Совершенствование и исследование конструкции инструмента для пластического сверления

 

На правах рукописи











Автореферат

диссертации на соискание академической степени

магистра техники и технологии

Совершенствование и исследование конструкции инструмента для пластического сверления

- «Технология машиностроения»


Усачев Василий Владимирович










Самара 2013

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель:д.т.н., профессор Н.В. Носов

Защита диссертации состоится «28» июня 2010 г. в _____ часов в аудитории № ___ на кафедре «Технология машиностроения» Самарского государственного технического университета по адресу: Россия, Самарская область, г. Самара, ул. Молодогвардейская 133.

С диссертацией можно ознакомиться на кафедре «Технология машиностроения» СамГТУ.

Автореферат утвержден: «____»____________ 2010г.

Ученый секретарь

Кафедры «Технология машиностроения»Карлова М.Д.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность. В связи с появлением технологии и инструмента позволяющих формировать отверстия методом пластического сверления возникла необходимость всестороннего исследования этого процесса с целью определения возможных областей его применения в машиностроении. Особенностью данного процесса является возможность формирования отверстий в тонкостенных деталях (толщиной до 12 мм) с последующим нарезанием в них качественной резьбы (технологии фирм «FormDrill», «Zecha», «Centerdrill» и др.) [1-3], за счет того, что на обратной стороне отверстия формируется вытянутый участок, образующий подобие вставленной в отверстие втулки (рис. 1). Так как материал сжимается в процессе формовки, резьбы, формируемые после, имеют повышенную прочность и могут выдерживать большие моменты затягивания.



Рис. 1. Отверстие с резьбой, полученное методом пластического сверления


Высота получаемой втулки может превышать толщину материала в 4 раза при диаметрах от 1,8 до 32 мм [2]. Процесс формирования отверстия основывается на разогреве материала под действием трения, возникающего в результате действия комбинации осевой силы подачи и относительно высокой скорости вращения инструмента (пуансона). Разогретый металл становится пластичным, что позволяет выдавливать его из зоны формирования отверстия за счет осевой нагрузки, приложенной к пуансону.

В настоящее время процесс пластического сверления находит применение для получения: резьбовых втулок; подшипниковых втулок; втулок под пайку; сквозных отверстий; сквозных отверстий с уплотненной кромкой для круглых профилей. В Самарской области данный технологический процесс применяется в ООО «Электрощит» для формирования отверстий в токопроводящих элементах электрических аппаратов (шинах), изготовленных из легкоплавких материалов (алюминиевые и медные сплавы).

Помимо формирования отверстий, с использованием принципа пластического течения возможна реализация и других важных технологических процессов [2-13], включая формирование фитингов, приваривание втулок [4,5], сварка листовых материалов и др.

Специальная геометрия инструмента и использование твердого сплава обеспечивают высокую стойкость инструмента до нескольких тысяч операций. Инструмент не требует обслуживания (перетачивания).

К преимуществам данного технологического процесса можно отнести следующие.

Практические преимущества:

·Высокая точность и повторяемость;

·Меньший расход материала и более легкий вес деталей благодаря использованию тонкостенных конструкций;

·Не требуется смежный инструмент (например, матрица для пуансона), благодаря чему можно обрабатывать даже профили с труднодоступной внутренней поверхностью;

·Возможность формирования отверстий под разными углами;

·Повышенный момент затягивания резьбы (за счет наклепа при пластической деформации);

·Использование только одного основного материала, что позволяет избежать электрохимической коррозии;

·Высокая допустимая нагрузка подшипниковых втулок;

·Упрочнение материала;

·Простота и надежность при практической реализации.

Экономические преимущества:

·Бесстружечный процесс формирования отверстий;

·Не требуется соединительных элементов;

·Процесс может быть автоматизирован;

·Достаточно вертикально-сверлильного станка - не требуется дополнительно покупать специальное оборудование;

·Минимальное время установки.

Экологические преимущества:

·Высокопрочные соединения могут быть произведены с помощью данного инструмента и технологии без использования дополнительных материалов (флюсов, привоев, технологических жидкостей и др.), выделяющих вредные вещества.

·Основной материал остается без примесей и может быть легко использован повторно.

Однако наряду с достоинствами описанного метода имеется недостаток, заключающийся в сложности изготовления и дороговизне инструмента.

В настоящей магистерской диссертационной работе показано решение технической задачи упрощения изготовления инструмента для пластического сверления за счет применения быстрорежущей стали, с твердосплавным покрытием, нанесенным детонационным методом.

Цель работы: Повышение эффективности технологического процесса пластического сверления за счет совершенствования конструкции инструмента.

Задачи исследований: Разработка экономичного инструмента для пластического сверления легкоплавких материалов.

1.Разработать экономичный инструмент для пластического сверления легкоплавких материалов.

2.Исследовать влияние режимов детонационного напыления на стойкость твердосплавных покрытий.

3.Исследовать влияние геометрии инструмента на параметры пластического сверления.

Методы исследований. В настоящей ВКР использованы методики экспериментальных исследований, включающие дюрометрический и макроструктурный анализ материала в области формирования отверстия, триботехнические испытания твердосплавных покрытий, микрогеометрия поверхности отверстия изучалась с помощью профилографа-профилометра «Абрис-ПМ7», а также проведены исследования режимов пластического сверления с помощью разработанных установки и методики.

Достоверность результатов обеспечиваются корректностью проведения экспериментальных исследований, использованием компьютеризированных стендов и методов статистической обработки результатов.

Научная новизна

1.Проведено исследование влияния коэффициента заполнения ствола горючей смесью при детонационном напылении на износостойкость и структуру твердосплавных покрытий.

2.Проведено исследование влияния угла заострения расширяющей части инструмента на параметры пластического сверления.

Практическая ценность

1.Разработан экономичный инструмент для пластического сверления легкоплавких материалов с применением детонационных твердосплавных покрытий.

2.Разработать стенд и методику для исследования режимов пластического сверления конструкционных материалов.

Апробация работы. Результаты настоящей диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях магистрантов и студентов СамГТУ (2009, 2010г.г).

Инструмент с твердосплавным покрытием для реализации технологического процесса пластического сверления был представлен на выставке «ЭкспоВолга. Промышленный салон» 2010г, а также на студенческой выставке в рамках мероприятия «Дни науки» в СамГТУ, 2010г.

Публикации. На способ и инструмент для реализации усовершенствованного технологического процесса пластического сверления подана заявка на патент РФ.

Объем и структура работы

Диссертация написана на русском языке и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 90 страниц, включая 41 рисунок и 9 таблиц. Перечень литературы включает 20 наименований.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

инструмент пластическое сверление твердосплавный

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации. Изложено содержание работы по главам с кратким описанием полученных результатов.

В первой главе приведен анализ отечественных и зарубежных литературных источников по проблемам разработки технологического процесса пластического сверления и инструмента для его реализации. Анализ литературных источников по проблеме разработки инструмента для пластического сверления показал, что рекомендуемым материалом для изготовления инструмента являются спеченные твердые сплавы. Это приводит к удорожанию инструмента, повышению сложности его изготовления. Применение такого инструмента необходимо при сверлении отверстий в стальных деталях, в то же время при формировании отверстий в легкоплавких материалах (алюминиевых и медных сплавах) использование такого инструмента экономически не оправдано. К недостаткам твердосплавного инструмента относится также высокая хрупкость, что делает его «уязвимым» для ударов и вибраций. Показано, что одним из путей совершенствования инструмента для пластического сверления заключается в применении более дешевых конструкционных материалов с нанесением на рабочие поверхности функциональных покрытий. Это требует проведения дополнительных исследований, касающихся выбора материалов основы и покрытия для изготовления пуансонов, а также оценки влияния геометрии инструмента на качество получаемых отверстий и технологические режимы обработки. Проблема усложняется тем, что в настоящее время в отечественной промышленности и стандартах не предусмотрены методы и стенды для проведения научных исследований, касающихся технологического процесса пластического сверления. В заключение первой главы сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе описаны стандартные методики и оборудование, использованные в работе для проведения экспериментальных исследований технологического процесса пластического сверления и анализа качества получаемых отверстий. Представлены результаты разработки экспериментальной установки и методики, позволяющих исследовать технологические режимы пластического сверления с возможностью одновременной регистрации осевой нагрузки, момента трения, осевого перемещения и температуры в области деформации.

В третьей главе приводятся результаты разработки и исследования нового инструмента для пластического сверления легкоплавких материалов, отличающегося дешевизной и простотой изготовления.

Сформулированы требования к инструменту для пластического сверления.

. Способность сохранять прочностные свойства (красностойкость) при нагреве до 600…650°С. При этом материал должен обладать достаточным запасом пластичности, чтобы не разрушаться от ударов и вибраций.

. Материал должен иметь низкую теплопроводность, чтобы генерируемое при трении тепло в большей степени производило работу пластического сверления, а не отводилось в шпиндель станка.

. Инструмент должен быть простым и экономичным в изготовлении, хранении и эксплуатации.

. Поверхность должна иметь малую адгезию к обрабатываемому материалу и обладать высокой стойкостью к коррозии, термостойкостью и износостойкостью.

Вышеописанные требования трудно обеспечить, при использовании одного материала. В таком случае наиболее рациональным решением будет использовать два материала - основного и функционального покрытия.

Исходя из анализа свойств конструкционных материалов, применяемых для изготовления металлообрабатывающего инструмента, в качестве материала основы предложено использовать быстрорежущие стали марок Р18, Р9, Р6М5 и др. Эти стали отличаются высокой красностойкостью, низкой теплопроводностью и достаточно высоким по сравнению с твердыми сплавами запас пластичности.

На основе сравнительных триботехнических испытаний перспективных износостойких покрытий (хром-алмазных и твердосплавных) сделан выбор в пользу твердосплавных покрытий, нанесенных детонационным методом. Достоинством данного метода являются: хорошая адгезия к обрабатываемым поверхностям и создание на них благоприятных (сжимающих) остаточных напряжений, высокая плотность и равномерность покрытий, отсутствие сильного разогрева детали (как правило, температура не превышает 150°С), высокая производительность обработки, возможность нанесения широкого круга покрытий без смены технологического оснащения, автоматизированное управление пушкой и манипулятором.

Проведены исследования влияния технологических режимов нанесения твердосплавного покрытия на его структуру и износостойкость (рис. 1). Установлено, что наиболее качественное покрытие получается при коэффициенте заполнения ствола детонирующей ацетилен-кислородной смесью 60%.


а б

Рис. 1. Микроструктура детонационных покрытий ВК12 при коэффициенте заполнения ствола газовой смесью 49% (а) и 60% (б) (травление 40с в растворе плавиковой и азотной кислот (50/50%),


На основе рекомендуемых режимов нанесения твердосплавных покрытий был изготовлен ряд инструментов (рис. 2)для пластического сверления, с целью изучения влияния их геометрии на технологические режимы пластического сверления (рис. 3). Установлено, что с увеличением угла расширяющей части пуансона и ростом радиуса закругления вершины наблюдается увеличение длительности обработки, повышение температуры детали в процессе сверления и уменьшение момента трения.


Рис. 2. Новый инструмент для пластического сверления


а б

Рис. 3. Режимы пластического сверления при угле 50°, нагрузке 30 кгс и радиусе закругления вершины 0,3 мм (а) и 0,03 мм (б).


В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности новой технологии пластического сверления.

Показано (рис.4), что пластическое сверление позволяет получать отверстия с шероховатостью (Ra»0,4) в 3…5 раз меньшей, чем при формировании отверстий при помощи сверл. Причем указанная чистота формируется только в области действия калибрующей части инструмента. В зоне контакта обрабатываемого материала с расширяющей частью пуансона шероховатость является значительной Rz>10, что проявляется вследствие интенсивного пластического течения материала под пуансоном.

Из полученных результатов сделаны два вывода.

1)Калибрующая часть пуансона, ответственная за чистоту получаемого отверстия, должна иметь шероховатость, по крайней мере, не большую, чем требуется для готового отверстия.

2)Расширяющую часть пуансона, напротив, можно делать существенно более грубой. Кроме того, это целесообразно из тех соображений, что шероховатая поверхность при трении способна генерировать больше тепловой энергии.


Рис. 4. Профилограмма и параметры шероховатости поверхности отверстия, сформированного методом пластического сверления


Исследование макроструктуры показало наличие в области деформации линий течения материала (рис. 5). Полученная картина указывает на то, что при пластическом сверлении в обрабатываемом материале формируется два потока течения металла - восходящий и нисходящий. Восходящий поток формирует верхний наплыв, который после прижатия торцующей поверхности пуансона начинает по краям заворачиваться наружу и внутрь. Нисходящий поток после вытягивания формирует под отверстием «втулку».

Рис. 5. Линии течения металла при пластическом сверлении (общий вид)


Еще одной особенностью поведения материала при пластическом сверлении, выявленной при изучении макрошлифа, явилось наличие достаточно четкой границы между деформируемой и недеформируемой зонами (на выходе из этой зоны линии течения исчезают).

Исследование микротвердости материала (рис.6) в области формирования отверстия, проведенное методом Виккерса на микротвердомере ПМТ-3, показало, что в месте концентрации линий течения (в нижней и верхних частях отверстия) наблюдается значительный наклеп материала, доходящий до 313 кгс/мм2. В центральной зоне деформируемой области наклеп практически не наблюдается. Эффект наклепа материала в области формирования «втулки» позволяет получать качественные резьбовые соединения с упрочненными витками.

Эксперименты (рис.7) показали заметное снижение значений энергии активации пластической деформации и структурно-чувствительного коэффициента в области развитого пластического течения, что свидетельствует о локальном повышении пластичности материала в этой области.

Рис. 6. Изменение микротвердости Нm [кгс/мм2] материала (сталь 30ХГСА, отжиг) при пластическом сверлении


Рис. 7. Изменение энергии активации пластической деформации U0 [кДж/моль] материала (сталь 30ХГСА, отжиг) при пластическом сверлении

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ


1.Разработаны экспериментальная установка и методика, позволяющие исследовать технологические режимы пластического сверления с возможностью одновременной регистрации осевой нагрузки, момента трения, осевого перемещения и температуры в области деформации.

2.Разработан экономичный инструмент для пластического сверления отверстий в легкоплавких материалах с температурой плавления до 1200°С, изготовленный из быстрорежущей стали с нанесенным на рабочие поверхности твердосплавным покрытием. С целью уменьшения теплоотвода «в инструмент» между сталью и твердым сплавом предложено использовать промежуточный термоизолирующий слой оксида алюминия. На конструкцию инструмента подана заявка на патент РФ.

.Исследовано влияние технологического режима детонационного напыления на свойства твердосплавного покрытия и выбран оптимальный коэффициент заполнения ствола детонирующей смесью - 60%, обеспечивающий максимальную износостойкость покрытия.

4.Исследовано влияние угла раскрыва расширяющей части инструмента и радиуса закругления вершины на режимы пластического сверления. Установлено, что с увеличением угла расширяющей части и радиуса закругления вершины инструменты возрастает длительность формирования отверстия и уменьшается момент трения при сверлении.

5.Отверстия, получаемые методом пластического сверления, имеют высокий класс чистоты, достигающий Ra»0,4 (8-9 класс шероховатости по ГОСТ 2789-59). Квалитет получаемых отверстий Js9.

6.Показано, что при изготовлении пуансонов для пластического сверления целесообразно обеспечивать высокую чистоту калибрующей части (отвечающей за чистоту поверхности) и высокую шероховатость расширяющей части (отвечающей за производительность сверления).

Подписано в печать ______ 2010г. Заказ №_____.

Тираж 100 экз., объем 2,0 п.л.

Отпечатано на ризографе.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной полиграфии.

, г. Самара, ул. Молодогвардействая, 244



На правах рукописи Автореферат диссертации на соискание академической степени магистра техники и технологии

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ