Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

СТРУКТУРНО-ДЕФОРМАЦИОННАЯ ОЦЕНКА РЕСУРСА УПРОЧНЕНИЯ ПРИ ВЫСАДКЕ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Галкин В.В. 1 Дербенев А.А. 1 Пачурин Г.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Дана структурно-деформационная оценка возможности прогнозирования ресурса упрочнения металлических изделий, изготовленных многооперационными процессами холодного деформирования. Эта оценка основана на определении деформированного состояния и характера структурных изменений исследуемых изделий совместно с анализом обобщенных кривых упрочнения применяемых металлов. Апробация проведена на примере исследований многооперационной холодной высадки крепежных изделий: гайки М18, обрезного болта М10 и фланцевого формованного болта М10 из сталей 10, 20 и 20Г2Р. Определение деформированного состояния проводилось методом математического моделирования с применением программного комплекса DEFORM. При оценке упрочнения были использованы обобщенные кривых упрочнения металла, построенные по методике, основанной на применении методов исследования твердости и микроструктурного анализа Г.А. Смирнова-Аляева. Полученные результаты показали неоднородность упрочнения и структурно-деформированного состояния металла высаженных изделий. Дана оценка ресурса упрочнения металлов изделий в зависимости от их марки и технологических процессов изготовления.
структурный анализ
деформационное упрочнение
обобщенные кривые деформационного упрочнения
многооперационное холодное деформирование
холодная высадка
крепежные изделия
1. Галкин В.В., Кудрявцев С.А., Терещенко Е.Г. Развитие микроструктурного метода исследования конечных пластических деформаций // Заготовительные производства в машиностроении. – 2010. – № 2. – С. 22–24.
2. Галкин В.В., Кудрявцев С.А., Терещенко Е.Г., Дербенев А.А. К вопросу построения экспериментальных зависимостей интенсивности напряжений металла от степени деформации // Заготовительные производства в машиностроении. – 2013. – № 11. – С. 23–27.
3. Филинов М.В. Повышение точности количественных оценок поверхностных дефектов и структур металлов по их цифровым изображениям в оптическом неразрушающем контроле. Автореферат на соискание ученой степени д.т.н. / М.В. Филинов. НИИ Интроскопии МНПО «СПЕКТР», 2007. – 56 с.
4. Смирнов-Аляев Г. А. Сопротивление металлов пластическому деформированию. – Л.: Машиностроение, 1978. – 386 с., ил.
5. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. – М.: Машиностроение, 1971.
6. Ильюшин А.А., Ленский В.С. Сопротивление материалов. – М.: Физматгиз. 1959. – 371 с.
7. Галкин В.В., Кудрявцев С.А., Терещенко Е.Г., Дербенев А.А. Методика расчета конечных пластических деформаций металлоизделий, изготовленных много переходными процессами холодной объемной штамповки // Заготовительные производства в машиностроении. – 2012. – № 9. – С. 23–27.

Вопросы оценки и прогнозирования упрочнения металла, полученного в процессе холодной обработки давлением, являются актуальной проблемой и рассматриваются при анализе действующего или вновь проектируемого технологического процесса.

В предыдущих исследованиях было изложено усовершенствование построения экспериментальных обобщенных кривых упрочнения, основанное на совместном применении методов твердости и микроструктурного анализа с применением оптической цифровой микроскопии и расчетного математического программного пакета [1, 2, 3]. Это позволило в данной работе предложить структурно-деформационное направление оценки и прогнозирования прочностных характеристик металла изделий, изготовленных многооперационными процессами холодного деформирования.

Определение деформированного состояния может осуществляться математическим моделированием или экспериментальным микроструктурным методом Г.А. Смирнова-Аляева, которые, как было показано, однозначно оценивают итоговую степень деформации металла в отдельном материальном объеме изделия за весь технологический процесс [4, 5, 6]. Ее значение для многооперационного процесса определяется арифметической суммой степеней деформации отдельных операций, величины которых численно равны интенсивностям их главных деформаций [7].

Исходя из вышеизложенного для опробования предложенного направления по оценке и прогнозированию упрочнения металла штампуемых изделий были проведены структурно-деформационные исследования металлов изделий, изготавливаемых многооперационными процессами холодного деформирования, в частности, холодной высадки.

Методика проведения эксперимента

В качестве объектов исследования были выбраны холодно-высадочные крепежные изделия: гайка М18, обрезной болт М10 и фланцевый формованный болт М10 из сталей 20, 10 и 20Г2Р соответственно.

Методика исследований включила определение деформированного состояния металла объема высаженных изделий с применением специализированного программного комплекса DEFORM и микроструктурный анализ по методу шлифов.

Характеристика деформированного состояния металла объема высаженных изделий показана в виде его картин (рис. 1, 3, 5, а), в соответствии с которыми выполнены схемы зон одинаковой степени деформации (рис. 1, 3, 5, б).

а pic_14.tif бpic_15.tif

Рис. 1. Деформированное состояние металла заготовки шестигранной гайки М18: а – картина математического моделирования; б – схема зон с одинаковой степенью деформации (цифры – значение степени деформации)

Для сталей 10, 20 и 20Г2Р на рис. 7, 8, 9 приведены обобщенные зависимости деформационного упрочнения. Они были построены по методике, основанной на применении методов твердости и микроструктурного анализа с применением оптической цифровой микроскопии и расчетного математического программного пакета [3].

Структура металла в характерных зонах высаженных изделий представлена на рис. 2, 4, 6.

pic_16.tif

Рис. 2. Микроструктура заготовки шестигранной гайки М18 из стали 20 (×200)

а pic_17.tif б pic_18.tif

Рис. 3. Деформированное состояние металла головки формованного фланцевого болта М10: а – картина математического моделирования; б – обозначение зон с одинаковой степенью деформации (цифры – значение степени деформации)

pic_19.tif

Рис. 4. Микроструктура головки формованного фланцевого болта М10 из стали 20Г2Р (×200)

Полученные зависимости описываются полиномом третьей степени и имеют пороги упрочнения для металлов: сталь 10 – σi = 750...800 МПа при ei = 2,9; сталь 20 – σi = 920...950 МПа при ei = 2,9; сталь 20Г2Р – σi = 900...920 МПа при ei = 2,2.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Анализ деформированного состояния металла высаженных изделий показал значительную его неоднородность в различных зонах высадки.

Для гайки М18 (рис. 1) наибольшая степень деформации ei = 2,5–3,3 соответствует опорной поверхности изделия и зоне пробитого отверстия. Боковые грани изделия претерпевают минимальную степень деформации ei = 0,5–1,0. Большая часть объема изделия имеет степень деформации ~ 1,5–2,0.

а pic_20.tif б pic_21.tif

Рис. 5. Деформированное состояние металла головки обрезного болта М10: а – картина математического моделирования; б – обозначение зон с одинаковой степенью деформации (цифры – значение степени деформации)

pic_22.tif

Рис. 6. Микроструктура головки обрезного болта М10 из стали 10 (×200)

Во фланцевом формованном болте М10 (рис. 3) центральная зона головки деформирована со степенью деформации ei = 0,8–1,5, при этом меньшее значение соответствует верхней его поверхности. Наибольшая степень деформации ei = 2,5–3,0 соответствует боковым его поверхностям по зоне фланца. По месту перехода головки в стержень степень деформации равна ei = 0,5.

Для обрезного болта М10 наибольшая степень деформации ei = 2,5–3,3 соответствует боковым граням, а минимальная, ei = 0,4–0,9, – переходной зоне головки в стержень. Большая часть объема высаженной головки, включая центральную ее часть, имеет степень деформации ei = 1,0.

При анализе ресурса упрочнения металла изделий, и как следствие повышения их класса прочности, в зависимости от их деформированного состояния и используемых марок материала, можно сделать следующие заключения.

pic_23.tif

Рис. 7. Обобщенная кривая упрочнения σi–ei стали 20 (формула на поле кривой – ее математическое выражение; R – достоверность ее аппроксимации)

pic_24.tif

Рис. 8. Обобщенная кривая упрочнения σi–ei стали 10 (формула на поле кривой – ее математическое выражение; R – достоверность ее аппроксимации)

pic_25.tif

Рис. 9. Обобщенная кривая упрочнения σi–ei стали 20Г2Р (формула на поле кривой – ее математическое выражение; R – достоверность ее аппроксимации)

Для гайки М18 при изготовлении ее из стали 20 в зонах опорной поверхности и пробитого отверстия упрочнение металла имеет максимальное значение σi = 900–920 МПа, которое незначительно превышает значение порога упрочнения. Минимальное упрочнение соответствует боковым граням, σi = 600–650 МПа. Большая часть высаженного объема изделия имеет упрочнение σi = 750–800 МПа, что ниже порога упрочнения примерно на 10–12 %. В случае изменения марки материала, в частности, при изготовлении изделия из стали 20Г2Р, можно прогнозировать повышение прочностных характеристик, так как порог упрочнения данного материала соответствует меньшей степени деформации ei = 2,2 при большем упрочнении σi = 920–940 МПа.

Для формованного фланцевого болта М10, изготовленного из стали 20Г2Р, центральная зона деформирования имеет упрочнение σi = 800–850 МПа, что ниже возможного повышения до σi = 900–920 МПа. Это свидетельствует о ресурсе его повышения за счет изменения технологии высадки, включающей увеличение числа операций.

Для обрезного болта М10, изготовленного из стали 10, основное упрочнение соответствует поверхностям обрезанных граней шестигранника. Его значение максимально и составляет σi = 750 МПа. Основной объем головки имеет упрочнение σi = 600–650 МПа.

Неоднородность деформированного состояния высаженных изделий подтверждается микроструктурным анализом, в частности, изменением текстуры исходной заготовки – проволоки, полученной волочением.

Для гайки основное упрочнение соответствует зоне отверстия, которое металл получает на операции пробивки, зоны 2 и 3 на рис. 2. При анализе их структур можно отметить отличие. Это объясняется различными фазами операции пробивки: упругой, пластической и сколом. Структура боковых поверхностей изделия незначительно отличается от структуры исходной заготовки.

Для формованного фланцевого болта по верхней поверхности изделия и по месту перехода головки в стержень текстура исходной проволоки практически не изменилась и сохраняет осевое направление в отличие от зоны фланца.

Для обрезного болта изменение текстуры исходной заготовки соответствует боковым граням, имеющим наибольшую степень деформации. По оси изделия она имеет малое отличие.

В целом полученные результаты свидетельствуют о возможности оценки и прогнозирования упрочнения металла изделий, полученных многооперационными процессами холодного деформирования, основанной на применении обобщенных кривых упрочнения металлических материалов совместно с определением деформированного состояния изделий.

Выводы

1. Предложено структурно-деформационное направление оценки и прогнозирования прочностных характеристик металла изделий, изготовленных многооперационными процессами холодного деформирования, основанное на применении обобщенных кривых упрочнения используемых материалов совместно с определением деформированного состояния изделий.

2. Дана оценка упрочнения холодно высаженных крепежных изделий: гайки М18, обрезного болта М10 и фланцевого формованного болта М10, изготовленных из сталей 10, 20 и 20Г2Р соответственно. Определен ресурс возможного его повышения в зависимости от марки используемого материала и особенностей технологического процесса изготовления.

Рецензенты:

Гаврилов Г.Н., д.т.н., профессор, Образовательно-научный институт физико-химических технологий и материаловедения (ОНИ ФХТиМ), Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;

Панов А.Ю., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Теоретическая и прикладная механика», Институт промышленных технологий машиностроения (ИПТМ), Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 15.01.2014.


Библиографическая ссылка

Галкин В.В., Дербенев А.А., Пачурин Г.В. СТРУКТУРНО-ДЕФОРМАЦИОННАЯ ОЦЕНКА РЕСУРСА УПРОЧНЕНИЯ ПРИ ВЫСАДКЕ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 11-8. – С. 1576-1581;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33382 (дата обращения: 25.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074