автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка динамической модели напряженно-деформированного состояния металла при поперечно-винтовой прокатке в трехвалковом стане и технологии производства прутков из малопластичных сплавов

На правах рукописи

КОВАЛЕВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКЕ В ТРЕХВАЛКОВОМ СТАНЕ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРУТКОВ ИЗ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ СПЛАВОВ

05.03.05 - «Технологии и машины обработки давлением»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□□34584Б4

Москва - 2008

003458464

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики

Научный руководитель Осадчий Владимир Яковлевич

д. т. н., профессор,

лауреат Государственной премии СССР, Заслуженный деятель науки и техники РФ

Официальные оппоненты Никулин Анатолий Николаевич

д.т.н., профессор

Шумилин Владимир Константинович к.т.н., доцент

Ведущая организация Институт Металлургии и Материаловедения

им. A.A. Байкова, Российская Академия Наук

Защита состоится «_$_» ^/¿У/^'/ 200& г. в часов на заседании

диссертационного совета ¿О в МоЙковском государстве1Шом университете

приборостроения и информатики (МГУПИ).

Адрес университета: 107996, г. Москва, Стромынка, д. 20, МГУПИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ).

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета

Автореферат разослан

2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор, к. т. н.

Касаткин Н.И.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Напряженно-деформированное состояние (НДС) металла сплошной заготовки при поперечно-винтовой прокатке (ПВП) всегда привлекало особое внимание работников науки и производства, т. к. оно существенно влияет на структуру металла и на качество готового продукта.

В настоящее время, благодаря активному развитию электронно-вычислительной техники, в исследованиях процессов ОМД интенсивное развитие получили численные методы, позволяющие значительно расширить класс и постановку решаемых задач за счет более полного учета реального состояния исследуемого объекта и взаимного влияния, входящих в него параметров, учета реальных нагружений и свойств используемых материалов. Среди таких методов наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). Поэтому разработка динамической модели НДС металла при ПВП на основе программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D и их анализ, а также исследование влияния процесса ПВП на структуру и свойства малопластичных сплавов представляют большой научный и практический интерес и являются актуальными.

Цель работы

1. Разработать динамическую модель напряженно-деформированного состояния металла при поперечно-винтовой прокатке с минимизированным числом ограничений и с учетом скручивания заготовки для определения оптимальных режимов прокатки.

2. Проанализировать распределение напряжений в объеме заготовки, а также влияние степени деформации на напряженно-деформированное состояние металла при ПВП.

3. Дать сопоставительный анализ результатов полученных на основе программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D.

4. Исследовать влияние ПВП на структуру и свойства малопластичных заэвтектичесих силуминовых сплавов и разработать технологию для повышения их пластичности.

Методы исследования

Для исследования НДС при ПВП использован метод конечных элементов и прикладные пакеты программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D. Экспериментальные исследования силовых параметров проводили с использованием мездоз с проволочными датчиками и разработанного программно-аппаратного комплекса мездоза- аналого-цифровой преобразователь - компьютер.

Научная новизна

1. На основе метода конечных элементов с использованием программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D впервые с учетом скручивания выполнено динамическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла при горячей поперечно-винтовой прокатке круглой заготовки из заэвтектического силумина, обладающего низкой пластичностью. Впервые с учетом скручивания заготовки получены картины распределения и величины напряжений (радиальных, осевых, тангенциальных) по сечениям вдоль очага деформации.

2. Впервые с учетом скручивания заготовки установлена зависимость радиальных, осевых и тангенциальных напряжений от степени деформации при ПВП, что позволяет научно обосновать режимы деформации для получения мелкозернистой структуры металла без осевого или кольцевого разрушения заготовки.

3. Установлено впервые, что при моделировании ПВП, программы ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D дают одинаковую качественную картину распределения по сечению заготовки радиальных, осевых и тангенциальных напряжений. Абсолютные значения напряжений, полученные на основе программы ANSYS/LS-DYNA, больше на 20-25% чем при моделировании процесса ПВП в программе DEFORM 3D.

4. Выявлено влияние степени деформации на размер кристаллов кремния, минимальная величина которых достигает 10 - 15 мкм, и на пластические свойства заэвтектических силуминовых сплавов, которые увеличиваются в 3 - 3,5 раза.

5. При поперечно-винтовой прокатке заэвтектических силуминов выявлен эффект «насыщения», выражающийся в том, что после двух прокаток с общей вытяжкой больше 2,56 не происходит дальнейшего измельчения содержащихся в сплаве кристаллов кремния, средний размер которых остается равным 10- 15 мкм.

Практическая ценность работы

1. На основе анализа полученных моделей напряженно-деформированного состояния заготовки разработана технология получения цилиндрических заготовок из заэвтектических силуминов с содержанием кремния 18 - 24 %, обладающих достаточной пластичностью для последующей деформации.

2. Из катанной цилиндрической заготовки заэвтектического силумина поучены гильзы-трубы размером 80х15±0,4 мм и 80х8±0,4 мм

3. Разработаны технологические и конструктивные параметры трехвалкового стана ПВП для прокатки заготовок из заэвтектических силуминов диаметром 100...170 мм.

Достоверность результатов

Достоверность результатов исследования напряженно-деформированного состояния металла, а также силовых параметров при

поперечно-винтовой прокатке цилиндрических заготовок обеспечивается применением разработанного современного программно-аппаратного комплекса на основе тензометрических датчиков, высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ, а также удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Динамические модели напряженно - деформированного состояния заготовки при поперечно-винтовой прокатке, разработанные на основе программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D, и результаты их анализа.

2. Разработка методики и результаты измерения силовых параметров поперечно-винтовой прокатки.

3. Влияние поперечно-винтовой прокатки на структуру и пластичность труднодеформируемых сплавов.

Апробация работы

Содержание диссертационной работы было представлено в ряде докладов, в том числе:

1. Доклад на межвузовской научно-технической конференции Московской государственной академии приборостроения и информатики в

2004 г.

2. Доклад на межвузовской научно-технической конференции Московской государственной академии приборостроения и информатики в

2005 г.

3. Доклад на межвузовской научно-технической конференции Московского государственного университета приборостроения и информатики в 2006 г.

4. Доклад на межвузовской научно-технической конференции Московского государственного университета приборостроения и информатики в 2007 г.

5. Доклад на межвузовской научно-технической конференции Московского государственного университета приборостроения и информатики в 2008 г.

6. Доклад на научном семинаре кафедры ТИ-2 Московского государственного университета приборостроения и информатики в 2008 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работы, из них 1 статья в центральном научном рецензируемом журнале.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы 132 страницы машинописного текста, содержит 74 рисунка, 17 таблиц. Список литературы включает 91 наименование печатных работ отечественных и зарубежных авторов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, отмечена научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели работы и содержание поставленных задач, представлены основные положения научной работы, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор наиболее важных составляющих процесса поперечно-винтовой прокатки - оборудование, условия захвата в станах ПВП, скоростные условия в станах ПВП, а также напряженно-деформированное состояние металла при прокатке в стане ПВП.

Вопросы напряженно-деформированного состояния металла сплошной заготовки при ПВП всегда привлекали особое внимание работников науки и производства, т. к. существенно влияют на качество гильз и труб.

Исследованию наряжено-деформированного состояния металла при прокатке и прошивке посвящены работы Емельянеко П.Т., Смирнова B.C., Целикова А.И., Осадчего В.Я., Фомичева H.A., Тетерина П.К., Пляцковского O.A., Потапова Н.И., Полухина П.И., Швейкина В.В., Колмогорова B.J1., Галкина С.П., Никулина А.Н., Панова Е.И. и многих других.

Одной из первых научных теорий, пытающейся объяснить разрушение материала при поперечно винтовой прокатке, была теория касательных напряжений. Наиболее значительными в этом направлении являются труды Э. Зибеля. Э. Зибель при разработке своей теории опирался на результаты, полученные Герцем при рассмотрении напряжений в упруго сжатом цилиндре. Согласно этим результатам в направлении действия сил возрастают сжимающие напряжения, а в направлении нормальном к ним -растягивающие. Причем напряжения сжатия в три раза превышают напряжения растяжения. Под углом в 45° к направлению действующих нагрузок возникают скалывающие напряжения, под влиянием которых происходят сдвиги. Направление сдвига вследствие вращения заготовки непрерывно изменяется, и центральная зона заготовки все время подвергается пластической деформации сдвига.

В трудах Смирнова B.C. отмечается, что при поперечной прокатке из-за неравномерной деформации по сечению заготовки металл в центральной зоне находится в состоянии всестороннего растяжения. В процессе прокатки с увеличением обжатия возрастают все главные напряжения: радиальные тангенциальные и осевые. Поэтому при поперечной прокатке разрушение может носить двойственный характер - как путем среза, так и путем отрыва в зависимости от условий осуществления этого процесса и геометрических соотношений в очаге деформации. Вскрытие полости может происходить как без пластической деформации центральной части заготовки, так и после пластической деформации или в процессе ее, в зависимости от отношения длины очага деформации к диаметру заготовки.

По мнению авторов, придерживающихся теории касательных напряжений, разрушение происходит путем интенсивных знакопеременных деформаций. По мнению авторов теории нормальных напряжений,

разрушение происходит при достижении одним из главных напряжений предела хрупкой прочности металла. В первом случае имеет место вязкое разрушение или разрушение путем среза. Во втором случае происходит хрупкое разрушение или разрушение путем отрыва.

Дальнейшее исследование напряженно-деформированного состояния заготовки при прокатке в трехвалковом стане ПВП вследствие сложности, а также отсутствия единого мнения по поводу протекающих внутри заготовки деформационно-сдвиговых процессов, представляет собой научный и практический интерес и является актуальным.

Во второй главе разработаны динамические модели напряженно -деформированного состояния заготовки при поперечно-винтовой прокатке на основе программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D и результаты их анализа.

Отличительной особенностью данных моделей от ранее сделанных является отсутствие каких-либо ограничений степеней свободы деформируемой заготовки, что делает их еще ближе к естественному процессу. Втягивание и деформация заготовки происходит только благодаря силам трения, возникающим при ее контакте с вращающимися валками, что позволяет также учесть такой немаловажный фактор как скручивание и скорость деформации заготовки при прокатке.

В программе ANSYS/LS-DYNA моделировали прокатку заготовки-прутка с 0120мм на 080 мм, а в программе DEFORM 3D с 0120мм на 080 мм, 0110мм на 080 мм и 0100мм на 080 мм при прочих равных параметрах. Тем самым мы имели возможность сопоставить качественные и численные результаты, сложность постановки и скорость просчета задач двух программ, использующих метод конечных элементов, а также исследовать зависимость напряженно-деформированного состояния металла от вытяжки (от обжатия по диаметру).

Распределение напряжений в заготовке деформируемой с 0120мм на 080 мм полученное в программе ANSYS/LS-DYNA, при установившемся процессе, исследовалось в четырех, наиболее важных, сечениях перпендикулярных оси прокатки. Первое сечение бралось в самом начале обжимного участка, второе в середине, третье сечение находилось в пережиме, а четвертое на расстоянии 30 мм от него. Радиальные, осевые и тангенциальные напряжения для вышеперечисленных сечений приведены на рис. №1.

Распределение напряжений в деформируемой заготовке с 0120мм, 0110мм, и 0100мм на 080 мм, полученное в программе DEFORM 3D, при установившемся процессе, исследовалось в четырех, наиболее важных, сечениях перпендикулярных оси прокатки. Радиальные, осевые и тангенциальные напряжения для рассматриваемых сечений приведены на рис. №2.

-Тангенциальные •

•Радиальные •

•Тангенциальные ■

часть диаметра прутка

Сечение №1 - начало обжимного участка

Радиальные И— Тангенциальные А 1 Осевые

Схема к определению напряжений в точках по сечению прутка

часть диаметра прутка

Сечение №2 - середина обжимного участка

Радиальные ■ Тангенциальные —а— Осевые

часть диаметра прутка

Сечение №4 - 30 мм от пережима

часть диаметра прутка

Сечение №3 - пережим

Рис. 1. Распределение напряжений в деформируемой заготовке полученное в программе ANSYS/LS-DYNA.

Заготовка 0120мм—+пруток 080мм.

•Радиальные ■

-Тангенциальные -

-Осевые

•Радиа/ъные ■

-Тангенсиальные -

часть диаметра прутка

Сечение №1 - начало обжимного участка ^—Радиальные ■ ■ Тангенциальные * Осевые

Схема к определению напряжений в точках по сечению прутка

Сечение №3 -

часть диаметра прутка

пережим

часть диаметра прутка

Сечение №2 - середина обжимного участка Радиальные ■ —Тангенциальные * Осевые

часть диаметра прутка

Сечение №4 - 30 мм от пережима

Рис.2. Распределение напряжений в деформируемой заготовке полученное в программе DEFORM 3D.

Заготовка 0120мм —> пруток 080мм.

Приведенные выше графики подтверждают, что качественная картина распределения радиальных, осевых и тангенциальных напряжений, полученная на основе программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D совпадает, при этом ANSYS/LS-DYNA дает завышенные в среднем на 20-25 % численные значения.

Проанализировав полученные картины распределения напряжений для разной степени деформации, можно сделать вывод о том, что наиболее опасная зона, с точки зрения разрушения заготовки, находится на расстоянии 6/8 -7/8 диаметра прутка, где разница между растягивающими осевыми и сжимающими тангенциальными напряжениями достигает максимальных значений, при этом разница между значениями напряжений снижается при уменьшении обжатия прутка по диаметру.

В третьей главе диссертации описывается структура разработанного современного программно-аппаратного комплекса для измерения силовых параметров при ПВП, а также изложена методика проведения экспериментальной прокатки на основе рекомендаций, полученных с помощью математического моделирования процесса поперечно-винтовой прокатки.

Проведение экспериментов при исследовании и разработке новых процессов ОМД (в лабораторных и промышленных условиях) зачастую выдвигает серьезные требования к системам сбора и обработки информации, так как возникает необходимость одновременной регистрации величин, определяющих ход процесса и качество конечной продукции. Традиционные методики (например, запись изменения параметров на светолучевом осциллографе с последующей ручной или частично автоматизированной расшифровкой) не позволяют вести регистрацию и анализ сигналов (необходимый в автоматизированных системах управления для предсказания, например, граничных и аварийных ситуаций) в режиме реального времени (одновременно с ходом процесса); во многих случаях традиционные методики вообще неприемлемы (исчерпывающий анализ функционирования сложного объекта - непрерывного прокатного стана, агрегата непрерывного литья и др.).

Проблему исчерпывающего анализа при проведении эксперимента на современном уровне возможно решить только с применением цифровых компьютеризированных систем сбора и обработки информации. Подобные системы обычно включают ЭВМ в качестве блока цифровой обработки информации и интерфейсные блоки ввода информации в ЭВМ с установленных на объекте датчиков и вывода информации на дисплей, принтер и т.д.

В основе общей схемы проведения компьютеризированного эксперимента лежат аналоговые и аналого-цифровые измерительные системы. По сравнению с аналоговой системой (например, "мездоза-тензодатчик-тензоусилитель-светолучевой осциллограф") цифровая система, включает дополнительные преобразователи - аналогоцифровой

преобразователь напряжения (АЦП со встроенным усилителем, который преобразует величину напряжения после тензоусилителя в числовой код), блок цифровой обработки сигнала (процессор); при этом устраняется из измерительной схемы громоздкий ламповый тензоусилитель.

Измерение усилия прокатки и получение радиальных нагрузок проводили помощью мездозы, установленной под нажимной винт валка (рис.3).

Для определения оптимального места наклейки тензометрических датчиков на внутренней стенке мездозы типа «Бочонок», нами был использован прикладной пакет программ корпорации Solid Works США -«Solid Works» и «Cosmos Works», который позволил нам с помощью метода конечных элементов определить места в мездозе, где возникают максимальные напряжения. В программе «Solid Works» была построена твердотельная модель мездозы, а затем в интегрированном программном пакете «Cosmos Works» был осуществлен расчет данной модели под нагрузкой. На внутреннюю стенку мездозы клеились тензорезисторы фирмы НВМ AG, Германия, {всего 8 шт. на мездозу) номинальным сопротивлением 350 Ом и «компенсатор-преобразователь нормирующий фольговый», фирмы ММ, США с помощью которого выставлялся баланс моста. Схема включения тензорезисторов - полный мост

(мост находится в мездозе).

После наклейки тензорезисторов на мездозу на ОАО «ТЕЗО-М» была произведена тарировка на «Установке силовоспроизводящей гидравлической» ЭСМГ-50Т. Полученные выходные данные сводились в таблицу, на основании которой были сделаны выводы о точности производимых измерений на данном комплекте оборудования (мездоза-АЦП- компьютер).

Одним из важнейших этапов работы стала разработка программного обеспечения для установления связи с АЦП, обработке и расшифровке полученных данных.

Для проведения измерений усилий при поперечно-винтовой прокатки на ОАО «ВИЛС» было отлито пять заготовок из сплава 01390, а также один слиток из сплава АДО, который использовался для прогрева рабочих валков стана. Время нагрева заготовок в печи составило - 4 часа, по истечении которого, температура прокатываемых заготовок была 450° С. Остальные параметры процесса прокатки задавались следующими: начальный диаметр заготовки - 100 мм, диаметр прокатанного прутка - 80 мм, диаметр валков -

Рис.3 Нажимной винт валка

300 мм, угол подачи - 9° градусов, угол раскатки - 4° градуса, частота вращения валков - 30 об/мин. При этом вытяжка составила - 1,56. В результате нами было получено усилие, приходящееся на один валок, при прокатке прутков из заэвтектического силумина, которое в среднем по пяти пруткам составило 133 кН.

Для определения силовых параметров процесса поперечно-винтовой прокатки, а именно усилия на валок, необходимо знать площадь контактной поверхности и среднее нормальное напряжение на ней. Результаты проведенных расчетов с помощью МКЭ на базе программного пакета ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D и экспериментальной прокатки приведены в таблице №1.

Таблица № 1

Метод Диам. загот., мм Диам. прутка, мм Длина ко нт пов, мм Ср.шир. конт.пов, мм Площадь конт. пов-ти, мм2 Среднее конт. напр. МПа Услие прокатки, кН

ANSYS 120 80 69 11,23 775 243,0 188,3

Deform3D 120 80 73 14,38 1050 190,3 199,8

110 80 55 14,21 781,5 189,2 147,8

100 80 43 14,13 607,6 188,6 111,9

Эксперимент/ силумин 01390 100 80 - - — - 133

100 80 - - - - 134

100 80 - - 132

100 80 - - - 132

100 80 - - - 134

Полученные экспериментальные и расчетные данные по усилию на валке при поперечно-винтовой прокатке заготовки-прутка из заэвтектического силумина показали, что прикладной пакет программ DEFORM 3D дает заниженные результаты с ошибкой 16-18%.

В четвертой главе, приводятся результаты по исследованию влияния поперечно-винтовой прокатки на структуру и свойства заэвтектических силуминов с содержанием кремния 18...24%.

В последнее время пристальное внимание работников науки и производства привлекают сплавы системы AI - Si с содержанием кремния значительно выше эвтектической концентрации.

Заэвтектические силумины обладают всеми привлекательными свойствами алюминиевых сплавов, а также малой плотностью при удовлетворительной прочности и высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, заэвтектические силумины имеют ряд специфических свойств,

отличающих эти материалы от стандартных алюминиевых сплавов - высокий модуль упругости, низкий коэффициент линейного расширения, высокая износостойкость в трущихся парах и др. свойства.

Применение прессования и штамповки практически не изменяет размеры кристаллов кремния, оставляя их практически такими, какими они сформировались в процессе непрерывного литья.

Чтобы дополнительно улучшить структуру заготовок из заэвтектических силуминов и существенно измельчить кристаллы первичного кремния мы применили технологию поперечно винтовой прокатки (ПВП)

Поперечно-винтовая прокатка литых силуминовых заготовок проводилась на стане ПВП 20-60 ВИЛСа по оптимизированному нами режиму.

Универсальный стан ПВП 20-60, который был разработан Пановым Е.И., изготовлен на ЭЗТМ под руководством Тартаковского И.К., а затем установлен на ВИЛСе уникален, т.к. при проектировании его главного узла - рабочей клети была реализована идея - возможности совмещения схем прокатки (прошивки): двух- и трехвалковой. Привод валков в этом стане -индивидуальный. Каждый рабочий валок приводится во вращение от электродвигателя постоянного тока мощностью = 250 кВт.

В результате проведения прокатки были получены прутоки диаметром от 094 мм до 014 мм из слитка 0114 мм. При этом суммарная вытяжка составила от 1,48 до 59,6. Температура прокатки составляла 450°±10. Скорость вращения валков - 30 об./мин, максимальный диаметр валков - 300 мм, входной угол обжимной части валка был равным 12°. Угол подачи принимался равным 9°, а угол раскатки 4°.

На рис. 4 представлены результаты влияния ПВП на структуру заэвтектического силумина. Как следует из рис.4 применение ПВП позволяет существенно измельчить кристаллы кремния вплоть до диаметра прутка 70 мм, дальнейшее применение ПВП существенно не влияет на измельчение структуры первичного кремния. Так, в прутках средние размеры кристаллов кремния уменьшаются до 10-20 мкм. На рис. 5 представлена зависимость среднего размера кристалла кремния от вытяжки. Основываясь на этих данных можно сделать вывод о том, что активное измельчение кристаллов кремния происходит до значения вытяжки равное 2,56, далее средний размер кристалла кремния практически не изменяется - наступает эффект «насыщения».

7СГ

- 60 CD Q>

5 40'

(П

E.301 о

§20' <о

А 0£4

/ ' \ "28 / Л \

и \ /У*1 / \ \ / /Стл

i 1 / 1 ¡ / л

ч \/\SЩ14

25

Размер зерна, мкм

Рис.4 Зависимость среднего размера кристалла кремния от степени деформации

2.56

7.84 16 59.6

Суммарная вытяжка

Рис.5 Зависимость среднего размера кристалла кремния от вытяжки

Также было проведено более детальное исследование изменение размеров кристаллов кремния по радиусу для прутков диаметром 94 мм и 50 мм. Результаты представлены на рис. 6 и 7.

-ЦентрО с ,5 радиуса -

-Периферия

-Центр -

-Периферия

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 5060 Размер кристаллов 81, мкм

Рис.6. Изменение размеров кристаллов по радиусу прутка 094 мм после 1-ой прокатки

0-10 10-20 20-30 3040 40-60 50-60 Размер кристаллов Sí, мкм

Рис.7. Изменение размеров кристаллов Si по радиусу прутка 050 мм после 3-х прокаток

На рисунке 6 видно, что наибольшее количество кристаллов кремния размером 10-20 мкм сосредоточено в периферической части прокатанного прутка, что является следствием наиболее интенсивной деформации при ПВП именно во внешних слоях заготовки, что также подтверждается и проведенным нами моделированием процесса поперечно-винтовой прокатки с помощью метода конечных элементов. Дальнейшее пластическое деформирование прутка из заэвтектического силумина (рис.7) не приводит к значительному измельчению кристаллов кремния. При этом разница в структуре распределения кристаллов кремния по сечению минимизируется, позволяя получать прутки с однородными свойствами и повышенной пластичностью.

На основании проведенных исследований и полученных результатов разработаны и предложены основные конструктивные и технологические параметры стана ПВП (Таблица №2) для прокатки слитков заэвтектических силуминов с целью получения мелкозернистой структуры и повышения пластичности этих сплавов.

Таблица №2

Количество рабочих валков 3

Диаметр рабочих валков в пережиме, мм 600...800

Длина рабочих валков, мм 600...800

Число оборотов валков, об/мин 20...60

Максимальное усилие на валок, кН 1000

Крутящий момент на валке, кН*м 200

Угол подачи валка, град 0...12

Угол раскатки валка от оси прокатки, град 7

Угол раскатки дополнительный, град ±2

Привод валков индивидуальный

Диаметр непрерывно литой заготовки, мм 120 - 210

Длина заготовки, мм 1000...2100

Диаметр катанной заготовки, мм 100...170

Длина прутка, мм 2000...6000

Основные выводы

1. Впервые на основе метода конечных элементов с использованием программ ANSYS/LS-DYNA и DEFORM 3D разработаны и проанализированы динамические модели напряженно-деформированного состояния металла при поперечно-винтовой прокатке, учитывающие скручивание заготовки и скорость деформации.

2. В первые произведен сопоставительный анализ универсального прикладного пакета программ ANSYS/LS-DYNA и специализированного DEFORM 3D, которые используют для решения поставленных задач метод конечных элементов. Программный пакет ANSYS/LS-DYNA, являясь признанным мировым лидером в области моделирования физических процессов с использованием МКЭ, в силу своего чрезвычайно широкого круга применения, а также решаемых задач, сложен в использовании, а также предъявляет к пользователю повышенные требования к знаниям в области метода конечных элементов. Вследствие этого затруднен процесс построения адекватной математической модели. При этом качественная картина распределения напряжений по ANSYS/LS-DYNA и специализированному пакету DEFORM 3D идентична, однако абсолютные значения напряжений по ANSYS/LS-DYNA больше на 20-25%. Программа DEFORM 3D более простая в использовании и может быть рекомендована для исследования процессов ОМД в заводских условиях и ВУЗах.

3. Применение специализированного пакета прикладных программ DEFORM 3D позволило установить зависимость радиальных, осевых и тангенциальных напряжений от степени деформации при ПВП, что позволяет научно обосновать режимы деформации для получения мелкозернистой структуры металла без осевого или кольцевого разрушения заготовки.

4. Разработана современная методика и программно-аппаратный комплекс на основе тензометрических датчиков, высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ, обрабатывающей входные данные, которые обеспечивают получение стабильных и достоверных результатов при исследовании силовых параметров во время поперечно-винтовой прокатки цилиндрических заготовок.

5. Расчет силовых параметров поперечно-винтовой прокатки, полученный моделированием процесса в специализированном пакете программ DEFORM 3D, дает заниженные результаты по сравнению с экспериментальными данными на 19%

6. Прокатка малопластичных заэвтектических силуминов с содержанием кремния 18...24% в трехвалковом стане ПВП за 2-3 прохода без нарушения сплошности позволяет получить достаточно однородную мелкозернистую структуру (10-15мкм) и повысить пластические свойства в 3-3,5 раза

7. На основании проведенных исследований разработаны технологические параметры прокатки заготовок из заэвтектических силуминовых сплавов (температура прокатки, частота вращения и угол подачи валков, степень деформации), а также технологические и конструктивные параметры промышленного трехвалкового стана ПВП для прокатки заготовок диаметром 100. ..170 мм.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1. Осадчий В.Я.,. Панов Е.И., Ковалев Д.А. Освоение универсального стана поперечно-винтовой прокатки для прокатки прутков и труб. Сборник научных трудов МГАПИ «Технологические процессы в машино- и приборостроении» под ред Касаткина Н.И., М.: МГАПИ, 2004 г.С. 83-86

2. Осадчий В.Я.,. Панов Е.И., Ковалев Д.А. Разработка технологии и методики определения силовых параметров при производстве труб на стане ПВП 20-60. Сборник научных трудов МГАПИ «Информатика и технология» под ред Касаткина Н.И., Ямпольскош В.М.. М.: МГАПИ, 2005 г. С. 49-54

3. Осадчий В.Я.,. Ковалев Д.А. Исследование и совершенствование производства труб из трудаодеформируемых сплавов. Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ№7 часть 1под ред. Стерлядкина B.B,. М.: МГАПИ, 2005 г. С. 91-96

4. Ковалев Д.А., Панов Е.И., Осадчий В.Я. Исследование усилий при прокатке прутков из заэвтектического силумина на трехвалковом стане ПВП 20-60 . Сборник научных трудов МГУПИ часть 1 Посвящается 70-летию МГУПИ по материалам научно-технической конференции факультета ТИ «Информатика и технология» под ред. Касаткина Н И., проф. Куманина В.И.. М.: МГУПИ, 2006. С. 106-111

5. Осадчий В.Я, Ковалев Д.А. Динамическое моделирование поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки методом конечных элементов. Межвузовский сборник. Материалы научно-практической конференции факультета ТИ «Информатика и технология» под ред. Белова В.Г., КасаткинаН.И.. М.: МГУПИ, 2007. С. 69-74.

6. Осадчий В.Я. Ковалев Д.А. Динамическое моделирование поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки в трехвалковом стане методом конечных элементов. Заготовительные производства в машиностроении №5. М.: Машиностроение, 2008 г., С. 31-34.

ЛР №020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано к печати 18.06.2008 г. ФорматбО х 84. 1/16. Объем 1,0 п л. Тираж 100 эка Заказ № 106.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул Стромынка, 20