System analysis of process of high-temperature thermomechanical treatment for blanks of hollow track pins

Full Text

В современном промышленном производстве имеется большая гамма осесимметричных цилиндрических деталей из углеродистых сталей диаметром 10-70 мм сплошного и трубного профиля, работающих в условиях циклического нагружения. Такие детали, как пальцы траков гусеничной ленты, различные валы и оси, торсионы, подвержены высоким нагрузкам в процессе эксплуатации и во многом определяют работоспособность и долговечность изделия в целом. В связи с этим основные требования, предъявляемые к таким деталям, - повышенные характеристики точности исполнения, качества поверхности и уровня механических свойств материала. Прочность материала служит основным резервом эффективности его использования и обеспечивается следующими технологическими методами: - созданием прогрессивных металлургических процессов; - легированием металлов и сплавов; - термической обработкой; - химико-термической обработкой; - пластической деформацией; - термомеханической обработкой и др. Развитие процессов литья сопровождается стремлением получить чистые стали, не загрязненные вредными примесями. Для этого используется множество специальных методов производства стали. Процессы легирования позволили повысить уровень прочности на 10-30% и устранить недостатки, присущие углеродистым сталям, которые долгое время считались основным материалом, применяемым в промышленности. Однако здесь имеются свои ограничения в связи с большой потребностью в легирующих элементах, их высокой стоимостью и дефицитностью. Термическая обработка необходима для обеспечения более высокого уровня прочности и твердости с сохранением достаточного уровня вязкости и пластичности. Варьирование режимов термической обработки обеспечивает различные структурные состояния и сочетания механических свойств стали. Для повышения жаростойкости, коррозионной устойчивости и износостойкости в ряде случаев поверхности ответственных деталей подвергают химико-термической обработке. Пластическая деформация металлов в холодном состоянии, повышая их твердость и прочность, увеличивает и ударную вязкость. Используется для сталей и сплавов, которые, имея большой запас пластичности, по своей природе не могут быть подвергнуты упрочняющей термической обработке. Во многих случаях поверхностное пластическое деформирование повышает запас прочности деталей, работающих при переменных нагрузках (пальцы траков), в 1,5-2 раза и увеличивает срок их службы до 5 раз. Тем не менее перечисленные методы лишь частично решают проблему повышения конструкционной прочности и долговечности деталей. Для дальнейшего повышения качества изделий и их долговечности необходимо использовать совмещение известных процессов. Наиболее высокий уровень свойств различных закаливаемых марок сталей в настоящее время можно получить методами термомеханической обработки, в частности ВТМО, основанными на совмещении операций пластической деформации и термической обработки. Под производством металлопроката с ВТМО понимают технологию, позволяющую путем непрерывно-последовательного температурно-деформационно-термического воздействия получать структуру, которая обеспечивает максимально возможное использование физической прочности материала с одновременным снижением энергоемкости и материалоемкости по сравнению с известными технологиями [1]. На основании многих исследований можно считать установленным, что уменьшение шероховатости обработки поверхности повышает статическую прочность и предел выносливости стали. С целью повышения этих характеристик разработана новая технология изготовления особотолстостенных (DH/ST ≤ 5,5) трубных заготовок пальцев траков, включающая, кроме ВТМО ВО, предварительную механическую обработку наружной и внутренней поверхностей для удаления обезуглероженного и дефектного слоев, а также совмещенную с ВТМО отделочную обработку. Отработанная на опытно-промышленных партиях трубных заготовок технология представлена в работе [1]. В производстве рассматриваемого класса деталей наибольшее распространение получила схема ВТМО в связи с необходимостью повышения механических свойств массовых сортов сталей, применяемых в современном машиностроении. Исследования показали, что ВТМО, наряду с механическими свойствами, значительно повышает [2]: ударную выносливость; сопротивление усталостному разрушению, особенно ограниченную выносливость; сопротивление локальному разрушению поверхности при высоких контактных напряжениях, в т.ч. при испытаниях на износ; работу распространения трещины при разных условиях нагружения; вязкость разрушения стали, находящейся в высокопрочном состоянии и т.д. ВТМО ВО не требует мощного прокатного оборудования, органически вписывается в технологические процессы производства деталей машиностроения и применяется для всех закаливаемых марок сталей. Наряду с очевидными преимуществами у метода есть и недостатки, к которым можно отнести: относительно невысокую производительность в связи с ограниченной величиной оптимальной подачи изделия при ВО (Sос ≤ 5 мм/об), которая определяет качество поверхности (Ra = 1,25 мкм); отсутствие промышленного оборудования, обеспечивающего точность изделий и качество поверхности (необходимость разработки и изготовления специализированного оборудования ВО); множество нерешенных вопросов в области физической сути процесса ВТМО. В настоящее время одна из разновидностей термомеханической обработки по классификации М.Л. Бернштейна [2], а именно ВТМО ВО, предназначенная для обработки цилиндрических деталей, внедрена в производство для валков многовалковых станов [3], поршневых пальцев двигателей [4], прошивных пуансонов для Чуровского завода силикатных стеновых материалов, при выпуске опытно-промышленных партий полых пальцев гусеничного движителя [5] и опробована в условиях научно-исследовательских работ для большой гаммы цилиндрических деталей. Оценивая результаты проведенных исследований и опыт практической реализации процесса ВТМО ВО с учетом достоинств и недостатков для более широкого использования процесса, можно выделить следующие направления его развития: - использование процесса на стадии металлургического производства в качестве метода получения упрочненных полуфабрикатов; - использование процесса на стадии машиностроительного производства в качестве метода получения упрочненных высокоточных заготовок и деталей. Для реализации того или иного направления необходимо сформировать единый научный подход по выбору рациональных технологических параметров процесса ВТМО ВО, базирующийся на известных результатах [1]. Необходимость формирования такого подхода объясняется еще и тем, что разработка технологии ВТМО ВО основана на эмпирическом уровне. При этом параметры процесса, обеспечивающие получение изделий заданного качества, подбираются экспериментально. Это связано с отсутствием рекомендаций по выбору параметров технологии. Такое положение не может удовлетворять современное производство, перед которым стоят задачи сокращения сроков технологической подготовки, снижения себестоимости продукции, повышения качества проектирования, автоматизации процессов проектирования и производства [1]. Рассмотрим в качестве единого научно обоснованного подхода системный анализ, который включает решение следующих задач: - разработку универсальной модели процесса ВТМО, отражающей взаимосвязь количественных (управляемых) параметров процесса и качественных (заданных или требуемых) показателей изделия; - разработку методики выбора рациональной области технологических параметров, обеспечивающей минимальные временные, материальные и энергетические затраты на производство; - исследование возможности и эффективности использования системных методов для поиска и выбора конструкционных решений технологического оборудования и оснастки, обеспечивающих рациональные условия обработки; - разработку рекомендаций к заготовительной технологии, предшествующей процессу ВТМО ВО, и к последующей окончательной обработке детали. На рис. 1 представлены рассматриваемые в работе системные элементы: система - процесс ВТМО ВО; подсистемы - составляющие технологические переходы, такие как нагрев, деформация, последеформационная выдержка и охлаждение; надсистема - технологический процесс изготовления детали [1]. Общий комплекс работ, необходимый для формирования системного подхода и его использования как на стадии научных исследований, так и на стадии проектирования реальной производственной технологии, представлен на рис. 2. Более подробного пояснения требует этап математического моделирования - первоочередной и основополагающий этап намеченных работ, от которого зависит правильность выполнения последующих этапов и достоверность окончательных результатов. Учитывая эволюционные особенности развития процесса ВТМО при формировании математической модели, необходимо учесть результаты экспериментальных исследований, выполненных более чем за двадцатилетний период его развития и совершенствования. Необходимо также учесть, что существующие математические модели не могут считаться универсальными, так как охватывают только отдельные переходы процесса (нагрев, деформацию и охлаждение) и работают в жестких граничных условиях [1]. Один из видов математического моделирования, учитывающий эти характерные особенности эволюции, - теория подобия. Она рассматривает аналогии (суждения о каком-либо частичном сходстве двух объектов) в качестве моделирования и дает указания по методике применения этих аналогий в научных и практических исследованиях. Эта теория позволяет по заданным характеристикам одного явления судить о больших группах явлений, которые в том или ином смысле подобны первому. Подобие явлений означает, что данные о протекании процессов, полученные при изучении одного явления, можно распространить на все явления, подобные данному. Характеристики любого явления в группе подобных можно получить простым пересчетом характеристик одного явления на характеристики другого (изменением масштабов). Теория подобия применяется при [1]: - аналитическом отыскании зависимостей, соотношений и решений конкретных задач; - обработке результатов экспериментальных исследований и испытаний различных технических устройств в тех случаях, когда эти результаты представлены в обобщенных критериальных зависимостях; - создании моделей, т.е. установок, воспроизводящих явления в других установках (оригиналах), обычно больших по величине и более дорогих, чем модели. В качестве одного из способов реализации теории подобия используется анализ размерностей, основанный на так называемой π-теореме (второй теореме подобия). Согласно этой теореме результаты любого физического эксперимента могут быть отработаны в виде некоторых безразмерных комбинаций величин (π), участвующих в изучаемом процессе. Характеризующие процесс соотношения и функциональные зависимости, представленные в виде безразмерных критериев подобия, оказываются при этом справедливыми не только для рассматриваемого процесса, но и для всех процессов, подобных данному [1]. При нахождении критериев подобия с помощью π-теоремы число независимых переменных и их возможные комбинации устанавливаются одновременно без каких-либо затруднений. Для использования анализа размерностей достаточно знать лишь все характеризующие явление параметры, и хотя в сложных случаях данный способ требует большого объема вычислительной работы, это несущественный недостаток. Использование вычислительной техники позволит не только устранить его, но и автоматизировать процесс определения необходимой формы критериев подобия. В настоящее время разработано и находится в отладке программное обеспечение методики построения математической модели на основе анализа размерностей. Апробация автоматизированной методики проводится для таких этапов процесса ВТМО, как нагрев и деформация заготовок. Предлагаемый системный подход позволит значительно сократить объем исследовательских и проектных работ, а именно: - сократить материальные, временные и энергетические затраты на проведение исследований, - сократить объем экспериментальных работ; - использовать единую математическую модель для назначения технологических и конструкционных параметров ВТМО ВО; - повысить качество производимой продукции [1]. Эти мероприятия позволят сократить затраты времени и облегчить проектирование и внедрение новых прогрессивных ресурсосберегающих технологических процессов. Применение традиционных подходов определения параметров технологического оборудования, инструмента и режимов процесса, обеспечивающих необходимое качество продукции, недостаточно эффективно, а определение оптимальных параметров на их основе трудоемко либо вообще невозможно. Процесс разработки новых упрочняющих технологий на основе ВТМО с применением методов математического моделирования и оптимизации показал, что использование вычислительной техники позволяет эффективно и целенаправленно обеспечивать требуемые характеристики качества деталей машин [6-7]. Структурная схема разработки, освоения и реализации нового оборудования и технологий с использованием ВТМО представлена на рис. 3 [8]. Она включает следующие этапы: - формирование технического задания на разработку технологии, включающего совокупность критериев качества, экстремальные значения которых необходимо обеспечить при ее реализации; - проектирование технологии и оптимизация на математической модели технологии, параметров оборудования и режимов процесса; - отладка технологии на опытно-промышленном оборудовании с обработкой и анализом результатов исследований (многофакторная настройка на оптимальный режим функционирования) - многокритериальная оптимизация характеристик качества продукции и деталей машин; - оптимальное управление технологией в реальном масштабе времени. Особенности разработанной методологии [8]: - иерархический характер процесса математического моделирования, идентификации и проведения вычислительного эксперимента; - реализация процесса идентификации моделей на основе решения обратных задач с одновременной оценкой адекватности модели процессу; - учет в математических моделях случайных возмущений, обусловленных неконтролируемыми воздействиями и факторами; - выбор не только оптимального сочетания параметров, но и их допустимого технологического разброса (области значений параметров с допустимым значением функционала качества); - реализация процесса оптимального управления на основе рабочих моделей с одновременной оперативной идентификацией в реальном времени; - решение как прямых задач анализа теплотехнологий, так и обратных задач их параметрического синтеза, что позволяет управлять эксплуатационными параметрами машин технологическими методами. Программное и техническое обеспечение должно включать [8]: - программную систему построения моделей теплотехнологий, реализации вычислительного эксперимента, аппроксимации и многофакторного анализа результатов испытаний, многокритериальной оптимизации и параметрического анализа и синтеза технологий; - программно-технический комплекс определения усилий деформирования для идентификации моделей на этапе проектирования, а также для оптимального управления с оперативной идентификацией в реальном времени. На рис. 4 схематически представлен процесс анализа оптимизации применяемого технологического оборудования и режимов процесса ВТМО ВО. Выводы Разработан процесс ВТМО ВО полых изделий как техническая система, которая отражает совокупность функциональных связей между элементами «режимы ВТМО ВО - точность геометрических размеров - качество обрабатываемых поверхностей - механические свойства материала - эксплуатационная долговечность детали», т.е. устанавливает взаимосвязь элементарных х-качеств с эксплуатационными свойствами. Установлено, что наибольшее влияние на состояние технической системы процесса ВТМО ВО оказывают температурно-деформационные режимы обработки в очаге деформации и зоне охлаждения.

About the authors

V. B Dementyev

Institute of Mechanics, Ural branch of Russian Academy of Sciences

A. D Zasypkin

Institute of Mechanics, Ural branch of Russian Academy of Sciences

Email: oka592@rambler.ru

References

Supplementary files