автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии производства сплошных ступенчатых поковок плоской поперечно-клиновой вальцовкой

На правах рукописи

Шаронов Дмитрий Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СПЛОШНЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ПОКОВОК ПЛОСКОЙ ПОПЕРЕЧНО-КЛИНОВОЙ ВАЛЬЦОВКОЙ

Специальность 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2006

Работа выполнена на кафедре ОМД института технологии материалов Государственного технологического университета Московский институт

стали и сплавов.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кобелев Анатолий Германович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Шаталов Роман Львович кандидат технических паук, старший научный сотрудник Байдуганов Александр Меркурьевич

Ведущая организация ОАО «НИИТавтопром»

Защита состоится « (п >>¿7 Ц?2006 г. в часов

в аудитории /о ' ¿Г на заседании диссертационного совета Д 212.132.09 при институте технологии материалов Государственного технологического университета Московский институт стали и сплавов по адресу: 119049, г. Москва, ГСП-1, Ленинский пр-т, д. 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан «_ » ? -52-2006

г.

Справки по телефону: 8 (495) 955-01-27

Ученый секретарь диссертациош

Ионов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Метод плоской поперечно-клиновой вальцовки (ППКВ) используется в машиностроении, в заготовительном производстве кузнечпо-штамповочных цехов для изготовления осесимметричных деталей и поковок с удлиненной осью. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с известными схемами редуцирования: высокой производительностью и повышенной точностью размеров поковок; относительной простотой изготовления плоского клинового инструмента; использованием сборного инструмента с возможностью замены наиболее изнашиваемых частей калибра; технологической гибкостью и др.

Однако ППКВ до настоящего времени не заняла достойного места при производстве высокоточных деталей и поковок, получаемых пластическим деформированием. Одна из причин этого заключается в практически полном отсутствии новых методик по автоматизации проектирования как самого технологического процесса вальцовки, так и наиболее трудоемкого его этапа — создания клинового инструмента.

В связи с этим исследование процесса ППКВ на основе результатов физического и математического моделирования, разработка методик проектирования технологических процессов и клинового инструмента с использованием современных вычислительных систем представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Настоящая работа выполнена в соответствии с грантом №3018002 Федерального агентства по образованию «Исследование и разработка эффективных технологических процессов ОМД на основе физического и математического моделирования», а также с международным договором о научном сотрудничестве № 009/05-03 от 01.01.2005 г. о выполнении совместного научного проекта между Государственным научным учреждением «Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси» и ГОУ ВПО «Московский Государственный институт стали и сплавов (техно-

логический университет)», Российская Федерация.

Цель работы: разработка эффективной технологии процесса производства сплошных осесимметричных деталей и поковок на основе результатов комплексного исследования процесса ППКВ с использованием методов физического и математического моделирования.

Для достижения поставленной цели был определен и решен следующий перечень задач:

— провести анализ существующих методов математического и физического моделирования процессов пластического деформирования металлов и реализующих их на ЭВМ программных комплексов для обоснования их применения при проведении исследований;

— определить закономерности и факторы, влияющие на устойчивость, точность и металлоемкость процесса формоизменения при ППКВ заготовок в условиях производства;

— исследовать влияние основных технологических параметров процесса на формирование и развитие очага деформации, напряженно-деформированное состояние (НДС) поковки и качество получаемой продукции;

— разработать комплексную методику автоматизированного проектирования технологических процессов для ППКВ сплошных ступенчатых заготовок, а также клинового инструмента;

— спроектировать необходимый инструмент и модернизировать экспериментальную оснастку для проведения исследований процессов формоизменения заготовок на модельных материалах с целью опробования разработанных методик проектирования технологических процессов ППКВ и клинового инструмента;

— разработать технологию процесса производства сплошных ступенчатых поковок и изготовить клиновой инструмент с учетом результатов проведенных исследований;

— выпустить опытно-промышленную партию поковок, удовлетворяющих требованиям заказчика по прочности и точности геометрических размеров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены новые данные о характере НДС и зонах пластической деформации в поперечном и продольном сечениях поковок при ППКВ, что дало возможность оценить влияние технологических параметров процесса па его устойчивость.

2. Показано влияние сдвиговых напряжений на устойчивость процесса вальцовки одиночных поковок, несимметричных и ступенчатых по длине с немонотонным расположением ступеней, что позволило снизить расход металла и процент брака продукции.

3. Получены с использованием математических моделей новые данные о причинах возникновения технологических дефектов при ППКВ сплошных ступенчатых заготовок и предложены меры по их устранению.

4. Разработана научно обоснованная комплексная методика проектирования технологических процессов ППКВ, включающая в себя все основные этапы этого процесса, в частности, выбор формы и размеров исходных заготовок и основных параметров клинового инструмента.

Практическая полезность работы

1. Разработан на основе предложенной комплексной методики технологический процесс вальцовки поковки детали типа «цапфа» из сталей 45 и 40Х. Выпущена в условиях Государственного научного учреждения «Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси» опытно-промышлепная партия поковок, удовлетворяющих требованиям заказчика по прочности и точности геометрических размеров.

2. Показана возможность снижения затрат энергии на осуществление процесса вальцовки путем рационального выбора формы, размеров исход-

пых заготовок и технологических параметров, что позволило повысить ресурс используемого оборудования.

3. Полученные результаты экспериментальных и теоретических исследований на основе комплексного анализа ряда расчетных и физических экспериментов позволили прогнозировать качество получаемой продукции еще па стадии проектирования.

4. Разработаны методики математического моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ), позволяющие предсказывать результаты процесса ППКВ, а также подбирать рациональные значения технологических параметров самого процесса, что дает возможность при минимальных материальных затратах разрабатывать рациональные технологические процессы горячей вальцовки.

5. Выполнены работы по адаптации существующих компьютерных вычислительных систем (ВС), основанных на МКЭ для расчета процессов горячей деформации применительно к ППКВ.

6. Проведенный технико-экономический анализ эффективности предлагаемых решений показал возможность значительного снижения себестоимости заготовок за счет повышения производительности оборудования и коэффициента использования металла.

Методы исследования

В качестве основного метода при проведении физического моделирования для оценки формоизменения заготовки и перемещения металла вдоль и поперек её осей применяли метод слоистых моделей. Для получения слоистых заготовок использовали специально разработанные устройство и опытно-экспериментальную установку. При проведении расчетных экспериментов для разработки технологического процесса вальцовки поковки типа «цапфа» и анализа НДС применяли математические модели, основанные на МКЭ. Для оценки качества получаемой продукции использовали методы металлографического анализа.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании математических методов моделирования, планирования и анализа результатов проведенных исследований; применении современных приборов и методик, их метрологического обеспечения; выпуске опытно-промышленной партии поковок по разработанной технологии и анализом их свойств; получении готовых изделий с использованием механической обработки вальцованных поковок и исследовании их эксплуатационных свойств.

Реализация результатов работы

Применение результатов работы позволило удешевить и ускорить процесс разработки технологических процессов ППКВ сплошных ступенчатых поковок, снизить процент брака и отказаться от корректировки уже изготовленного инструмента при внедрении технологического процесса в условиях реального производства.

С использованием предлагаемой методики спроектирован и изготовлен на базе ГНУ ФТИ HAH Беларуси и ЗАО «Метровагонмаш» г. Мытищи промышленный клиновой инструмент для производства заготовок детали «цапфа» №589142 и №490506 методом ППКВ по заказу ООО «АЛ-КО Ко-бер». Получена опытная партия поковок детали «цапфа» №490506, переданная Заказчику для проведения исследований. Учитывая высокую технико-экономическую эффективность разработанных технологий, они внедрены на совместной производственной базе Физико-технического института HAH Беларуси и ЗАО «Метровагонмаш» при изготовлении промышленной партии поковок для ООО «AJI-KO Кобер», и рекомендованы к внедрению на других машиностроительных предприятиях.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе на кафедре ОМД МИСиС (ТУ) при выполнении курсовых и дипломных работ студентов. Спроектированная и изго-

товленная на ЗАО «Метровагонмаш» г. Мытищи экспериментальная установка и инструмент задействованы в учебном процессе для выполнения лабораторных работ.

Апробация работы.

Результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Труды третьего конгресса прокатчиков», Липецк, 19-22 октября 1999 г.; «Прогрессивные технологии обработки материалов давлением», Минск, 18-22 мая 2004 г.; «Теория и технология процессов пластической деформации-2004», Москва, 26-27 октября 2004 г.; «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов», Санкт-Петербург, 20-22 сентября 2005 г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 статей в журналах и сборниках материалов международных научно-технических конференций.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 20 таблиц, библиографический список из 86 наименований и 4 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, ее научная новизна и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе данных литературных источников рассмотрена история зарождения и развития процесса ППКВ как самостоятельного метода ОМД. Проведен анализ состояния вопроса по автоматизированному проектированию технологических процессов и инструмента для ППКВ; рассмотрено современное состояние теории и технологии процессов ППКВ сплошных ступенчатых заготовок типа тел вращения с удлиненной осью; тенденции его дальнейшего развития; обоснована необходимость и сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе выполнен теоретический анализ объектов и методов исследования, обосновано их применение для исследования процессов ППКВ, проведено исследование химического состава и механических свойств материалов, используемых для производства заготовок, разработаны методики подготовки, проведения и обработки экспериментальных данных физического и математического моделирования. При проведении физического моделирования использовали пластилин (ОСТ 6-15-1525-86), пла-стицин (состав: 60% белая каолиновая глина, 40 % воск), свинец марки С1 (ГОСТ 3778-77). Проведена модернизация изготовленной на ЗАО «Метро-вагонмаш» экспериментальной установки для вальцовки в условиях кафедры ОМД МИСиС (ТУ). Спроектирована и изготовлена на ЗАО «Метрова-гонмаш» оснастка для создания слоистых моделей в лабораторных условиях из модельных материалов.

Экспериментальная установка имеет горизонтальное расположение плит, при этом верхняя плита закреплена неподвижно. Она крепится болта-

ми, а от горизонтального перемещения в плоскости вальцовки ее ограничивает специальная вставка. На плитах закрепляются нижний и верхний клиновые калибры, привод нижней плиты осуществляется при помощи тяги.

Клиновые калибры отличаются друг от друга значениями трех основных параметров: угла заострения (а), угла наклона боковой деформирую^-щей поверхности (ß) и заходного угла (у). Для первого калибра значения этих углов равны соответственно - 4°, 35°, 1°; для второго - 7°, 35°, 1°; для третьего — 4°, 65°, 1°; для четвертого — 4°, 45°, 1°.

В третьей главе проведен анализ теоретических основ физического и математического моделирования применительно к процессам вязкопласти-ческого течения металла. Разработана комплексная методика проектирования технологических процессов ППКВ на основе математического моделирования (рис. 1), состоящая из следующих этапов: анализ исходных данных и разработка схемы технологического процесса изготовления поковки детали; геометрическое твердотельное моделирование поковки, заготовки и клинового инструмента; выбор математической модели процесса вальцовки, метода решения и ВС для её компьютерной реализации; моделирование процесса ППКВ, анализ результатов, корректировка конструкции клинового инструмента и режимов вальцовки.

На первом этапе проектирования проводят анализ исходных данных и определяют степень применимости процесса ППКВ к производству поковки данного типа, после чего разрабатывают чертежи и твердотельную модель первичного инструмента. Для создания твердотельной модели первичного инструмента, его последующей корректировки, а также модели заготовки предложено использовать САПР «SolidWorks 2005». Полученные данные преобразуются и адаптируются для совмещения форматов модели инструмента и заготовки с входными форматами геометрии для ВС «DEFORM 3D», с помощью которой математическая модель процесса вальцовки реализуется в численном конечно-элементном (КЭ) виде на ЭВМ.

Чертеж детали, техническое задание заказчика и его анализ.

| Составление чертежа поковки. [-

Поиск взаимосвязи между причинами появления брака и технологическими факторами процесса прокатки.

Анализ НДС, результатов математического моделирования, выявление возможных причин брака.

Применим ли метод ППКВ для производства такой поковки?

да

Расчет технологических параметров процесса вальцовки.

Расчет и проектирование клиновых калибров.

Геометрическое моделирование, построение твердотельной модели инструмента.

Создание объемной твердотельной модели поковки

Создание объемной твердотельной модели элементов инструмента

Сборка объемной твердотельной модели инструмента

Математическое моделирование процесса ППКВ при помощи САПР DEFORM 3D

Составление пакета чертежей инструмента и создание программы для его изготовления на станках с ЧПУ.

Апробация технологического процесса и внедрение в производство.

КОНЕЦ ^у,

Рисунок 1 — Блок-схема комплексной методики проектирования технологических процессов и инструмента для ППКВ

С окончанием расчета процесса вальцовки выполняют заключительный анализ результатов при помощи постпроцессора ВС «DEFORM 3D»; делают вывод о возможности получения качественных поковок, удовлетворяющих требованиям технических условий; оформляют чертежи инструмента; назначают термомеханические режимы; составляют техническое задание на изготовление калибров. Параллельно с этим производят анализ НДС поковки в процессе вальцовки, выявляют факторы, которые могут привести к появлению брака.

Четвертая глава посвящена физическому и математическому моделированию процесса вальцовки. Основной целью исследований является определение характера НДС в очаге деформации и качественная оценка достоверности результатов математического моделирования процесса ППКВ МКЭ.

Физическое моделирование проводили с применением метода слоистых моделей. По результатам исследования получили зависимости распределения логарифмической деформации по характерным сечениям поковки. Их анализ показал принципиальную сходимость результатов физического и математического моделирования. Так, в осевой области величина деформации составила 1,38; 1,00; 0,69; 0,68 - для слоистой модели и 1,35; 1,17; 1,05; 0,81 - для математической (погрешность измерений ±9%). В поверхностных и предповерхностных слоях результаты моделирования деформаций аналогичны.

Исследование перемещения металла в радиальном направлении показало, что заготовка в процессе вальцовки закручивается относительно своей оси под действием напряжений сдвига, возникающих из-за различной скорости течения внешних и внутренних слоев металла. Сравнительный анализ данных (табл. 1), показал, что при увеличении значения угла а с 45° до 65° возрастает неравномерность деформации, как следствие - увеличение закручивания поковки в процессе вальцовки. Однако тенденция уменьшения де-

формации от середины поковки к краям сохраняется. Данные, полученные при математическом моделировании, в точности повторяют эту тенденцию - как изменение степени закручивания поковки, так и убывание деформации в направлении от середины поковки к её краям.

Таблица 1 - Сопоставление перемещений металла в радиальном направлении слоистой и математической моделей в характерных сечениях поковки.

Ин-стру

Модель

Характерное сечение

PI

Р2

РЗ

Р4

ы «

Физическая модель (срезы поковок в характерных сечениях)

Математическая модель(проекции точек на плоскость)

Физическая модель (срезы поковок в характерных сечениях)

Математическая модель(проекции точек на плоскость)

т

#

Таким образом, результаты исследования показали достоверность результатов математического моделирования, применимость МКЭ к исследованию процесса ППКВ и, в частности, ВС «DEFORM 3D» как системы КЭ моделирования.

Задача физического моделирования состояла в выявлении закономерностей процесса и определении влияния основных технологических параметров на устойчивость процесса вальцовки. Анализ результатов моделирования показал применимость метода слоистых моделей для качественной оценки НДС и формоизменения заготовки, выявил ряд закономерностей:

- очаг деформации при вальцовке локализован, постоянно изменяет свою геометрию, увеличиваясь как по радиусу внутрь тела заготовки, так и по её длине, не превышая при этом максимальной ширины клипового калибра;

— выявлен эффект закручивания в продольном сечении поковки, его величина максимальна в середине длины по центру поковки, постепенно снижаясь к краям поковки;

— увеличение сил поверхностного трения по поверхности «инструмент-заготовка» усиливает эффект закручивания за счет более интенсивных поверхностных сдвиговых деформаций;

- неравномерность сил трения вдоль оси заготовки приводит к скручиванию одной её части относительно другой, что неизбежно приводит к появлению брака - смятию или разрушению поковки;

— в осевой области поковки возникают значительные растягивающие напряжения, которые могут приводить к нарушению сплошности поковки или к её разрушению.

- уменьшение относительной длины заготовки (на 10-15 %) ведет к увеличению торцевых утяжин. Увеличение её снижает эффект торцевых утя-жин за счет общего удлинения заготовки, но увеличивает величину растягивающих напряжений в осевой области, что свидетельствует об интенсивном продольном течении поверхностных слоев.

Полученные в ходе расчетных экспериментов при помощи математических моделей закономерности (рис. 2) показывают зависимость величины распорного усилия и сдвиговых нагрузок от таких технологических параметров как углы а, Р, у и показателя трения по поверхности «инструмент-заготовка». Расчеты процесса вальцовки поковок из стали 45 со скоростью движения клиновых калибров 100 мм/с при начальной температуре вальцовки 1150 °С и показателе трения, равном 0,8; 0,95 и 1,0, показали, что:

Рисунок 2 — Зависимость распорных и сдвиговых усилий от геометрических параметров инструмента и показателя трения по поверхности инструмент-заготовка.

- повышение сил трения по поверхности «инструмент-заготовка» снижает значение распорного усилия и, как следствие, необходимую энергию на создание тянущего усилия. Эффект проявляется вне зависимости от значений геометрических параметров клиновых калибров;

- в момент начала проскальзывания заготовки по инструменту фиксируется резкое падение значения распорного усилия (на 40-60%);

- повышение разброса значений распорного усилия при вальцовке (рис. 2) однозначно свидетельствует о наличии проскальзывания заготовки. Его увеличение повышает риск получения брака;

- повышенная нестабильность значений распорного усилия наблюдается на заходных участках всех клиновых инструментов, что свидетельствует о неустойчивости процесса на этом участке;

- при отсутствии проскальзывания заготовки по инструменту значения распорных и сдвиговых усилий минимальны;

- увеличение значений углов а и у приводит к возрастанию влияния эффекта проскальзывания заготовки по поверхности «инструмент-заготовка» на конечный результат процесса вальцовки.

Анализ результатов физического и математического моделирования

позволил сформулировать ряд рекомендаций по оптимизации процессов

ППКВ с целью прогнозирования и уменьшения количества брака, а также

снижения износа оборудования и инструмента:

- вальцовка заготовок с невысокой относительной длиной приводит к значительным торцевым утяжинам, а повышение ее значения приводит к увеличению растягивающих напряжений в осевой области заготовки;

- при повышении усилия вальцовки на 8-10% от первоначального необходимо устранить возникающее проскальзывание заготовки по инструменту во избежание получения брака, например, восстановив истершуюся технологическую насечку на боковых поверхностях клиньев;

— начало процесса смятия заготовки сопровождается резким снижением распорного усилия (на 40-60%). Выявление этого момента позволит предупредить возможное повреждение инструмента, оборудования и выпуск бракованной продукции;

— наличие на инструменте участков с углом а = 90° может приводить к закатыванию плен. Этого можно избежать, минимизировав значения осевых сдвигов, например, изменением исходной позиции заготовки.

В пятой главе показано применение комплексной методики к проектированию технологических процессов ППКВ поковок.

Для проверки степени применимости созданной методики провели перерасчет существующего технологического процесса ППКВ поковки шарового пальца с целью его рационализации. Для этого использовали чертеж детали с указанными на нем размерами, предельными отклонениями, шероховатостью и маркой материала. Методика составления чертежа поковки в данном случае аналогична методике проектирования процессов горячей объемной штамповки. Допуски, припуски и напуски назначали по ГОСТ 7505-89 с учетом поправочных коэффициентов.

Поковки данного типа вальцуют парно из-за возникающего перекоса и скручивания заготовки в процессе вальцовки. Расчетный диаметр исходной заготовки определяли наибольшим диаметром вальцованной поковки. После проведенных расчетов выбрали пруток диаметром 481^, мм, с учетом колебания длины при резке расчетная длина заготовки составила /0 =150+3мм. При анализе силового режима процесса ППКВ усилие, действующее на площадке контакта металла с клиновым инструментом, разлагали па три составляющие (радиальное или распорное Р2, тангенциальное Рх и осевое Ру). Для вальцовки поковки шарового пальца они составили соответственно - Рг=106,8 кН; Рх = 26,5 кН; Ру = 20,2 кН.

Далее проводили расчет первичных клиновых калибров по классиче-

17

ской методике, при этом их расчетная длина составила Ьи = 900 мм. Следующими этапами проектирования были создание объемных математических моделей инструмента, заготовки и поковки шарового пальца, расчет процесса вальцовки при помощи МКЭ и его анализ.

Анализ результатов моделирования процесса вальцовки выявил наличие избыточного концевого отхода. При этом на стадии, предшествующей отрезке, накопленная деформация в торцах заготовки незначительна, как и величина торцевой утяжины. В связи с этим предложили уменьшить длину исходной заготовки на величину зон с незначительной степенью деформации (10-15%).

Последующий перерасчет процесса вальцовки поковки шарового пальца показал устойчивое его протекание процесса. В результате экономия металла составила 13,3 % на каждую поковку, что в пересчете на массу составляет 0,282 кг с каждой поковки.

Анализ результатов расчетных экспериментов (см. табл. 2) показал возможность компенсации сдвиговых нагрузок перемещением заготовки в сторону с меньшим обжатием. Оптимальным позиционированием исходной заготовки (поз. 3, табл. 2) удалось снизить значение Р™ах на 41%, что обеспечило устойчивое протекание процесса.

С учетом полученных положительных результатов и зависимостей разработали технологию вальцовки поковки «цапфа» по заказу ООО «АЛ-КО Кобер». Для этого усовершенствовали последовательность проектирования технологического процесса вальцовки поковки «цапфа». Классическую последовательность операций (рис. 3) изменили с учетом разработанной методики. Дальнейший процесс разработки осуществляли уже по новой предложенной методике (рис. 4). Далее спроектировали первичный инструмент, рассчитали исходную заготовку под вальцовку, а также энергосиловые параметры процесса.

Таблица 2 — Влияние позиционирования исходной заготовки при ППКВ цапфы на конечный результат процесса вальцовки_

Исходное позиционирование заготовки

Зависимости распорных и сдвиговых усилий от позиции заготовки

Распорное усилие

Сдвиговое усилие

Позиция 1

Позиция 2

а ш м а « та ю кяо топ гао ют

Позиция 3

МО <Ю 1В90 1«*

Рисунок 3 - Базовая последовательность операций при разработке технологического процесса ППКВ

^ Начало

Анализ геометрических параметров детали и механических свойств, предъявляемых заказчиком

Рисунок 4 — Проектирование технологического процесса ППКВ с использованием комплексной методики

Значительные габариты детали не позволили производить ее вальцовку в паре, кроме того, она не симметрична относительно своего центра, из-

за чего в процессе вальцовки возникали существенные сдвиговые нагрузки, что приводило к ее смятию. Анализ математической модели показал, что сдвиговые нагрузки можно уменьшить изменением исходной позиции заготовки.

Из-за присутствия на инструменте участков с а = 90° па сочленении диаметров 45 мм и 32 мм (конусная часть) происходило закатывание плен, что сказалось на качестве первой пробной партии поковок (при механической обработке выявлен брак). Анализ результатов расчета процесса по математической модели с применением МКЭ позволил исправить этот дефект путем рационализации значения радиуса скруглепия на инструменте. Увеличение радиуса скругления на 40% позволило устранить дефект. После рационализации процесса ППКВ поковки цапфы выпустили опытно-промышленные партии поковок, о чем свидетельствует акт внедрения.

Разработанный технологический процесс вальцовки поковки «цапфа» состоял из следующих основных этапов — рубка горячекатаного прутка 0 45 мм по ГОСТ 2590-88 в холодном состоянии в штампах на заготовки длиной 125 мм; загрузка заготовок в вибробункер установки РМ5.117 по 500 шт; нагрев заготовки в проходном индукторе до 1150 °С; подача заготовки в загрузочное устройство с одновременным контролем температуры бесконтактным способом; горячая вальцовка с одновременным отделением концевых отходов при скорости верхнего подвижного инструмента 750 мм/с; термообработка (отпуск на воздухе) с остаточной температуры 900-920 °С; очистка от окалины в дробеструйной установке; контроль качества; складирование готовой продукции.

Исследование качества поковок показало их соответствие требованиям заказчика по прочности и точности геометрических размеров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлены на основе комплексного исследования, в том числе на промышленном оборудовании, особенности и закономерности пластического деформирования поковок при плоской поперечно-клиновой вальцовке: сложная форма контактной поверхности; локализация и перемещение очага деформации; неравномерный характер контактных давлений и напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и др. Выявлен эффект закручивания волокон, зависящий от сил контактного трения. Его величина по оси поковки максимальна в середине поковки и снижается к её краям, а в поперечном сечении снижается от периферии к центру поковки. В осевой области поковок возникают значительные растягивающие напряжения, которые могут приводить к нарушению сплошности или их разрушению.

2. Выявлен эффект проскальзывания заготовки по инструменту, зависящий, в основном, от величины сил контактного трения и геометрических параметров клинового инструмента. Установлена зависимость проскальзывания от величины распорного усилия: в момент начала проскальзывания наблюдается резкое (на 40-60%) падение распорного усилия, что свидетельствует о нестабильности процесса вальцовки, особенно на заходном участке клинового инструмента. Увеличение сил контактного трения снижает величину распорного усилия и, как следствие, величину тянущего усилия.

3. Предложено на основе анализа современного состояния теоретических основ математического и физического моделирования, вычислительных систем и программного обеспечения использовать их для разработки методик комплексного исследования и проектирования инструмента и технологического процесса вальцовки в следующем сочетании: система расчета инструмента или инженерный расчет по геометрическому подобию; САПР пакет для трехмерного представления моделей и анализа их прочности; КЭ ВС.

4. Проведён на основе результатов математического и физического моделирования анализ причин возникновения брака при вальцовке и предложены рекомендации по его устранению. Установлено, что вальцовка заготовок с от-

носительной длиной 1Пок/йпок < 2,7 приводит к возникновению значительных торцевых утяжин. Начало проскальзывания заготовки по инструменту, приводящее к её смятию и определяемое по повышению распорного усилия на 810% от первоначального или его снижению на 40-60% в установившемся режиме процесса, необходимо устранить увеличением сил контактного трения, восстановив, например, технологическую насечку на боковых гранях клинового инструмента. Показано влияние исходной позиции заготовки на величину сдвиговых напряжений асдв, действующих по оси, при вальцовке ступенчатых несимметричных поковок. Установлено, что наличие на клиновом инструменте углов наклона боковых граней, равных 90°, может приводить к браку при асдв >

Фдоп*

5. Разработана на основе результатов математического и физического моделирования процесса вальцовки комплексная методика автоматизированного проектирования клинового инструмента и технологических процессов вальцовки сплошных цилиндрических ступенчатых поковок, позволяющая осуществить рациональный выбор формы и размеров исходных заготовок, основных технологических параметров процесса, что обеспечивает повышение коэффициента использования металла на 10-15%.

6. Спроектированы на основе разработанной методики и изготовлены комплекты экспериментального и промышленного клинового инструмента и оснастки для плоской поперечно-клиновой вальцовки, обеспечивающие устойчивое деформирование сплошных ступенчатых цилиндрических поковок.

7. Разработана на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований эффективная технология производства плоской поперечно-клиновой вальцовкой сплошных ступенчатых цилиндрических поковок. Изготовлена в условиях Государственного научного учреждения «Физико-технический институт HAH Беларуси» промышленная партия поковок типа «цапфа» для автомобильной промышленности. Экспертиза качества этих поковок показала их соответствие требованиям технических условий.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Технологические возможности процесса поперечно-клиновой вальцовки полых трубных полуфабрикатов и изделий / Д.А. Шаронов, В.П. Троицкий, М.А, Шаронов, М.А. Цепин // В сб. Труды третьего конгресса прокатчиков. Липецк, 19-22 октября 1999 г., -М.: «АО Черметинформация», 2000, с. 178-184.

2. Технологические возможности процесса поперечно-клиновой прокатки полых трубных изделий / Д.А. Шаронов, В.П. Троицкий, М.А. Шаронов, М.А. Цепин // Производство проката, 2000, № 8, с. 30-33.

3. Шаронов Д.А., Шаронов М.А., Цепин М.А. Сравнительный анализ характеристик напряженно - деформированного состояния в поперечном сечении сплошных и полых заготовок при плоской поперечно-клиновой вальцовке. Кузнечно-штамповочное производство, 2002 г. № 6, с. 25-27.

4. Особенности разработки технологического процесса поперечно-клиновой вальцовки трубных заготовок / Д.А. Шаронов, В.П. Троицкий, М.А. Шаронов, М.А. Цепин // Сталь, 2002, №2, с. 55-57.

5. Шаронов Д.А., Шаронов М.А., Цепин М.А. Анализ напряженно-деформированного состояния в поперечном сечении сплошных и полых заготовок при плоской поперечно-клиновой вальцовке. Кузнечно-штамповочное производство., 2003, №5, с. 12-17

6. Шаронов Д.А., Кобелев А.Г., Цепин М.А. Математическое моделирование процесса плоской поперечно-клиновой вальцовки сплошной заготовки. Прогрессивные технологии обработки металлов давлением. Материалы международной конференции. Минск, БИТУ 18-22 мая 2004 г. Минск. УП «Экспертиза», 2004 с. 101-106.

7. Шаронов Д.А., Кобелев А.Г. Экспериментально-теоретический метод моделирования процесса плоской поперечно-клиновой вальцовки. Теория и технология процессов пластической деформации — 2004 Материалы международной научно-технической конференции Москва, МГИСиС(ТУ) 26-27 октября 2004, с 208-210

8. Шаронов Д.А., Кобелев А.Г., Шаронов М.А Моделирование процесса плоской поперечно-клиновой вальцовки. Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением. Сб. труд. МГВМИ. Вып. №5, -М.: УП «Экспертиза», 2005, - с. 77-81

9. Шаронов Д.А., Шаронов М.А., Цепин М.А. Экспериментально -теоретическое исследование процесса плоской поперечно-клиновой вальцовки. Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов. Труды международной научно-технической конференции Санкт-Петербург. Изд-во С-Пб ГПУ 2005, с.134- 137

Заказ № 240/10/06 Подписано в печать 27.10.2006 Тираж 120 экз. Усл. пл. 1

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76; (495) 778-22-20 www.cfr.ru ; е-таИ:info@cfr.ru

1 Анализ тенденций использования методов физического и математического моделирования для исследования процесса плоской поперечно клиновой вальцовки.

1.1 История развития, современное состояние и направления совершенствования процессов ПКВ.

1.2 Обзор основных технологических схем и способов осуществления ПКВ сплошных цилиндрических заготовок.

1.3 Сущность процесса ГТПКВ.

1.4 Основные методы исследования процессов ППКВ.

1.5 Обзор работ по применению МКЭ для моделирования процессов ОМД

1.6 Цели и задачи настоящего исследования.

2 Объекты исследования и основные методики сбора и обработки экспериментальных данных.

2.1 Описание и основные характеристики материалов, применявшихся при исследовательских работах.

2.2 Лабораторное и опытно-промышленное исследовательское оборудование.

2.3 Общая методика обработки экспериментальных данных.

2.3.1 Методика обработки данных физического моделирования.

2.3.2 Методика аппроксимации реологических характеристик конструкционных сталей.

2.4 Общая методика математического моделирования, оборудование для обработки цифровых данных и оформления работы.

2.4.1 Общая методика математического моделирования.

2.4.2 Оборудование, использованное для обработки цифровых данных экспериментов и оформления работы.

2.5 Выводы по 2 главе.

3 Методики физического и математического моделирования процессов горячей деформации.

3.1 Подходы Эйлера и Лагранжа к описанию деформирования сплошных сред.

3.2 Краевые задачи в теории ОМД.

3.3 Вариационные формулировки краевых задач обработки металлов давлением.

3.3.1 Понятие вариационного принципа.

3.3.2 Вариационные постановки краевых задач для жесткопластических тел.

3.3.3 Вариационная формулировка Маркова - Германна.

3.4 Линеаризация определяющих соотношений для жесткопластического тела.

3.5 Моделирование тепловых процессов при ОМД.

3.5.1 Стационарные процессы теплообмена.

3.5.2 Моделирование нестационарных процессов теплообмена.

3.6 Применение метода конечных элементов к решению трехмерных задач обработки металлов давлением.

3.6.1 Формулировка задачи и допущений МКЭ.

3.6.2 Формулировки подходов к удовлетворению условия несжимаемости.

3.6.3 Учет несжимаемости металла с помощью метода штрафных функций.

3.6.4 Учет несжимаемости металла в смешанной вариационной формулировке.

3.7 Разработка методики моделирования.

3.8 Выводы по 3 главе.

4 Физическое и математическое моделирование технологических процессов ППКВ.

4.1 Цели и задачи физического моделирования процесса ППКВ.

4.2 Выбор метода физического моделирования процессов ППКВ и процесс производства сплошных слоистых моделей.

4.2.1 Выбор метода физического моделирования.

4.2.2 Создание слоистых моделей.

4.3 Порядок проведения физического моделирования.

4.3.1 Подготовка исходной заготовки к вальцовке.

4.3.2 Подготовка и наладка опытно-экспериментальной оснастки.

4.3.3 Подготовка вальцованных заготовок к анализу.

4.4. Результаты физического моделирования.

4.5 Цели и задачи математического моделирования.

4.6 Выбор программного обеспечения для моделирования и проведение оценочных расчетов.

4.6.1 Анализ ППКВ сплошных поковок при помощи разбиения объемной задачи на несколько плоских.

4.6.2 Моделирование процесса ППКВ с применением САПР ЗоНсШогкз 2005 и ВС Бейпл-ЗБ.

4.7 Результаты математического моделирования.

4.8 Выводы по 4 главе.

5 Разработка и оптимизация технологических процессов ППКВ согласно комплексной методике проектирования.

5.1 Совершенствование алгоритма разработки технологических процессов ППКВ.

5.2 Применение комплексной методики к оптимизации технологического процесса ППКВ поковки типа «шаровый палец».

5.3 Применение комплексной методики к разработке технологического процесса ППКВ поковки типа «цапфа».

5.4 Анализ качества продукции при помощи металлографического исследования вальцованных поковок.

5.5 Выводы по 5 главе.

6 Выводы по работе

1. Установлены на основе комплексного исследования, в том числе на промышленном оборудовании, особенности и закономерности пластического деформирования поковок при плоской поперечно-клиновой вальцовке: сложная форма контактной поверхности; локализация и перемещение очага деформации; неравномерный характер контактных давлений и напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и др. Выявлен эффект закручивания волокон, зависящий от сил контактного трения. Его величина по оси поковки максимальна в середине поковки и снижается к её краям, а в поперечном сечении снижается от периферии к центру поковки. В осевой области поковок возникают значительные растягивающие напряжения, которые могут приводить к нарушению сплошности или их разрушению.

2. Выявлен эффект проскальзывания заготовки по инструменту, зависящий, в основном, от величины сил контактного трения и геометрических параметров клинового инструмента. Установлена зависимость проскальзывания от величины распорного усилия: в момент начала проскальзывания наблюдается резкое (на 40-60%) падение распорного усилия, что свидетельствует о нестабильности процесса вальцовки, особенно на заходном участке клинового инструмента. Увеличение сил контактного трения снижает величину распорного усилия и, как следствие, величину тянущего усилия.

3. Предложено на основе анализа современного состояния теоретических основ математического и физического моделирования, вычислительных систем и программного обеспечения использовать их для разработки методик комплексного исследования и проектирования инструмента и технологического процесса вальцовки в следующем сочетании: система расчета инструмента или инженерный расчет по геометрическому подобию; САПР пакет для трехмерного представления моделей и анализа их прочности; КЭ ВС.

4. Проведён на основе результатов математического и физического моделирования анализ причин возникновения брака при вальцовке и предложены рекомендации по его устранению. Установлено, что вальцовка заготовок с относительной длиной 1ПОк/с1пок < 2,7 приводит к возникновению значительных торцевых утяжин. Начало проскальзывания заготовки по инструменту, приводящее к её смятию и определяемое по повышению распорного усилия на 8-10% от первоначального или его снижению на 40-60% в установившемся режиме процесса, необходимо устранить увеличением сил контактного трения, восстановив, например, технологическую насечку на боковых гранях клинового инструмента. Показано влияние исходной позиции заготовки на величину сдвиговых напряжений осдв, действующих по оси, при вальцовке ступенчатых несимметричных поковок. Установлено, что наличие на клиновом инструменте углов наклона боковых граней, равных 90°, может приводить к браку при осдв > од0п.

5. Разработана на основе результатов математического и физического моделирования процесса вальцовки комплексная методика автоматизированного проектирования клинового инструмента и технологических процессов вальцовки сплошных цилиндрических ступенчатых поковок, позволяющая осуществить рациональный выбор формы и размеров исходных заготовок, основных технологических параметров процесса, что обеспечивает повышение коэффициента использования металла на 10-15%.

6. Спроектированы на основе разработанной методики и изготовлены комплекты экспериментального и промышленного клинового инструмента и оснастки для плоской поперечно-клиновой вальцовки, обеспечивающие устойчивое деформирование сплошных ступенчатых цилиндрических поковок.

7. Разработана на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований эффективная технология производства плоской поперечно-клиновой вальцовкой сплошных ступенчатых цилиндрических поковок. Изготовлена в условиях Государственного научного учреждения «Физико-технический институт HAH Беларуси» промышленная партия поковок типа «цапфа» для автомобильной промышленности. Экспертиза качества этих поковок показала их соответствие требованиям технических условий.

1. Балин А.Ф., Рогов И.В., Поздняков О.Д. Поперечно-клиновая прокатка. Расчет технологических параметров и конструирование оснастки. Горький ГПКТИ.: 1974.

2. Holub J., Transverse hot rolling // Mashinery.-1969.-№ 102(3)-P. 129134.

3. Tomas A., Transverse rolling of performs for drop forging // Proc. 1st. int. conf. on rotary metalworking processes-London U.K.-1979.-P. 147156.

4. Tsukamoto H., Morimoto K. Cross roll method for the production of axisymmetrical // Proc. 2nd. int. conf. on rotary metalworking processes-Stratford U.K.-1982.-P. 9-20.

5. Johnson W., Mamalis A.G. A survey of some physical defects arising in metal working processes // Proc. 17th. int. MTDF conf.-London U.K.-1977.-P. 607-621.

6. Lebek A. Rollmachine zur herstellung von rotationssymmetrischen korpern. Deutsches Patent.-l0089 V.-l 879.

7. Gotse J. Redman tools to build Holub transverse hot-rolling machines // Mach. Prod.-Engng.-1968.-P. 480-481.

8. Rogers S.E. Wedge-roll forming makes UK debut // Metalworking Prod.-l 969.-P. 43-45.

9. Astrop A.W. High-volume productions of stub shafts by transverse roll forging //Math. Prod.-Engng.-1971 -P. 46-47.

10. Awano T. Report of Japan Physics and Chemistry Institute.-1955.-P. 710.

11. Веремеевич Ю.Н., Суворин Е.П., Горовой P.С. и др. Устройство автоматических поперечно-клиновых прокатных станов // Кузнечно-штамповочное производство.-1976.-С. 29-31.

12. Андреев Г.В., Макушок Е.М, Сигал В.М и др. Оборудованиепоперечной прокатки. Патент CCCP.-A.S.460925.-1975.

13. Moskel J. Application of cross wedge rolling // Unformtechnik.-1991.-P. 51-56.

14. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. М: Радио и связь, 1994, 592 с.

15. Никитин В.А., Телевизионные антенны на выбор. М: Изд. «Солон-Р», 1999.

16. Пат. 2001284960 A Japan, CI (H01Q 21/06), Sheet Metal Antenna / Lon В, Korischl, Wuhui A.-2001.

17. Колачев Б.А., Ливанов B.A., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов. -М: Металлургия 1981.

18. Батышев А.И. Базилевский Е.М, Бобров В.И. Штамповка жидкого металла. -М, Машиностроение, 1978.

19. 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.-1994.-P. 302-320.

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

21. Биба Н.В., Лишний, А.И., Стебунов С.А. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки //Кузнечно-штамповочноепроизводство.-2001.-№ 5.-С.39-44

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

23. ГОСТ 3778-77. Свинец. Технические условия. Переизд. янв. 1998. -М: ИПК Издательство стандартов, 1998.

24. ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. Переизд. дек. 1996 с изм 1-5. М: ИПК25