автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии производства поковок колец подшипников из непрерывнолитой заготовки стали ШХ-15 на основе физического и математического моделирования

На правах рукописи

БУБЛИК Александр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ ИЗ НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ СТАЛИ ШХ-15 НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.05 - "Обработка металлов давлением"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004 г.

Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета),

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Троицкий Вячеслав Петрович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зимин Юрий Анатольевич

кандидат технических наук Бурлаков Игорь Андреевич

Ведущее предприятие ОАО «ПТЗ-2»

Защита диссертации состоится "/-? "лля.рГС, 2004 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.132.09 при Московском государственном институте стали и сплавов

по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

Справки по телефону: 9)

Ученый секретарь диссертационного совета,

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Одной из главных задач, стоящих перед подшипниковой промышленностью России, является повышение качества и объемов выпускаемой продукции при существенном сокращении издержек производства. ОАО «Европейская подшипниковая корпорация» считает, что перспективным направлением уменьшения себестоимости продукции и повышения её конкурентоспособности является организация на собственной производственной базе технологии переработки отходов на основе использования машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в комплексе с оборудованием для обработки давлением и термической обработки.

Сталь ШХ-15 (ГОСТ 801-78) - основной материал для производства подшипников качения. Технология производства заготовок для подшипников из слитков этой стали была изучена достаточно хорошо ещё к середине двадцатого века. Позднее было показано, что разливка на МНЛЗ по сравнению с использованием слитков значительно сокращает отходы металла на головную обрезь (на 8-15 %), увеличивает выход годного из-за отсутствия зачистки слитков, повышает производительность и улучшает условия труда. Кроме того, отпадает необходимость применения блюмингов для прокатки слитков и получения заготовок под сортовую прокатку.

К главным недостаткам непрерывнолитой заготовки (НЛЗ) относится наличие ярко выраженной зоны осевой ликвации и несплошности (пористости) вдоль всей ее длины с участками, имеющими различную степень химической неоднородности по углероду и хрому с содержанием элементов на уровне от маркировочной пробы до более'' высоких концентраций. В этой зоне также высока вероятность образования скоплений неметаллических включений (оксидов, силикатов, сульфидов и алюминатов), выступающих в роли концентраторов напряжений и снижающих эксплуатационные характеристики подшипников. В процессе горячей пластической деформации химическая неоднородность металла в осевой зоне заметно уменьшается. Однако для полного устранения зоны осевой несплошности, кроме различных методов подготовки расплава (ва-куумирования, электромагнитного перемешивания и т.п.) и последующей термообработки (как правило - гомогенизации), величина вытяжки при обычной продольной горячей прокатке должна составлять не менее 12... 15, а это ограничивает сортамент получаемых подшипниковых заготовок по диаметру в

ВНИИ подшипниковой промышленности признало нецелесообразным использовать НЛЗ для производства крупногабаритных подшипников.

Использование операций горячей ковки с управляемыми макропотоками сдвиговых деформаций позволяет не только существенно снизить уков до 5...7 и повысить вытяжку, но и обеспечить проработку металла в осевой зоне НЛЗ и получить однородную структуру по сечению и длине кованых полуфабрикатов. Аналогичный эффект может обеспечить винтовая прокатка круглых заготовок сплошного и полого сечения, структура которых также имеет высокую степень проработки.

В связи с изложенным научно-техническая проработка вопросов использования непрерывнолитой заготовки и исследования по разработке технологических схем эффективного деформирования НЛЗ из стали ШХ-15 методами ковки и винтовой прокатки для производства подшипниковых колец, в том числе крупногабаритных, является актуальной научно-технической задачей, решению которой посвящена настоящая работа.

Автором выносятся на защиту результаты исследований качества металла не-прерывнолитой заготовки по данным металлографического анализа и механических испытаний; обобщение данных промышленных экспериментов по ковке и винтовой прокатке НЛЗ, комплексная методика и результаты физического и математического моделирования операций для традиционной и новых технологических схем ковки из НЛЗ круглых и кольцевых поковок; термомеханические режимы деформирования заготовок из стали ШХ-15; результаты опытного промышленного опробования операций ковки и винтовой прокатки непрерывно литых заготовок, предварительные оценки качества деформированных заготовок для подшипников, результаты технологических и проектных решений, данные технико-экономического анализа эффективности использования НЛЗ.

Разделы 3, 4 и 5 диссертации выполнены при научной и методической консультации к.т.н., с.н.с. М.А. Цепина. Промышленные эксперименты и исследования проводились на ОАО «Волжский подшипниковый завод» (ОАО «ВПЗ»), ОАО «Московский подшипник» (ОАО «МП»), ОАО «Электросталь».

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ОАО «ВПЗ», ОАО «МП», НТЦ ЦНИИТМАШ и руководству ОАО «Европейской подшипниковой корпорации» за большую помощь, оказанную при выполнении настоящей работы.

Целью работы является исследование и разработка научно обоснованной технологии получения качественных поковок подшипниковых колец из экономичной не-прерывнолитой заготовки стали ШХ-15 методами свободной ковки и винтовой прокатки.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. На основе анализа научно-технической и патентной литературы выбрать базовые варианты технологии горячего деформирования непрерывно-литых заготовок для получения качественных поковок подшипников, в том числе крупногабаритных.

2. Провести исследования качества металла НЛЗ и промышленные эксперименты по использованию традиционных процессов винтовой прокатки и свободной ковки с разными схемами обжатий для оценки возможностей предварительного деформирования НЛЗ стали ШХ-15 и интенсивной проработки её зоны осевой несплошности.

3. Разработать комплексную методику проектирования переходов свободной ковки и провести физическое, геометрическое и математическое моделирование формоизменения для основных операций свободной ковки колец и прутков при разных схемах деформирования с проверкой полученных результатов в промышленных условиях.

4. Разработать технологические схемы и технические рекомендации по проектированию технологий производства заготовок подшипниковых колец из НЛЗ с использованием операций свободной ковки и винтовой прокатки и опробовать их в промышленных условиях с предварительной оценкой эффективности использования НЛЗ.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана комплексная методика моделирования процессов свободной ковки кольцевых и сплошных осесимметричных поковок с предварительным формированием локальных полостей на торцах или боковой поверхности поковок, включающая использование метода слоистых моделей, параметрическое трехмерное моделирование переходов ковки на ЭВМ, математическое моделирование формоизменения НЛЗ по всем переходам для специально рассчитанных количественных реологических характеристик стали ШХ-15, натурных размеров и фактических условий деформации заготовок на молоте с помощью компьютерной вычислительной системы Q-fЪrm и проверку полученных результатов в промышленном эксперименте.

2. Проведен сравнительный анализ количественных характеристиках напряженно-деформированного состояния (НДС) и получены новые данные о значениях накопленной деформации, интенсивности скоростей деформаций, гидростатического давления и сопротивлении деформации по объему поковки на протяжении всего процесса формоизменения от заготовки до конечного продукта при различных схемах ковки и геометрии инструмента с учетом влияния температурных полей для неизотермических условий формоизменения с помощью математического моделирования многопереходной свободной ковки поковок колец на молоте.

3. С помощью лабораторных, опытно-промышленных исследований, физического и математического моделирования обосновано применение локальных полостей на торцевых и боковой поверхностях заготовки для изменения характера течения металла, приводящего к уменьшению или устранению дефектов осевой несплошности НЛЗ и получения качественных поковок и полуфабрикатов для колец подшипников из стали ШХ-15 и других поковок ответственного назначения.

Практическая полезность работы.

1. Предложена и прошла экспериментальную и опытно-промышленную проверку комплексная технологическая схема производства заготовок подшипниковых колец из НЛЗ стали ШХ-15, включающая: получение НЛЗ с электромагнитным перемешиванием (ЭМП) и без него, ковку заготовок с предварительной наметкой полостей по торцам или по образующей для удаления или проработки зоны осевой несплошности НЛЗ, снижения величины общего укова и повышения выхода годного при последующей деформации на станах винтовой прокатки.

2. Разработан новый способ ковки заготовок колец подшипника из НЛЗ стали марки ШХ-15, признанный изобретением (Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003115354/06(016369) от 26 августа 2003 г.).

3. Разработанная новая технология обработки непрерывнолитой стали включена в проектные решения по модернизации производства на предприятиях ОАО «ЕПК».

4. Разработанные методические рекомендации по применению физического и математического моделирования операций свободной ковки использованы в учебном процессе при выполнении курсовых научно-исследовательских работ, дипломных работ и проектов на кафедре ОМД и НИЛ ДСПМ МГИСиС (ТУ).

Методы исследования. В качестве основного метода для исследования операций формообразования был выбран экспериментальный метод физического моделирования на модельных материалах и методы математического моделирования на основе теории течения Леви-Мизеса для метода конечных элементов (МКЭ) в постановке Г.Я. Гуна, Н.В. Бибы, С.А. Стебунова, А.И. Лишнего в виде компьютерной вычислительной системы Q-form. Использовали также методы построения трехмерных твердотельных геометрических моделей с помощью САПР Solid Works, методы металлографического анализа макроструктуры, методы экономического анализа эффективности новой технологии. .

Достоверность результатов. Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретически и базируются на достоверных данных. Они получены с привлечением современных технических средств, теоретических и экспериментальных методов исследований, математической обработки данных лабораторных и промышленных экспериментов, математического и физического моделирования с использованием вычислительной техники, современных компьютерных вычислительных систем автоматизированного проектирования и подтверждены соответствием результатов теоретического исследования результатам практического использования.

Реализация результатов работы.. Разработанные технологические схемы ковки кольцевых поковок по схеме с предварительным формообразованием локальных торцевых полостей опробованы на Волжском подшипниковом заводе для изготовления заготовок крупногабаритных подшипников и заложены в проектно-технологические решения строительства нового цеха по обработке НЛЗ из отходов стали ШХ-15 концерна «Европейская подшипниковая корпорация». Результаты теоретических исследований используются в учебном процессе на кафедре ОМД и в НИЛ ДСПМ МГИСиС(ТУ).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на отраслевом совещании «Перспективы развития подшипниковой отрасли», Москва 2000 г., на научно-технической конференции «Павловские чтения» - Москва, 2000; на V иУ международных конгрессах "Кузнец-2002" и «Кузнец 2003»: «Состояние, проблемы и перспективы развития кузнечно-штамповочного производства, кузнечно-прессового машиностроения и обработки материалов давлением» - Москва, 2002,

2003 г.г., на Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технология - экология» Киров, 2003 г.

Публикации. По теме работы опубликовано 7 статей в журналах в сборниках материалов международных конгрессов и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 160 страниц, в том числе 102 страницы машинописного текста, состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, включает библиографический список из 103 литературных источников, 81 рисунок, 16 таблиц и 2 приложения.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определено направление исследований и сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе выполнен анализ способов изготовления и технологических процессов деформирования НЛЗ, экспериментальных и теоретических методов исследования процессов ковки.

На основе анализа литературных данных по технологии деформирования и свойствам НЛЗ до и после горячей деформации было показано, что существуют два основных пути улучшения качества получаемых поковок из НЛЗ.

Первый путь - металлургический, обеспечивающий более равномерное распределение химического состава и свойств по объёму НЛЗ. Он включает несколько приемов:

• порционное вакуумирование расплава перед разливкой;

• электромагнитное перемешивание жидкой фазы металла во время кристаллизации на машинах непрерывной разливки стали;

• более точное дозирование при составлении шихты.

Второй путь - деформационный, повышающий качество заготовок, получаемых непосредственно из НЛЗ за счет использования операций свободной ковки и винтовой прокатки, которые обеспечивают в результате локально периодических воздействий на заготовку качественную проработку литой структуры металла при меньших вытяжках, чем при обычной продольной прокатке.

При этом выявлено два принципиально разных подхода к деформации НЛЗ:

• измельчение и распределение микро- и макропор зоны осевой несплошности до размеров неметаллических включений, допускаемых ГОСТом, и рассредоточение их по всему объему заготовки;

• локализация зоны осевой несплошности по оси заготовки при свободной ковке на молоте и её последующее удаление при прошивке перед раскаткой.

На основе обзора научно-технической и патентной литературы сформулирована цель работы и определены задачи исследований, решаемые в диссертации.

Во второй главе рассмотрена методика проведения исследований. В качестве объекта исследования по конструктивному признаку в работе взяли поковки подшипниковых колец. Конкретную номенклатуру деталей выбрали применительно к ГОСТ 520-89 и номенклатуре ОАО «МП» и ОАО «ВПЗ». Основным объектом исследования по технологическому признаку выбрали такие процессы металлообработки, как свободная ковка на молоте (операции осадки, протяжки, прошивки, разгонки, наметки) и винтовая прокатка.

В качестве основных для исследования операций формообразования использовали методы физического моделирования на натурных и модельных материалах и методы математического моделирования на основе теории вязкопластических деформаций и теории течения Леви-Мизеса для метода конечных элементов, реализованных в профессиональной компьютерной вычислительной системе Q-form, разработанной российской фирмой «Квантор». Кроме того, в работе использовали методы построения трехмерных геометрических моделей с помощью САПР «SolidWorks», методы механических испытаний и металлографических исследований, методы экономического анализа эффективности применения НЛЗ.

При промышленном эксперименте и физическом моделировании использовали заготовки НЛЗ из стали ШХ-15 (ГОСТ 801-78) диаметром 210 мм с низким содержанием примесей и других дефектов литой структуры.

В качестве модельного материала для лабораторного физического моделирования использовали пластилин (ОСТ 6-15-1525-86) следующего состава в %: каолин - 60, парафин — 40, вазелин - 6, остальное - наполнители. При комнатной температуре реологические свойства пластилина позволяют использовать его как вязкопла-стический материал для моделирования процессов свободной ковки.

Пластилин применяли для получения слоистых моделей двух типов: с центральной цветной вставкой и «слоистый пирог». Заготовки из пластилина с цен-

тральной вставкой для проведения физического моделирования существующего и нового технологических процессов получали по следующей технологии. Из пластина изготавливали заготовки цилиндрической формы. После этого заготовки охлаждали для увеличения коэффициента вязкости материала и повышения устойчивости формы образцов, и вставляли в него цилиндрические вставки из пластилина другого цвета. Заготовки требуемых размеров под ковку отрезали от цилиндров специальным ножом.

Слоистые образцы типа «пирог» получали прокаткой полос толщиной 1,5-2,0 мм из пластилина разного цвета на стане ДУ0150. Для предотвращения налипания на валки использовали тальк, который затем удаляли протиркой поверхности ветошью с пальмовым маслом. Затем из полос вырубали круглые элементы кольцевым полым ножом и соединяли стопкой с последующей калибровкой размера по диаметру осадкой плоскими бойками и поперечной прокаткой между двумя параллельными стеклянными плитами.

Реологические свойства металла НЛЗ из стали ШХ-15 для базы данных Q-Въгт в широком температурно-скоростном и деформационном интервалах определяли аппроксимацией результатов экспериментов, полученных ранее на пластомет-ре А.М.Галкиным.

Лабораторные исследования процесса ковки протяжкой проводили на установке, созданной на базе гидравлического пресса ДБ2426А. Для экспериментов использовали четырехколонный блок для крепления сменных бойков с разной геометрией рабочей поверхности (плоские, комбинированные, с непрямолинейным фронтом подачи).

Металлографические исследования проводили в ЦЗЛ ОАО «Электросталь» и ОАО «МП» по стандартам и методикам ВНИИПП.

В третьей главе рассмотрено промышленное опробование традиционной технологии ковки и винтовой прокатки для деформации НЛЗ повышенного качества. Поскольку качество отечественной непрерывнолитой заготовки недостаточно высокое, проблема получения подходящей НЛЗ была решена за счет приобретения стали высокого качества в Германии. Выплавку стали проводили из чистых материалов в основной электродуговой печи вместимостью 20 тонн. Применение качественного стального лома позволило получить низкое содержание серы и фосфора. Во время подогрева металл непрерывно продували аргоном, а шлак раскисляли си-

ликокальцием и алюминием. После нагрева (до 1650 °С) металл вакуумировали с одновременной продувкой аргоном. Разливку металла проводили на МНЛЗ в круглые заготовки диаметром 210 мм, при этом половина металла (около 10 тонн) разливали без электромагнитного перемешивания (ЭМП) в кристаллизаторе, а другую часть - с использованием ЭМП. Всего получили девять заготовок без ЭМП и семь с ЭМП. Заготовки прошли мягкий отжиг и шлифовку. На специально вырезанных темплетах провели всесторонние исследования химического состава, макро- и микроструктуры НЛЗ с ЭМП и без ЭМП.

Промышленные эксперименты по ковке проводили на ОАО «ВПЗ». На молоте с МПЧ 2 тн исходную НЛЗ с 0 210 отковали на плоских бойках вдоль и поперек оси по схеме «круг - квадрат - пластина - квадрат - круг» в ступенчатые валы с диаметрами ступеней 100, 70 и 45 мм с суммарными коэффициентами укова К£ ~4,4; 9 и ~21,8. Величину подачи принимали равной ширине бойка. Кантовку заготовки проводили на углы по схеме 180°, 90°, 180°, 45° и меньше. После ковки поковки разрезали на темплеты и провели исследования механических свойств и металлографический анализ макро- и микроструктуры.

Анализ качества кованого металла показал, что его микроструктура представляет собой сорбитообразный зернистый перлит. Однако при ковке по традиционной технологии заготовки были частично забракованы или признаны ограниченно годными ввиду нестабильности полученных результатов по дефектам макроструктуры (осевой пористости, ликвации, глобулям и оксидам).

По другому варианту горячей деформации для получения сравнительных характеристик часть заготовок на ОАО «Электросталь» прокатали на стане 600 продольной прокатки на круг 100 мм, а потом на стане винтовой прокатки 350/250 прокатали на круг диаметром 55,40 и 20 мм с суммарными коэффициентами вытяжки Кг = 14,6; 22,6 и 110,3 соответственно. Анализ макроструктуры прокатанного металла показал, что по баллам осевой пористости, ликвации, глобулям и оксидам он удовлетворяет требованиям ГОСТ 801-78.

, Результаты промышленных экспериментов показали, что необходимы даль-, нейшие исследования по совершенствованию технологии свободной ковки как в части использования её для предварительной деформации под винтовую прокатку, для последующего изготовления, подшипниковых колец, диаметром менее 55 мм и тел качения диаметром менее 20 мм, так и в части получения из, НЛЗ, заготовок,

крупногабаритных подшипниковых колец диаметром более 100 мм. Поэтому приняли решение провести дополнительные исследования по физическому и математическому моделированию ковки колец подшипников для сравнения новой и традиционной технологии.

Четвертая глава посвящена физическому моделированию операций ковки методом слоистых моделей.

Основная задача физического моделирования на слоистых моделях - качественный анализ характера течения осевой и периферийных зон заготовок при осадке, прошивке и протяжке бойками разной геометрии. В основном решали задачу удаления или увеличения деформации осевой части поковки, соответствующей зоне осевой несплошности НЛЗ.

Кольцевые поковки из пластилина диаметром 35 мм и высотой 28 мм для физического моделирования операций свободной ковки получали из цилиндрических слоистых заготовок. После деформации образцов по разным схемам ковки протяжкой и осадкой их разрезали вдоль оси и производили измерения характерных наружных и внутренних элементов полученных моделей поковок по основным переходам.

Для контроля формы и размеров поковок на разных стадиях процесса деформации с помощью системы «^оШ^Огкз» строили их параметрические трехмерные твердотельные модели и, вводя реальные размеры по диаметру для различных поковок крупногабаритных подшипников, подобрали по объему заготовку диаметром-210 мм.

Физическим моделированием на слоистых образцах проводили сравнение двух технологий свободной ковки кольцевых поковок - традиционной, существующей на подшипниковых заводах с тридцатых годов прошлого века и предлагаемой. Её сущность заключается в том, чтобы при осадке и последующей прошивке и раскатке для получения кольцевой заготовки обеспечить локализацию зоны осевой несплошности НЛЗ в центре поковки, не давая ей распространяться по объему заготовки, как это происходит при осадке обычными плоскими бойками. С этой целью на торцевых поверхностях заготовки для уменьшения поверхности действия сил граничного трения • производили предварительное формообразование локальных конических полостей; которые перераспределяют макропотоки таким образом, что максимальные значения деформаций должны сосредотачиваться в осевой части по-

ковки, локализуя зону осевой несплошности в центре поперечного сечения поковки и обеспечивая её последующее удаление при прошивке. Принципиальная схема предлагаемого технологического процесса ковки показана на рис. 1.

Другая технологическая схема ковки протяжкой была направлена на проработку зоны осевой несплошности за счет локальных полостей по боковой поверхности НЛЗ, образуемых разгонкой полукруглого сечения (рис. 2). По предлагаемой схеме протяжки соблюдается следующая последовательность операций по стадиям:

- первая стадия - двусторонние обжатия разгонкой с кантовкой на 180°. При этом дефектная осевая зона деформируется обжатием по периферии, так как ручная обжимка, используемая для наметки полукруглых пазов по длине заготовки, уплотняет только поверхностные зоны металла;

- вторая стадия - после кантовки на 90° формируют аналогичные полукруглые пазы, которые выполняют функцию вторичного подпора первоначальных полостей, образованных на первой стадии;

-третья стадия — протяжка заготовки обжимом бойками по выступающим фигурным участкам заготовки и обкатка с малыми кантовками до заданного диаметра поковки.

Анализ экспериментальных данных, полученных при физическом моделировании, показал» что предположения относительно характера формоизменения слоистых образцов, осаживаемых с локальными зонами на торцах, полностью подтвердились.

В частности, при использовании предлагаемой технологии ковки после прошивки и удаления выдры на внутренней поверхности полой поковки следов от пластилиновой вставки другого контрастного цвета не оставалось в отличие от образцов, деформированных по традиционной технологии. Аналогично при протяжке с предварительной продольной разгонкой величина диаметра цветной вставки в слоистых образцах уменьшилась по сравнению традиционной технологией ковки (по схеме: «пластина - квадрат - круг») на 25-30 %.

Рис. 1 Схема технологического процесса ковки кольцевых заготовок с образованием локальных полых торцевых зон за счет наметки.

В пятой главе описано математическое моделирование технологии получения поковоклля подшипников. При исследовании процесса свободной ковки обычно используются экспериментальные и теоретические методы координатных сеток, муаровых полос, построения полей линий скольжения, метод синей окалины и др.. В данной работе для математического моделирования процесса свободной ковки впервые использовали САПР «Q-form», созданную российской фирмой Quantor Ltd и распространяемую на коммерческой основе зарубежным и отечественным предприятиям машиностроительной промышленности для проектирования процессов горячей объемной штамповки. Эта система имеет государственную аттестацию и лицензию и разработана Н.В. Бибой и С.А. Стебуновым на основании работ, выполненных ранее под руководством Г.Я. Гуна.

Математическая постановка задачи сводится к известным уравнениям теории. течения и теплопроводности совместно с начальными и граничными условиями в напряжениях, перемещениях или смешанного типа для различных областей поверхности твёрдого тела. При этом получается классическая постановка и решение вязкопластической задачи формоизменения для изотропного тела в перемещениях. Дополнительные возможности ВС включают решение упругопластических деформаций и расчет температурных полей для инструмента.

Неизвестными, которые определяются на каждом этапе решения, являются температурные поля, компоненты тензора скоростей и девиатора напряжений и их интенсивности, среднее напряжение, сопротивление деформации и величина накопленной деформации в заготовке и инструменте.

Полная система уравнений вязкопластического неизотермического течения металла в эйлеровой системе координат применительно к задачам деформирования изотропной среды включает в себя:

уравнение равновесия сплошной среды с учетом объемных внешних сил

где <Гц - компоненты тензора напряжений [МПа] (j - индекс суммирования), />- плотность материала [кг/м3], Uj -скорости перемещений [м/с] по i-той координате , - время [с],

зависимости Навье-Стокса для скоростей деформации ¿¡^ [1/с]

• А У е

(4)

отношением интенсивности напряжений ■ 1Д

где - частная производная скорости перемещения по координате

условие несжимаемости для скоростей деформации

где 5 (, - символ Кронекера,

определяющие соотношения Леви-Мизеса

2 £

связывающие компоненты тензора девиатора напряжений и ком-

поненты тензора скоростей деформации через функцию вязкости, определяемую

ш,

к интенсивности скоростей

деформации

уравнение теплового баланса деформируемой сплошной среды

(5)

где с - удельная теплоемкость среды при постоянном объеме [Дж м3/(кг К)]; Т ■ средняя абсолютная температура сплошной среды в градусах Кельвина эффициенты, определяющие условия теплообмена на границе - тепловое

поле на границе - коэффициент, определяющий тепловыделение в результате деформации сплошной среды; £ = ^4 <1т - накопленная деформация.

При записи всех уравнений используется соглашение о суммировании по повторяющимся индексам. Запись индекса после запятой означает дифференцирование по соответствующей координате.

Замыкает систему реологическое уравнение состояния, описывающее зависимость напряжений течения от скорости, степени и температуры деформации

В систему уравнений для учета напряжений от трения на контактной поверхности применяется уравнение Леванова»

(7)

где — напряжения от сил трения, - коэффициент трения, - напряжение по нормали к контактной поверхности (нормальное давление) [МПа].

При высоких контактных давлениях уравнение (7) сводится к закону Зибеля, а при низких давлениях силы трения линейно зависят от давления в соответствии с известным законом Кулона.

В исходную систему уравнений входят также механические и тепловые граничные и начальные условия.

Уравнения (1) - (7) связывают расчетные значения термомеханических параметров в материальной точке деформируемого тела (температуру, степень и скорость деформации) с экспериментальным значением сопротивления деформации. Функция (6) определяется экспериментально и фактически представляет собой аппроксимацию экспериментальных данных.

Из литературы известно большое количество эмпирических формул для аппроксимации сопротивления пластической деформации. Однако, все они обладают определенными погрешностями и недостаточно точно передают количественный и качественный характер зависимости. Кроме этого, для большинства материалов данные о сопротивлении пластической деформации представлены в графической форме. ВС «р-Вэгш» не использует эмпирические формулы, а аппроксимацию а осуществляет непосредственно на основе экспериментальных данных, представленных в виде таблиц или графиков, 3-мерными кубическими сплайнами на неравномерной сетке. Поэтому для моделирования на компьютере необходимо иметь экспериментальные данные по сопротивлению деформации материала заготовки во всем температурно-скоростном интервале рассчитываемого процесса.

При разработке вычислительной системы р-£>гш в её встроенной базе данных авторами были заложены реологические характеристики только для стали ШХ-15СГ и только для горячекатаной заготовки. В связи с тем, что свойства стали ШХ-15 и тем более НЛЗ существенно отличаются от свойств горячекатаного металла подшипниковой стали с добавками кремния и марганца, провели расчеты реологических характеристик для ШХ-15 НЛЗ и на их основании построили таблицы зави-, симостей сопротивления деформации от скорости, степени и температуры деформирования, которые включили в базу данных ВС.

ВС р-£>гш состоит из препроцессора, ядра и постпроцессора, каждый из которых выполняет вполне определенную функцию, а их взаимодействие организуется через обращение к жесткому диску, на который записываются все основные файлы данных. Препроцессор предназначен для автоматизации подготовки исходных

данных, что представляет собой один из важнейших этапов реализации МКЭ. Ядро ВС реализуется в закрытом автоматическом режиме. После завершения работы ядра все основные результаты расчетов записываются на диск. Постпроцессор ВС основной своей функцией имеет эффективное и удобное представление конечных результатов расчетов на экране монитора, а также с помощью печатающего устройства. Таким образом, ВС обеспечивает замкнутый цикл от автоматизированного проектирования заготовки и инструмента до представления данных расчета их формоизменения.

Расчеты формоизменения при свободной ковке поковок для колец подшипников на молоте с использованием Q-foгm были выполнены впервые и проводились от начала осадки до окончания прошивки за 6 операций без перестройки сетки МКЭ после каждой операции. При этом основной целью моделирования переходов ковки кольцевых заготовок было сравнение существующей и предлагаемой технологических схем ковки при совершенно идентичных условиях моделирования по начальным и граничным условиям, точности вычислений и числу итераций.

Главная практическая задача, кроме научного анализа особенностей формоизменения и характеристик НДС, заключалась в оценке производительности процесса по числу ударов молота и определении количества выносов по нагреву поковки.

Кроме этого, также провели сравнение разных схем протяжки бойками с разной геометрией при одинаковых начальных и граничных условиях с целью выбора наиболее эффективного инструмента для проработки дефектной зоны осевой несплошности. Для этого анализировали характеристики НДС после единичного обжатия на одинаковую величину деформации по высоте. При моделировании протяжки боковой поверхности поковки с помощью разгонки также оценивали устойчивость формы поковки с четырехлепестковым поперечным сечением.

В связи с тем, что при каждом расчете получался очень большой объем информации о параметрах формоизменения и характеристиках НДС, для вывода на печать наиболее представительных результатов выбрали данные по изменению температурных полей в сочетании с координатными сетками Лагранжа. Это позволило сравнивать данные с результатами метода координатных делительных сеток, полученными ранее другими исследователями.

' В качестве интегральной характеристики формоизменения приняли величину накопленной деформации от начала до текущего момента формоизменения, по значению которой можно количественно охарактеризовать степень проработки литой структуры НЛЗ. В качестве характеристик напряженного состояния выбрали поля средних напряжений определяющих величину гидростатического давления по сечению поковки на соответствующей стадии формоизменения; Причем положительные значения соответствовали участкам с опасными для целостности поковки растягивающими напряжениями, а отрицательные - характеризовали область благоприятных для закрытия дефектов сжимающих напряжений.

Результаты вычислительных экспериментов показали, что предлагаемая схема ковки кольцевых поковок обеспечивает локализацию деформации в осевой части поковки без создания зон положительных гидростатических давлений. При этом величина накопленной деформации на 30-50 % выше, чем при ковке по традиционной технологии. Температурный режим ковки при охлаждении поковки обеспечивает технологический цикл до операции раскатки за один нагрев, а количество ударов молота даже уменьшается на один по сравнению с традиционной технологией. Искажения сетки Лагранжа также свидетельствовали о локализации деформации в зоне осевой несплошности и ликвации в центральной части поперечного сечения поковки и её полное удаление в выдру при прошивке.

Сравнение четырех разных схем протяжки двумя плоскими и комбинированными бойками (верхний - плоский, нижний — вырезной 120°; верхний и нижний -вырезные 120°: верхний — с угловым выступом 120°, нижний - плоский) при одинаковом единичном обжатии показало, что с точки зрения локализации деформации в осевой части поковки наиболее эффективна ковка плоскими бойками, что подтверждает результаты исследований, ранее полученных Я.М. Охрименко, В.А. Тюриным и др. Расчеты протяжки показали, что в осевой зоне поковки круглого сечения наибольшая величина накопленной деформации была в 1,5 раза выше для плоских бойков, чем для комбинированных.

Величина средних напряжений по первой - третьей схем изменялась от 40 до 180 МПа, а по четвертой схеме — от 60 до 90 МПа. Для первых трех типов бойков растягивающие напряжения распределялись в боковых зонах заготовки, а сжимающие напряжения - в зоне перехода свободной поверхности к поверхности под бойком. Для четвертого типа боков зона сжимающих напряжений была сконцентриро-

вала в центре сечения заготовки. Очевидно, что четвертая схема более выгодна с точки зрения сжимающих напряжений в осевой зоне, но опасна с точки зрения появления разрывов на боковой поверхности заготовки при её интенсивном уширении под бойком с непрямолинейным фронтом подачи. Таким образом, по результатам моделирования в качестве основной схемы для протяжки НЛЗ выбрали первую: «верхний и нижний плоские бойки».

В шестой главе рассмотрены результаты разработки промышленной технологии ОМД для получения заготовок подшипников из НЛЗ. На ВПЗ была проведена опытно-промышленная ковка кольцевых поковок методом осадки-прошивки из НЛЗ 0 200 стали ШХ-15 обычного качества производства ОЭМК, показавшая положительные результаты при использовании новых способов ковки и подтвердившая данные физического и математического моделирования, как по размерам основных переходов при ковке, так и по количеству ударов молота и температуре охлаждения поковки в конце ковки перед раскаткой.

Исследование макроструктуры и твердости полученных опытных поковок показало их полное соответствие требованиям ГОСТ.

На основе проведенных исследований и опытно-промышленного опробования разработаны рекомендации по проектированию типовых технологических процессов производства заготовок деталей подшипниковых колец, включающие операции свободной ковки с последующей винтовой прокаткой как полых, так и сплошных профилей. Для предлагаемых схем ковки кольцевых поковок оформили заявку №2003115354/06(016369).), по которой получили положительное решение от 26 августа 2003 г. о выдаче патента Российской Федерации на изобретение.

Также разработали рекомендации для промышленного использования технологической схемы деформирования НЛЗ из стали ШХ-15 винтовой прокаткой из предварительно кованой заготовки для получения сплошных и полых заготовок подшипников, которые использовали в качестве базовых для принятия проектных решений Европейской подшипниковой корпорацией.

Основные результаты и выводы по работе

1. Анализ работ, посвященных изучению свойств материала, технологических процессов и качества изделий, полученных пластическим деформированием непрерывно-литых заготовок, показал ограниченное использование НЛЗ для изделий ответственного назначения, в том числе для поковок колец подшипников, вследствие низкого качества исходного металла и наличия дефектов в осевой зоне НЛЗ. В качестве базовых вариантов технологий для горячего деформирования НЛЗ для получения качественных заготовок подшипников и расширения их номенклатуры в сторону увеличения наружных диаметров свыше 50 мм выбрали свободную ковку и винтовую прокатку, которые обеспечивают большие макросдвиговые деформации при проработке литой структуры.

2. Исследования НЛЗ 0 210 улучшенного металлургического качества без ЭМП и с ЭМП показали, что металл с ЭМП обеспечивает более равномерный химический состав, лучшую макроструктуру по сечению заготовки, но при этом зона осевой несплошности остается.

3. Ковка НЛЗ стали ШХ-15 0 210 в промышленных условиях ОАО «ВПЗ» по традиционной технологии на молоте свободной ковки с массой падающих частей 2 тонны показала, что при схемах ковки вдоль и поперек оси с уковом 4,4 дефекты зоны осевой несплошности полностью не завариваются. При деформации НЛЗ на стане 600 продольной прокатки и последующей винтовой прокатке на стане 350/250 (ОАО «Электросталь») точечная неоднородность составила 0 баллов, лик-вационный квадрат - 0 баллов, осевая пористость - 1 балл. Таким образом, при вытяжках более 15 винтовая прокатка обеспечивает необходимое качество заготовок для подшипниковых колец диаметром 55 мм и менее.

4. Установлено, что традиционная технология ковки с у ковами 4-5 не обеспечивает устранение осевой пористости НЛЗ и требует совершенствования схем свободной ковки, особенно для крупногабаритных колец подшипников. Для этой цели предложили два новых способа ковки: осадка с двухсторонней предварительной наметкой локальных полостей на торцевой поверхности заготовки коническим прошивнем и протяжка поковки сплошного сечения плоскими бойками с применением накладного инструмента-разгонки полукруглого сечения.

5. Разработана комплексная методика исследований и проектирования операций свободной ковки, включающая:

, - физическое моделирование с использованием слоистых моделей для качественной оценки стадий формоизменения при переходах свободной ковки сплошных и кольцевых поковок;

- параметрическое твердотельное геометрическое моделирование на ЭВМ переходов ковки с использованием вычислительной системы 8оШ"№ЬгкБ с переносом модельных размеров на натурные для любых типоразмеров поковок;

- математическое моделирование операций свободной ковки натурных поковок на ЭВМ с помощью вычислительной системы р-£>гш и специально рассчитанных значений реологических коэффициентов для непрерывнолитой заготовки стали ШХ-15 при термомеханических режимах, соответствующих промышленным условиям ковки на молоте, с целью определения рациональных схем деформирования;

- проверку результатов моделирования в промышленных условиях на натурных поковках из НЛЗ стали ШХ-15.

6. Физическое и математическое моделирование переходов свободной ковки и сравнительный анализ характеристик напряженно-деформированного состояния показали, что схема осадки с двухсторонней наметкой по сравнению с традиционной позволяет сосредоточить ббльшую деформацию и увеличить гидростатическое давление в осевой зоне заготовки. Это способствует локализации дефектов осевой зоны и обеспечивает их полное удаление при прошивке. При ковке сплошных поковок протяжкой с применением разгонки полукруглого сечения зона осевой несплошности деформируется с уковом на 30-50 % больше, чем заготовка в целом. Это объясняется локализацией деформации в осевом сечении за счет внедрения четырех лепестковых выступов на поковке при последующих кантовках и ковке на круг.

7. На заводах ОАО «МП» и ОАО «ВПЗ» провели опытно-промышленную ковку поковок методом осадки из НЛЗ 0 200 стали ШХ-15 до размеров 0 360x200 и 0 100x1500, которая показала положительные результаты при использовании новых способов ковки. На основе проведенных исследований и опытно-промышленного опробования разработаны новые технологические схемы деформирования НЛЗ и рекомендации по проектированию комплексной технологии производства заготовок подшипников, включающей свободную ковку и винтовую прокатку.

8. Выполненный технико-экономический анализ эффектности новой технологии показал экономическую целесообразность применения НЛЗ и новой технологии обработки металлов давлением для заготовок подшипников.

Основное содержание диссертации опубликовано в раб отах:

1. Троицкий В.П., Цепин М.А., Бублик А.Н. Применение операций ковки и ради-ально-сдвиговой прокатки при деформировании непрерывно литой заготовки для производства подшипников из отходов стали ШХ-15. Сб. «Состояние , проблемы и перспективы развития кузнечно-штамповочного производства, кузнечно-прессового машиностроения и обработки металлов давлением» Труды У1-ого Международного Конгресса "Кузнец-2002", МВМИ, -М:,. 2002,47-49.

2. Объемное моделирование при проектировании поковок, инструмента и переходов ковки и штамповки / Цепин МА., Колышницын А.В., Дженг Сын, Бублик А.Н. / В сб. «Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов». Труды МВМИ и Союза кузнецов России. Вып. № 3,. МВМИ, -М:, 2003, с. 279-281.

3. Бублик А.Н., Троицкий В.П., Цепин М.А. Исследование возможностей процесса радиально-сдвиговой прокатки и ковки для проработки структуры непрерывно литой заготовки из стали ШХ-15. В сб. «Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов». Труды МВМИ и Союза кузнецов России. Вып. № 3,. МВМИ, -М:, 2003, с. 289-291.

4. Использование твердотельного моделирования для решения технологических задач обработки металлов давлением / Колышницын А.В., Поляков СМ., Цепин М.А., Бублик А.Н., Парамонов В.В., Апатов К.Ю. / Сб. материалов Всеросийской научно-технической конференции «Наука — производство — технология— экология» в 5 т. -Киров: Изд-во ВятГУ. 2003. Том 5, с. 50-51.

5. Бублик А.Н., Троицкий В.П., Цепин М.А. Новый способ ковки заготовок подшипниковых колец из стали ШХ15. КШП, 2004, №1, с. 45.

6. Бублик А.Н., Троицкий В.П., Цепин М.А. Свободная ковка кольцевых поковок из непрерывнолитых заготовок. Вестник Машиностроения, 2004, №1, с. 88.

7. Бублик А.Н., Троицкий В.П. Новый способ ковки непрерывно-литых заготовок из стали ШХ-15 для винтовой прокатки заготовок подшипников. Производство проката. 2004, №1, с. 48.

Формат 60 х 90 1/16 Бумага офсетная объем. 1,5 п. л. Печать офсетная

Тираж 100 экз. Заказ 376

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательства «Учеба» МИСиС, 117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 Тел.: 954-73-94,954-19-22 ЛР№01151 от 11.07.01

€-.3 203

Введение

Глава 1 Анализ технологии производства подшипников

1.1 Классификация и характеристика подшипников качения

1.2 Подшипни ковая сталь и её свойства

1.3 Основные методы получения заготовок подшипниковых ко- 22 лец

1.3.1 Горячая штамповка колец на горизонтально-ковочных ма- 22 шинах (ГКМ)

1.3.2 Свободная ковка и раскатка заготовок колец подшипников

1.3.3 Горячая штамповка заготовок колец на молотах

1.3.4 Штамповка заготовок подшипниковых колец на прессах и 31 автоматах

1.3.5 Винтовая прокатка прутков и труб для заготовок колец

1.4 Теоретические методы решения задач пластичности и ОМД

1.5 Цель и задачи исследований.

Глава 2 Методика проведения исследований

2.1 Объект и методы исследования

2.2 Исследуемые материалы и образцы

2.3 Оборудование, оснастка и инструмент

2.4 Комплексная методика физического и математического моде- 56 лирования с построением трехмерных параметрических моделей

Глава 3 Промышленное опробование традиционной технологии ковки 58 и прокатки для деформации HJI3 ШХ-15 повышенного качества

3.1 Особенности металлургического производства HJI3 из стали 58 ШХ

3.2 Исследование свойств НЛЗ из стали ШХ-15 повышенного ка- 60 чества

3.3 Исследования свойств НЛЗ после горячей свободной ковки

3.4 Исследования свойств НЛЗ после винтовой прокатки

Одной из главных задач, стоящих перед подшипниковой промышленностью России, является повышение качества и объемов выпускаемой продукции при существенном сокращении издержек производства. ОАО «Европейская подшипниковая корпорация» одним из перспективных направлений уменьшения себестоимости продукции и повышения её конкурентоспособности считает организацию на собственной производственной базе технологии переработки подшипниковых отходов на основе использования машин непрерывного литья заготовок (MHJI3) в комплексе с оборудованием для термической обработки и обработки давлением.

Сталь ШХ-15 (ГОСТ 801-78) - основной материал для производства подшипников качения [1, 2]. Технология производства заготовок для подшипников из слитков этой стали изучена достаточно хорошо. Использование HJI3 для этих целей порождает определенные проблемы из-за неоднородности её структуры. Разливка на MHJI3, по сравнению с использованием слитков, значительно сокращает отходы металла на головную обрезь (на 8-15 %), увеличивает выход годного из-за отсутствия зачистки слитков, повышает производительность труда и улучшает экологию производства. Кроме того отпадает необходимость использования мощных блюмингов и слябингов для горячей прокатки слитков и получения заготовок под сортовую и листовую прокатку.

К главным недостаткам HJI3 относится наличие ярко выраженной зоны осевой ликвации на протяжении всей ее длины с участками, имеющими различную степень химической неоднородности по углероду и хрому, с содержанием элементов на уровне от маркировочной пробы до более высоких концентраций. В этой зоне также высока вероятность образования скоплений неметаллических включений (оксидов, силикатов, сульфидов и алюминатов), выступающих в роли концентраторов напряжений и снижающих эксплуатационные характеристики подшипников.

В процессе горячей пластической деформации химическая неоднородность осевой зоны заметно уменьшается. Однако для полного её устранения, кроме различных методов подготовки расплава (вакуумирования, электромагнитного перемешивания и т.п.) и последующей термообработки (как правило - гомогенизации), величина вытяжки при обычной продольной горячей прокатке должна составлять не менее 12. 15, и это ограничивает сортамент получаемых подшипниковых заготовок по максимальному диаметру (60.80 мм). Использование операций горячей ковки с управляемыми макро- потоками сдвиговых деформаций позволяет существенно снизить уков до 5.7, повысить вытяжку, обеспечить проработку осевой зоны HJI3 и получить однородную структуру металла по сечению и длине кованных полуфабрикатов. Аналогичный эффект обеспечивает радиапьно-сдвиговая прокатка (называемая также винтовой) круглых заготовок сплошного и полого сечения, структура которых также имеет высокую степень однородности.

В связи с изложенным научно-техническая проработка вопросов использования непрерывнолитой заготовки (HJ13) и исследования по разработке технологических схем эффективного деформирования HJI3 из стали ШХ-15 методами ковки и радиально сдвиговой прокатки является актуальной научно-технической задачей.

Определение рациональных термомеханических режимов и последовательности операций горячей ковки и радиально-сдвиговой прокатки для качественной проработки HJI3 из стали ШХ-15 для производства деталей подшипников качения является основной целью настоящей диссертационной работы.

Автором выносятся на защиту результаты исследований качества металла непрерывнолитой заготовки по данным металлографического анализа и механических испытаний; обобщение данных промышленных экспериментов по ковке и винтовой прокатке HJI3, комплексная методика и результаты физического и математического моделирования операций для традиционной и новых технологических схем ковки из HJ13 круглых и кольцевых поковок; термомеханические режимы деформирования заготовок из стали ШХ-15; результаты опытного промышленного опробования операций ковки и винтовой прокатки непрерывнолитых заготовок, предварительные оценки качества деформированных заготовок для подшипников, результаты технологических и проектных решений, данные технико-экономического анализа эффективности использования HJT3.

Разделы 3, 4 и 5 диссертации выполнены при научной и методической консультации к.т.н., с.н.с. М.А. Цепина. Промышленные эксперименты и исследования проводились на ОАО «Волжский подшипниковый завод» (ОАО «ВПЗ»), ОАО «Московский подшипник» (ОАО «МП»), ОАО «Электросталь».

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ОАО «ВПЗ», ОАО «МП», НТЦ ЦНИИТМАШ и руководству ОАО «Европейской подшипниковой корпорации» за большую помощь, оказанную при выполнении настоящей работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ работ, посвященных изучению свойств материала, технологических процессов и качества изделий, полученных пластическим деформированием непрерывнолитых заготовок, показал ограниченное использование

НЛЗ для изделий ответственного назначения, в том числе для поковок колец подшипников, вследствие низкого качества исходного металла и наличия дефектов в осевой зоне НЛЗ. В качестве базовых вариантов технологий для горячего деформирования НЛЗ для получения качественных заготовок подшипников и расширения их номенклатуры в сторону увеличения наружных диаметров свыше 50 мм выбрали свободную ковку и винтовую прокатку, которые обеспечивают большие макросдвиговые деформации при проработке литой структуры.

2. Исследования НЛЗ 0210 улучшенного металлургического качества без ЭМП и с ЭМП показали, что металл с ЭМП обеспечивает более равномерный химический состав, лучшую макроструктуру по сечению заготовки, но при этом зона осевой несплошности остается.

3. Ковка НЛЗ стали ШХ-15 0 210 в промышленных условиях ОАО «ВПЗ» по традиционной технологии на молоте свободной ковки с массой падающих частей 2 тонны показала, что при схемах ковки вдоль и поперек оси с уковом 4,4 дефекты зоны осевой несплошности полностью не завариваются. При деформации НЛЗ на стане 600 продольной прокатки и последующей винтовой прокатке на стане 350/250 (ОАО «Электросталь») точечная неоднородность составила 0 баллов, ликвационный квадрат — 0 баллов, осевая пористость— 1 балл. Таким образом, при вытяжках более 15 винтовая прокатка обеспечивает необходимое качество заготовок для подшипниковых колец диаметром 55 мм и менее.

4. Установлено, что традиционная технология ковки с уковами 4-5' не обеспечивает устранение осевой пористости НЛЗ, и требует совершенствования схем свободной ковки особенно для крупногабаритных колец подшипников. Для этой цели предложили два новых способа ковки: осадка с двухсторонней предварительной наметкой локальных полостей на торцевой поверхности заготовки коническим прошивнем и протяжка поковки сплошного сечения плоскими бойками с применением накладного инструмента — разгонки полукруглого сечения.

5. Разработана комплексная методика исследований и проектирования операций свободной ковки, включающая:

- физическое моделирование с использованием слоистых моделей для качественной оценки стадий формоизменения при переходах свободной ковки сплошных и кольцевых поковок;

- параметрическое твердотельное геометрическое моделирование на ЭВМ переходов ковки с использованием вычислительной системы Solid-Works с переносом модельных размеров на натурные для любых типоразмеров поковок;

- математическое моделирование операций свободной ковки натурных поковок на ЭВМ с помощью вычислительной системы Q-form и специально рассчитанных значений реологических коэффициентов для непрерывно-литой заготовки стали ШХ-15 при термомеханических режимах, соответствующих промышленным условиям ковки на молоте, с целью определения рациональных схем деформирования;

- проверку результатов моделирования в промышленных условиях на натурных поковках из НЛЗ стали ШХ-15.

6. Физическое и математическое моделирование переходов свободной ковки и сравнительный анализ характеристик напряженно-деформированного состояния показали, что схема осадки с двухсторонней наметкой по сравнению с традиционной позволяет сосредоточить большую деформацию и увеличить гидростатическое давление в осевой зоне заготовки. Это способствует локализации дефектов осевой зоны .и обеспечивает их полное удаление при прошивке. При ковке сплошных поковок протяжкой с применением разгонки полукруглого сечения зона осевой несплошности деформируется с уковом на 30-50 % больше, чем заготовка в целом. Это объясняется локализацией деформации в осевом сечении за счет внедрения четырех лепестковых выступов на поковке при последующих кантовках и ковке на круг.

7. На заводах ОАО «МП» и ОАО «ВПЗ» провели опытно-промышленную ковку поковок методом осадки из НЛЗ 0200 стали ШХ-15 до размеров 0360x200 и 0100x1500, которая показала положительные результаты при использовании новых способов ковки. На основе проведенных исследований и опытно-промышленного опробования разработаны новые технологические схемы деформирования НЛЗ и рекомендации по проектированию комплексной технологии производства заготовок подшипников, включающей свободную ковку и винтовую прокатку.

8. Выполненный технико-экономический анализ эффектности новой технологии показал экономическую целесообразность применения НЛЗ и новой технологии обработки металлов давлением для заготовок подшипников.

1. Сталь подшипниковая ГОСТ 801-78, М.: Госкомстандарт, 2001, 20 с.

2. Подшипники качения. Общие технические условия ГОСТ 520-89 ИПК Издательство стандартов М.: 1989, 85 с.

3. Промышленность России. Статистический сборник М.: Госкомстандарт, 2002, 218 с.

4. Стрижевский А.И. Подшипники качения. -М: Машиностроение. 1969, -632с.

5. Лурье Г.Б. Технология производства подшипников качения М.: Маш-гиз, 1969.-447с.

6. Влияние технологии выплавки подшипниковой стали ШХ15 на состав неметаллических включений / А.Н. Самсонов, А.К. Петров, В.М. Людков-ский и др. // В сб. «Инструментальные и подшипниковые стали» №3 М.: Металлургия, 1976, с.56-61.

7. Петров А.К., Шульте Ю.А. Проблемы улучшения качества подшипниковых сталей и повышения долговечности подшипников качения. В сб. «Инструментальные и подшипниковые стали» №1 М.: Металлургия, 1973, с. 8393.

8. Прокаливаемость подшипниковой стали, полученной методом непрерывной разливки /Н.Н.Качанов, В.М.Пчелкина, С.А.Петухов и др. // Сб. «Труды института» №1, М.: ВНИИПП, 1970, с. 3-20.

9. Гаревских И.А., Шульте Ю.А., Цивирко Э.И. Влияние способа выплавки на свойства подшипниковой стали. Сб: «Труды совещания по технологии выплавки, термической обработки и антикоррозионной защиты подшипниковой стали». М.: ВНИКТИПП, 1968, с 11-20.

10. Ю.Гаревских И.А., Шульте Ю.А., Цивирко Э.И. Влияние неметаллических включений на физико-механические свойства подшипниковой стали и долговечность подшипников. В сб. «Инструментальные и подшипниковые стали» №1 М.: Металлургия, 1973, с. 77-83.

11. ККлименкова О.Л., Андреева В.П., Бордачёва Е.В. Исследования подшипников типа 136, 8164, 8324, изготовленных из непрерывнолитой стали производства ОЭМК. Науч.-технич. отчет., М.: ВНИКТИПП, 1990, 47 с.

12. Попов О.А. Селисская Н.В., Листопад В.И. Структурные особенности непрерывно-литой стали. Подшипниковая промышленность. 1998, №3, с. 2628.

13. Бойченко М.С., Рутес B.C., Фульмахт В.В. Непрерывная разливка стали. М.: Металлургиздат, 1961,234 с.

14. ГостевК.М. Непрерывная разливка стали. Черная металлургия СССР (1917-1957). -М.: Металлургиздат, 1958, 357 с.

15. Рутес В.С, Евтеев Д.П. Исследование процесса непрерывной разливки стали // Сборник трудов первой Всесоюзной конференции по непрерывной разливке стали. М.: АН СССР, 1956. -С. 45-78;

16. Пронов А.П. Кристаллизация стального слитка. М.: АН СССР, 1960, 412 с.

17. Хворинов Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали. -М.: Машгиз, 1958, 163 е.

18. Сладкоштеев В.Т., Ахтырский В.И., Потанин Р.В. Качество стали при непрерывной разливке. М.: Металлургиздат 1963 г., 174 с.

19. Бойченко М.С. Непрерывная разливка стали. -М.: Металлугиздат, 1957, 247 с.

20. Освоение технологии непрерывной разливки углеродистой стали на Ново-Липецком заводе / Рутес B.C., Катомин Б.Н., Кан Ю.Е., Петров В.К., Лобанов В.В. // Сталь.-1961 .-№4, с. 12-15.

21. Попов О.А., Селисская Н.В., Листопад В.И. Структурные особенности непрерывно-литой подшипниковой стали. «Подшипниковая промышленность», М.; Машиностроение 1989, №3, с. 26-28.

22. Башпин Ю.А., Исакина В.Н., Маслёпкова Е.А. Влияние переплавных процессов на структуру и свойства стали. М.; Металлургия, 1991, 240 с.

23. Штамповка кольцевых заготовок / А.С.Львов, Ю.Л.Рождественский, А.В.Абрамов, Л.К.Литвак. М.: Машгиз, 1958 г., 182 с.

24. Охрименко Я.М. Технология кузнечио-штамповочного производства. -М.: Машиностроение, 1976. -560 с.

25. Лазуткин Г.С., Гринфельд Л.А Совершенствование технологии изготовления заготовок колец подшипников // Кузнечно-штамповочное производство .- 1996 .-№7 с. 13.

26. Смирнов B.C. Поперечная прокатка. М.: Машгиз, 1948, - 194 с.

27. Целиков А.И. Основы теории прокатки. М.: Металлургия, 1965 -247 с.

28. Целиков А.И., Зюзин В.И. Современное развитие прокатных станов. -М.:, Металлургия, 1972, 399 с.

29. Потапов И.Н., Полухин П.И. Новая технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1975, 342 с.

30. Романцев Б.А., Потапов И.Н., Гончарук А.В., Попов В.А. Изготовление полых профилированных заготовок .- НПО ИТАИ, 1992.- 264с.

31. Богатов А.А., Харитонов В.В. Производство экономичных видов толстостенных труб для машинострония // Кузнечно-штамповочное производство .- 1996 .-№7 .-с. 8-9.

32. Машины и агрегаты трубного производства /А.П.Коликов, В.П.Романенко, С.В.Самусев и др. М.: «МИСиС», 1998. 536 с.

33. Ковка и штамповка: Справочник том 2 / под общей редакцией Е.И.Семенова .- М.: Машиностроение, 1986. -592 с.

34. Малый трубопрокатный агрегат//М.А. Минтаханов, Ю.В Виноградов., Б.А. Романцев /Сталь. 1996, № 5, с. 45-48.

35. Охрименко Я.М., Тюрин В.А. Теория ковки. -М.: Высшая школа 1977,. 295 с.37.0хрименко Я.М., Тюрин В.А. Неравномерность деформации при ковке . М.: Машиностроение, 1969 184 с.

36. Ковка крупных поковок./Часть II под ред. В.Н.Трубина, В.А.Шелехова // М.: Машиностроение, 1965, 295 с.

37. Камнев П.В. Совершенствование ковки крупных поковок. J1.: Машиностроение (Ленингр. Отделение), 1975, 344 с.

38. Тюрин В.А., Мохов А.И. Теория обработки металлов давлением. Вол-ГТУ, Волгоград, РПК «Политехник», 2000 г., 416 с.

39. Илыошин А.А. Пластичность. М.: Гостехиздат, 1948. 376 с.

40. Ленский B.C. Введение в теорию пластичности. М.: МГУ, 1969. 92с.

41. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1968. 272 с.

42. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. -Л.: Машиностроение, 1978, 368с.

43. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров .- М.: Машиностроение, 1979 .- 567 с.

44. Теоретические основы ковки и горячей объемной штамповки / Е.М.Макушок, А.С.,Матусевич, В.П.Северденко, В.М.Сегал. Минск, Изд. «Наука и техника», 1968 г., 408 с.

45. Теория ковки и штамповки: Учеб. Пособие для студентов машиностроительных и металлургических специальностей вузов // Е. Ai Унксов, У.Джонсон, В. Л. Овчиникова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992.-720 е.: ил.

46. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение. 1977.423 с.

47. Томсен Э., Янг Ч., Кобаяши Ш. Механика деформаций при обработке давлением. М.: Машиностроение. 1969. 504 с.

48. Джонсон В., Кудо X. Механика процесса выдавливания металла. М.: Металлургиздат. 1965. 174 с.

49. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение. 1971. 199 с.

50. Могучий Л.Н. Обработка давлением труднодеформируемых материалов. М.: Машиностроение. 1976.272 с.

51. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. М.: Машиностроение. 1979.215 с

52. Томлёнов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972. 408 с.

53. Теория обработки металлов давлением / И.Я. Тарновский., А.А. Поздеев, О.А. Ганаго и др. М.: Металлургиздат, 1963.672 с.

54. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1970,229 с.

55. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975.400 с.

56. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986.221 с.

57. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука. 1969.420 с.

58. Дзугутов М.Я. Пластическая деформация высоколегированных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1971.-424 с.

59. Дзугутов М.Я. Напряжения и разрывы при обработке металлов давлением — М.: Металлургия, 1994. —286 с.

60. Чиченев Н.А., Кудрин А.Б., Полухин П.И. Методы исследований процессов обработки металлов давлением (экспериментальная механика) М.: Металлургия 1977. 311 с.

61. Чижиков Ю.М. Теория подобия и моделирование процессов ОМД. -М.: Металлургия, 1970, 285 с.

62. Экспериментальные методы механики деформируемых твердых тел (технологические задачи обработки давлением) / В.К. Воронцов, П.И.Полухин, В.А.Белевитин, В.В. Бринза. -М.: Металлургия, 1990, 480 с.

63. Романов К.И. Механика горячего формоизменения металлов. М.: Машиностроение, 1993.240с.

64. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. Пер. с англ. М.: Мир, 1975. 542 с.67.0ден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред: Пер. с англ. -М.: Мир, 1976. 464 с.

65. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. Пер. с англ. М.: Мир, 1979. - 392 с.

66. Норри Д., Де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1981 -304 с.

67. Wang N. М. and Budiansky В. Analysis of Sheet metal stamping by a finite-element metod, Trans. ASME, J. Appl. Mech., 45 (1978), 73 82.71.0sakada K. and Mori K. Prediction of ductile fracture in cold forging, Annals of CIRP, 27 1 (1978), 135 - 139.

68. Колмагоров В. Л. Численное моделирование больших пластических деформаций и разрушения металлов, Кузнечно-штамповочное производство, 2003, №2, с.3-16.

69. Гун Г. Я. Математическое моделирование процессов ОМД. М.: Металлургия, 1983. 351 с.

70. Chumachenko E.N., Logachina I.V., Chumachenko S.E. Automatization of calculations when developing the technological regimes of the isothermic deforming ICSAM-94, Materials Science Forum, Vols.l70-172(1994), p.657-662.

71. Чумаченко E.H., Скороходов А.П., Александрович А.И. К вопросу о применении МКЭ в задачах о деформировании несжимаемых сред Изв. вузов. ЧМ, 1985, №9. стр.89-92

72. Чумаченко Е.Н., Плохих Г.П. Расчет оптимальных параметров кольцевых заготовок и формы штампов при изготовлении подшипниковых колец из дисковых отходов, Кузнечно-штамповочное производство, 1998, №4, с.20-22.

73. Чумаченко Е.Н., Троицкий В.П., Чумаченко С.Е. Автоматизированный расчет тяжело нагруженных деталей и узлов металлургических машин и конструкций специального назначения. Учебное пособие. -М.: МИСиС, 1998, 130 с.

74. Чумаченко Е.Н. Математическое моделирование пластического формоизменения материалов при обработке давлением. -М.; МИЭМ 1998. 157 с.

75. Чумаченко Е.Н., Печенкин Д.В. Моделирование и расчет термоупру-гопластических деформаций при анализе локально изотропных конструкций. -М.: МИЭМ, 2000. 183 с.

76. VanLuchene R.D. and Cramer D. "Numerical Modeling of a Wing Skin Peen Forming " Journal of Materials Engineering and Performance, Vol.5(6), December 1996. pp. 753-760.

77. Полищук Е.Г., Жиров Д.С., Вайсбурд P.A. Система расчета пластического деформирования "РАПИД", КШП, 1997. № 8 с. 16-18.

78. Автоматизированная система ФОРМ-2Д для расчета формоизменения в процессе штамповки на основе МКЭ/ Гун Г.Я., Биба Н.В., Садыхов О.Б. и др.- М.: КШП, 1992, №9-20. стр.4-7.

79. Гун Г.Я., Биба Н.В., Лишний Л.И. Система Ф0РМ-2Д и моделирование технологии горячей штамповки. М.: КШП, 1994, №7 стр.911.

80. Biba N. V., LishnijA. I., Stebounov S. A. Finite element simulation and computer aided design of forming technology with FORM-2D system // Proceedings of Metal Forming Process Simulation in Industry (Baden-Baden, 28—30 September, 1994). P. 302-320.i

81. Конечно-элементная модель электровысадки / Биба Н. В., Власов А. В. Лишний, А. И., Стебунов С. А. Кузнечно-штамповочное производство, 2001, №6, с. 40-43.

82. Биба Н. В., Лишний, А. И., Стебунов С. А. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки. Кузнечно-штамповочное производство, 2001, № 5, с.39-44.

83. Стебунов С.А., Биба Н.В. FORGE FAIR'97 демонстрация возможностей объемной штамповки. Кузнечно-штамповочное производство, 1997, № 8, с.36-37.

84. Q-form. Программа для моделирования, анализа и проектирования процессов формоизменения металла. Руководство пользователя. Вводный курс. Квантор Софт. М.: 2001 г. 116 с.

85. Фикельштейн, Эллен. Autocad 2000 библия пользователя. М.: Издательский дом "Вильяме", 2002. -1040 с.

86. Большая советская энциклопедия. Издание 3-е, -М. "Советская энциклопедия, 1975, Том 19 , с 608.

87. Meyer Е., Nehl W. Di Grundlegenden Vorgange der Bildsamen Verfor-muhg. Stahl und Eisen. 1925. s.45-49.

88. Дэвид Мюррей. Solid Works. M.: Издательство "Лори", 2001.-485 с.

89. Третьяков Л.В., Трофимов Г.К., Зюзин В.А. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1974. 222 с.

90. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов . М.: Металлургия, 1983. 352 с.

91. Поздняк JI.A., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. Штамповые стали. -М.: Металлургия, 1980. 224 с.

92. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений .- Л.: Энергоатомиздат, 1991. -304 с.

93. Металловедение и термическая обработка стали: Справ, изд. 3-е изд., перераб. и доп. в 3-х т. Т.1. Методы испытаний и исследования /Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. -352.

94. Расчеты экономической эффективности новой техники /Справочник -Л.: Машиностроение, 1989. 448 с.

95. Качество продукции и эффективность производства. Под ред. А.В.Гличева и Л.Я.Шухгальтера. М.: Машиностроение, 1977. -247 с.

96. Хачатуров Т.С. Эффективность капитальных вложений. М.: Экономика, 1989. 339 с.ч

97. В период с октября 2000 по март 2003 г. МИСиС (ТУ) совместно с ЦНИИТМАШ выполнил следующие работы:j