автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка и исследование технологического процесса изотермической раскатки дисков

На правах рукописи

Семин Петр Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ РАСКАТКИ ДИСКОВ

Специальность 05 16 05-05 «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗITTlUb

Москва - 2007

003177106

Работа выполнена на кафедре 'Технологии и оборудования трубкого производства" Института технологии материалов Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Лисунец Николай Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Прудковский Борис

Александрович

кандидат технических наук, сне Щербель Рафаил Давидович

Ведущая организация ИМЕТРАН им А А Байкова

Защита состоится 19 декабря 2007 г в 1400 в ауд Б-436 на заседании диссертационного совета Д 212 132 09 Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов» по адресу 119049, г Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов»

Автореферат разослан ^Л

Справки по телефону: 955-01-27

е-шаЦ: irina@pdss.misis.ru

Ученый секретарь днссертаци

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы При производстве изделий из сплавов титана, используемых в авиационном двигателестроении, важно, чтобы получаемые изделия имели высокое качество, а разработка технологии их производства осуществлялась за короткое время при минимальных материальных затратах

Это особенно актуально при изготовлении поковок ответственного назначения, когда ставятся две технологически важные задачи придать поковкам форму и размеры близкие к чистовой детали и получить при этом необходимую структуру, обеспечивающую изделиям необходимые механические свойства после термической обработки

Изотермическая раскатка позволяет решить обе названные задачи Локальное деформирование заготовки при высокой пластичности материала позволяет придать заготовкам точную форму и выдержать заданные размеры и что особенно важно при изотермической деформации это стабильность микроструктуры материала

Актуальность математического моделирования процесса раскатки обусловлена существенной экономией денежных средств за счет снижения количества промышленных экспериментов и значительной экономии дорогостоящих сплавов

Применение изотермической раскатки позволяет получать детали газотурбинных двигателей, монодиски, детали колеса компрессора, колеса турбин и диски роторов, автомобильные диски, полые валы, диски со сложными формами, диски подпорных ступеней, диски с криволинейной поверхностью и ряд других деталей

Диски используемые в авиастроении, раскатываются как правило из сплавов ВТ9, ВТ25У и ряда других титановых сплавов, а также из жаропрочных сплавов на никелевой основе

Изотермическая раскатка обеспечивает получение дисков, наружный диаметр которых в 1,5-2 раза превышает диаметр заготовки

Помимо раскатки детали типа "диск" могут быть получены при помощи штамповки в изотермических условиях и методом спекания гранул

К недостаткам штамповки при получении крупногабаритных деталей, следует отнести высокую стоимость переналадки оборудования, при частом изменении номенклатуры получаемых изделий

Преимущество процесса раскатки перед штамповкой состоит в том, что благодаря использованию локального деформирования с вращением сохраняется мелкозернистая структура диска и возможно получение колец и дисков большого диаметра и сложной формы, при незначительных удельных усилиях

В настоящее время проблемой получения колец и дисков большого диаметра с помощью раскатки занимается рад предприятий и научных институтов

К таким предприятием относятся - ФГУП "ММПП Салют", ОАО "Нарофомин-ский машиностроительный завод", ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат", Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (Российский федеральный ядерный центр Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики).

Целью работы является разработка, исследование технологического процесса изотермической раскатки дисков и создание научно-обоснованной методики проектирования новых процессов изотермической раскатки

В работе были поставлены следующие задачи

1 Провести классификацию деталей типа "диск", получаемых раскаткой и рассмотреть возможные способы изготовления таких деталей из сплавов титана

2 Разработать методику, позволяющую проектировать технологический процесс раскатки деталей типа "диск" с учетом вращательного движения заготовки, роликов, подачи инструмента

3. Используя результаты промышленных экспериментов и результаты полученных расчетов выявить влияние частоты вращения заготовки, подачи инструмента на усилие и основные технологические параметры процесса

4 Изучить влияние угла наклона среднего конуса ролика (55, 45, 30, 20, 15, 10°) и величины внедрения роликов в заготовку на термомеханические параметры процесса раскатки

5 Исследовать процесс опережения и отставания заготовки и инструмента при раскатке

6 Исследовать дефекты, образующиеся при раскатке дисков, дать обоснованные рекомендации по устранению этих дефектов

7 С использованием методики проектирования процесса изотермической раскатки разработать технологические режимы получения дисков из сплавов ВТ9, Д16

Научная новизна заключается в следующем

1 Разработана методика автоматизированного проектирования технологического процесса раскатки деталей тип "диск"

2 Установлено влияние подачи инструмента и частоты вращения заготовки на усилие раскатки

3 Установлены допустимые режимы раскатки, максимальные и минимальные величины внедрения роликов в заготовку, исследовано влияние угла наклона среднего конуса ролика на неконтролируемое утонение полотна диска

4 Предложен критерий оценки утонения полотна диска в процессе раскатки.

5 Установлено влияние опережения и отставания инструмента и заготовки при раскатке на усилие и температурно-скоростные условия процесса

6 Установлены причины возникновения технологических дефектов при изотермической раскатке и предложены меры по их устранению

Практическая полезность работы:

1 Предложена методика расчета процесса изотермической раскатки, включающая подготовку исходных данных и обработку результатов расчетов

Методика проектирования раскатки дисков опробована в промышленных условиях на стане АЛРД-800 Сравнительный анализ показал хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных как качественно, так и количественно.

2 Результаты экспериментальных и численных исследований позволили выявить рациональные режимы раскатки дисков

3 Результаты численных расчетов различных технологических режимов раскатки позволили подобрать рациональную геометрию инструмента и допустимые величины внедрения его в заготовку при раскатке дисков

4 Разработана и передана для использования в учебном процессе компьютерная методика моделирования технологических процессов раскатки деталей типа "диск"

5 Использование результатов работы позволяет существенно снизить затраты на промышленные эксперименты при разработке новых технологий раскатки.

6 Разработаны меры по устранению дефектов при изотермической раскатке

дисков

Методы исследования

В качестве основного метода исследования процесса раскатки дисков был выбран метод математического моделирования Экспериментальные исследования проводились на промышленном оборудовании и повторяли рациональные режимы процесса раскатки дисков, полученных с помощью математического моделирования

В работе были использованы компьютерные методы построения плоских чертежей в системе AutoCad, а объемных объектов с помощью системы трехмерного моделирования Solid Works

Для написания программ расчета траектории перемещения роликов и данных необходимых для расчета процесса раскатки был использован пакет МаЛСас!

Моделирование процесса раскатки проводили с помощью конечно-элементной системы 0ЕТО1Ш-30

Достоверность результатов.

Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации^ обоснованы теоретически и подтверждены промышленными экспериментами

Результаты моделирования подтверждены промышленными экспериментами раскатки дисков из сплава ВТ9 и ряда других сплавов на автоматизированной линии для раскатки дисков АЛРД-800 - ОАО "Нарофоминский машиностроительный завод" и ФГУП ММПП «Салют»

Реализация результатов работы

Использование результатов работы позволило избежать большого числа дорогостоящих экспериментов и получить изделия удовлетворяющие ТУ

Результаты исследований опробованы на предприятии ФГУП ММПП «Салют», рекомендованы к использованию на ОАО «Нарофоминский машиностроительный завод» и ряде других предприятий

Апробация работы.

Результаты работы доложены и обсуждены на ежегодной международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» 2004 года, международной научно - технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации - 2004», научно-практической конференции "Инженерные системы 2006" проводимой ООО «ТЕСИС», научно-техническом совещании ФГУП ММПП "Салют" и научных семинарах кафедры «Обработка металлов давлением» Московского государственного института стали и сплавов

Публикации. По теме работы опубликовано 10 статей в журналах и сборниках материалов международных и всероссийских конференций

Структура и объем работы Диссертация содержит 152 страницы, состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов Включает библиографический список из 94 наименований, 67 рисунков, 31 таблицы и 3 приложений

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор научных публикаций, посвященных исследованию процесса раскатки, а также современному состоянию теории и технологии процессов раскатки Проведен обзор современного состояния вопроса в области раскатки дисков из различных сплавов

Значительный вклад в развитие теории и практики процесса раскагки деталей различной формы дан в работах Костышева В А, Мурзова А И, Зуева Г И , Самохва-лова В С Богоявленского К Н , Полина В В , Лапина В В , Сидаренко Б Н , Савченко Б Ф , Шевченко Л Н, Дорошевич А Г Из современных публикаций следует отметить работы Кайбышева О А , Утяшева Ф 3 , Баймурзина Р Г, Плехова В А , Трифонова В Г , Махайлова С И , Талалаева В Д, Вайсбурда Р А

Следует отметить, что процесс изотермической раскатки дисков из сплавов титана, никеля, жаропрочных сплавов не получил широкого применения в отечественном двигателестроении, так как оборудование для раскатки дисков является дорогостоящим, а процесс недостаточно изученным

Значительное число деталей авиадвигателя, получают путем изотермической штамповки, ротационной вытяжкой, сваркой Применение раскатки позволит повысить эффективность производства, за счет получения колец и дисков различной формы и размеров с высокими эксплуатационными свойствами, за более короткие сроки

На основе анализа современной отечественной и зарубежной литературы проведена классификация заготовок и деталей получаемых раскаткой

Классифицированы процессы раскатки и основные способы производства деталей типа "диск"

На основании проведенного литературного анализа сформулированы цели и задачи исследования, а также показана актуальность выбранной тематики и исследований

Во второй главе проведен теоретический анализ процесса раскатки дисков Рассмотрены вопросы, связанные с траекторий раскатки дисков, а также с частотой вращения заготовки и инструмента в процессе раскатки

В процессе раскатки ролики формируют заготовку по заранее рассчитанной траектории Причем в каждый момент времени линейная скорость заготовки и роликов должна быть одинаковой Частота вращения роликов определяется из соотношения

йЭрол — Фзаг (^тск^рол),

где - текущий радиус раскатки,

1?рол - радиус ролика

Из траектории движения рабочих роликов, можно выделить несколько типов участков вертикальные участки, когда осуществляется внедрение роликов в заготовку - осевая раскатка, горизонтальные участки - когда идет перемещение роликов по радиусу диска - раскатка в радиальном направлении, наклонные участки - когда идет комбинированное движение роликов, каретки вместе с роликами перемещаются в радиальном направлении, а имеющие собственный привод ролики перемещаются при этом в осевом направлении

Проведена классификация участков раскатки и согласование вращения роликов на всей траектории раскатки Предложена методика расчета и обработки исходных данных по траектории раскатки, которая применима для расчета процесса раскатки деталей типа диск различной формы и размеров, а также для расчетов различных процессов локального деформирования с вращением заготовки и инструмента Для раскатки в изотермических условиях особенно важно, чтобы заготовка имела мелкозернистую структуру В качестве исходной заготовки используется кованый пруток диаметром до 300 мм

Получение заготовки с мелкозернистой структурой состоит из множества технологических операций, которые включают протяжку, осадку, ковку, прошивку, термическую обработку Исходя из изложенного, выбраны скоростные и температурные режимы раскатки, которые исследованы в работе Учитывая особенности процесса раскатки выбраны смазки-эмали, позволяющие удержать коэффициент трения в диапазоне 0,2+0,3 и защитить поверхность диска от наплывов в режиме налипания между роликом и диском Нанесение защитного покрытия (смазки) позволяет повысить качество поверхности раскатанных дисков, точность раскатанных дисков, защитить раскатываемый диск от окисления, уменьшить глубину газонасыщенного слоя, повысить выход годных деталей

Представлена методика определения площади пятна контакта заготовки и инструмента, что позволило в дальнейшем определять критические участки раскатки без численных расчетов Описана методика подготовки исходных данных для расчета процесса раскатки, приведены кривые деформационного упрочнения, используемых в работе сплавов, физические и механические свойства этих материалов

В третьей главе исследуются параметры изотермической раскатки дисков из сплава ВТ9. Исследование влияния контактного взаимодействия заготовки и инструмента при раскатке позволило выявить критические участки раскатки. По представленной методике раскатки дисков впервые возможно решать объемные задачи раскатки с учетом частоты вращения инструмента и заготовки, исследовать различные термомеханические параметры процесса раскатки и влияние на них технологических факторов (геометрии инструмента, подачи инструмента, частоты вращения заготовки и инструмента, режимов опережения - отставания, геометрии исходной заготовки).

Учитывая сказанное, задача исследования изотермической раскатки дисков сводится к следующему:

1. Исследование влияния технологических параметров раскатки на термомеханические параметры процесса (напряжения, температуру, скорость деформации, давление и т.д.);

2. Исследование влияния опережения-отставания инструмента и заготовки на процесс раскатки;

3. Исследование влияния геометрии инструмента, подачи инструмента, а также частоты его вращения на термомеханические параметры раскатки;

4. Исследование формоизменения заготовки в процессе раскатки;

5. Выявление связей между технологическими и термомеханическими параметрами процесса раскатки дисков.

Основные исследования по раскатке дисков проведены с использованием заготовок с соотношением (1 < Н, где Ь - толщина полотна; Н- толщина ступицы (рисунок 1).

! Г)1 Цо 1)3 IX. ---Г^--=-

1 ,. ,ч с- * 1

Рисунок 1 - Геометрия исходной заготовки (слева) и готового изделия (справа)

Такое решение обосновано тем, что из заготовок такого типа получают около ¿ГО % всей номенклатуры дисков из сплавов титана При получении дисков из таких заготовок, как правило, проявляется весь комплекс дефектов (выпучивание, расслоение, коробление) наблюдаемых при производстве дисков из титана и его сплавов На заготовки с соотношением Ь > Н и Ь = Н приходится 30 и 20 процентов выпускаемых дисков соответственно

Основные технологические режимы, которые представляют интерес с практической и теоретической точки зрения при раскатке титановых сплавов приведены в таблице 1 Приведенные режимы характерны для жаропрочных титановых сплавов, таких как ВТ9, ВТ25, ВТ25У, ВТ18У Из этой группы сплавов был выбран сплав ВТ9 и исходя из реологии этого сплава в дальнейшем проводились все расчеты и исследования режимов раскатки заготовок из титановых сплавов

Таблица 1 - Технологические режимы, рассчитанные в системе ОЕКЖМ-ЗО

№ режима раскатки Частота вращения диска, об/мин Частота вращения роликов, об/мин Подача инструмента, мм/оборот Температура, °С

1 0,5 0,68-2,23 2,5

2 0,25 0,34-1,11 3 950

3 1 1,36-4,46 5

4 0,5 0,68-2,23 5

Исследования позволили установить, что для данного типа дисков характерно наличие критических участков, на которых образуются дефекты при раскатке Предложен критерий позволяющий выявить неконтролируемое утонение полотна диска, через коэффициент К, равный отношению приращения внешнего радиуса диска (ДЫв) к приращению внутреннего радиуса диска (ДЫвн) Если удлинение внешнего радиуса диска будет больше удлинения внутреннего радиуса диска, тогда коэффициент К, будет больше 1 и будет происходить неконтролируемое утонение полотна диска

При раскатке дисков траектория движения роликов повторяет контур готового изделия Исходная заготовка под раскатку и готовый диск изображены на рисунке 1 и представляют широкую номенклатуру дисков, у которых толщина ступицы больше толщины полотна Раскатка таких дисков имеет определенные особенности, так как начальный участок раскатки является, как правило, критическим в плане температурного разогрева заготовки и больших усилий на инструменте Если на

этом участке начинается наплыв металла, то дальнейшая раскатка диска не имеет смысла

Траектория движения роликов при раскатке детали типа "диск" (рисунок 1) состоит из 8 участков, представленных на рисунке 2 В силу конструктивных особенностей, раскатка должна происходить за один проход, а участки раскатываются в осевом и радиальном направлении в зависимости от разработанной траектории

Обычно информация, получаемая из промышленного эксперимента, содержит данные о формоизменении заготовки, усилии раскатки и температуры Поэтому для оценки результатов численного эксперимента было решено производить обработку результатов расчетов по следующим параметрам

1 Изменение формы и размеров заготовки при раскатке;

2 Изменение усилия в процессе раскатки,

3 Изменение температуры при раскатке заготовки (отслеживание процесса деформационного разогрева, выявление наиболее опасных участков);

4 Изменение скоростей деформаций

Анализ усилия раскатки на первом участке (рисунок 2) показывает, что изменения усилия раскатки в зависимости от перемещения ролика имеет ярко выраженный экстремум для всех 4-х режимов примерно в 135 мм от оси симметрии заготовки Расчеты и промышленные эксперименты показали, что первый участок раскатки для диска (рисунок 1) является критическим для всех режимов раскатки в плане температуры и усилия раскатки Поэтому, исследованию температурно-скоростных параметров на участке 1] уделяется особое внимание

Анализ исследуемых параметров (температуры, усилия, скорости деформации) в очаге деформации показывает, что первый режим раскатки (таблица 1) по усилию резко отличается от остальных режимов, так как имеет самые низкие показатели Температурные поля для всех 4-х режимов отличаются друг от друга не более, чем на 7-8° С, а

по изменению скоростей деформаций 1 и 2 режимы отличаются от 3 и 4 тем, что они почти в два раза ниже, что создает благоприятные условия для деформации металла при раскатке Поэтому можно считать, что 1 и 2 режимы раскатки наиболее рациональны

Анализ термомеханических характеристик (усилия раскатки, температуры) полученный с помощью системы ВЕРЯОМ-ЗО дает незначительную информацию об особенностях процесса раскатки, но позволяет выявить критические участки при раскатке Для того, чтобы выявить некоторые закономерности получения изделий рассмотрим характер изменения напряжений в очаге деформации раскатке

Характер распределения радиальных напряжений по очагу деформации для 4-х режимов раскатки примерно одинаков со следующими особенностями

1 Под действием растягивающих напряжений находится практически весь диск для всех режимов раскатки

2 Сжимающие напряжения характерны только для зоны взаимодействия инструмента и металла

3 Наибольшая величина растягивающих напряжений находится на полотне диска

Анализ радиальных напряжений по очагу деформации для 4-х режимов раскатки показывает, что 1 и 3 режимы раскатки подвержены наименьшим растягивающим напряжениям, а сжимающие напряжения на контактной поверхности заготовки достигает значительных величин Значительная величина растягивающих напряжений для 2 и 4-го режимов говорит о том, что в этих двух режимах наблюдаются тенденции к неравномерному растяжению полотна, а появление значительных областей сжимающих напряжений в ступице говорит о её интенсивном деформировании

Исследования тангенциальных напряжений для четырех режимов раскатки показывают, что для первого и третьего режимов характерны незначительные растягивающие напряжения, что говорит о малой вероятности появления трещин по окружности дисков Третий режим раскатки имеет выраженное чередование тангенциальных растягивающих и сжимающих напряжений, которые вряд ли приведут к разрушению и отслоению различных частей диска Второй и четвертый режимы раскатки характеризуются появлением растягивающих тангенциальных напряжений, как на полотне дисков, так и в ступице, при этом растягивающие напряжения выходят на поверхность диска, что может привести к расслоению металла или появлению трещин

Осевые напряжения при раскатке почти для всех режимов раскатки незначительны, как в полотне, так и в ступице дисков и вряд ли приведут к разрушению изделия

Исследования течения металла в радиальном направлении для всех 4-х вариантов раскатки показывают, что скорости течения металла в радиальном направлении незначительны и направлены от центра к ступице

Однако картина течения металла резко меняется при рассмотрении тангенциальной составляющей скорости Для первого режима раскатки перераспределение скоростей течения металла таково, что впереди находятся слои металла с меньшими скоростями, и они тормозят сло^ следующие за ними Третий и четвертый режим раскатки имеют аналогичную картину распределения скоростей Отсюда просматривается механизм выпучивания металла при раскатке Выпучивание метла происходит только в том случае, если скорость движения роликов в тангенциальном направлении больше чем скорость распределения потоков металла перед ними, что наблюдается при большом внедрении роликов в материал заготовки

В процессе раскатки дисков частота вращения заготовки и инструмента различны, но линейные скорости в месте их соприкосновения всегда должны быть равны (режим согласования) Однако отдельные части инструмента (ролика) находятся в разных радиальных зонах заготовки (диска) и естественно даже по длине ролика не происходит согласования скоростей

Вращение роликов относительно заготовки весьма важно в плане проработки нужной структуры диска при раскатке, а отставание или опережение роликов при раскатке влияет на качество поверхности Рассмотрим рассогласование скоростей по длине рабочей части ролика (1роб) относительно точки О, в которой ведется согласование скоростей вращения роликов по отношению к радиальной скорости заготовки в каждый момент времени (рисунок 3)

Рисунок 3 - Рабочая часть роликов и участки для исследования опережения и отставания

Частота вращения заготовки составляет 0,5 об/мин, подача инструмента 2,5 мм/об (рациональный режим раскатки), текущий радиус раскатки (координата точки О) составляет 102,65 мм. В точке О линейные скорости заготовки и роликов равны и составляют 51,3 мм/мин. В точках 1 и 2 линейные скорости роликов и заготовки не совпадают и составляют 44,99 и 72,89 мм/мин соотсветсвенно, это крайние точки на ролике контактирующие с заготовкой в процессе раскатки.

При раскатке дисков на стане АЛРД-800 ролики выставляют в исходное положение именно по точке О, это связано с тем, что точка О является крайней точкой на поверхности ролика, которая независимо от направления раскатки всегда касается поверхности заготовки и является точкой отсчета, при расчете степени деформации при раскатке в осевом и радиальном направлениях. Помимо этого согласование по точке О объясняется конструктивными особенностями стана и программного обеспечения, использующегося для управления станом.

Важно установить не только как будут различаться усилия раскатки на различных участках ролика - точки О, 1, 2 (рисунок 3), но и в более широком диапазоне рассогласования заготовки и роликов.

Исследования производились при внедрении роликов в осевом направлении на величину 4,55 мм и радиальном продвижении ролика на 30 мм (участки и И - рисунок 2). Методика исследования опережения и отставания роликов представлена в таб-

лице 2 При расчете в качестве исходной заготовки был взят диск из сплава ВТ9 (рисунок 1)

Таблица 2 - Линейные скорости заготовки и частота вращения роликов в точках

О, 1,2

Линейные скорости заготовки, мм/мин

Точка О Точка 1 Точка 2

(режим согласования) (режим отставания) (режим опережения)

51,30 44,99 72,89

Частота вращения роликов, об/мин

0,68 0,60 0,97

В процессе исследования режимов отставания и опережения анализировались такие термомеханические параметры как усилие раскатки, скорость деформации, температура

Расчеты по опережению и отставанию для раскатки в осевом и в радиальном направлениях представлены на рисунке 4

Участок, выделенный на рисунке 4 штриховыми линиями, соответствует частоте вращения ролика в точках 0,1,2 рисунка 3

* 1 1 I 1 1 1 .1 2

I 1

I I 1 1

_ з' 5| Л 4' 1 . _| •-----

I I 1 1 1 1

О 0.2? 0.5 0.7« ) 1,15 1,5 Частота вращения роликов, об/мин

0.18 0,16 0,14 0.12 0.1 0,08 0,06 0.0-1 0,02 О

1 1 1 1 4 ,

1 1 5 у г

1 // а

3 Г

и- 1

♦ : 1

♦ ) 5| \

1 1 2"' \

1 1

О 0,25 0,5 0,75 I 1,25 1,5 Частота вращения роликов, об/мин

э.

а)

964

962

960

958

956

954

952

950

б)

1 I 1 1 *

1 /

1 1

г 1л'' .5 1 1 /

1 { 4

1 3'] ..... ж' 1

♦ ■■■ 1

О 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 Частота вращения роликов, об/мин в)

а) Изменение усилия при раскатке; б) Изменение скорости деформации; в) Изменение температуры

1 - осевая раскатка; 3 - радиальная раскатка - режимы отставания

2 - осевая раскатка; 4 - радиальная раскатка - режимы опережения

5 - режим согласования; --------— частота вращения в крайних точках ролика, которые контактируют с заготовкой.

Рисунок 4 - Изменение усилия раскатки, скорости деформации, температуры при раскатке в осевом направлении при Ятек = 102,65 мм.

Анализ результатов показывает, что режим согласования является рациональным по усилию и температуре (то есть минимальное усилие раскатки и повышение температуры в очаге деформации всего на 2 градуса)

При раскатке в осевом направлении режим отставания наиболее неблагоприятный, так как резко возрастает усилие раскатки до 210 кН В режиме опережения усилие раскатки несколько ниже, а также более благоприятные температурные условия При раскатке в осевом направлении режимы отставания и опережения снижают скорость деформации металла

При радиальной раскатке режим отставания мало влияет на усилие раскатки, несколько снижает скорость деформации металла и понижает температуру в очаге деформации

Режим опережения при раскатке в радиальном направлении более благоприятный во всем исследуемом диапазоне, чем при режиме согласования

Исследования показывают, что на рабочей части роликов - область выделенная штриховой линией (рисунок 4) в режимах рассогласования скоростей (опережение, отставание) такие характеристики как температура и усилие раскатки изменяются незначительно

Однако в зонах наибольшего рассогласования (частоты вращения роликов и заготовки) изменение скоростей деформаций достигает значительных величин, как при осевой, так и радиальной раскатке в режиме опережения

Полученные результаты говорят о том, что согласование роликов должно проводится не в точке О, а гораздо ближе к наклонному участку ролика При этом согласование скоростей желательно производить по разным точкам ролика Если идет осевая раскатка, то это точка О, если идет раскатка наклонного участка, то это примерно середина наклонного участка

Существенное влияние на процесс раскатки дисков в изотермических условиях оказывает геометрия инструмента, однако влияние угла наклона среднего конуса на процесс раскатки и образование дефектов практически не исследовано

Обычно при раскатке угол наклона рабочей части ролика составляет 55° , угол наклона ролика относительно горизонтальной оси диска 15°

Варьирование углом рабочей части ролика возможно в широком диапазоне, но исследований по выбору такого угла в открытой литературе также до сих пор не приводилось

Учитывая сказанное, в работе исследованы углы наклона рабочей части ролика 55, 45, 30, 20, 15, 10° При раскатке ролики внедрялись в заготовку на различную величину Параметры исследований приведены в таблице 2

Таблица 2 - Параметры для исследования величины внедрения роликов в заготовку

Величина внедрения, мм Расстояние от оси, мм Угол наклона ролика а град Угол наклона рабочей части ролика Ф°, град

hi 3,38 Ii 142,3 15 55, 45, 30, 20, 15, 10

h2 7,38 h 145,0

h3 13,38 h 147,4

Исследование угла наклона ролика при раскатке показывает, что при малой величине внедрения роликов в заготовку угол наклона практически не влияет на процесс раскатки Значительное внедрение ролика в заготовку, более 13 мм приводит к резкому увеличению очага деформации и при угле наклона среднего конуса ролика 55° начинается неконтролируемое утонение полотна При угле наклона 45° происходит незначительное утонение полотна, а при 30° утонение полотна диска отсутствует

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований и их сравнение с расчетами в системе DEFORM 3D, описывается промышленное оборудование для контроля температуры и усилия при раскатке Начальная геометрия заготовок для экспериментальных и теоретических исследований выбрана исходя из соотношения h и Н,

где h - высота ступицы, Н - высота обода

Для выбранных заготовок соблюдалось соотношение h < Н и h = Н , что позволяет раскатывать из них до 70 % деталей от всей номенклатуры дисков

В настоящей главе предлагается методика проверки расчета технологических режимов раскатки дисков из сплавов титана, которая базируется на расчетах по модели DEFORM-3D и промышленных экспериментах С целью расширения использования предлагаемой методики для раскатки дисков были выбраны два типа заготовок из двух различных сплавов (ВТ9, Д16) и проведено сравнение промышленных экспериментов с расчетными данными

Сравнению результатов экспериментов предшествовали многочасовые расчеты процесса раскатки дисков в DEFORM 3D Следует отметить, что ограниченность в сравнении расчетных и промышленных результатов объясняется номенклатурой изготовляемых деталей и наличием инструмента для раскатки в промышленных условиях

Сопоставление результатов экспериментов и расчеты по конечно-элементной системе DEFORM-3D включали следующие этапы

1 Составление технологической карты для каждого из дисков, включающей в

себя,

а) Определение участков раскатки - осевых и радиальных

б) Согласование частоты вращения роликов и заготовки на всей траектории раскатки

2 После этого были проведены расчеты перечисленных режимов раскатки для двух типов дисков в системе DEFORM-3D, сняты диаграммы изменения усилия и температуры в процессе раскатки

3 По результатам расчета была произведена раскатка на раскатном стане АЛРД-800 и сняты экспериментальные диаграммы усилия и температуры

Для титанового сплава исходная температура заготовки и инструмента составляла 950-960° С (температура пинолей 850° С), частота вращения пинолей 0,5 об/мин, а подача роликов 2,5 мм/мин Температура заготовки из сплава Д16 перед раскаткой составила 420° С, температура пинолей 280° С, частота вращения пинолей 1,5 об/мин, подача роликов 2,5 мм/мин

Результаты сравнения экспериментальных данных и теоретических расчетов по системе DEFORM 3D показали хорошую сходимость при раскатке разных типов заготовок из сплавов титана и алюминия

Существенное внимание в работе уделено дефектам возникающим в процессе раскатки дисков из различных сплавов, дается их классификация и способы устранения

Технологические дефекты при раскатке можно условно разделить на две группы

1) возникающие в силу особенностей процесса раскатки и настройки оборудования,

2) дефекты, связанные с нарушением технологических режимов раскатки

К первой группе относятся такие дефекты как задиры, выпучивание, образование ступенек на поверхности диска Ко второй группе относятся следующие дефекты образование облоя, образование наплывов и неровной поверхности диска, изгиб полот-

на диска, нарушение соосности, утонение полотна диска из-за сильного внедрения роликов в заготовку, образование дефекта типа "рыбья чешуя" (кольцевые полоски)

Образование задиров, выпучивание в области контакта пиноли (прижима) и заготовки происходит из-за того, что ролики глубоко внедряются в заготовку при раскатке Физика этого процесса связана с тем, что при высокой тангенциальной скорости инструмента металл находящийся перед роликом не успевает перераспределится, тормозит слои металла перед роликом , что и приводит к выходу последних на поверхность диска (эффект выпучивания) Устранить этот дефект возможно снижением радиальной скорости инструмента либо использования рабочих роликов с небольшим углом наклона его конусной поверхности (30-45 градусов)

Образование ступенек на наклонном участке диска может происходить из-за нескольких причин

а) Раскатка на наклонном участке идет без разбиения на более мелкие участки, как следствие возникает очень большое сопротивление пластической деформации и начинается наплыв

Бороться с образованием наплыва можно путем разбиения наклонного участка на маленькие отрезки, которые раскатываются по схеме осевая-радиальная раскатка, чем больше разбиений, тем чище поверхность

б) Рассогласование, по техническим причинам, датчиков перемещения каретки в радиальном, а роликов в осевом направлении Наладка оборудования устраняет этот дефект

Дефекты, связанные с образованием облоя, возникают из-за излишнего объема металла заготовки Так как в процессе раскатки дисков из сплавов ВТ9 образуется окисная пленка, объем заготовки берут большим на 10-15% Для уменьшения облоя необходимо брать объем заготовки на 8-10 % больше объема детали, что подтверждается экспериментом

Образование наплывов происходит и из-за неправильно выбранного режима раскатки Частота вращения заготовки и подача инструмента должны быть строго регламентированы согласно расчетам

Изгиб полотна диска происходит, как правило при снятии заготовки из рабочей печи, что связано залипанием пинолей и заготовки Чтобы снять заготовку, приходится роликами придерживать заготовку, а в это время осуществлять отвод пинолей

Одной из мер по устранению этого дефекта служит нанесение более густого слоя защитного покрытия и поддерживание заготовки роликами в месте подверженном наименьшему изгибу заготовки

Утонение полотна диска происходит, как правило из-за того, что ролики внедряются на слишком большую величину, как следствие начинается наплыв металла и

неконтролируемое растяжение полотна Диапазон внедрения роликов должен лежать в расчетном интервале

Внедрение роликов на слишком маленькую величину (меньше 2 мм) и ведение раскатки в радиальном направлении приводит к снятию металла в виде кольцевых полосок ("рыбья чешуя")

Основные результаты и выводы по работе

1 С использованием данных научно-технической и патентной литературы, проанализированы базовые варианты изготовления деталей типа "диск" из сплавов титана, проведена их классификация

2 Разработана методика проектирования технологических режимов изотермической раскатки дисков с учетом вращательного движения заготовки, роликов и подачи инструмента

3 Установлено, что с повышением частоты вращения заготовки и увеличением скорости подачи инструмента существенно возрастает усилие раскатки

4 Исследовано влияние угла наклона среднего конуса ролика (55, 45, 30, 20, 15, 10 градусов) и величины внедрения роликов в заготовку на процесс раскатки Установлено, что угол наклона кромки ролика равный 30 градусам является рациональным, а внедрение роликов в заготовку при раскатке должно составлять не более 55 процентов от толщины полотна заготовки

5 Исследованы процессы опережения и отставания, режим согласования частоты вращения роликов и заготовки Установлено, что при раскатке в радиальном направлении в режиме опережения уменьшается усилие раскатки и температура, растет скорость деформации В режиме отставания происходит незначительное изменение параметров процесса раскатки

6 Исследованы причины образования дефектов при раскатке, приведена их классификация и рекомендации по устранению дефектов

7 С использованием методики проектирования технологических режимов изотермической раскатки рассчитаны и опробованы в промышленных условиях режимы раскатки дисков из сплавов ВТ9, Д16 Сравнение результатов промышленных экспериментов и расчетных данных показало их хорошее совпадение как качественно, так и количественно

г

Публикации по теме диссертации:

1 Семин В А, Семин П В, Лисунец Н Л "Моделирование раскатки колец и дисков с использованием системы DEFORM 3D " // Заготовительные производства в машиностроении 2006 № 12 С 34-36

2 Семин В А , Семин П В "Математическое моделирование ротационной вытяжки с использованием метода конечных элементов " // Заготовительные производства в машиностроении 2006 № 5 С 28-30

3 Семин В А, Семин П В, Лисунец Н Л "Влияние опережения и отставания частоты вращения заготовки и инструмента на процесс раскатки дисков в изотермических условиях"// Заготовительные производства в машиностроении 2007 №9 С 26-28

4 Лисунец Н Л, Семин П В Исследование процесса изотермической раскатки дисков на основе математического моделирования в системе Q-Form, Сборник трудов Московского государственного вечернего металлургического института и Союз Кузнецов, 2004, выпуск № 4, с 509-512

5 Семин В А, Семин П В Математическое моделирование раскатки колец и дисков из сплавов титана // Научно-технический журнал Titan - М - 2004 - №2 (15) -с 59-63

6 Лисунец Н Л, Семин П В Разработка и исследование процесса изотермической раскатки дисков ГТД на основе математического моделирования в системе Q-Form, Труды пятой международной научно-технической конференции Часть II Математическое моделирование, 22-24 сентября 2004, г Воронеж, с 159-161

7 Лисунец Н Л , Семин П В Исследование и разработка процесса изотермической раскатки дисков ГТД на основе имитационного моделирования в системе Q-Form Международная научно-техническая конференция "Теория и технология процессов пластической деформации" Тезисы докладов Кузнечно-штамповочное производство (IV) 26-27 октября 2004, г Москва, с 154-155

8 Лисунец Н Л, Данилов В В , Ким В Г, Качалин А А, Семин П В Исследование процессов ротационного деформирования и разработка технологических режимов для производства заготовок и деталей газотурбинных двигателей Обработка металлов давлением - 85 летие научной школы - М Интермет Инжиниринг 2004 - 263 с

9 Семин П В, Лисунец Н Л Семин В А, Бурлаков И А "Исследование процесса изотермической раскатки деталей типа диск " // Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция Применение ИПИ-технологий в производстве Труды конференции 21-22 ноября 2006 г (МАТИ) М, 2006 с 74-76

10 Семин В А , Лисунец Н Л, Семин П В , Качалин А А "Физическое и математическое моделирование процесса ротационной вытяжки осесимметричных сложно-профильных изделий " Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов -Тр Межд Научно-техн Конф С-Пб„ с 121-122