CC BY
10
УДК 621.787
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ СОСТАВНОЙ ХОЛОДНОВЫСАДОЧНОЙ МАТРИЦЫ
К. Н. Пантюхова. В. Ю. Путннцсв. И. А. Крамар Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Аннотация - Широкая номенклатура изделии. получаемых холодной объемной штлмповков, актуа-лпзпрует исследования прочностных характеристик соединения составных матриц, используемых б хо-лодновысадочных прессах-автоматах. Данное исследование направлено на изучение практической задачи определения прочности соединения твердосплавной втулки со стальных! корпусом. На основе сочетания традиционных методов н инновационных форм соединения было установлено, что замена обычного соединения с натягом на профильное приводит к значительному повышению прочности.
К-мчеше слова: профильное соединение, холодновысадочная матрица, усталостное старение, прочность.
I. Введение
При работе в условиях высокой производительности эффективность производства может Сыть достигнута за счет экономии и внедрения энерго- и рес%рсо:берегающих технологий. Поэтому хтя развития современного машиностроительного производства требуется применение нэвых прогрессивных методов изготовления техно-
логической оснастки, внедрение которых позволит повысить эффективность использования обэрудсванш. приведет к снижению махрах Х1а шхихивлехше ижлруменха, >мсххыххсххню ссбссхихшосхн х аховой дехгихи.
Применение обработки металлов давлением и. в частности, методов холодной объёмной штамповки позволяет изготавливать конкурентоспособные детали, удовлетворяющие требованиям современного производства.
Одним из наиболее нагруженных элементов холодновысадочной оснастки при изготовлении крепежных изделий в процессе формообразования является матрица. Однако отноентельнэ низкая стойкость рабочего инструмента снижает эффективность кузнечно-штамповочного обо£удов£ния [1]. Исходя из этого, становится очевидным, что применение методов, повышающих износостойкость и долговечность рабочей оснастки, является актуальной задачей при изготовлении н Feмoнтe штампового инструмента.
П. Постановка задачи
Рабочие поверхности холодновысадочной матрицы, вступающие в контактное взанмэдействие с поверхностью исходной заготовки, подвергаются статическим и динамическим нагрузкам, необходимым дня пластического деформирования : целью формообразования голозкн болта (винта) или гайки. Обеспечение нзносостой-ксстн рабочих поверхностей матрицы при ее изготовлении осуществляется применением высокоуг.тероднстых сталей и твердых сплавов. Кроме того, на поверхности наносятся твердые покрытия из нитридов титана, карбидов вольфрама и других металлов. В отдельных случаях на поверхности наносятся ультрадиспсрснке алмазные порошки.
Цс.ьныс махрхщьх р=комсндусл;я выхиыхняхь для высадки мохкнх н средних размерив внхиов, л д^хя GoJxcc крупных размеров матрицы изготовляются составными в виде двух цилиндров, скрепленных с определенным натягом [1]. 3 таких конструкциях рабочие поверхности выпслняются на втулках, которые изготавливаются из дорогостоящих твердых сплазов (рис. 1).
5 30+0,05
Рис. 1. Эскиз втулки из твердого сплава ЗК 20 с прямоугольным профилем
Втулки, в свою очередь, помешаются в корпус (рис. 2), выполненный из более дешевой стали, обладающей, есответственно. более низкими прочностными характеристиками (рис. 3). Подобные конструкции служат дольше цельного рабочего инструмента, а стоимость материала, идущего на их изготовление, снижается за счет использования сравнительно недорогих марок материала, но которых изготавливаются корпуса матриц Воэпп кает проблема прочности соединений втулки с корпусом. При мюгократном циклическом нагруженин прочность соединения к.орхх>са и вхулки с хе-хехшем времени умсххъхххаехся. Б связи с лш ххрсдсхашхяехся целесообразным использование профильных неподвижных соединений, у которых сопротивление относительному смещению (непсдвнжность) обеспечивается за счет искусственно создаваемого профиля на сопрягаемых поверхностях, способствующего появлению так называемого шпоночного эффекта, а также благодаря увеличению площади опорной поверхности [2].
35x0,05
2 <£ас*и
Рис. 2. Эскиз корпуса из стали 12ХНЗА с прямоугольным профилем
Г
Рис. 3. Твердо сплавная втулка и корпус
Ш. Теория
Процес:ы потери прочности при статическом н динамическом нагружениях холодновысадэчных матриц еще недостаточно полно изучены. В частности, экспериментально не выявлен закон накопления повреждений или других каких-то причинных факторов, эбуслазливающих снижение первоначальных прочностных свойств составной матрицы.
Основываясь ли ранее опубликованных результатах исследований [1—3], посвященных повышению рабогс-способностн неподвижных соединений, можно утверждать, что наличие натяга совмещенного с профильным сое/^тнением гппгоботиует повышению прочности и неподви-а-нооти соединения Увеличение площади контактной поверхности за счет замены гладкой сопрягаем эй поверхности на профильную, приведет к большей неподвижности элементов.
Изучение процессов старения при износе инструмента в процессе обработки металлов, потери прочности неподвижных неразъемных соединений, усталостного старения составной матрицы показали, что динамика процессов старения подчиняется единому закону старения и может бытв описана трансцендентными уравнениями вида
я(г)=Л0е (1)
Te.i самым для :-тих тастпых случаев старения подтверждено существование едшой ресурсной фушсщш ра ботослосооности. единого детерминированного заксна старения объекта [4].
Образцами для исследований послужили втулка из твердого сплава ВК20 и корпус кз высококачественной конструкционной стати 12ХНЗА. Для проведения эксперимента зстаька запрессовывалась в корпус, нагретый до температуры 350'"' С. Опорное кольцо устанавливалось на. рабочий стол универсальной испытательной машины на 50 l.c с н)льсаюром 25 т.е. jmia ГРМ-1. В опорное кольцо помещался корпус с запрессованной в не* о втулкой. На втулку устанавливался подготовленный к испытаниям ударник с наклеенным на его подготовленную поверхность тензорезнстором (рис. 4.5).
Рис. 4. Элементы составной матрицы и приспособления: 1 - вставка. 2 - корлус. 3 - опорное кольцо. 4 -ударник
Рис. 5. Опытный образец, установленный на универсальную испытательную машину
IV. Результаты экспериментов Составная матрица пэдвергалась циклическому нагружению при частоте пульсации £=200 Гц и усилии Р-20 кН [5. б]. Образец выдерживал заданный режим нагртжения без изменений, поэтому через 50 000 циклов нагрузка была увеличена вдвое и составила Р=40 кН. частота пульсации осталась прежней. При данном режиме нагрузки испытуемая сборная матрица так /КС не нспытызала изменении.
С интервалом в 50 000 циклов нагрузка постепенно увеличивалась: 60 кН. ЭО кН. 100 кН: частота пульсации сохранялась неизменной. При данных нагрузках движения вг/лки в корпусе матрицы не было
При усилии Р=120 кН опытный образец выдержал пэрядха 35000 циклов, после чего втулка начала «ползти». Соединение твердосплавной втулки с корпусом удалось разрушить при усилии Р=150 кН (рис б).
Рнс. б. Твердосплавная втулка н корпус после эксперимента
V. Обсуждение результатов
Проведенные эксперименты показали, что разрушение профильного неподвижного соединения заступает при усилии Р=150 кН. Тогда как разрушение соединения гладкой твердосплавной втулки с корпусом при той же частоте пульсации £=200 Гц наступало уже при нагрузке Р=80 кН. Нарушение неподвижности «гладкого» соединения наблюдалось прн усилии Р=б5 кН. тогда как твердосплавная втулка с прямоугольным профилем на контактной поверхности, начинала «ползти» прн усил1ш Р=120 кН.
VL ВЫВОДЫ и ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выявлен слолсный характер проявления разрушения профильных соединений н показано, что различные признаки износа в соединении твердосплавной втулки и корпуса составной матрицы обнаруживаются значительно позднее по сравнению с {{гладкими» соединениями. Замена обычного соединения с натягом втулки и корпуса холодиовысадочной матрицы на профильное, позволяет увеличить нагрузку в два раза.
Проведенное исследование прочности соединения холодиовысадочной матрицы показало, что накопление повреждений в сопряжен™ профильного соединения происходит по единому закону, а полученные результаты позволяют организовать предупредительный контроль работоспособности изделий и безотказную работу конструкций в течение определенного периода времени.
Список литературы
1. Пантюхова К. Н. Профильные неподвижные соединения составных матриц для операций холодной высадки: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2014. 111 с.
2. Моргунов А. П.. Панлюхова К. Н. Моделирование процесса контактного взаимодействия профильного охватываемого элемента с цилиндрической обоймой методом конечных элементов в среде COSMObWORKS Н Омский научный вестанк. 2011. № 2(100). С. 106-109.
3. Моргунов А. П.. Пантюхова К. Н. Совершенствование конструкции пгтамповой оснастки н технологии тепловой сборки профильного соединения матрицы с твердосплавной вставкой И Омский научный вестник. 2011. №2(100). С. 115-117.
4. Моргунов А. П.. Панпохова К. Н., Удодова А. В.. Эднгаров В. Р. Технологическое обеспечение и оценка работоспособности высоконагруженных элементов пгтамповой оснастки Н Вестник Сибирского отделения Академии военных наук; Междунар. выставка высокотехнологичной техники и вооружения. Омск, 2011. С. 273-27S.
5. Безроднов Г. А, Кривонос Е. В.. Пантюхова К. Н.. Моргунов А. П.. Разработка технологического процесса сборки н неразрушающий контроль профильного неподвижного соединения с упорядоченным макрорельефом И Теплофизическне и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства: тр. Ш Междунар. науч.-техн. конф. (Резниковскне чтения), 12-14 октября 2011 г. Тольятти. 2011. С. 1S1-1S3.
6. Моргунов. А. П. Пантюхова К. Н., Литвнненко П. А. Конструкторско-техно логическое обеспечение прочности профильного соединения прн тепловой сборке И Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. по свят памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова. 5-6 июля 2011 г. / ОмГТУ. Омск. 2011. С. 165-16S.
