автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Малогабаритный стан для высокотемпературной винтовой прокатки заготовок из тугоплавких металлов в вакууме

005058102

На правах рукописи

ТУКТАРОВ ЕВГЕНИЙ ЗИНУРОВИЧ

МАЛОГАБАРИТНЫЙ СТАН ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ЗАГОТОВОК ИЗ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ

Специальность 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ 2013

МОСКВА-2013

005058102

Работа выполнена на кафедре инжиниринга технологического оборудования (ИТО) в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Горбатюк Сергей Михайлович

Официальные оппопепты:

Роберов Илья Георгиевич доктор технических наук, главный технолог ФГУП

«Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации»

Стоппе Екатерина Викторовна кандидат технических наук, доцент НИТУ «МИСиС»

Ведущая организация:

ОАО «Институт Цветметобработка»

Защита состоится "22" мая 2013 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.132.09 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки НИТУ «МИСиС» Автореферат разослан "19" апреля 2013 года

Справки по телефону: (495) 638-46-56 E-mail: irina@pdss.misis.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

Ионов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Прутки и проволока из тугоплавких металлов находят широкое применение в электротехнической, электронной, оборонной промышленности. В подавляющем большинстве случаев эти изделия изготавливают из спеченных заготовок (штабиков), представляющих собой прутки квадратного сечения, получаемые методами дорошковой металлургии. Наиболее трудоемкой операцией в процессе деформации штабиков является ротационная ковка с ручной подачей заготовки, применяемая для получения прутков круглого сечения диаметром 7-10 мм. К основным недостаткам ротационной ковки штабиков относятся малая производительность оборудования, иизкий выход годной продукции и тяжелые условия труда, связанные с шумом, вибрацией, загрязнением окружающей среды токсичными соединениями тугоплавких металлов. Поэтому одной из актуальных задач в процессе совершенствования технологии производства изделий из тугоплавких металлов является устранение операции ротационной ковки с ручной подачей заготовки путем замены этого технологического передела более эффективным.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи - разработке оборудования для производства высококачественных заготовок из тугоплавких металлов в соответствии с Госконтрактом №.9253р/14958 от 06.05.2011 г. Работа выполнена в рамках программ Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К» и «Старт»'

Цель работы.

Разработка нового оборудования и технологического инструмента для производства прутков из штабиков тугоплавких металлов на основе развития теоретического аналща геометрических, кинематических и энергосиловых параметров винтовой прокатки с использованием современных методов автоматизированного параметрического проектирования и виртуального исследования ЗО моделей элементов разработанной конструкции с целью оценки ее работоспособности.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи. • Усовершенствована методика расчета профиля валков стана винтовой прокатки, позволяющая проводить сравнительную оценку процессов, реализуемых в клетях различных конструкций.

1 http://www.fasie.nl/fund ргоегатп15/итп1к/итгпк-тс!ех.аягх

, ' 3

\

• Разработана программа расчета калибровки валков, позволяющая с помощью системы ЗО-моделирования Autodesk Inventor создавать и анализировать трехмерную параметрическую модель валков станов винтовой прокатки.

• Разработана ЗО-модель рабочей клети вакуумного стана винтовой прокатки с помощью которой выполнена оценка ее прочности и жесткости.

• Предложена методика оценки работоспособности цилиндрического соединения с натягом по условиям прочности и износостойкости.

• Усовершенствована математическая модель и разработана программа расчета нагрева и охлаждения вольфрамовых штабиков в вакууме.

Научная новизна.

• Универсальная методика расчета диаметра прокатываемой заготовки и величины зазора между валками по длине очага деформации на основе системы 3D-моделирования Autodesk Inventor.

• Результаты исследования калибровок валков, предназначенных для винтовой прокатки прутков диаметром 7 мм из заготовок диаметральным размером 15 мм, и способ производства прутков из вольфрамовых штабиков.

• Результаты виртуального исследования рабочей клети вакуумного стана МАМП-10 на основе ее 3D модели.

• Методика оценки работоспособности цилиндрического соединения с натягом, которая обеспечивает рациональный выбор посадки по условиям прочности соединяемых деталей и износостойкости контактных поверхностей.

• Математическая модель расчета температуры прокатываемых заготовок, позволившая оптимизировать термомеханические режимы обработки заготовок из пористых материалов.

Практическая значимость

• Разработана новая конструкция малогабаритного стана МАМП-10, предназначенного для высокотемпературной винтовой прокатки заготовок из тугоплавких металлов в вакууме.

• Рассчитана и внедрена на Светловодском казенном комбинате твердых сплавов и тугоплавких металлов (СККТСиТМ) калибровка валков, предназначенная для прокатки прутков диаметром 7,3 мм из вольфрамовых штабиков 10,5x10,5 мм, и выпущена опытная партия прутков диаметром 7,3 мм марки ВА, полученная винтовой прокаткой валками предложенной калибровки. Качество полученных прутков соответствует ГОСТ 23949-80.

• В условиях Государственного предприятия «Инженерный центр твердых сплавов «Светкермет» из этих прутков были изготовлены катоды электронных пушек размером 3x0,6x115 мм, которые отличаются повышенной стойкостью.

• Разработано и передано ОАО «ЭЗТМ» автоматизированное рабочее место калибровщика валков стана винтовой прокатки.

• Разработана конструкция вводной экранирующей проводки, позволяющей стоить охлаждение заднего конца прокатываемой заготовки.

Результаты работы используются в учебном процессе в рамках курса «Автоматизированное проектирование оборудования и технологий», при выполнении курсовых и дипломных проектов, выпускных работ студентами, обучающимися по специальности 150404 «Металлургические машины и оборудование» и по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование»

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена соблюдением соответствующих современных методик при проведении экспериментов, проверкой математической модели на адекватность и подтверждена хорошим соответствием экспериментальных данных с результатами расчетов.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации доложены на конкурсе студенческих работ им. А.И. Целикова (Москва, ВНИИМЕТМАЩ 2008 г.); международной, межвузовской и институтской научно-технической конференции «64-е дни науки студентов МИСиС» (Москва, НИТУ «МИСиС», 2009 г.); VI Международную научно-техническую конференцию «Инновационные технологии обработки металлов давлением» (посвящается 100-летию со дня рождения проф. д.т.н., академика АН КазССР П.И. Полухина «МИСиС», 2011 г.), объединенном научном семинаре кафедр ИТО и TOTTI НИТУ «МИСиС» (Москва, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 публикованных работах, две из которых - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Она изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 8 таблиц. Библиографический список включает 92 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ввсдеппи дан анализ технологических процессов и оборудования для производства тугоплавких металлов, обоснован выбор направления исследований,

показана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований.

Первая глава посвящена обзору научно-технической и патентной литературы.

Одним из эффективных способов деформации пггабиков тугоплавких металлов является винтовая прокатка. Впервые метод винтовой прокатки сплошных тел в трехвалковом стане был предложен ВНИИМЕТМАШем (А.И. Целиков) для прокатки периодических профилей диаметром 10-20 мм. В МВТУ им. Баумана (В.А. Жаворонков, Г.Г. Мухин) были прокатаны прутки сплошного сечения диаметром 20 мм с большими коэффициентами вытяжки за проход (до 12). В Московском энергетическом институте (P.M. Голубчик) получены положительные результаты при прокатке прутков в стане винтовой прокатки со смещенной осью. Для производства прутков эффективно применяются министаны винтовой прокатки (Б.А. Романцев, С.П. Галкин), литейно-прокатные агрегаты с клетями поперечно-винтовой прокатки разработки ВНИИМЕТМАШ.

В процессе высокотемпературной деформации тугоплавких металлов происходит их окисление и насыщение кислородом, азотом и другими активными компонентами воздуха, что приводит к снижению пластичности и разрушению металла, поэтому при нагреве тугоплавких металлов до температур выше 1000 "С необходима их защита от окисления.

В 1990-е годы МИСиС совместно с ЭЗТМ (И.Н. Потапов, П.М. Финагин, С.М. Горбатюк, и др.) разработали серию станов винтовой прокатки, предназначенных для производства прутков из тугоплавких металлов. Основным недостатком конструкции этих станов были большие габариты и высокая стоимость оборудования. Не удалось реализовать в промышленных условиях вакуумирование процесса прокатки. Наконец, в связи с распадом СССР отрасль промышленности, перерабатывающая тугоплавкие металлы, оказалась в состоянии стагнации и большая часть оборудования пришла в негодность. Тем не менее, промышленные испытания этих станов показали эффективность применения винтовой прокатки для деформации штабиков тугоплавких металлов.

Проведенный анализ существующих способов обработки тугоплавких металлов, методов винтовой прокатки сплошных заготовок, конструктивных особенностей вакуумных прокатных станов позволил сделать вывод о том, что для возрождения перспективного способа деформации штабиков тугоплавких металлов винтовой прокаткой в вакууме необходимо создание нового оборудования, которое отвечало бы комплексу следующих требований.

1. Деформация заготовок должна проводиться в 3-хвалковой клети.

2. Рабочие валки и элементы конструкции стана должны воспринимать значительные нагрузки и обладать высокой износостойкостью.

3. Нагревательное оборудование должно обеспечивать нагрев заготовки перед прокаткой до температуры не менее 1300 °С.

4 Зоны нагрева, деформации и охлаждения проката должны быть герметизированы и сохранять рабочий вакуум 0,1-10 Па

Вторая глава посвящена разработке нового способа винтовой прокатки прутков диаметром 7 мм из вольфрамовых штабиков сечением 10,5x10,5мм в новом катибре рассчитанном по усовершенствованной методике проектирования валков станов винтовой прокатки. Здесь же приведены результаты исследования очага деформации при прокатке на основе САПР Autodesk Inventor.

Различные схемы прокатки (продольная, поперечная, винтовая) отличаются друг от друга взаимным положением осей валков и оси прокатываемой заготовки. Процесс винтовой прокатки реализуется лишь в том случае, когда ось прокатки и ось валка являются скрещивающимися прямыми (рис, 1), взаимное положение которых в пространстве однозначно определяется двумя параметрами: а - углом между осями валка и прокатки; р - расстоянием между осями валка и прокатки.

При винтовой прокатке р Ф 0 и а ¿ 0 причем a Ф 90°. В этом случае прокатываемая заготовка совершает поступательное и вращательное движение со скоростями v и со соответственно (рис. 1).

Рис. 1 - Схема винтовой прокатки: 1 - прокатываемая заготовка, 2 - валок

Впервые параметры а и р для расчета профиля очага деформации в зависимости от формы валка применил Ю.М. Миронов. Не менее актуальной является обратная задача:

расчет профиля вшжа в зависимости от задаваемого профиля очага деформации.

В работах С.М. Горбатюка приведена методика расчета калибровки валка в зависимости от задаваемого профиля очага деформации и отмечено, что рассчитанная калибровка валка обеспечит задаваемый профиль очага деформации только для случая поперечной прокатки. Во всех других случаях реальный профиль очага деформации будет отличаться от задаваемого. Там же приведена методика оценки величины этого отклонения путем решения обратной задачи: расчета профиля очага деформации г(х) в зависимости от заданной калибровки валка R(X) и параметров а ир и проверки величины зазора между валками трехвалковой клети стана винтовой прокатки.

С появлением современных систем автоматизированного проектирования (САПР) перечисленные выше задачи могут быть решены более простыми и наглядными способами.

Автором разработана программа2 в виде Web-приложения3 расчета калибровки валка RpC) в зависимости от заданного профиля очага деформации г(х) и параметров аир адаптированная к CAIIP Autodesk Inventor. Результаты расчета калибровки валка R(X) выводятся в виде иллюстрации (рис. 2, а), в формате *.dwg и в виде таблицы формата Microsoft Excel. Полученные результаты передаются в САПР Autodesk Inventor, в которой по предложенному автором алгоритму создается трехмерная модель валков рассчитанного профиля (рис. 2, б).

Рис. 2 - Визуализация схемы прокатки, полученная по разработанной программе (а) и в САПР Autodesk Inventor (б), рассчитанная для прокатки прутка диаметром 7 мм при «=60°

ир=3,5 мм

Графическое исследование сечений такой модели на двухмерном чертеже

2 Осадчий В.А., Горбанок С.М., Туктаров Е.З. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610750. Расчет геометрических, кинематических и энергосиловых параметров винтовой прокатки .Заявка №20116118657 от 13.10.2011 г. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 16.01.2012.

3 Программа размещена на сайте МИСиС Ьщ>://есопот-ПЦ51Е-ги/

/

а

б

позволяет легко определить диаметр прокатываемой заготовки с! в зависимости от координаты его сечения л: и величин)' зазора между валками в рассматриваемом сечении путем прямого измерения.. На рис. 3 приведен пример исследования калибровки валков стана винтовой прокатки МАМГ1-10, рассчитанной для прокатки прутков диаметром 7 мм.

з

а б

Рис. 4 - Визуализация схемы прокатки, полученная по разработанной программе (а) и в САПР Autodesk Inventor (б), для прокатки прутка диаметром 7 мм при а=12° и р=20 мм

Следует отметить, что разработанная методика является универсальной и может быть использована при проектировании валков станов винтовой прокатки различных конструкций (рис. 4).

Рис.3

- Результаты исследование калибровки валков стана винтовой прокатки РСПВ-10

По разработанной методике для стана РСПВ-10 СКТСиТМ была рассчитала и исследована новая калибровка валков, на основании которой был разработан новый способ винтовой прокатки прутков диаметром 7,5 мм из вольфрама марки ВА сечением 10,5x10,5 мм. Новая калибровка, в сравнении с ранее используемой, позволила

существенно повысить качество поверхности получаемых прутков за счет увеличения длины калибрующего участка очага деформации. В частности, длину калибрующего участка удалось увеличить с 12 до 15 мм, что позволило снизить величину отклонения от цилиндричности поверхности проката с 0,1 до 0,05 мм.

Третья глава посвящена разработке нового оборудования и исследованию 30-модели рабочей клети малогабаритного стана для высокотемпературной винтовой прокатки вольфрамовых штабиков сечением 10,5x10,5 мм в вакууме.

В НИТУ МИСиС на кафедре машин и агрегатов металлургических предприятий (каф. МАМП) разработана конструкция малогабаритного вакуумного стана винтовой прокатки МАМП-10. Автор принимал активное участие в этих работах, в частности, выполнил проект вакуумной рабочей клети оригинальной конструкции4, спроектировал рабочие валки, усовершенствовал вводную проводку.

Проектирование стана велось на основе теоретических расчетов, с учетом результатов анализа отечественных и зарубежных конструкторских решений.

При проектировании к оборудованию предъявлялись следующие основные требования:

-возможность деформации заготовок диаметральным размером 10-15 мм до получения прутков диаметром 7-10 мм;

- достаточно высокая прочность и жесткость механизмов и узлов прокатной клети;

- необходимость высокотемпературного нагрева заготовок перед прокаткой;

- возможность герметизации зон нагрева, деформации и охлаждения металла;

- обеспечение условий для быстрой смены рабочих валков;

Стан МАМП - 10 (рис. 5) представляет собой комплекс прокатного, вакуумного и нагревательного оборудования, предназначенного для высокотемпературной винтовой прокатки прутков малых диаметров в вакууме. Трехвалковая рабочая клеть стана (рис. 6) состоит из станины 1, в расточках которой через 120° смонтированы узлы рабочих валков 2. Герметичность зоны деформации обеспечивают вакуумные уплотнения 3, расположенные в крышках подшипниковых узлов. Рабочие валки смонтированы на приводных валах 4, крутящий момент которым передается через зубчатую передачу 5 от электродвигателей 6. Валки расположены в клети под углом 60° к оси прокатки и тангенциально смещены относительно ее на 7 мм. Параметры, характеризующие взаимное

Вакуумная клеть стана винтовой прокатки. Зарегистрировано в Депозитарии ноу-хау Отдела защиты интеллектуальной собственности №35-022-2009 ОИС от 03.12.2009.

Рабочая клеть вакуумного стана винтовой прокатки МАМП-10. Решение о вьщаче патента РФ от 26.12.12 по заявке № 2011133288 от 08.08.2011

положение осей прокатки и валков были определены в результате изучения опыта эксплуатации стана РСПВ-10 СККТСиТМ.

Рис. 5 - Вакуумный стан винтовой прокатки МАМП-10: 1 - устройство загрузки заготовок, 2 - нагревательная печь, 3 - прокатная клеть, 4 - рабочие валки, 5 - устройство выгрузки проката, 6,7 - механические вакуумные насосы, 8 - высоковакуумный агрегат

Герметизация стана выполнена по типу «валки-камера», при котором в вакууме находятся только рабочие валки. Остальные элементы конструкции валковых узлов (подшипники, зубчатые колеса и т.п.) вынесены за пределы вакуумной камеры, благодаря чему существенно упрощается способ их смазки.

Для оценки работоспособности элементов конструкции стана МАМП-10 в САПР Autodesk Inventor была разработана 3-D модель его рабочей клети. Моделирование

в

- разрез по оси прокатки в

а б

Рис. 6 - Рабочая клеть стана МАМП-10: а - фронтальный вид, б - ЗО модель (пояснения в тексте).

наиболее ответственных элементов конструкции было выполнено в параметрической форме, что позволило провести оперативный анализ напряжений и деформаций, действующих в деталях в зависимости от внешних нагрузок. Технические характеристики стана приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики стана МАМП-10

Наименование характеристики Ед. изм. Значение параметра

Мощность привода валков кВт 3x11

Максимальный диаметр валков мм 40

Угол наклона валков к оси прокатки град 60

Тангенциальное смещение валков мм 7

Частота вращения валков об/мин 250

Максимальная температура нагрева "С 1300

Объем вакуумных камер мЗ 0,005

Рабочий вакуум Па 0,1 - 10

Максимальный диаметр заготовки мм 20

Минимальный диаметр проката мм 5

Максимальная длина проката мм 1500

Масса рабочей клети кг 850

В четвертой главе рассматриваются вопросы обеспечения работоспособности цилиндрических соединений с натягом, и приводится методика расчета посадки с натягом цилиндрических соединений малогабаритного стана, которая обеспечивает рациональный выбор посадки по условиям прочности соединяемых деталей и износостойкости контактных поверхностей.

Соединение с натягом должны гарантировать фиксацию контактирующих поверхностей без их относительного проскальзывания. Это реализуется за счет назначения соответствующих натягов. Вследствие разброса значений коэффициента трения и натяга при приложении внешней (чрезмерной) нагрузки и вибрации может возникнуть относительное смещение контактирующих поверхностей, что отрицательно сказывается на дальнейшей способности передавать полную нагрузку. При действии переменных нагрузок, особенно в момент пуска и остановки, на сопряженных поверхностях у торцов соединяемых деталей возникают микроперемещения и фретпшг-коррозия (И.В.Крагельский, Б.И. Костецкий, Ю.В.Жиркин и др.).

При рассмотрении процессов изнашивания все характеристики, относящиеся к микрогеометрии поверхности, могут быть объединены безразмерным комплексным параметром

D

Д z= max

Здесь Дни, - наибольшая высота неровностей профиля, Ь и v - параметры опорной кривой профиля, гза - приведенный средний радиус кривизны вершин выступов, равный

V ■ V

_ прод попер

Гсред ~ '

К 4~Г

прод попер

где /-„pod и г„ш - средние значения радиусов кривизны вершин выступов в продольном и поперечном направлениях.

Принципиально важным здесь является то, что наряду с классом шероховатости большое значение играет и технология обработки поверхностей, от которой зависят остальные характеристики, входящие в формулу (1). Для приработанных поверхностей, которые характеризуются равновесной шероховатостью, параметры опорной кривой профиля принимают достаточно устойчивые значения Ъ = v*2.

При проектировании соединений с натягом следует руководствоваться следующими основными рекомендациями.

1) На поверхностях трения должно реализовываться внешнее трение, которое определяется условием отсутствия смазочного материала

. 0,125 • НВ --

шер

i-6-i

Здесь НВ - твердость по Бринеллю менее твердого материала, МПа; Дшср - комплексная характеристика шероховатости; го и /? - фрикционные параметры, которые определяют величину касательных напряжений, возникающих в результате молекулярных воздействий; для большинства пар трения «металл-металл» без смазки % = 2,5...3 МПа и /3=0,02...0,15.

2) Для предотвращения заедания поверхностей при разборке соединения шероховатость более твердой поверхности должна соответствовать условию

V р

где 0 = (I - ц2)/Е - упругая постоянная, м2/МПа; ц - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости, МПа; р - давление, МПа.

3) Величина давления не должна превышать значения, соответствующего переходу упругопластических деформаций в пластические

/7 > 7,5 • ■ НВ5 ■ 04.

4) При подборе материалов пары трения необходимо учитывать возможность их схватывания.

Контактное давление р, МПа, связано с натягом Л^ м, зависимостью Ляме

N

ас'

(2)

где N - натяг в соединении, м; ¡1 - посадочный диаметр, м; С - коэффициент МПа , определяемый по формуле

\2

Е1 Ег Е1

1 + 1 ^

1-

-А

1

1+

1-

-М2

(3)

Здесь - диаметр отверстия охватываемой детали (для сплошного вала с1\ = 0); <1г -наружный диаметр охватывающей детали, м; Е\ и Е2 - модули упругости материала охватываемой и охватывающей поверхности, МПа; р! и р2 - коэффициенты Пуассона материала охватываемой и охватывающей детали.

В цилиндрических соединениях с натягом между контактирующими поверхностями, как правило, реализуется пластический ненасыщенный или насыщенный контакт.

Пластический насыщенный контакт реализуется в случае, если М>0,\2А-Ка-НВ-а-С где Кеб ~ коэффициент сборки (при тепловой сборке - К^ = 1, при прессовой сборке - Ксц = 0,5); НВ - твердость менее твердого тела, МПа; с/ - посадочный диаметр, мм; С -коэффициент, определяемый по формуле (3).

Максимально допустимый момент, не вызывающий изменения прочности соединении с натягом в условиях насыщенного пластического контакта, определяется по формуле

[м]=

0,378• » |"4'

ас

АЛШ ]

N

я-а2-1

(4)

где /т - молекулярная составляющая коэффициента трения, значение которой для практических расчетов можно принимать равной 0,12; /- длина контактной поверхности, м.

Пластический ненасыщенный контакт происходит в случае, если величина натяга N удовлетворяет условию

0,124 • Ксб ■ НВ ■ • С > N > 14,5 • с1■ 04 ■ НВ5 ■ С/(д^ }

Здесь <1 - посадочный диаметр, мм; Ашср - безразмерный комплексный показатель шероховатости; 0 = (1 - ц:)/Е - упругая постоянная, МПа"1; ц - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости менее твердого тела, МПа; НВ - твердость менее твердого тела, МПа; С - коэффициент, определяемый по формуле (3).

Максимально допустимый момент [М], не вызывающий изменения прочности соединении с натягом в условиях ненасыщенного пластического контакта, определяется по формуле

[М] =

¿•с '

; (5)

Расчеты показывают, что для большинства инженерных приложений в приведенных формулах (4) и (5) для максимально допустимого момента вторым слагаемым можно пренебречь. Тогда для обоих случаев формула для допускаемого момента принимает вид

[м] = 0,18-^с///С (6)

Минимально допустимая величина натяга Л',„;„ находится при приравнивании допустимого значения момента соответствующим значениям технологических моментов сопротивления М, т.е.

(7)

где ЛЯ - уменьшение натяга при прессовой сборке; при тепловой сборке - ЛЫ = 0.

Максимальный расчетный натяг Мтахг определяется из решения задачи о расчете толстостенных цилиндров и сводится к проверке на прочность в опасных точках, в которых действуют наибольшие напряжения растяжения и сжатия:

• на внутренней поверхности охватывающей детали

= <Г,г = Р-а г_аг> <Г3 = <Гг2 = ~Р; (8)

• на внутренней поверхности схватываемой детали

По теории наибольших касательных напряжений условие прочности имеет вид С учетом этого выражения из формул (8) и (9) получим

d\-d\ 2-е/.,

(П)

Из двух значений р[т меньшее значение ограничивает величину допускаемого давления, определяемого по формуле (2). Опасным элементом, как правило, является охватываемая деталь, и поэтому для сплошного вала (¿1 - 0) получим ртах = Оп/2. Тогда максимально допустимая расчетная величина натяга Ытахр согласно формулы (2) будет равна

Поскольку при сборке соединения происходит сглаживание шероховатостей, то максимальный фактический натяг принимают больше, полученного по формуле (12), на высоту неровностей профиля сопрягаемых поверхностей, т.е.

Обычно поверхности охватываемых деталей (валов) обрабатывают с шероховатостью К-л - 0,4...3,2 мкм, а охватывающих (отверстий) - с шероховатостью 11,2 = 0,8...6,3 мкм. Поэтому

По полученным расчетным величинам натяга Nnua и Nmi„ подбирается соответствующая стандартная посадка; чаще всего применяют посадки Н7/р6, Н7/гб, H7/s6, Н7Л7, Н7/гб. Н7и7.

Разработанная методика оценки работоспособности цилиндрического соединения с натягом по условиям прочности и износостойкости использована для выбора посадки твердосплавной вставки в стальной валок.

На основании проведенных исследований по предложенной инженерной формуле (4) для определения величины максимально допустимого момента при реализации в цилиндрическом соединении пластически ненасыщенного или насыщенного ко1ггакта были рассчитаны посадки с натягом для двух вариантов исполнения составных рабочих валков: для стана РСПВ-10 и стана МАМП-10.

В пятой главе дано описание разработанной математической модели и программы

(12)

iVuax = Лгт„,Р + 1.2(Rzi + Rzi)

(В)

Лмах = Лтах + (2...10) МКМ.

(14)

расчёта нагрева и охлаждения заготовки в защитной среде, а так же приведены результаты исследования влияния режимов термомеханической обработки штабиков при винтовой прокатке на температуру заднего конца прокатываемой заготовки.

Разработанная математическая модель предназначена для решения плоской температурной задачи для сечения прямоугольной формы.

При охлаждении металла имеет место нестационарный тепловой поток описываемый законом теплопроводности:

где Т-температура металла, К; х,у,2~ координаты; т - время.

X - коэффициент теплопроводности; р - плотность; с - теплоёмкость;

Уравнение (15) решается с учётом начальных и граничных условий, отражающих исходное состояние металла и особенности теплообмена на различных стадиях процесса.

Учитывая то, что штабик имеет значительно большую длину, чем размеры поперечного сечения, можно считать, что достаточно рассматривать двухмерное температурное поле.

Используем граничные условия третьего рода, определяющие температурный поток на границе тела:

где —■ - производная по нормали к поверхности; с1п

а - коэффициент теплоотдачи.

Гс - температура окружающей среды (воздуха), К.

Начальное распределение температур в поперечном сечении заготовки выражаем в виде параболы второго порядка:

где Г„, Тч - температура металла на поверхности и в центре; I - расстояние от точки до цешра;

2„ - расстояние от точки на поверхности до центра в данном направлении.

Из-за сложности полученных аналитических зависимостей для расчёта температуры металла, а также изменения теплофизических параметров в ходе технологического процесса, решение температурной задачи производится численным методом. С этой целью был использован хорошо зарекомендовавшим себя методом сеток, заключающийся в замене производных разностями. Метод позволяет по заданному распределению температуры в узлах сетки в данный момент времени вычислить распределение температуры во внутренних узлах в следующий момент времени:

г„=г+ Дг,

где Дг- шаг по времени.

Для численного решения дифференциального уравнения (15) была использована пятиточечная одношаговая явная разностная схема и соотношения, заменяющие производные конечными разностями.

При решении уравнения с помощью конечных разностей с использованием явной схемы для обеспечения устойчивости вычислений к величине шага по времени предъявляются определённые требования. Для внутренних точек сетки отношение между максимальной длительностью временного интервала и размером сетки составляет:

_с-р-( Ах)1 "" 2-Я

Для периферийных точек при расчете временного интервала учитываются краевые условия. Временной интервал для точек на поверхности тела выражается соотношением:

с-Р

Дг --

^Дх Х-Ах)

При отсутствии внутренних источников тепловыделений должно выполняться соотношение:

Аг<_ 1

* 4

где а™! - максимальное значение коэффициента температуропроводности для сечения в текущий момент времени, И - шаг сетки

При решении температурной задачи важное значение имеют теплофизические характеристики - теплоёмкость, теплопроводность, коэффициент линейного расширения, плотность, коэффициент теплоотдачи. Они зависят от физической природы материала, его температуры и являются функциями координат:

где и}, к- индексы узловых точек сетки.

Для эффективного моделирования температуры металла были получены аналитические зависимости в виде уравнений регрессии (16), позволяющие вычислять с применением компьютера упомянутые выше физические характеристики металла в виде функций температурь! с достаточной для практических расчётов точностью.

\=123.83-0.047081 Т+17.283-10-6-Т2 (16)

Относительное среднеквадратическое отклонение 4.64 %

с=124.44+20.7583-10'3-Т+2.5879-10'б-Т2 (17)

Относительное среднеквадратическое отклонение 1.807 %

При винтовой прокатке штабиков тугоплавких металлов существует вероятность недопустимого остывания заднего конца прокатываемой заготовки. Повышение температуры заднего конца прокатка при постоянной скорости прокатки может быть достигнуто экранированием зоны между нагревательной печью и рабочими валками.

Для экспериментального исследования влияния теплозащитного экрана на скорость охлаждения нагретого штабика было спроектировано и изготовлено устройство, схема которого приведена на рис. 7.

к яржфорпзпор!/

Рис. 7 - Схема устройства для измерения скорости охлаждения штабиков: 1 -корпус вакуумной камеры, 2 - зажим-электрод, 3 - вакуумметр, 4 - опора-термоизолятор, 5 - исследуемый штабик, 6 - экран, 7 - термопара, 8 - вольтметр, 9 - вакуумные

уплотнения.

В качестве экрана использовали молибденовый лист ВМ-1, ГОСТ1 90022-71 толщиной 0,2 мм, свернутый в трубу. Проведенные исследования показали, что деформация штабиков ВА 10,5x10,5мм в вакууме при скоростях прокатки 0,05-0,07 м/с

может быть осуществлена только с использованием теплозащитных экранов. Без их использования наблюдается недопустимое падение температуры заднего конца заготовки (рис. 8).

На основании статистической обработки результатов исследования скорости охлаждения штабиков марки ВА сечением 10,5x10,5 мм были получены регрессионные зависимости теплофизических характеристик (теплоёмкости, теплопроводности, плотности и коэффициента линейного расширения) от температуры.

Вместе с изменением температуры поверхности штабиков в ходе технологического процесса обработки металла давлением значительно изменяется также теплоотдача.

о. 1230

Р

О. 1130 ®

е

I 5800

заа

750

- экранирование

- без экрана

Время, с

Рис. 8 - Кривые охлаждения штабика ВА сечением 10,5x10,5 мм в защитной атмосфере с использованием экранирования и без него

Расчет суммарного коэффициента теплоотдачи, так же как и других теплофизических характеристик, осуществляли по формулам, полученным на основании статистической обработки экспериментальных данных:

для охлаждения без использования отражающего экрана (черная труба)

а =4.948+7.65-10-4-г (18)

для охлаждения с использованием теплоотражающего экрана

а =2.768+6.557- 10-4-г, (19)

где г -температура поверхности металла, °С.

В результате разработан алгоритм численного решения двухмерной температурной задачи нагрева и охлаждения металла реализованый на языке С# в среде Visual Studio 2010 в виде Web-приложения5.

Оценка точности расчёта температуры металла показала, что отклонение расчетных значений температуры от экспериментальных не превышает 5 % и разработанный алгоритм определения изменений температурного поля проката может быть применен в расчётах технологических процессов производства прутков из пггабиков тугоплавких металлов различного сортамента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана конструкция вакуумного стана, предназначенного для винтовой прокатки прутков минимальным диметром 5 мм из заготовок максимальным диаметральным размером 20 мм.

2. Разработан и опробован в промышленных условиях новый режим винтовой прокатки прутков диаметром 7,3 мм из штабиков марки ВА сечением 10,5x10,5 мм.

3. Усовершенствована методика и разработана в виде Web-приложения программа расчета профиля валков стана винтовой прокатки в зависимости от задаваемого профиля очага деформации.

4. Разработана 3-D модель рабочей клети стана винтовой прокатки МАМП-10, позволившая провести анализ напряжений и деформаций, действующих в деталях в зависимости от внешних нагрузок.

5. Разработана методика оценки работоспособности цилиндрического соединения с натягом, исходя из условий прочности деталей и износостойкости контактных поверхностей и установлены зависимости допустимой величины натягов от геометрических и физико-механических характеристик материалов стального основания и твердосплавной вставки валков, предназначенных для прокатки вольфрамовых штпабиков.

6. Разработана методика, алгоритм и программа для расчёта температурного поля метала при охлаждении штабиков вольфрама в вакууме с экранированием и без него, реализованая в виде Web-приложения в среде Visual Studio на языке С# и позволившая определить условия прокатки штабиков ВА сечением 10,5x10,5 мм.

7. Установлены зависимости для расчёта коэффициентов теплопроводности, теплоемкости и теплоотдачи вольфрамовых штабиков для различных условий охлаждения: с теплозащитным экранированием и без него.

5 Программа размещена 1и сайге МИСиС http-.//econom-misis.ni/

ОСНОВНЫЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Туктаров Е. 3. Вакуумная индукционная печь для нагрева тупниавких металлов // Металлургические машины и оборудование: сб. науч. трудов студентов и аспирантов МИСиС / - М.: Изд. Дом МИСИС. 2007. С.41-43.

2. - Горбатюк С.М., Каменев А. А., Туктаров Е. 3., Манаков А. А. Малогабаритный вакуумный стан винтовой прокатки МАМП-10 // Прогрессивные технологии пластической деформации. - М.: ИРИАС, 2009. - С. 369-378.

3. Горбатюк С.М., Осадчий В.А., Туктаров Е.З. Исследование геометрических параметров винтовой прокатки с помощью системы автоматизированного проектирования Autodesk Inventor // Металлург. 2011. № 8. С. 32-34. (Рекомендован ВАК)

4. Горбатюк С.М., Туктаров Е.З., Руденский JI.A. Малогабаритный стан для высокотемпературной винтовой прокагпси заготовок из тугоплавких металлов в защитных средах//Металлург. 2011.№9. С. 66-69. (Рекомендован ВАК)

5. S. М. Gorbatyuk, V. A. Osadchii, Е. Z. Tuktarov. Calculation of the geometric parameters of rotary rolling by using the automated design system Autodesk Inventor. Metallurgist 2011. Vol. 55, Numbers 7-8, Pages 543-546.

6. Осадчий B.A., Горбатюк C.M., Туктаров Е.З. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610750. Расчет геометрических, кинематических и энергосиловых параметров винтовой прокатки. Заявка №20116118657 от 13.10.2011 г. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 16.01.2012.

7. Горбатюк С.М., Осадчий В.А., Туктаров Е.З. Разработка методики исследования геометрических параметров винтовой прокатки / Инновационные технологии обработки металлов давлением: Сборник тезисов. - М.: НИТУ «МИСиС»,2011. С. 100.

8. Горбатюк С.М., Осадчий В.А., Туктаров Е.З. Исследование геометрических параметров винтовой прокатки с помощью системы автоматизированного проектирования Autodesk Inventor / Сборник докладов международной научно-технической конференции «Инновационные технологии обработки металлов давлением», посвященной 100-летию со дня рождения проф., д.т.н., академика АН КазССР, Героя Социалистического труда П.И. Полухина. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2011.463-466.

9. Горбатюк С.М., Туктаров Е.З., Руденский JI.A. Вакуумный стан для высокотемпературной прокатки заготовок из тугоплавких металлов / Сборник докладов международной научно-технической конференции «Инновационные технологии обработки металлов давлением», посвященной 100-летию со дня рождения проф., д.т.н.,

академика АН КазССР, Героя Социалистического труда П.И. Полухина. - М.::Изд. Дом МИСиС, 2011.541-546.

10. Туктаров Е.З. Применение системы автоматизированного проектирования Autodesk Inventor для исследования геометрических параметров винтовой прокатки / Металлургические машины и оборудование: сб. науч. трудов студентов и аспирантов МИСиС / - М.: Изд. Дом МИСиС, 2011. с. 53-57.

11. Туктаров Е.З. Перспекгивная конструкция вакуумного стана для высокотемперагурной прокатки заготовок из тугоплавких металлов / Металлургические машины и оборудование: сб. науч. трудов студентов и аспирантов МИСиС / - М.: Изд. Дом МИСиС, 2011. с. 57-64.

12. Туктаров Е.З., Пономаренко А.П. Анализ работоспособности цилиндрического соединения с натягом / Металлургические машины и оборудование: сб. науч. трудов студентов и аспирантов МИСиС / - М.: Изд. Дом МИСиС, 2011. с. 64-71.

13. S. М. Gorbatyuk, Е. Z. Tuktarov, L. A. Rudenskii. Small mill for the high-temperature rotary rolling of semifinished products composed of refractory metals in protective media. Metallurgist, 2012, Volume 55, Numbers 9-10, Pages 673-674.

14. Е.З. Туктаров, P.A, Иванов, A.B. Мартынов, Математическая модель расчета нагрева и охлаждения пористой заготовки в вакууме / Инжиниринг металлургического оборудования и технологий: Сб. науч. трудов студентов и аспирантов НИТУ «МИСиС» -М.: «Металлургия», 2012. с. 54-59.

Подписано в печать:

17.04.2013

Заказ № 8375 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МИСиС»

04201356995

На правах рукописи ТУКТАРОВ ЕВГЕНИЙ ЗИНУРОВИЧ

МАЛОГАБАРИТНЫЙ СТАН ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ЗАГОТОВОК ИЗ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор С.М. Горбатюк

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И

ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТУГОПЛАВКИХ

МЕТАЛЛОВ 8

1.1. Способы производства прутков из тугоплавких металлов 9

1.2. Технология и оборудование для винтовой прокатки

тугоплавких металлов 17

1.3. Цель и задачи работы 24

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 25

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ И

СПОСОБА ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ВОЛЬФРАМОВЫХ

ШТАБИКОВ 27

2.1. Анализ геометрических параметров процесса винтовой

прокатки 27

2.2. Программа расчета основных параметров винтовой

прокатки 30

2.3. Методика проектирования валков станов винтовой

прокатки на основе САПР Autodesk Inventor 42

2.4. Исследование различных вариантов калибровки валков для прокатки прутка диаметром 7 мм и выбор калибровки

валков для стана МАМП-10 49

2.5. Усовершенствование способа винтовой прокатки

вольфрамовых штабиков 58

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 64

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНОГО СТАНА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ВОЛЬФРАМОВЫХ ШТАБИКОВ 65

3.1. Малогабаритный вакуумный стан винтовой прокатки

МАМП-10 65

3.2. Разработка и исследование ЗБ- модели рабочей клети стана МАМП-10

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОСАДКИ С НАТЯГОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

4.1. Фрикционное взаимодействие твердых тел

4.2. Определение минимального натяга по условиям износостойкости

4.3. Определение максимального натяга по условиям прочности

4.4. Оценка работоспособности валков с твердосплавной вставкой

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ПРОГРАММЫ РАСЧЁТА НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ЗАГОТОВКИ В ЗАЩИТНОЙ СРЕДЕ

5.1. Анализ современных методик решения температурных задач

5.2. Разработка математической модели и программы расчёта нагрева и охлаждения пористой заготовки в защитной среде

5.3. Экспериментальное исследование влияния теплозащитного экрана на скорость охлаждения штабика нагретого в вакууме

5.4. Численная реализация решения температурной задачи с различными условиями теплоотдачи по периметру сечения металла

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Прутки и проволока из тугоплавких металлов, обладающие особыми физико-механическими свойствами находят широкое применение в электротехнической, электронной, оборонной промышленности. В подавляющем большинстве случаев эти изделия изготавливают из спеченных заготовок (штабиков), представляющих собой прутки квадратного сечения, получаемые методами порошковой металлургии.

Наиболее трудоемкой операцией в процессе деформации штабиков является ротационная ковка с ручной подачей заготовки, применяемая для получения прутков круглого сечения диаметром 7-10 мм. К основным недостаткам ротационной ковки штабиков относятся малая производительность оборудования, низкий выход годной продукции и тяжелые условия труда, связанные с шумом, вибрацией, загрязнением окружающей среды токсичными соединениями тугоплавких металлов. Поэтому одной из актуальных задач в процессе совершенствования технологии производства изделий из тугоплавких металлов является устранение операции ротационной ковки с ручной подачей заготовки путем замены этого технологического передела более эффективным.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи -разработке оборудования, технологического инструмента и способа производства высококачественных заготовок из тугоплавких металлов. Работа выполнена в рамках программ Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К» и «Старт»1

Новые прогрессивные способы деформации штабиков, такие как сортовая прокатка, гидроэкструзия, планетарная прокатка, не нашли широкого применения в промышленности из-за ряда недостатков, присущих специфике данных технологических схем. Основными из них являются: сложность технологических процессов, несовершенство оборудования,

1 http://wYvw.fasie.ru/fund ргоегаттз/итткЛттшкчпёех.азрх

низкая износостойкость инструмента для деформации штабиков тугоплавких металлов.

В Московском институте стали и сплавов (МИСиС) совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом твердых сплавов (ВНИИТС) в 80 - 90-х годах был разработан и внедрен на Светловодском комбинате тугоплавких металлов и твердых сплавов (СКТСиТМ) перспективный способ деформации штабиков тугоплавких металлов методом высокотемпературной винтовой прокатки в вакууме. Этот способ обработки давлением можно отнести к процессу ковки-прокатки в специально откалиброванных непрерывно вращающихся валках. При этом достигается высокая степень деформации за проход и обеспечивается интенсивная проработка макро- и микроструктуры.

Однако, в связи с распадом СССР, многие предприятия, выпускающие продукцию из тугоплавких металлов, прекратили свою деятельность. Одной из задач, которую ставит перед собой автор в настоящей работе, является воссоздание и усовершенствование разработанной ранее эффективной технологии производства заготовок из вольфрамовых штабиков.

Автором проведены комплексные исследования процессов производства изделий из тугоплавких металлов и получены результаты, отличающиеся оригинальностью и новизной.

1. Уточнена методика расчета профиля валков стана винтовой прокатки, позволяющая проводить сравнительную оценку процессов, реализуемых в клетях различных конструкций.

2. Разработана программа расчета калибровки валков, позволяющая с помощью системы ЗЭ-моделирования Autodesk Inventor создавать и анализировать трехмерную параметрическую модель валков станов винтовой прокатки.

3. Предложена методика оценки работоспособности цилиндрического соединения с натягом по условиям прочности и износостойкости.

4. Усовершенствована математическая модель и разработана

программа расчета нагрева и охлаждения вольфрамовых штабиков в вакууме. В частности получены уравнения регрессии для расчета.

Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, базируются на достоверных экспериментальных данных, полученных в лабораторных и заводских условиях на опытно-промышленном оборудовании, обработанных с использованием методов математической статистики на ЭВМ.

Практическая значимость

1.В соответствии с Госконтрактом №.9253р/14958 от 06.05.2011 г. разработана конструкция малогабаритного стана МАМП-10, предназначенного для высокотемпературной винтовой прокатки заготовок из тугоплавких металлов в вакууме.

2. Рассчитана и внедрена на Светловодском казенном комбинате твердых сплавов и тугоплавких металлов (СККТСиТМ) калибровка валков, предназначенная для прокатки прутков диаметром 7,3 мм из вольфрамовых штабиков 10,5x10,5 мм.

3. Выпущена опытная партия прутков диаметром 7,3 мм марки В А полученная винтовой прокаткой валками предложенной калибровки. Качество полученных прутков соответствовало ГОСТ 23949-80.

4. В условиях Государственного предприятия «Инженерный центр твердых сплавов «Светкермет» из этих прутков были изготовлены катоды электронных пушек размером 3x0,6x115 мм, которые соответствовали требованиям ГОСТ и отличались повышенной стойкостью.

5. Разработано и внедрено на ПО «Электростальтяжмаш» автоматизированное рабочее место калибровщика валков стана винтовой прокатки.

6. На стане РСПВ-10 успешно опробованы предложенные соединения с натягом в конструкциях составных валков.

7. Разработана конструкция вводной экранирующей проводки, позволяющей снизить охлаждение заднего конца прокатываемой заготовки.

На защиту выносится:

1. Универсальная методика расчета диаметра прокатываемой заготовки и величины зазора между валками по длине очага деформации на основе системы 3D-моделирования Autodesk Inventor.

2. Разработанная в виде Web-приложения программа расчета калибровки валков, получаемой в виде файла формата Microsoft Excel который используется для создания трехмерной модели в САПР Autodesk Inventor.

3. Разработанная 3D модель рабочей клети стана винтовой прокатки МАМП-10, позволяющая провести анализ напряжений и деформаций, действующих в деталях в зависимости от внешних нагрузок.

4. Разработанная методика оценки работоспособности цилиндрического соединения с натягом, исходя из условий прочности деталей и износостойкости контактных поверхностей.

5. Предложенная инженерная формула для определения величины максимально допустимого момента при реализации в цилиндрическом соединении пластически ненасыщенного или насыщенного контакта.

6. Установленная зависимость минимально допустимой по условиям износостойкости величины натяга от диаметра и длины посадочной поверхности и физико-механических характеристик материалов деталей соединения.

7. Выведенная зависимость максимально допустимой по условиям прочности величины натяга от посадочного диаметра и физико-механических характеристик материалов деталей соединения.

8. Разработанные методика, алгоритм и программа для расчёта температурного поля метала при охлаждении штабиков ВА в вакууме с экранированием и без него.

Работа выполнена на кафедре «Инжиниринг технологического оборудования» Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»).

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

При освоении новой техники (турбореактивные и авиационные двигатели, космические ракеты, газовые турбины для энергетики, источники высокоинтенсивного света и т.д.) широко применяются тугоплавкие металлы, обладающие значительным сопротивлением ползучести в условиях высоких температур [1].

Решению проблем, связанных с обработкой давлением тугоплавких металлов и сплавов на их основе, способствовали теоретические и экспериментальные исследования отечественных ученых: И.М. Павлова [26], A.B. Крупина [6-16], П.И Полухина [12-16], А.П. Коликова [12-19], В.Н. Чернышова [9, 10], И.Н. Потапова [13-19], М.В. Мальцева [20-23], Л.Н. Могучего [24], Н.И. Корнеева, С.Б. Певзнера [25], P.A. Нилендера [26], В. Эспе [27, 28], Л.Г. Ульмишек [29], С.И. Липатовой [30], H.H. Моргунова [31], Е.М. Савицкого, Г.С. Бурханова [32] и др. [33-43], внесших много ценного в теорию и практику обработки металлов давлением.

Однако в технической литературе имеются ограниченные сведения о закономерностях пластической деформации штабиков, особенно новыми прогрессивными способами.

В основе промышленного производства прутков и проволоки из тугоплавких металлов лежит метод порошковой металлургии, предложенный Кулиджем в 1909 году. По этому методу порошок тугоплавкого металла брикетируется механическим способом и спекается в атмосфере водорода при прямом пропускании электрического тока. В результате получают металлокерамическую заготовку квадратной формы сечения, называемую штабиком. В дальнейшем штабик обрабатывается давлением (ковкой и волочением) при постоянно понижающейся температуре [44-48].

Со времен Кулиджа технологическая схема, применяемая в промышленности для производства прутков и проволоки из тугоплавких

8

металлов, претерпела ряд изменений в деталях, однако в целом осталась неизменной. Недостаточно совершенная технология пластической деформации штабиков, осуществляемая на морально устаревшем оборудовании характеризуется большими потерями дорогостоящего металла, низкой производительностью, невысоким качеством получаемых изделий, тяжелыми условиями труда.

Наряду с усовершенствованием существующей технологии необходим поиск новых методов обработки штабиков, позволяющих повысить эффективность производства, улучшить качество продукции и условия труда.

1.1. Способы производства прутков из тугоплавких металлов

Производство прутков и проволоки из тугоплавких металлов: молибдена, вольфрама и др. осуществляется по следующей схеме: получение заготовки - ротационная ковка - грубое волочение - тонкое волочение - тончайшее волочение. В качестве заготовки используют металлокерамические штабики и прессованные или кованные прутки плавленых металлов.

При производстве проволоки из вольфрама и молибдена в качестве исходной заготовки используют штабики: молибденовые сечением 18x18 мм и вольфрамовые - 10x10 мм. Это связано с тем, что после тончайшего волочения диаметр проволоки измеряется несколькими десятками микрометров, поэтому применение заготовок с большими размерами сечения приводит к потере пластичности металла на конечных диаметрах проволоки из-за сверхвысоких накопленных деформаций и требует большего числа технологических операций.

Наиболее широко применяемым способом первичной деформации штабиков является ротационная ковка.

Принцип действия ротационной ковочной машины (рис. 1.1) состоит в том, что спеченный штабик 8 тугоплавкого металла получает большое число

ударов (до 3500 - 4000 в мин) двумя ковочными плашками (бакенами) 3, установленными в роторе 1 и вращающимися с большой скоростью вокруг штабика [7, 16]. Бакены изготавливают из быстрорежущей стали или из твердого сплава.

В результате ковки прутки проковываются со всех сторон равномерно. При этом четырехгранные штабики принимают округлую форму и постоянно вытягиваются.

Перед ковкой штабики нагревают до температуры 1200 - 1500°С в зависимости от материала, размера и формы заготовки. Обжатие в начале ковки за каждый период составляет 8-15% и регулируется путем изменения толщины регулировочных прокладок 6.

По мере увеличения суммарного обжатия температура ковки уменьшается и при диаметре заготовки 2,5 - 2,75 мм составляет 1100 -1250°С.

1 2 3 4 5 6 7 8

Рисунок 1.1 - Схема ротационно-ковочной машины: 1 - ротор, 2 - корпус, 3 -кулачки, 4 - ролики, 5 - бакены, 6 - регулировочная прокладка, 7 - сепаратор,

8 - деформируемая заготовка

Ковка тугоплавких металлов при температурах ниже установленных может привести к появлению трещин и расслоений. Уже во время ковки происходит вытягивание отдельных кристаллитов и примесей по их границам, в результате чего образуется волокнистая структура металла [16, 26].

Предварительный нагрев штабиков на первых стадиях ковки

производят в атмосфере водорода. При этом прутки за один прием проковывают лишь до половины их длины. Затем прутки поворачивают, а после поворота снова нагревают и проковывают вторую половину прутка. В силу ограниченной длины штабика первые стадии ковки проводятся с ручной подачей заготовки в машину.

Начиная с определенного диаметра, когда длина прутка становится достаточной, переходят на непрерывную ковку с автоматизированной подачей заготовки в ковочную машину. В этом случае предварительный нагрев производят путем пропускания прутка через печь непосредственно перед ковочной машиной.

Так как температура нагрева на операциях непрерывной ковки значительно ниже, чем при ручной, возможно применение газовых печей, работающих на смеси природного газа с воздухом. Подачу прутков при непрерывной ковке производят преимущественно механически. Скорость подачи в зависимости от диаметра прутка варьируют в широких пределах.

Несмотря на широкое распространение, ротационная ковка имеет ряд существенных недостатков, поэтому к настоящему моменту были разработаны новые альтернативные способы деформации штабиков, к числу которых относятся: гидроэкструзия, сортовая прокатка, планетарная прокатка, вибропрессование.

Гидроэкструзия (гидропрессование) - выдавливание или прессование металла под непосредственным воздействием жидкости высокого давления -является сравнительно новым среди большинства существующих способов обработки металлов давлением [22, 41].

Принципиальная схема гидропрессования (рис. 1.2), предложенная Бриджменом, заключается в том, что в замкнутый объем, образованный контейнером 1, матрицей 5 и заготовкой 3, подается жидкость 2 высокого давления или давление создается при перемещении плунжера. При достижении определенного уровня давления происходит выпрессовка заготовки [22, 42, 43].

Рисунок 1.2 - Схема гидроэкструзии: 1 - контейнер, 2 - рабочая жидкость, 3 -обрабатываемая заготовка, 4 - уплотнение, 5 -матрица.

Особенностями процесса являются создание такого напряженно-деформированного состояния, которое приводит к увеличению предельных деформаций за счет повышения пластичности обрабатываемого материала, отсутствие трения заготовки о стен