CC BY
5
10. Larin S.N., Platonov V.I. Analysis of changes in the geometry of products during isothermal free deformation of titanium alloys into a square matrix // Fundamental and applied problems of engineering and technology. 2018. No. 4-2 (330). pp. 57-62.
УДК 622-1/-9; 621.983 DOI 10.46689/2218-5194-2022-1-1-324-331
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОЦИЛИНДРОВ ГОРНЫХ МАШИН С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
В.Д. Кухарь, С.С. Яковлев
Рассматривается новый подход к изготовлению деталей ответственного назначения, а именно гидроцилиндров, используемых в оборудовании и машинах для горных работ. Проведен анализ предложенной технологии и проанализировано влияние некоторых факторов вытяжки с локальным утонением на характеристики получаемого изделия.
Ключевые слова: горные машины, гидравлическая система, гидроцилиндр, вытяжка с утонением, компьютерное моделирование, интенсивная пластическая деформация, рифли, обработка металлов давлением.
Введение
Машины и оборудование для горных работ являются сложными системами, состоящими из множества отдельных деталей, которые зачастую являются деталями ответственного назначения, так как испытывают значительные нагрузки. Для повышения надежности отдельных деталей и системы в целом необходимо использовать высококачественные элементы с высокими эксплуатационными характеристиками, например, к подобным деталям можно отнести гидравлические цилиндры [1]. Гидроцилиндры работают при высоких давлениях, поэтому вопрос об улучшении характеристик таких деталей стоит довольно остро и является важной научно -технической проблемой.
Гидроцилиндры, как правило, получают процессами обработки металлов давлением, потому что в этом случае материал приобретает определенную микроструктуру, от которой зависят механические характеристики изделий [2-5]. К наиболее распространенным способам получения гидравлических цилиндров можно отнести ротационную вытяжку, вытяжку с утонением стенки, выдавливание. Однако ротационная вытяжка отличается низкой производительностью процесса, а другие не придают полуфабрикату требуемую микроструктуру. Поэтому предложен альтернативный метод получения гидроцилиндров, основанный на вытяжке с локальным утонением стенки, при котором реализуется интенсификация пластических деформаций и уменьшение размеров зерен [6, 7], что дает улучшение эксплуатационных характеристик деталей ответственного назначения, в том числе и гидроцилиндров. При этом вытяжка с локальным утонением может
реализовываться при разных условиях, в том числе значительное влияние на процесс оказывает количество впадин и выступов. Поэтому в работе будет проведен анализ влияния количества впадин и выступов матрицы на напряженно-деформированное состояние, технологическую силу и на другие параметры процесса.
Материалы и методы
Технология интенсификации пластических деформаций реализуется следующим образом, на первой операции проводится вытяжка с локальным утонением стенки в специальной матрице, в результате чего образуется наружная поверхность с вертикальными рифлями. На второй операции проводится сглаживание рифтов в матрице с цилиндрической рабочей поверхностью. Эта комбинация (рис. 1) позволяет интенсифицировать пластические деформации и получить мелкозернистую структуру, что улучшает механические характеристики. При этом в профильной матрице может быть различное число выступов. В данном случае сравним получение гидроцилиндра в матрице с 8 выступами и с 16 при помощи компьютерного моделирования.
Рис. 1. Схема процесса: 1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - профильная Матрица; 4 - промежуточное кольцо; 5 - матрица
В настоящей работе будет проведено моделирование процесса вытяжки с локальным утонением через специальную матрицу (рис. 1) в про-
грамме рБогш [8-10] с целью изучения технологических особенностей и характеристик данной технологии. Используемая в работе схема процесса приведена на рис. 1, где 1 - пуансон, 2 - заготовка, 3 - матрица для вытяжки с локальным утонением стенки, 4 - промежуточное кольцо (нужно для того, чтобы заготовка прошла полностью первую матрицу, не дойдя до второй матрицы), 5 - матрица для сглаживания получившихся выступов после первой операции.
Компьютерное моделирование проводилось в программе рБогш, которая позволяет изучить большое количество различных параметров процессов ОМД. Заготовка использовалась типа стакан из стали 45, высотой 90 мм с толщиной стенки 7 мм и диаметром 64 мм. Из данной заготовки получается гидроцилиндр с наружным диаметром 60 мм, толщиной стенки 5 мм, и высотой 120 мм. Вытяжка проводилась через 2 матрицы. В первой диаметр по выступам Э1=60 мм, а по впадинам Э2=66 мм. Диаметр второй матрицы равен 60 мм. При этом применялась профильная матрица с разным числом выступов: 8 и 16.
Результаты и их анализ
Были получены распределения интенсивности деформаций (рис. 2) и напряжений (рис. 3).
а б
Рис. 2. Распределение интенсивностей деформаций: а - деформирование в матрице с 16 выступами; б - при сглаживании 16 выступов; в - деформировании в матрице с 8 выступами; г - сглаживание 8 выступов (начало)
Рис. 2. Окончание
а б
Рис. 3. Распределение интенсивностей напряжений: а - деформирование в матрице с 16 выступами; б - при сглаживании 16 выступов; в - деформировании в матрице с 8 выступами; г - сглаживание 8 выступов (начало)
Рис. 3. Окончание
Далее рассмотрим технологическую силу процессов, графики которых представлены на рис. 4.
-8 выступов -16 выступов
Рис. 4. Технологическая сила процессов
Выводы
Анализ технологических усилий показал, что сила деформирования в матрице с 8 выступами на 5 % выше, что является не значительной величиной и может считаться погрешностью вычислений при моделировании.
Из анализа напряженного и деформированного состояния следует, что наибольшая величина напряжений и деформаций не зависит от вида матрицы. Однако неравномерность распределения интенсивностей напряжений больше при деформировании в матрице с 16 выступами. Таким образом, при прохождении через вторую матрицу напряжения и деформации сглаживаются во всем объеме материала и происходит равномерный наклеп.
Также были проанализированы 2 параметра: величина Cocroft-Latham и поля Gartfield. Величина Cocroft-Latham показывает на повреждаемость в изделии, которая в обоих случаях деформирования не превышала 0,3. Поля Gartfield показывают на возможные внешние дефекты изделия, однако данный параметр не превышал значений 0,1. Эти обстоятельства могут свидетельствовать о том, что получаемая деталь при формоизменении не будет разрушаться и не будет иметь поверхностных дефектов.
Таким образом, было установлено, что технология локальной вытяжки позволяет получить требуемую геометрию изделия, при этом предполагаемое качество и механические характеристики соответствуют назначению детали.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20212, https://rscf.ru/project/22-29-20212/.
Список литературы
1. Зайков В. И., Белявский Г. П. Эксплуатация горных машин и оборудования // Московский государственный горный университет. 3-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГУ, 2001. 257 с.
2. Чиликин А.А., Трушин Н.Н Сравнительный анализ современных методов диагностики состояния гидравлических систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. №3. С. 117-127.
3. Бессмертная Ю.В., Пасынков А.А. К оценке силы при вытяжке цилиндрических полуфабрикатов на первой операции вытяжки по схеме «Круг - цилиндр» // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 1. С. 200-206.
4. Вилимок А.Я. Статистическая обработка результатов исследований вытяжки по методу Эриксена // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 12. С. 122-124.
5. Грязев М.В., Ларин С.Н., Пасынков А.А. Предельный коэффициент вытяжки плоских листовых изделий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. №9.
6. Яковлев С.С., Коротков В.А. Определение влияния рабочего профиля матрицы, создающего переменный зазор при вытяжке с утонением на увеличение сдвиговых деформаций // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 3. С. 70-77.
7. Яковлев С.С. Влияние формы рабочего профиля матрицы на интенсивность пластической деформации при вытяжке с утонением // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 4. С. 31-37
8. Ларин С.Н., Платонов В.И., Коротков В.А. Проектирование матрицы для вытяжки материалов, обладающих плоскостной анизотропией механических свойств // Цветные металлы. 2018. № 7. С. 83-87.
9. Коротков В.А., Чижов И.А., Архипцев А.С. Влияние последовательности переходов при вытяжке с локальным утонением на силовые параметры и напряжённо-деформируемое состояние // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 11. С. 503511.
10. Пасынков А.А., Ларин С.Н., Нуждин Г.А. Оценка сил обратного выдавливания прутковой заготовки в матрицу квадратного сечения // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Т. 18. № 10. С. 462465.
Кухарь Владимир Денисович, д-р. техн. наук., проф., зав. каф., mpf-tula@rambler.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Сергей Сергеевич, асп., yakovlev-ss-science@yandex.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF THE PROCESS OF OBTAINING HYDRAULIC CYLINDERS OF MINING MACHINES WITH INCREASED PERFORMANCE CHARACTERISTICS
V.D. Kukhar, S.S. Yakovlev
The paper discusses a new approach to the manufacture of critical parts, namely hydraulic cylinders used in equipment and machines for mining operations. The analysis of the proposed technology is carried out and the influence of some factors of drawing with local thinning on the characteristics of the resulting product is analyzed.
Key words: mining machines, hydraulic system, hydraulic cylinder, thinning extraction, computer simulation, severe plastic deformation, riffle, metal pressure treatment.
Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yakovlev Sergey Sergeevich, postgraduate, yakovlev-ss-science@yandex. ru , Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Zaikov V. I., Belyavsky G. P. Operation of mining machines and equipment // Moscow State Mining University. 3rd ed., stereotype. M.: Publishing House of Moscow State University, 2001. 257 p.
2. Chilikin A.A., Trushin N.N. Comparative analysis of modern methods of diagnostics of the state of hydraulic systems // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2014. No. 3. pp. 117-127.
3. Bessmertnaya Yu.V., Pasynkov A.A. To the assessment of the force during the extraction of cylindrical semi-finished products at the first extraction operation according to the "Circle - cylinder" scheme // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2017. Issue 1. pp. 200-206.
4. Vilimok A.Ya. Statistical processing of the results of extraction studies by the Eriksen method // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2019. Issue. 12. pp. 122-124.
5. Gryazev M.V., Larin S.N., Pasynkov A.A. Limiting coefficient of extraction of flat sheet products // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2018. No.9.
6. Yakovlev S.S., Korotkov V.A. Determination of the effect of the working profile of the matrix, which creates a variable gap during drawing with thinning on the increase in shear deformations // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2017. Issue 3. pp. 70-77.
7. Yakovlev S.S. Influence of the shape of the working profile of the matrix on the intensity of plastic deformation during drawing with thinning // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2017. Issue 4. pp. 31-37
8. Larin S.N., Platonov V.I., Korotkov V.A. Designing a matrix for drawing materials with planar anisotropy of mechanical properties // Non-ferrous metals. 2018. No. 7. pp. 83-87.
9. Korotkov V.A., Chizhov I.A., Arkhiptsev A.S. The effect of the sequence of transitions during drawing with local thinning on force parameters and stress-strain state // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2018. No. 11. pp. 503-511.
10. Pasynkov A.A., Larin S.N., Nuzhdin G.A. Evaluation of the forces of reverse extrusion of a bar billet into a square-section matrix // Procurement production in mechanical engineering. 2020. Vol. 18. No. 10. pp. 462-465.
