CC BY
110
621.882.6:669.14.253
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДОСТИЖЕНИЯ ВЫСОКИХ КЛАССОВ ПРОЧНОСТИ БОЛТОВ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ МОДЕЛИРОВАНИЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ
М.В. Чукин, А.С. Кузнецова, М.П. Барышников
В статье приведена классификация основных потребительских свойств машиностроительного крепежа, полученная в результате анализа нормативной и технической документации на крепежные изделия повышенного класса прочности. Представлены методика и результаты моделирования измерения твердости по Бринеллю болтов М10 и М16 из углеродистой конструкционной стали с УМЗ структурой в среде БеЮт-ЗО
Ключевые слова: ультрамелкозернистая структура, моделирование, механические свойства
Интенсивное развитие машиностроения, транспорта, строительства и других отраслей промышленности с каждым годом постоянно увеличивает потребность в крепежных изделиях. Обеспечение заданного уровня потребительских свойств различных видов металлопродукции за счет эффективного сочетания технологических методов и управления показателями качества является одной из главных задач деятельности метизных предприятий. Одним из прогрессивных направлений существенного повышения качества, надежности и уровня механических свойств крепежных изделий является применение в качестве сырья конструкционных ультрамелкозернистых (УМЗ) сталей, полученных методами интенсивной пластической деформации (ИПД).
Учитывая многофакторность влияния условий производства на качество производимой крепежной продукции, эффективно использовать численное моделирование которое в отличие от техники испытаний не зависит от практических ограничений, издержек на производство и проблем техники измерений при регистрации параметров процесса.
Крепеж повышенного класса прочности эксплуатируется в жестких условиях, испытывает значительные нагрузки. В связи с этим к уровню качества указанных металлоизделий предъявляются особые требования со стороны потребителей. Кроме того, требования к качественным характеристикам крепежа регламентируются стандартом ГОСТ Р 526272006 [1]. В соответствии с представленной на рис. 1 структурой потребительские свойства крепежа повышенного класса прочности можно представить в виде совокупности механических, геометрических и специальных показателей качества готового изделия.
При этом механические показатели качества крепежа, определяющие надежность и долговечность
готового изделия, включают временное сопротивление разрыву и твердость.
Чукин Михаил Витальевич - МГТУ им. Г.И. Носова, д-р техн. наук, профессор, е-шай: m.chukin@mail.ru Кузнецова Алла Сергеевна - МГТУ им. Г.И. Носова, аспирант, тел. 89028999354, е-шай: шisssшile-08.86@шail.ru Барышников Михаил Павлович - МГТУ им. Г.И. Носова, канд. техн. наук, доцент, е-шай: arcosшag@шail.ru
Рис. 1. Дерево свойств машиностроительного крепежа
В ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» проводится комплекс теоретических исследований с целью прогнозирования показателей качества крепежа повышенного класса прочности из углеродистых конструкционных УМЗ сталей моделированием различных методов механических испытаний в программном комплексе БеЮт-ЗО®.
Как известно, определение класса прочности рассматриваемых крепежных изделий основывается на результатах испытаний на растяжение на косой шайбе и определение твердости по Бринеллю.
В работе [2] представлены результаты моделирования процесса растяжение болтов М10 и М16 на косой шайбе. В результате проведенных исследований установлена высокая эффективность применения УМЗ сталей марок 20 и 45 для получения крепежных изделий класса прочности 8.8 и выше (рис. 2).
1000
о 600
0 35,33 52,49
суммарная степень обжатия при калибровании, %
□ ультрамелкозернистая сталь марки 20
□ ультрамелкозернистая сталь марки 45
а
1200
1000
о 600
0 18,1 34,4
суммарная степень обжатия при калибровании, %
□ ультрамелкозернистая сталь марки 20
□ ультрамелкозернистая сталь марки 45
б
Рис. 2. Изменение временного сопротивления болтов М10(а) и М16(б) из ультрамелкозернистой стали марок 20 и 45 в зависимости от суммарной степени обжатия при калибровании
Согласно ГОСТ Р 52627-2006 твердость крепежных изделий измеряется различными методами, в том числе и методом Бринелля. Согласно данному стандарту значения твердости по Бринеллю для болтов различных классов прочности должны находиться в интервалах, указанных в табл. 1.
Однако высокая твердость материала изделия может привести к деформированию шарика и, как следствию, появлению погрешности измерений. Учитывая, что углеродистые стали марок 20 и 45 с УМЗ структурой имеют высокий уровень механических свойств [3], в данной работе приведены результаты моделирования процесса измерения твердости данных сталей по Бринеллю.
Моделирование измерения твердости было проведено в среде ББРОКМ-ЗБ. Геометрию инструментов и заготовки создавали в системе трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС-ЗБ и импортировали в БЕБОКМ-ЗБ. На рис. 3 представлена геометрия инструментов и заготовки, причем для ускорения расчета ввиду симметрии использовали четверть заготовки, разбитой на 34492 конечных элементов. Шарик разбивали на 81046 конечных элементов.
Рис. 3. Геометрия инструментов и заготовки: а -болт; б - шарик на головке болта; в - шарик на торце болта
В соответствии с методикой ГОСТ 9012-59 измерение твердости по Бринеллю проводили на торце головки болта [4]. В качестве материала шарика была выбрана инструментальная сталь марки ЛІ8І-Б2 для холодного деформирования, обладающая высокой твердостью.
Твердость по Бринеллю, численно равная отношению приложенного усилия Б к площади сферического отпечатка А, рассчитывается по формуле F 0Д02 * 2Р
НЕ = - =
Л пО (О —
-его
(1)
Диаметр отпечатка измеряли в двух взаимно -перпендикулярных направлениях и определяли как среднеарифметическое значение результатов измерений (рис. 4, б).
Рис. 4. Модель процесса измерение твёрдости по Бринеллю: а - основной вид; б - отпечаток шарика
Для получения сопоставимых результатов, в соответствии с ГОСТ 9012-59 приняты соотношения диаметров шариков и применяемых нагрузок, приведенные в табл. 2. За основу градации принят коэффициент К, определяющий степень нагружения
151
в
б
а
(К=Р/02 или К=ЕБ2), что обеспечивает примерно одинаковые условия при испытаниях твердости всех групп материалов [5].
Результаты моделирования измерения твердости по Бринеллю при различных маршрутах предварительного калибрования исходной заготовки представлены в табл. 3.
Данные, полученные при моделировании, доказывают возможность достижения класса прочности 8.8 и выше для болтов М 10 и М 16 из углеродистых конструкционных сталей с УМЗ структурой. Это является основой для проведения дальнейших исследований - выбора режимов операций технологического процесса производства болтов.
Использование углеродистых конструкционных сталей марок 20 и 45 с УМЗ структурой для производства высокопрочного крепежа является перспективным направлением, поскольку позволяет заменить дорогостоящие легированные стали, а также исключить из технологического процесса достаточно энергоемкую операцию термической обработки.
Работа выполнена в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выпол-
няемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 13G25.31.0061) и АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (гос. контракт 2.1.2/9277).
Литература
1. ГОСТ Р 52627-2006 «Болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытаний».
2. М.В. Чукин, А.С. Кузнецова. «Прогнозирование механических свойств крепежа повышенного класса прочности из крупнозернистой и ультрамелкозернистой стали марки 20 на основе моделирования механических испытаний в среде Deform-3D». Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Салганика. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. го. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2011. С. 176-181
3. М.В. Чукин, Н.В. Копцева, О.А. Никитенко, Ю.Ю. Ефимова. Механические свойства углеродистой конструкционной стали с ультрамелкозернистой структурой. Черные металлы. Специальный выпуск. 2011. С. 54-59.
4. ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю».
5. Холодная объемная штамповка: Справочник / Л.Л. Григорьев, К.М. Иванов, Э.Е. Юргенсон; Под ред. Л.Л. Григорьева. СПб.: Политехника. 2009. 665 с.
Таблица 1
Значения твердости по Бринеллю для крепежных изделий по ГОСТ Р 52627-2006
Т вердость по Бринеллю, НВ Класс прочности 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 8.8 9.8 10.9
не менее 90 114 124 147 152 181 238 242 276 304
не более 209 238 304 318 342 361
Т аблица 2
Основные параметры процесса______________________
Резьба Номинальный диаметр шарика, мм Усилие, Н К
М10 2,5 1839 30
М16 5 7355 30
Т аблица 3
Результаты исследования расчетных значений твердости заготовок из ультрамелкозернистых марок стали
Наименование крепежа Маршрут калибрования, мм Суммарная степень обжатия Qcумм, % Значение твердости по Бринеллю, НВ
Ультрамелкозернистая сталь марки 20 Ультрамелкозернистая сталь марки 45
Болт М 10 9,65 0 239 266
12 - 9,65 35,33 257 300
14 - 12 - 9,65 52,49 264 307
Болт М 16 15 0 250 279
17 - 15,5 18,1 256 299
19 - 15,5 34,4 263 307
Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова
DETERMINATION OF ACHIEVEMENT CAPABILITY OF HIGH STRENGTH GRADE BOLTS MADE FROM CARBON STEEL WITH ULTRAFINE GRAIN STRUCTURE
BY MODELLING OF BRINELLING
M.V. Chukin, A.S. Kuznetsova, M.P. Baryshnikov
The classification of basic consumer properties of machine building fasteners obtained as a result of analysis industry standards on the fasteners with high strength grade is given in the article. Results of modeling of brinelling of bolts M10 and M16 made from carbon structural steel with ultrafine grain structure in program Deform-3D are presented Key words: ultrafine grain structure, modeling, mechanical properties
