Определение прочностных характеристик исходной заготовки для изготовления крепежа повышенного класса прочности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.771

И.Ю. Мезин, М.А. Полякова

ФГБОУВПО «МГТУ» Е.Н. Гусева

ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖА ПОВЫШЕННОГО КЛАССА ПРОЧНОСТИ

Получение крепежа повышенного класса прочности из углеродистых марок стали без окончательной термической обработки является важной задачей, над решением которой работают в настоящее время специалисты многих метизных предприятий. Используемый в процессах производства крепежа комплекс деформационно-термических операций способен существенным образом воздействовать на структурное состояние и механические свойства металла, что позволяет формировать требуемый уровень потребительских свойств продукции. Учеными ФГБОУ ВПО «МГТУ» проведен комплекс теоретических исследований по моделированию процесса калибрования прутковой заготовки и холодной высадки болтов М10 и М16 из стали марок 10 и 20. Осуществлен анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе изготовления болтов на всех переходах высадки. Полученные результаты позволили оценить напряженное состояние, формирующееся в высадочном инструменте. Установлено, что интенсивность напряжений, возникающая на рабочих участках инструмента, не превышает предела текучести при сжатии быстрорежущей стали марки Р6М5. Во всех рассмотренных случаях имеется достаточный запас прочности, что обеспечивает гарантированное течение существующего на производстве варианта технологии изготовления болтов из углеродистых марок стали 10 и 20. Это позволяет рассмотреть возможность использования исходной заготовки с большей прочностью с целью получения крепежной продукции более высокого класса прочности.

Технологический процесс производства болтов в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» представлен на рис. 1. Изготавливаемые в настоящее время болты М10 и М16 по традиционной технологии имеют класс прочности 6.8. Расчетные гистограммы прочностных свойств болтов представлены на рис. 2 и 3.

Технологический процесс изготовления болтоб

4 операция

Подача металла и отрезка заготобки

1 операция

ПрвдЬаритвльная бысадка голобки

¿операция

Окончательная бысйдка голобки

3 операция

Редуциродание стержня

Отрезка граней м размер 'под к/т'

Накатка резьбы

<*3

ш

<15

и

<16.

<14

ю

т

X

Ц

\

<¿1

<19

1

I

с*8

СЕ XI

¿1

0

" л N

Рис. 1. Технологический процесс изготовления болтов общемашиностроительного назначения

700 п

600

500

400

о 300

200

100

610

647

662

407

без с 12 мм до 9, 65 с 14 мм до 9, 65 с 15 мм до 9, 65 калибрования мм мм мм

а

800 700 600 500 400 300 200 100 0

721

753

663

430

без с 12 мм до 9, 65 с 14 мм до 9, 65 с 15 мм до 9, 65

калибрования мм мм мм

0

б

Рис. 2. Временное сопротивление разрыву болтов М10 из стали марок 10 (а) и 20 (б) при различных режимах калибрования исходной прутковой заготовки

В результате выполненных расчетов установлена принципиальная возможность изготовления болтов класса прочности 8.8 без окончательной термической обработки в виде закалки и отпуска из стали марки 20, так как прочностные свойства болтов, изготовленных из этой марки стали наиболее близки к параметрам крепежа класса прочности 8.8. При таком подходе необходимые прочностные свойства могут быть достигнуты по завершении цикла холодной объемной штамповки изделий при условии использования специально подготовленных или отобранных заготовок.

700 600 500 400 300 200 100

610 650

513

395

без

калибрования

с 17 мм до 15,5 мм

с 19 мм до 15,5 мм

с 21 мм до 15,5 мм

0

а

800

та

| 700 <и

| 600 ш

ш 500 400

с

8 300

<а

0

| 200 ш

1 100

а ш

0

без с 17 мм до с 19 мм до с 21 мм до

калибрования 15,5 мм 15,5 мм 15,5 мм

700 720

615

470

б

Рис. 3. Временное сопротивление разрыву болтов М16 из стали марок 10 (а) и 20 (б) при различных режимах калибрования исходной прутковой заготовки

В связи с этим, представляется важным решение, так называемой «обратной задачи», заключающейся в поиске таких показателей физико-механических характеристик исходной заготовки из стали марки 20, которые обеспечили бы получение класса прочности болтов не ниже 8.8. В основу разработанной методики положен комплекс научно-технических знаний о свойствах углеродистых марок стали после различных видов деформационной и термической обработок (рис. 4).

Представленная на рис. 4 схема состоит из трех расчетных блоков для оценки изменения свойств стальной заготовки на соответствующих этапах переработки, а именно, после термической обработки и деформационного воздействия на операциях калибрования и формообразования.

Для целей настоящей работы в качестве исходных механических свойств стали следует принимать ее свойства после предварительной термической обработки, а в случае ее отсутствия - свойства металла в горячекатаном состоянии.

Качество исходного металла оценивается по результатам испытаний специально отобранных образцов, которые подвергаются механическим испытаниям с определением временного сопротивления разрыву -< относительного удлинения - д, относительного сужения - у и твердости НВ.

Для ориентировочной оценки свойств стали после предварительного отжига по однотипным режимам при его наличии в технологии возможно использование статистических зависимостей вида:

<от = /(<гк), (1)

где <от - прочностные свойства стали после предварительного отжига; <гк - прочностные свойства исходной горячекатаной стали.

Блок-схема алгоритма реализации указанной методики для последующей ее реализации в автоматизированных системах проектирования технологических процессов производства крепежных изделий приведена на рис. 5.

Существенный вклад в формирование свойств готовых крепежных изделий из низкоуглеродистых неупрочняемых окончательной термической обработкой сталей в сквозных технологиях производства общемашиностроительного крепежа невысоких классов прочности в общем случае вносят процессы деформационного воздействия на металл.

Далее, на основе знаний о прочностных свойствах металла, подвергаемого холодной пластической деформации, имеется возможность рассчитывать его прочностные свойства. При этом применяемые зависимости мало зависят от вида пластической обработки, то есть для моделирования процессов калибрования прутковой заготовки и формообразования крепежных изделий допустимо применять одни и те же уравнения.

Рис. 4. Обобщенная схема расчета и прогнозирования свойств крепежных изделий из низкоуглеродистых марок стали

Начало

Ввод исходных данных марка стали, ста 5, у, НВ

Ое > [Ое ]

5< [5]

Нет

Расчет свойств отожженной заготовки Оот = Я°гк, Т, % ■■■■)

1

Расчет свойств калиброванной стали О к Огк + 0£к * Ок = Оот + 0Бк

1 г

Расчет свойств изделия после формообразования Стф = Сто + 9е ф

1 г

Расчет свойств изделия после накатки резьбы ор = Оф + бе ф

1 г

Класс прочности готового изделия

1 г

Останов

Рис. 5. Блок-схема алгоритма прогнозирования прочностных свойств крепежных изделий, неупрочняемых окончательной термической обработкой

В общем виде зависимости, отражающие взаимосвязь прочностных свойств и степени холодной деформации, выглядят следующим образом:

- при калибровании прутковых заготовок

<к = <гк + де, (2)

<к = <от + де; (3)

- при формообразовании прутковых заготовок

<ф = <о + деф, (4)

где < к - усредненные значения прочностных свойств калиброванной заготовки, МПа; <ф - усредненные значения прочностных свойств заготовки крепежного изделия после формообразования, МПа; в - усредненные значения модуля упрочнения обрабатываемого материала (определяется в результате статистической обработки экспериментальных или производственных данных); ек - степень холодной пластической деформации прутковой заготовки после калибрования, %; <гк, <от, <о - усредненные значения начальных (для анализируемого этапа переработки металла) прочностных свойств стальной заготовки, МПа.

Соответствующие зависимости устанавливаются в ходе аппроксимации кривых, получаемых в ходе пластометрических испытаний (табл. 1).

Следует учитывать, что приведенные в табл. 1 уравнения охватывают интервал изменения степени холодной пластической деформации от 0 до 80 %. Такой подход дает меньшую точность уравнений. Более широкий интервал значений степени деформации наиболее приемлем для анализа процессов формообразования крепежа, в которых используется широкая гамма видов деформационных процессов, характеризуемых разнообразными значениями степени деформации. Однако для расчета изменения свойств металла на стадии калибрования, характеризуемого относительно узким диапазоном значений степеней деформации, как правило, не более 10 %, целесообразно использовать более узкие по величине степени деформации зависимости. Такие уравнения были получены в результате кусочной аппроксимации пластометрических кривых.

Применительно к интервалу изменения значений степени деформации от 0 до 10 % приведены в табл. 2. Достоверность основной массы приведенных уравнений по критерию г2 составляет не менее 0,9.

Таблица 1

Аппроксимирующие уравнения диаграмм деформирования исследуемых углеродистых сталей

Марка стали, поставщик Вид обработки Аппроксимирующие уравнения диаграмм деформирования Достоверность аппроксимации по критерию г2 Коэффициент корреляции

Сталь 10, ОАО «ММК» Подкат о = 580,67 + 5,68е 0,825 0,908

Отжиг о = 534,98 + 5,75е 0,860 0,927

Волочение о = 522,49 + 7,63е 0,896 0,947

Сталь 10, ОАО «ОЭМК» Подкат о = 568,21 + 6,33е 0,817 0,904

Отжиг о = 443,6 + 5,83е 0,929 0,964

Волочение о = 477,51 + 5,96е 0,846 0,920

Сталь 20, ОАО «ММК» Подкат о = 515,96 + 6,89е 0,926 0,962

Волочение о = 511,36 + 7,78е 0,951 0,975

Сталь 20, ОАО «ОЭМК» Подкат о = 534,47 + 5,85е 0,918 0,958

Таблица 2

Аппроксимирующие уравнения диаграммы деформирования углеродистых сталей для значений степени деформации от 0 до 10 %

Марка стали, поставщик Вид обработки Аппроксимирующие уравнения характерных зон диаграмм деформирования

Сталь 10, ОАО «ММК» Подкат о = 18,74е + 490,59

Отжиг о = 23,44е + 518,7

Волочение о = 38,71е + 401,65

Сталь 10, ОАО «ОЭМК» Подкат о = 36,46е + 449,53

Отжиг о = 14,31е + 439,4

Волочение о = 31,62е + 332,63

Сталь 20, ОАО «ММК» Подкат о = 46,80е + 408,55

Волочение о = 26,19е + 449,7

Сталь 20, ОАО «ОЭМК» Подкат о = 27,89е + 505,34

В соответствии со спецификой приемо-сдаточных испытаний болтов для установления их соответствия определенному классу прочности готовые изделия подвергаются испытаниям на растяжение. Как показывает производственная практика, основная масса болтов разрушается по стержню, включая и участки с нарезанной резьбой. Следует отметить, что согласно приведенной на рис. 1 схеме технологического процесса изготовления болтов общемашиностроительного назначения, диаметр калиброванной заготовки определяется величиной d2, а минимальный диаметр стержня - величиной d8. Так, для болтов М10 величина d2 составляет 9,65 мм, а величина d8 = 8,99 мм, что определяет максимальную степень деформации при оформлении стержня без учета накатки резьбы s = 13,21 %. Указанные величины для болтов М16 составляют, соответственно: d2 = 15,5 мм; d8 = 14,66 мм; s= 10,54 %.

Таким образом, деформирующее воздействие на заготовку, способствующее увеличению прочностных свойств, которые фиксируются при испытаниях на класс прочности готовых болтов М10 и М16 без учета накатки резьбы характеризуется параметрами s = 13,21 % и s = 10,54 %, соответственно.

Далее, следуя алгоритму принятой методики (см. рис. 4), необходимо рассчитать прочностные характеристики стержня болта, как элемента, подверженного разрушению при испытании. В качестве исходных данных необходимо принять прочность прутка, которая была достигнута на калибровании и статистическую зависимость, найденную для данного случая деформирования. Указанная зависимость имеет вид:

ст = 7,78е + ст- (5)

Результаты выполненных расчетов с учетом различий процессов пластического деформирования при пластометрических исследованиях образцов из стали марки 20, калибровании прутковых заготовок из той же стали и холодной высадки рассматриваемых болтов приведены на рис. 6.

Как показал анализ данных, приведенных на рис. 6, для гарантированного достижения класса прочности стержневых крепежных изделий из стали марки 20 после деформационного воздействия не ниже 8.8, то есть без окончательной термической обработки, необходимо использование прутковых заготовок с пределом прочности не менее 500...600 МПа (нижний предел - для болтов М10, верхний - для болтов М16). Следует отметить, что приведенные результаты анализа достигнуты применительно к существующим операциям калибрования и холодной высадки в ОАО «ММК-МЕТИЗ» с учетом свойств поставляемой на завод горячека-

таной стали марки 20.

а

б

Рис. 6. Расчетные значения прочностных свойств болтов из стали марки 20 в зависимости от прочности горячекатаной стали: а - для болтов М10, б - для болтов М16