Разработка технологий повышения стойкости инструментов прямоугольной и цилиндрической формы на основе пластической обработки

Актуальность темы

.

Повышение конкурентноспособности — важнейшая задача российского машиностроения, которая во многом зависит от технологических и эксплуатационных характеристик режущих и мерительных инструментов. В связи с этим возникает необходимость разработки инновационных технологий, обеспечивающих высокую стойкость указанных изделий.

С точки зрения экономики машиностроения инструментальное производство является объектом первостепенной важности. Издержки предприятий на инструмент составляют значительную долю (до 10%) себестоимости изделия. Поэтому повышение стойкости режущих и мерительных инструментов является актуальной задачей машиностроительного производства, что и обусловило выбор темы диссертационного исследования.

В машиностроении широко используются различные технологии упрочнения инструментальных сталей, требующие постоянного развития и совершенствования. При этом успешно применяют термомеханическую обработку (ТМО) инструментальных сталей, механотермическую обработку (МТО), основанных на сочетании пластического деформирования заготовок и их термообработки. К числу перспективных и эффективных технологий относится предварительная механотермическая обработка (ПМТО) заготовок инструментов, при которой пластическая деформация производится до окончательной термической обработки. Однако в настоящее время данная технология реально не используется при изготовлении длинномерных цилиндрических инструментов и режущих элементов плоской формы из-за трудностей реализации пластической обработки их заготовок, а также отсутствия соответствующей теории данного процесса, позволяющей оптимизировать технологию ПМТО с точки зрения достижения наибольшей стойкости указанных типов инструментов. В связи с этим возникает необходимость определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в вышеуказанных заготовках при наиболее оптимальных для них видах пластической обработки — осадка и осадка со сдвигом. При этом надо решить важную, пока еще не решенную задачу оценки поддерживающей препятствующей искривлению заготовок при их осадке нагрузки. Необходимым для промышленности является также разработка соответствующей технологической оснастки для реализации указанных процессов пластического деформирования.

Актуальным для металлообрабатывающей промышленности является изготовление инструментов с высокой стойкостью из стали Р6М5, что предполагает установление оптимальных значений пластической деформации и режимов термической обработки в общем технологическом процессе ПМТО для этой стали.

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» на кафедре «Теоретическая и прикладная механика» в 2005 — 2010 гг. в соответствии с планом госбюджетной НИР № 149−1800−1 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Цель работы.

Разработка технологического процесса изготовления режущего и мерительного инструмента из цилиндрических и плоских заготовок на основе применения инновационных технологий ПМТО.

Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:

1. Исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) при осадке плоских заготовок со сдвигом.

2. Исследовать пластическую устойчивость цилиндрических и плоских листовых заготовок при их осадке.

3. Разработать конструкции штамповой оснастки для реализации пластической осадки цилиндрических заготовок и плоских заготовок со сдвигом и методику расчета их основных конструктивных параметров.

4. Установить влияние пластического деформирования в технологии ПМТО на стойкость инструментальной стали Р6М5.

Научная новизна результатов исследования. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Определено напряженно-деформированное состояние при пластической осадке со сдвигом плоских заготовок, отличающееся тем, что учитывается упрочняемость материала при определении напряжений и деформирующих сил.

2. Установлен эффект влияния деформации сдвига на снижение сил осадки в заготовках, отличающийся тем, что данный эффект проявляется и в плоских заготовках при их деформировании.

3. Определены поддерживающие препятствующие искривлению цилиндрических и плоских заготовок нагрузки, отличающиеся тем, что они рассматриваются сосредоточенными и приложенными посередине высоты заготовки.

4. Разработана инновационная технология ПМТО применительно к стали Р6М5, отличающаяся тем, что пластическое деформирование заготовок производится в неизотермическом режиме.

Практическая значимость работы:

1. Полученные результаты исследований позволяют выбирать рациональные режимы пластического деформирования заготовки и прогнозировать повышение эксплуатационных свойств инструмента.

2. Разработанные конструкции штамповой оснастки дают возможность реализовать инновационные технологии ПМТО в производственных условиях.

3. Предложенная конструкция штампа для осадки со сдвигом плоских заготовок (патент № 2 306 997) и созданная при этом методика расчета его основных конструктивных параметров позволит проектировать штамповую оснастку в инструментальной промышленности.

4. Новая конструкция штампа для осадки плоских листовых заготовок (пластин) позволит проектировать соответствующую технологическую оснастку в производственных условиях.

Реализация работы.

1. Инновационная технология ПМТО изготовления деталей из прямоугольных плоских образцов из стали Р6М5 внедрена на ОАО ВАСО. Годовой экономический эффект внедрения разработанной технологии составил более 50 000 (пятьдесяти тысяч) рублей.

2. Инновационная технология ПМТО принята к внедрению в ОАО «Тяжмехпресс» с целью повышения стойкости крупномодульных пальцевых фрез из стали Р6М5 для обработки крупногабаритных зубчатых колес с ожидаемым годовым экономическим эффектом около 100 000 (ста тысяч) рублей.

3. Отдельные материалы исследований по технологии пластической осадке со сдвигом используются в учебном процессе в ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при изучении курса «Теория и обработка металлов давлением» по специальности 05.02.09 «Технология и машины обработки давлением».

Личный вклад соискателя включает:

1. Определено напряженно-деформированное состояние (НДС) при пластической осадке длинномерных цилиндрических и осадке со сдвигом плоских прямоугольных заготовок.

2. Определены препятствующие потере устойчивости поперечные поддерживающие нагрузки при осадке длинномерных цилиндрических и плоских листовых заготовок.

3. Создан новый способ повышения стойкости инструментальной стали Р6М5 с применением технологии ПМТО, основанной на неизотермическом режиме пластического деформирования заготовок.

4. Разработаны конструкции новой технологической оснастки (штампов) для осуществления процесса осадки длинномерной цилиндрической заготовки до больших степеней деформации за одну установку и осадки со сдвигом плоской прямоугольной заготовки.

5. Создана конструкция штампа для осадки плоских листовых заготовок (пластин).

6. Определена степень влияния пластического деформирования цилиндрических длинномерных и плоских прямоугольных заготовок на стойкость инструментов в условиях ПМТО.

Методы исследований.

Аналитические исследования выполнены на основе аппарата теории пластичности, энергетического критерия устойчивости. Эксперименты проводились на прессе ГСМ-50 с использованием современной измерительной аппаратуры. Конструкция штамповой оснастки разрабатывалась с применением методов теории машин и механизмов. Обработка опытных данных проводилась с применением методов математической статистики с использованием ЭВМ IBM PC.

Достоверность результатов исследований обеспечена корректностью постановки задач исследований, использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, согласованием теоретических и экспериментальных данных, которые были получены не только автором, но и другими исследователями.

Апробация работы.

Основные положения и результаты научных исследований докладывались на международных, российских конференциях и семинарах: II Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (Тула, 2004) — Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Высокоэнергетические устройства автоматических систем».

БГТУ «Военмех» им. Ф. Д. Устинова (Санкт-Петербург, 2005) — Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию основания кафедры «Пластическая обработка металлов» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (Санкт-Петербург, 2007) — Международной научно-технической конференции «Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении» (Краматорск, 2008) — Международной научно-технической конференции «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением» (Краматорск, 2010) — ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2004;2010) — научных семинарах кафедры «Теоретическая и прикладная механика» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2000;2008).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ (включая 1 патент на изобретение), в том числе 5 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад соискателя составляет: [1] -проведен анализ влияния термомеханической обработки на стойкость инструмента на примере стали Р6М5, [2] - представлены результаты оценки напряженно-деформированного состояния в плоских заготовках, [3] - применительно к прямоугольным образцам из инструментальной стали использована новая технология ПМТО, [4] - исследовано влияние механотермической обработки на стойкость инструмента, [5] - проводится анализ результатов применения пластической обработки нагретых заготовок из инструментальной стали Р6М5 на снижение балла карбидной неоднородности, [6,7] - проведен анализ влияния деформирующей нагрузки в штампе при осадке плоской заготовки со сдвигом, [8] - дается анализ процесса осадки со сдвигом плоской заготовки на примере стали 9ХС, [9] -предлагается устройство для пластической обработки плоской заготовки осадкой со сдвигом, [10]- определяется деформирующая нагрузка в штампе для осадки со сдвигом плоской заготовки, [11]-рассчитаны деформационные нагрузки при осадке со сдвигом плоской заготовки, [12] - предложен штамп для осадки со сдвигом плоской заготовки (патент РФ № 2 306 997), [13] - предложена конструкция штампа для осадки длинномерной цилиндрической заготовки, показан принцип действия последнего.

На защиту выносятся результаты теоретических исследований процессов пластической осадки со сдвигом плоских прямоугольных и длинномерных цилиндрических заготовокметодика и алгоритм оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) в плоской заготовке при ее осадке со сдвигом в условиях монотонного нагружениярезультаты расчета поперечной нагрузки, которые могут быть использованы при проектировании технологической оснасткиэкспериментальные зависимости влияния степени пластического деформирования длинномерных и плоских прямоугольных заготовок на стойкость инструментов в условиях предварительной механотермической обработки (ПМТО) — методика расчета основных геометрических параметров штампа для осадки длинномерных цилиндрических заготовокконструкции штамповой оснастки для повышения стойкости инструментарезультаты промышленного внедрения технологии изготовления металлорежущего инструмента из инструментальной стали Р6М5 осадкой и осадкой со сдвигом в условиях ПМТО.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук Токареву A.B. за оказанную помощь при выполнении диссертационной работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 67 наименований и приложений. Материал изложен на 115 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 10 таблиц.

Выводы.

1. Исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) при осадке со сдвигом плоской заготовки. При этом на основе модели изотропно упрочняющегося тела получены соотношения для расчета напряжений и деформирующих нагрузок как функции деформаций и характеристик материала заготовки. Установлено, что деформации сдвига уменьшают силы сжатия заготовки.

2. Установлено, что с увеличением деформации сдвига при осадке плоской прямоугольной заготовки осевая сила Р уменьшается, но для каждого значения параметра с с возрастанием степени осадки е она монотонно возрастает.

3. На основе критерия положительности работы добавочных нагрузок решена задача об устойчивости пластического сжатия длинномерной цилиндрической заготовки с дополнительной приложенной посередине ее длины сосредоточенной поперечной нагрузкой О. Получено соотношение для расчета этой нагрузки, являющейся функцией относительной деформации сжатия е, размеров заготовки, а также механических характеристик материала. С увеличением деформации е заготовки сила О монотонно возрастает. Знание этой силы необходимо при проектировании соответствующей штамповой оснастки для реализации осадки заготовки до больших степеней деформации.

4. Решена задача пластической устойчивости при сжатии тонкой пластины под действием поддерживающей поперечной силы О на основе указанного критерия. Получена формула для расчета этой силы, являющейся функцией от деформации е, размеров заготовки и характеристик ее материала. Знание этой силы необходимо для расчета основных геометрических размеров соответствующей штамповой оснастки.

5. Разработана конструкция штампа для пластической осадки со сдвигом плоских заготовок с использованием принципа действия клинового механизма. При этом получены соотношения для расчета деформирующей силы на основе анализа действия сил в кинематических парах клинового механизма. Изготовлен опытный образец указанного штампа с целью экспериментальной проверки работоспособности последнего. Выполнены эксперименты по осадке со сдвигом плоских прямоугольных заготовок, подтверждающие правильность технических идей, заложенных в конструкции штампа.

6. Разработана конструкция штампа для осадки со сдвигом плоской заготовки с использованием гидропривода, позволяющая плавно и непрерывно изменять соотношения между угловой (/) и линейной (е) деформациями в широких пределах.

7. Разработан штамп для пластической осадки длинномерных цилиндрических заготовок, позволяющий осаживать последние на 40 — 50% за одну установку, что необходимо для повышения эффективности пластической обработки указанных заготовок. На основе кинематического и силового анализа конструкции штампа получены соотношения для расчета основных геометрических параметров последнего.

8. Разработана конструкция штампа для пластической осадки заготовок в форме пластин с использованием клинового механизма.

9. Разработана инновационная технология ПМТО повышения стойкости стали Р6М5, основанная на неизотермическом режиме пластической обработки заготовок и приводящая к увеличению стойкости этой стали по сравнению с базовой технологией (без пластической обработки) заготовки.

10. Установлены оптимальные значения деформации (б: = 0,4−0,5) и температуры нагрева заготовки (~1173°К), приводящие к увеличению стойкости стали Р6М5 в 1,7 раза по сравнению с базовой (без предварительной пластической деформацией) технологией.

11. Металлографическими исследованиями показано, что с увеличением относительной деформации заготовки БКН снижается с 5 до 1,8, что обеспечивает повышение стойкости стали Р6М5.

12. Разработанный новый технологический процесс используется при изготовлении пальцевых крупномодульных фрез с высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с инструментами, изготовленными по традиционной технологии (без предварительной пластической обработки заготовок).

13. Инновационная технология ПМТО изготовления деталей из прямоугольных плоских образцов, выполненных из стали Р6М5, внедрена на ОАО ВАСО. Годовой экономический эффект внедрения разработанной технологии составил более 50 000 (пятьдесяти тысяч) рублей.

14. Технология изготовления крупномодульных пальцевых фрез была принята к внедрению в производство на ОАО «Тяжмехпресс». Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии составит около 100 (ста) тысяч рублей по сравнению с базовым вариантом.