалась соответствующая распределенная сила к станине в месте крепления направляющих ползуна.}

а)б)

_{Рис. 3. Модель станины с основными размерами (а) и конечно-элементная модель станины с главным валом (б)}

_{Расчет без учета деформаций оборудования (т.е. модели, где станина принималась абсолютно жесткой) дает заниженные значения напряжений (в данном расчете от 2,3 раз по сравнению с моделью, где длинная сторона матрицы расположена параллельно фронту пресса, до 4,1 по сравнению с моделью, где длинная сторона матрицы, перпендикулярна фронту пресса).}

_{Проведенные расчеты напряженно-деформированного состояния инструмента с учетом упругих свойств оборудования выявили, что на долговечность инструмента при прочих равных условиях оказывает влияние расположение его осей в штамповом пространстве пресса. Для изделий, у которых соотношение длин осей больше чем 1,5, можно снижать напряжения у режущих кромок в несколько раз исключительно с помощью рационального размещения инструмента в штамповом пространстве пресса (предпочтительно длинную ось располагать перпендикулярно фронту пресса). Метод абсолютно беззатратен и не требует никаких изменений в существующих конструкциях оборудования и штамповой оснастки.}



а)б)

_{Рис. 4. Схема сил, действующих на пуансон и матрицу на стадии пластического среза 1- пуансон, 2 - матрица, 3 - заготовка; Ртм, Ртп - торцевые силы (технологические); Рпм, Рпп - продольные силы, Ттм, Ттп - торцевые силы трения, Тбм, Тбп - боковые силы трения (вторые индексы «м» и «п» относятся к матрице и пуансону соответственно) (а), схема приложения сил к конечно-элементной модели матрицы (б)}

Для симметричных изделий предложен способ (и устройство его реализующее) снижения напряжений в инструменте путем смещения центра давления штампа от оси симметрии ползуна. При смещении вглубь станины напряжения в колонках падают, при смещении к фронту пресса - возрастают. На рис. 5 приведены графики напряжений в колонках штампа от оси симметрии ползуна на экспериментальном штампе, установленном на пресс КД 2124.

На базе методики определения напряженно-деформированного состояния инструмента с учетом упругих свойств оборудования автором предлагается многокритериальный (по различным гипотезам) подход к оценке долговечности инструмента для холодной листовой штамповки, который позволяет учесть все аспекты накопления усталостной повреждаемости в рабочих деталях штампа. Такой подход позволяет выявлять оптимальную историю нагружения штампа, позволяющую минимизировать усталостную деградацию. Предложена методика определения необходимого количества штампов-дублеров, которая связывает разброс расчетных значений долговечности с экономическими категориями математическими методами принятия решения в условиях неопределенности и многокритериальности.

_{Разработана расчетная методика определения долговечности инструмента с учетом взаимодействия двух разрушающих процессов - многоцикловой усталости и абразивного износа (наиболее частого сочетания разрушающих процессов в рабочих частях штампов). Показано, что для разделительного инструмента при выполнении технологической операции на наиболее распространенном виде оборудования - открытом кривошипном прессе справедливо:}

(1)

_{где - число циклов нагружения инструмента до разрушения при совместном действии износа и усталости, - предел выносливости инструмента при коэффициенте асимметрии цикла R=0, I - параметры изностойкости материала инструмента, Х - характер изменения рабочей нагрузки во время выполнения технологической операции, - максимальная сила технологической операции, - факторы, определяемые конструктивными особенностями оборудования, - зазор в направляющих ползуна, - факторы, зависящие от конструктивных особенностей и способа крепления инструмента.}



Рис. 5. Графики экспериментально определенных зависимостей напряжений в колонках штампа от смещения центра давления штампа от оси ползуна: 1 - при вырубке из Д16М, 2 - при вырубке из 1Х18Н9Т

_{Число циклов формирования усталостного дефекта:}

(2)

_{где - длина трещины, соответствующая - пороговому значению интенсивности напряжений (м); , - средние скорости формирования усталостного дефекта и уменьшения размера инструмента в направлении формирования дефекта за счет абразивного износа (м/цикл).}

_{Показано, что число циклов торможения формирования дефекта за счет абразивного износа может достигать циклов нагружения. На этапе роста трещины износ ускоряет процесс усталости, поэтому трещины в рабочих частях инструмента для холодной листовой штамповки являются трещинами быстрого долома.}

_{На основе вышеизложенного автором предлагается методика проектирования инструмента ограниченной программой заказа долговечности. В современных условиях, когда большинство предприятий работает на заказ, при небольшой программе заказа не требуется безграничная долговечность инструмента. Моральный и физический износ такого инструмента наступают практически одновременно. Линейный участок кинетической диаграммы усталостного разрушения (участок Пэриса), соответствующий росту трещины, для стали Х12МФ ГОСТ 5950-2000 в рекомендуемом для изготовления инструмента состоянии описывается уравнением (экспериментально определено в главе 3):}

, (3)

_{где - скорость роста усталостной трещины (мм/цикл), - разность коэффициентов интенсивности напряжений за цикл нагружения (МПа).}

_{Приведен пример проектирования инструмента ограниченной программой выпуска изделий долговечности. Показано, что объединение провальных отверстий в нижней плите штампового блока в одно отрицательно влияет на долговечность инструмента. Общую ось вырубных отверстий следует располагать перпендикулярно фронту пресса.}

В главе 3 «Исследование механических характеристик образцов стали Х12МФ» впервые определены механические характеристики стали Х12МФ, определен химический состав материала методом эмиссионного спектрального анализа, проведены ударные испытания и испытания на статическую трещиностойкость, испытания на усталость гладких образцов при отнулевом цикле (в котором работают штампы для холодной листовой штамповки), исследования циклической трещиностойкости, металлографические исследования структуры материала и изломов испытанных образцов.

_{Проведенные ударные испытания и испытания на статическую трещиностойкость продемонстрировало чрезвычайную хрупкость материала. Значения энергии удара, определенной на образцах Шарпи (средняя величина - 2,840 Дж), практически лежат на уровне нижнего шельфа температурных зависимостей энергии удара, принятой в нормах атомного машиностроения, где нижний шельф, определенный по массиву испытаний сталей разных марок при низких температурах (до жидкого азота), принят в настоящее время как 2,5 Дж. Проведенные испытания на растяжение позволили определить среднее значение величины предела прочности, которое составляет 1364 МПа. Коэффициент относительного рассеяния экспериментально полученных значений предела прочности 1,7. Распределение является нормальным. Как видно из полученных диаграмм (типичная приведена на рис. 6) все образцы разрушались хрупко и определить для испытанных образцов предел текучести невозможно. В образцах наблюдались незначительные пластические деформации, но ни на одном из образцов не была достигнута величина пластической деформации 0,2%.}

Рис. 6. Экспериментально определенная диаграмма «напряжение-деформация» для образцов из стали Х12МФ ГОСТ 5950-2000

_{Усталостные испытания проводились на универсальной гидравлической испытательной машине «Шенк-Гидропульс 250 кН» при от нулевом цикле растяжения, частоте нагружения 30 гц, синусоидальной форме цикла и при комнатной температуре. Результаты усталостных испытаний показаны на рис. 7. Предел выносливости образцов составил 650 МПа при пульсирующих циклах нагружения на базе испытаний циклов нагружения.}

_{В результате испытаний на трещиностойкость получены значения величины критического коэффициента интенсивности напряжений - KIC=26,6 МПам. На рис. 8 представлен типичный вид поверхности излома образца. На изломе невозможно отделить зону циклического выращивания трещины от зоны хрупкого долома. Проведенные испытания продемонстрировали чрезвычайно низкую трещиностойкость исследуемых образцов стали Х12МФ. Значение величины критического коэффициента интенсивности напряжений практически находится на нижнем шельфе температурной зависимости критических коэффициентов интенсивности напряжений, принятой в атомном машиностроении. Это согласуется с данными ударных испытаний, где энергия удара, определенная на образцах типа Шарпи, также соответствует нижнему шельфу температурной зависимости. После определения диапазона допустимых нагрузок были проведены исследования циклической трещиностойкости. В процессе испытаний выбирались и поддерживались постоянные значения максимальной и минимальной нагрузок цикла, а рост усталостной трещины происходил при непрерывно возрастающем размахе коэффициента интенсивности напряжений за цикл нагружения.}



Рис. 7. Диаграмма «максимальное напряжение цикла - число циклов до разрушения» - кривая усталости (стрелками обозначены не разрушившиеся образцы, снятые в дальнейшем с испытаний)

_{На рис. 9 приведена кинетическая диаграммы усталостного разрушения. Второй участок кинетических диаграмм представлялся в виде степенного уравнения Пэриса, коэффициенты которого определялись обработкой экспериментальных данных с помощью метода наименьших квадратов. Анализ результатов испытаний показал, что исследуемая сталь не может являться альтернативой (как это предлагается в настоящее время) традиционным инструментальным сталям типа У8, У10А и т.д. в силу своих специфических свойств. Сталь Х12МФ склонна к хрупкому разрушению (подтверждается видом разрушения матриц на рис. 1, б, в), имеет очень низкие усталостные характеристики. В то время, как в главе 2 показано, что штампы для холодной листовой штамповки работают в условиях сочетания износа и усталости. Нельзя однозначно признать полезность применения этой стали для рекомендуемых в марочнике целей - профилировочные ролики сложной формы, секции кузовных штампов сложной формы, сложные дыропрошивные матрицы при формовке листового металла, матрицы и пуансоны вырубных и просечных штампов со сложной конфигурацией рабочих частей. Стали для этих целей должны обладать оптимальным сочетанием износостойкости и сопротивления усталостному разрушению. Упор только на один аспект не позволяет достичь оптимального результата. Полученный вывод можно распространить на все материалы и виды их термо- и поверхностных обработок, которые используются для изготовления деталей, работающих в сочетании нескольких разрушающих процессов.}

Рис. 8. Поверхность излома образца при испытаниях на трещиностойкость

_{Размах коэффициента интенсивности напряжений, К, МПам}

_{Рис. 9. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения образца их стали Х12МФ. Сплошная линия - аппроксимация второго участка уравнением Пэриса при С = 1,25Е-10, n = 5,39. Штриховая линия - приведенная для сравнения аппроксимация второго участка уравнением Пэриса для стали 10ХСНД при при С = =1,75Е-10, n = 4,11; штрихпунктирная - для стали У8 при С=2,785Е-11, n=3}

_{В главе 4 «Исследование напряженно-деформированного состояния станин прессов открытого типа и совершенствование их конструкций» систематизированы все предлагаемые способы уменьшения перекоса ползуна на прессах открытого типа:}

– введение в конструкцию пресса дополнительных устройств,

– реконструкции направляющих ползуна,

– реконструкция станины с целью повышения ее жесткости.

_{Показано, что основное направление уменьшения перекоса ползуна с целью оптимизации условий работы инструмента на прессах открытого типа - повышение жесткости станины. Предложены критерии оптимизации сечений станин открытого типа по условию минимизации изгибных деформаций, что позволяет, при прочих равных условиях, достигать минимума напряжений и контактных давлений на инструменте. Предложенные критерии применены для оптимизации распределения металла по сечению.}

_{На рис. 10 показано сечение произвольной формы. На основе схематизации станины в виде незамкнутой рамы предлагается следующий функционал:}

(4)

_{При определении геометрических характеристик сечений станин, изготовленных из одного материала, отношение силы к модулю упругости считается постоянным и при анализе выражения (4) не рассматривается. Очевидно, что при прочих равных условиях жесткость станин из стали будет выше, чем из чугуна.}

_{Функционал (4) можно принять за главный критерий оптимизации геометрических параметров сечений станин открытого типа. Оптимальным с точки зрения минимума изгибной податливости будет такое сечение, геометрические характеристики которого, при прочих равных условиях, обеспечат минимум функционалу (4). На него необходимо наложить ограничения по нескольким параметрам:}

_{Рис. 10. Сечение произвольной формы: F - площадь сечения, а - вылет станины, Ст - центр тяжести сечения, h - высота сечения}

, [],, , B Bст(5)

_{где , - напряжения растяжения и сжатия в сечении, МПа; и - соответственно коэффициенты угловой и линейной жесткости станины, В - ширина сечения в передней части, мм, Bст - ширина стола пресса, регламентируемая ГОСТ 9408-77. В квадратных скобках допустимые значения, согласно работам Е.Н. Ланского принимается кН/мм, кН/рад ( - номинальная сила пресса в кН).}

_{Если задаться постоянной площадью сечения F, можно записать:}

(6)

_{Минимизировать данный функционал можно несколькими способами - перераспределением металла внутри внешнего контура станины (общая площадь при этом не меняется) и изменением формы сечения. В настоящее время внутреннюю полость сечения располагают по эмпирическим, а точнее статистическим соотношениям, не гарантирующим минимума характеристикам податливости участка станины с сечением. На рис. 11, а, б показаны сечения станины пресса силой 1 МН, и спроектированное на его базе прямоугольное сечение такой же площади. Площадь обоих сечений 0,217 м²; момент инерции существующего сечения 0,0204 м⁴, значение исследуемого функционала для сечения существующего пресса 30,34 м ^-3; для сравнения у предлагаемого сечения момент инерции 0,029 м⁴, значение функционала 25,5 м ^-3. Это говорит о том, что возможно, не увеличивая металлоемкость машины, снизить изгибные деформации стойки станины с исследуемыми сечениями.}

Рис. 11. Сечение существующего пресса силой 1 МН и спроектированное на его базе сечение, позволяющее достичь минимальной изгибной деформации станины

_{Приняв (, площади передней и задней полок сечения соответственно) определили зависимости функционала (6) от отношения площадей передней и задней полок сечения (рис. 12, а). Очевидно, что при заданной металлоемкости нерационально бесконтрольно увеличивать величину передней полки сечения, рациональные значения С лежат в интервале 1,5-3,5. Кроме главного критерия оптимизации при выборе геометрических характеристик станин открытого типа необходимо доставить минимум следующему функционалу:}

(7)

_{где J - момент инерции сечения.}

_{На рис. 12, б приведены зависимости функционала (7) от отношения площадей полок сечения для сечений, показанных на рис. 11. Очевидно, что минимум и этому функционалу доставляют значения С, близкие к оптимальным для главного критерия оптимизации сечения. Для проверки адекватности предложенных моделей проведена проверка полученных результатов методами оптимизации Бройдена (с наложением штрафных функций) и Ньютона. Эти методы подтвердили адекватность более простой математической модели, описанной выше. Сходимость результатов составила 100%.}



_{Рис. 12. Графики зависимости функционалов (6) - а и (7) - б от С (отношения площадей передней и задней полок сечения), 1 - сечение с накладками усиления, 2 - внутренняя полость сечения - прямоугольная, * - существующий вариант (рис. 11, а), ** - оптимальный по критерию минимизации изгибных деформаций при заданной металлоемкости (рис. 11,б)}

_{Кроме рационального расположения внутренней полости сечения можно обеспечить снижение податливости станины путем изменения формы сечения. Очевидно, что традиционная прямоугольная форма сечения при одинаковой металлоемкости не доставляет минимума податливости участку станины. Предлагается комбинированная форма сечения: наружный контур сечения представляет собой прямоугольник, скомбинированный с трапецией, а контур внутренний - трапецию, спроектированную таким образом, что податливость участка станины с данным сечением будет минимальной (техническое решение защищено патентом). На рис. 13 показано сечение комбинированной формы, спроектированное на базе сечения существующего пресса (рис. 11, а) и имеющего такую же площадь. Для этого сечения значения главного критерия оптимизации составляет 21,5 м -3. Значение функционала (7) для этого сечения составляет 7,6 м -2 (для сравнения у прямоугольного сечения существующего пресса значение функционала (7) 10,6 м -2). Техническое решение станины открытого типа с сечением комбинированной формы защищено патентом.}

_{Рис. 13. Комбинированное сечение, спроектированное на базе сечения существующего пресса}

_{Корректность полученных зависимостей и эффективность изобретательских решений подтверждена расчетами численными методами. Путем моделирования напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов выявлен оптимальный интервал отношения высоты сечения к вылету станины 0,7h/a2 (ранее принималось ). Проведена оптимизация верхнего перехода, выполненного в виде поднутрения, и выявлен оптимальный по условию прочности интервал отношения радиуса поднутрения к вылету станины 0,1r/a 0,2.}

_{На основе выполненных исследований автором предлагается вариант станины кривошипного пресса открытого типа с двумя штамповыми зонами, который позволяет при уменьшении металлоемкости станины снижать напряжения и контактные давления в инструменте до 2,5 раз при прочих равных условиях из-за существенного увеличения жесткости станины. Еще одним преимуществом данного решения является увеличение в два раза производительности пресса (за счет двух штамповых зон). Возможна работа на одной позиции (если поставить муфту в приводе, отключающую передачу момента на одну позицию), при этом так же будут существенно снижены напряжения в инструменте за счет повышенной жесткости станины. Такой подход реализуем только для станин прессов с валом, перпендикулярным фронту пресса. Экспериментальные исследования подтвердили корректность математических моделей.}

_{В главе 5 «Исследование долговечности проектируемых базовых деталей, деталей с дефектами и их остаточного ресурса» показано, что к настоящему времени произошла эволюция взглядов на наличие дефектов в несущих конструкциях: от полной недопустимости до ограниченной допустимости при эксплуатационном мониторинге и далее к постановке проблемы допустимого уровня и нормирования количественных и качественных параметров дефектности. Для базовых деталей кузнечно-прессового оборудования (например, рис. 14) эта проблема касается в основном параметров технологической дефектности, потому что невозможно получить крупногабаритную деталь с полным отсутствием дефектов при применении даже самых передовых технологий. Технологическая дефектность наследуется при эксплуатации. Поэтому эксплуатационные дефекты (усталостные трещины) часто образуются не у конструктивного концентратора, а у браковочного технологического дефекта, не выявленного на стадии контроля при изготовлении детали. Иллюстрацией может служить рис. 15, на котором показана зачищенная поверхность литой станины кузнечно-прессовой машины, после межремонтного периода эксплуатации, с различными дефектами - технологическими и эксплуатационными. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят создать базу данных по дефектности силовых деталей кузнечно-прессового оборудования с оценками как видов функций распределения вероятностей, так и их параметров. Такие данные могут служить основой для исследования изменений дефектности в процессе эксплуатации конструкции. Очевидно, что эксплуатационная дефектность характеризуются как начальным распределением дефектности, так и эксплуатационными факторами. Подходы к определению допустимых технологических и эксплуатационных дефектов должны основываться на различных принципах. Например, у новой детали, которой присуща только технологическая дефектность, недопустимы трещины с коэффициентом интенсивности больше порогового значения (). У детали, находящейся в эксплуатации, при условии постоянного контроля такие дефекты иногда являются допустимыми (на время изготовления детали-дублера).}

_{Для практических целей (выявления параметров выбраковки крупногабаритных деталей кузнечно-прессового оборудования, особенно уникальных) автором предлагается составлять карты допустимых дефектов с учетом прогнозируемой истории нагружения и реальных механических свойств материала детали. Такая карта накладывается на карту обнаруженных дефектов, и с вероятностью, зависящей от надежности методов неразрушающего контроля, принятых методов расчета напряженно-деформированного состояния и определения механических свойств, делается вывод о возможности эксплуатации исследуемого объекта в предполагаемых режимах.}

_{Рис. 14. Крупногабаритные отливки: а - стойка станины, б - траверса кривошипного горячештамповочного пресса}

Рис. 15. Зачищенная поверхность литой базовой детали кузнечно-прессовой машины (после периода эксплуатации) с технологическими дефектами типа подкорковый пузырь (1), усадочная раковина (2) и эксплуатационными трещинами (3)

_{Кроме того, автором предлагается составить карты возможной дефектности по имеющимся опытным данным для конкретных заводов - изготовителей по всем применяемым технологиям. Параметры этих карт можно представить как субъективные вероятности, вычисленные для снижения риска принятия решений в условиях неопределенности. Неопределенность в данном случае создается в основном несовершенством современных методов неразрушающего контроля. Крупногабаритные базовые детали (траверсы, станины и т.д.) получают в основном литьем (чаще из стали 35Л, для кривошипных прессов небольших и средних номинальных сил из - СЧ 25, СЧ 30 или СЧ 35) и сваркой.}

ГОСТ 19200 - 80 «Отливки из чугуна и стали. Термины и определения» дает характеристику всем возможным видам технологических дефектов отливок и причинам их возникновения. Примем, что дефектность отливки определяется совокупностью дефектов, присущих применяемому технологическому процессу. Очевидно, что браковочными дефектами базовых деталей кузнечно-прессовых машин будут являться дефекты, лежащие в зоне оптимального действия неразрушающего контроля.

В табл. 1 приведены данные по максимально возможным вероятностям обнаружения дефектов (), присущих отливкам из стали (согласно ГОСТу 19200 - 80), различными видами неразрушающего контроля. Данные получены по результатам работ ЗАО «ПРОЧНОСТЬ» и хорошо коррелируются с бальными оценками работ В.В. Клюева. В табл. 1 - НК - неразрушающий контроль. Под оптическим видом неразрушающего контроля (О) понимается визуальный и инструментальный контроль, под радиационным (Р) - рентгенография, под акустическим (А) - ультразвуковое обследование. Вероятность обнаружения дефектности вычислялась из условия, что в отливке с вероятностью равной единице присутствуют все возможные дефекты, определяемые ГОСТом для стальных отливок. Однако если известны вероятности наличия в отливке i - ого вида дефекта при применении определенной технологии литья на конкретном предприятии - изготовителе (),то вероятность обнаружения дефектности будет определяться:

,(8)

где m- число видов дефектов, в совокупности составляющих дефектность.

_{Что касается составления карт допустимой дефектности, то их построение подразумевает переход от реальной дефектности к моделям дефектности. Автором предлагается с целью снижения консервативности расчетных схем и подходов разработать базу математических моделей, максимально приближенных к реальным дефектам, неизбежно присущим результату применения каждой конкретной технологии (в рассматриваемом случае литья). В соответствии с этим каждому типу (или совокупности типов) технологических дефектов должна быть разработана своя математическая модель.}

При составлении карты допустимых дефектов возможно принять подходы работ Махутова Н.А., Доронина С.В., Чурсиной Т.А. и виртуально разбить всю рассматриваемую конструкцию на зоны по уровню математического ожидания напряжений с присвоением им ранга по потенциальной опасности развития усталостных трещин и последующего разрушения.

_{Дефекты поверхности и разностенность можно моделировать непосредственно при расчете отливки численными методами, например методом конечных элементов, т.е. проводить расчет с учетом реальной геометрии конструкции, отличающейся от заданной чертежами. Что касается внутренних дефектов, то фундаментальные исследования Махутова Н.А., Москвичева В.В., Доронина С.В. и др. позволяют сделать вывод о том, что наибольшее влияние оказывает одиночный случайный дефект. Поэтому с высокой степенью вероятности можно принять этот вывод и для инженерных расчетов. Одиночный дефект также можно моделировать непосредственно при расчете отливки численными методами. Объемная внутренняя полость в модели будет представлять собой реальные дефекты в виде различных раковин (газовых, усадочных и т.п.). Объемная полость описывается в виде эллипсоида вращения и располагается наиболее неблагоприятным с точки зрения усталостной прочности образом (большая полуось перпендикулярна максимальному растягивающему напряжению). Соотношение длин осей эллипсоида по статистическим данным принимается равным 2. Такой дефект вводится во все ранжированные по уровню математического ожидания напряженно-деформированного состояния зоны конечно-элементной модели с наложением граничных условий по равенству нулю нормальных и касательных напряжений на внутренней поверхности дефекта. Дефект такого типа является наиболее опасным по критерию роста усталостных трещин. При зарождении у его границы трещины размера l, эффективная длина трещины будет составлять (м), где d - длина большой полуоси эллипсоида, - размер пластической зоны в вершине трещины (для чугуна этой величиной можно пренебречь). Для сокращения времени подготовки данных при расчете численными методами автором данной работы предлагается при определении теоретического коэффициента концентрации напряжений использовать полуаналитический подход. Для этого был проведен вычислительный эксперимент, обработка результатов которого позволила выявить функцию зависимости теоретического коэффициента концентрации напряжений () от отношения большей полуоси d к габаритному размеру сечения H (расчет производился по брутто - сечению). График исследуемой зависимости показан на рис. 16. Эта зависимость аппроксимируется с коэффициентом детерминации 0,90 полиномиальным рядом:}

...