CC BY
7
УДК 622-1/-9; 621.983 DOI 10.46689/2218-5194-2022-1-1-317-324
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ДЛЯ ГОРНЫХ МАШИН МЕТОДАМИ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
В.Д. Кухарь, С.С. Яковлев
Предложен новый способ изготовления гидроцилиндров для горных машин и оборудования, основанный на использовании вытяжки с локальным утонением стенки заготовки и интенсивной пластической деформации. Приводятся результаты исследований основных характеристик процесса, проведенного с помощью компьютерного моделирования в специализированных программных продуктах для оценки операций обработки металлов давлением.
Ключевые слова: горные машины, гидравлическая система, рифли, гидроцилиндр, вытяжка с утонением, компьютерное моделирование, интенсивная пластическая деформация, обработка металлов давлением.
Введение
Гидравлическая система используется практически на всех горных машинах и во многих видах оборудования. Такая система используется для машин как подземных, так и открытых работ. Применение гидравлических систем способствует расширению технологических возможностей машин, увеличению производительности работ, повышению удобства использования и надежности конструкций [1]. Однако гидроприводы являются весьма сложными системами, испытывающими значительные нагрузки. Поэтому вопрос о повышении надежности конструкции гидропривода является актуальной задачей. В частности, большие нагрузки испытывает гидроцилиндр, который является неотъемлемой частью любой гидравлической системы, в том числе и горных машин. Существует ряд работ [2-6], затрагивающих область изготовления деталей ответственного назначения.
Гидроцилиндры должны обладать высокими эксплуатационными характеристиками, поэтому данные детали необходимо получать преимущественно методами обработки металлов давлением, так как при обработке давлением происходит улучшение свойств металлических материалов.
Поэтому в данной работе будет предложен новый способ получения гидравлических цилиндров с улучшенными механическими характеристиками за счет применения интенсификации пластических деформаций, вызванных вытяжкой с локальным утонением [7]. Такой подход приводит к значительному росту интенсивностей напряжений, и как следствие к большим величинам сдвиговых деформаций, что приводит к улучшению прочностных и эксплуатационных характеристик детали [7, 8]. Технология подразумевает вытяжку с локальным утонением через профильную матри-
цу, на рабочем пояске которой имеются выступы и впадины. После вытяжки на полуфабрикате возникают продольные выступы и впадины, которые необходимо сгладить на последующей операции вытяжки. Таким образом, за счет интенсивных сдвиговых деформаций и значительных интенсивно-стей напряжений меняется структура металла, и получается деталь с необходимой геометрической формой и улучшенными механическими характеристиками.
Материалы и методы
В настоящей работе будет проведено моделирование процесса вытяжки с локальным утонением через специальную матрицу (рис. 1, а) в программе рБогш [9, 10] с целью изучения технологических особенностей и характеристик данной технологии.
а б
Рис. 1. Матрица для локального формоизменения (а) и схема процесса (б)
Используемая в работе схема процесса приведена на рис. 1, б, где 1 - пуансон, 2 - заготовка, 3 - матрица для вытяжки с локальным утонением стенки, 4 - промежуточное кольцо (нужно для того, чтобы заготовка пошла полностью первую матрицу, не дойдя до второй матрицы), 5 - матрица для сглаживания получившихся выступов после первой операции.
Для исследования этого процесса было проведено компьютерное моделирование в программе рБогш. Необходимо получить гидроцилиндр с наружным диаметром 60 мм, толщиной стенки 5 мм и высотой 120 мм. Для этого была взята заготовка типа стакан, высотой 90 мм с толщиной стенки
7 мм и диаметром 64 мм. В моделировании использовалась сталь 45 в качестве материала заготовки, считающаяся изотропной, жесткопластиче-ской. 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.
Результаты и их анализ
Моделированием получены стадии формоизменения заготовки, которые приведены на рис. 2.
г д
Рис. 2. Стадии формоизменения
В процесс вытяжки увеличивалась высота изделия за счет утонения и перераспределения металла. При этом в матрице были 8 выступов и 8 впадин.
Далее приведен график технологической силы процесса, который представлен на рис. 3.
600
Рис. 3. Технологическая сила
Анализ графика показал, что в начале происходит подвод инструмента к заготовке, поэтому технологическая сила равна 0, далее происходит локальное утонение стенки с силой, не превышающей 400 кН. Потом сила падает до нуля, и происходит подвод заготовки пуансоном ко второй матрице, где формоизменение осуществляется с силой не более 500 кН. Также были рассмотрены поля интенсивностей напряжений (рис. 4) и деформаций (рис. 5).
а б
Рис. 4. Распределение интенсивности напряжений при локальном утонении (а), сглаживании выступов (б)
Рис. 5. Распределение интенсивности деформаций при локальном утонении (а), сглаживании выступов (б)
Выводы
Анализ напряженного деформированного состояния показал, что в области пластических деформаций величина интенсивности напряжений составляет около 800 МПа при деформировании в профильной матрице, при этом в зоне между выступами наблюдается интенсивность напряжений значительно меньшая (500...550 МПа). Таким образом формируется неод-нородность распределения интенсивности напряжений и деформаций. При формоизменении во второй матрице интенсивность напряжений достигает 850 МПа. Интенсивность деформаций при локальном формоизменении и при вытяжке без утонения составляет примерно 180.230 % в очагах деформаций. При этом происходит наклеп материала по всему объему полуфабриката.
Таким образом, гидроцилиндры можно изготавливать с использованием не только обработки резанием, ротационной вытяжки и объемной штамповки, но и с использованием методов холодной листовой штамповки и интенсификации пластических деформаций, что позволяет не только получать детали с требуемыми геометрическими размерами, но и с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет интенсивных сдвиговых деформаций и получаемого наклепа материала.
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. М.: Изд-во МГУ, 2001. 257 с.
2. Затеруха Е.В., Лобова В.А. Оценка качества технологических процессов по формируемым механическим свойствам // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 5. С. 174-179.
3. Яковлев С.С., Ремнев К.С., Трегубов В.И. Технологические рекомендации по проектированию технологических процессов глубокой вытяжки полусферических днищ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 4. С. 98-102.
4. Астахов А.С., Гурова О.Ю. Влияние геометрии ручья на предварительных переходах при горячей штамповке на формирование поковок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 12. С. 168-171.
5. Трегубов В.И., Ларина М.В., Хмылев М.Г. Технология ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолщениями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 3. С. 326-330.
6. 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.
7. Яковлев С.С. Определение силовых параметров при вытяжке с утонением и интенсивной пластической деформацией // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 11. С. 212-218.
8. Яковлев С.С. Деформационные и силовые параметры при неравномерном утонении стенки заготовки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 11. С. 511-519.
9. Ларин С.Н., Платонов В.И. Исследование качества изделий из алюминиевых сплавов, получаемых изотермическим свободным деформированием в квадратную матрицу // Вестник машиностроения. 2019. № 1. С. 69-73.
10. Ларин С.Н., Платонов В.И. Анализ изменения геометрии изделий при изотермическом свободном деформировании титановых сплавов в квадратную матрицу // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2018. № 4-2 (330). С. 57-62.
Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук., проф., зав. тф., тр/-tHla@ ramhler.rH , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Сергей Сергеевич, асп., yakovlev-ss-science@yandex. ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет
MANUFACTURE OF PARTS OF RESPONSIBLE PURPOSE FOR MINING MACHINES BY METHODS OF INTENSIVE PLASTIC DEFORMATION
V.D. Kukhar, S.S. Yakovlev
The paper proposes a new method of manufacturing hydraulic cylinders for mining machines and equipment, based on the use of a hood with a local thinning of the workpiece wall and severe plastic deformation. The results of studies of the main characteristics of the process carried out using computer modeling in specialized software products for evaluating metal forming operations are presented.
Key words: mining machines, hydraulic system, riffle, hydraulic cylinder, thinning extraction, computer simulation, severe plastic deformation, 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. Exploitation of mining machines and equipment. Moscow: Publishing House of Moscow State University, 2001. 257 p.
2. Zaterukha E.V., Lobova V.A. Assessment of the quality of technological processes by the formed mechanical properties // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2019. Issue 5. pp. 174-179.
3. Yakovlev S.S., Remnev K.S., Tregubov V.I. Technological recommendations for the design of technological processes of deep drawing of hemispherical bottoms // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2012. Issue 4. pp. 98-102.
4. Astakhov A.S., Gurova O.Yu. The influence of the geometry of the stream on preliminary transitions during hot stamping on the formation of forgings // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2019. Issue. 12. pp. 168-171.
5. Tregubov V.I., Larina M.V., Khmylev M.G. Technology of rotary extraction of thin-walled cylindrical parts with external and internal thickenings // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2019. Issue 3. pp. 326-330.
6. 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.
7. Yakovlev S.S. Determination of force parameters during drawing with thinning and intense plastic deformation // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2017. Issue 11. pp. 212-218.
8. Yakovlev S.S. Deformation and force parameters at uneven thinning of the blank wall // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2018. Issue 11. pp. 511-519.
9. Larin S.N., Platonov V.I. Quality study of aluminum alloy products obtained by isothermal free deformation into a square matrix // Bulletin of Mechanical Engineering. 2019. No. 1. pp. 69-73.
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
