WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

ПАНТЮХОВА Ксения Николаевна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНЫХ

НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ТВЕРДОСПЛАВНЫМ

ОХВАТЫВАЕМЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

Специальность 05.02.08 – «Технология машиностроения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученной степени

кандидата технических наук

ОМСК 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ) на кафедре «Технология машиностроения».

Научный руководитель:

почетный работник высшего

профессионального образования,

доктор технических наук, профессор

МОРГУНОВ Анатолий Павлович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

ШАНТАРЕНКО Сергей Георгиевич

кандидат технических наук

СТРЕК Ярослав Михайлович

Ведущая организация:

Филиал ВУНЦ СВ «ОВА ВС РФ» (г. Омск)

Защита состоится 29 мая 2012 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.178.05 при федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ) по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6–340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «….» апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.178.05.

Факс: (3812) 65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В. С. Калекин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы диссертации определяется тем, что в настоящее время одним из направлений, позволяющим расширить границы применения холодной объемной штамповки (ХОШ), является разработка конструкции и технологического процесса изготовления сборочной единицы (составной матрицы) и применение полученных результатов при проектировании ресурсосберегающих технологий изготовления изделий. С этой целью необходимо выполнить теоретические и экспериментальные исследования, рассматривая постановку задачи в общем виде, сделав допущение о том, что при проектировании и изготовлении объекта ему обеспечен некоторый начальный уровень работоспособности. Изучая процесс потери прочности, при циклическом нагружении, необходимо выявить факторы, обуславливающие снижение первоначальных прочностных свойств.

В связи с этим:

  • предлагается конструкция профильного соединения, у которого сопрягаемые поверхности имеют волнистый и трапецеидальный профили с различными геометрическими параметрами в пределах микрорельефа, предусмотренного ГОСТом 25142-82;
  • решаются задачи определения величины натяга в сопряжении поверхностей охватываемого и охватывающего элементов профильного неподвижного соединения (ПНС) при тепловой сборке;
  • создаются математические модели потери работоспособности с учетом влияния свойств материала, конструктивного решения и технологий изготовления; математические модели процесса контактного взаимодействия профильного охватываемого элемента с цилиндрической обоймой методом конечных элементов в среде COSMOSWORKS;
  • совершенствуется метод повышения износостойкости рабочей поверхности вставки, основанный на известных технологиях ионно-плазменной обработки;
  • экспериментально исследуется изменение характеристик надежности ПНС;
  • разрабатываются рекомендации по технологии изготовления ПНС, инструментальной оснастки и инструмента для формообразования профиля.

Теоретические исследования проведены с использованием научных основ технологии машиностроения, общей теории работоспособности, технологии сборки, теорий упругости и пластичности, численных методов решения задач. Моделирование и обработка данных на ЭВМ производилась в программе SolidWorks/COSMOSWorks, позволяющей определить характеристики процесса взаимодействия простым вводом геометрических параметров, физико-механических свойств материалов и усилия вдавливания инструмента в приповерхностный слой охватывающей детали.

Определение влияния топографии исходной поверхности на несущую способность приповерхностного слоя при определенном соотношении высоты и шага микровыступов.

Цель диссертационной работы заключается в разработке конструкции и технологии изготовления высоконагруженного профильного неподвижного соединения, применяемого при холодной высадке и исследовании влияния формы элементов ПНС на его долговечность.

Выполненный анализ позволил сформулировать следующие задачи, направленные на совершенствование эффективных методов повышения прочности и долговечности соединений, снижения трудоемкости их изготовления:

  1. составление математической модели процесса формообразования профиля сопрягаемой поверхности охватывающего элемента ПНС;
  2. разработка математической модели определения величины упругопластической деформации, обеспечивающей геометрические параметры по глубине впадин с различными значениями заполнения профиля охватывающего элемента при тепловой сборке;
  3. разработка методики расчета величины натяга между охватывающим и охватываемым элементами сборной матрицы;
  4. разработка рекомендаций по повышению статической и циклической прочности и неподвижности ПНС;
  5. разработка методики проведения эксперимента и сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований;
  6. проектирование и изготовление физических моделей профильных соединений, идентичных холодновысадочной штамповой оснастке.

Объектом исследований являются технологические процессы, обеспечивающие прочность и долговечность профильных соединений, выполняющих функции технологической оснастки при холодной высадке, а также конструкции профильного неподвижного соединения, которые обладали бы достаточно высокой технологичностью и производительностью процесса изготовления деталей и сборки профильного соединения. В качестве таких соединений рассматривается составная матрица, у охватывающей детали которой на поверхности сопряжения имеется макрорельеф в виде выступов и впадин, образующих «замковое» соединение в результате тепловой сборки.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием научных основ технологии машиностроения, теории обработки металлов давлением, технологии сборки, теорий упругости и пластичности, численных методов решения задач. Моделирование формообразования (накатывание роликом) профиля и обработка данных на ЭВМ производились в программе SolidWorks/COSMOSWorks, позволяющей определить характеристики процесса взаимодействия вводом геометрических параметров, физико-механических свойств материалов и усилия вдавливания инструмента в приповерхностный слой охватывающей детали.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. исходя из функционального назначения штамповой оснастки и ее эксплуатационных свойств, предложено изменение формы сопрягаемых поверхностей и теоретическое обоснование целесообразности ее применения;
  2. разработана математическая модель определения величины упругопластической деформации, обеспечивающей геометрические параметры по глубине впадин с различными значениями заполнения профиля охватывающего элемента при тепловой сборке;
  3. разработана методика и определены количественные характеристики значений минимального зазора между охватывающим и охватываемым элементами сборной матрицы, позволяющего ввести охватываемую деталь в отверстие;
  4. разработаны рекомендации по повышению статической и циклической прочности и неподвижности ПНС;
  5. разработана методология проектирования и совершенствования технологии изготовления профильных соединений, идентичных холодновысадочной штамповой оснастке;
  6. составлена математическая модель процесса формообразования профиля сопрягаемой поверхности охватывающего элемента ПНС;
  7. предложена математическая модель влияния площади опорной поверхности на триботехнические характеристики профильного неподвижного соединения.

Использование результатов данной работы на производстве, в научных исследованиях и в учебном процессе позволит повысить качество исследуемых объектов, разрабатываемых технологических процессов и уровень подготовки специалистов.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. научно обоснованные конструкторские и технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности штамповой оснастки за счет увеличения площади опорной поверхности;
  2. физическая картина и математическая модель контактного взаимодействия профильных сопрягаемых поверхностей соединения охватываемой и охватывающей деталей холодновысадочной оснастки;
  3. теоретическое обоснование целесообразности применения конструкционно-технологического обеспечения циклической прочности ПНС;
  4. технологический процесс формообразования профиля сопрягаемых поверхностей охватываемого и охватывающего элементов неподвижного соединения;
  5. математическая модель процесса контактного взаимодействия профильного охватываемого элемента с аналогичной цилиндрической обоймой, адаптированная к реальной конструкции составной матрицы холодновысадочной оснастки (ХВО);
  6. обоснование применения метода ионной имплантации для повышения износостойкости рабочей поверхности вставки составной матрицы ХВО;
  7. методика определения работоспособности профильных неподвижных соединений вставка–корпус, а также результаты поисковых исследований, выявляющих причины старения ХВО.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы основана на использовании положений теории упругости, механики контактного взаимодействия и технологии машиностроения.

Достоверность результатов обусловлена подтверждением предлагаемых в работе теоретических зависимостей результатами экспериментальных исследований, выполненных автором и другими исследователями. Эксперимент был проведен на универсальной испытательной машине на 50 т.с. с пульсатором 25 т.с. типа ГРМ-1.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

– разработан метод создания профильного соединения, выполняющего функции штамповой оснастки при холодной высадке, способного выдерживать значительные (около 50 000 циклов) нагрузки при выполнении штамповочных операций;

– разработаны рекомендации по конструкторско-технологическому обеспечению циклической прочности охватываемого и охватывающего элементов составной матрицы. Результаты исследований внедрены на филиале «Омское моторостроительное объединение им. П. И. Баранова» ФГУП «НПЦ газотурбостроения "Салют”».

Реализация результатов работы заключается в следующем. Разработанная конструкция профильного соединения, технология его изготовления и сборки внедрены при изготовлении и ремонте авиационных агрегатов. Результаты исследования внедрены в учебном процессе при изучении курсов «Технология машиностроения» и «Математическое моделирование технологических процессов» на кафедре «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 151001 «Технология машиностроения» и 151002 «Металлорежущие станки и комплексы».





Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технология двойного применения» (г. Омск, 7–10 июня 2005); на II Всерос. молодеж. науч.-техн. конф., г. Омск, 21–22 апр. 2009 г. ; на 69-й Междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ), Омск, 2010; на VI Всерос. науч.-техн. конф, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова 5–6 июля 2011 г.; на Междунар. выставке высокотехнологичной техники и вооружения, Омский регион, г. Омск, 2011; на III Междунар. науч.-техн. конф., г. Тольятти, 12–14 октября 2011 г.; на расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» ФГБУ ВПО «Омский государственный технический университет»; на семинаре кафедр ОмГТУ «Металлорежущие станки и инструменты» и «Технология машиностроения».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них четыре статьи в изданиях перечня, определенного ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников из 131-го наименования. Общий объем диссертации составляет 153 с., объем основного текста 138 с.  Работа содержит 72 рисунка, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе проведен обзор состояния вопроса технологического обеспечения прочности профильного соединения.

Выполнен анализ влияния свойств материалов элементов профильного соединения на его функциональное назначение. Относительная неподвижность деталей соединений с натягом обеспечивается тем, что внутренний диаметр охватывающей детали меньше наружного диаметра охватываемой детали. Напряжения, возникающие на контактных поверхностях сопрягаемых деталей, противодействуют осевым сдвигающим усилиям и крутящим моментам.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования прочности неподвижных соединений показали, что в общем случае прочность определяется величиной контактного давления, площадью контакта сопрягаемых поверхностей и физико-механическими свойствами материалов, из которых изготовлены сопрягаемые детали. Подобные исследования отражены в работах Ю. Г. Шнейдера, Ю. Г. Проскурякова, М. П. Новикова, И. Г. Гречишного, В. А. Наумова, В. И. Максака, В. П. Монченко, А. П. Моргунова и др.

Решению проблем в области технологии холодной высадки посвящены работы: Г. А. Навроцкого, В. А. Попова, В. А. Головина, Ю. А. Миропольского, В. И. Мокринского, А. В. Напалкова и других отечественных ученых. Одним из слабых элементов технологической системы холодной высадки является рабочий инструмент штамповой оснастки, работоспособность которой определяется прочностью неподвижного соединения вставка–корпус. В связи с этим повышение работоспособности и ресурса составной матрицы является основной задачей исследования.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям.

Моделирование процесса контактного взаимодействия профильного охватываемого элемента с цилиндрической обоймой методом конечных элементов (МКЭ) в среде COSMOSWORKS осуществляется одним из основных методов при решении задач механики твердого тела посредством численных алгоритмов. В основе метода лежит дискретизация объекта с целью решения уравнений механики сплошной среды в предположении, что эти соотношения выполняются в пределах каждой из элементарных областей (на основании работ А. П. Моргунова). Эти области называются конечными элементами. В рассматриваемом случае они соответствуют реальной части пространства как элементы оболочек при контактном взаимодействии внутренней поверхности обоймы и наружной поверхности вставки. Математическое описание элемента сводится к тому, чтобы связать действующие в узлах факторы. В механике сплошной среды это перемещения и усилия. Разработкой метода конечных элементов занимались О. Зенкевич, Д. Норри, Л. Сегерлинд.

Прямой метод построения уравнений, связывающих эти факторы в пределах конечного элемента, в предположении линейной подстановки приведен ниже.

1. Поле перемещений в пределах элемента (для пространственной задачи =[u, v, w] посредством интерполяционных функций, которые в изопараметрических конечных элементах используемых COSMOSWORKS идентичны функциям формы, собранным в матрицу [N], выражается через узловые перемещения {}. Смысл интерполяционных функций состоит в том, чтобы, зная величины, например, перемещений в узлах, получить их значения в любой точке элемента в зависимости от координат. В матричном виде соотношения имеют вид:

=N{}.                                                        (1)

Для пространственной задачи {}=[u1, v1, w1, u2, v2, w2, … , uk, vk, wk], где k – число узлов конечного элемента.

2. Поле деформаций выражается через степени свободы {} посредством дифференцирования поля перемещений (фактически интерполяционных функций), согласно соотношениям, собранным в матрицу [D] и связывающим деформации с перемещениями:

=[D] {}.                                                (2)

3. С учетом уравнений состояния, в основе которых лежит закон Гука и коэффициенты которых образуют матрицу [Е], устанавливается связь сначала между полем напряжений и полем деформаций:

=[Е] ,                                                        (3)

а затем и между напряжениями и степенями свободы в узлах:

=[Е] [D] {}.                                                (4)

4. Формулируются выражения для сил {F}, действующих в вершинах элемента в зависимости от поля напряжений , для чего используется матрица преобразования напряжений в узловые силы [A]:

{F}=[A]{}.                                                (5)

5. Связываются выражения для узловых сил и перемещений в узлах:

{F}=[k]{},                                                (6)

где [k]= [A] [Е] [D] – матрица жесткости конечного элемента.

6. Для придания матрице [k] свойства симметрии добиваемся замены матрицы преобразования жесткости матрицей, транспонированной к матрице преобразования перемещений в деформации [D]. Тогда

[k]=[D]T[E][D].                                                (7)

Перечисленные зависимости позволяют, зная перемещения в узлах, получать величины сил, а также решить обратную задачу: по силам найти перемещения, затем деформации и напряжения в пределах конечного элемента.

Прямая формулировка, как правило, используется для получения матриц жесткости конечных элементов стержней, балок и пластин, а также для описания процесса теплопроводности.

Для получения матриц жесткости пространственных элементов наиболее часто используются вариационные принципы, например, принцип минимума потенциальной энергии. Полученная таким образом матрица жесткости из пункта 6 здесь будет вычисляться так:

.                                        (8)

Проблема интегрирования по объему тела сложной формы решается за счет того, что выражения записываются в локальной системе координат, связанной с элементом , , , причем координаты изменяются в интервале [-1, +1].

При этом выражение для элементарного объема приобретает вид:

dxdydz=[J]ddd,                                        (9)

где [J] – определитель матрицы Якоби, или якобиан преобразования. Тогда

.                        (10)

Аналитический расчет интегралов в выражении для матрицы жесткости невозможен даже для треугольников с криволинейными сторонами. Поэтому прибегают к численному интегрированию. Оно заключается в замене интеграла суммой произведений подынтегральных выражений, вычисленных в точках Гаусса или в некоторой другой системе точек на соответствующие весовые коэффициенты. Этот процесс сопровождается расчетом величины определения якобиана. Отрицательная величина является следствием вырожденности данного конечного элемента. Как правило, информация о данном обстоятельстве помещается в диагностические сообщения программ.

Имея математический аппарат для получения матриц жесткости конечных элементов, приведения нагрузок, приложенных к поверхности или в объеме элемента к усилиям в узлах, а также решения обратных задач: вычисления полей деформаций и напряжений в объеме элемента на базе перемещений в узлах можно построить алгоритм МКЭ.

Построив алгоритм, выполняются исследования влияния параметров процесса контактного взаимодействия деформирующего элемента с твердосплавной вставкой на формирование опорной площади Sоп проводилось с целью определения усилия вдавливания деформирующего элемента. Усилие вдавливания при формировании опорной площади определяет величину остаточной деформации, которая увеличивается с увеличением усилия вдавливания и уменьшением сопротивления обрабатываемого материала пластическому деформированию.

Материал, из которого изготовлен охватывающий элемент (обойма), должен обладать способностью к пластическому деформированию. В качестве модели пластического течения принимается модель Мизеса с изотропным упрочнением – von Mises Plasticity (isotropic). Кривая «напряжение – деформация» аппроксимируется билинейной зависимостью. Она требует знания модуля на упругом участке – ЕХ и касательного модуля на участке упрочнения ETAN.

Рис. 1. Закон приложения силы во времени

Кинематические граничные условия для заготовки состоят в фиксации радиального и осевого перемещения. Поскольку к индентору приложена вертикальная сила, то встает вопрос о его фиксации в поперечном и продольном направлениях. Это условие выполнено установкой на гранях индентора (выступа твердосплавной вставки) и обоймы граничного условия симметрии – геометрической и статической. Расчету подвергается половина модели, а на плоских гранях в разрезе назначается условие скольжения – равенство нулю нормальных перемещений.

а

б

Рис. 2. Кривые отклика

Нагрузка на индентор прикладывается в виде усилия. Она задается величиной и знаком измерения – Time curve (кривой времени) (рис. 1), на которой есть три участка (параметр здесь – абстрактное время):

– наклонный левый – рост нагрузки;

– горизонтальный – вспомогательный интервал, предназначенный для повышения наглядности результатов (в силу того, что параметры материала не зависят от времени, обязательным он не является);

– наклонный правый – уменьшение нагрузки.

Анализ технологического процесса. Общее представление о процессе можно получить на основе кривых Nonlinear Response (нелинейная реакция), отображающих зависимость перемещения в заданной точке от параметра времени. На рис. 2 показаны кривые для точки отклика, назначенной ранее.

Кривая состоит из трех участков. Первый соответствует увеличению нагрузки, которая изменяется пропорционально времени. Перемещения увеличиваются нелинейно: чем больше нагрузка, тем активнее их приращение. Следующий участок – горизонтальный отрезок. Он соответствует интервалу времени, когда нагрузка постоянна. Величина вертикального перемещения достигает максимума. Последний интервал – снятие нагрузки и уменьшение деформаций. Соответствующий участок на диаграмме близок к линейному. Конечная точка соответствует остаточным деформациям.

Имея кривые отклика, можно адекватно оценивать диаграммы перемещений, деформаций, другие результаты, зависящие от параметра времени.

Для построения алгоритма прогноза выполняются несколько расчетов для одной и той же модели, но с различными нагрузками и геометрическими размерами индентора и обоймы.

Таким образом, представленная модель позволяет исследовать влияние параметров режима контактного взаимодействия деформирующего элемента (твердосплавной втулки) на формирование опорной поверхности:

  1. зависимость максимальной и остаточной деформации от радиуса полуцилиндрической части индентора;
  2. зависимость усилия вдавливания индентора от радиуса деформирующего элемента;
  3. зависимость максимального и остаточного перемещения от усилия вдавливания индентора.

Целесообразность применения ионной имплантации для повышения износостойкости поверхностей деталей узлов трения доказана многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученных, таких как Г. Ф Ивановский, В. И. Петров, Б. Т. Грязнов, А. П. Моргунов, Д. И. Тетельбаум, В. Я. Баянкин, Ю. П. Шаркеев. В узлах трения триботехнические показатели улучшаются, с одной стороны, благодаря легированию материала приповерхностных слоев деталей, с другой – благодаря изменению структуры материала.

Известно, что глубина слоя с измененными свойствами превышает пробег ионов на 3–4 порядка. В то же время требования к точности отдельных кинематических пар значительно возросли и находятся в пределах одного микрометра. Очевидно, возможность измерения отклонений профиля (формы) поверхности регламентируется высотой микронеровностей, которая не должна существенно влиять на измерения точности. Например, отклонения формы золотника авиационного агрегата находятся в пределах долей одного микрометра. Большинство конструкций профильных соединений, предложенных Шнейдером Ю. Г., Моргуновым А. П. и их учениками, имеют волнистый профиль сопрягаемых поверхностей.

Несмотря на то, что сопрягаемые поверхности профильного соединения работают в условиях трения покоя, при многократном циклическом воздействии разрушение приповерхностных слоев неизбежно.

Как уже говорилось, ионы проникают на очень малую глубину, значительно меньшую допустимой величины износа поверхности детали пары трения. Но, сталкиваясь с атомами, они выбивают их из узлов; смещенные атомы, обладая большой кинетической энергией, выбивают другие атомы, и т.д.

Это явление названо «эффектом дальнодействия», благодаря которому глубина упрочнения приповерхностного слоя измеряется в десятых долях миллиметра и более.

Таким образом, вполне удовлетворительным методом повышения износостойкости рабочей поверхности вставки является ионная имплантация легирующих элементов в приповерхностный слой, которая позволяет модифицировать материал, получить аморфно-кристаллическую и аморфную структуру; в результате чего повышается микротвердость и износостойкость поверхности.

Третья глава содержит описание проводимых экспериментальных исследований, целью которых является подтверждение гипотезы о том, что замена «гладких» неподвижных соединений, применяемых в конструкциях штамповой оснастки при холодной высадке, на профильные – позволят повысить прочность и долговечность составных матриц, подвергающихся длительным циклическим нагрузкам.

Экспериментальные исследования выполнены по следующим направлениям:

  1. разработка конструкции и технологии изготовления инструментов, с помощью которых осуществлялось формообразование профиля;
  2. разработка конструкции инструментальной оснастки;
  3. разработка технологии формообразования профиля;
  4. исследование влияния геометрических параметров инструмента на геометрические параметры профиля ПНС;
  5. исследование влияния режимов формообразования на геометрические характеристики профиля.

Представлены технология изготовления образцов и эскизы корпусов, вставок с волнистым и прямоугольным профилем.

Рис. 3. Фотографии образцов

Рис. 4. Инструмент и оснастка

в сборе

Рис. 5. Элементы соединения и приспособления.

Слева направо: вставка, корпус,

опорное кольцо, ударник

Циклические испытания проводились на универсальной испытательной машине типа ГРМ-1 (рис. 6).

Рис. 6. Опытный образец, установленный на универсальную испытательную машину

Измерение деформации элементов соединения осуществлялось при совместном деформировании деталей и ударника с наклеенными на него тензорезисторами.

На рис.7 представлено тарировочное устройство прибора в величинах относительной деформации.

Рис. 7. Тарировочное устройство

Испытания проводились при нагрузке 20 кН (показания осциллографа приведены на рис. 8)

Рис. 8. Показания осциллографа при нагрузке 20 кН

После 50 000 циклов нагрузка была увеличена вдвое. Результаты представлены на рис. 9.

Рис. 9. Показания осциллографа при нагрузке 40 кН

С интервалом в 50 000 циклов нагрузка постепенно увеличивалась: 60 кН, 80 кН, 100 кН, 120 кН, 140 кН (рис. 10).

Рис. 10. Показания осциллографа при нагрузке 140 кН

При данных нагрузках относительного перемещения втулки и корпуса матрицы не наблюдалось. Образец удалось разрушить при усилии 150 кН.

Испытания образца с трапецеидальным профилем проводились по аналогичной схеме. В связи с тем, что высота выступов у образца с трапецеидальным профилем меньше, чем у образца с волнистым профилем, второй образец выдержал 35 000 при 120 кН.

На рис. 11 приведена кривая усталости, заимствованная из ГОСТа 25.507-85. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы испытания на усталость при эксплуатационных режимах нагружения. Общие требования, который рекомендует горизонтальный участок кривой принимать за верхнюю границу полного предела выносливости (или -1). На рис. 11

тах= т+ а                                        (11)

где тах – максимальное напряжение цикла нагружения; т – статическая составляющая цикла нагружения – среднее напряжения цикла; а – амплитуда напряжений цикла.

Рис. 11. Кривая усталости в координатах max; lgN

Для аппроксимирования принят способ выбранных точек. На кривой усталости произвольно выбраны 4 точки, отмеченные цифрами. Координаты этих точек приведены в табл. 1 (R=52, в=80).

Рис. 12. Зависимость max от Nц

Таблица 1

Исходные данные

№ТТ

Nц i

тах(Ni)

№ТТ

Nц i

тах(Ni)

1

0,3 105

65

3

2,9 105

55

2

1 105

59

4

5 105

53

Уравнение стандартной кривой усталости выразится как

.                                (12)

Частный случай уравнения (12) при =1

.                                (13)

В уравнениях (12), (13) µ, – детерминированные аналоги параметров распределения Вейбулла-Гнеденко; – интенсивность снижения прочности (аналог интенсивности отказов). Преобразуя уравнение 12 и дважды его логарифмируя, получим

.                        (14)

Записав уравнение (14), например для точек 1 и 2 из табл. 1, и исключив lgµ, можно получить

.                                (15)

µ определяется по уравнению

.                                        (16)

Экспериментальное использование зависимости (16) может осуществляться по следующим направлениям:

1. Подбор нагрузочных режимов под априорно выбранное значение суммарного числа циклов нагружения NСуМ. Эта процедура регламентирует выбор ограниченного предела нагружения.

Учитывая зависимость (11) и (12), можно составить следующее уравнение:

,                                (17)

где – предельная величина амплитуды нагружения; – статистическая составляющая, среднее напряжение цикла. Априорно выбирается среднее напряжение цикла и вычисляется предельная величина .

2. Прогнозирование ожидаемых вероятностных показателей, учитывая, что параметры µ, , тождественно подобны вероятностным зависимостям аналогично вида.

В четвертой главе приведена оценка влияния геометрических характеристик сопрягаемых поверхностей на прочность, неподвижность и ресурс профильного соединения корпус–вставка. Рассмотрен процесс заполнения профиля при тепловой сборке, когда имеются отклонения формы отверстия составной матрицы. На рис. 13 утрированно показано возможное положение сопрягаемых деталей в результате тепловой сборки, а также возможное изменение коэффициента заполнения профиля Кзп при наличии погрешностей формы.

Рис. 13. Положение сопрягаемых деталей после тепловой сборки: dвс min – минимальный диаметр вставки по линии выступов; dвс max – максимальный диаметр втулки по линии выступов; do min – минимальный диаметр обоймы по линии впадин; do max – максимальный диаметр обоймы по линии впадин; – величина отклонения формы за счет технологического наследования погрешностей формы отверстия корпуса составной матрицы

Пятая глава посвящена технологическому обеспечению и оценке работоспособности высоконагруженных элементов штамповой оснастки. Приведена методика определения уровня работоспособности неподвижного соединения в зависимости от свойств материала М, конструктивного решения Кф и технологии изготовления Тиз.

,                                        (18)

где – начальный уровень работоспособности объекта (например, начальный запас прочности неподвижного соединения, износостойкости рабочих поверхностей и т.д.); – некоторая функция, отображающая влияние свойств материала , конструктивного решения и технологии изготовления .

В такой постановке начальная работоспособность не является функцией времени, а является некоторой постоянной величиной, характеризующей начальное состояние объекта.

Приведены подобные системы, удовлетворяющие условиям:

1. Возможность приведения сравниваемых уравнений модели и натуры к критериальному виду, так называемая – теорема, рассматриваемые функции и являются критериальными, т. е. приведенными к безразмерному виду.

2. Первая теорема подобия утверждает, что подобные явления имеют одинаковые критерии подобия. Применительно к данным моделям это означает:

                                       (19)

для любого момента времени . Выполнение данного условия для начального момента времени и для момента разрушения очевидно. При , ; при , . Для любого момента из следующих соображений. Допустим, имеется возможность измерения каким-либо путем величины , известна величина и одновременно производится статистическая оценка комплекса условий, изменивших состояние объекта с до . Очевидно, если измерения и статистическая оценка проведены правильно с достаточной точностью, то и должны быть равными. Это следует из законов сохранения энергии, количества движения, вещества, и т. д.

3. Третья теорема подобия утверждает, что подобные явления должны иметь условия однозначности и одинаковые определяющие критерии, что обеспечивается подобными граничными условиями. В рассматриваемом случае эти условия являются не просто подобными, а одинаковыми.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложенные конструкции прямоугольного и волнистого профиля сопрягаемых поверхностей охватывающего и охватываемого элементов соединения штамповой оснастки повышают циклическую прочность в 1,7–2 раза по сравнению с соединениями, у сопрягаемых поверхностей которых отсутствуют выступы и впадины, превышающие значения величины микронеровностей.

2. Разработаны варианты технологического процесса формообразования профиля сопрягаемых поверхностей  и сборки ПНС.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность повышения износостойкости рабочей поверхности методом ионной имплантации легирующих элементов в приповерхностный слой материала вставки.

4. Результаты экспериментальных исследований, выполненных с целью определения циклической прочности профильного соединения, позволили сделать вывод о необходимости внедрения предложенных вариантов конструкции, изготовления и сборки при выполнении операций холодной высадки.

5. Результаты предварительных теоретических и экспериментальных исследований подтвердили возможность получения профильного неподвижного соединения (составной матрицы) методом тепловой сборки.

Публикации в изданиях перечня, определенного ВАК Минобрнауки России

  1. Моргунов, А. П. Моделирование процесса контактного взаимодействия профильного охватываемого элемента с цилиндрической обоймой методом конечных элементов в среде COSMOSWORKS / А. П. Моргунов, К. Н. Пантюхова // Омский научный вестник. – 2011. – № 2(100). – С. 106–109. – ISSN 18138225.
  2. Моргунов, А. П. Совершенствование конструкции штамповой оснастки и технологии тепловой сборки профильного соединения матрицы с твердосплавной вставкой / А. П. Моргунов, К. Н. Пантюхова // Омский научный вестник. – 2011. – № 2(100). – С. 115–117. – ISSN 18138225.
  3. Пантюхова, К. Н. Исследование процесса одновременной высадки двух заготовок / К. Н. Пантюхова, З. Н. Соколовский // Омский научный вестник. – 2009. – № 3(93). – С. 46–50. – ISSN 18138225.
  4. Моргунов, А. П. Повышение эффективности ионной имплантации волнистой поверхности сопряжения элементов профильного соединения / А. П. Моргунов, К. Н. Пантюхова // Омский научный вестник. – 2010. – № 3(103). – С. 98–100. – ISSN 18138225.

Патент на изобретение

Пат. 2277989 Российская Федерация, МПК В 21 D 22/02, В 21 J 5/08. Способ изготовления Г-образных деталей / Евстифеев В. В., Пантюхова К. Н. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. тех. ун-т. – № 2004126833/02 ; заявл. 06.09.04 ; опубл. 20.06.06, Бюл. № 17. – 3 с.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

  1. Исследование микрорельефа поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа solver p47 (nt-mdt) / А. П. Моргунов [и др.] // Вестник Сибирского отделения Академии военных наук : Междунар. выставка высокотехнологичной техники и вооружения,Омский регион. – Омск, 2011. – С. 270–273.

Другие авторы: К. Н. Пантюхова, А. А. Федоров, В. Г. Чуранкин

  1. Технологическое обеспечение и оценка работоспособности высоконагруженных элементов штамповой оснастки / А. П. Моргунов [и др.] // Вестник Сибирского отделения Академии военных наук : Междунар. выставка высокотехнологичной техники и вооружения, Омский регион. – Омск, 2011. – С. 273–278.

Другие авторы: К. Н. Пантюхова, А. В. Удодова, В. Р. Эдигаров

  1. Прогнозирование возникновения дефектов на стадии разработки технологии холодной высадки / В. В. Евстифеев [и др.] // Военная техника, вооружение и технологии двойного применения : материалы III Междунар. технол. конгр., Омск, 7–10 июня 2005 г. В 2 ч. Ч. I. / ОмГТУ [и др.]. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2005. – С. 124–125.

Другие авторы: А. А. Александров, И. С. Лексутов, К. Н. Пантюхова.

  1. Эдигаров, В. Р. Классификация деталей машиностроения по конструктивно-технологическим параметрам / В. Р. Эдигаров, А. П. Моргунов, К. Н. Пантюхова // Вестник Сибирского отделения Академии военных наук : Междунар. выставка высокотехнологичной техники и вооружения, Омский регион. – Омск, 2011. – С. 398–403.
  2. Построение рациональных технологий холодного выдавливания / В. В. Евстифеев [и др.] // Какой автомобиль нужен России?  Материалы 69-й Междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ). – Омск : СибАДИ, 2010. – С. 148–155.

Другие авторы: А. А. Александров, В. Г. Азаров, И. С. Лексутов, К. Н. Пантюхова.

  1. Моргунов, А. П. Конструкторско-технологическое обеспечение прочности профильного соединения при тепловой сборке / А. П. Моргунов, К. Н. Пантюхова, П. А. Литвиненко // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : материалы VI Всерос. науч.-техн. конф, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова, 5–6 июля 2011 г. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. – С. 165–168.
  2. Лексутов, И. С. Имитационное моделирование процессов штамповки и автоматизация обработки результатов эксперимента / К. Н. Пантюхова // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность: материалы II Всерос. молодеж. науч.-техн. конф., 21–22 апр. 2009 г. В 3 кн. Кн. 3. / ОмГТУ [и др.] ; редкол. : А. В. Косых [и др.]. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2009. – С. 65–70.
  3. Разработка технологического процесса сборки и неразрушающий контроль профильного неподвижного соединения с упорядоченным макрорельефом / Г. А. Безроднов [и др.] // Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства : тр. III Междунар. науч.-техн. конф. (Резниковские чтения) 12–14 октября 2011 г. – Тольятти, 2011. – С. 181–183.

Другие авторы: Е. В. Кривонос, К. Н. Пантюхова, А. П. Моргунов






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.