Совершенствование процесса получения цилиндрических заготовок из среднеуглеродистых сталей с глухой профилированной полостью на автоматизированной линии винтовой прокатки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Культешова Вера Владимировна

• Культешова Вера Владимировна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Культешова Вера Владимировна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК С ГЛУХОЙ ПРОФИЛИРОВАННОЙ ПОЛОСТЬЮ

1.1. Способы производства цилиндрических заготовок малого диаметра с глухой профилированной полостью

1.2. Автоматизированная линия винтовой прокатки для производства цилиндрических заготовок малого диаметра с глухой профилированной полостью методом горячей прошивки на стане поперечно-винтовой прокатки

1.3. Требования к качеству цилиндрических заготовок малого диаметра из среднеуглеродистых сталей с глухой профилированной полостью

1.4. Условия и причины образования дефектов металла при поперечно-винтовой прокатке цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью

1.5. Термообработка среднеуглеродистых сталей на автоматизированной линии винтовой прокатки

1.6. Цель и задачи исследования

1.7. Выводы по Главе 1 26 ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОШИВКИ НА ТРЕХВАЛКОВОМ СТАНЕ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ, ПРОТЯЖКИ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВКАХ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПРОШИВКИ 27 2.1. Выбор метода решения технологических задач обработки металлов давлением

Стр.

2.2. Выбор модели материала и допущения при решении механической задачи обработки металлов давлением

2.3. Постановка решения тепловой и связанной задач обработки металлов давлением

2.4. Выбор схемы и режимов прошивки для обеспечения наилучшего качества внутренней поверхности полости заготовки

2.5. Конечно-элементная модель процесса прошивки цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью

2.6. Конечно-элементные модели процесса протяжки цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью и тепловой задачи

2.7. Выводы по Главе 2 57 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК С ЧИСТОВОЙ ГЛУХОЙ ПРОФИЛИРОВАННОЙ ПОЛОСТЬЮ

3.1. Экспериментальные исследования процесса получения цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной полостью

3.2. Анализ точности полученных цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной полостью

3.3. Выводы по Главе 3 76 ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА И ВЫБОР РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК С ЧИСТОВОЙ ГЛУХОЙ ПРОФИЛИРОВАННОЙ ПОЛОСТЬЮ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЗАДАННОГО УРОВНЯ СВОЙСТВ

4.1. Методы исследования структуры и механических свойств заготовок

4.2. Исследование структуры и механических свойств цилиндрических заготовок из стали 50 в состоянии поставки

Стр.

4.3. Исследование структуры и механических свойств цилиндрических заготовок из стали 50 с чистовой глухой профилированной полостью после прошивки, протяжки и охлаждения на воздухе

4.4. Исследование структуры и механических свойств цилиндрических заготовок из стали 50 с чистовой глухой профилированной полостью после прошивки, протяжки и охлаждения в закалочной среде

4.5. Выводы по Главе 4 90 ГЛАВА 5. ВНЕДРЕНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ИЗ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ С ЧИСТОВОЙ ГЛУХОЙ ПРОФИЛИРОВАННОЙ ПОЛОСТЬЮ НА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ЛИНИИ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

5.1. Проектирование технологического инструмента для производства цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной полостью с прокатного нагрева

5.2. Определение температуры нагрева заготовок перед прошивкой на стане поперечно-винтовой прокатки для термообработки на сорбит с прокатного нагрева

5.3. Отработка серийной технологии производства цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной полостью на установочной партии

5.4. Технико-экономические показатели внедрения усовершенствованной технологии производства цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной полостью с прокатного нагрева

5.5. Выводы по Главе 5 119 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 120 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 122 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса получения цилиндрических заготовок из среднеуглеродистых сталей с глухой профилированной полостью на автоматизированной линии винтовой прокатки»

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроении широкое применение находят цилиндрические детали с глухой профилированной полостью, например, корпуса изделий специального назначения [1]. Способы получения таких деталей определяются маркой материала и, как правило, являются комбинацией методов холодной штамповки и обработки резаньем. При этом обработке резаньем подвергаются заготовки из средне- и высокоуглеродистых, легированных сталей, что приводит к низкому коэффициенту использования материала (КИМ) и высокой трудоемкости и, как следствие, росту себестоимости их изготовления, высокой энергоемкости производства [1-7].

Наиболее перспективным и эффективным методом изготовления заготовок из среднеуглеродистых сталей с глухой профилированной полостью является горячая прошивка на трехвалковом стане поперечно-винтовой прокатки (ПВП), встроенном в автоматизированную линию винтовой прокатки (АЛВП) [1, 5, 8-13].

На данной линии возможно получать заготовки из средне- и высокоуглеродистых, легированных сталей за несколько переходов с прокатного нагрева, включая термическую обработку, чего нельзя обеспечить методами холодной штамповки. Однако, существующий способ обработки на стане ПВП имеет недостатки, приводящие к необходимости проведения дополнительных операций и, как следствие, затратам, которые не позволяют использовать данную технологию в промышленных масштабах [1].

К основным недостаткам существующего процесса следует отнести геометрическую неточность изготовления, что приводит к необходимости обработки резаньем внутренней полости и увеличению припусков на обработку; наличие неоднородной структуры металла, что обусловливает значительное различие механических свойств в цилиндрической и донной частях и требует специальной термической обработки деталей [1, 14-18].

Помимо прочего, описанные проблемы усугубляются наличием скудной информации по технологии горячей прошивки на станах ПВП заготовок из

среднеуглеродистых сталей с глухой полостью, а также условиями проведения термообработки этих сталей для достижения требуемых механических свойств, с учетом проведенных ранее операций обработки металлов давлением (ОМД).

Таким образом, перспективы развития технологии получения цилиндрических заготовок из среднеуглеродистых сталей с глухой профилированной полостью связаны с совершенствованием существующих процессов производства, а снижение трудоемкости и себестоимости получения таких заготовок при серийном производстве методом ПВП является актуальной задачей.

Цель работы. Совершенствование технологии производства цилиндрических заготовок малого диаметра (20...60 мм) из стали 50 с глухой профилированной полостью на АЛВП.

Научная новизна работы: _ разработана конечно-элементная (КЭ) модель процесса горячей прошивки цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью из стали 50 на трехвалковом стане ПВП, основанная на вязкопластической модели материала, упрочняющейся по закону Купера-Саймондса;

_ аналитически определены параметры модели упрочнения Купера-Саймондса для стали 50 при горячей ОМД (ГОМД);

_ предложен метод расчета температурных полей в заготовке на стадиях прошивки и протяжки с учетом нагрева металла за счет пластической деформации и реальных условий теплообмена заготовки с окружающей средой и инструментом; _ установлены зависимости механических свойств стали 50 после термообработки на сорбит от температуры нагрева и концентрации охлаждающего раствора закалочной жидкости «Термовит-М» по ТУ 2219-045-23763315-2007; _ выявлено, что микроструктура заготовок из стали 50 после горячей прошивки на трехвалковом стане ПВП и протяжки соответствует микроструктуре материала в состоянии поставки (горячекатаный подкат) и представляет собой крупнодисперсную перлитную структуру с величиной зерна 8 баллов.

Практическая значимость работы. Усовершенствована и внедрена технология и оборудование прошивки и протяжки цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью из среднеуглеродистых сталей массой 0,5...3 кг диаметром 20...60 мм длиной 100...200 мм на Богородском филиале АО «НПО «Прибор имени С.С. Голембиовского», г. Ногинск, что позволило решить вопрос снижения трудоемкости и себестоимости производства за счет исключения операции обработки резаньем внутренней профилированной полости и обеспечения требуемых механических свойств с прокатного нагрева.

Методология и методы исследований базируются на теории ОМД и численном анализе, основанном на методе конечных элементов (МКЭ). Экспериментальные исследования проводились на АЛВП АО «НПО «Прибор» имени С.С. Голембиовского». Разработка прошивного и калибровочного инструмента осуществлялась по результатам КЭ-моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовок во время горячей прошивки, на основе экспериментальных данных и положений проектирования.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась проведением большого объема физических экспериментов с использованием стандартных методов, средств измерений и высокоточного оборудования; применением современных методов исследований, включающих численное моделирование.

Личный вклад. Соискатель непосредственно участвовал в постановке диссертационной работы, формулировке цели и задач, планировании, организации и проведении натурных экспериментов и численных исследований, обработке и анализе полученных данных, а также во внедрении результатов работы.

Положения, выносимые на защиту:

- КЭ-модель процесса прошивки заготовок из стали 50 на трехвалковом стане ПВП и метод расчета температурных полей в заготовке перед сорбитизацией в зависимости от температуры нагрева перед прошивкой и условий проведения операций ОМД;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований получения цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью на АЛВП;

- результаты исследования качества металла заготовок из стали 50 и условий проведения термообработки для получения заданной микроструктуры и механических свойств;

- усовершенствованный технологический процесс (ТП), оснастка и инструмент для промышленного изготовления цилиндрических заготовок малого диаметра из стали 50 с глухой профилированной полостью.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и конгрессах: 44 научно-техническая конференция (НТК) «Проектирование систем». М. (МГТУ им. Н.Э. Баумана), 2017; 45 НТК «Проектирование систем». М. (МГТУ им. Н.Э. Баумана), 2018; 15 международный конгресс сталеплавильщиков. Тула. 2018; 29 Всероссийская конференция научно-технической школы-семинара «Передача, прием, обработка и отображение информации о быстропротекающих процессах». Сочи. 2018; 46 НТК «Проектирование систем». М. (МГТУ им. Н.Э. Баумана), 2019; научный семинар кафедры оборудования и технологий прокатки МГТУ им. Н.Э. Баумана». М. (МГТУ им. Н.Э. Баумана), 2019; 47 НТК «Проектирование систем». М. (МГТУ им. Н.Э. Баумана), 2020; 48 НТК «Проектирование систем». М. (МГТУ им. Н.Э. Баумана), 2021.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 научных трудах, 3 из которых в изданиях из Перечня ВАК РФ и 2 в изданиях из международной базы данных Scopus.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и результатов работы, списка сокращений и условных обозначений, словаря терминов и списка литературы из 165 отечественных и зарубежных авторов. Текст работы содержит 139 страниц машинописного текста, включая 18 таблиц и 81 рисунок.

Диссертационная работа выполнена на кафедре оборудования и технологий прокатки МГТУ им. Н.Э. Баумана, в отделе технологий производства службы главного технолога АО «НПО «Прибор» им. С.С. Голембиовского».

ГЛАВА 1.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ

ЗАГОТОВОК С ГЛУХОЙ ПРОФИЛИРОВАННОЙ ПОЛОСТЬЮ

1.1. Способы производства цилиндрических заготовок малого диаметра

с глухой профилированной полостью

В настоящее время цилиндрические заготовки с глухой профилированной полостью изготавливают методами многопереходной холодной штамповки на прессовом оборудовании из калиброванной низкоуглеродистой стали, обработки резаньем на автоматических и универсальных станках из калиброванного нагартованного проката из среднеуглеродистой стали либо горячей прошивкой из горячекатаной стали на станах ПВП [1-13].

Технология многопереходной холодной штамповки заключается в формировании внутренней полости многопереходным выдавливанием из прутковой заготовки низкоуглеродистой стали, например, стали 15ФЮА. Сталь этой марки, модифицированная алюминием и ванадием, хорошо объемно-пластически деформируется при холодном выдавливании и нагартовывается для придания требуемых нормативно-технической документацией (НТД) механических характеристик изделий. На Рисунке 1.1 представлены примеры заготовок, изготовленных методом холодной штамповки.

Рисунок 1.1 - Заготовки с глухой профилированной полостью, изготовленные

методом холодной штамповки

Недостатком этого способа изготовления является высокая трудоемкость и себестоимость изготовления деталей вследствие большого количества прессовых, термических, химических, транспортных, контрольных и других технологических операций; высокой энергоемкости, потребности в значительных производственных площадях для организации ТП. Помимо этого, существенным недостатком данной технологии является высокая себестоимость получения заготовок из среднеуглеродистых сталей [2-7].

Технология обработки резаньем цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью из сталей любых марок, обеспечивающая требуемый комплекс механических свойств в серийном производстве, выполняется на автоматических и универсальных металлорежущих токарных станках путем обточки наружной поверхности, сверления и расточки внутренней профилированной полости [19, 20]. На Рисунке 1.2 представлены заготовки, изготовленные обработкой резаньем.

Рисунок 1.2 - Заготовки с глухой профилированной полостью, изготовленные

методом обработки резаньем

К недостаткам способа обработки резаньем относят низкий КИМ (0,3 для изделий малого диаметра), высокую трудоемкость, особенно на операциях сверления и расточки внутренней полости, и, как следствие, увеличение себестоимости продукции. Именно эти недостатки не позволяют применять обработку резаньем для получения заготовок с внутренней глухой профилированной полостью в промышленных масштабах.

Изготовление цилиндрических заготовок из любых марок сталей и сплавов с глухой профилированной полостью методом горячей прошивки на станах ПВП является наиболее перспективным ТП в производстве изделий малого диаметра. На Рисунке 1.3 представлены заготовки, изготовленные методом горячей прошивки.

Рисунок 1.3 - Заготовки с глухой профилированной полостью, изготовленные

методом горячей прошивки

Технология ПВП реализуется на АЛВП. Из рассматриваемых методов ПВП, благодаря автоматизации процесса, является наиболее эффективным способом изготовления цилиндрических заготовок малого диаметра. Существенным преимуществом технологии является возможность изготовления заготовок из средне- и высокоуглеродистых легированных сталей по сравнению с холодной штамповкой; высокий коэффициент использования металла и низкая трудоемкость изготовления по сравнению с обработкой резаньем [1, 8-13, 21-24].

1.2. Автоматизированная линия винтовой прокатки для производства цилиндрических заготовок малого диаметра с глухой профилированной полостью методом горячей прошивки на стане поперечно-винтовой

прокатки

ТП и АЛВП разработаны в АО «НПО «Прибор» имени С.С. Голембиовского» [1]. Годовая потребность предприятия по производству цилиндрических заготовок из стали 50 с глухой профилированной полостью

составляет не менее 300 000 штук. Виды заготовок номенклатуры АО «НПО «Прибор» имени С.С. Голембиовского» представлены на Рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Заготовки номенклатуры АО «НПО «Прибор» имени С.С.

Голембиовского»

Технологическая схема получения цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью на АЛВП представлена на Рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Технологическая схема получения цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью на АЛВП

Техническая характеристика АЛВП представлена в Таблице 1 [1].

Таблица 1.

Техническая характеристика АЛВП

Материал исходных цилиндрических горячекатаный пруток из

заготовок стали марок 50, 60 и др.

Массогабаритные характеристики

исходных цилиндрических заготовок - диаметр, мм - длина, мм 32; 42; 60 65 - 95; 85 - 100;110 - 130

- масса, кг 0,39 - 0,6; 0,47 - 0,63; 0,83 - 2,5

Размеры цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью, мм - диаметр наружный 31,5; 41,5; 59

- диаметр внутренний - длина 21,6; 27; 36 120 - 140; 100 - 140; 210 - 250

- толщина дна 8 - 12; 8 - 14; 18 - 22

Производительность, шт/ч до 200

Цикл прокатки, с 20...30

Смазочные материалы оборудования:

- жидкие заливные в картеры редукторов

- густые густые от индивидуальной станции смазки и закладные

Технологические смазочные материалы мелкодисперсный порошок триполифосфата натрия

Смазочные материалы технологического

инструмента:

- прошивной оправки машинное масло + 25% порошкообразного графита

- пуансона водный раствор 50%-ной сульфидно-спиртовой барды + 8% - 10% графита или водный раствор триполифосфата натрия

Охлаждающая жидкость технологического

инструмента: - рабочих валков вода

- прошивной оправки вода

- пуансона вода

Давление воздуха в пневмосистеме, МПа 0,63

Напряжение электрического тока, В 380, 220

Режим работы автоматический и ручной в процессе пуско-наладки

Процесс производства цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью на АЛВП начинается с резки прутка на цилиндрические заготовки мерной длины на дисковых или ленточных пилах и центрирующей засверловки заготовок с одного торца в холодном состоянии. Затем штучные цилиндрические заготовки передают в бункер АЛВП. Далее производство осуществляется в автоматическом режиме: нагрев в индукционном нагревателе, выдержка в устройстве стабилизации температуры, прошивка заготовок на стане ПВП в цилиндрическую заготовку с глухой профилированной полостью, калибровка донной части на калибровочном прессе методом подпрессовки дна в обойме, профильная протяжка через кольца на калибровочном прессе. Для получения требуемых механических свойств после протяжки проводится термическая обработка - нормализация [1, 15-18].

Тем не менее, несмотря на высокую степень автоматизации процесса получения заготовок и возможность обработки различных марок сталей, ТП изготовления цилиндрических заготовок малого диаметра на линии стана ПВП имеет ряд существенных недостатков, требующих специального анализа и совершенствования.

В первую очередь, проблемы существующей технологии связаны со сложностью получения после прошивки на стане ПВП профилированной внутренней поверхности с заданной формой и размерами. Это связано с тем, что после прошивки, на стадии формирования чистовой внутренней поверхности, путем калибровки дна и профильной протяжки, из-за несоответствия профилей прошивной и калибровочной оправок профилю полости, происходит деформация донной части заготовок, в связи с чем требуется дополнительная обработка резаньем поверхностей внутренней полости. Такая технология приводит к значительным временным затратам на машинную обработку, снижению КИМ при негарантированном обеспечении требуемых размеров внутренней полости.

Второй проблемой, ограничивающей применение линии стана ПВП для получения деталей в промышленном масштабе, является наличие термической обработки, состоящей из промежуточного нагрева и нормализации перед

окончательной обработкой резаньем. Такая последовательность операций обусловлена необходимостью термообработки заготовок, поступающих как после профильной протяжки, так и со склада, что приводит к разрыву непрерывности ТП в линии стана.

Все эти недостатки сводят на нет все преимущества АЛВП перед альтернативными способами получения цилиндрических заготовок малого диаметра из среднеуглеродистых сталей с глухой профилированной полостью.

1.3. Требования к качеству цилиндрических заготовок малого диаметра из среднеуглеродистых сталей с глухой профилированной полостью

Как отмечалось ранее, цилиндрические заготовки с глухой профилированной полостью являются, в частности, основой для получения корпусных деталей изделий специального назначения, к которым предъявляются особые технические требования по качеству поверхности, структуре и механическим свойствам [1, 25, 150]. Например, в Таблице 2 представлены технические требования НТД к заготовкам из стали 50.

Таблица 2.

Технические требования к заготовкам из стали 50 с глухой профилированной

полостью

Металлография Требования НТД

Микроструктура Структура Сорбит

Величина зерна, балл 10

Глубина обезуглероженного слоя, мм < 0,72

Неметаллические включения, балл Оксиды <4

Сульфиды <4

Макроструктура Центральная пористость < 2

Точечная неоднородность < 2

Механические свойства Твердость, НВ < 229

Предел прочности ов, МПа —

Предел текучести ат, МПа > 635

Относительное сужение % 20...35

Относительное удлинение 5, % > 14

Как видно, к структуре и механическим свойствам заготовок из стали 50 после обработки предъявляются достаточно жесткие требования. Очевидно, что обеспечение этих требований может быть выполнено после обработки заготовок на линии стана ПВП с чистовой внутренней полостью, включая операции ОМД (прошивку, калибровку и протяжку) и термообработку, но перед окончательной обработкой резаньем внешней поверхности заготовок. Достичь этого возможно только при обеспечении требований к макроструктуре металла в состоянии поставки (горячекатаный подкат), который не должен иметь усадочной рыхлости, пузырей, трещин, расслоений, шлаковых и неметаллических включений, видимых невооруженным глазом при полном отсутствии общей пятнистой ликвации, краевой пятнистой ликвации, подкорковых пузырей и трещин, а также правильно организованной операции термообработки, учитывающей влияние операций ОМД в линии стана винтовой прокатки [26-30].

1.4. Условия и причины образования дефектов металла при поперечно-винтовой прокатке цилиндрических заготовок с глухой профилированной

полостью

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что проблеме обеспечения качества металла при ПВП посвящено значительное число работ [3137]. Все авторы отмечают, что у заготовок с глухой полостью, в зависимости от условий протекания процесса прошивки, могут наблюдаться дефекты:

- недостаточная прочность стенок заготовки, вследствие применения недоброкачественного или имеющего пороки (раковины, трещины, волосовины и т. д.) металла, а также неправильно выбранных условий прошивки (величин обжатия, скоростей прошивки, температуры, углов подачи и раскатки и др.) и формы инструмента - прошивной оправки и валков [33, 34, 37-40].

- наличие пороков в дне заготовок (трещин, раковин, волосовин и т. д.) из-за неправильно выбранных положений прошивной оправки, формы инструмента и схемы прошивки в двух или трех валках [33, 41-43].

Такие дефекты, при прошивке на стане ПВП, связаны с особенностями формирования полости в зависимости от условий протекания процесса, при которых может образоваться центральное и нецентральное (кольцевое) разрушение цилиндрической заготовки, которое будет в конечном итоге влиять на прочность стенок и на образование дефектов в донной части.

Для поиска условий протекания процесса, при котором образование дефектов будет сведено к минимуму, требуется определить форму и положение прошивной оправки, а также исследовать условия образования центрального и кольцевого разрушении при ПВП.

Условия и причины образования центрального разрушения заготовок при прошивке на стане ПВП

Практическому исследованию влияния режимов прошивки на условия образования внутреннего разрушения посвящены, например, работы [32, 44-46]. В работе [46], для выяснения влияния величины обжатия перед носком оправки были рассмотрены опыты по прошивке цилиндрических заготовок диаметром 35 мм из разных марок сталей при температуре 1200°С и постоянной величине обжатия в пережиме, равной 15%, но с различной величиной выноса носка оправки за пережим. Прошивка осуществлялась в двухвалковых станах ПВП. Как следует из характера течения металла в очаге деформации, увеличение выноса носка оправки за пережим равноценно уменьшению величины обжатия перед носком оправки.

На Рисунке 1.6 представлены результаты прошивки заготовок при величине обжатия по пережиму 15% тремя группами с различным выносом носка оправки за пережим - 5, 10, 20 мм, что соответствует величине обжатия перед носком оправки 13, 11, 8,5%. Прошивка производилась с применением оправок различной формы.

а) б) в)

Рисунок 1.6 - Влияние выноса носка оправки за пережим и формы оправки на процесс образования разрушений в центре заготовки при прошивке в двух валках [46]: а) - вынос оправки на 5 мм за пережим, обжатие перед носком оправки 13%; б) - вынос 10 мм, обжатие 11%; в) - вынос 20 мм, обжатие 8,5%

Было установлено, что форма оправки существенно влияет на процесс образования центральных разрушений при ПВП - тупоконечные оправки, как правило, дают большую зону центральных разрушений. Сокращение зоны разрушения связано со значительным уменьшением растягивающих напряжений, возникающих в сердцевине заготовки от действия валков, и, возможно, с качественными изменениями схемы напряженного состояния сердцевины заготовки под действием сжимающих напряжений от оправки. Увеличение выноса носка оправки за пережим равноценно уменьшению величины обжатия по диаметру: в обоих случаях зона разрушения уменьшается или полностью устраняется.

Отмечено, что на процесс образования разрушений при двухвалковой прошивке решающее влияние оказывает величина обжатия перед носком оправки. При минимальном обжатии заготовки разрушения отсутствуют (рисунок 1.7 а). В остальных заготовках по мере роста величины обжатия перед носком оправки увеличивается зона разрушения (Рисунок 1.7 б). Из Рисунка 1.7 в и г также видно, что пороки, образующиеся перед носком оправки, переносятся на внутреннюю поверхность заготовки, что приведет, в конечном итоге, к возникновению

дефектов, которые не позволят сформировать чистовую внутреннюю поверхность. Очевидно, что при данных условиях прошивки потребуется дополнительная обработка резаньем.

а) б) в) г)

Рисунок 1.7 - Влияние выноса оправки на процесс образования центральных

разрушений при прошивке в двух валках [46]: а) - минимальное обжатие заготовки; б), в), г) - рост величины обжатия перед

носком оправки

Для проверки влияния формы носка оправки на процесс образования разрушений были рассмотрены опыты по двухвалковой прошивке цилиндрических заготовок диаметром 35 мм из стали марки 10 с применением оправок специальной формы, у которых носок удален от рабочей поверхности оправок на значительное расстояние (Рисунок 1.8) [46].

Рисунок 1.8 - Влияние диаметра носка оправки на центральное разрушение заготовки при прошивке в двух валках. Выдвижение оправки за пережим 17,5 мм [46]

Установлено, что при прошивке на оправках с диаметром носка 8 и 10 мм разрушения перед носком оправки отсутствуют, при применении же оправок с диаметром носка 14 мм обнаруживается значительное разрушение сердцевины.

Рассмотренные опыты показывают, что увеличение диаметра носка оправки приводит к увеличению разрушений сердцевины заготовки. Это указывает на существующую взаимосвязь между величиной растягивающих напряжений в сердцевине заготовки и диаметром носка оправки.

Так как изменение диаметра носка оправки приводит к изменению разности интенсивностей деформаций металла в сечениях, лежащих по обе стороны границы участков при прошивке на оправке и без оправки, то причиной увеличения разрушений при увеличении диаметра носка оправки следует считать разность интенсивностей деформации металла в указанных сечениях и связанных с этим явлений утяжки в сердцевине заготовки.

Установлено, что тупоконечная оправка, создавая увеличенную неравномерность деформации на границе перехода от участка прошивки без оправки к участку с оправкой, способствует появлению больших растягивающих напряжений, разрушающих сердцевину вблизи носка оправки [46-49].

Таким образом, при прошивке в двух валках перед носком оправки действуют следующие источники возникновения растягивающих напряжений в сердцевине заготовки: неравномерность деформации поперечного сечения заготовки под действием валков и неравномерность деформации вдоль оси заготовки, как результат действия оправки.

Очевидно, что существует оптимальная форма оправки и оптимальный режим работы валков (обжатие) при которых процесс прошивки будет идти без разрушения сердцевины заготовки.

Условия и причины образования кольцевого разрушения при поперечно-винтовой прокатке с оправкой

Кольцевое разрушение, в отличие от центрального, при прошивке в двух валках располагается на некотором расстоянии от центра заготовки. При дальнейшей обработке места разрушения не завариваются. Вследствие этого на внутренней и наружной поверхности заготовки пороки не обнаруживаются, в то время как между этими поверхностями сплошность материала нарушается, что

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Культешова Вера Владимировна, 2023 год

/ >

В / /2

/1

Рисунок 3.15 - Измеряемые геометрические параметры заготовок с профилированной внутренней полостью

Для примера, в Таблице 7 приведены геометрические параметры пятнадцати из всей партии измеренных цилиндрических заготовок малого диаметра.

Таблица 7.

Геометрические параметры полученных заготовок

№ Парамет р на основании Рисунка 3.13, мм

п/п В d <12 Б 1 11 12 01 02

1 11,11 18,45 18,35 23,07 24,15 32,82 30,21 42,56 108,50 0,50 0,60

2 10,44 18,36 18,36 23,10 24,25 32,82 30,98 42,50 110,55 0,50 0,58

3 11,16 18,34 18,31 23,15 24,17 32,80 30,67 42,00 108,80 0,25 0,48

4 10,36 18,21 18,37 23,07 24,29 32,87 30,22 42,10 111,50 0,20 0,32

5 09,95 18,21 18,39 23,50 24,35 32,89 30,28 41,58 116,56 0,25 0,65

6 11,36 18,27 18,32 23,45 24,47 32,88 30,44 42,00 108,44 0,60 0,45

7 11,24 18,35 18,45 23,36 24,37 33,06 30,95 42,71 110,50 0,60 0,68

8 10,45 18,37 18,42 23,39 24,35 33,03 30,21 42,60 108,50 0,35 0,42

9 12,08 18,36 18,49 23,44 24,22 33,17 30,22 42,22 116,56 0,40 0,48

10 12,03 18,39 18,44 23,30 24,15 33,11 30,20 42,20 116,56 0,44 0,55

96 10,69 18,04 18,26 23,21 24,41 33,02 30,50 42,50 114,50 0,35 0,64

97 11,44 18,09 18,21 23,22 24,17 33,09 30,58 42,54 116,56 0,24 0,44

98 11,49 18,06 18,29 23,36 24,49 33,02 30,41 41,00 108,44 0,15 0,48

99 10,79 18,15 18,25 23,44 24,44 33,02 30,20 42,25 111,54 0,7 0,65

100 11,19 18,11 18,45 23,41 24,47 33,02 30,59 42,57 116,60 0,3 0,55

Размеры с допусками 10-1 -1 р+0,5 18+05 23+05 24+05 33±0,2 30±1 42±1 108+6 - -

С целью подтверждения возможности получения цилиндрических заготовок малого диаметра без обработки резаньем с чистовой внутренней полостью с размерами, находящимися в пределах допуска, проводилась статистическая обработка данных [138-141].

Для статистических исследований обрабатывались результаты замеров основных размеров заготовок В, d, представленные в Таблице 7 и на Рисунке 3.14. На Рисунке 3.16, 3.17, 3.18 представлены гистограммы и диаграммы распределения вероятностей для размеров В (толщина дна заготовки), d (внутренний диаметр в области дна), d1 (диаметр в области внутренней полости).

Рисунок 3.16 - Гистограмма и диаграмма распределения вероятностей для

размера В толщины дна

Г7.9 18 18.1 К? Ю Щ Ш.5

Рисунок 3.17 - Гистограмма и диаграмма распределения вероятностей для размера й внутреннего диаметра в области дна

И Ю.1 18.} Ш К5

Рисунок 3.18 - Гистограмма и диаграмма распределения вероятностей для размера й1 диаметра в области внутренней полости

Результаты обработки данных по контролю качества изготовления цилиндрических заготовок малого диаметра с глухой профилированной полостью представлены в Таблице 8, где:

- В, й, й1 - линейные размеры, мм;

- N - объем выборки;

- [Хтт; Хтах] - минимальное и максимальное значение выборки;

- X - выборочное среднее;

- а - выборочное среднее квадратическое отклонение;

- Л8, Ех - выборочные асимметрия и эксцесс;

- SпOp - экспериментальное и пороговое значения критерия %2;

- д-3а, д+3а - квантили уровня 0,00135 и 0,99865.

Таблица 8.

Результаты обработки данных по контролю качества изготовления заготовок

Параметр Параметр

В, мм й, мм й1, мм

Удаленное аномальное значение Отсутствует Отсутствует Отсутствует

N 100 100 100

[Хтгп; ^тах] [9,06; 12,08] [17,85; 18,48] [17,94; 18,49]

XX 10,606 18,172 18,284

а 0,646 0,154 0,141

Ля 0,08 - 0,177 - 0,474

Ех - 0,03 - 0.271 - 0,495

Проверка гипотезы о нормальном распределении

3 1,57 4,90 4,41

3пор 7,82 9,49 9,49

Статус гипотезы Подтверждена Подтверждена Подтверждена

д-3а 8,669 17,711 17,862

Параметр Параметр

В, мм d, мм d1, мм

^+3а 12,543 18,633 18,707

Реализованное значение 10,606±1,937 18,172±0,461 18,284±0,423

Вероятность попадания размера в поле допуска 0,98 0,98 0,92

Значения Хщп, Хщах, X, а, Л5, Ех, д-3а, д+3а имеют ту же размерность, что и измеряемая величина.

По результатам статистической обработки можно сделать вывод, что при прошивке на стане ПВП и протяжке на разработанных оправках точность размеров заготовок из среднеуглеродистых сталей достаточно высокая, что подтверждается данными по вероятности попадания размеров в поля допуска. Так, например, вероятность попадания размеров толщины дна и внутреннего диаметра в области дна превышает величину 0,98, а диаметра в области внутренней полости 0,92.

Таким образом, проведенная статистическая обработка размеров заготовок из среднеуглеродистых сталей, полученных на разработанных прошивной оправке и пуансоне протяжки показала, что вероятность попадания размеров в заданные допуски больше 0,92, процент брака на производстве не превышает максимально допустимое значение, что говорит о высокой точности изготовления чистовой глухой профилированной полости без обработки резаньем и калибровки дна.

3.3. Выводы по Главе 3

1. На основе компьютерного моделирования разработаны прошивная оправка и пуансон протяжки, с помощью которых возможно сформировать чистовые поверхности внутренней полости после протяжки без применения операции калибровки дна на заготовках из среднеуглеродистых сталей.

2. Расчет КПД прошивки показал, что наибольшего значения КПД порядка 0,8 достигает на разработанной тупоконечной оправке с большим заходным сечением

носка, что говорит о высокой энергии формоизменения и, как следствие, хорошей проработке материала заготовки.

3. Установлено, что наибольшая степень накопленной деформации в стенке заготовки, прошитой на разработанной оправке с большим заходным сечением носка, около 14 и равномерная по толщине, в то время как в заготовке, прошитой на остроконечной оправке малого заходного сечения носка наблюдается значительный градиент истинных деформаций по толщине от 9 до 6.

4. Анализ точности геометрических размеров заготовок, в частности размеров внутренней полости, показал высокую вероятность попадания размеров в поле допуска 0,92...0,98, что позволяет сделать вывод о возможности получения цилиндрических заготовок малого диаметра без обработки резаньем внутренней полости и калибровки дна.

5. По результатам численного и натурного экспериментов выявлено, что значения сил прошивки (силы на валке и оправке) на разработанной оправке с большим заходным сечением носка, совпадают с силами при прошивке на остроконечной оправке малого заходного сечения носка, однако характер изменения сил различный.

78

ГЛАВА 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА И ВЫБОР РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК С ЧИСТОВОЙ ГЛУХОЙ ПРОФИЛИРОВАННОЙ ПОЛОСТЬЮ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ

ЗАДАННОГО УРОВНЯ СВОЙСТВ

Как отмечалось в первой главе, одним из основных недостатков существующего ТП изготовления качественных цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью является наличие неоднородной структуры металла, что обуславливает значительное различие механических свойств в цилиндрической и донной частях заготовки. Это связано с тем, что образование глухой полости в заготовках при прошивке на станах ПВП осуществляется в горячем состоянии. Очевидно, что при горячей обработке на формирование структуры металла будут оказывать воздействие деформационные процессы, а также процессы обезуглероживания поверхностного слоя, рекристаллизации, которые частично или полностью снимают наклеп, улучшают микроструктуру металла и др. процессы. В этом случае, полученные после горячей прошивки на стане ПВП и протяжки свойства металла в стенке и в донной частях заготовки будут различными, и могут не соответствовать требованиям НТД. Существующий способ термообработки заготовок на сорбит в виде нормализации с промежуточным нагревом существенно сдерживает производительность линии стана винтовой прокатки и приводит к большим энергетическим затратам [15-18]. Это требует поиска альтернативного метода термообработки, встроенного в непрерывный процесс производства заготовок с профилированной внутренней поверхностью на линии стана винтовой прокатки, для формирования в металле требуемой структуры и гарантированного обеспечения уровня механических свойств в разных частях заготовки.

4.1. Методы исследования структуры и механических свойств заготовок

Для изучения влияния параметров процессов ОМД и термической обработки на структуру и механические свойства цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью исследовали цилиндрические заготовки из стали 50 в состоянии поставки, после прошивки на стане ПВП, протяжки и различных условий охлаждения, включая термообработку на сорбит. От изготовленной партии цилиндрических заготовок были взяты образцы, на которых проведены металлографические исследования и механические испытания [142-146, 148, 149, 151].

Металлографический анализ осуществлялся на металлографическом микроскопе NIKON модели ECLIPSE MA100N. При этом по металлографическим изображениям определялись следующие параметры микроструктуры:

- величина зерна по ГОСТ 5639-82 [142];

- полосчатость по ГОСТ 5640-68 [143];

- наличие неметаллических включений по ГОСТ 1778-70, на продольных шлифах по методу Ш [144];

- глубина обезуглероженного слоя по ГОСТ 1763-68, метод М [145]. Макроструктурный анализ проводился на протравленных темплетах по

ГОСТ 10243-75 [146]. Реактив травления - 50%-ный водный раствор соляной кислоты по ГОСТ 3118-77 [147]. Температура раствора - 60...80°С. Время травления 5.45 мин.

Проверка механических свойств заготовок проводилась на разрывной машине «Инстрон» модели ТТ-ДМ по ГОСТ 1497-84 на образцах типа 3 №7, 9 [148].

Твердость в исходном состоянии проверялась по методу Бринелля на приборе ТШ-2М по ГОСТ 9012-59 [149].

4.2. Исследование структуры и механических свойств цилиндрических заготовок из стали 50 в состоянии поставки

Для проведения металлографических исследований использовались горячекатаные штучные заготовки мерной длины диаметром 36 мм из стали 50 (см. Рисунок 2.10).

Результаты проведенных металлографических исследований и механических испытаний заготовок из стали 50 в состоянии поставки представлены в Таблице 9.

Таблица 9.

Механические свойства и металлографический анализ заготовок стали 50 в

состоянии поставки

Металлография В состоянии поставки Требования НТД

Структура Феррито-перлитная смесь Сорбит

Микроструктура Величина зерна, балл 8 10

Глубина обезуглероженного слоя, 0,17 < 0,72

мм

Неметаллические Оксиды 2 <4

включения, балл Сульфиды 2 <4

Центральная пористость 1 < 2

Макроструктура Точечная 1 < 2

неоднородность

Твердость, НВ 228 < 229

Предел прочности ав, МПа 696 —

Механические свойства Предел текучести ат, МПа 411 > 635

Относительное сужение % 44 20...35

Относительное 16 > 14

удлинение 5, %

Микроструктура проката в исходном состоянии представляет собой феррито-перлитную структуру с зерном перлитной составляющей величиной 8 баллов по

ГОСТ 5639-82 [142]. Фотографии микроструктуры штучных заготовок в состоянии поставки представлены на Рисунке 4.1.

а) б) в)

Рисунок 4.1 - Микроструктура заготовки из стали 50 в состоянии поставки: а) -кратность увеличения х100; б) - кратность увеличения х200; в) - кратность

увеличения х500

На основе проведенных исследований установлено, что в состоянии поставки механические свойства и микроструктура цилиндрических заготовок диаметром 36 мм из стали 50 соответствуют техническим требованиям, предъявляемым к стали 50 в состоянии поставки, но не соответствуют требованиям НТД [25, 150], определяемым назначением деталей. Очевидно, что после прошивки заготовок на стане ПВП и протяжки следует ожидать изменения механических свойств и микроструктуры металла.

4.3. Исследование структуры и механических свойств цилиндрических заготовок из стали 50 с чистовой глухой профилированной полостью после прошивки, протяжки и охлаждения на воздухе

На Рисунке 4.2 приведена фотография макрошлифа продольного сечения заготовки после прошивки на стане ПВП.

Рисунок 4.2 - Макроструктура заготовки после прошивки

Исследование макроструктуры проводилось по ГОСТ 10243-75 в продольном сечении заготовки [146]. Дефектов, превышающих требования НТД, не обнаружено [25].

Анализировались данные донной части и верхнего торца стенки заготовок после прошивки.

Проверка механических свойств заготовок проводилась на разрывной машине «Инстрон» модели 3382 по ГОСТ 1497-84 на образцах типа 3 №9. Цилиндрические образцы для механических испытаний диаметром 3 мм вырезались из стенки заготовки на расстоянии 5 мм от дна заготовки и на расстоянии 10 мм от верхнего торца заготовки.

Микроструктуры после прошивки, протяжки и охлаждения на воздухе донной части заготовки приведены на Рисунке 4.3, а верхнего торца стенки заготовки приведены на Рисунке 4.4.

а) б) в)

Рисунок 4.3 - Микроструктура донной части стенки заготовки после прошивки, протяжки разработанным инструментом и охлаждения на воздухе: а) - кратность увеличения х100; б) - кратность увеличения х200; в) - кратность увеличения х500

Рисунок 4.4 - Микроструктура верхнего торца стенки заготовки после прошивки, протяжки разработанным инструментом и охлаждения на воздухе: а) - кратность увеличения х100; б) - кратность увеличения х200; в) - кратность увеличения х500

Результаты механических испытаний и металлографического анализа заготовок после прошивки, протяжки разработанным инструментом и охлаждения на воздухе приведены в Таблице 10.

Таблица 10.

Механические свойства и металлографический анализ заготовок после прошивки

и протяжки разработанным инструментом и охлаждения на воздухе

Место Предел Предел Относительное Микроструктура, величина зерна, балл

вырезки образца прочности Ов, МПа текучести От, МПа удлинение, 5, %

Феррито-перлитная

На структура с зерном

расстоянии 5 мм от дна 824 441 17 перлитной составляющей

заготовки микроструктуры величиной 8 баллов

На

расстоянии 10 мм от верхнего 882 559 18 Сорбит, зерно 10 баллов

торца

заготовки

Требования НТД - > 635 > 14 10

В связи с тем, что НДС донной части и стенки заготовок при прошивке и протяжке различное, что подтверждается рассчитанными величинами накопленной деформации, микроструктура и механические свойства стали 50 в этих частях заготовки также будут отличаться. Более того, свойства стали 50 в состоянии поставки не будут определяющими для формирования окончательной микроструктуры и свойств после ГОМД. Было установлено, что после ПВП и протяжки на разработанном инструменте, размер зерна стали 50 соответствует 8 баллам в донной части, где £ = 1, что наблюдается у горячекатаного подката в состоянии поставки, в стенке, где £ = 14, образуется структура сорбита с величиной зерна 10 баллов, что соответствует требованиям НТД.

Одним из методов получения более тонкой структуры перлита является контролируемое охлаждение сталей с температуры прокатки для получения требуемой структуры сорбита. При контролируемом охлаждении среднеуглеродистых сталей от температуры прокатки и ниже температуры распада аустенита, которая для среднеуглеродистых сталей составляет порядка 600...650°С, происходит образование структуры сорбита, когда дисперсность перлита возрастает, а твердость продуктов повышается. Создание требуемой скорости охлаждения обеспечивается охлаждением в специальных средах [152, 153].

4.4. Исследование структуры и механических свойств цилиндрических заготовок из стали 50 с чистовой глухой профилированной полостью после прошивки, протяжки и охлаждения в закалочной среде

Для выяснения особенностей образования микроструктуры и определения механических свойств металла цилиндрических заготовок из стали 50 после прошивки, протяжки и охлаждения в закалочной среде были проведены эксперименты по охлаждению заготовок с начальными температурами 800...1160°С в закалочной жидкости «Термовит-М» по ТУ 2219-045-237633152007 с различной концентрацией охлаждающего раствора 3.8% при температуре 20.25°С. Цилиндрические образцы для механических испытаний диаметром 5 мм

вырезались из стенки заготовки на расстоянии 5 мм от дна заготовки в количестве 10 штук для каждой температуры и концентрации охлаждающего раствора. Проверка механических свойств заготовок после прошивки, протяжки и термообработки проводилась на разрывной машине «Инстрон» модели 3382 по ГОСТ 1497-84 [148]. Для определения твердости применяли твердомер Роквелла. Оценка качества термической обработки заготовок проводилась методами неразрушающего контроля. Оценка уровня дефектов осуществлялась вихревым методом на дефектоскопе марки ТЭК-30 (Рисунок 4.5). Дефектоскоп состоит из проходных катушек, электронного блока с осциллографом. Принцип работы прибора заключается в намагничивании заготовки с последующим размагничиванием благодаря нарастающему полю. Прибор фиксирует напряженность поля, соответствующую коэрцитивной силе материла заготовки, и измеряет амплитуду сигнала, полученного с датчика Холла. Для контроля твердости, прочности и других параметров используются преобразователи, соответствующие калибровки и дополнительные шкалы измерений. При работе прибора, на его экране можно наблюдать вид сигнала, по которому можно судить о качестве термической обработки. Температура отпуска закаленных заготовок сильно влияет на форму сигнала, это дает возможность оценить правильность выполнения режимов термической обработки сталей. Прибор имеет высокую чувствительность и не требует особых навыков от контролеров, позволяет фиксировать отклонения от эталонных образцов.

Рисунок 4.5 - Дефектоскоп марки ТЭК-30

Результаты механических испытаний образцов, в зависимости от условий охлаждения - начальной температуры нагрева и концентрации закалочной жидкости, представлены в Таблице 11.

Таблица 11.

Механические свойства образцов размером 5 мм с начальными температурами 800... 1160°С в закалочной жидкости «Термовит-М» по ТУ 2219-045-237633152007 с различной концентрацией охлаждающего раствора 3.8% при температуре

20...25°С

№ п/п Концентрация охлаждающей полимерной жидкости Температура нагрева, °С Механические свойства

Предел прочности Ов, кг/мм2 Предел текучести О0,2 кг/мм2 Относительное удлинение 5, %

1 3% 800 99 64 14

2 5% 94 62 19

3 8% 90 58 21

4 3% 830 101 69 18

5 5% 99 68 20

6 8% 95 65 23

7 3% 850 102 70 22

8 5% 99 69 24

9 8% 97 66 26

10 3% 1100 107 75 17

11 5% 106 73 20

12 8% 104 70 22

13 3% 1160 100 66 12

14 5% 98 64 13

15 8% 96 63 15

Зависимость механических свойств стали 50 после прошивки, протяжки и термообработки с разными начальной температурой и концентрацией закалочного раствора приведена на Рисунке 4.6.

а)

б)

в)

Рисунок 4.6 - Механические характеристики стали 50 в зависимости от условий проведения термообработки: а) - предел прочности ав; б) - предел текучести ат;

в) - относительное удлинение б

Для выбора режимов охлаждения заготовок после прошивки на стане ПВП и протяжки, для обеспечения заданного уровня механических свойств, необходимо установить зависимость механических свойств стали 50 от условий охлаждения -начальной температуры и концентрации закалочной жидкости. Требуемую зависимость механических свойств от условий охлаждения было решено искать на основе проведения регрессионного анализа, для которого факторами эксперимента являлись температура нагрева заготовки (фактор Х\) и концентрация закалочной жидкости (фактор Х2) [115, 116, 154, 155]. Анализ полученных зависимостей механических свойств от условий охлаждения образцов показал, что функции в исследуемых границах факторов непрерывные и гладкие, что позволяет факторное пространство задать в соответствии с Таблицей 12.

Таблица 12.

Уровни факторов и факторное пространство эксперимента

Уровень Xi Фактор

*1 Х2

Температура, °С Концентрация жидкости, %

+1 1160 8

0 980 5,5

-1 800 3

Интервал варьирования 180 2,5

Обработка результатов эксперимента и построение регрессионной модели проводилось в среде электронных таблиц MS Excel [156], в результате чего были построены регрессионные модели, устанавливающие зависимость предела текучести ат, предела прочности ав и удлинения образцов б при разрыве в зависимости от температуры образца и концентрации охлаждающего раствора: ат = 77,9526 + 1,2774^ - 1,8802*2 - 14,9761*2, ав = 109,6108 + 3,0738^ - 14,2587*2 - 2,8728*2*2 + 1,7794*2*1, б = 27,1671 - 2,7258*1 + 2,2601*, - 10,5941*2 - 2,8728*2*, + +1,7374*2*2, где X1, X2 - уровни факторов, значения которых изменялись в соответствии с факторным пространством эксперимента (см. Таблица 12).

Анализ полученных уравнений показывает, что увеличение первого фактора (температуры нагрева) приводит к росту предела текучести и предела прочности материала, однако с ростом температуры уменьшается величина удлинения образцов при разрыве. Наибольшее влияние температура нагрева оказывает на предел прочности, а наименьшее на предел текучести стали 50. Влияние второго фактора (концентрации закалочного раствора) действует противоположно первому фактору - с ростом концентрации охлаждающей жидкости в растворе предел текучести материала уменьшается, а удлинение при разрыве растет. Более того, влияние второго фактора на предел прочности достаточно слабое, и в регрессионной модели слагаемое, характеризующее действие второго фактора на предел прочности отсутствует. В целом, степень влияния обоих факторов на механические свойства одинаковая, но противоположная по знаку.

Совместное решение уравнений регрессии позволило установить, что для обеспечения заданных НТД механических свойств стали 50 после прошивки и протяжки, термообработку на сорбит заготовок необходимо проводить путем их охлаждения при температуре 835.. ,870°С при концентрации закалочного раствора 5. 6%. Исследование микроструктуры после сорбитизации при данных условиях показало, что в донной части заготовки и стенке формируется требуемая микроструктура сорбита с величиной зерна 10 баллов с необходимым комплексом механических свойств.

На Рисунке 4.7 показана микроструктура заготовки после сорбитизации при температуре 840°С в охлаждающей жидкости с концентрацией раствора 5,5%.

а) б) в)

Рисунок 4.7 - Микроструктура заготовки после охлаждения в закалочной среде: а) - кратность увеличения х100; б) - кратность увеличения х200; в) -

кратность увеличения х500

Проверка механических свойств заготовок после термообработки проводилась на разрывной машине «Инстрон» модели 3382 по ГОСТ 1497-84 на образцах типа 3 №9. Как и при испытаниях материала заготовок после прошивки, цилиндрические образцы для механических испытаний диаметром 3 мм вырезались из стенки заготовки на расстоянии 5 мм от дна заготовки и на расстоянии 10 мм от верхнего торца заготовки [9].

Результаты механических испытаний и металлографического анализа после

термообработки на сорбит представлены в Таблице 13.

Таблица 13.

Механические свойства и металлографический анализ после сорбитизации

Параметр / Место вырезки образца На расстоянии Требования НТД

5 мм от дна 10 мм от верхнего

заготовки торца заготовки

Предел прочности ав, МПа 991 1040 -

Предел текучести ат, МПа 657 716 > 635

Относительное удлинение 5, % 21 22 > 14

Относительное сужение, % 29 32 20...35

Микроструктура, величина зерна, балл Сорбит, 10 баллов 10

Условия термообработки Сорбитизация в закалочной жидкости 5,5% температура 840°С —

Анализ результатов исследований показывает, что при охлаждении заготовок в закалочной среде с более высокими скоростями охлаждения, чем на воздухе, структура сорбита образуется во всех частях заготовки - в стенке и массивной донной части. Помимо этого, механические свойства термообработанных заготовок соответствуют заданным НТД параметрам, что позволяет говорить об оптимальных условиях проведения процессов ОМД и термообработки [152, 153].

4.5. Выводы по Главе 4

1. Анализ механических свойств и микроструктуры металла цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью из стали 50, полученных на автоматизированной линии с прокатного нагрева и охлаждения при температуре

835...870°С при концентрации закалочного раствора 5.6%, показывает, что свойства получаемых заготовок соответствуют требования НТД и заданным эксплуатационным характеристикам.

2. Построенная путем математической обработки результатов эксперимента регрессионная модель, позволяет определить механические характеристики стали 50 в зависимости от условия проведения термообработки и оценить степень влияния каждого фактора на механические свойства.

3. На основе построенной регрессионной модели, найдены условия проведения термообработки на сорбит заготовок из стали 50 с достижением необходимого уровня механических и функциональных свойств.

4. Термообработка стали 50 на сорбит может быть реализована в линии стана винтовой прокатки с прокатного нагрева, что приведет к неразрывности ТП получения заготовок с заданной микроструктурой металла и уровнем механических свойств.

5. Установлено, что после ПВП и протяжки с охлаждением на воздухе, размер зерна стали 50 в донной части заготовки соответствует 8 баллам, что наблюдается у горячекатаного подката в состоянии поставки.

92

ГЛАВА 5.

ВНЕДРЕНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ПРОИЗВОДСТВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ИЗ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ С ЧИСТОВОЙ ГЛУХОЙ ПРОФИЛИРОВАННОЙ ПОЛОСТЬЮ НА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

ЛИНИИ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

Существующая АЛВП, представленная на Рисунке 5.1, изготовлена и смонтирована на производственной базе Богородского филиала АО «НПО «Прибор» им. С.С. Голембиовского», г. Ногинск [1].

Рисунок 5.1 - АЛВП

Предложенная на основе моделирования и экспериментальных исследований модернизация прошивной оправки и пуансона протяжки, а также найденные условия охлаждения заготовок для формирования заданной структуры сорбита и требуемого комплекса механических свойств позволили исключить недостатки технологии получения цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью из стали 50 в серийном производстве.

Проблемы, связанные с деформацией донной части заготовок после калибровки дна и профильной протяжки, удалось решить с помощью:

- разработки тупоконечной прошивной оправки и определения положения этой оправки относительно зоны пережима валков, при которых процесс прошивки протекает стабильно без потери поперечной устойчивости стенки заготовки;

- разработки пуансона протяжки с малым углом конусности и плоским торцом, соответствующего профилю внутренней поверхности готовой детали.

В результате этих мероприятий стало возможным исключить операцию калибровки донной части из ТП и получить чистовую внутреннюю полость после профильной протяжки. Тем не менее, как показали проведенные эксперименты, разработанный пуансон протяжки имеет низкую стойкость (несмотря на то, что изготовлен из инструментальной штамповой стали 4Х5МФС с твердостью рабочей поверхности 40.44 ИКС), что приводит к искажению профиля внутренней полости и к частой замене инструмента [157-160].

Применение контролируемого охлаждения после ОМД при температуре 835...870°С при концентрации закалочного раствора 5.6% позволило получить микроструктуру пластинчатого перлита со структурой сорбита, в результате чего удалось обеспечить необходимые механические свойства. В связи с тем, что заготовка перед термообработкой на сорбит в данном температурном диапазоне должна находиться после операций прошивки и протяжки, для исключения из ТП операции нормализации и промежуточного нагрева, необходимо чтобы заданные интервалы температур были обеспечены за счет изменения температуры, которую заготовка имеет перед прошивкой.

На основании перечисленных проблем с целью освоения массового производства цилиндрических заготовок из среднеуглеродистых сталей с глухой профилированной полостью и ввода в эксплуатацию усовершенствованной линии винтовой прокатки были проведены следующие работы:

1. доработано технологическое оборудование, оснастка и инструмент для производства цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной

полостью и проведения термообработки на сорбит с прокатного нагрева в линии винтовой прокатки;

2. определена температура нагрева заготовок перед прошивкой на стане ПВП для термообработки на сорбит без промежуточного нагрева после протяжки;

3. отработана серийная технология производства и изготовлены установочные партии цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной полостью, проведена термообработка на сорбит с прокатного нагрева по усовершенствованной технологии, представленной на Рисунке 5.2.

ОхложЗение ВыЭержка Нагрей ОхлпжВвние Приляжка КшиВроСпнив

НП |ур _ ~п7птпЬпи' _ чпрптлЬпк1 зп^птпЬпк мрпрч ¡¿пли т _ Лпиит I мпгт I

Рисунок 5.2 - Усовершенствованная схема ТП получения цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью (зачеркнутые операции были исключены из существующей технологии)

АЛВП предназначена для производства цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной полостью методом горячей прошивки на трехвалковом стане ПВП и профильной протяжки на винтовом прессе [1]. Техническая характеристика АЛВП представлена в Таблице 14 [1].

Таблица 14.

Техническая характеристика АЛВП

Материал исходных цилиндрических горячекатаный подкат из стали марок

заготовок 50, 60 и др.

Массогабаритные характеристики

исходных цилиндрических заготовок, мм: - диаметр - длина 36; 42; 60 65.95; 85.100; 110.130 0,386.0,596; 0,468.0,627;

- масса, кг 0,833.1,08

Размеры цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной

полостью, мм:

- наружный диаметр 33; 41,5; 59

- внутренний диаметр - длина 18; 27; 36 118; 140; 210

- толщина дна 10; 8,5; 22

Производительность, шт./ч 180

Цикл прокатки, с 20

Смазочные материалы оборудования:

- жидкие заливные в картеры редукторов

- густые густые от индивидуальной станции смазки и закладные

Смазочные материалы технологического

инструмента:

- прошивной оправки машинное масло + 25% порошкообразного графита

- протяжных колец и пуансона коллоидно-графитовая ПОЛИТРЕН В2 ТУ 0258-00109584592-2013

Охлаждающая жидкость

технологического инструмента: - рабочих валков вода

- прошивной оправки вода

- матрицы вода

- пуансона вода

Давление воздуха в пневмосистеме, МПа 0,63

Напряжение электрического тока, В 380,220

Режим работы автоматический и ручной в процессе пуско-наладки

Промышленная АЛВП, представленная на Рисунке 5.3, состоит из следующих основных машин и устройств: двухкамерного блока нагрева 1,

трехвалкового стана ПВП 20-60 2, винтового пресса 3 и установки контролируемого охлаждения.

Рисунок 5.3 - АЛВП: 1 - двухкамерный блок нагрева; 2 - трехвалковый

стан ПВП 20-60; 3 - винтовой пресс

Двухкамерный блок нагрева

Двухкамерный блок нагрева предназначен для нагрева и транспортировки зацентрованных штучных цилиндрических заготовок перед прошивкой [1].

Техническая характеристика двухкамерного блока нагрева представлена в Таблице 15 [1].

Таблица 15.

Техническая характеристика двухкамерного блока нагрева

Массогабаритные характеристики исходных цилиндрических заготовок: - диаметр, мм - длина, мм - масса, кг - материал 36; 40 (42); 60 65.95; 85.100; 110.130 0,386.0,596; 0,468.0,627; 0,833 .1,08 стали марок 50, 60 и др.

Температура нагрева, °С 1000.1200

Неравномерность температурного поля заготовки, °С - по поперечному сечению - по длине 5 10

Производительность, шт./ч до 180

Режим работы автоматический и полуавтоматический в процессе пуско-наладки

Двухкамерный блок нагрева состоит из устройства подачи (загрузки-транспортировки-выгрузки) цилиндрических заготовок (Рисунок 5.4), индукционного нагревателя ЭЛСИТ-80/7-20 с устройством стабилизации температуры САО-3,3.1,5.1/12 (карусельная печь термостатирования) (Рисунок

5.5) и автоматизированной системы управления (АСУ) (Рисунок 5.6).

Рисунок 5.4 - Устройство подачи

Рисунок 5.5 - Устройство стабилизации температуры

Рисунок 5.6 - АСУ

Устройство подачи (загрузки-транспортировки-выгрузки) цилиндрических заготовок смонтировано на металлической раме и представляет собой совокупность различных устройств и механизмов:

- загрузочный бункер с наклонным конвейером выборки;

- цепной накопительный транспортер;

- механизм подачи на поворотный стол (скидыватель);

- поворотный стол;

- механизм подачи в индуктор (толкатель индуктора и обратный толкатель);

- механизм выгрузки из индуктора (лифт);

- механизм подачи в устройство стабилизации температуры;

- механизм отбраковки цилиндрических заготовок.

Все приводы механизмов устройства подачи состоят из электродвигателя, редуктора и механической системы приведения в движение соответствующего механизма.

Загрузочный бункер с наклонным конвейером выборки предназначен для загрузки и выборки заготовок из бункера и подачи их на цепь. Механизм выборки представляет собой наклонный конвейер с приводом. Если заготовка по каким-либо причинам не попадает на цепной накопительный транспортер, срабатывает датчик заготовки бункера и привод наклонного конвейера останавливается. На двигателе привода бункера установлен датчик оборотов двигателя бункера, фиксирующий штатную работу двигателя.

Цепной накопительный транспортер предназначен для транспортировки заготовок в зону механизма подачи заготовок на поворотный стол. Механизм состоит из постоянно движущейся цепи и привода, предназначенного для осуществления работы механизма. На транспортере установлен датчик детали цепи, определяющий его переполнение. На двигателе привода установлен датчик оборотов двигателя цепи, фиксирующий штатную работу двигателя. На цепной передаче установлено устройство натяжения цепи.

Механизм подачи на поворотный стол предназначен для подачи заготовок на поворотный стол. Механизм состоит из толкателя и его привода. Для синхронизации работы механизма, движения заготовок и определения ориентации заготовки установлены: датчик упора, определяющий наличие заготовки в механизме, датчик отверстия, определяющий ориентацию заготовки и датчик положения толкателя.

Поворотный стол предназначен для ориентации заготовок. Механизм представляет собой лоток и привод его движения. На столе установлены два датчика заготовки, определяющие наличие заготовки и датчик положения толкателя.

Механизм подачи в индуктор предназначен для подачи заготовок в индуктор и состоит из штока толкателя и привода его движения. Датчики начального и конечного положения толкателя определяют крайние положения штока. Датчик оборотов двигателя толкателя определяет величину перемещения штока.

Механизм выгрузки из индуктора предназначен для подачи цилиндрических заготовок в зону механизма толкателя заготовок в печь и состоит из платформы для переноса заготовки и привода её движения. Датчики нижнего и верхнего положения лифта определяют крайние его положения. Датчик оборотов двигателя лифта определяет величину перемещения лифта.

Механизм подачи в устройство стабилизации температуры, представленный на Рисунке 5.7, предназначен для подачи заготовок в устройство стабилизации температуры и состоит из штока толкателя и привода его движения. Датчики начального и конечного положения толкателя определяют крайние положения штока. Датчик оборотов двигателя толкателя определяет величину перемещения штока.

Рисунок 5.7 - Механизм подачи в устройство стабилизации температуры

Механизм отбраковки, представленный на Рисунок 5.8, предназначен для отбраковки заготовок и состоит из лотка для сброса бракованных заготовок, крышки для закрытия выходного отверстия устройства стабилизации температуры и направляющей втулки для выхода заготовок на стан. Датчик отсеивателя закрытого положения определяет положение крышки на закрытие выходного отверстия устройства стабилизации температуры. Датчик отсеивателя положения брака определяет положение лотка на выходе заготовок из устройства стабилизации температуры. Датчик отсеивателя положения годен определяет положение направляющей втулки на выходе заготовок из устройства стабилизации температуры для перемещения их на стан.

Рисунок 5.8 - Механизм отбраковки

Трехвалковый стан ПВП 20-60

Трехвалковый стан ПВП 20-60 предназначен для деформирования наружной поверхности сплошной цилиндрической заготовки одновременно с формированием глухой профилированной полости методом ПВП [1].

Техническая характеристика трехвалкового стана ПВП 20-60 представлена в Таблице 16 [1].

Таблица 16.

Техническая характеристика трехвалкового стана ПВП 20-60

Массогабаритные характеристики

исходных цилиндрических

заготовок:

- диаметр, мм - длина, мм 36; 40 (42); 60 65.95; 85.100; 180.215

- масса, кг 0,386.0,596; 0,468.0,627; 0,833 .1,08

Температура нагрева заготовки, °С 1000.1180

Размеры цилиндрических заготовок с глухой профилированной

полостью, мм:

- диаметр наружный 33; 43; 60

- диаметр внутренний - длина 18; 26; 34 118; 110; 180

- толщина дна 10; 12; 25

Цикл прошивки, с 3.6

Охлаждающая жидкость

технологического инструмента: - рабочих валков вода

- прошивной оправки вода

Производительность, шт./ч до 200

Режим работы автоматический и полуавтоматический в процессе пуско-наладки

Трехвалковый стан ПВП 20-60 (Рисунок 5.9) состоит из приемного стола, рабочей клети, главного привода прокатных валков, зоны выгрузки и системы смазки и охлаждения рабочих валков.

Рисунок 5.9 - Трехвалковый стан ПВП 20-60

Направляющая с вводной проводкой заготовок и толкатель, приводящийся в движение приводными роликами, смонтированы на плите приемного стола стана (Рисунок 5.10). Привод толкателя - электромеханический.

Рисунок 5.10 - Приемный стол

В отверстиях станины закрытого типа рабочей клети стана, представленной на Рисунке 5.11, под углом 120° установлены три кассеты с подушками прокатных валков. Угол подачи валков составляет 12°, угол раскатки - 5°. Нижний валок является стационарным.

Рисунок 5.11 - Рабочая клеть

Прокатные валки приводятся в движение главным приводом стана с заданной частотой вращения и крутящим моментом.

Привод прокатных валков - индивидуальный, осуществляется от трех электродвигателей мощностью 30 кВт каждый. Вращение и крутящий момент от двигателей к прокатным валкам передается через цилиндрические редукторы и шпиндели шарикового типа.

Зона выгрузки состоит из плиты, на опорной поверхности которой установлены цепной транспортер (Рисунок 5.12), смонтированный во внутренней

части станины, рычажный механизм, наклонная направляющая, демпфирующее устройство и съемник цилиндрических заготовок с прошивной оправки.

Рисунок 5.12 - Цепной транспортер

Цепной транспортер предназначен для транспортировки заготовок к винтовому прессу. Транспортер состоит из постоянно движущейся цепи, приводящейся в движение от мотор-редуктора вращающимися звездочками. Мотор-редуктор установлен на отдельной раме и имеет возможность перемещения вдоль цепи для ее натяжения.

Рычажный механизм, рычаги которого в рабочем положении опущены несколько ниже линии, соединяющей оси шарниров для восприятия осевого усилия и предотвращения произвольного складывания рычагов, предназначен для установки, фиксации и быстрого отвода из очага деформации прошивной оправки.

Прошивная оправка с державкой для восприятия усилий прокатки при прошивке закреплена в упорной головке, которая благодаря шпинделю,

смонтированному в подшипниковой опоре, обеспечивает возможность свободного вращения державки. Упорная головка при установке державки с прошивной оправкой в очаге деформации упирается в плиту, обеспечивающую точное позиционирование упорной головки и фиксацию ее по конической поверхности с помощью рычагов.

Передача заготовки из зоны выгрузки в наклонную направляющую осуществляется толкателем от пневмоцилиндра. Винтовой пресс

Винтовой пресс предназначен для формоизменения наружной цилиндрической поверхности в горячем состоянии способом протяжки через ряд протяжных прецизионных колец убывающего диаметра на пуансоне [1, 2].

Техническая характеристика винтового пресса представлена в Таблице 17 [1, 2].

Таблица 17.

Техническая характеристика винтового пресса

Размеры цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной

полостью, мм:

- диаметр - длина 33, 43, 60 118.220

- толщина дна 10; 8,5; 22

Температура калибровки, °С до 1150

Усилие калибровки, кН до 500

Длина рабочего хода, мм 250

Скорость перемещения винта, мм/с 80

Цикл протяжки (без операции калибровки), с 4.7

Производительность, шт./ч 180

Мощность главного привода, кВт 30

Охлаждающая жидкость

технологического инструмента вода

Смазочный материал Коллоидно-графитовый ПОЛИТРЕН В2

технологического инструмента ТУ 0258-001-09584592-2013

Режим работы автоматический и полуавтоматический в процессе пуско-наладки

Винтовой пресс (Рисунок 5.13) состоит из обоймы с протяжными прецизионными кольцами уменьшающегося диаметра, протяжного пуансона с пуансонодержателем, привода протяжного пуансона, механизма съема цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью с пуансона, выталкивателя и системы подачи смазочно-охлаждающей жидкости на протяжные кольца и пуансон.

Рисунок 5.13 - Винтовой пресс в процессе пуско-наладки

На поперечинах, установленных на станине винтового пресса, соединенных тремя стяжками, закрепленных гайками, с одной стороны установлена обойма с протяжными кольцами, с другой - ходовой винт с пуансонодержателем.

Главный привод винтового пресса, предназначенный для создания необходимого усилия прессования и перемещения пуансона, состоит из клиноременной передачи, состоящей из двух шкивов (ведущего и ведомого) и клиновых ремней, гайки и ходового винта, электродвигателя мощностью 45 кВт и цилиндрического редуктора.

Перемещение пуансона осуществляется от электромеханического привода через пару винт-гайка. Гайка закреплена в подшипниковых опорах и вращается с помощью клиноременной передачи и сообщает движение ходовому винту, на

конце которого закреплен пуансонодержатель. По сигналу от бесконтактных датчиков осуществляется остановка ходового винта с пуансонодержателем в крайнем переднем и заднем положении.

При реверсе ходового винта сформированная заготовка фиксируется от продольного перемещения съемником, пуансон выводится из глухой профилированной полости заготовки и заготовка через отверстие для выгрузки поступает в направляющую (Рисунок 5.14). Приводом съемника служит пневмоцилиндр.

Рисунок 5.14 - Направляющая выгрузки заготовок

Выталкиватель заготовок из обоймы включает пневмоцилиндр, к штоку которого присоединен упор, устанавливаемый в дно обоймы. Пневмоцилиндр установлен на станине.

Установка контролируемого охлаждения

Установка контролируемого охлаждения предназначена для сорбитизации цилиндрических заготовок с глухой профилированной полостью с заданной скоростью для получения требуемой микроструктуры и механических свойств после ГОМД с прокатного нагрева на АЛВП.

Установка контролируемого охлаждения заготовок состоит из механизма загрузки и выгрузки заготовок, бака, разделенного на секции, устройства для слива охлаждающей жидкости.

5.1. Проектирование технологического инструмента для производства цилиндрических заготовок с чистовой глухой профилированной полостью с

прокатного нагрева

Для ввода в эксплуатацию усовершенствованной АЛВП без последующей обработки резаньем внутренней полости и повышения стойкости оправки для протяжки была разработана система подачи технологической смазки и охлаждения рабочего инструмента во время протяжки [161-165].

Оправка для прошивки цилиндрических заготовок диаметром 36 мм на стане ПВП изготовлена из инструментальной штамповой стали 4Х5МФС с твердостью рабочей поверхности 40.44 Н^ с углом конусности рабочей поверхности 1°. На Рисунке 5.15 представлен общий вид и чертеж разработанного прошивного инструмента.

300

а) б)

Рисунок 5.15 - Общий вид и чертеж прошивного инструмента: а) - оправка; б) - державка оправки

Проблему получения профиля заготовки без внутренней обработки резаньем удалось решить с помощью разработки нового профиля пуансона протяжки.

Пуансон протяжки цилиндрических заготовок после прошивки изготовлен из инструментальной штамповой стали 4Х5МФС с твердостью рабочей поверхности

40.44 ИКС. На Рисунке 5.16 представлен общий вид и чертеж разработанного пуансона протяжки.

а) б)

Рисунок 5.16 - Общий вид и чертеж протяжного инструмента: а) - пуансон; б) - державка пуансона

Для повышения стойкости пуансона протяжки, было разработано устройство внутреннего охлаждения пуансона (Рисунок 5.17), которое позволило устранить основную причину выхода пуансона из строя - интенсивный износ рабочей поверхности, а также обеспечило замкнутый водооборот, снизив тем самым загрязнение окружающей среды.

Рисунок 5.17 - Устройство внутреннего охлаждения пуансона

Высокая износостойкость пуансона протяжки обеспечивает стабильное состояние размеров внутренней полости заготовки и способствует снижению разностенности цилиндрической заготовки с чистовой глухой профилированной полостью благодаря более симметричному распределению нагрузки на инструмент в процессе деформации.

Технологический инструмент при протяжке плотно контактируют в течении 3.4 с с горячим металлом при температуре до 900 °С, что приводит к быстрому износу инструмента. В связи с этим, в паузах между операциями протяжки пуансон и кольца охлаждались водой, а в целях повышения износостойкости на их рабочую поверхность наносилась технологическая смазка. Для подачи технологической смазки было разработано устройство подачи смазочно-охлаждающей жидкости (Рисунок 5.18).

Рисунок 5.18 - Устройство подачи смазочно-охлаждающей жидкости

В момент обратного хода пуансона после съема заготовки на протяжные кольца и пуансон подавалась технологическая смазка. При выборе смазки руководствовались уменьшением энергетических затрат, связанных с преодолением трения; снижением контактных напряжений, повышением износостойкости инструмента и чистоты поверхности изделий; предотвращением схватывания и налипания металла на инструмент, обеспечением легкого съема заготовки с пуансона после протяжки. Для

обеспечения необходимых требований была выбрана смазочно-охлаждающая жидкость ПОЛИТРЕН В2 ТУ 0258-001-09584592-2013. Разработанное устройство подачи смазочно-охлаждающей жидкости на инструмент и заготовку обеспечило минимальное загрязнение рабочего пространства и окружающей среды; очистку и регенерацию смазки в процессе эксплуатации; нетоксичность и отсутствие неприятного запаха [1].

5.2. Определение температуры нагрева заготовок перед прошивкой на стане поперечно-винтовой прокатки для термообработки на сорбит с прокатного

нагрева

В результате проведенных в четвертой главе расчетов и экспериментальных исследований было установлено, что для обеспечения заданных механических свойств стали 50 после термообработки, необходимо обеспечить охлаждение при температуре 835...870°С при концентрации закалочного раствора 5.6%. Исследование микроструктуры при данных условиях показало, что в донной части заготовки и стенке заготовки формируется требуемая микроструктура сорбита с величиной зерна 10 баллов с необходимыми механическими свойствами.

Для определения температуры нагрева заготовки перед прошивкой на стане ПВП на основе разработанного численного метода расчета полей температур в заготовке, представленного во второй главе настоящей работы, исследовалось влияние условий теплообмена на стадиях ОМД, междеформационных пауз и конечной температуры перед сорбитизацией.

В расчете учитывалось влияние на температуру заготовки следующих факторов:

- теплообмен заготовки с окружающей средой (воздухом и охлаждающей жидкостью) посредством граничных условий III рода в виде конвективного теплообмена. Влияние излучения было учтено в формулах конвективного теплообмена Ньютона-Рихмана соответствующим коэффициентом теплоотдачи;