Помощь студентам в учебе
Разработка аналоговых способов и методики исследования работоспособности материалов для пресс-оснастки
|
Введение 4
Глава 1 6
Современное состояние проблемы получения литой пресс-оснастки 6
1.1. Литьё под давлением 6
1.1.1. Этапы развития процесса 6
1.1.2. Основные характеристики процесса 16
1.1.3. Номенклатура отливок, полученных литьём под давлением 24
1.2. Особенности нагружения пресс-оснастки 28
1.2.1. Тепловое воздействие 29
1.2.2. Влияние внешнего силового воздействия 33
1.3. Материалы, применяемые для пресс-оснастки 34
1.4. Особенности износи элементов пресс-форм АЛПД 37
Глава 2 44
Методика испытания специальных характеристик материалов для
пресс-оснастки 44
2.1. Общие положения 44
2.2. Теоретические предпосылки квазианалоговых испытаний
специальных характеристик инструментальных материалов,
применяемых для пресс-оснастки 45
2.3. Способ и методика квазианалоговых исследований
термомеханической усталости и износа материалов для штампов твердо-жидкой штамповки 48
2.4. Методика применения теории планирования эксперимента в технологических
исследованиях 57
2.4.1. Основные понятия планирования эксперимента 57
2.4.2. Выбор варьирований Факторов 63
2.4.3. Выбор модели 64
2.4.4. Составление плана полного Факторного эксперимента (ПФЭ) 66
2.4.5. Составление плана дробного факторного эксперимента 69
2.4.6. Обработка результатов факторного эксперимента 71
2.4.7. Методы поиска оптимума 75
2.4.8. Принятие решений по статистическим моделям 82
Глава 3 87
Расчётно-экспериментальная оценка напряженного состояния контактных зон пресс-инструмента и образцов при аналоговых испытаниях специальных характеристик материалов 87
3.1. Оценка напряжений в контактных зонах пресс-форм АЛПД 87
3.2. Особенности нагружения пресс-форм АЛПД и типовые режимы
испытаний материалов 91
Глава 4 96
Аналоговые исследования термомеханической усталости материалов для пресс-форм АЛПД 96
4.1. Исследование влияния параметров нагружающего комплекса
факторов Пн на ТМУ материалов пресс-форм АЛПД 96
4.2. Ранжирование критериев подобия y1fф2, ф3 по их влиянию на
показатели работоспособности материала пресс-оснастки 102
4.3. Сопоставимые испытания новых инструментальных сталей и
сплавов на сопротивление термомеханической усталости 107
4.3. Новые стали для штампов и пресс-форм литья под давлением .... 107
4.5. Термокинетическая диаграмма неравновесной кристаллизации штамповой стали 2Х5МНФСЛ 111
Заключение 121
Литература 124
Глава 1 6
Современное состояние проблемы получения литой пресс-оснастки 6
1.1. Литьё под давлением 6
1.1.1. Этапы развития процесса 6
1.1.2. Основные характеристики процесса 16
1.1.3. Номенклатура отливок, полученных литьём под давлением 24
1.2. Особенности нагружения пресс-оснастки 28
1.2.1. Тепловое воздействие 29
1.2.2. Влияние внешнего силового воздействия 33
1.3. Материалы, применяемые для пресс-оснастки 34
1.4. Особенности износи элементов пресс-форм АЛПД 37
Глава 2 44
Методика испытания специальных характеристик материалов для
пресс-оснастки 44
2.1. Общие положения 44
2.2. Теоретические предпосылки квазианалоговых испытаний
специальных характеристик инструментальных материалов,
применяемых для пресс-оснастки 45
2.3. Способ и методика квазианалоговых исследований
термомеханической усталости и износа материалов для штампов твердо-жидкой штамповки 48
2.4. Методика применения теории планирования эксперимента в технологических
исследованиях 57
2.4.1. Основные понятия планирования эксперимента 57
2.4.2. Выбор варьирований Факторов 63
2.4.3. Выбор модели 64
2.4.4. Составление плана полного Факторного эксперимента (ПФЭ) 66
2.4.5. Составление плана дробного факторного эксперимента 69
2.4.6. Обработка результатов факторного эксперимента 71
2.4.7. Методы поиска оптимума 75
2.4.8. Принятие решений по статистическим моделям 82
Глава 3 87
Расчётно-экспериментальная оценка напряженного состояния контактных зон пресс-инструмента и образцов при аналоговых испытаниях специальных характеристик материалов 87
3.1. Оценка напряжений в контактных зонах пресс-форм АЛПД 87
3.2. Особенности нагружения пресс-форм АЛПД и типовые режимы
испытаний материалов 91
Глава 4 96
Аналоговые исследования термомеханической усталости материалов для пресс-форм АЛПД 96
4.1. Исследование влияния параметров нагружающего комплекса
факторов Пн на ТМУ материалов пресс-форм АЛПД 96
4.2. Ранжирование критериев подобия y1fф2, ф3 по их влиянию на
показатели работоспособности материала пресс-оснастки 102
4.3. Сопоставимые испытания новых инструментальных сталей и
сплавов на сопротивление термомеханической усталости 107
4.3. Новые стали для штампов и пресс-форм литья под давлением .... 107
4.5. Термокинетическая диаграмма неравновесной кристаллизации штамповой стали 2Х5МНФСЛ 111
Заключение 121
Литература 124
Развитие современного машиностроения связано с широким использованием формообразующего инструмента (штампы, пресс-формы) и другой технологической оснастки, работающей в сложных условиях температурно-силового нагружения и взаимодействия с расплавами. Создание высокостойкого формообразующего инструмента может быть основано на комплексном решении вопросов, связанных с разработкой новых материалов, способов изготовления и упрочнения оснастки. Эффективное внедрение новых материалов может быть достигнуто на основе многоплановых исследований, оценки условий и параметров эксплуатационного нагружения пресс-оснастки, определения напряженно- деформированного состояния материала и изучения закономерностей разрушения формообразующего инструмента.
Знание исходных значений свойств материалов, а также кинетики их изменения в процессе эксплуатации позволит научно-обоснованно разработать новые технологические процессы изготовления пресс-оснастки и спрогнозировать ее работоспособность. Разработка рекомендаций по созданию высоко работоспособной пресс-оснастки в настоящей работе базируется на основе результатов исследования специальных эксплуатационных характеристик инструментальных материалов в условиях нагружения при экспериментировании, максимально отвечающих натурным испытаниям.
В данной работе при решении актуальной проблемы создания высокостойкой пресс-оснастки (на примере штампов твердожидкой штамповки бронз типа ОЦС) обосновываются выбор критериев для оценки работоспособности материалов при циклическом температурно-силовом нагружении и контакте с литейными расплавами и использование этих критериев при разработке новых инструментальных материалов и способов производства моно- и биметаллической пресс-оснастки. В частности, в работе изложены принципы и методика проектирования толщины стенок форм для получения литых штампов и пресс-форм литья под давлением при варьировании скорости охлаждения форм, размеров отливок и теплофизических свойств металлов.
Разработаны теоретические основы квазианалоговых исследований надежности материалов, включающие формирование концепции квазианалогового подхода, который базируется на следующих основных принципах:
- обоснованности установления изучаемых процессов повреждения, ответственных за работоспособность пресс-оснастки;
- применении физических критериев оценки надежности материалов для соответствующих изучаемых процессов повреждения пресс-оснастки;
- воспроизведении при экспериментировании на унифицированных образцах исследуемых материалов ведущего нагружающего комплекса факторов и их параметров;
- построении физико-математической модели функционала работоспособности пресс-оснастки, устанавливающего зависимость между физическими критериями надежности материалов, их свойствами и параметрами нагружающего комплекса факторов.
На основе анализа разрушения различных типов пресс-оснастки разработаны критерии для оценки конкурирующих процессов разрушения материалов пресс-оснастки.
Созданы расчетно-экспериментальные методы оценки температурно-напряженного состояния материала при эксплуатации пресс-оснастки, определены и приведены параметры нагружающего комплекса факторов к безразмерным критериями подобия, которые отражают температурно-напряженное состояние материала, а также кинетические условия взаимодействия с литейным расплавом в контактной зоне.
Знание исходных значений свойств материалов, а также кинетики их изменения в процессе эксплуатации позволит научно-обоснованно разработать новые технологические процессы изготовления пресс-оснастки и спрогнозировать ее работоспособность. Разработка рекомендаций по созданию высоко работоспособной пресс-оснастки в настоящей работе базируется на основе результатов исследования специальных эксплуатационных характеристик инструментальных материалов в условиях нагружения при экспериментировании, максимально отвечающих натурным испытаниям.
В данной работе при решении актуальной проблемы создания высокостойкой пресс-оснастки (на примере штампов твердожидкой штамповки бронз типа ОЦС) обосновываются выбор критериев для оценки работоспособности материалов при циклическом температурно-силовом нагружении и контакте с литейными расплавами и использование этих критериев при разработке новых инструментальных материалов и способов производства моно- и биметаллической пресс-оснастки. В частности, в работе изложены принципы и методика проектирования толщины стенок форм для получения литых штампов и пресс-форм литья под давлением при варьировании скорости охлаждения форм, размеров отливок и теплофизических свойств металлов.
Разработаны теоретические основы квазианалоговых исследований надежности материалов, включающие формирование концепции квазианалогового подхода, который базируется на следующих основных принципах:
- обоснованности установления изучаемых процессов повреждения, ответственных за работоспособность пресс-оснастки;
- применении физических критериев оценки надежности материалов для соответствующих изучаемых процессов повреждения пресс-оснастки;
- воспроизведении при экспериментировании на унифицированных образцах исследуемых материалов ведущего нагружающего комплекса факторов и их параметров;
- построении физико-математической модели функционала работоспособности пресс-оснастки, устанавливающего зависимость между физическими критериями надежности материалов, их свойствами и параметрами нагружающего комплекса факторов.
На основе анализа разрушения различных типов пресс-оснастки разработаны критерии для оценки конкурирующих процессов разрушения материалов пресс-оснастки.
Созданы расчетно-экспериментальные методы оценки температурно-напряженного состояния материала при эксплуатации пресс-оснастки, определены и приведены параметры нагружающего комплекса факторов к безразмерным критериями подобия, которые отражают температурно-напряженное состояние материала, а также кинетические условия взаимодействия с литейным расплавом в контактной зоне.
1. Результатом анализа данных опубликованных работ систематизированы основные нагрузочные факторы, действующие на пресс- формы АЛПД на основе меди, оценено их влияние на специальные свойства (термическая и термомеханическая усталость, растворимость и др.) инструментальных материалов.
2. На основе анализа данных по ресурсу эксплуатации пресс-форм АЛПД установлено, что достоверность прогнозирования их стойкости по критериям, полученным при стандартных испытаниях механно-физических и специальных свойств материалов ограниченна. Отмеченное обусловлено, главным образом, отсутствием комплексных схем нагружения при испытаниях и существенным различием параметров нагружения сталей в процессе испытаний и эксплуатационных условиях. При этом применяемые критерии для оценки стойкости пресс-формы в большинстве случаев являются косвенными и носят качественный характер. Вследствие отсутствия количественных критериев оценки работоспособности штамповых сталей в условиях циклического температурно-силового нагружения при контакте с расплавами не предоставляется возможным научно-обоснованно решить вопросы по выбору материалов и технологии изготовления штампов.
3. Сформулированы основные принципы квазианалогового подхода применительно к исследованиям инструментальных материалов для штампов. Эти принципы включают:
а) особенность выбора изучаемых процессов повреждаемости материалов, ответственных за работоспособность штампов;
б) применение количественных оценок для соответствующих изучаемых процессов повреждения материалов;
в) воспроизведение при экспериментировании ведущего нагружающего комплекса.
5. Реализация квазианалогового подхода при исследовании материалов пресс-форм АЛПД основывается на разработанной физико-математической модели процессов повреждаемости, представленной в виде функционала работоспособности
Разработаны концепции квазианалоговых испытаний надежности материалов для пресс-форм АЛПД, включающие:
- установление количественных критериев оценок конкурирующих процессов повреждаемости инструментальных материалов пресс-оснастки при эксплуатации;
- расчетно-экспериментальное определение параметров нагружающего комплекса факторов, а также температурно-напряженного состояния материала пресс-оснастки;
- разработку способа, методики и испытаний материалов на термическую, термомеханическую усталость и взаимодействие с литейными расплавами.
Использование квазианалоговых испытаний в качестве объектов управления функционалом работоспособности пресс-оснастки позволило получить новые данные по важным служебным характеристикам (надежности) материалов, комплексно учитывающим влияние Пк и Пн и на этой основе решить ряд важных научно-технических задач, а именно:
- установить механизмы и кинетические закономерности разрушения контактной зоны пресс-форм АЛПД из стали 2Х5МНФСЛ при воздействии литейных сплавов типа АЛ-2.
Полученные данные свидетельствуют о неаддитивном влиянии как факторов качества (Пк), так параметров нагружения (Пн) на протекание процессов повреждения и ТМУ материалов, что позволило пересмотреть традиционные представления при решении задач по оптимизации функционала работоспособности пресс-форм по Пк и Пн с учетом критериев работоспособности, полученных при квазианалоговых испытаниях материалов на ТМУ.
Показана перспективность получения высокостойкой литой пресс- оснастки методом направленной кристаллизации, обеспечивающей возможность получения литых конструкций с регламентированными структурой и высокими эксплуатационными свойствами.
2. На основе анализа данных по ресурсу эксплуатации пресс-форм АЛПД установлено, что достоверность прогнозирования их стойкости по критериям, полученным при стандартных испытаниях механно-физических и специальных свойств материалов ограниченна. Отмеченное обусловлено, главным образом, отсутствием комплексных схем нагружения при испытаниях и существенным различием параметров нагружения сталей в процессе испытаний и эксплуатационных условиях. При этом применяемые критерии для оценки стойкости пресс-формы в большинстве случаев являются косвенными и носят качественный характер. Вследствие отсутствия количественных критериев оценки работоспособности штамповых сталей в условиях циклического температурно-силового нагружения при контакте с расплавами не предоставляется возможным научно-обоснованно решить вопросы по выбору материалов и технологии изготовления штампов.
3. Сформулированы основные принципы квазианалогового подхода применительно к исследованиям инструментальных материалов для штампов. Эти принципы включают:
а) особенность выбора изучаемых процессов повреждаемости материалов, ответственных за работоспособность штампов;
б) применение количественных оценок для соответствующих изучаемых процессов повреждения материалов;
в) воспроизведение при экспериментировании ведущего нагружающего комплекса.
5. Реализация квазианалогового подхода при исследовании материалов пресс-форм АЛПД основывается на разработанной физико-математической модели процессов повреждаемости, представленной в виде функционала работоспособности
Разработаны концепции квазианалоговых испытаний надежности материалов для пресс-форм АЛПД, включающие:
- установление количественных критериев оценок конкурирующих процессов повреждаемости инструментальных материалов пресс-оснастки при эксплуатации;
- расчетно-экспериментальное определение параметров нагружающего комплекса факторов, а также температурно-напряженного состояния материала пресс-оснастки;
- разработку способа, методики и испытаний материалов на термическую, термомеханическую усталость и взаимодействие с литейными расплавами.
Использование квазианалоговых испытаний в качестве объектов управления функционалом работоспособности пресс-оснастки позволило получить новые данные по важным служебным характеристикам (надежности) материалов, комплексно учитывающим влияние Пк и Пн и на этой основе решить ряд важных научно-технических задач, а именно:
- установить механизмы и кинетические закономерности разрушения контактной зоны пресс-форм АЛПД из стали 2Х5МНФСЛ при воздействии литейных сплавов типа АЛ-2.
Полученные данные свидетельствуют о неаддитивном влиянии как факторов качества (Пк), так параметров нагружения (Пн) на протекание процессов повреждения и ТМУ материалов, что позволило пересмотреть традиционные представления при решении задач по оптимизации функционала работоспособности пресс-форм по Пк и Пн с учетом критериев работоспособности, полученных при квазианалоговых испытаниях материалов на ТМУ.
Показана перспективность получения высокостойкой литой пресс- оснастки методом направленной кристаллизации, обеспечивающей возможность получения литых конструкций с регламентированными структурой и высокими эксплуатационными свойствами.