новая папка / БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

изделия. При очень мелком зерне возрастает усилие деформации. Для этих сталей при высадке изделий наиболее благоприятной является структура, определяемая перлитным числом 70-80, что соответствует процентному содержанию сфероидального цементита в общей массе перлита. Наиболее важной характеристикой поведения металла при холодной объемной штамповки является номер зерна феррита и его твердость. Для достижения оптимального значения по этим показателям необходимо поддерживать химический состав стали в более узких пределах (особенно по углероду). Обычно в структуре малоуглеродистой стали встречается структурно-свободный цементит, который образуется при прокате с последующим замедленным охлаждением или при длительном отжиге стали. Расположение структурно-свободного цементита по границам зерен в виде вкраплений или в виде сетки способствует резкому ухудшению пластичности стали и появлению трещин на изделиях, а также поперечному расслаиванию головок изделий.

Некоторые авторы [2] утверждают, что для холодной высадки необходимо применять только металл с микроструктурой 100% зернистого перлита, так как данная структура способна воспринимать большие пластически сдвиги. Ряд авторов [9] считает, что с увеличением в структуре стали доли пластинчатого и сорбитообразного перлита наблюдается рост сопротивления пластической деформации и снижение пластичности. В то же время авторы [10] указывают, что уже наличие зернистого перлита более 60% обеспечивает требуемую технологическую пластичность.

По-мнению [11] наилучшей штампуемостью в холодном состоянии обладают стали со структурой зернистого перлита (не менее 80%) балла 5-7 и относительным сужением не менее 50-60%. Особенно это важно для легированной стали 38ХА. При наличии в микроструктуре указанных сталей менее 80% зернистого перлита они не выдерживают осадки даже 1/3 первоначальной высоты, хотя в производстве крепежных изделий указанная сталь при высадке испытывает деформацию до 75-80%.

Авторы [12] рассматривают несколько способов получения зернистого перлита в доэвтоктоидных сталях: нагрев выше критической точки Ас1 (надкритический отжиг); нагрев ниже критической точки Ас1 (субкритический отжиг); отжиг после холодной деформации (рекристализационный); изотермический отжиг; маятниковый отжиг; термоциклический отжиг.

Вопрос получения крепежных изделий с микроструктурой металла - сорбит практически не исследован. Широко используется в производстве получение высоконагартованной проволоки, после операции патентирования и волочения. Патентирование позволяет получать в проволоке сорбитообразную структуру, после чего волочением можно добиться еѐ высоких прочностных и пластических свойств.

Ранее [13-14] нами подробно изучался вопрос разработки рациональной ресурсосберегающей технологии получения упрочненных длинномерных болтов из конструкционной легированной стали 40Х на основе изучения влияния режимов термической (патентирования и изотермической закалки) и пластической (волочением) обработки на структурное состояние и механические свойства проката перед холодной высадкой.

С этой целью были установлены: закономерности влияния структуры и механических свойств горячекатаного проката на качество проката после волочения для различных режимов технологической подготовки; исследовано влияние степени обжатия на структуру и механические свойства проката после волочения; изучено влияние термической (патентирования и изотермической закалки) и пластической обработки на структуру и механические свойства проката горячекатаного и после волочения, и выбраны оптимальные ее режимы перед холодной высадкой крепежных изделий; установлена рациональная технологическая схема подготовки калиброванного проката стали 40Х для дальнейшей высадки упрочненных длинномерных болтов с обрезной головкой.

110

Внастоящей работе предлагается разработанная экологичная и ресурсосберегающая технология подготовки калиброванного проката из стали 38ХА без обточки для холодной объемной штамповки крепежных изделий.

Технология подготовки горячекатаного проката диаметром 9.65 мм к холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных изделий из стали 38ХА на предприятиях часто включает в себя: отжиг на зернистый перлит в камерной печи с выдвижным подом при температуре 750°С (24 часа); травление металлопроката до полного удаления окалины, калибрование с диаметра 12,0 мм со степенью обжатия 26 %; рекристаллизационный отжиг в колпаковых печах с защитной атмосферой, калибрование проката с диаметра 10,2 мм со степенью обжатия 10,0 %. При этом перед холодной высадкой калиброванный прокат

должен отвечать требованиям ГОСТ 10702-78: иметь σв ≥ 600 МПа; твердость НВ<207; глубину обезуглероженного слоя < 0,05 мм (ГОСТ 10702-78); качество поверхности должно соответствовать группе Е ГОСТ 14955-77 (допускаются отдельные риски глубиной не больше половины предельного отклонения по диаметру).

Впроцессе подготовки к холодной объемной штамповки ответственного крепежа для удаления поверхностных дефектов часто на производстве приходится выполнять дорогостоящую обточку поверхности проката.

Поверхностные дефекты в исходном горячекатаном прокате, поступающие с металлургических комбинатов, в связи со значительными степенями деформации,

возникающими при холодной штамповке крепежных деталей, могут способствовать экономическим потерям на предприятии. Переработка горячекатаного проката с металлургическими дефектами увеличивает количество бракованных крепежных изделий, а, следовательно, приводит к повышенному расходу металла.

Считается, что для калиброванного проката под холодную высадку одинаково нежелательно применение твердой (более НВ 260) и мягкой (менее НВ 150) стали. При высадке стали высокой твѐрдости резко возрастают удельные усилия на инструмент, снижается его стойкость, появляются трещины на металле, ухудшается заполнение полости матрицы при штамповке на прессах. При высадке «мягкой» стали ухудшается стойкость заготовки, деформирование происходит неравномерно и металл быстро «налипает» на инструмент.

Анализ литературных данных позволяет рекомендовать следующие основные показатели штампуемости стали применительно к ХОШ: НВ от 170 до 260; σ0,2 /σв = 0,5 – 0,65 - данное соотношение зависит от химического состава; Ψ ≥ 0,6 сталь весьма пластична; 0,5 < Ψ < 0,6 – сталь достаточно пластична, Ψ < 0,5 - сталь непригодна к высадке, где Ψ – относительное сужение, а σs - напряжение течения (истинное напряжение).

Отношение σ0,2/σв в значительной мере зависит от химического состава, режимов термообработки и калибровки. Величина суммарной деформации (калибровка + все переходы) при штамповке на автоматах достигает 85%. При отношении предела текучести к пределу прочности ~ 0,9 наблюдается наилучшая величина такой важной эксплуатационной характеристики крепежного изделия, как высокая релаксационная стойкость. А величина относительного сужения считается основным показателем пластичности штампуемого проката. Наилучшей пластичностью при холодной объемной штамповке обладает калиброванный прокат с относительным сужением 50-60% .

Статистический анализ экспериментальных данных показывает, что калиброванный прокат стали 38ХА, изготовленный по существующей технологии, в абсолютном большинстве случаев имеет σв выше 700 МПа (среднее значение σв = 790 МПа) и значения

σ0,2 > 640 МПа (среднее значение σ0,2 = 690 МПа), причем разница по σ0,2 и σв при проверке достигает 100-110 МПа. Половина проверяемого металлопроката имеет твердость выше

допустимой ГОСТ 10702-78- НВ>207, а в большинстве случаев Ψ<60%, то есть ниже допустимой, около 20% поставляемого металлопроката имеет обезуглероженный слой величины более 0,05 мм, что превышает норму допустимого значения. Более 50% калиброванного проката по качеству поверхности не отвечает требованиям ГОСТ 14955-77.

111

По микроструктуре только половина металла после отжига на зернистый перлит соответствует требованиям НТД из-за неравномерности прогрева садки металла в рабочем пространстве печи.

Сцелью исключения вышеназванных недостатков исследовался калиброванный прокат стали марки 38ХА из исходного размера горячекатаного проката диаметром 12,0 мм по следующей технологии:

1 - травление горячекатаного проката диаметром 12,0 мм в соляной кислоте при температуре 60-67°С до полного удаления окалины;

2 - калибрование проката со степенью обжатия 15,9 %; 3 - отжиг с нагревом ТВЧ при температуре 760-780°С;

4 - травление металлопроката до полного удаления окалины;

5 - калибрование проката со степенью обжатия 23 %; 6 - отжиг с нагревом ТВЧ при температуре 760-780°С;

7 - травление металлопроката до полного удаления окалины; 8 - калибрование в пределах упругой деформации через фильер 9,65 мм.

Суммарное обжатие при этом составляет 38,9 %. После отжига с нагревом ТВЧ на поверхности проката слой окислительного налета возникает очень тонкий, и удаляется в растворе серной кислоты в течение всего двух минут.

При проведении исследовательских работ в качестве исходного материала применялась горячекатаная сталь 38ХА Ø 12,0 мм. Химический состав исследуемой марки соответствовал ГОСТ 10702-78 (Содержание элементов в %: С - 0,40; Мn - 0,64; Si - 0,20; Cr - 0,9; S - 0,017; P - 0,026).

Установлено, что горячекатаный прокат 38ХА диаметром имеет неравномерные механические свойства, частичное обезуглероживание и риски на поверхности. После отжига с ТВЧ микроструктура горячекатаного проката становится мелкодисперсней и более равномерной по сравнению с микроструктурой исходного горячекатаного проката.

Такое изменение структурного состояния приводит к снижению прочностных

характеристик, твердости и повышению пластичности: σв снижается на 70-90 МПа; σ0,2 снижается на 40-70 МПа; Ψ повышается от 11 до 13%; твердость НВ снижается на 30-31 единицы. Такой металлопрокат пригоден для дальнейшего калибрования.

Сувеличением количества отжигов с нагревом ТВЧ при температуре 760-780°С после холодной пластической деформации калиброванием наблюдается значительное изменение микроструктурного состояния. Сорбитообразный перлит становится менее дисперсным, а после отжига способом ТВЧ на промежуточном размере Ø 11,0 мм в микроструктуре

появляется мелкозернистый перлит. После четвертого отжига способом ТВЧ на окончательном размере Ø 9,65 мм достигается формирование равномерной микроструктуры, состоящей из мелкозернистого и точечного перлита и равномерно распределенного феррита. Твердость калиброванного проката с такой микроструктурой не превышает НВ 195.

Изменяются механические свойства калиброванного проката. Снижаются прочностные характеристики и возрастает пластичность. 3-х разовое калибрование и отсутствие окалины после отжига способом ТВЧ приводит к тому, что значительно повышается качество поверхности калиброванного проката. Применение данной технологии переработки способствует устранению эллипсности на окончательном размере металлопроката.

Калиброванный прокат стали 38ХА, подготовленный по предложенной технологии, в отличие от действующей технологии, обладает значительно меньшим сопротивлением пластической деформации, более высокой пластичностью и более низкой твердостью. Обезуглероженный слой на данном металлопрокате отсутствует. Способность калиброванного проката к деформированию составляет: σ0,2/ σв = 41/68= 0,6 .

Такой калиброванный прокат считается пригодным для холодной объемной штамповки методом высадки.

Выводы

112

Предложена рациональная технология подготовки калиброванного проката стали 38ХА Ø9.65 мм без обточки для холодной объемной штамповки крепежных изделий. Она является ресурсосберегающей и экологически более чистой по отношению к действующей технологии, так как при этом отсутствуют вредные выбросы от печей, где происходит отжиг проката, травильные растворы освежаются реже, так как после отжига проката способом ТВЧ пленка окалины на нем образуется минимальная.

Изготовленный по предложенной технологии прокат обладает хорошей способностью к холодной высадке и превосходит по всем показателям изготовленный по действующей технологии.

Библиографический список

1.Филиппов, А.А. Повышение качества поверхности стального проката под калибровку перед высадкой крепежных изделий / Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин, В.Г. Пачурин // Заготовительное производство, 2007г, №3. С. 51-53.

2.Быкадоров, А.Т. Технологические процессы изготовления болтов с фланцами на автоматической линии Государственного завода «Красная Этна» / В.В. Пахтунов // Кузнечноштамповое производство, 1985г, №9. С. 37-38.

3.Филиппов, А.А. Сравнение технологических вариантов подготовки хромистых сталей под холодную высадку / Г.В. Пачурин // Успехи современного естествознания, 2007 г, №8. С. 17-22.

4.Пачурин, Г.В. Экономичная технология подготовки стали 40Х к холодной высадке крепежных изделий / А.А. Филиппов // Вестник машиностроения, 2008г., № 7. С. 53-56.

5.Пачурин, Г.В. Ресурсосберегающая и экологичная обработка поверхности металлопроката перед холодной высадкой / А.А. Филиппов // Экология и промышленность России, 2008 г., август. С. 2-4.

6.Филиппов, А.А. Анализ влияния дефектности заготовок на качество горячекатаного проката для холодной высадки крепежных изделий / Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин, К.Г. Пачурин // Материалы Шестой ежегодной Промышленной конференции с международным участием и блиц-выставки. Славское, Карпаты.20-24 февраля 2006. С. 200-201.

7.Пачурин, Г.В. Влияние технологической подготовки стальных прутков на соответствие требованиям для холодной высадки крепежных изделий/ А.А. Филиппов // Материалы Vİİ Международной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ», г.Ухта, 22-24 марта 2006. С. 329-331.

8.Филиппов, А.А. Анализ дефектности горячекатаного проката для холодной высадки метизов /

К.Г. Пачурин, А.Н. Гущин, Г.В. Пачурин // Фундаментальные исследования, 2006г., №4. С. 38-39.

9.Хейфец И.Л., Быкадоров А.Т. Подготовка стали 35Х к холодной высадке // Кузнечноштамповочное производство. 1975. №9. С. 13-14.

10.Трусов В.А., Жадан В.Т., Урусова О.В., Самарыгина И.В., Кузнецов В.А., Волосков А.Д.

Разработка производства подката с ТМО для Фасонных профилей высокой точности –М. Труды второго конгресса прокатчиков, 1998. С. 515-522.

11.Пудов Е.А. Пути улучшения качества проката 20Г2Р для холодной объемной штамповки // Производство проката №3, 2001. С. 17-19.

12.Долженков И.К., Долженков И.И. Сфероидизация карбидов в стали. М.: Металлургия, 1984. С. 56.

13.Филиппов А.А., Пачурин Г.В. Температура изотермической закалки калиброванного проката из стали 40Х под холодную высадку // Заготовительные производства в машиностроении, 2007, №10. С. 44-46.

14.Пачурин Г.В., Филиппов А.А. Выбор рациональных значений степени обжатия горячекатаной стали 40Х перед холодной высадкой метизов / Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2008. № 7. С. 2325.

15.Филиппов А.А., Пачурин Г.В. Патент на изобретение «Способ обработки горячекатаного проката под высадку болтов», Патент RU 2380432 С1 С21D 8/06. 2008151317/02; Заявл. 23.12.2008; Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.

113

УДК 629.113:011.5

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОКАТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БОЛТОВ

Пачурин В.Г., Пачурин Г.В., Филиппов А.А.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Улучшение качества современного крепежа является важнейшей составляющей эксплуатационной надежности изготавливаемых автомобилей. Низкая доля применения упрочнѐнного крепежа представляется негативным технико-экономическим показателем как промышленности, производящей эту продукцию, так и промышленности, производящей конструкции, применяющей крепѐж. Для первой – это неоправданное повышение материалоѐмкости производства деталей. Для второй – нерациональное завышение веса конструкций и, соответственно, ухудшение их эксплуатационных качеств.

Решение проблемы расширения отечественного производства упрочнѐнного крепежа представляет собой актуальную задачу для отечественной промышленности и охватывает различные отрасли.

Одним из приоритетных направлений в решении этой задачи является снижение стоимости производимого крепежа за счѐт рационализации технологии упрочняющей обработки крепежа и минимизации стоимости стали, например, относительно боросодержащих сталей.

В плане минимизации стоимости стали наиболее предпочтительной представляется стандартизованная сталь марки 40Х (ГОСТ 4543). Данная марка стали при необходимости может быть регламентирована по прокаливаемости, что имеет существенное значение в обеспечении стабильности качества термического упрочнения. Сталь 40Х традиционно имеет наибольшее распространение для упрочняемых крепѐжных изделий и зарекомендовала себя легко осваиваемой метизным производством любой степени массовости. При этом соответствующее содержание углерода и достаточно экономное легирование хромом упрощает реализацию предлагаемого технического решения во всех его технологических компонентах.

На основе анализа состояния поставляемого металлопроката с отечественных и зарубежных металлургических предприятий [1], используемого для изготовления различных видов крепежной продукции, закономерностей влияния термической обработки, степени обжатия проката на микроструктуру, его твердость, прочностные и пластические характеристики, рассмотрения основных технологических вариантов подготовки проката для получения крепежных изделий класса прочности 8.8 и выше установлено, что основным способом получения высокопрочного крепежа является высадка из проката после волочения, имеющего микроструктуру зернистый перлит.

После холодной объемной штамповки (ХОШ) их подвергают закалке и отпуску. После закалки на крепеже могут образовываться микротрещины и обезуглероженный слой. Если вопрос подготовки проката с микроструктурой 80-100% зернистого перлита изучен достаточно глубоко, то из-за роста сопротивления пластической деформации, имеющего структуру сорбит патентирования, уделяется недостаточное внимание.

Общим недостатком, термически обработанного проката в действующих технологиях, является локальная неоднородность механических свойств, наблюдающаяся на соседних участках проката небольшой протяженности и по всей длине мотка. Поэтому требует исследования вопрос получения проката с равномерными механическими характеристиками по длине мотка для изготовления упрочненных длинномерных болтов с требованиям ГОСТ Р 52643-2006 «Болты и гайки высокопрочные и шайбы для металлических конструкций» без последующей их закалки и отпуска.

114

Вопрос о комплексном влиянии патентирования и волочения с различными обжатиями на структуру, прочностные и пластические характеристики, твердость проката в литературе освещен недостаточно, поэтому требует более детального изучения.

Требуется комплексная оценка состояния проката, полученного методом патентирования и пластического упрочнения при волочении, которая учитывает одновременно прочностные и пластические его характеристики.

Внастоящей работе были поставлены следующие задачи:

-установить закономерности влияния структуры, механических характеристик и твердости горячекатаного (г/к) проката на качество проката для различных режимов технологической подготовки;

-исследовать влияние степени обжатия на структуру и механические характеристики проката после волочения;

-исследовать совместное влияние термической (патентирования) и пластической обработок на структуру и механические свойства проката и выбрать оптимальные их режимы под холодную высадку крепежных изделий.

-установить оптимальную технологическую схему подготовки калиброванного проката стали 40Х для дальнейшего изготовления из него упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головкой, соответствующих классу прочности 9.8.

Для их решения исследовался г/к прокат конструкционной легированной стали перлитного класса марки 40Х и изготовленный из него прокат для изготовления упрочненного крепежа. Изучению подвергался прокат до и после волочения с различными прочностными и пластическими характеристиками, получаемый после сфероидизирующего отжига и патентирования.

Прокат изучался в недеформированном состоянии, а также после различных степеней обжатия при волочении с целью определения его пригодности по прочностным и пластическим характеристикам, и твердости для ХОШ длинномерных болтовых изделий согласно ГОСТ 10702-78 «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легированная для холодного выдавливания и высадки».

Исследованию подвергались микроструктура, прочностные и пластические характеристики, твердость проката до и после операции волочения и патентирования.

Проводились испытания на осадку, определение качества поверхности, оценка

структурно-энергетических комплексов разрушения и др. Прочностные (σв, σ0,2) и пластические (Ψ, δ,) свойства, твердость горячекатаного и калиброванного проката определялись по двум вариантам:

-калибрование горячекатаного и калиброванного металлопроката со степенями

обжатия 5, 10, 20, 30, 40 и 60% с последующим патентированием при температуре 370, 400, 425, 450, 500 и 550оС;

-патентирование при 370, 400, 450, 500 и 550оС и последующее калибрование со степенями обжатия 5, 10, 20, 30, 40 и 60%.

Анализ прочностных и пластических характеристик г/к проката после деформации методом волочения от 5 до 60% показывает [4-9], что с увеличением обжатия от 5 до 60%, увеличиваются его прочностные и снижаются пластические характеристики, что согласуется

сопубликованными в литературе результатами на других марках сталей.

Выявлено, что с увеличением степени деформации от 5% до 60% и последующем патентировании при температуре 400°С, прочностные характеристики проката изменяются немонотонно.

Предел текучести при обжатиях от 5 до 60% увеличивается с 690 до 780 МПа. Предел прочности при обжатиях от 5 до 60% увеличивается с 910 до 1040 МПа. При этом кратковременный нагрев проката (5 минут) при температуре 880ºС не снимает наклѐп полностью.

Анализируя полученные зависимости пластичности, можно сделать вывод, что с увеличением обжатия от 5 до 60% при температуре патентирования 400°С, пластические

115

характеристики проката изменяются незначительно, и остаются на достаточно высоком уровне (ψ=53-58%: δ=15-17%). Твердость образца при температуре патентирования 400°С, находится в пределах от 27 до 30 HRC, но в результате операции патентирования может происходить изменение профиля поверхности проката, которое не позволит обеспечить точность геометрии готового изделия.

Из анализа следует зависимости прочностных и пластических характеристик от обжатия при температуре патентирования 400°С, что с увеличением деформации при температуре патентирования 400°С, увеличиваются прочностные и снижаются пластические характеристики проката.

Установлено, что требуемой твердостью (HRС) проката 40Х является твердость, полученная с обжатием 5-10% и равна 29.

Микроструктура г/к проката представляет собой - перлит сорбитообразный + феррит виде разорванной сетки по границам перлитных зерен. В структуре отсутствует полосчатость

иструктурно-свободный цементит на границах зерен в виде скоплений или сетки. Микроструктура не имеет грубопластинчатого перлита и видманштетовой структуры. При прочих положительных условиях подготовки проката можно ожидать на высаженных упрочненных длинномерных болтах отсутствие трещин.

При волочении и последующем патентировании проката при температуре 370°С образуется структура «троостит». Прокат с такой структурой обладает высокими

прочностными характеристиками (σв=1100 МПа), недостаточной пластичностью (Ψ=33%) и высокой твердостью (HRC 35). Данная структура не рекомендуется для изготовления из него длинномерных болтов методом ХОШ.

При патентировании 500ºС наблюдается микроструктура «сорбит с участками мартенсита». Такая микроструктура не рекомендуется для ХОШ.

После волочении и патентирования проката при температурах 400, 425, 450 и 550°С образцы имеют структуру «сорбит патентирования».

Образованный из аустенита, при патентировании калиброванного проката при температурах 400, 425,450 и 550°С, сорбит виден при увеличении х500.

Исследование влияния деформации методом волочения при температуре патентирования 400, 450 и 550°С на прочностные характеристики выявило, что снижение

значений σв и σт при деформации со степенями обжатия более 30% обусловлено особенностями формирования очага деформации, ведущему к интенсивному пластическому течению, как по перечному сечению проката, так и зернах с разной ориентацией.

Установлена динамика изменения пластических характеристик проката при температурах патентирования 400, 450 и 550°С, предварительно деформированного проката: при обжатиях от 5 до 20% пластические характеристики остаются на достаточно высоком уровне ~52-60%. При степени деформации 30% прокат достигает минимального значения своих пластических характеристик. При обжатиях свыше 35% пластические характеристики снова начинают увеличиваться ввиду начала интенсивного пластического течения, что согласуется с данными других авторов.

Дальнейшее повышение температуры патентирования до 550ºС приводит к существенному возрастанию пластичности (Ψ=58-62%), но снижению прочности (905 МПа)

итвердости (HRС 22), что связывается с полным распадом до температуры 550ºС переохлажденного аустенита в ферритно-цементитную смесь (сорбит).

После патентирования при температуре 500°С прокат имеет структуру «сорбит и включения мартенсита». Мартенсит образовался из аустенита при патентировании проката при температуре 500°С и хорошо виден при увеличении х600. Это объясняется тем, что за 5 минут при температуре 500°С не заканчивается полностью превращение аустенита и при последующем охлаждении оставшейся аустенит переходит в мартенсит. Образцы не выдержали испытания осадкой 50% первоначальной высоты.

Анализ механических характеристик проката после патентирования 500ºС и последующего волочения показывает, что прокат при патентировании 500ºС и волочении с

116

обжатием от 5 до 20% способен поддаваться пластической деформации. При деформациях от 30 до 60% происходит его обрыв в волоке волочильного стана. В этом случае исследуемый прокат теряет полностью пластичность. Структуре «сорбит с участками мартенсита» соответствует разнородная твердость проката.

Вытянутость зерен калиброванного проката начинается с 20% степени обжатия. При деформации 40 и 60% текстура составляет 100% структуры, то есть при обжатиях 40% и более практически все составляющие микроструктуры ориентированы вдоль оси деформации. В процессе волочения с обжатием 30, 40 и 60 %, предварительно патентированного проката при температуре 500°С, произошла полная потеря его пластичности и разрушение образца, вследствие образования внутренних трещин.

Прокат с обжатиями 30, 40 и 60%, предварительно патентированный при температуре 500°С, под воздействием внешних растягивающих усилий не обладает способностью к холодной пластической деформации: прокат при растяжении разрушался при волочении.

В процессе растяжения создались благоприятные условия для роста трещин в направлении, перпендикулярном действию растягивающих сил. Микроструктура проката «сорбит с включениями мартенсита» является структурой неоднородной, что привело к неоднородности деформации по сечению проката.

Неоднородность деформации вызвала в поверхностных слоях перенаклѐп и появление по этой причине очагов разрушения, а в центре – появление осевых разрывов из-за избыточных растягивающих напряжений.

Сравнение критериев работоспособности (Wc, Кзт, Крт) по различным вариантам технологической обработки, показало, что калиброванный прокат, обработанный по режиму: патентирование при температуре 400ºС и волочение со степенью обжатия 5%, более предпочтителен, чем прокат, обработанный по другим режимам, включая действующий.

Полученные значения показателя энергоемкости Wc проката стали 40Х определяются сочетанием характеристик прочности (предел текучести и предел прочности) и пластичности (равномерной и предельной деформаций). Критерии зарождения трещины исследуемого проката контролируется в основном величиной показателей пластичности.

Самые высокие значения Кзт имеет прокат, обработанный по режиму: патентирование при температуре 400ºС и при последующем волочении со степенью деформации 5%; самые низкие показатели Кзт у проката, обработанному по режиму: патентирование при температуре 370ºС и волочение со степенью деформации 40%.

Режим патентирования при температуре 400ºС и обжатие со степенью 5% обеспечивают достаточную твердость (НВ 286) и прочность (σв = 970 МПа) при сохранении достаточного уровня пластичности (Ψ=55%).

Комплекс механических характеристик проката сформировался благодаря термической операции патентирования и деформационному упрочнению методом окончательного волочения. Образцы выдержали испытание осадкой 66% первоначальной высоты.

На основании вышеприведенного анализа влияния режимов технологической обработки проката в работе получены требуемые механические характеристики как проката, так и болтовых изделий из стали 40Х без дальнейшей их закалки и отпуска. По данной технологии получен патент на изобретение №2380432 [2].

Предлагаемая технологическая схема подготовки проката:

1)отжиг г/к проката: температура нагрева 7700С, выдержка 3 часа, охлаждение до температуры 7000С, выдержка 3 часа, охлаждение с печью;

2)подготовка поверхности проката к волочению;

3)предварительная деформации методом волочения со степенью деформации 15% (с диаметра 13,0 мм на 11,95 мм);

4)патентирование проката: температура нагрева 8800С, охлаждение при температуре селитровой ванны 4000С с выдержкой 5 минут, охлаждение на воздухе 1 минута, окончательное охлаждение в воде;

117

5)подготовка поверхности проката с фосфатированием;

6)окончательная деформация методом волочения с деформацией 5% (с диаметра 11,95 мм на 11,65 мм);

7)высадка и накатка резьбы упрочненных длинномерных болтов (М12х110мм).

По действующей технологии из проката изготавливается крепеж методом ХОШ с последующей его закалкой и отпуском. При этом в результате закалки в длинномерных изделиях могут возникать деформации и трещины, что снижает качество болтов и повышает их отбраковку.

По предложенной технологии из проката методом ХОШ изготовлены упрочненные длинномерные болты М12х110 и М10х95 с низкой обрезной головкой и проведено их статическое испытание. Испытания болтов М12х110 и М10х95 проводились в соответствии ГОСТ 1759.4-87.

Характер излома болтов со структурой «сорбит патентирования» - волокнистый. Анализ микрорельефа излома выявил наличие матовой шероховатой поверхности с признаками пластической деформации (утяжки). Разрушение болтов при натурных испытаниях происходило по резьбе. Волокнистый излом по классификации энергетического разрушения относится по характеру разрушения к вязкому виду разрушения. Это значит, что болты с данной структурой обладают высокой работой разрушения.

Упрочненные длинномерные болты М12х110 и М10х95 с короткой обрезной головой, изготовленные из калиброванного проката с микроструктурой «сорбита патентирования» и упрочненные пластической деформацией в процессе редуцирования и накатки резьбы обладают комплексом прочностных и пластических характеристик, соответствующих классу прочности 9.8 крепежа ГОСТ Р 52643-2006.

Таким образом, предлагаемая технологическая схема подготовки является ресурсосберегающей, т.к. исключаются операции закалки и отпуска изделий. Затраты по закалке и отпуску готовых метизов составляют более 8% от их стоимости. Это приводит к снижению трудо- и энергозатрат. Отсутствие закалки и отпуска длинномерных изделий позволяет избежать коробления и трещин и, как следствие, повышает качество длинномерных болтов и исключает операцию отбраковки и рихтовки. Предлагаемая схема подготовки проката является также экологичной, т.к. отсутствие закалки и отпуска позволяет исключить из производственного процесса газовые проходные печи и селитровые ванны. Это обеспечивает снижение выбросов отработанных газов в атмосферу и использования солей в производстве.

Разработана и предложена рациональная технологическая схема подготовки проката стали 40Х диаметром 9,65 и 11,7 мм для получения упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головкой, соответствующих классу прочности 9.8, исключающая операции закалки и отпуска изделий. Она заменяет сфероидизирующий отжиг на изотермическую операцию – патентирование, что позволяет снизить трудо и энергозатраты, повысить экологичность производства и эксплуатационную надежность болтовых изделий без опасности возникновения дефектов резьбы и необходимости их рихтовки. Это дает возможность сократить технологическую цепочку и снизить себестоимость изготовления болтов. На разработанную технологию подготовки проката стали 40Х для изготовления упрочненных длинномерных болтов получен патент на изобретение №2380432.

Результаты исследований опробованы на производстве и нашли применение при внедрении перспективных технологий изготовления упрочненного крепежа.

Библиографический список

1.Филиппов, А.А. Анализ контроля качества поверхности горячекатаного проката для холодной высадки метизов / В.Г. Пачурин, Г.В. Пачурин // Современные наукоемкие технологии, 2010, №12. С. 115-117.

2.Филиппов А.А., Пачурин Г.В. Патент на изобретение «Способ обработки горячекатаного проката под высадку болтов», Патент RU 2380432 С1 С21D 8/06. 2008151317/02; Заявл. 23.12.2008; Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.

118

УДК 629.1.02

НЕЧЁТКАЯ ЛОГИКА В МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БЫСТРОХОДНОЙ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ

Держанский В.Б., Тараторкин И.А., Карпов Е.К. ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет»

Анализ характеристик движения быстроходных гусеничных машин

Одним из основных эксплуатационных свойств быстроходных гусеничных машин (БГМ) является подвижность, оцениваемая скоростными качествами. Повышение удельной мощности машин до 25 кВт/т, совершенствование трансмиссий, систем управления движением и информационного обеспечения способствует росту потенциальных скоростных качеств современных гусеничных машин. Однако реализация этого потенциала ограничивается рядом динамических явлений при прямолинейном движении и в процессе поворота, низкой управляемостью, склонностью к заносу, особенно при движении на высоких скоростях.

Степень реализации может быть повышена при автоматизации управления движением, однако, результаты испытаний машины с макетным образцом ПИД-регулятора, синтезированного на основе известных методов, показывают, что эффективность регулятора недостаточна. Это связано с тем, что параметры системы определяются соответственно линеаризованной математической модели. В процессе движения машины, как существенно нелинейной системы, параметры: инерционные, коэффициенты сопротивления увода, вязкостно-упругие свойства элементов и другие – варьируются в широких пределах, а управляющее воздействие водителя, даже при движении по дороге с детерминированным изменением кривизны траектории, не является гармоническим. На основании результатов исследования возможности применения аппарата нечѐткой логики в системах управления быстроходных гусеничных машин[2], было решено произвести работу по созданию метода применения искусственных нейронных сетей для повышения быстроходности и управляемости в процессе прямолинейного движения и поворота. Основной особенностью данного метода является способность учитывать нелинейные изменения параметров системы, а также обрабатывать управляющие воздействия водителя и прогнозировать поведение машины.

При движении по ровным дорогам скорость ограничивается тягово-динамическими качествами машины и условиями движения в повороте – условиями бокового заноса. Для скоростных машин подвижность во многом ограничивается управляемостью. Это свойство характеризует все аспекты динамики системы «Человек – машина – внешняя среда» и оценивается динамическими, кинематическими и силовыми характеристиками. Динамические характеристики определяются по качеству переходных процессов входа в поворот и выхода из него, т.е по реакции машины как управляемого объекта.

Исследования показали, что скорость движения БГМ ограничивают различные динамические свойства:

1)случайные отклонения траектории. Даже на ровном бетонном покрытии водителю всегда приходится подруливать, чтобы не съехать с дороги.

2)ошибочные действия водителя. Только опытный водитель в неутомлѐнном состоянии интуитивно определяет момент входа в поворот, а так же необходимую скорость. Также, человек не в состоянии определить кривизну траектории. Это приводит к ошибкам управления и является причиной возможных сноса или заноса машины.

119