Повышение эффективности изготовления высокопрочных прецизионных втулок методом совмещения редуцирования и дорнования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат наук Бодарева, Анастасия Вячеславовна

• Бодарева, Анастасия Вячеславовна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Бодарева, Анастасия Вячеславовна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ВТУЛОК И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Эксплуатационные особенности втулок тяжелонагруженных подвижных соединений

1.2. Анализ современных способов изготовления втулок

1.3. Экспериментальные исследования редуцирования

и дорнования

1.4. Теоретические исследования редуцирования и дорнования

1.5. Метод конечных элементов

1.6. Метод пластического течения А. Л. Воронцова

1.7. Выводы из литературного обзора

1.8. Цель и задачи работы

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОВМЕЩЁННОГО

ПРОЦЕССА РЕДУЦИРОВАНИЯ-ДОРНОВАНИЯ

2.1. Постановка задачи

2.2. Определение кинематического состояния заготовки

2.3. Определение напряжённого состояния заготовки

2.4. Определение силы деформирования

2.5. Определение деформированного состояния заготовки.

Учёт упрочнения деформируемого материала

2.6. Определение условий успешной реализации процесса

2.6.1. Условие одновременного начала процесса редуцирования

и дорнования

2.6.2. Условие предотвращения потери жёсткости заготовки

2.6.3. Условие предотвращения потери устойчивости заготовки

Стр.

2.7. Сопоставление теоретических результатов с известными экспериментальными данными

2.8. Определение оптимальных углов конусности матрицы

и дорна

2.9. Расчётные формулы сжимающего дорнования в матрице

2.10. Расчётные формулы редуцирования на оправке

2.11. Определение исходной высоты заготовки

2.12. Определение предельного обжатия за один переход

2.13. Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СОВМЕЩЁННОГО ПРОЦЕССА

РЕДУЦИРОВАНИЯ-ДОРНОВ АНИЯ

3.1. Постановка экспериментов

3.2. Влияние материала, радиальных размеров и величин обжатия заготовки, а также углов рабочих поверхностей матрицы

и дорна на силу деформирования при а=у

3.3. Проверка предельной удельной деформирующей силы

и предельного обжатия за один переход

3.4. Проверка углов инструмента, оптимальных по силе

3.5. Влияние высоты калибрующих поясков матрицы и дорна

на деформирующую силу

3.6. Влияние смазки на характеристики процесса и качество поверхности получаемой втулки

3.7. Проверка влияния предварительной холодной деформации

на увеличение предельного обжатия

3.8. Влияние материала, радиальных размеров и величин обжатия заготовки, а также углов рабочих поверхностей матрицы

и дорна на силу деформирования при а^у

3.9. Выводы по главе 3

Стр.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЁТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СОВМЕЩЁННОГО ПРОЦЕССА РЕДУЦИРОВАНИЯ-ДОРНОВ АНИЯ

4.1. Методика проверочного расчёта

4.2. Методика проектировочного расчёта с целью получения заданных механических свойств материала изготавливаемой втулки за минимальное число переходов

4.3. Методика проектировочного расчёта целью максимального повышения механических свойств материала втулки

за один переход

4.4. Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВТУЛОК

ХОДОВОГО ВАЛА ИЗДЕЛИЯ УПАЗ-1

5.1. Постановка задачи

5.2. Определение технологических параметров с помощью разработанной методики расчёта

5.4. Результаты опытно-промышленной штамповки

5.5. Выводы по главе 5

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ

i

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности изготовления высокопрочных прецизионных втулок методом совмещения редуцирования и дорнования»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Уровень жизни современного человеческого общества прежде всего определяется эффективностью производства, характеризуемой повышением

I

производительности труда и качества выпускаемой продукции, снижением финансовых и энергетических затрат, а также уменьшением сырьевых расходов и загрязнения окружающей среды. Для повышения эффективности необходимо постоянное совершенствование технологии в различных отраслях производства требуемых изделий.

Одним из наиболее распространённых типов технических деталей, использующихся в огромном количестве разнообразных изделий, являются втулки, номенклатура типоразмеров которых исчисляется многими миллионами. Распространёнными примерами втулок являются втулки автомобильных стартёров, втулки под фланец трубопроводов, промежуточные и кондукторные втулки металлорежущих станков, втулки подшипников скольжения и кольца подшипников качения, втулки колёс, гусениц тракторов и танков, крепёжные втулки, а также втулочные контакты компьютеров и телевизоров.

В подавляющем большинстве случаев втулки являются ответственными деталями, от надёжности которых зависит работоспособность и безопасность конструкции в целом. Особенно ответственными являются втулки, входящие в подвижные сопряжения деталей тяжелонагруженных механизмов, таких как механические редукторы, элементы двигателей автомобилей ц тракторов, а также элементы ходовых частей летательных аппаратов. К таким втулкам предъявляют особо высокие требования по эксплуатационным свойствам и качеству изготовления, в частности, прочности, твёрдости, точности размеров и формы, чистоте поверхности. При этом в современных условиях постоянно растущей конкуренции к технологии изготовления подобных втулок дополнительно предъявляют требования максимального повышения производительности и снижения себестоимости изготовления, в частности, за

счёт увеличения коэффициента использования металла.

Мировой опыт промышленно развитых стран показывает, что выполнение таких требований наиболее эффективно обеспечивается применением методов обработки металлов давлением и, прежде всего, методов холодной объёмной штамповки, роль которой за последние десятилетия сильно возросла. Достаточно сказать, что примерно 90% деталей современного автомобиля изготавливаются обработкой металлов давлением, и большинство из них - холодной штамповкой. Это связано с тем, что такая штамповка в подавляющем большинстве случаев является малоотходной, имея очень высокий коэффициент использования металла (обычно превышающий 90%), а также не требует предварительного нагрева заготовок, что значительно улучшает качество поверхности получаемых изделий из-за полного отсутствия окалинообразования, резко повышает точность формообразования вследствие отсутствия значительных температурных деформаций заготовки и инструмента, резко повышает производительность, сводя время получения деталей к секундам и даже долям секунды, за счёт эффекта упрочнения значительно повышает эксплуатационные характеристики изделий в плане их прочности и износостойкости, улучшает условия и безопасность производства, сравнительно просто поддаваясь полной автоматизации. Во многих слу-

?

чаях после холодной объёмной штамповки применение операций резания для доводки изделий уже не требуется.

Анализ имеющейся технической информации показывает, что для получения ответственных втулок широко используют такие операции холодной объёмной штамповки как редуцирование и дорнование. Углублённое изучение особенностей этих операций позволяет утверждать, что наибольшее повышение эффективности изготовления втулок может обеспечить совмещение редуцирования и дорнования в одном процессе штамповки. Однако совмещённый процесс редуцирования-дорнования изучен ещё явно недостаточно - имеется лишь несколько научных работ на эту тему, выводы которых являются спорными, противоречивыми и не подкреплёнными основательными

теоретическими исследованиями, выполненными на современном уровне механики деформируемого твёрдого тела.

Отсутствие достаточной научной базы, позволяющей уверенно выбрать наилучшие параметры и режимы осуществления совмещённого процесса ре-« дуцирования-дорнования, является главным сдерживающим фактором широкого промышленного применения этого прогрессивного способа изготовления ответственных втулок.

От современного технолога, проектирующего технологический процесс, связанный с пластическим деформированием металла, требуется уже на стадии предварительного проектирования выбрать наиболее оптимальный вариант технологии, конструкцию инструмента, параметры оборудования, а при дальнейшей промышленной реализации быстро и с малыми затратами уточнить наиболее рациональные параметры процесса, обеспечивающие эф-,« фективное получение изделий, удовлетворяющих всем предъявляемым требованиям.

Очевидно, что при промышленном освоении не так уж сложно немного уточнить параметры, уже предсказанные теоретически. Но экспериментальный поиск наилучших параметров наугад при большом диапазоне их изменения и значительном количестве возможных сочетаний неизбежно приводит к значительным дополнительным материальным и финансовым затратам, а также заметной потере времени.

Таким образом, проведение углублённого научного исследования совмещённого процесса редуцирования-дорнования для уточнения его важнейших закономерностей и получения высокоточных формул, обеспечивающих надёжное проектирование высокоэффективного технологического процесса с использованием данной операции, является актуальной задачей.

Цель и задачи работы.

Целью данной работы является разработка методики расчёта технологических параметров совмещённого процесса редуцирования-дорнования,

обеспечивающих получение заданных втулок с повышенными прочностью, размерной точностью и чистотой поверхности при минимальном количестве переходов, меньшей силе деформирования и повышенном коэффициенте использования металла.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе полной системы классических уравнений наиболее стро-

I

гои в настоящее время теории пластического течения определить кинематическое, напряжённое и деформированное состояния трубной заготовки в процессе её одновременного редуцировании и дорновании.

2. Учесть в теоретическом анализе влияние на напряжённое состояние и силу деформирования упрочнения материала заготовки при холодной деформации, возможного различного соотношения углов конусности матрицы и дорна, высот калибрующих поясков матрицы и дорна, а также различных коэффициентов трения на поверхностях контакта заготовки и инструмента.

3. Определить математические критерии, позволяющие для получения

*

высококачественных изделий гарантированно исключить возможность потери жёсткости или устойчивости заготовки.

4. Определить оптимальные углы конусности матрицы и дорна, при которых сила деформирования будет минимальной, и, соответственно, будут минимальны энергетические затраты, необходимые для получения заданной детали, а также будет обеспечена возможность получить наибольшую деформацию стенки за один переход, что позволяет увеличить возможное разовое формоизменение и, соответственно, повысить производительность процесса.

5. Выявить важнейшие физические закономерности совмещённого процесса редуцирования-дорнования.

6. Разработать методику оценки предельного формоизменения заготовки за один переход.

7. С целью проверки достоверности и возможности практического использования провести широкую экспериментальную проверку полученных

теоретических результатов. Для большей объективности провести и сопоставления с имеющимися опытными данными других исследователей.

8. Разработать научно обоснованную методику проектирования технологии изготовления втулок с помощью совмещённого процесса редуцирова-ния-дорнования, позволяющую установить оптимальные режимы пластической деформации, обеспечивающие достижение требуемых показателей производства.

9. Для подтверждения эффективности полученных научных результатов разработать и опробовать в промышленных условиях технологический процесс изготовления с помощью совмещённого редуцирования-дорнования ответственных высокопрочных прецизионных втулок.

Методы исследования.

Определение параметров кинематического, напряжённого и деформированного состояний материала производилось с помощью полной системы классических уравнений теории пластического течения Леви-Мизеса, сформулированной для торовой системы координат и дополненной теорией конечных накопленных деформаций Ильюшина.

Для анализа возможной потери устойчивости использовалась классиче^ екая теория Эйлера.

Экспериментальное определение сил деформирования проводилось на немецкой универсальной испытательной машине Prüfmaschine ZD-40, имеющей измеритель силы с погрешностью не более 1%.

Определение твёрдости производилось по стандартной методике ГОСТ 9012-59 (в официальной редакции 2007 г.) на сертифицированном в России стационарном твердомере по Бринеллю НВ-ЗОООВ, обладающем высокой точностью и повторяемостью тестирования, соответствующей стандартам IS06506.81 и ASTME-10. ,

Определение шероховатости поверхности производилось по стандартной методике ГОСТ 2789-73 (в официальной редакции 2006 г.) на профило-графе-профилометре модели 252 завода «Калибр».

Достоверность результатов.

Достоверность научных положений, формул, выводов и рекомендаций работы подтверждается: *

- разработкой математических моделей совмещённого процесса реду-цирования-дорнования на основе наиболее строгих фундаментальных уравнений современной механики деформируемого твёрдого тела;

- хорошей сходимостью полученных теоретических результатов как с многочисленными опытными данными других исследователей (среди 31 числового сравнения максимальное расхождение не превышало 9,2%), так и с большим количеством собственных экспериментов (215 числовых сравнений с наибольшим расхождением 5,5%);

- положительной независимой технологической экспертизой, успешным промышленным опробованием и намеченным дальнейшим внедрением в ОАО «Н1111 «Звезда» имени академика Г.И. Северина».

Научная новизна.

1) Впервые на основе решения полной системы классических уравнений механики деформируемого твёрдого тела, описывающих пластическое течение материала в совмещённом процессе редуцирования-дорнования, определены все компоненты кинематического и напряжённого состояний заготовки.

i

2) На основе единого поля скоростей течения, установленного в результате анализа кинематического и напряжённого состояний, путём строгого решения уравнения Ильюшина в частных производных получена формула, определяющая величину накопленной деформации в любой точке очага пластической деформации.

3) Для учёта упрочнения материала в результате холодной деформации совмещённым редуцированием-дорнованием использована показательная аппроксимация, наиболее точно описывающая реальные кривые упрочнения.

4) Получено общее решение задачи, определяющее напряжённое и деформированное состояния, а также силу деформирования для произвольного

соотношение углов конусности матрицы и дорна, и, кроме того, разных коэффициентов трения между материалом заготовки и контактными поверхностями матрицы и дорна. Из общего решения получены новые формулы, описывающие все важнейшие параметры частных практических случаев с равенством углов конусности матрицы и дорна, а также дорнования в матрице и редуцирования на оправке.

5) Уточнено математическое условие предотвращения потери жёсткости заготовки.

6) В строгом соответствии с классической теорией Эйлера получено математическое условие предотвращения потери устойчивости заготовки.

7) Путём строгого математического вывода получена формула оптимальных углов конусности инструмента, при которых деформирующая сила принимает минимальное значение.

8) Впервые доказано, что чем большую интенсивность упрочнения проявляет обрабатываемый материал, тем меньшую величину предельного обжатия он допускает.

9) Новые математические модели и входящие в них формулы позволяют с высокой точностью количественно определить влияние всех значимых технологических параметров на главные показатели совмещённого процесса редуцирования-дорнования.

10) Впервые выявлены новые закономерности изменения силы деформирования и предельного обжатия за один переход в зависимости от углов конусности матрицы и дорна, коэффициентов трения, а также соотношений между размерами заготовки и получаемой втулки.

Теоретическая значимость работы.

Показан конкретный метод всестороннего механико-математического исследования закономерностей пластической деформации при совмещении в одном процессе двух различных операций, что позволит другим учёным эффективно решать аналогичные научные задачи полного определения параметров кинематического, напряжённого и деформированного состояний ма-

териала при его обработке давлением.

Практическая значимость работы.

Разработанная научно обоснованная методика расчета технологических параметров совмещённого процесса редуцирования-дорнования позволяет с достаточной точностью определить все данные, необходимые для выбора кузнечно-прессового оборудования, расчета штампового инструмента • на прочность, а также обоснованного выбора минимального количества и режимов штамповочных переходов с учетом механических свойств материала заготовки и требуемых эксплуатационных показателей получаемого изделия.

Полученные теоретические зависимости, учитывающие влияние наиболее часто встречающихся особенностей геометрии матриц и дорнов, а также смазки на величины деформирующей силы, давления на инструмент, предельного формоизменения за один переход, обеспечивают возможность выбора оптимальных решений еще на стадии предварительного проектирования. При этом практическая ценность работы, по сравнению с традиционными методами экспериментальной отработки нового технологического процесса, состоит в достижении тех же целей с большей быстротой и меньшими затратами труда, а также материальных и финансовых средств.

Выведенные конкретные формулы обеспечивают высокую точность практических расчетов, будучи достаточно простыми и наглядными, что облегчает их применение технологами-практиками и не требует трудоемкой отладки больших компьютерных программ или обучения пользоваться чужими пакетами программ. Как следствие исключается необходимость в принятии не обоснованных расчетом интуитивных решений, зачастую приводящих к ошибкам в выборе параметров штамповочных переходов, прессового оборудования, а также в обеспечении прочности штампового инструмента.

Практическая ценность также состоит и в конкретных рекомендациях по выбору наиболее рациональных параметров совмещённого процесса редуцирования-дорнования, обеспечивающих повышение производительности за счёт достижения наибольшего обжатия за один переход, максимальное

уменьшение энергетических, материальных и финансовых затрат за счёт

I

снижения силы деформирования и количества технологических воздействий на заготовку, а также устранения необходимости дополнительной термической обработки и последующей механической обработки резанием.

Реализация результатов работы.

Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию в ОАО «НПП «Звезда» имени академика Г.И. Северина» (Московская обл., пос. Томилино).

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации неоднократно излагались и обсуж-

<

дались на научных семинарах кафедры «Технологии обработки материалов», а также на научном семинаре кафедры «Технологии обработки давлением» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Кроме этого, по результатам работы были сделаны доклады на конференциях:

1. 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии» (Москва, 2010);

2. Международной конференции «Индустриальные масла и смазочные материалы в металлургии и машиностроении» (Москва, 2011);

3. 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии (Москва, 2011);

4. 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация» (Уфа, Башкирский ГАУ, 2012);

5. Научно-технической конференции «Будущее машиностроения России» (Москва, 2012); }

6. Международной научно-практической конференции «Триболо-гические основы повышения ресурса машин» (Москва, 2012);

7. 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии» (Москва, 2012);

8. Международной научно-технической конференции (МК-12-

£

ММФ) «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии» (Липецк, Липецкий ГТУ, 2012);

9. Международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению» (Москва, 2012);

10.Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий» (Липецк, Липецкий ГТУ, 2012);

11 .Научной конференции «Инновационные технологии и передовые, инженерные решения» (Орехово-Зуево, НПП «Респиратор», 2012);

12.2-й Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (Москва, 2012);

13.Международной научной конференции «Инноватика в технологии конструкционных материалов» (Москва, 2012);

14.3-й Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроению:« (Москва, 2014).

В 2012-2013 годах за результаты работы была назначена стипендия Президента РФ.

Публикации.

Основные положения диссертации отражены в 12 публикациях общим объёмом 15 п.л., включающих 7 статей в рецензируемых научно-технических журналах из перечня ВАК.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 62 наименований, списка условных обозначений и приложения, изложенных на 193 страницах машинописного текста. Работа включает 56 рисунков и 22 таблицы.

Основные положения, выносимые на защиту: '

1) установленные теоретически и экспериментально условия, выполнение которых необходимо для успешного протекания совмещённого процесса редуцирования-дорнования;

2) установленные закономерности изменения оптимальных углов инструмента и предельного обжатия за один переход;

3) способы повышения величины обжатия за один переход;

(

4) методика расчёта технологических параметров, обеспечивающих получение заданных втулок с повышенными прочностью, размерной точностью и чистотой поверхности при минимальном количестве переходов, меньшей силе деформирования и повышенном коэффициенте использования металла.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ВТУЛОК И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Эксплуатационные особенности втулок тяжелонагруженных подвижных соединений

Неотъемлемой частью при подготовке новых технологических решений является обзор существующих методов изготовления определённого класса изделий, в данном случае, втулок, и выявление преимуществ и недостатков известных методов по сравнению с намеченным для исследования методом совмещенного редуцирования-дорнования.

Как указано во введении, применение совмещённого процесса редуцирования-дорнования трубной заготовки наиболее эффективно при производстве втулок, входящих в подвижные сопряжения деталей тяжелонагруженных механизмов, таких как механические редукторы, элементы двигателе^ автомобилей и тракторов, а также элементы ходовых частей летательных аппаратов.

Конкретные особенности работы таких ответственных втулок и предъявляемые к ним эксплуатационные требования удобно рассмотреть на примере поршневого пальца двигателей внутреннего сгорания, широко используемых в автомобильной и тракторной промышленности. Рассмотрим основные особенности поршневого пальца.

Поршневая группа включает в себя поршень в сборе с комплектом уплотняющих колец, поршневой палец с деталями для его крепления. Основ-* ные функции поршневой группы Рисунок 1.1- это уплотнение надпоршне-вой полости от прорыва газов в картер, проникновения смазочного масла в надпоршневую полость и передача давления газов через шатун на коленчатый вал двигателя [53].

Поршневой палец устанавливают в направляющую (тронковую) часть, ее также называют юбкой поршня, в которой просверливают отверстия. Для

фиксации пальца в отверстиях протачивают канавки, в которых устанавливают детали, запирающие палец в поршне. В головке шатуна палец закрепляют с помощью стяжного болта, устанавливаемого в разрезную головку. Крепление пальца в бобышках поршня осуществляется с помощью стопорного болта, который на резьбе заворачивается в бобышку и проходит в специально сделанное отверстие [53].

Рис. 1.1. Схема сборки поршневой группы: 1,2 - крепежные болты, 3 -поршневая группа, 4,5 - поршневые кольца, 6,8 - поршень, 7 -поршневой палец, 9 - стопорное кольцо, 10 - виды поршневых колец, 15 - втулка, 16 - шатун, 17 - крышка шатуна

Поршневая группа работает в сложных температурных условиях с резко изменяющимися нагрузками в условиях масляного голодания и минимального теплоотвода из-за необходимости обеспечения непопадания смазочного масла в надпоршневую полость и исключения возможности попадания в картер автомобиля сжатого под давлением газа. Поэтому при выборе метода изготовления деталей данного типа необходимо учитывать тип двига-

теля и его назначение.

Поршневые пальцы разделяют по способу крепления на плавающие и неподвижные (неподвижно закреплённые в головке шатуна или бобышка^ поршня). В схеме закрепления плавающие пальцы имеют преимущества перед неподвижным. Плавающие пальцы имеют меньшую скорость изнашивания и большую равномерность износа по периметру. В неподвижной схеме крепления поршневого пальца износ бобышек и шатуна носит неравномерный характер, вследствие чего пары трения быстрее теряют износостойкость и приобретают неравномерный износ.

В плавающей схеме крепления поршневой палец фиксируется стопорным пружинным кольцом для отсутствия осевого смещения, которое препятствует образованию неравномерного износа. Стопорные кольца бывают дву>1 видов, отличающихся формой сечения - круглое и прямоугольное. Конструктивные особенности сопряжения пальца с поршнем и шатуном: диаметр отверстий втулки верхней головки шатуна больше диаметра поршневого пальца на размер масляного зазора. Форма пальца цилиндрическая, его изготовляют с отверстием внутри для облегчения. Сопряжение пальца с поршнем в отверстиях бобышек последнего обеспечивается неподвижной посадкой с небольшим натягом.

В работающем дизеле поршень в районе бобышек нагревается сильнее, чем поршневой палец, вследствие более интенсивного отвода теплоты от последнего через шатун. Благодаря перепаду температур между поршнем и пальцем отверстия в бобышках поршня увеличиваются больше, чем диаметр пальца, и неподвижная с натягом посадка последнего превращается в подвижную, скользящую посадку с зазором. Положение пальца в отверстиях бобышек поршня фиксируют от продольного сдвига стопорными кольцами или заглушками. Во время работы дизеля палец такого типа постепенно поворачивается вокруг своей оси и благодаря этому изнашивается более равномерно по всей окружности. Если поршень изготовлен из алюминиевого сплава, то отверстия в бобышках его увеличиваются больше, чем диаметр пальца*

вследствие различных коэффициентов линейного расширения металла этих

деталей (коэффициент линейного расширения алюминия в два раза больше,

чем у стали). Узел соединения поршня с шатуном работает в весьма тяжелых

условиях вследствие высокой температуры горячих газов, воздействующих

на поршень и знакопеременных инерционных нагрузок, возникающих при

í

возвратно-поступательном движении шатунно-поршневого узла в цилиндре. При увеличенных зазорах между пальцем и втулкой верхней головки шатуна, а также между пальцем и отверстиями в бобышках поршня инерционные силы, действующие на рассматриваемое сочленение, носят ударный характер, вследствие чего ускоренно изнашиваются сопрягаемые детали.

Принцип возникновения ударных нагрузок в головном сочленении четырехтактного дизеля следующий. В начале хода выпуска сила инерции прижимает поршень к шатуну через поршневой палец. В момент достижения поршнем максимума скорости поступательного движения в сторону крышки

I

цилиндра знак инерционной силы меняется. При переходе через верхнюю мертвую точку, поршень под воздействием силы инерции при наличии зазора в головном сочленении продолжает с максимальной скоростью двигаться вверх, а шатун вниз. В этот момент происходит удар пальца сначала о головку шатуна, а затем о бобышки поршня.

Места сопряжения поршневого пальца с поршнем и шатуном являются наиболее быстро изнашиваемыми [48] в шатунно-поршневых узлах, поэтому необходимо соблюдать основные рекомендации, по установке соединений с натягом для пары трения палец-поршень, которые подробно изложены в работе [53].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бодарева, Анастасия Вячеславовна, 2015 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Бодарева А. В. О повышении эффективности получения втулок методом совмещения редуцирования и дорнования // Ремонт, восстановление, модернизация. 2014. № 8. С. 26-30.

2. Бодарева А. В. Повышение качества изготовления деталей типа втулка комбинированными методами обработки металлов давлением // Научные труды Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. С. 144-146.

3. Бодарева А. В. Повышение эффективности и качества комбинированных

методов дорнования и редуцирования // Научные труды IV Всероссийской

<

научно-технической конференции «Студенческая научная весна 2012: Машиностроительные технологии». М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2012. С. 246-248.

4. Бодарева А. В. Повышение эффективности комбинированных методов дорнования и редуцирования // Материалы III Всероссийской научно-практической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация». Уфа: Башкирский ГАУ. 2012. С. 7-9.

5. Бодарева А. В. Совершенствование процесса изготовления деталей типа

втулка методом совмещения процессов дорнования и редуцирования //

<

Научные труды конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии». Липецк: Липецкий ГТУ. 2012. С. 38-42.

6. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: ГИТТЛ. 1957. 608 с.

7. Воронцов А. Л. Анализ методов теоретического исследования процессов обработки металлов давлением // Производство проката. 2003. № 9. С. 611.

8. Воронцов А. Л. Выбор коэффициентов трения в расчётах процессов вы-

давливания // Производство проката. 2003. № 4. С. 2-5. 9. Воронцов A. JI. Деформированное состояние заготовки при обратном выдавливании // Известия вузов. Машиностроение. 1982. № 3. С. 113-117. Ю.Воронцов A. JI. Методические указания по аппроксимации кривых упрочнения // Производство проката. 2001. № 3. С. 21 -25. П.Воронцов A. J1. Некоторые проблемы механики деформируемого твёрдого тела и её технологических приложений. 5. Экстремальные принципы и проверка теоретических исследований в обработке металлов давлением // Производство проката. 2010. № 7. С. 3-13.

12.Воронцов A. JT. Некоторые проблемы механики деформируемого твёрдого тела и её технологических приложений. 6. Особенности приложения теории пластичности к анализу операций обработки металлов давлением // Производство проката. 2010. № 8. С. 2-12.

13.Воронцов A. J1. Некоторые проблемы механики деформируемого твёрдого

тела и её технологических приложений. 7. Осесимметричная задача тео-

<

рии пластичности. Напряжённое и кинематическое состояния при осадке цилиндрической заготовки с трением на торцах. Метод баланса работ. Часть 1 // Производство проката. 2010. № 9. С. 2-13. Н.Воронцов A. J1. Некоторые проблемы механики деформируемого твёрдого тела и её технологических приложений. 7. Осесимметричная задача теории пластичности. Напряжённое и кинематическое состояния при осадке цилиндрической заготовки с трением на торцах. Метод баланса работ. Часть 2 // Производство проката. 2010. № 10. С. 2-14.

15.Воронцов A. JI. Некоторые проблемы механики деформируемого твёрдого

<

тела и её технологических приложений. 8. Плоская задача теории пластичности. Напряжённое и кинематическое состояния при осадке прямоугольной полосы с трением и при вдавливании в полупространство. Часть 1 // Производство проката. 2010. № 11. С. 2-17.

16.Воронцов A. J1. Некоторые проблемы механики деформируемого твёрдого тела и её технологических приложений. 8. Плоская задача теории пла-

стичности. Напряжённое и кинематическое состояния при осадке прямоугольной полосы с трением и при вдавливании в полупространство. Часть 2 // Производство проката. 2010. № 12. С. 2-16. П.Воронцов А. Л. Некоторые проблемы механики деформируемого твёрдого тела и её технологических приложений. 9. Степень деформации и накопленная деформация. Деформированное состояние заготовки и учёт упрочнения при осадке и вдавливании в полупространство. Часть 1 // Производство проката. 2011. № 2. С. 41-48.

18.Воронцов А. Л. Практические расчёты параметров прошивки // Кузнечно-

(

штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2010. № 2. С. 3-13.

19.Воронцов А. Л. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса редуцирования полой заготовки на оправке // Производство проката. 2005. № 1.С. 24-31.

20.Воронцов А. Л. Теория штамповки выдавливанием. М.: Машиностроение. 2004. 721 с.

21.Воронцов А. Л. Технологические задачи теории пластичности. Том 1. М.: Машиностроение. 2006. 474 с.

22.Воронцов А. Л. Технологические задачи теории пластичности. Том 2. М.: Машиностроение. 2006. 397 с.

23.Воронцов А. Л. Технологические задачи теории пластичности. Том 3. М.: Машиностроение. 2006. 475 с.

24.Воронцов А.Л., Албагачиев А.Ю., Султан-заде Н.М. Теоретические основы обработки металлов в машиностроении. Старый Оскол: ТНТ (Изд-во Тонкие наукоемкие технологии). 2013. 552 с.

25.Воронцов А. Л., Бодарева А. В. Исследование напряжённого состояния трубной заготовки при её редуцировании с калибровкой отверстия // На-< учные труды II международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». Том 2. М.: ИМАШ РАН. 2012. С. 52-58.

(

27.Воронцов А. Л., Бодарева А. В. Исследование совмещённого процесса ре-дуцирования-дорнования. Определение кинематического состояния заготовки // Производство проката. 2014. № 4. С. 38-43.

28.Воронцов А. Л., Бодарева А. В. Исследование совмещённого процесса ре-дуцирования-дорнования. Определение напряжённого состояния заготовки // Производство проката. 2014. № 5. С. 41-46.

29.Воронцов А. Л., Бодарева А. В. Исследование совмещённого процесса ре-дуцирования-дорнования. Определение деформационно-силовых параметров и условий успешной реализации процесса // Производство проката,. 2014. № 6. С. 34-47.

30.Воронцов А. Л., Бодарева А. В. Исследование совмещённого процесса ре-дуцирования-дорнования. Сопоставление теоретических результатов с новыми экспериментальными данными // Производство проката. 2014. № 7. С. 34-47.

31.Воронцов А. Л., Бодарева А. В. Исследование совмещённого процесса ре-дуцирования-дорнования. Промышленное опробование научных результатов // Производство проката. 2014. № 8. С. 41-47.

32.Воронцов А. Л., Морозов Ю. Д. Теория дорнования отверстий в трубных заготовках // Производство проката. 2006. № 11. С. 22-27.

33.Воронцов А. Л., Султан-заде Н. М., Албагачиев А. Ю. Разработка новой теории резания. 6. Определение основных параметров процесса резания // Вестник машиностроения. 2008. № 6. С. 64-70.

34.Галлагер Р. Метод конечных элементов. М.: Мир. 1984. 428 с.

35.Головин В. А., Дмитриев А. М., Воронцов А. Л. Технология ковки и объемной штамповки. Часть 2. Малоотходная объемная штамповка. Учебник для вузов. М.: Машиностроение. 2004. 434 с.

36.ГОСТ Р 53443-2009. Автомобильные транспортные средства. Пальцы

поршневые двигателей. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Стандартинформ. 2010. 8 с.

37.Девятов В. В., Столбов В. Ю., Леняшин В. Б. Решение задачи напряженно-деформированного состояния металла при выдавливании методом конечных элементов // Совершенствование процессов обработки металлов давлением. М.: ВЗМИ. 1987. С. 45-52.

38.Дмитриев А. М., Воронцов А. Л. Анализ решений, выполненных методом конечных элементов // Производство проката. 2004. № 4. С. 3-11.

39.Дмитриев А. М., Воронцов А. Л. Технология ковки и объемной штамповки. Часть 1. Объемная штамповка выдавливанием. Учебник для вузов с грифом Минобрнауки РФ. Изд. 2-е. М.: Машиностроение. 2005. 500 с.

40.3айдес С. А., Исаев А. Н. Технологическая механика осесимметричного деформирования. Иркутск: Иркутский ГТУ. 2007. 432 с.

41.Исаев А. Н. Проектирование процессов дорнования отверстий трубчатых деталей на основе моделирования геометрии многозубого дорна // Спра^ вочник. Инженерный журнал. 2005. № 2. С. 11-17.

42.Ковка и штамповка. Справочник под ред. Е. И. Семенова. Т. 3. Холодная объемная штамповка. Под ред. Г. А. Навроцкого. М.: Машиностроение. 1987. 384 с.

43.Ковка и штамповка. Справочник под ред. Е. И. Семенова. Т. 3. Холодная объемная штамповка. Штамповка металлических порошков / Е. Г. Белков, Г. В. Бнатян, А. Л. Воронцов и др. М.: Машиностроение. 2010. 352 с.

44.Кроха В. А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации. Справочник. М.: Машиностроение. 1980. 157 с.

45. Лебедев А. Р. Компьютерное моделирование осесимметричного локального нагружения цилиндрических заготовок при дорновании отверстий // Кузнечно-штамповочное производство. 2001. № 5. С. 37-39.

46.Новик Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение. 1980. 304 с.

47.Попов Е. А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение.

49.Проскуряков Ю. Г., Романов В. Н., Исаев А. Н. Объёмное дорнование отверстий. М.: Машиностроение. 1984. 224 с.

50.Проскуряков Ю. Г., Акименко Ю. А., Суханов Э. С. Дорнование отверстий тонкостенных деталей в обоймах // Вестник машиностроения. 1971. № 12. С. 37-41.

51 .Проскуряков Ю. Г., Коваленко Ю. К. Новая технология обработки втулок совместным дорнованием и редуцированием // Вестник машиностроения. 1977. №3. С. 35-38.

52.Проскуряков Ю. Г., Коваленко Ю. К. Совместная обработка втулок по внутренней и наружной поверхностям пластическим деформированием // Вестник машиностроения. 1970. № 12. С. 48-50.

53.Райков И. Я., Рытвинский Г. Н. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания. М.: Высшая школа. 1971. 431 с.

54.Розенберг А. М., Розенберг О. А. Механика пластического деформирова-

«

ния в процессах резания и деформирующего протягивания. Киев. Наукова Думка. 1990. 320 с.

55.Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. Д.: Машиностроение. 1979. 520 с.

56.Семёнов Е. И. Закрытая прошивка с различной толщиной стенки стакана и с различным торцом пуансона // Прогрессивные технологии и оборудование кузнечно-штамповочного производства: Сборник научных трудов международной научно-технической конференции. М.: МГТУ МАМИ. 2003. С. 41-48.

4

57.Семёнов Е. И. Ковка и объёмная штамповка. М.: Высшая школа. 1972. 352 с.

58.Скворцов В. Ф., Охотин И. С., Арляпов А. Ю. Влияние степени толсто-стенности заготовок на процесс дорнования отверстий, выполняемый с

большими натягами // Известия Томского политехнического университета. Томск: Томский ПУ. 2009. Т. 314. № 2. С. 62-65.

59.Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение. 1977. 423 с.

60.Технология конструкционных материалов / А. М. Дальский, Т. М. Барсукова, В. С. Гаврилюк, А. М. Дмитриев и др. М.: Машиностроение. 2005. 592 с.

61.Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. М.: Наука. 1970. 544 с.

62.Холодная объемная штамповка. Справочник / Под ред. Г. А. Навроцкого. М.: Машиностроение. 1973. 496 с.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

/ — функция;

с — константа;

р — радиальная координата торовой системы координат;

ф — тангенциальная координата торовой системы координат;

0 — окружная координата торовой системы координат;

— радиус тора;

Vo — скорость рабочего движения трубчатого пуансона;

vф — скорости течения;

£р> ^ф — скорости линейных деформаций;

Л рф — скорость угловой деформации;

Ь — интенсивность скоростей деформаций;

е, — интенсивность деформаций;

е, — накопленная деформация;

е — основание натурального логарифма;

Е — модуль упругости деформируемого материала;

ар, ае, стф — нормальные напряжения;

трф — касательное напряжение;

а — среднее нормальное напряжение (гидростатическое давление);

ст, — интенсивность напряжений;

— напряжение текучести;

— начальное напряжение текучести (предел текучести);

а™ — конечное напряжение текучести;

— предел прочности;

Р — коэффициент Доде;

Ц — коэффициент трения по напряжению текучести на матрице;

— коэффициент трения по напряжению текучести на дорне;

Р - деформирующая сила; д - удельная деформирующая сила; Рэ - экспериментальная деформирующая сила; Я0 - наружный радиус исходной трубной заготовки; г0 - радиус отверстия исходной трубной заготовки; Но - высота исходной трубной заготовки; Я - наружный радиус втулки после деформации; г - радиус отверстия втулки после деформации; Н - высота готовой втулки или её продеформированной части;

- толщина стенки готовой втулки; V - объём;

а - угол конусности рабочего участка матрицы; у - угол конусности рабочего участка дорна; к - высота калибрующих поясков матрицы и дорна; 5 - рабочий ход пуансона;

Д - радиальное обжатие (перепад радиусов заготовки и втулки); Дпр ~ предельное обжатие за один переход; а0Пт ~~ оптимальный угол инструмента по силе деформирования;

- предельная по жёсткости удельная сила деформирования; Нпр - предельная по устойчивости высота заготовки;

РКр - критическая по устойчивости сила; 3 - момент инерции кольцевого сечения;

85 - относительное остаточное удлинение пятикратного образца; § - расхождение между теоретической и экспериментальной величиной, отнесённое к теоретической величине.

Прил'Эжение

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

«НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

«ЗВЕЗДА»

имени академика Г. И. Северина»

Россия, 140070, Московская обл., пос. Томилино, ул. Гоголя, 39 Тел. [phone] Факс [phone] E-mail: [e-mail] www.zvezda-npp.ru

№

Гмгту им. Н.Э.Баумана, Кафедра МТ-13

105005, г.Москва, ул. 2-я Бауманская , д.5

тел. [phone]

на №

г"

от

П

СПРАВКА

Результаты научной работы «Повышение эффективности изготовления износостойких прецизионных втулок методом совмещения редуцирования и дорнования», выполненной в МГТУ им. Н. Э. Баумана аспирантом А. В. Бодаревой под руководством Заслуженного деятеля науки РФ, профессора, д.т.н. А. Л. Воронцова, прошли технологическую экспертизу, успешно опробованы в ОАО «НПП «ЗВЕЗДА» им. академика Г.И.Северина применительно к созданию нового технологического процесса изготовления втулок ходового вала изделия УПАЗ-1 и намечены к последующему производственному внедрению.

!