Разработка методики проектирования технологического процесса штамповки кольцевых поковок с направленным волокнистым строением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Белокуров, Олег Александрович

• Белокуров, Олег Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белокуров, Олег Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Качество поковок и требования к волокнистому строению.

1.2. Состояние штамповки поковок колец подшипников.

1.2.1. Ковка и штамповка на молотах.

1.2.2. Штамповка на ГКМ.

1.2.3. Штамповка на прессах типа полуавтоматической линии «Вагнер» и многопозиционных горячештамповочных автоматах «Хатебур».

1.2.4. Холодная штамповка из полосы.

1.2.5. Использование прутков и труб.

1.3. Теоретические методы исследования напряжений и деформаций в обработке давлением.

1.3.1. Общие положения.

1.3.2. Метод решения дифференциальных уравнений равновесия совместно с условием пластичности.

1.3.3. Метод линий скольжения.

1.3.4. Метод сопротивления материалов пластическим деформациям.

1.3.5. Метод баланса работ.

1.3.6. Метод верхней оценки.

1.3.7. Метод визиопластичности.

1.3.8. Вариационные (экстремальные) методы.

1.3.9. Численные методы решения.

1.4. Экспериментальные методы исследования напряжений и деформаций в обработке металлов давлением.

I АЛ. Общие положения.

1.4.2. Методы измерения удельных сил на контактных поверхностях и внутри деформируемых тел.

1.4.3. Методы исследования деформированного состояния.

1.5. Выводы по главе 1, уточнение цели и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Методика физического моделирования штамповки поковок колец подшипников.

2.1.1. Общие положения.

2.1.2. Моделирование штамповки поковок колец на ГКМ в пуансоне.

2.1.3. Моделирование штамповки поковок колец на ГКМ в матрице.

2.2. Методика компьютерного моделирования штамповки поковок колец подшипников.

2.2.1. Общие положения.

2.2.2. Моделирование штамповки поковок колец на ГКМ.

2.2.3. Моделирование штамповки поковок колец на прессах типа полуавтоматической линии «ВАГНЕР».

2.3. Методика многофакторного планирования экспериментальных исследований штамповки поковок колец на ГКМ.

2.4. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ С НАПРАВЛЕННЫМ ВОЛОКНИСТЫМ СТРОЕНИЕМ.

3.1. Физическое моделирование штамповки поковок колец подшипников

3.1.1. Моделирование штамповки поковок колец на ГКМ в пуансоне.

3.1.2. Моделирование штамповки поковок колец на ГКМ в матрице.

3.2. Компьютерное моделирование штамповки поковок колец подшипников.

3.2.1. Моделирование штамповки поковок колец на ГКМ в пуансоне.

3.2.2. Моделирование штамповки поковок колец на ГКМ в матрице.

3.2.3. Моделирование штамповки поковок колец на линии «ВАГНЕР».

3.3. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК КОЛЕЦ С НАПРАВЛЕННЫМ ВОЛОКНИСТЫМ СТРОЕНИЕМ.

4.1. Сравнение экспериментальных результатов распределения волокнистого строения с распределением в деталях заводского техпроцесса штамповки поковки кольца на ГКМ по типовой схеме.

4.2. Исследование штамповки поковки кольца методом многофакторного эксперимента.

4.2.1. Результаты физического эксперимента на заготовках из алюминиевого сплава.

4.2.2. Результаты компьютерного моделирования штамповки поковок колец из стали ШХ15.

4.3. Сопоставление полученных результатов.

4.4. Методика проектирования технологического процесса штамповки поковок колец с направленным волокнистым строением.

4.5. Методика проектирования в автоматизированном режиме штамповки поковок колец подшипников на ГКМ.

4.6. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования технологического процесса штамповки кольцевых поковок с направленным волокнистым строением»

Развитие машиностроения и его конкурентоспособность в числе других факторов зависит от качества деталей, из которых состоят машины. В свою очередь качество деталей зависит от качества заготовок. Важнейшими заготовками являются кованые и штампованные поковки и отливки. Кованые и штампованные поковки получают ковкой и объемной штамповкой. Их используют для изготовления наиболее ответственных качественных деталей машин, которые определяют также качество всей машины в целом. Поэтому от качества кованых и штампованных поковок зависит во многом качество изготовляемых машин и их конкурентоспособность.

Получение необходимого качества поковок составляет главную задачу кузнечно-штамповочного производства. Вопросы качества поковок являются многоплановыми и решаются по многим конкретным направлениям.

Традиционные методы получения необходимого качества в настоящее время не всегда удовлетворяют требованиям машиностроения. Особенно это касается деталей с высоконагруженными контактными поверхностями. Это детали типа подшипников, шаровых опор, направляющих и других деталей. Для некоторых деталей играет роль даже незначительное повышение прочности и пластичности, приводящее к существенному повышению предела устойчивости и к повышению стойкости деталей. В этих случаях ранее было установлено влияние макроструктуры на механические характеристики прочности и пластичности относительно направления волокон и действующих вдоль или поперек волокон напряжений, возникающих в деталях при работе машин. Было установлено также, что в местах перехода от стержня к фланцу детали особенное значение имеет благоприятное расположение волокон. Вместе с тем, в настоящее время, методами обработки металлов давлением можно получить практически любую необходимую макроструктуру в поковке и, следовательно, в детали. Таким образом, путем обработки металлов давлением можно получить специально направленное волокнистое строение в поковке.

Направленное волокнистое строение на контактных поверхностях деталей типа направляющих можно получить при ковке (протяжке) или штамповке из проката, с учетом ориентации волокна в нем.

Более сложно решается вопрос получения направленного волокнистого строения в деталях типа колец подшипников и в деталях типа стержня с фланцем или типа стержня с шаровой головкой.

Пользуясь обычными методиками проектирования в этих случаях невозможно получить требуемое направленное волокнистое строение в поковках и, соответственно в деталях.

Здесь необходимо введение автоматизированного компьютерного проектирования, при котором возможно определение изменения волокнистого строения по ходу деформирования на различных этапах штамповки.

В настоящее время нет также систематических данных по стойкости на контактную выносливость в зависимости от угла выхода волокон на контактную поверхность. Необходимо установить также влияние термообработки, а также зависимости механических характеристик от направления волокон в растягиваемых образцах и их связи со стойкостными зависимостями.

Целью работы является разработка ресурсосберегающей технологии производства поковок колец подшипников с направленным волокнистым строением преимущественно вдоль контактных поверхностей детали, обеспечивающим увеличение их срока службы за счет повышения стойкости на контактную выносливость.

Для других поковок можно будет сделать выводы из опыта проектирования штамповки поковок колец подшипников и с учетом полученных зависимостей механических характеристик и стойкости контактных поверхностей от направления волокон по отношению к направлению действия напряжений и к углу выхода волокон на контактные поверхности.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Белокуров, Олег Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что отсутствуют систематические исследования по определению стойкости контактных поверхностей (на контактную выносливость и на истирание) в зависимости от расположения волокон макроструктуры.

В числе факторов, влияющих на качество детали, важным фактором является расположение волокон макроструктуры в поковках (и в деталях) относительно контактных поверхностей.

2. Экспериментальные исследования штамповки поковок колец на ГКМ на моделях из алюминиевого сплава АМц при штамповке в пуансоне и в матрице позволили установить основные факторы, влияющие на волокнистое строение поковки кольца. Наибольшее влияние на высоту участка с выходом волокон под углом к контактной поверхности оказывает высота цилиндрического участка формовочного пуансона. Анализ полученных результатов, высоты участка с выходом волокон под углом к контактной поверхности поковки кольца от формы формовочного пуансона, диаметра заготовки и штамповки в пуансоне или в матрице, позволил установить оптимальные параметры техпроцесса для штамповки поковок с благоприятным волокнистым строением.

3. Компьютерное моделирование штамповки поковки кольца на ГКМ на стали ШХ15 позволило получить исходные данные для разработки методики проектирования штамповки с направленным волокнистым строением кольца. Компьютерное моделирование было подтверждено экспериментальными исследованиями штамповки поковки кольца на ГКМ на моделях из сплава АМц на гидравлическом прессе.

4. Компьютерное моделирование штамповки поковки кольца на прессе типа линии «Вагнер» позволило получить исходные данные для проектирования штамповки с благоприятным волокнистым строением внутреннего кольца железнодорожного подшипника 30-42726л4м.

5. Разработанная методика проектирования технологических процессов штамповки поковок на ГКМ с направленным волокнистым строением рекомендуется для проектирования процесса штамповки поковок внутренних колец железнодорожных подшипников, который обеспечивает благоприятное направление волокнистого строения на рабочей части кольца, что позволяет повысить контактную выносливость и увеличить срок службы кольца минимум в два раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белокуров, Олег Александрович, 2004 год

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

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

3. Семенов Е.И., Зиновьев И.С. Общие требования к волокнистому строению высаженных поковок // Вестник машиностроения. 1977. - №11. -С. 69-71.

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

5. Семенов Е.И., Зиновьев И.С. Формоизменение при высадке в конической полости пуансона // Вестник машиностроения. 1978. - №3. - С. 71-75.

6. Шейн A.C. Влияние ориентировки волокна на контактную усталостную прочность закаленной стали // МиТОМ. 1957. - № 12. - С. 61-66.

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

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

9. Качалов И.Н. О характере и природе разрушения рабочих поверхностей деталей подшипников // Труды ВНИИПП. 1963. - Вып. 3. - С. 16-20.

10. Раузин Я.Р. Влияние макроструктуры металла на контактную выносливость и долговечность подшипников качения // Контактная прочность машиностроительных материалов: Сб. научных трудов. М.: Наука, 1964. -С. 51-55.

11. Колотенков И.В. О некоторых факторах, влияющих на долговечность роликовых подшипников // Труды ВНИИПП. 1965. - Вып. 2. - С. 3-16.

12. Пинегин C.B. Контактная прочность в машинах. М.: Машиностроение, 1965. - 190с.

13. Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистой стали (для подшипников и инструментов). М.: Машиностроение, 1978. - 277с.

14. Матвеев Г.А., Рождественский Ю.Л., Чиркин Д.П. Сопоставительныйанализ технологий производства заготовок колец подшипников // Труды ВНИИПП. 1986. - Вып. 4. - С. 55-66.

15. Жуков В.П., Степанов В.И. Основные направления экономии металла в подшипниковом производстве // Труды ВНИИПП. 1979. - Вып. 4. -С. 3-14.

16. Рожденственский Ю.Л., Чиркин Д.П. О нормировании расхода металла и предельно достижимых коэффициентах использования металла при изготовлении колец подшипников из кузнечных заготовок // Труды ВНИИПП. 1987. - Вып. №2. - С. 115-131.

17. Спицына И.Н. Расчет контактных давлений и деформаций для роликов различного профиля // Машиноведение. 1989. - № 6. - С. 34-37.

18. Исследование процесса штамповки колец подшипников на ГКМ и разработка мероприятий по улучшению технологии: Отчет по НИР / МВТУ им. Н.Э.Баумана; Руководитель Семенов Е.И. №3139. - Москва, 1956. -57с.

19. Разработка технологии штамповки на ГКМ колец ж/д подшипников с получением необходимой макроструктуры: Отчет о НИР / МВТУ им. Н.Э.Баумана: Руководитель Семенов Е.И. АМ-645. - Москва, 1970. -51 с.

20. Adams J.S., Glover D. Improved bearings at lower cost via powder metallurgy // Metal Progress. 1977. - №3. - P. 1123.

21. Безухов Н.И. Теория упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1961. - 536 с.

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

23. Одиноков В.И. Численное исследование процесса деформации материалов бескоординатным методом. Владивосток: Дальнаука, 1995. - 168 с.

24. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением.- М.: Машиностроение, 1971. 424 с.

25. Теория ковки и штамповки / Е.П.Унксов, У.Джонсон, В.Л.Колмогоров и др. М.: Машиностроение, 1992. - 720 с.

26. Соколовский В.В. Теория пластичности. М.: Высшая школа, 1969.- 608 с.

27. Степанский Л.Г. Решение некоторых задач теории обработки металлов // Исследование в области оборудования и технологии штамповки: Сб. научных трудов. М.: Машгиз, 1958. - С. 18-44.

28. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Мир, 1969.- 863 с.

29. Прандтль JI. Примеры применения теоремы Генки к равновесию пластических тел. Теория пластичности. М.: ГИИЛ, 1948. - 452 с.

30. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. М.: Машгиз, 1961. - 463 с.

31. Качанов A.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. - 420 с.

32. Пластическое формоизменение металлов / Г.Я.Гун, П.И.Полухин, ВЛ.Полухин и др. М.: Металлургия, 1968. - 416 с.

33. Джонсон У., Кудо X. Механика процессов выдавливания металлов.- М.: Металлургиздат, 1965. 174 с.

34. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров.- М.: Машиностроение, 1979. -567 с.

35. Томсен Э., Янг Ч., Кобаяши Ш. Механика пластической деформации при обработке металлов давлением. М.: Машиностроение, 1969. - 503 с.

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

37. Тарновский И.Я., Поздеев A.A., Ганаго O.A. Деформации и усилия при обработке металлов давлением. М.: Машгиз, 1959. - 304 с.

38. Колмогоров B.JI., Тарновский И.Я., Ериклинцев В.В. Новый метод расчета напряжений в обработке металлов давлением // Известия вузов. Черная металлургия. 1964. - № 9. - С. 74-92.

39. Тарновский И.Я., Колмогоров B.JT. Расчет напряженного состояния при прокатке вариационными методами // Известия вузов. Черная металлургия. 1964. - № 12. - С. 78-80.

40. Тарновский И.Я. Вариационные методы механики пластических сред в теории обработки металлов давлением // Инженерные методы расчета технологических процессов обработки металлов давлением: Сб. научных работ. М.: Наука и техника, 1963. - С. 45-72.

41. Расчет и проектирование технологических процессов объемной штамповки на прессах / В.Н.Субич, Н.А.Шестаков, В.А.Демин и др.- М.: Изд-во МГИУ, 2003. 180 с.

42. Биба Н.В, Стебунов С.А. QForm: Руководство пользователя. Версия 2.2.- М.: Квантор-Софт, 2001. 65 с.

43. Калачев М.И. Распределение нормальных напряжений в плоскости разъема облойного штампа // Сб. трудов ФТИ АН БССР. 1955. - Вып. 2.- С. 59-65.

44. Северденко В.М., Макушок Е.М. Экспериментальное определение напряженного состояния при выдавливании металла в заусенец // ИФЖ.- i960.- №8. -С. 8-11.

45. Макушок Е.М., Матусевич A.C. Измерение эпюр нормального давления при плоской осадке с восприятием датчиками полного усилия деформации // Пластичность и обработка металлов давлением: Сб. научных трудов. М.: Наука и техника, 1964. - С. 101-120.

46. Макушок Е.М. Исследование напряженно-деформированного состояния при ковке и горячей объемной штамповке: Дисс. . докт. техн. наук.- Минск, 1967. 462 с.

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

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

49. Дюрелли А., Парке В. Анализ деформаций с использованием муара.- М.: Мир, 1974.-359 с.

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

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

52. Дель Т.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1971. - 200 с.

53. Воронцов В.К., Полухин П.И. Фотопластичность. Применение метода к исследованию процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1969. - 400 с.

54. Зиновьев И.С., Семенов Е.И., Рождественский Ю.Л. Улучшение макроструктуры колец подшипников при штамповке на ГКМ // Труды МВТУ им. Н.Э.Баумана. 1973. - №163. - С. 185-193.

55. Семенов Е.И. Штамповка внутренних колец конических подшипников на ГКМ в пуансоне с подпрессовкой при прошивке // Труды МВТУ им. Н.Э.Баумана. 1960. - №98. - С. 147-173.

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

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

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

59. Биба Н.В., Лишний А.Н., Стебунов С.А. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2001.- №5. С. 39-44.

60. Семенов Е.И., Белокуров O.A., Гудов A.A. Разработка вариантов технологических процессов штамповки колец подшипников путем математического моделирования // Технология металлов. 2002. - №7. - С. 5-11.

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

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

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

64. Берлет Ю.Н., Филимонов Ф.И., Егоров H.A. Автоматизация проектирования технологии штамповки поковок на горизонтально-ковочных машинах. Ульяновск: Изд-во УГТУ, 1999. - 64 с.ié