Разработка технологического процесса изготовления поковки и деталей типа клапан

[1]В качестве эталонного воздействия будем рассматривать ступенчатый сигнал, поскольку – это является наиболее характерным для электродвигателей в испытательных расчетах. Единичная ступенька, один из самых простых и удобных видов эталонного воздействия (типовой тип воздействия). Ранее работа с этим объектом управления проводилась именно с этим эталонным воздействием. Применение других эталонных воздействий (импульсное/линейное/синусойдное) считаю не рациональным и это лишь усложнит анализ исследований.Составим структурную схему ТПИПДК в инструментальной системе Deform. Первым шагом избавляемся от выхода угла поворота θ и редуктора из-за ненадобности. Рассмотрим получившуюся структурную схему на рисунке 27.Рисунок 27 – Структурная схема ТПИПДК с независимым возбуждением, построенная в инструментальной системе DeformПреобразование энергии в электрических машинах сопровождается шумами и вибрациями. Следствием этого является их виброактивность. Виброактивность – это способность электрической машины быть источником колебаний. Эти колебания проявляются в виде шума и вибрации. Она возникают под действием переменных сил, вызывающих деформацию различных элементов электрической машины. Эти силы могут носить электромагнитный, механический и аэродинамический характер [4].Для анализа расчетов выбрана ТПИПДКсо следующими параметрами:Z a = 24; Z g = 39;m = 2,75; b w = 24; T a = 150 Н⋅м.Результаты расчетов для кованного варианта ТПИПДК по общепринятой методике и рекомендуемого программой КОМПАС-SHAFT практически совпадают (табл. 1).Для проверочного расчета в DEFORM построена модель ТПИПДКдиска ТПИПДКи транслирована в программный модуль Workbench. Чтобы не перегружать компьютер и провести вычисления за приемлемое время в приведенных ниже расчетах используется небольшой фрагмент зацепления. Это также обусловлено необходимостью использования достаточно мелких конечных элементов, позволяющих достигнуть требуемой точности картины ТП зоны зацепления.Рассмотрено пять вариантов расчета ТПИПДК. Параметры расчета: глубина цементации 0,5 и 1 мм; приложенный крутящий момент 150 и 400 Н∙м; коэффициент трения в зацеплении 0,05. Эти пять вариантов далее сведены в таблицу. Значение крутящего момента 150 Н∙м расчетное значение, полученное аналитическим методом для кованного варианта с использованием легированного металла [3]. Глубина цементации 0,5 мм выбрана в соответствии с установившимися рекомендациями [4]. Отношение эффективной толщины слоя к m ≈ 0,2–0,3. При создании моделей ТПИПДК было задано значение остаточных напряжений (OH) ≈ 300 МПа в кованном слое, исходя из среднестатистических [4–6] сведений. Распределение OH в кованных изделиях различной конфигурации смоделировано и рассмотрено в работе [6].Таблица 9 - Результаты расчета по общепринятой методике (ГОСТ 21354)ПараметрЗначениеДелительный диаметр, мм:шестерни колеса66107,25Диаметр окружности вершин, мм:шестерни колеса72,8035111,4465Межосевое расстояние, мм86,625Передаточное число1,628Окружная сила, Н4 545,46Коэффициент, учитывающий форму клапана и концентрацию напряжений:шестерни колеса3,673,67Контактные напряжения в полюсе зацепления, МПа1 032,29Изгибные напряжения в опасном сечении, МПа:шестерни колеса204,68204,68Наиболее характерные картины распределения различных напряжений для кованных и некованных зубьев представлены на рис. 29. Напряжения определялись на поверхности и в поперечном сечении ТПИПДК. Для удобства рассмотрения полей напряжений в большинстве случаев анализовалось только одно колесо (нижнее), а второе виртуально убиралось. Основное внимание уделено напряжениям MaximumPrincipal; NormalStress; ShearStress. В отдельных случаях определялись деформации в зоне контакта. Напряжения MaximumPrincipalStress приняты в качестве критерия для оценки изгибной прочности. Растягивающие напряжения являются источником возникновения и развития трещины, приводящей к разрушению. Напряжения MaximumPrincipalStress и NormalStress Y имеют практически одну зону распространения — основание ножки клапана. Максимум напряжений для некованногоклапана располагается на поверхности, а для кованного — на границе, соответствующей глубине эффективной толщины слоя. На поверхности ножки кованного клапана даже при перегрузках остаются сжимающие напряжения. С увеличением толщины кованного слоя и изгибающего момента зона растягивающих напряжений увеличивается, сдвигаясь вглубь. При отсутствии изгибающего момента под кованным слоем всегда есть область растягивающих напряжений (NormalStress Y). Величина этих напряжений и область распространения повышается с ростом глубины цементации. Значения характерных напряжений в клапанах приведены в табл. 2.Таким образом, из полученных результатов расчета следует вывод: для металлов с уровнем прочности 1 000…1 200 МПа, обеспечивающих после закалки структуру троостита или низкоуглеродистого мартенсита, остаточные растягивающие напряжения не оказывают существенного влияния на ТПклапана. Для углеродистых цементуемыхметаллов напряжение растяжения вполне соизмеримо с прочностью самого металла. При σ в ≈ 500 МПа предел упругости может составлять 200…250 МПа. Средние же напряжения растяжения, равные ~150 МПа, соизмеримы с величиной допускаемых [σR ].Цементация углеродистых металлов снижает действие концентраторов напряжений и повышает износостойкость зубьев. Однако, насколько при этом повышается изгибная выносливость из-за влияния ОН — вопрос проблематичный. Анализ ТПТПИПДКпоказал, что с ростом глубины цементации (рис. 29) увеличиваются и ОН растяжения — как по величине, так и по глубине (по объему клапана). Теоретически, чем меньше глубина цементации, тем больше ОН сжатия и тем меньше зона и величина ОН растяжения. Однако малая глубина цементации может стать «соизмеримой» с концентраторами напряжений, нетехнологична и, наконец, при малопрочной подложке кованный слой будет разрушаться от контактных нагрузок вследствие пластической деформации подложки. Программный комплекс DEFORM позволяет рассчитать эту толщину кованного слоя для конкретной формы клапана.Растягивающие напряжения в ножке клапана достигают максимума при однопарном зацеплении когда изгибающая нагрузка прикладывается в полюсе зацепления. При крутящем моменте 150 Н∙м растягивающие напряжения в процессе зацепления изменяются в некованном слое в диапазоне 0…150 МПа, а в кованном — 8…160 МПа (см. табл. 2). В кованных клапанах максимум растягивающих напряжений располагается под кованным слоем (рис. 29).Распределение нормальных напряжений (NormalStress Y) в зоне контакта по рабочей поверхности клапана для кованного и некованного вариантов клапана при крутящем моменте 150 Н∙м представлено на рис. 29. Очевидно, что цементация рабочей поверхности клапана устраняет растягивающие напряжения на поверхности клапана и расширяет зону контакта.Рисунок 28–Температурные поля по стадиям поковкиТаблица 10 - Характерные напряжения в ТПИПДКВид упрочненияи нагрузка МMaximumPrincipalStress, МПаNormalStress, МПаNormalStress, МПа, М = 0ShearStress,МПаБез цементации, М = 150 Н∙м260 на поверхности150—–240…+120Цементация 0,5 мм, М = 150 Н∙м250 под кованным слоем1608 под кованным слоем–200…+100Цементация 0,5 мм, М = 400 Н∙м420 под кованным слоем300105 под кованным слоем–300…+200Без цементации, М = 400 Н∙м320 на поверхности220—–285…+80Цементация 1,0 мм, М = 400 Н∙м500 под кованным слоем47018 под кованным слоем–230…+210Рисунок 29–Накопленная деформация по стадиямАнализ ТПТПИПДК показал, что в некованныхклапанах наибольшие растягивающие напряжения реализуются на поверхности ножки клапана, поэтому различного рода дефекты поверхности (царапины, микронадрезы, неметаллические включения) снижают усталостную прочность. В кованном зацеплении растягивающие напряжения образуются под кованным слоем, поэтому поверхность менее восприимчива к различного рода концентраторам напряжений, однако дефекты металлургического характера (поры, включения, структурная неоднородность) отрицательно влияют на усталостную прочность.Циклические изменения контактных нагрузок приводят в конечном итоге к разрушениюповерхности (питинг и отслаивание). Большинство исследователей считают, что разрушение обусловлено касательными напряжениями [8, 9], максимум которых по этим данным достигается на глубине 1…2 % диаметра тела качения. Для ТПИПДК радиус кривизны определяется по известной формуле ρ = 0,5d w sin20°. При d w = 66 мм в рассматриваемом конкретном случае ρ = 11,22 мм и расчетная глубина составляет ≈ 0,2…0,4 мм, что довольно точно соответствует глубине, определенной с помощью программного модуля DEFORM (. На рис. 29, что существует два таких максимума противоположного знака и ориентированы они относительно зоны контакта. Положение максимумов мало зависит от вида упрочнения рабочей поверхности зубьев. С увеличением глубины цементации зоны касательных напряжений сдвигаются к поверхности. Цикличность изменения касательных напряжений весьма близка к коэффициенту ассиметрии R–1 . Следует учитывать, что прочность кованного слоя значительно выше некованного, σ–1 /σ в = 0,45 для улучшаемых металлов [9], максимальное значение 0,520,55, τ –1 = 0,6 σ–1 . В табл. 2 указаны значения касательных напряжений (ShearStress) для одной их фаз зацепления с наибольшим проскальзыванием. При τ = 240 МПа для некованногоклапана с σ –1 ≤ 400 (для углеродистых и низколегированных металлов после закалки и низкого отпуска) зубчатое зацепление будет неработоспособным. Зубья будут выдерживать изгибные нагрузки, но постепенно рабочие поверхности начнут пластически деформироваться. Использование металлов марок 18ХГТ, 12ХН3А и т.п. обеспечит прочность подложки σ 0,2 = 780; σ в = = 980; σ –1 = 500; τ –1 = 300; кованный слой при этом обеспечит τ –1 = 400. Зубчатое зацепление из таких материалов при тех же параметрах (геометрия и крутящий момент) будет работоспособным, как по изгибу, так и по контактной прочности.Рисунок 30 – Диаграмма КемпбеллаСиловой расчет в программе DEFORMТПИПДК не учитывает особенностей материала (различного рода включения, макро- и микропористость, структурная неоднородность) для ТПИПДК, поскольку это связано с технологией производства заготовок. Ухудшить качество ТПИПДК может и механическая обработка, и химико-термическая обработка. Знак и величина ОН зависят, например, от применяемой марки металла и технологии термической обработки после цементации. С учетом этого расчет в DEFORMдает наилучшие (завышенные) результаты, хотя имеет четкое физическое обоснование. Рисунок 31 – Линия токаРисунок 32 – Изменение усилий по стадиямНа первой стадии, стадии свободной осадки, которая занимает 60% времени деформации, максимальная сила составляет 0,1 МН. На второй стадии на заготовку действуют также и сжимающие силы со стороны боковых стенок ручья штампа, и к ее концу потребно усилие достигает 0,45 МН. Эти стадии наиболее продолжительные и составляют 93% времени деформации. На третьей стадии потребная сила возрастает до 1,05 МН, т.е. больше чем в 2 раза по сравнению со второй. А на стадии «доштамповки» рост усилия до 1,7 МН происходит наиболее резко, ее длительность менее 1% от времени деформации. Таким образом, усилие деформации при смыкании штампов, когда полость ручья заполнена, больше чем усилие при свободной осадке в 17 раз.Усилие деформации прямопропорционально зависит от сопротивления металла деформации. Поэтому можно сказать, что на величину усилия влияют:- температура металла;- степень деформации;- скорость деформации.На усилие так же влияет геометрия детали. Резкое увеличение усилий на последних стадиях наблюдаются в связи с тем, что высота облойного мостика уменьшается, деформации увеличиваются и сопротивление металла деформации в этой зоне тоже увеличивается, за счет трения на мостике создается подпор и течение металла из ручья штампа становится все более затруднительным. Это способствует заполнению сложных, труднозаполняемых полостей, углов детали.Вполне естественно, что требуемое усилие деформации на этом этапе резко увеличивается и приобретает максимальное значение к концу штамповки.10ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИТехнологический процесс в цехах горячей объемной штамповки сопровождается значительным выделением тепла, интенсивным производственным шумом и требует от работающих большого физического напряжения. Современные требования к здоровым и безопасным условиям труда требуют проведения комплекса мероприятий по созданию нормальной санитарно-гигиенической среды в помещении цехов и облегчению труда штамповщиков, нагревальщиков и рабочих кузнечно-штамповочных цехов других профилей.Технологический процесс в цехах горячей объемной штамповки сопровождается значительным выделением тепла, интенсивным производственным шумом и требует от работающих большого физического напряжения. Современные требования к здоровым и безопасным условиям труда требуют проведения комплекса мероприятий по созданию нормальной санитарно-гигиенической среды в помещении цехов и облегчению труда штамповщиков, нагревальщиков и рабочих кузнечно-штамповочных цехов других профилей.ЗАКЛЮЧЕНИЕОборудование кузнечно-штамповочных цехов с точки зрения травматизма является одним из наиболее опасных. При выборе нагревательных печей и их расположении в штамповочных агрегатах необходимо предусматривать следующее: линейную, а не шахматную планировку печей и кузнечных машин, что обеспечивает наименьшее тепловое облучение рабочих мест штамповщиков.При выборе штамповочного оборудования следует учитывать возможность применения средств механизации и создания автоматических линий, уменьшающих травматизм.Общим для всех видов кузнечно-штамповочного оборудования является необходимость принятия соответствующих мер против самоотвертывания и падения частей всех болтовых соединений, обрыв и падение которых может привести к травме.Кузнечные машины следует оборудовать специальными устройствами для охлаждения и смазки штампов.Обязательная проверка соответствия ручьев матриц диаметру прутка должна производиться каждый раз перед началом штамповки.СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ1. «Справочник технолога машиностроителя» В 2 т. Т.2. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. - М.: Машиностроение, 1986. - 496 с. 2. «Курсовое проектирование по технологии машиностроения» /Под общ. ред. А.Ф. Горбацевича. - Минск: Вышэйшая школа, 1975. - 287 с. 3. «Обработка металлов резанием. Справочник технолога» /Под общ. ред. А.А. Панова. - М.: Машиностроение, 1988. - 736 с. 4. «Основы технологии машиностроения» Учебник для машиностроительных вузов / И.М. Колесов - М.: Машиностроение, 1997. - 592 с.ПРИЛОЖЕНИЯ