Магистерский диплом на тему Исследование процесса горячей штамповки кручением и разработка метода изготовления заготовок для зубчатых колес

Содержание:

Введение 4
1. Литературный обзор 6
1.1 Общие сведения 6
1.2 Заготовки, получаемые литьем 13
1.3 Кованные и штампованные заготовки 15
1.4 Штамповка с кручением 23
1.5 Заготовки, получаемые прокаткой 26
1.6 Прогрессивное оборудование для штамповки осесимметричных крупногабаритных поковок 28
1.6.1 Современные тенденции 28
1.6.2 Существующие технологии 29
2. Разработка и обоснование теоретического представления метода штамповки с кручением 35
2.1 Расчетно-теоретические основы 35
2.1.2 Преимущества штамповки методом осадки с кручением для изготовления заготовок для зубчатых колес 35
2.1.2 Основы расчетного анализа оборудования для реализации исследуемого процесса горячей штамповки кручением 37
2.1.3 Компьютерная модель штамповки методом осадки с кручением 42
2.1.4 Выводы по результатам анализа оборудования для реализации изучаемого процесса горячей штамповки кручением и экспериментального изучения компьютерной модели штамповки методом осадки с кручением 43
3. Математическое описание предлагаемого метода 44
3.1 Моделирование оборудования 44
3.1.1 Кривошипные горячештамповочные прессы с вращающимся инструментом 44
3.1.2 Модель оборудования 49
3.2 Операции, рассматриваемые при моделировании процесса горячей штамповки кручением 51
3.3 Методика построения диаграмм пластичности 52
3.4 Кривая упрочнения 57
3.5 Оценка деформируемости металла при осадке 59
4. Моделирование получение заготовок штамповкой кручением для изготовления зубчатых шестерен 60
4.1 Характеристика изделия 60
4.2 Описание последовательности моделирования в программном продукте Simufact Forming 15.0 65
5. Сравнительный анализ металла заготовок до и после обработки 74
5.1 Традиционный метод ковки 74
5.2 Новый процесс 80
5.3 Расчет осадки цилиндра в Mathcad 81
6. Контроль 84
6.1 Дефекты, возникающие при ковке на данных материалах и изделиях при использовании выбранного процесса 84
6.2 Методы выявления дефектов, и основные параметры метода контроля 85
7. Технико-экономическое обоснование 89
Выводы 90
Список использованных источников 91
Приложение А 96

Введение:

Заготовки, получаемые свободной ковкой на молотах и ковочных прессах, отличаются низким качеством, так как из-за больших колебаний размеров, значительной глубины дефектного слоя и несоответствия конфи-гурации заготовки форме готовой детали необходимо устанавливать большие припуски, что приводит к значительным их колебаниям, потерям металла и удоражанию механической обработки. Получение заготовки свободной ковкой в некоторой степени решает задачу правильного ориен-тирования волокон по отношению к зубу, однако может быть использова-но только при единичном или мелкосерийном производстве зубчатых ко-лес. Получение штучных заготовок штамповкой выполняется в зависимо-сти от размеров, конфигурации и требуемого количества зубчатых колес в подкладных открытых и закрытых штампах, на ковочных молотах и прес-сах, кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах. Лучшие результаты по производительности и качеству штамповок дают штампо-вочные прессы, работающие без перекосов и обеспечивающие одинаковые размеры и формы всех изготовляемых в партии заготовок. Технологиче-ские факторы, возникающие в процессе выполнения кузнечно-штамповочных операций [3], проходят в дальнейшем через все последую-щие основные операции механической термической и химико-термической обработки и оказывают влияние на усталостную прочность зубчатых ко-лес и их износостойкости. Температурный интервал штамповки заготовок и степень обжатия материала закладывают определенные эксплуатацион-ные качества будущего готового зубчатого колеса. Если при этом создана неблагоприятная структура и неправильно сориентированы волокна отно-сительно зуба, то, как бы ни были обработаны зубы, они будут иметь низ-кие физико-механические свойства, следовательно, малую долговечность и надежность. Неравномерная уковка влечет за собой неодинаковую плот-ность металла в заготовке, что в сильной степени влияет на обрабатывае-мость режущими инструментами и неоднородность наклепа металла при резании, вследствие чего возникают значительные деформации венца при термической обработке. Плотные, достаточно прокованные заготовки обеспечивают более высокую точность и класс чистоты при механической обработке, значительно уменьшают коробление при термической обра-ботке, что позволяет снизить припуски на зубошлифование или перейти на менее трудоемкие процессы чистовой отделки зубьев — зубошевингование, зубохонингование.
Цель работы — исследование процесса горячей штамповки кручением и разработка метода изготовления заготовок для зубчатых колес.

Фрагмент текста работы:

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Общие сведения

Целью данного обзора является выяснение оптимальных принципов производства заготовок под зубчатые шестерни.
Одной из актуальнейших проблем зубчатых передач является созда-ние основ управления качеством зубчатых колес, обеспечение их надежно-сти и долговечности. Решение этой задачи основано на тщательном изуче-нии и использовании взаимосвязи конструкторских и технологических факторов с эксплуатационными показателями зубчатых колес и передач. Особое внимание должно быть уделено управлению технологическими процессами изготовления зубчатых колес, обеспечению заданных показа-телей точности сопряжения и приданию рабочим поверхностям зубьев не-обходимых физикомеханических свойств. Важно отметить, что вопросы формирования технологического процесса, а комплексно для всего техно-логического процесса в целом с учетом проявления технологической надежности на всех этапах производства и в эксплуатации зубчатых пере-дач. Под технологической наследственностью следует понимать явление изменения эксплуатационных показателей зубчатых колес под влиянием технологии изготовления, когда отдельные характеристики и свойства об-рабатываемой заготовки переходят от одной операции к другой, и конеч-ные показатели качества зубчатого колеса оказываются наследственными от предыдущих операций. К таким показателям качества относятся: струк-турная наследственность, направление волокон в заготовке, микрострук-тура, внутренние напряжение, шероховатость поверхностей зубьев, дефек-ты зубошлифования – прижоги, микротрещины и др. [1]. Зубчатые колеса должны обладать достаточно высокой прочностью, поверхностью твердо-стью и износостойкостью, обеспечивающими надежную работу зубчатой передачи при наименьших ее габаритах и массе. Поэтому зубчатые колеса изготовляются преимущественно из углеродистых и легированных сталей с термической или химико-термической их обработкой. Материал заготов-ки предопределяет многие выходные параметры качества зубчатого коле-са, которые остаются на всех операциях и переходят на готовую деталь [2]. Поэтому при выборе материала для зубчатых колес ответственного назна-чение учитывают не только химически состав и механические свойства ста-ли, но принимают еще во внимание прокаливаемость, наследственную ве-личину зерна, селектирование по содержанию углерода, обрабатывае-мость режущими инструментами, склонность к деформации при термиче-ской обработке и другие металлургические факторы, связанные с проявле-нием технологической наследственности. Химический состав стали обу-славливается ее твердость, прокаливаемость, размеры зерен, склонность к деформации при термической обработке, усталостную и контактную прочность. Ударная вязкость стали повышается при введении никеля, мо-либдена, ванадия, кремния и снижается при добавлении хрома и марганца. Легирование стали хромом и марганцем обеспечивает высокую твердость и прочность, титаном и цирконием – уменьшает склонность к росту зерна при перегреве. Молибден, бор и ванадий повышают прокаливаемость ста-ли, кремний – прочность и упругость, никель и марганец – содержание остаточного аустенита в цементованном и нитроцементованном слое. Об-рабатываемость стали зависит от ее химического состава и механических свойств. Чем она тверже, тем хуже обрабатывается. При введении боль-шинства легирующих элементов обрабатываемость стали ухудшается, ис-ключение составляет свинец. Стали с малым содержанием углерода имеют повышенную вязкость и поэтому хуже обрабатываются (вследствие значи-тельной шероховатости поверхности). Кроме того, обращают внимание на особенности производства стали, так как в зависимости от способа произ-водства при одном и том же химическом составе сталь обладает различ-ными физико–механическими свойствами. Стали, полученные вакуумиро-ванием, рафинированием синтетическом шлаком и электрошлаковым пе-реплавом отличаются более высокими прочностными свойствами вдоль и поперек прокатки, так как не загрязнены шлаками и газовыми включения-ми. При электрошлаковом переплаве вредное содержание серы понижает-ся на одну треть, окислы переходят в шлак, а ценные легирующие добавки не выгорают. Плавочные характеристики стали и качество применяемых заготовок (штамповок) для изготовления зубчатых колес оказывают суще-ственное влияние на обрабатываемость режущими инструментами и де-формации зубчатого венца на всех стадиях термической и химико-термической обработки. Чтобы отклонения профиля зубьев и другие до-пуски при деформации зубчатого венца изменялись стабильно и не выхо-дили за пределы допустимых погрешностей, применяют стали определен-ной прокаливаемости и наследственно малозернистые. На прокаливае-мость стали наибольшее влияние оказывает химический состав, величина наследственного зерна, условия нагрева и охлаждения. В связи с этим в технических условиях оговаривают поставку стали по зернистости и стро-го регламентированной прокаливаемости. Очень важно также применение сталей с более узкими пределами содержания углерода и легирующих элементов. Так как сталь при одном и том же химическом составе имеет различную прокаливаемость, каждую плавку испытывают на прокаливае-мость. При выборе стали для шлифуемых зубчатых колес учитывают теп-лостойкость стали: чем она ниже, тем сталь более склонна к образованию шлифовочных прижогов и трещин. О склонности стали к дефектам при шлифовании можно судить по ее температуре отпуска, которая должна быть повышенной (более 200°С). Следует также учитывать, что в легиро-ванных сталях склонность к трещинообразованию при зубошлифовании особенно увеличивается с увеличением содержанием хрома. В ответствен-ных случаях для обеспечения требуемого качества поверхностей зубьев, подвергаемых шлифованию после химико-термической обработки, произ-водится отбор плавок по результатом дилаторметрического контроля. Способ получения заготовок зубчатых колес оказывает большое влияние на служебные свойства последних, технологию их изготовления и расход металла. При изготовлении малонагруженных зубчатых колес диаметром до 50 — 60 мм штучные заготовки экономично отрезать от калиброванного прута; при больших размерах изготовление заготовок из прутка становит-ся