Разработка методики проектирования штамповки коленчатых валов с направленным волокнистым строением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат технических наук Майстров, Юрий Владимирович

• Майстров, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Майстров, Юрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ, УТОЧНЕНИЕ ЦЕЛИ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧРАБОТЫ*

1.1. Технологические процессы штамповки коленчатых валов

1.2. Влияние волокнистого строения на эксплуатационную 19 стойкость детали. Анализ технологических процессов штамповки

1.3: Теоретические методы исследования в обработке давлением

1.4. Экспериментальные методы исследования в обработке 36 давлением.

Г. 5. Теоретические основы процесса гибки

1.6. Выводы, уточнение цели и постановка задач работы

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ»

2.1. Методика экспериментальных исследований

2.2. Физическое моделирование процесса гибки

2.3. Исследование формоизменения заготовки при гибке

2.4. Компьютерное моделирование процесса гибки

2.5. Исследование макроструктуры поковки, при гибке

2.6. Компьютерное моделирование распределения волокон макроструктуры при гибке

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАНОГО СОСТОЯНИЯ* И*

ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ГИБКЕ

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ПОКОВОК

КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ, С НАПРАВЛЕННЫМ ВОЛОКНИСТЫМ

СТРОЕНИЕМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования штамповки коленчатых валов с направленным волокнистым строением»

В настоящее время актуальной задачей является повышение технико-экономических показателей отечественного машиностроения в целом и конкурентоспособности продукции машиностроительного производства путем повышения качества, надежности и увеличения срока службы деталей машин.

Одним из основных методов получения заготовок для изготовления ответственных деталей, которые определяют надежность и качество машины в целом, является горячая объемная штамповка. Горячей объемной штамповкой изготавливают поковки различных конфигураций с минимальными трудозатратами и с наименьшим расходом металла. Как правило, достигают также минимальных энергозатрат. Особенно эффективно применение горячей объемной штамповки при массовом и крупносерийном производстве.

Получение качественных поковок главная задача кузнечно-штамповочного производства. Вопросы качества поковок являются многоплановыми и решаются в различных направлениях. Однако' в настоящее время горячая объемная штамповка не всегда обеспечивает требуемое качество поковок, которое удовлетворяло бы современным требованиям машиностроения. Особенно это можно отнести к поковкам из стали, из которых изготавливают высоконагруженные ответственные детали типа коленчатых валов, подшипников, шаровых пальцев и различных направляющих[1].

Ранее проведенными исследованиями было установлено, что повышение эксплуатационной стойкости и долговечности таких деталей в значительной степени связано с распределением волокнистого строения материала относительно рабочей контактной поверхности [2-4].

Таким образом, одним из факторов, определяющих качество поковок и стойкость изготавливаемых из них деталей, является направленное распределение волокнистого строения в стальной поковке, т.е. ее макроструктура.

Вместе с тем, при горячей штамповке можно получить практически любое, заранее заданное направленное волокнистое строение поковки в определенном месте (поверхности) поковки, т.е. в том месте, где при работе детали получается износ трением.

Вопрос получения направленного волокнистого строения при штамповке поковок коленчатых валов недостаточно" изучен. При использовании обычных методик проектирования технологических процессов штамповки зачастую невозможно получить требуемое направленное волокнистое строение в отдельных, наиболее изнашиваемых поверхностях деталей (соответственно поковок) [5-7].

Коленчатый вал является одной из основных деталей конструкции двигателя- автомобиля,, от надежности и долговечности работы, которого зависит безаварийная и безотказная эксплуатация автомобиля. Эти детали выходят из строя в основном вследствие значительного- изнашивания рабочих контактных поверхностей - шатунных и коренных шеек, которое приводит к появлению высоких ударных нагрузок в месте соединения с шатуном и центральных опорах крепления вала двигателя.

Наиболее распространенным способом изготовления поковок коленчатых валов является горячая объемная» штамповка на молотах и кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП). Возможность проведения эффективной штамповки заготовок зависит от различных факторов:, исходное состояние и механические свойства деформируемого металла, способ перераспределения металла при штамповке, конфигурация инструмента, состояние рабочей поверхности инструмента (шероховатость, наличие смазочного материала и его вид).

При этом необходимо отметить недостаточную изученность и сложность технологических процессов штамповки поковок коленчатых валов, а также ограниченность литературных данных об особенностях формоизменения; напряженно-деформированного состояния- (НДС) и определении энергосиловых параметров. Отсутствуют четко сформулированные требования к волокнистому строению поковок коленчатых валов, отсутствуют практические рекомендации по проведению штамповки с направленным волокнистым строением и равномерным распределением волокон в шейках коленчатого вала.

В связи с вышеперечисленным можно считать, что вопросы исследования особенностей формоизменения и получаемого распределения волокнистого строения по сечению, напряженно-деформированного состояния и энергосиловых параметров при штамповке поковок коленчатых валов, которые относятся к высоконагруженным деталям ответственного назначения, являются актуальными и требуют специального изучения.

Такие исследования позволят проектировать технологические процессы горячей объемной штамповки поковок коленчатых валов с направленным распределением волокнистого строения, что сможет значительно повысить резервы работоспособности и долговечности изготавливаемых деталей.

Целью работы является разработка методики проектирования технологических процессов штамповки на КГШП поковок коленчатых валов с направленным волокнистым строением путем теоретических и экспериментальных исследований формоизменения и волокнистого строения с применением компьютерного моделирования.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Майстров, Юрий Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В наиболее распространенных технологических процессах штамповки поковок коленчатых валов, в виду сложности течения металла при заполнении гравюр штампа, при проектировании не учитывается расположение волокон макроструктуры в поковке, что может приводить к выходу волокон на рабочие контактные поверхности, и как следствие, к более раннему износу детали в местах шатунных шеек при эксплуатации вала.

2. Разработанная методика экспериментального исследования предварительной операции гибки с силовым замыканием шатунных шеек при штамповке поковок типа коленчатый вал, включающая методику проведения физического моделирования, методику изготовления и травления макрошлифов для исследования волокнистого строения при гибке, а также компьютерное моделирование процессов гибки и штамповки позволит исследовать распределение волокон макроструктуры в поковке на заготовительной операции.

2. Установлены относительные величины и интервалы их исследования, влияющие на стабильность протекания процесса гибки в штампе с силовым замыканием шатунных шеек и- искажение волокон макроструктуры поковки, которыми являются: относительные радиусы гибки rj/D и r2/D в интервале от 0,018 до 0,071 , относительный диаметр шейки вала d/D в интервале от 0,5 до 1, относительный радиус кривошипа вала (эксцентриситет вала) h/D в интервале от 0,178 до 0,536.

3. Разработанные математические модели процесса гибки, позволяют определить возможность использования данной технологии для проведения гибки при штамповке поковок коленчатых валов на этапе проектирования техпроцесса.

4. Экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность разработанных математических моделей определяющих оптимальные технологические параметры процесса гибки. Установлена область допустимых значений относительного диаметра шейки и относительного радиуса кривошипа, при которых будет выполнятся гибка при различных относительных радиусах гибки без наличия дефектов в поковке. Для ri/D=0,072 область находится ниже графика линейной зависимости от d/D=0,5 и h/D=0,43 до d/D=l и h/D=0,84. При ri/D=0,036 и rx/D=0,018 допустимые значения h/D снижаются на 12% и 33% соответственно.

5. Разработанная методика проектирования технологического процесса штамповки поковок коленчатых валов на основе установленных относительных величин и математических моделей, позволит спроектировать технологические процессы изготовления коленчатых валов с направленным волокнистым строением и получить экономию металла.

6. Спроектирован техпроцесс штамповки двухколенного коленчатого вала Д21-1005015A3. Получено ориентированное строение макроструктуры в поковке и выход волокон на контактную поверхность под углом не превысил 10° и достигнута экономия металла на 12.3% в следствие отсутствия течения металла в облой в местах шатунных шеек вала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Майстров, Юрий Владимирович, 2011 год

1. Раузин Я.Р: Влияние макроструктуры металла на контактную выносливость и долговечность подшипников качения // Контактная прочность машиностроительных материалов: Сб. научных трудов. М.: Наука, 1964.7 С. 51-55.

2. Шейн A.C. Влияние ориентировки, волокна на контактную усталостную прочность закаленной стали // МиТОМ. 1957. - № 12. - С. 6166.

3. Лавриненко В.Ю. Разработка методики автоматизированного проектирования процессов высадки поковок типа стержня с шаровой головкой с направленным волокнистым строением: Дис. . канд. техн. наук. -М., 2004. -245с.

4. Расчет и проектирование технологических процессов объемной штамповки на прессах: Учебное пособие / В.Н. Субич, H.A. Шестаков, В.А. Демин и др. М.: МГИУ, 2003. - 180 с.

5. Объемная штамповка. Атлас схем и типовых конструкций штампов: Уч. пособие для машиностроительных вузов / Бабенко В.А., Бойцов В.В., ВоликЮ.П. -М.: Машиностроение, 1982. 104 с.

6. Ковка и штамповка: Справочников 4-х т.).- М.: Машиностроение, 1986. Т.2 - Горячая штамповка / Под ред. Е.И. Семенова. - 592с.

7. Брюханов А.Н. Ковка и объемная штамповка. М.: Машиностроение. 1975. 407 с.

8. Ковка wобъемная штамповка стали: Справочник; В 2-х томах / Под ред. М.В. Сторожева. -М.: Машиностроение, 1967. Т.2. - с.464.

9. Маркин П. В. О формоизменении заготовки при штамповке коленчатых валов методом гибки с высадкой // Вестник машиностроения. 1986. -№ 12.

10. Rut Т., Walczyk W // Ulepszona metoda TR* kucia pojedynczych wykorbieñ walów pólskladanych do wolnoobrotowych' silników Diesla. Obróbka Plastyczna Metali t. XIX nr 3. 2008: S 19-33.

11. Петров П.А., Синчак Ян, Лукашек-Солек А., Беднарек С. Моделирование' процесса ковки щеки кривошипа составного коленчатого вала // Известия ТулГУ. Сер. «Механика деформируемого твердого тела.». 2005. Вып. 2. С. 60-70¿

12. Патент №2241567 « Штамп для, горячей штамповки коленчатого, вала», Семенов Е.И., Крук А.Т., Соков В.И1, Дибнер Ю.А., Мороз В .Я/ 2004.

13. Колотенков И.В. К вопросу о влиянии макроструктуры^металла на долговечность подшипников качения»// Труды ВНИИПП. 1962. - Вып. 3. -С. 3-16.

14. Колотенков И:В. К вопросу о влиянии макроструктуры металла на долговечность подшипников качения // Труды ВНИИПП. 1965. - Вып. 2.1. С. 5-17.

15. Колотенков И.В. К вопросу о повышении долговечности подшипников// Технология подшипникостроения. 1959. - Вып. 18. - С. 6-10.

16. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. -М.: Металлургия, 1976. 420 с.

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

18. Пинегин C.B. Контактная прочность и сопротивление качению. -М. ."Машиностроение, 1969. 242с.

19. Драйгор Д.А. Износостойкость и усталостная прочность стали в зависимости от условий обработки и процесса трения. Киев: АН УССР, 1959.-c.233.

20. Дьяченко П.Е., Смушкова Т.В. Износостойкость и остаточные напряжения в поверхностных слоях металла // Изв. ОТН АН СССР. 1954. -№ 4.- С.45-58

21. Мошнин E.H. Гибка обтяжка и правка на прессах М.: Машгиз, 1959 359 с.

22. Зиновьев И.С. Исследование формоизменения и волокнистого строения при наборной высадке: Дис. . канд. техн. наук. М., 1973. - 220 с.

23. Юсипов З.И., Каплин Ю.И. Обработка металлов давлением и конструкции штампов. М.: Машиностроение, 1981. - 272 с.

24. Навроцкий Г.А. Кузнечно-штамповочные автоматы. М.: Машиностроение, 1965. - 424с.

25. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением: Справочник. М.: Металлургия, 1973. -224 с.

26. Беккерт М., Клемм X. Способы металлографического травления. -М.: Металлургия, 1988. 400с.

27. Лаборатория металлографии / Е.В. Панченко, Ю.А. Скаков, К.В. Попов и др. М.: Госуд. научно - технич. изд-во литературы по черной и цв. металлургии, 1957. - 46с.

28. Коваленко B.C. Металлографические реактивы. М.: Металлургия, 1970.- 133с.

29. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шеффер и др: (пер. с нем.). М.: Мир, 1977. -552с.

30. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования^ экспериментов. — М. София: Машиностроение - Техника, 1980: - 304с.

31. QForm 2Т>/УО: Руководство пользователя. Версия; 5.1. М.: ООО КванторФорм., 1993 -2010: - 65 с.

32. Теория ковки и штамповки: Учеб. пособие / Е.Г1. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др.; Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова-М. ¡Машиностроение, 1992.- 720с. .,

33. Чиченев Н.А.,, Кудрин. А.Б., Полухин П.И. Методы исследования процессов обработки-металлов давлением. М.: Металлургия, 1977. - 311 с.

34. Биба Н.В;, Лишний А.И., Стебунов С.А. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки // Кузнечно-штамповочное производство: Обработка5 металлов давлением: -2001. -№5. — С.39-44. :

35. Махнач В.И. Моделирование и оптимизация в САПР технологических процессов кузнечно-штамповочного: Дис. .докт. техн. наук. -Минск, 1995.-286с.

36. Ребельский А.В;, Брюханов А.Н. Горячая штамповка. Конструирование и расчет штампов. М.: Машгиз, 1952. - 664с.

37. Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства. — М.: Машиностроение, 1976. 560 с.

38. В.Я Щукин, Г.В. Кожевников, А.О. Рудович. Новое в поперечно-клиновой прокатке // Кузнечно-штамповочное производство. 1999. -№3. -С.35-37.

39. Банкетов А.Н. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование: М.: Машиностроение, 1970. - 602 с.

40. Штамповка поковок с направленным волокнистым строением / O.A. Банных, В.Ю. Лавриненко, Е.И. Семенов и др. // Вестник машиностроения. -2000.-№10.-С. 33-37.

41. Тетерин Г.П., Полухин П.И: Основы оптимизации и автоматизации проектирования технологических процессов горячей объемной штамповки. -M.': Машиностроение, 1979. 284 с. .

42. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. -М.: Наука, 1977. 223 с.

43. Domblesky J.P. Computer Simulation and Die Stress Analysis // Fastener Technology International. 1998. - №12. - P. 40-42.

44. Feretti M. Bildschhirmarbeit: CAD und Simulations-verfahren erleichter Konstruktion von Schmiedeteilen // Maschinenmarkt. 1994. - № 49. - S. 42-44.

45. Воронцов B.K., Полухин П.И. Фотопластичность. Применение метода к исследованию процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1969. - 400 с.

46. Каледин Б.А. Оценка деформированного состояния заготовок при поперечной ковке с помощью физических полей, линий скольжения // Кузнечно-штамповочное производство. 1969. - №1. - С. 3-6.

47. Теория обработки металлов давлением / И.Я.Тарновский, А.А.Поздеев, О.А.Ганаго и др. М.: Металлургиздат, 1963. - 672 с.

48. Ренне И.П. Экспериментальные методы исследования пластического формоизменения в процессах обработки давлением с помощью делительной сетки. Тула: Изд-во ТПИ, 1970. - 148 с.

49. Ренне И.П. Теория конечных деформаций и экспериментальных методов исследования деформированного состояния. Тула: Изд-во ТЛИ, 1985. - 76 с.

50. Тарновский И.Я., Поздеев A.A., Ганаго O.A. Деформации и усилия при обработке металлов давлением. М.: Машгиз, 1959. - 304 с.58: Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Мир, 1969. - 863 с.

51. Одиноков В.И. Численный метод решения дифференциальных уравнений пластического течения // Прикладная механика. 1973. - № 12. -С. 64-70.

52. Штамповка поковок с направленным волокнистым строением / О.А.Банных, O.A. Белокуров, В.М.Блинов и др. // Вестник машиностроения. -2000.-№10.-С. 33-37.

53. Биллигман И. Высадка и штамповка: Пер. с нем. М.: Машгиз, 1960.-467с.

54. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением / А.Н. Леванов, В.Л. Колмогоров и др. М.: Металлургия, 1976, - 416с.

55. ГОСТ 18970-84. Обработка металлов давлением. Операции* ковки и штамповки. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1992. - 35 с.

56. ГОСТ 4784-97. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. М.: Изд-во стандартов, 2000. - 18 с.

57. Нефедов А.П. Конструирование и изготовление штампов. М.: Машиностроение, 1973. - 408 с.

58. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. MI: Мир, 1979.-392 с.

59. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1968. - 272 с.

60. Пинегин С.В. Контактная прочность и сопротивление качению. -М.: Машиностроение, 1969. 242с." • 152

61. Дьяченко П.Е., Смушкова Т.В. Износостойкость и остаточные напряжения в поверхностных слоях металла//Изв. ОТН АН СССР: 1954. -№ 4. — С.45-58.

62. Кривошипные кузнечно-прессовые машины / В.И. Власов, А.Я. Борзыкин, И.К. Букин-Батырев и др.; Под ред. В.И. Власова М.: Машиностроение, 1982. - 424 с.

63. Ковалькова И.Н. Автоматизация проектирования объекта* заготовительно-штамповочного производства деталей сложной : Дис.канд. техн. наук.- Самара, 2000: — 156с.

64. Иванюк А.В. Разработка методики автоматизации проектирования технологических процессов горячее штамповочного: Дис.канд. техн. наук. -М:, 1988.-209с.

65. Польцер. Г., Майсснер Ф: Основы трения: и изнашивания;;: Пер. с нем. М:: Машиностроение, 1984: 264с. .

66. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин: Учеб. пособие^ для машиностр. спец., вузов. — М:: Высшая школа, 1991. — 319 с.

67. РомановК.И. Механика горячего формоизменения металлов М:: Машиностроение, 1993. 240 с.

68. Чудин В.Н., Поликарпов Е.Ю. Изгиб с растяжением . нагретых элементов оболочек // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. №5. С. 17-21. .

69. Чудин В.Н., Поликарпов Е.Ю. Оценка критических условий;гибки с растяжением // Заготовительные производства в машиностроении. 2008;. №7. С. 28-30. ;

70. Крук А.Т., Дибнер Ю.А. Автоматизация процессов изготовления поковок коленчатых . валов ' // Заготовительные производства в машиностроении. 2006. №4. С. 22-24.

71. Крук А.Т. Производство поковок коленчатых валов автомобильных двигателей // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка- металлов давлением. 2002! №12. С. 7-14.

72. Adlof W.W. Neuere Entwicklungen bei geschmiedeten Kraftfahrzeung-Kurbelwellen// Schmiede-Journal. 2001. September. P. 14-17.

73. Смирнов B.K., Литвинов К.И., Харитонин C.B. Применение горячей вальцовки заготовок в кузнечно-штамповочном производстве // Заготовительные производства в машиностроении. 2006. №4. С. 25-35.

74. Абашкин В.П., Соломонов К.Н. Классофикация методов моделирования процессов обработки металлов давлением // Известия' высших учебных заведений. Черная металлургия. 2008. №9. С. 25-28.

75. Кутяйкин« В.Г., Кутяйкин О.В. Распределение макроструктуры при различных видах объемной, штамповки деталей // Материаловедение и металлургия. Труды НГТУ. 2007. С. 90-94.

76. Chien W.Y., Pan J., Clone D., Но S. Fatigue Analysis of Crankshaft Sections.under Bending with Gonsideration of Residual Stresses //International Journal of Fatigue.-27 (2005). Р. 1' -19.

77. Герасимов C.A. Научные основы разработки, технологических процессов азотирования конструкционных легированных сталей, обеспечивающих повышение работоспособности изнашивающихся сопряжений машин: Дис. .докт. техн. наук. М., 1997. - 563с.

78. Коваленко B.C. Металлографические реактивы. М.: Металлургия, 1970.- 133с.

79. Калпин Ю.Г., Перфилов В.И., Петров П.'А. Сопротивление деформации и пластичность металлов при обработке давлением М.: МГТУ МАМИ, 2005. — 113 с.

80. Дьяконов В. MATHCAD 8/2000. Специальный справочник СПб: Питер, 2000. - 592 с.

81. Дмитриев, A.M. Методы факторного планирования эксперимента в обработке давлением: учебное пособие для вузов / A.M. Дмитриев, Н.В. Коробова, В.П. Ступников. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 105с.

82. Семенов Е.И., Майстров Ю.В. Новая заготовительная операция гибки для- штамповки коленчатых валов// Заготовительные производства в машиностроении. 2011. - №9: - С. 15-18.

83. Крук- А.Т. Разработка научно обоснованных технологических решений по повышению точности поковок, создание на их базе и промышленное внедрение тяжелых кривошипных горячештамповочных прессов: дисс. .докт. техн. наук.-Воронеж, 2006.^435 с.

84. Богданов Э.Ф. Повышение стабильности и эффективности процессов штамповки // Кузнечно-штамповочное производство.-1985.-№4-С Л 9-21.

85. Беркман А. Усталостные разрушения« коленчатых валов // Автомобильный транспорт. 1983. - № 10.

86. Виноградов. В. Н. и др. Абразивное изнашивание. М.: Машиностроение, 1990.

87. Гуляев А. П. Металловедение: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986.

88. Кузнецов Н. Д. и др. Технологические методы повышения надежности деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1993.

89. Мирза А. И. Причины поломок коленчатых валов1 дизеля 2Д100 // Вестник ВНИИЖТ.- 1962.-№3. i 52. Мороз JI. Механика и физика деформаций и разрушения материалов. -Д.: Машиностроение, 1984.

90. Тонн Г. А., Лорошенко А. Г. Нагруженность коленчатых валов дизелей // Техника в сельском хозяйстве. 1991. - № 2.

91. Фрепдин А. Г. и др. Оптимизация конструктивных параметров коленчатого вала // Вестник машиностроения. 1984. - № 10.г*1.«8