Введение к работе
Актуальность темы. Пункт 5 «Основ политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и на дальнейшую перспективу» делает упор на освоение ресурсосберегающих технологий и улучшение потребительских свойств изделий, то есть касается непосредственно процессов обработки металлов давлением. Технологические процессы обработки металлов давлением, обеспечивающие снижение расхода металла и повышение прочностных свойств изготавливаемых изделий широко применяются в современном машиностроении. Срок морального износа кузнечно-прессового оборудования достаточно длителен. Следовательно, необходимо гарантировать надежное функционирование таких машин весь период их эксплуатации. В настоящее время на большинстве российских предприятий используется оборудование, выработавшее часть (а иногда и весь) проектный ресурс. Внедрение новых прогрессивных технологий на таком оборудовании требует точного прогнозирования остаточного ресурса с учетом всех имеющихся дефектов (технологических и появившихся в процессе эксплуатации). Силовые детали кузнечно-прессового оборудования и штамповый инструмент подвергаются высоким циклическим нагрузкам, а специфика этого вида оборудования такова, что не выявленный дефект при интенсификации процесса нагружения машины, может привести к аварийной ситуации (вплоть до смертельных случаев).
Для вновь проектируемых прессов повышение точности штамповки достигается увеличением жесткости машины, которая в свою очередь обеспечивается повышением материалоемкости и завышенными запасами прочности, что нерационально. Альтернативой этому методу может являться рациональное распределение металла по сечению машины, что позволит без увеличения металлоемкости достигать поставленной цели.
В результате анализа современного состояния конструкций и практики эксплуатации силовых деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента выявлено следующее:
- в настоящее время не существует методики определения долговечности силовых деталей кузнечно-прессовых машин, которая позволила бы рекомендовать действенные меры по ее повышению. Практически нигде не рассматривается вопрос допустимого дефекта и определения остаточного ресурса;
- отсутствие методики оценки долговечности инструмента ограничивает возможности создания рациональных конструкций и режимов эксплуатации, обеспечивающих надежное выполнение заданной программы.
В настоящее время бурно развиваются численные методы определения напряжений и деформаций, методы механики разрушений, специальные разделы математики (риск-анализ, методы принятия решений в условиях неопределенности и многокритериальности и т.д.). Возникла и успешно развивается трибофатика – наука о сочетании и взаимном влиянии процессов поверхностного повреждения и объемного разрушения, характерного для штампового инструмента. Однако, новые перспективные подходы не находят практического применения при расчетах прочности, долговечности и допустимой дефектности деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента. Соответственно не подвергаются пересмотру и коэффициенты запаса. Следовательно, разработка методов обеспечения долговечности силовых деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента на базе современных подходов к этой проблеме является актуальной задачей.
Цель работы. Целью работы является обеспечение требуемой долговечности силовых деталей кузнечно-прессовых машин и инструмента путем создания научно-обоснованных технических решений по проектированию и эксплуатации, основанных на применении современных численных и экспериментальных методов определения напряжений и деформаций, постулатах механики разрушения и трибофатики, риск-анализе и современных методах оптимизации.
Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи:
разработать рекомендации по повышению долговечности и снижению износа инструмента для холодной листовой штамповки, путем математического моделирования комплекса разрушающих процессов, происходящих в его рабочих деталях и подтвердить эффективность предложенных рекомендаций натурным экспериментом;
разработать комплекс экспериментов, определяющих возможность рационального применения материалов для рабочих деталей разделительного инструмента, на примере экспериментальных исследований стандартных и специальных механических характеристик штамповой стали Х12МФ (ГОСТ 5950-2000), рекомендуемой как перспективная, но для которой эти характеристики не определены,
предложить критерии выбора рациональных параметров сечений станин открытого типа, в том числе кривошипных прессов, учитывающие противоречивость требований повышения долговечности и снижения металлоемкости при сохранении (повышении) заданного уровня жесткости с целью минимизации износа и усталостной деградации инструмента и подтвердить адекватность математического моделирования натурным экспериментом;
разработать методику определения долговечности силовых деталей с технологическими и эксплуатационными дефектами и их остаточного ресурса, путем создания базы математических моделей дефектов, и предложить рекомендации по сочетанию видов неразрушающего контроля с целью повышения надежности выявления дефектности;
разработать базисные компоненты системы автоматизированного проектирования станин открытого типа, где на стадии проектирования детали в автоматизированном режиме будет составляться карта допустимых технологических дефектов, что позволит существенно сократить время не только на проектирование самой детали, но и на формирование параметров отбраковки;
разработать математическую модель разрушения штоков штамповочных молотов на базе линейной механики разрушения и предложить рекомендации по повышению их долговечности.
Научная новизна состоит:
в определении, классификации и учете взаимовлияния разрушающих процессов в рабочих деталях инструмента для разделительных операций холодной листовой штамповки на различных этапах эксплуатации инструмента;
в разработанном комплексе экспериментов, определяющих возможность рационального применения материалов и термо- и поверхностных обработок для рабочих деталей разделительного инструмента;
в предложенных критериях выбора рациональных параметров сечений станин открытого типа, позволяющих повышать долговечность используемого инструмента и качество получаемых изделий за счет снижения изгибных деформаций стоек станин;
в натурном экспериментальном исследовании напряженно-деформированного состояния станин открытого типа и разделительного инструмента, подтвердивших эффективность предлагаемых рекомендаций по повышению долговечности;
в базисных компонентах системы автоматизированного проектирования станин открытого типа, где впервые в автоматизированном режиме строится карта допустимых дефектов, позволяющая проводить обоснованную отбраковку силовых деталей на стадии изготовления;
в предложенном системном подходе к созданию базы математических моделей дефектов литых деталей кузнечно-прессового оборудования, где каждому дефекту (группе дефектов), регламентируемому ГОСТ 19200 – 80 «Отливки из чугуна и стали. Термины и определения» соответствует своя математическая модель, позволяющая повышать надежность прогнозирования долговечности детали;
в критериях выбора сочетания «материал-диаметр» штока, позволяющих существенно удлинять стадию живучести штока, разработанных на базе моделирования разрушения штоков молотов с помощью линейной механики разрушения.
Практическая ценность состоит:
в экспериментальном комплексном исследовании стандартных и специальных механических характеристик стали Х12МФ, рекомендуемой ГОСТ 5950-2000 для изготовления рабочих деталей разделительного инструмента;
в новых конструкциях станин прессов открытого типа, обеспечивающих максимально достижимую долговечность инструмента при минимально возможной металлоемкости станины за счет уменьшения изгибных деформаций стоек станины;
в методике определения долговечности вновь проектируемых силовых деталей, деталей с дефектами и остаточного ресурса существующих конструкций, учитывающей реальные условия их эксплуатации;
в рекомендациях по комбинированию видов неразрушающего контроля, позволяющие существенно повышать вероятность обнаружения дефектности при минимизации рисков предприятия;
в способах повышения долговечности инструмента, установленного на существующие прессы, заключающихся в рациональном расположении инструмента в штамповой зоне, выборе истории нагружения, минимизирующей усталостную деградацию материала его рабочих частей, торможение усталостного дефекта путем однократной перегрузки;
в технологии изготовления штоков молотов повышенной долговечности, включающей в себя обязательный анализ исходной заготовки и режимы ее предварительной термической обработки, требуемые режимы закалки, режимы шлифования и упрочнения, а так же расчет ожидаемой долговечности с учетом величины неизбежного остаточного прогиба после термообработки.
Реализация результатов работы:
-
Для молотов с МПЧ 800 кг ОАО «Труд» (Нижегородская область, п. Вача) спроектировано и изготовлено 30 штоков. Штоки были спроектированы с учетом рекомендаций данной работы, термо- и поверхностно обработаны по предлагаемой технологии. Срок их службы увеличился в 10-30 раз по сравнению с используемыми ранее.
-
Для проектируемой в ЗАО «Прочность» станины уникального многопозиционного пресса-автомата, предназначенного для брикетирования мелкодисперсных отходов доломита, по предлагаемой методике была определена карта допустимых дефектов.
-
Для главного цилиндра пресса силой 31,5 МН («Сентравис Продакшн Юкрейн», Украина, Днепропетровская обл., г. Никополь) после проведения капитального ремонта был определен остаточный ресурс с рекомендациями по срокам обследований.
-
Для станин реверсивного прокатного стана 5000 ОАО «Северсталь» построены карты допустимых дефектов при приложении нагрузки 9000 тонн и определен запас прочности по пороговому значению коэффициента интенсивности напряжений. Полученные результаты позволили внедрить на стане новые прогрессивные технологии без изменения конструкции станин.
-
Для станин реверсивного прокатного стана 2800 ОАО «Северсталь» проведен расчет долговечности при выборе радиуса закругления в концентраторе и предложены малозатратные меры по увеличению долговечности, таким образом, чтобы на существующем стане стало возможно внедрить новые технологии, требующие увеличения технологической нагрузки в 1,5 раза выше номинальной без реконструкции станин.
-
Для станин непрерывного прокатного стана 2000 ОАО «Северсталь» составлены карты допускаемой эксплуатационной дефектности и обнаруженных дефектов. Полученные результаты показали, что на этом стане недопустимо проводить ранее планируемую прокатку сталей категории прочности Х70-Х100.
-
Для учебного процесса разработан курс «Методы обеспечения надежности технологических комплексов для обработки металлов давлением», читаемый автором с 2004 года в ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» для студентов, обучающихся по специальности 05.03.05 – «Технологии и машины обработки давлением». Курс обеспечен учебным пособием, рекомендованным Учебно-методическим объединением по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и специальностям: «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», «Машины и технология обработки металлов давлением» и методическим пособием для выполнения лабораторных работ.
-
Методические указания по расчетно-экспериментальному определению долговечности и остаточного ресурса внедрены в практику экспертных организаций Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждена результатами натурных экспериментальных исследований и практикой эксплуатации.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в учебном и методическом пособиях, 41 статье и 4 патентах.
Апробация диссертации. В ходе выполнения диссертационной работы результаты исследования докладывались на Международной научно-технической конференции «Новые методы и средства исследования процессов и машин обработки давлением» (Краматорск, 2005); Colloguium “Mechanical fatigue of metals” (Тернополь, 2006); XV Симпозиуме РАН “Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем (Звенигород, 2006); Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы, новые материалы и оборудование обработки материалов давлением» (Рыбинск, 2006); Международной научно-технической конференции «Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением» (Краматорск, 2006); конференции «Неделя металлов в Москве» (2006); Международной конференции по теории механизмов и машин (Краснодар, 2006); конференции «Основные направления повышения качества экспертизы промышленной безопасности металлургических объектов» (Москва, 2006); Международной научно-технической конференции «Физико-механические проблемы формирования структуры и свойств материалов методами обработки давлением» (Краматорск, 2007), на научном семинаре кафедры «Прикладная механика» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008), а также на регулярно проводящихся семинарах НО «Ассоциация металлургических экспертных центров» и ЗАО «ПРОЧНОСТЬ».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов. Диссертация содержит 350 страниц, включая 159 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 221 наименования и приложений.
