АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

системы управления

Анализ теоретических и экспериментальных исследований по холодной правке длинномерных заготовок, проведенный в дан­ной работе, показал, что заготовки, имеющие начальные проги­бы более 5 мм/м, не могут быть использованы при эксплуатации валов высокой точности - менее 20 мкм/м без применения допо­лнительных термостабилизирующих операций.

Автором разработаны новые способы термообработки длинномерных деталей, суть которых заключается в приложении управляемых осевых нагрузок при термообработке. Этот технологический прием назван - термосиловая обработка ТСО, его под­робное описание было проведено ранее. В этой главе при­водятся только результаты экспериментальных исследований.

Разработанная новая технология изготовления длинномерных осесимметричных деталей, включает в себя и изготовление изделий, материал которых склонен к упрочнению, (например, не­ржавеющие аустенитные стали, типа 12X18H10T. Стали аустенитного класса обладают некоторыми специфическими свойствами. Аустенитно-мартенсктное превращение сопровождается увеличением объема материала, что может привести к созданию внутрен­них напряжений, к короблению деталей, для избежания этого необходимо для решения задачи пластического деформирования аустенита ограничиться малыми степенями деформации (e < 10 %). Вопросы мартенситного превращения в процессе деформации изу­чались, однако результаты этих работ не доказывают возможности ТСО без распада аустенита в сталях с недостаточной его устойчивостью. Поэтому при выборе оптимальных режимов ТСО не­обходимо было исследовать условия образования мартенсита, а также мехсвойства нержавеющих сталей при различных температурных режимах обработки.

О том, что предшествующая пластическая деформация может значительно изменить поведение металла в условиях последующего нагружения было исследовано в работах других работах. Теория упругого последействия в твердых телах, предложенная авторами, полу­чила значительное развитие в работах Вольтера, который очень точно назвал ее наследственной теорией. Следует заметить, что и температурный диапазон, в котором справедлива линейная тео­рия для реальных материалов, довольно узок. Сравнительный анализ результатов, полученных различными исследованиями, за­труднен, так как в различных работах применялись разные схе­мы, скорости и температуры деформирования. На результат испытаний оказывают сложное взаимное влияние по крайней мере семь факторов: скорость нагрева до температуры деформирования, температура деформирования, продолжительность выдержки при температуре деформации, степень деформации, скорость де­формирования, скорость охлаждения до комнатной температуры, режим заключительного отпуска.

Несмотря на некоторые противоречия результатов, полученными различными исследователями, анализ их все же позволяет произвести выбор диапазона режимов ТСО, обеспечивающего вли­яние пластической деформации на поведение металла при последующем нагружении путем введения функции памяти, а также обе­спечивающего стабильную структуру аустенита с минимальным, выровненным уровнем остаточных напряжений.

С целью подтверждения теоретических разработок и новых способов ТСО перед цеховыми испытаниями, были проведены лабораторные испытания.

Испытания проводились на разрывной машине фирмы AMSLER (Швейцария). Цилиндрические образцы для испытаний были изго­товлены согласно ГОСТ 1497-84 (Ст. СЭВ 471-77). Для решения поставленной задачи была разработана специальная методика испытаний. Результаты приведенных испытаний свидетельствуют о наличии постоянства предела текучести в диапазоне температур Т° = 200°…400°С на всем интервале дефо­рмации и уменьшении предела пропорциональности порядка 25 % … 30 %.

а)

б)

Рис.3.18. Диаграммы распределения относительной деформации по длине образцов: а – для ε_ср=1,63; б – для ε_ср=4,28

В интервале температур Т° = 200…600°С при испытании на разрыв стали 12X18H10T преобразований аустенита в мартенсит не обнаружено, что свидетельству­ет о структурной стабильности материала в указанном диапазо­не температур. Известно, что коррозионная стойкость нержаве­ющих сталей имеет "пороговое" значение величины пластической деформации, выше которой склонность к коррозионному растрес­киванию резко возрастает, что имеет большое значение при осевой деформации. Рентгеноструктурный и магнитно-металлографический анализ выявили, что снижение коррозионной стойко­сти в данных условиях обусловлено фазовым g - a превращением, названным пластической деформацией. Таким образом, испытания подтверждают возможность холодного (при Т=20°С) деформирова­ния аустенита без образования "мартенсита деформации" (при e ≤ 8 %).

Рис.3.19. Экспериментальная зависимость величины фактической деформации от заданной

В процессе обработки результатов, полученных при испытаниях образцов на разрыв, были определены зависимости предела текучести s₀₂, и предела прочности s_В от температуры деформирования. Ломаный характер прямой, описывающей изменение предела прочности s_В объясняется влиянием следующих факторов: 1. Образованием a-фазы при пониженных температурах, а, следовательно, более интенсивным упрочнением. 2. Более инте­нсивным развитием межкристаллитного разрушения в наклепанном аустените при температуре 600°С. Эти же факторы оказывают влияние и на характер кривой зависимости удлинения образца при осевом усилии от температуры.

Для проведения металлографического исследования были вы­полнены шлифы вдоль оси образцов - в месте разрыва и в цили­ндрической части. Анализ результатов показывает, что зерна кристаллов вытянуты (особенно ярко выражено в местах разрыва). Анализ микроструктуры образцов, подвергнутых растяжению на 10% при температуре 300°С, показывает, что деформация такой величины не вызывает значительных изменений размеров и конфи­гурации зерен. Очевидно, удлинение образца и уменьшение его диаметра произошло за счет скольжения между зернами металла.

Проведенные эксперименты позволяют сделать следующие вы­воды: термосиловую обработку - ТСО деталей целесообразно про­водить в интервале температур 200 … 400°С, возможна осевая де­формация при Т = 20° без образования a-фазы, при степени пластической деформации e ≤ 8 %, при степени деформации e < 10 % формоизменение образца происходит за счет микродеформации в зернах, разворота зерен и скольжения зерен и не сопровожда­ется изменением размеров зерна.

Предварительные измерения твердости показали, что твер­дость образцов после их растяжения при температурах 200°С, 400°С, 600°С одинакова и составляет HRС 25-26 ед. В зоне разрыва твердость несколько выше и составляет HRC 28 … 32 ед. Максимальное значение твердости в зоне разрыва достигается при температуре 400°С. При температуре 600°С увеличение тве­рдости в зоне разрыва практически не наблюдается и составляет HRC 26 … 27 ед.

Одной из задач лабораторных исследований было оценить пластическую деформацию при ТСО по длине образца. Проанализи­ровать влияние геометрических параметров заготовок, температурно-силовых режимов на равномерность деформации по длине.

Образцы имели ту же геометрию, что в предыдущем эксперименте, только на длине, равной десяти диаметрам, были накатаны круговые риски, расстояние между которыми (с шагом 5 … 0,01) измерялось до и после эксперимента, диаметры между рисками также измерялись и строились графики зависимости заданной деформации от фактической, равномерность удлинений и уточне­ний по длине, оценивалась коэффициентом локальности как величиной отношений максимальной деформации к минимальной. Кон­тролировались усилия нагрузки, разгрузки и выстоя. Температурный режим был дискретным Т° = 20°С, 300°С, а величина относительной пластической деформации задавалась в интервалах e = 0,8%, 2 %, 4 %, 6 %. Материал - сталь 12Х18H10T и сталь 50. Те­хнология изготовления образцов и методика проведения экспериментов вынесена в приложении диссертации. Наиболее характерные диаграммы распределения относительной деформации по длине образца приведены на рис. 5.4 и 5.5. На рис. 5.6 приведена экспериментальная зависимость величины фактической деформации от заданной. Из графика видно, что действительная величина деформации соответствует заданной при e ≤ 4 %. При относительной деформации более 4 % эта зависимость носит нелинейных характер. Анализ полученных диаграмм позволяет сделать вывод о том, что деформация образцов происходит по всей длине образцов, а не в некоторых его участках, причем при e = 4 … 6 % деформации растяжения более равномерны, конечно при тех геометрических параметрах, которые имели образцы. Нет ярко выраженной зависимости между относительным удлинением отдельных частей образца и их диаметрами. Коэффициент локаль­ности был в пределах 1,5 … 5 и он был стабилен при e = 4 %. В методике было предусмотрено, что после деформации образец на­ходился при постоянной температуре 30 мин., одновременно из­мерялось усилие деформации. Во всех экспериментах после выстоя при постоянной температуре рабочее усилие падало до 25 … 30 %. Ставилась также задача по определению биения образцов до и после ТСО. Биение контролировалось в трех точках. Корре­ляционной зависимости биения от величины деформации не устанавливалось, однако замечено, что после ТСО биение возрастает, что связано с технологией изготовления образцов и предварите­льным прогибом заготовки порядка 0,9 мм. Чтобы устранить этот технологический недостаток, необходимо изменить порядок изго­товления образцов. Анализ результатов проведенных эксперимен­тов показывает, что необходимо уточнить зависимость температуры и величины пластической деформации на ее равномерность. Для этого цел сообразно уменьшить шаг нагрева до 50°С в инте­рвале температур 200 … 400°C, а интервалы изменения деформации до 1 %. Необходимо также проверить равномерность пластической деформации при e = 10 % и 15 %, что традиционно считается областью больших деформаций. Таким образом, экспериментальные исследования показывают, что свойства материала при различных деформированиях, величины пластической деформации имеют боль­шие разбросы и, следовательно, применение традиционной техно­логии не приводит и не приведет к желаемому результату для заготовок из нержавеющих и конструкционных сталей с отношением , так как по длине заготовки выше перечислен­ные параметры переменны. В этом случае целесообразно считать оптимальным технологический процесс, в котором осуществляет­ся диагностирование выше перечисленных параметров, а сам процесс управляется с учетом индивидуальных физико-химических характеристик заготовки.

Результаты обработки лабораторных исследований на стан­дартных образцах свидетельствуют о том, что можно обеспечить равновесное и равномерное распределение остаточных напряжений и обеспечить совместность пластических деформации (для симметричных конструкций совместность деформаций означает их равенство) за счет подбора режимов обработки материала, которые находятся в пределах Т° = 250 … 400°С, e = 3 … 5 %, e = 1 × 10^-3 … 1 × 10^-5 С^-1,критерий локальности от 1,1 до 1,15.

В связи с уменьшением эффективности ТСО с ростом начального искривления вала, в технологическом процессе изготов­ления маложестких валов необходима предварительная правка, начально снижающая величину биения хотя бы до 0,3 мм на погонный метр.

Теоретические и экспериментальные исследования на образ­цах позволили провести апробацию предложенных методов в цеховых условиях. Установка, применяемая при закалке (стапель), подробно описана в главе 4.2. Следует только напомнить суть способа, материал стапеля имеет коэффициент линейного (термического) расширения, его численное значение больше, чем ко­эффициент линейного расширения материала заготовки и при на­гревании, за счет разности этих коэффициентов, при температуре закалки стапель, удлиняясь, пластически деформирует де­таль - "горячая правка". С целью обеспечения постоянной осевой нагрузки стапель выполнен многослойным, а в качестве на­полнителя использовался кварцевый песок (рис.3.20). Обрабаты­вались валы насоса 101 а, изготовленные из стали 30X13, а ста­пель из стали 12Х18H10T. Геометрические параметры заготовки, длина 3400 мм, диаметр 45 мм, готовой детали длина 3200 мм, диаметр 38 мм. Температурный режим термообработки не изменя­лся, температура закалки Т° = 1000 … 1050°С, с последующим охла­ждением на воздухе. По концам заготовки нарезалась резьба М 42 × 2,5 для накручивания на ее концы сферических тяг (захватов). Измерялось биение заготовки и готовых деталей в десяти сечениях по всей длине, при этом изделие устанавливалось на две призмы так, чтобы вал был поделен на три равные части. По предлагаемой технологии вал обрабатывался на тока­рном станке с использованием САУ, правился на установке для правки и термообрабатывался в стапеле. После остывания на во­здухе осуществлялся контроль равномерности пластической деформации по длине, биений в десяти сечениях и одновременно измерялась твердость по длине изделия.

Термообработка (закалка) с использованием разработанного приспособления дала положительные результаты, биение вала было не более 10 мкм/м и не превышало допуск на токарную обработку, коэффициент локальности был порядка 1,5 … 2,3. Разброс по твердости не превышал 12 % максимум. Следует заметить, что при традиционной технологии заготовка мехобработку не прохо­дила, а закалка проводилась в свободно подвешенном состоянии, в этом случае, биение валов было в пределах 7 … 8 мм.

Рис.3.20. Общий вид установки стапеля для закалки длинномерных валов

Особо следует отметить, что после закажи плоскость ма­ксимального прогиба разворачивалась в пределах 40…45°, что свидетельствует о наличии больших касательных напряжений в заготовке. Последнее, к сожалению, не учитывалось в теоретических разработок.

Напряжения, полученные при закалке, максимальные, будут интенсивно релаксировать в результате местной пластической деформации. Таким образом, чтобы устранить релаксацию необходимо либо уменьшить действующие напряжения, либо повысить сопротивление металла пластическому деформированию, т.е. по­высить релаксационную стойкость.

Предложенная технология закалки, если бы она была окон­чательной операцией, могла бы удовлетворить по геометрической точности, но не гарантировала стабильность формы в случае дальнейшей механической обработки при формировании продольного профиля. Для минимизации уровня остаточных напряже­ний и деформирования однородности и равновесности распределеления остаточных напряжений по всему объему детали не только при изготовлении, но и эксплуатации был предложен технологи­ческий прием и здесь оста­новимся только на его сути.

К заготовке при температуре отпуска, когда предел пропорциональности ее материала не изменяется или изменяется в узких пределах, что приемлемо и к материалам, склонным к упрочнению, прикладывается управляемая, в функции пластической деформации, осевая сила и путем управления температурным ре­жимом по длине заготовки обеспечивается равенство пластичес­ких деформаций. Теоретический анализ этого технологического приема был подробно описан ранее.

Общий вид установки, где на переднем плане представлен управляемый привод осевой деформации, представлен на рис.3.22.

Рис.3.21. Общий вид установки для ТСО длинномерных деталей

Алгоритм работы термосиловой установки в автоматическом режиме и методику проведения эксперимента.

Результаты, полученные при испытаниях, оформлены прото­колами, а наиболее типичные графики зависимости критерия локальности от величины относительной деформации представлены на рис.3.24. Испытания проводились при температуре нагрева 300°С, деформации в диапазоне 4 … 6 % и скорости деформации e = 1 × 10^-3 С^-1. После отпуска с применением ТСО заготовку заме­ряли на биение, по ранее описанной методике. Следует заметить, что точность (биение) не превышала 20 мкм/м. в течение 24 часов. Далее согласно технологии заготовка обтачивалась на токарном станке, оснащенном САУ.

Рис.3.22. Диаграммы осевой пластической деформации

С целью расширения эксперимента была проведена ТСО заго­товок изготовленных из стали 45 и 12Х18Н10Г. Температурный режим Т° = 400°С и Т° = 600°С, а величина пластической деформации составляла 4 %. Контролировалось биение в 10 сечениях, равномерность пластических деформаций по всей длине заготовки, длина которой была ограничена до 1300 мм. Перед ТСО заготов­ки обеспечивались с диаметра 42 мм до 30 мм (режимы: 1 проход – V = 350 об/мин, S = 0,75 мм/об, t = 2 мм; 2 … 3 проходы – V = 270 об/мин, S = 0,19 мм/об, t = 2 мм, геометрия резца стандартная, материал TI5K6). Измерялось биение после каждо­го прохода и было замечено, что прогиб заготовки уменьшается порядка 20 % и имеет максимум в середине вала, более подробно поведение заготовки с позиции релаксационных процессов будет рассмотрено в приложении. Результаты экспериментальных иссле­дований представлены на рис.3.24.

Рис.3.23. Диаграммы осевой пластической деформации при ТСО при температуре 400ºС, d = 30 мм и ε = 4%

Оценивая результаты исследований ТСО следует отметить, что предлагаемый технологический прием обеспечивает выравни­вание физмехсвойств материала, однородность распределения пластической деформации по всему объему заготовки, минимизирует уровень остаточных напряжений и, как следствие, снижает коробление вала как минимум в пять раз.

Рис.3.24. Результаты экспериментальных исследований влияния ТСО на коробление детали при температуре 400ºС, d = 30 мм и ε = 4 %: 1 – до ТСО; 2 – после ТСО

В существующей технологии термообработки металл представлен сам себе, он в свободном состоянии, в предлагаемом способе уничтожается предыдущая технологическая память и формируется новая - име­ющая направленность. Влияние температурного режима: ТСО целесообразно проводить в диапазоне температур 200…400°С, мехсвойства материала в этом диапазоне практически не изменяют­ся, увеличение твердости в этих условиях максимально. Измене­ние структуры металла при принятых режимах обработки не про­исходит, а при температуре деформации 300…400°С отсутствует фазовый наклеп (g ® a превращение), который имеет место при холодном деформировании. Особо следует отметить, что на про­цесс ТСО оказывают влияние касательные напряжения, плоскость максимальных деформаций изменяется на 40…45°, а в отдельных случаях доходит до 60°. Большое влияние на технологическую наследственность оказывает механическая обработка - точение. Точность мехобработки, особенно в поперечном сечении, влияет на коробление заготовок после термообработок как при закалке, так и при отпуске. Целесообразно, перед холодной правкой и ТСО, протачивать заготовки как можно точнее в пределах допус­ка на изготовление. Далее эксперименты с образцами разной длины показали, что интенсивное повышение предела упругости наблюдается с увеличением размеров образцов.

Управлять уровнем остаточных напряжений только с помощью пластических деформаций необходимо в начальной стадии процесса охлаждения, когда предел текучести низкий и сущест­вует слабая зависимость предела текучести от температуры. Поэтому функция управления должна учитывать, какие создавать пластические деформации в начале процесса охлаждения, чтобы получить минимальные остаточные напряжения в конце.

Дата добавления: 2015-01-18 | Просмотры: 630 | Нарушение авторских прав