автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка научных основ горячей и полугорячей штамповки поковок с заданными механическими свойствами

р/^н^1КИ10'<&ударственный технический университет

1 о ФЕВ 1998

Рябичева Людмила Александровна

УДК 621.774

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ГОРЯЧЕЙ И ПОЛУГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК С ЗАДАННЫМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.03.05. - Процессы и машины обработки

давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г. Донецк, 1997

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Восточноукраинском государственном университете Министерства образования Украины.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Соколов Лев Николаевич, Донбасская государственная академия, профессор; доктор технических наук, профессор Спусканюк Виктор Захарович, Донецкий физико-технический институт, HAH Украины, зав.отделом; доктор технических наук, профессор Евстратов Виталий Алексеевич, Харьковский государственный политехнический университет, зав.кафедрой.

Ведущая организация - Институт проблем материаловедения HAH Украины.

Защита диссертации состоится " & " [998 г. в

/Л- часов на заседании специализированного ученого совета Д 06.04.03 при Донецком государственном техническом университете по адресу: 340000, г. Донецк, ул.Артема, 58,5-ый учебный корпус, аудитория 353.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого государственного технического университета по адресу: 340000, г. Донецк, ул.Артема, 58.

Автореферат разослан " 4?&ег2Л/гЛ- 199/г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета, доктор технических наук, профессор

С.М. Сафьянц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

__________Актуальность проблемы:'Совершенствование заготовительного производства в машиностроении осуществляется за счет получения заготовок и полуфабрикатов, имеющих форму и размеры максимально приближенные к готовым деталям, а также за счет получения изделий с требуемой структурой и механическими свойствами.

Традиционным методом получения штампованных поковок является об-лойная штамповка на молотах и прессах, которая связана с большими потерями металла. На горячештамповочных прессах используется малоотходная безоб-лойная штамповка в цельных и разъемных матрицах. На штамповочных молотах, которые являются основным форлюооразуюшим оборудованием в хузнеч-но-прессовых цехах, успешно применяется малоотходная безуклонная штамповка (МБШ) осесимметричных поковок с выполнением на обрезных прессах дополнительного формообразования.

Однако эти технологии штамповки не регламентируют получение заданных механических свойств поковок. В кузнечно-прессовых цехах в последнее время начала применяться термомеханическая обработка, использование которой затрудняется из-за большой неравномерности деформации по сечению поковки и недостаточной обрабатываемости изделий после штамповки.

Изменение обшей структуры традиционной технологии штамповки влечет за собой изменение технологического парка кузнечно-прессового оборудования, а, следовательно, значительные капиталовложения в подготовку производства. В условиях серийного и мелкосерийного производства возможным является внедрение технологических процессов горячей и полугорячей штамповки, обеспечивающих экономию материалов я получение изделий с заданными механическими свойствами. Это можно достичь применением таких технологических процессов штамповки, в которых совмещаются и малоотходные процессы, и процессы структурообразования на основе динамического и статического разупрочнення. Решение проблемы разработки технологии и изготовления изделий повышенного качества, с заданным комплексом механических свойств, обеспечивающей сбережение материальных, трудовых и энергетиче-скта ресурсов, является актуальной.

Цель работы. Повышение качества изделий, экономия металла и энергоресурсов, повышение производительности труда за счет разработки и внедрения технологий горячей и полугорячей штамповки на основе совершенствования технологических режимов, создания новой научно обоснованной методики проектирования и новых технологических схем деформирования.

Методы исследования. Теореттеское исследование операций безуклонной штамповки выполнено методом линий скольжения. Использован математический аппарат теории обработки металлов давлением, линейных и нелиней-

ных дифференциальных уравнений. Математические модели пластического течения в условиях динамического разупрочнения решены операционным методом.

Экспериментальная проверка теоретических положений проведена на разработанных автором лабораторных установках по растяжению, сжатию и кручению образцов при различных температурах, скоростях и степенях деформации.

Для изучения структурообразования при пластическом деформировании использованы методы световой и электронной микроскопии, рентгенострук-турный анализ. Оценка механических свойств выполнена с помощью стандартных испытаний на растяжение и сжатие. Результаты экспериментов обработаны методами математической статистики.

Энергетические параметры деформирования определены обработкой материалов сферическими сходящимися ударными волнами (ССУВ).

Экспериментальное исследование технологических процессов штамповки выполнено в производственных условиях. При этом применяли метод тензо-метрирования, стандартные испытания механических свойств, микроструктурный анализ.

Основные научные положения, вынесенные на защиту:

1. Температурные и деформационные технологические режимы штамповки штамповых сталей, заключающиеся в том, что пластическую деформацию производят циклично и многократно с понижением температуры и с градиент том уменьшения усилий. Такие режимы обеспечивают повышение стойкости штампового инструмента и сокращают время его изготовления.

2. Температурные и деформационные технологические режимы штамповки поковок из низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей, заключающиеся в том, что в технологический процесс горячей штамповки, выполняемый с уменьшением степени деформации по переходам, вводится изотермическая выдержка при температуре последнего перехода и устраняется нормализация. Такие режимы обеспечивают получение изделий с заданными механическими свойствами.

3. Обобщенные соотношения девиаторов напряжений и скоростей деформаций, используемые при анализе напряженно-деформированного состояния.

4. Новая методика проектирования технологических режимов, которая основана на взаимоувязывании параметров напряженно-деформированного состояния и структуры, и обеспечивающая получение заданных свойств изделий.

5. Математические модели пластического течения в условиях динамического разупрочнения, позволяющие по макроскопическим параметрам деформации и параметрам структуры разрабатывать технологические режимы деформирования.

б. Результатыэкспериментальных исследований влияния напряженно-деформированного состояния на пластическое течение штамповых и среднеуг-¡сродистых конструкционных сталей, позволяющие определить сопротивление сформированию и механизмы разупрочнения.

Научная новизна и личный вклад автора. Разработаны математические

модели пластического течения в условиях динамического разупрочнения, которые взаимоувязывают макроскопические параметры деформации (скорость, :тепень деформации, температуру) и параметр структурообразования (величину аустенитного зерна) и позволяют прогнозировать механические свойства изделий.

Предложена методика проектирования технологических режимов горячей штамповки, основанная на анализе напряженно-деформированного состояния 'НДС), силового режима и величины зерна аустеннта и обеспечивающая получение изделий с заданными механическими свойствами.

Предложена методика определения энергетических параметров деформирования, заключающаяся в обработке металлов ССУВ, выполнении металлографического анализа и по зависимости коэффициента диссипации от гомологической температуры определении энергетических параметров соответствующего процесса деформации.

Имеют самостоятельное значение в теории обработки металлов давлением следующие результаты работы.

Экспериментально установлен степенной характер зависимости между компонентами девиаторов напряжений и скоростей деформаций; определены константы данных функций для различных материалов;

Определено влияние НДС на пластическое течение сталей при растяжении, кручении, сжатии. Установлены критические степени деформации и мак-:имальные напряжения на кривых течения, определяющие характер динамиче-:кого разупрочнения в зависимости от температуры, степени и скорости деформации. Наибольшая прочность материхюв получена при деформации по :хеме сжатие-сжатие. Повышение механических свойств материалов получено при малых степенях деформации и малых удельных усилиях с понижением температуры.

Предложена-аналитическая связь между температурой, степенью, скоростью деформации и параметрами структуры.

Установлены энергетические параметры процессов разупрочнения в интервале горячей и полугорячей деформации, показано их применение в разработке технологических режимов горячей штамповки.

Разработан структурно-энергетический подход к проектированию технологических процессов горячей штамповки на основе анализа НДС и моделирования пластического течения в условиях динамического разупрочнения.

Разработаны деформационные принципы оптимизации структуры конструкционных сталей, заключающиеся в проведении технологического процесса штамповки с уменьшением удельных усилий при каждом цикле деформирования с понижением температуры.

Разработаны алгоритм, программное обеспечение проектирования технологических режимов горячен штамповки на основе анализа НДС и моделирования пластического течения в условиях динамического разупрочнения.

Практическая ценность. На основе предложенной методики разработки технологических режимов деформирования, установленных закономерностей пластического течения, результатов исследования технологических возможностей и параметров деформ1грования в процессах горячей штамповки, разработаны режимы штамповки поковок из конструкционных сталей с заданными механическими свойствами.

Для освоения новых технологических режимов штамповки разработаны конструкции штампов, совмешенных с нагревательным устройством.

Получены и переданы для использования при расчетах технологических процессов штамповки экспериментальные данные по механическим свойствам сталей в широком диапазоне температур и скоростей деформации в зависимости от схем НДС.

Разработаны и переданы для внедрения в практику проектно-конструкторских работ технологические рекомендации по выполнению операций безуклонной штамповки и расчете силового режима деформирования.

Разработаны технологические режимы деформирования штампового инструмента повышенной стойкости и конструкции штампов.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Внедрены в производство технологии изготовления и штамповая оснастка для получения поковок детален тетовозов методом безуклонной штамповки совмещенной с термомеханически регламентированными режимами в кузнеч-но-прессовом цехе АО «Лугиентрок)3».

Внедрен в производство руководяший технический материал для проектирования термомеханически регламентированных технологий поковок тепловозов в кузнечно-прессовом цехе АО «Лугцентрокуз».

Внедрены в производство технологии изготовления поковок детален станкостроения методом безуклонной штамповки совмещенной с регламентированием термомеханических параметров "еформашга в кузнечно-прессовом цехе АО «Центрокуз» (г. Кировск. Луганская область).

Внедрены в производство технологические режимы штамповки штампового инструмента, которые испальз>ются Луганским проектно-технологическим институтом машиностроения.

(

На АО «Луганский трубный завод» внедрены в производство регламентированные технологические процессы и оснастка'для" получения" инструмента для вытяжки шарового соединения труб, а также регламентированный технологический процесс штамповки режущего инструмента для трубоотрезных станков.

На Луганском заводе автоклапанов внедрены регламентированные технологические процессы изготовления матриц для горячей штамповки клапанов и толкателей для различных изделий.

На Свердловском машиностроительном заводе (Луганская область) внедрены регламентированные технологические процессы изготовления штампо-вого инструмента для горячей штамповки деталей горного оборудования.

Суммарный долевой годовой экономический эффект от использования разработок составил 831 тыс. руб. в ценах 1991 г.

Отдельные результаты работы внедрены в Восточноукраинском государственном университете в разделах курсов «Теория обработки металлов 'давлением», «Горячая штамповка», "Нагрев и нагревательные устройства".

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью разработанных математических моделей, принятых допущений и ограничений, анализом числовых значений, полученных при решении уравнений, а также практической реаличацией новых технологических режимов и штампов для получения деталей машиностроения.

Апробация работы. Результаты исследований доложены, обсуждены и получили одобрение на научно-технических конференциях Восточноукраин-ского государственного университета (1975...1996 г.г.); республиканской научно-технической конференции "Производство и применение экономичных профилей в тепловозостроении" (Луганск, 1979 г.); всесоюзном совещании "Состояние и перспективы развития термической и химико-термической обработки" (Ижевск, 1979 г.); всесоюзном семинаре "Пути повышения эффективности кузнечно-штамповочного производства" (Ленинград, 1982 г.); всесоюзном семинаре "Малоотходная технология ковки и горячей штамповки" (Ленинград, 1983 г.); всесоюзном семинаре "Автоматизированное проектирование прогрессивных процессов ковки и горячей штамповки'' (Ленинград, 1989 г.); всесоюзной научно-технической конференции "САПР кузнечно-штамповочного производства" (Свердловск, 1988 г.); республиканской научно-технической конференции "Физика и механика пластической деформации порошковых материалов" (Луганск, 1991 г.); международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения" (Луганск, 1995 г.); межд) народной научно-технической конференции "Технология 95" (Братислава, 1995 г.); международной научно-технической конференции "Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении" (Луганск, 1996 г.); международной научно-технической конференции "Компьютеризация проектирования

технологических процессов в машиностроении" (Луганск, 1996 г.); научно-технической конференции "'Теория и технология процессов пластической деформации - 96" (Москва, 1996 г.); научно-технической конференции "Бернштейновские чтения" (Москва. 1996 г.); международной научно-технической конференшш «Технология - 97» (Братислава, 1997 г.).

Диссертационная работа в целом рассмотрена и одобрена на научно-техническом семинаре Восточноукраннского государственного университета (1997 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 69 научных работах, из которых в автореферате приведены 29 основных публикаций. Среди них:

- монография [1], написана самостоятельно;

- учебное пособие [2] написано самостоятельно;

- 6 статей написано самостоятельно;

- 18 статей в ведущих специальных журналах бывшего СССР и стран СНГ [3,6,9,21-26];

- 6 статей в периодических сборниках научных трудов [4, 5, 7, 8, 11; 20];

- 2 авторских свидетельства;

- 1 статья в сборнике докладов международной конференции [29].

Основная часть идей, теоретических и практических положений диссертации принадлежит соискателю лично, что нашло отражение в его монографии [1], посвященной разработке технологических режимов деформирования, а также в его шести статьях [3 - 8], в которых рассматриваются вопросы напряженно-деформированного состояния безуклонной штамповки, моделирования процессов динамического разупрочнения;, практического использования технологически режимов н схем деформащш.

В учебном пособии [2] приведены температурные режимы штамповки конструкционных сталей, разработанные соискателем.

Статьи [10, 12 - 20, 24 - 26, 29] опубликованы совместно с профессором В.М. Лещинским и с другими авторами, которые были сотрудниками исследовательских тем. Соискателю принадлежит часть, которая касается проведения экспериментальных исследований механических свойств, напряженно-деформированного состояния при операциях штамповки, силового режима деформирования, разработке математических моделей разупрочнения, анализа и обобщения результатов исследований.

В статьях [9, И, 21 -23] соавторами являются сотрудники, которые принимали участие в разработке госбюджетных тем, соискателю принадлежит постановка задачи и обобщение результатов исследований н промышленного опробования.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов по главам, общих выводов, перечня используемой литературы.«____________

приложений. Диссертация содержит 476 страниц машинописного текста. 37 таблиц, 173 иллюстрации на 130 страницах; 256 литературных источников на 26 страницах.

Автор выражает глубокую благодарность профессору, доктору технтсче-ских наук, заведующему кафедрой "Кузнечно-прессовое производство и материаловедение" Воеточноукраянского государственного университета Ленинскому Вольфу Михайловичу за участие в ранее выполненных и вместе опубликованных научных работах, которые использованы в диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность.

Глава 1, Структура и современное состояние кузнечно-штамповочного производства и пути его технологической модернизации.

Рассмотрен парк оборудования для горячей штамповки и термообработка! заготовок на предприятиях машиностроительной отрасли. Установлено, что при всем многообразии оборудования основным являются штамповочные молоты, на которых изготавливают до 73% поковок круглых в плане из конструкционных углеродистых и легированных сталей. Показано, что процессы горгчей и полугорячей штамповки имеют многообразные способы пластического деформирования в зависимости от геометрических параметров и материала детали, кинемапгческого и силового воздействия на заготовку.

Представлен обзор технологических методов иггамповки. совершенствование которых должно быть направлено на изготовление предельно точных поковок, требующих минимальную или вовсе исключающих последуогпую механическую обработку, и на получение поковок с заданными механическими свойствами.

Отмечен значительный вклад, внесенный в развитие теории и технологии горячей и полугорячей штамповки работами ученых в странах содружества и за рубежом. Вопросами совершенствования технологии штамповки занимаются Л.Н. Соколов, ГО.Е.Шамарин, В.А. Евстратов, И.С. Алиев. В.З.Спус:санюк. В.И. Дорощко, М.М. Черных. В.К. Лобанов, Ф.Д. Бичукин. В.М. Горб>нсэ и др. Большой вклад в развитие теоретических методов расчета процессов горячен объемной штамповки внесли Ю.А. Алюшин, Ю.А. Бочаров. О.А. Ганаго. ГЛ. Гун, А.З. Журавлев, В.Л. Колмогоров, Е.М. Макушок. А.Г. Овчинников. А-А. Поздеев, К.У. Романов, А. Е. Семенов, Л.Г. Степанский, М.В. Сторожев.

И.Я.Тарновскин, А.Д. Томленов, Е.П. Унксов, У.Джонсон, Х.Кудо, Р. Хилл и многие другие ученые. Разработкой термомеханических режимов деформирования занимались ученые МЛ. Бернштейн, A.A. Баранов, Л. И. Тушинский, В.М. Горбатенко, А. П. Атрошенко, Л.М. Капуткина, A.A. Минаев, В. И. Алимов и др>тие, Изучению металлофизических процессов пластического течения посвящены работы Л.Н. Ларикова, Г .Я. Козырского, П.Н. Окраинца, В.А. Скуднова, Г. Шульце, Р. Джойса, В. Тегарта, С. Сакаи, В. Дерби, М. Ешби, Р. Сандстрома, В. Робертса, В .Ахеблома и других.

Структурная перестройка промышленности вызывает резкое уменьшение серийности производства и требует значительного снижения его энергоемкости и ресурсопотребления. Именно поэтому уменьшилась потребность в штампованных заготовках и появилась необходимость в создании усовершенствованных малоотходных технологий, направленных на улучшение качества поковок и получение их с заданными механическими свойствами.

Показано, что получение поковок с заданными механическими свойствами возможно, если при разработке технологий горячей и полугорячей штамповки упраатять основными параметрами деформации - степенью, скоростью, температурой и длительностью последеформационной паузы. Эти параметры успешно применяются для термомеханической обработки материалов при прокатке (A.A. Баранов, A.A. Минаев, В.М. Горбатенко). Для горячей и полугорячей штамповки таких исследований выполнено недостаточно (А.П. Атрошенко), поэтому необходима разработка технологий, в которых регламентирование основных параметров деформации использовалось для улучшения качества поковок.

Совершенствование технологических процессов горячей штамповки в условиях серийного и мелкосерийного производства в направлении совмещения регламентирования параметров деформации и малоотходных технологий расширяет перспективы оптимизации механических свойств поковок, возможности использования оборудования в технологической цепочке штамповки и возможности разработки оригинальных технологий изготовления поковок.

Исходя из изложенного, для достижения поставленной цели сформированы слел>тошие задачи:

• разработка новых температурных и деформационных режимов горячей и полугорячей штамповки, направленных на получение изделий с заданными мехашгческими свойствами;

• подготовка системы математических моделей пластического течения в условиях динамического разупрочнения и вывод аналитических зависимостей для обеспечения разработки технологических режимов горячей и полугорячей штамповки, в т.ч. и с использованием ЭВМ;

• изучение пластического течения в условиях динамического разупрочнения, анализ напряженно-деформированного состояния на доделочных операци-

ях формообразования и оценка взаимосвязи параметров дебормашш я структуры;----------------------------------------------------------------------------------------------

• разработка научно обоснованной методики проектирования технологических режимов горячей штамповки на основе изучения и учета динамического и статического разупрочнения, силового режима деформирования, пластического течения металла и формоизменения заготовки;

• подготовка результатов исследований и конструкгорско-технологических разработок к практическому применению и внедрению в производство.

Глава 2. Экспериментально-теоретическое исследование структурно-энергетическнх параметров процессов деформапни.

Основной энергетической характеристикой, определяющей изменение дислокационной структуры и механических свойств материалов при выполнении многооперационных технологических процессов горячей и полугорячей штамповки, является предельная удельная накопленная энергия деформации (В. С. Иванова, В.А. Скудное). Эта величина является структурно-чувствительной и может характеризовать процессы, протекающие при пластической деформации при различных температурно-скоростных условиях. В предположении, что удельная предельная накопленная энергия деформации металлов имеет различные значения для динамических процессов разупрочнения при пластическом течении выполнено ее экспериментальное определение для динамической рекристаллизации как основного процесса структурообразо-вания при горячей и полугорячей штамповке. Показана возможность определения этого параметра при обработке материалов сферическими сходящимися ударными волнами.

Высокоскоростному деформированию ССУВ подвергали образцы из меди, железа, сталей Ст 3, Х18Н10Т, ЗОХГСА, выполненные в виде однородных шаров диаметром 60 мм, которые помешали в стальной гермочехол. По окружности такой экспериментальной сборки размешали сферический однородный слой высококалорийного взрывчатого вещества (ВВ). Иняшпгрование взрыва ВВ происходило в большом количестве точек на наружной поверхности.

На основании законов сохранен™ массы, импульса и энергии, а также уравнений состояния продуктов взрыва и материала находили параметры фронта ударной волны. В результате эксперимента получены образцы в виде сферических ядер, претерпевших сложную историю ударноволнового нагру-жения и динамической разгрузки. Сохраненные образцы разрезали с указанием выделенных направлений по радиусу, определяли микротвердость и выполняли металлографические исследования. Для оценки результатов исследований использовали численные методы расчета процессов, протекающих в рассматриваемых системах.

Изучено влияние высокоскоростного деформирования (скорость дефор-

мирования 3* 10"8 мм/с) при ударноволновых и динамических нагрузках на из менение давления и внутренней энергии. Установлено, что гидростатическое давление зависит от материала. Эта зависимость показана на рис.1 ( Р - давле ние на ударной волне, Я - радиус образца). Внутренняя энергия Е зависит о химического состава, структурного состояния и вида деформации (рис. 2) Наименьшее значение внутренней энергии получено при холодной, наиболь шее - при горячей деформации.

В результате эксперимента получены четко выраженные зоны испарения плавления и других фазовых превращений по сечению образца. При этом вели чины энергии, затраченной на процессы испарения, плавления и холодную де формацию, согласуются с известными не зависимо от способа обработки ма териала. Это дало возможность предположить, что предельная удельная накоп ленная энергия деформации, затраченная на рекристаллизацию, не зависит о: скорости обработки и является ее физической характеристикой, постоянно! для данного материала. Для испарения, плавления и холодной деформацш рассчитаны коэффициенты диссипации 4 = £,,/£,, (где Е1р - энергия, погло' щенная материалом, £я,- энергия падающей волны). Из результатов расчет: следует, что эти коэффициенты для каждого материала и процессов испарения плавления и деформации значительно отличаются друг от друга.

На рис. 3 показана зависимость коэффициента диссипации от гомологической температуры^ = Т1р¡Тц , где Т№ - температура структурных превращений Ти - температура испарения). По линейной аппроксимации указанных параметров определен коэффициент диссипации соответствующего процесса деформации при различных температурах и процессах структурообразования.

Изучены механические свойства и структура материалов при высокоскоростном деформировании. Получено увеличение микротвердости в 2 раза пс сравнению с исходной с уменьшением радиуса образцов в слоях, где материал подвергался большим пластическим деформациям и при наличии в структуре многочисленных следов деформации. Уменьшение микротвердости установлено для слоев материала с мелкозернистой рекристаллизованной структурой. Показано формирование дислокационной структуры с увеличением давления: накопление дефектов при деформации и повышенная плотность дислокаций в рекристаллизованных зернах.

Разработана методика определения энергетических параметров деформации, которая заключается в обработке материалов ССУВ, последующем металлографическом анализе для отыскания положения необходимого деформированного слоя и по линейной аппроксимации коэффициентов диссипации от гомологической температуры определении энергетических параметров деформации.

Получено, что для сплавов на основе железа энергия деформации в условиях динамической рекристаллизации составляет 2.9 - 4.7 кДж/моль. Эта вели-

РГПа

МО

во

во ло го

\ \

\

ч

л ^ г *

N V.

РДа

/со

¿0 60

90

1 \ . \

\ \ \\

м

1

Ч!^ 1 к

1 <2 ео ч # 20 221ч»

а п

Рис. 1. Изменение давления на ударной волне: а - медный керн, б - железный керн, - - падающая УВ;--отраженная УВ

■ к 1т

'■ мель

ПО Ш

■ по т 5о 7Р Л го ю

г

НО

(II но 33 70 Я> ¡0 п

1

1

!|

1

ч

г

К- г~

1 ^ —г-

6 Й, О. 19 <0 и 26

а

Рис. 2. Изменение внутренней энергии на ударной волне : 1 - железо; 2 -

галь С г 3; 3 - сталь ЗОХГСА; 4 - Х18Н10Т; 5 - медь; - - падающая УВ;

--------отраженная УВ

Рис. 3. Зависимость коэффициента диссипации от гомологической температуры

чина использована при разработке технологических режимов горячей и полугорячей штамповки.

Глава 3. Теоретическое исследование механизмов разупрочнения при различных деформационно-термических условиях.

Посвящена теоретическому исследованию связи параметров структурооб-разования и пластического поведения материалов. Рассмотрены феноменологический и структурный подходы к определению некоторых параметров динамической рекристаллизации на базе металлофизических представлении.

Предложена модель динамических процессов разупрочнения при полугорячей и горячей деформации, связывающая основные параметры деформации -температуру, степень и скорость деформации, напряжение - с параметрами структуры - энергией активации, энергией дефектов упаковки, плотностью дислокации (Г. Зоухар).

Средняя плотность дислокаций, достигаемая в поликристаллическом материале при пластической деформации, определяется двумя взаимноуравнове-шиваюшимися процессами упрочнения и разупрочнения. Тогда изменение плотности дислокаций во времени можно описать соотношением

b - as - Kp

(1)

где р - плотность дислокации: К- функция Больцмана: е - скорость деформашш: а - коэффициент.

Решение уравнения (1) при достижении критической степени деформашш и максимального напряжения на кривой течения 'лмеет вид

где г gmax - максимальное октаэлэтеское напряжение на кривой течения; g8K - критическая степень деформашш; К0 - частотный фактор, не зависящий от температуры; Е - энергия активации рзлупрочняюших процессов; Т - температура; А, п' - постоянные материала: X - коэффициент, находящийся в пределах 0< < 1; а = ё (t) = const.

Уравнения (2) и (3) являются соотношениями, связывающими основные параметры пластического течения с физическими свойствами и структурой материала. Из этих уравнений следует линейный характер изменения критической степени деформации и максимального напряжения течения в функции от обратной температуры с наклоном прямой, равным энергии активации процесса динамического разупрочнения, проходящего по тому или иному механизму.

Описанная модель динамических процессов разупрочнения экспериментально подтверждена при сжатии и кручении штамповых сталей. Получены величины энергии активации при полуторячей и горячей деформации, которые соответствуют динамическом)- возврату- и полигонизашш при деформировании сталей с феррито-цементитной структурой л динамической рекристаллизации при деформировании сталей со структурой зустекша.

Для оценки параметров динамической рекристаллизации при пластической деформации использован феноменологический подход, который основан на введении многомерного пространства структурных параметров, зависящих от термомеханических режимов деформации |Ц Г. Гун). Показано, что функция рекристаллизованного объема в зависимости от интенсивности рекрнсталлиза-

(2)

(3)

ции и времени имеет осциллирующий характер. Это подтверждается исследованиями реологического поведения сталей при низких скоростях деформации и высоких температурах. Приведены уравнения, позволяющие получить величину рекристаллизованного объема при пластической деформации.

Разработана структурная модель динамической рекристаллизации, основанная на рассмотрении классического варианта зародышеобразования и роста зародыша зерна при соответствующих энергетических условиях процесса (В. Дерби, М. Эшби).

Получено соотношение, позволяющее по макроскопическим параметрам пластического течения металла (температуре, степени и скорости деформации), используя энергию деформации в условиях динамической рекристаллизации, оценить величину аустенитного зерна.

РгШ'Вё{Р1а' -1)ехр(-В£) _1 м>р21"'-пс!'2 {1 + (О / - 1)ехр(~$е)}3

где у;р - поверхностная энергия деформации, Дж мм2 с"1;

£>- текущий размер аустенитного зерна, мм;

</'- предельный размер зерна, мм;

1 /В- критическая степень деформации, соответствующая началу рекристаллизации, определяемая по кривым течения.

Поверхностная энергия деформации определяется как

(5)

где Ц, - коэффициент диффузии;

5 - толщина дислокационной трубки;

Ь - вектор Бюргерса;

■и»,- поверхностная энергия зерна, образовавшегося в результате динамической рекристаллизации, определенная обработкой материалов ССУВ.

По уравнению (4), зная температуру, степень и скорость деформации, можно определить величину аустенитного зерна в каждой точке деформируемого объема. Решение уравнения (4) относительно Т,е,е показало чувствительность параметров структуры к параметрам деформации.

Выполнен анализ механизмов разупрочнения сталей при различных схемах напряженно-деформированного состояния и термомеханических параметрах и установлено соответствие механизмов представленным моделям. Оценочный расчет энергии дефектов упаковки показал, что начальная стадия пластического течения сталей характеризуется развитием динамического возврата

у феррито-цементитной смеси и динамической рекристаллизацией при дефор-___ мации аустенита__________________________________________________________

Рассмотрены механизмы статического разупрочнения в зависимости от температуры и степени деформации. По макроскопическим особенностям кривых течения выполнена приближенная оценка энергии дефектов упаковки, позволяющая определить механизм разупрочнения.

Экспериментально подтверждена линейная 'зависимость критической степени деформации и соответствующего ей максимального октаэдретеского напряжения течения в функции от обратной температуры за исключением области критических точек, в которых имеются разрывы этих функций. Различный наклон прямых обеспечивает различие в энергии активации процесса, ответственного за появление максимума напряжений на кривой течения. Показано, что энергия активации деформации при температурах ниже Ас1 находится в пределах 0,3 - 0,8 эВ, что свидетельствует о незначительной роли самодиффузии (Г.Я. Козырский, П.Н. Окраинец). При деформации выше Ас1 и увеличении степени деформации энергия активации увеличивается до 1,86 эВ, что характеризует развитие динамической рекристаллизации. Получены значения плотности дислокаций, соответствующие максимальным напряжениям на кривых течения, подтверждающие линейный характер рассмотренных функций. Показано, что по макроскопическим параметрам пластического течения возможно определение характеристик тонкой структуры материала.

Глава 4. Влияние схем напряженного состояния на пластическое течение сталей.

Структурообразование при горячей штамповке является комплексным сложным процессом, кинетика которых зависит от схемы напряженно-деформированного состояния, температуры, продолжительности междеформационной и последеформационной паузы. Совокупность этих параметров влияет на величину аустенитного зерна, ее равномерность и механические свойства поковки. Поэтому эта глава посвящена отысканию на макро- и микроуровнях особенностей пластического течения металла при различных схемах напряженного состояния, температурах, скоростях и степени деформации, продолжительности междеформационной паузы (М.И. Калачев, Е.М. Макушок, Л.Н. Соколов, В.М. Лешинский).

Влияние схемы напряженного состояния исследовали на различных груп-I пах сталей: углеродистых (У8Л, У ЮЛ), штамновых для горячего деформирования (8X3, 4Х2В5ФМ, 4Х5В2ФС), консгрукционных (18ХГТ, 20Х). Сжатие, растяжение и кручение при скорости деформации 0,59x10° с"1 осуществляли при температурах горячего и полугорячего деформирования. Выявлен характер изменения напряжений и структуры в зависимости от степени деформации. Установлено, что в реальном процессе пластического течения напряжения полу-

чают приращение за счет составляющей упрочнения и разупрочнения, интенсивность последней обусловлена схемой напряженно-деформированного состояния и температурой (Л.Н. Соколов). На кривых течения исследуемых сталей получены характерные особенности: критические степени деформации и соответствующие им максимальные напряжения, положение которых зависит от температуры деформирования и изменяется при разлтном фазовом состоянии стали (Р. Джойс, Дж. Джонас, К. Россарл, П. Блейн). На рис. 4 показаны кривые течения стали 18ХГТ в обобщенных координатах, полученные при сжатии, на которых видны стадии увеличения напряженнй, их падения и установившегося течения.

Выполнен анализ изменения >шхроструктуры статей при различных схемах напряженного состояния, степенях деформации и температурах, подтверждающий кинетику разупрочняющих процессов. У стати У8А, отожженной на пластинчатый перлит, после сжатия со степенью деформации gs=0,32 при температуре 680 °С начинается процесс дробления цементитных пластин, который интенсифицируется'с увеличением температуры и степени деформации. При температуре 720°С и степени деформации gs=l,28 стать имеет перлитную структуру с изогнутыми и сфероидизироаанными мелкодисперсными частицами цементита с наличием незначительных колоний пластинчатого цементита. Причем, процесс сфероидизашш при кручении развивается интенсивнее, чем при сжатии ( A.A. Баранов, И.К. Долженков).

Показано влияние схемы напряженного состояния на характеристики прочности и пластичности при температурах горячего и полугорячего деформирования исследуемых статей. Наибольшая величина напряжений течения получена при схеме напряженного состояния сжатия, наименьшая - при сдвиге. Пластичность с повышением температуры и изменении фазового состояния стали увеличивается. На рис. 5 показана зависимость характеристик прочности (т8 о,оо2,tj 0,2 - октаэдрические напряжения течения при степени деформации §5= 0,002 и gs=0,2, соответственно) и характериспас пластичности (е - относительное удлинение, - относительное сужение) хтя стали 18ХГТ.

Скорость деформации также влияет на формирование структуры металла, поскольку ее изменение в широких пределах приводит к нарушению структурного равновесия, существовавшего при иной скорости (С.И. Булат, Г.Н. Мехед). Поэтому важна оценка связи между интенсивностью касательных напряжений Г и интенсивностью скоростей деформации сдвига Г при различных температурно-скоростных условиях для простых схем напряженного состояния,представленная ассоциированным законом течения (В.Л. Колмогоров).

Чипа

Рис.4. Кривые течения стали 18ХГТ после сжатия

гаа ¡¡с 950 о

Рис.5. Изменение показателей прочности и пластичности стали 18ХГТ: О- кручение, © - растяжение, • - сжатие

На рис. 6 показаны кривые течения стали У8А, полученные при ступенчатом изменении скорости леформашш кручения, с помошью которых предложена оценка константы в ассоциированном законе течения.

(>, МПа Щ!

{7

Щ7

Ш О/

Рис.6. Кривые течения стали У8А с шменением скорости деформации без разружения. Т = 900°С

о,соч ___££

1 }

А- цел

/

щ о, и а, а с/* о, у &

Зависимость между компонентами девиатора напряжений Dz и тензора скорости деформации Т-. можно представить в виде

= А;,-,(/=1,2,3) (6)

При кручении шаровой тензор напряжений а° = 0 . тогда

ст,- = Ас, (7)

В безразмерных параметрах

где А = Л еу

Обозначим сг / сго - сг, ; е, / ¿„ = ¿,, тогда (2) запишем

(9)

а

После логарифмирования

Ьст, =1пЛ + 1пГ ' (10)

Из (10) следует, что прямая функции Ina, = /(Ins,) должна быть наклонена под углом 45° к оси абсцисс. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что прямые имеют угол наклона, отличный от 45". Поэтому (10) запишем

In а, - In Л + ß. In ¿,, (11)

где (дс - коэффициент меньше единицы.

Тогда соотношение между компонентами девиатора напряжений и скорости деформации запишем

<т(=Л^ (12)

Ассоциированный закон течения удовлетворяет условию коаксильностн тензоров напряжений и скорости деформации и описывается функцией в виде сходящегося ряда. Тогда в первом приближении зависимость компонент Во и Г, можно представить в виде суммы двух первых членов ряда, откуда и получается их пропорциональность. Однако при простых схемах напряженного состояния при более точном определении для широкого интервата температур и скоростей деформации будет отсутствовать прямая пропорциональность и на Т, что указывают эксперименты.

Из рис. 7. можно определить величину 1пЛ, согласно выражению (10] которая для стали с 0,25% С равна 0,09 - 0,16, для стали У8А - 0,1 - 0,19. Коэф фициент в (11) для относительно малых скоростей деформаци.

(¿, / ё0 < 0,5) составит 4,2, для высоких скоростей деформации (£,/£„ -0,5), ц0 = 5,5; для стали У8А соответственно м.- = 3.8 и - 5.1.

Показан энергетический характер физической природы коэффициента Л ассоциированном законе течения.

Рис. 7. Логарифмическая зависимость относительного упрочнения от • относительной скорости деформации: а - малоуглеродистая стать, о - У8/5

Выявлен характер динамических н статических разупрочняюших процес сов при исследовании циклического деформирования сжатием и кручение.\| Показано, что при достижении критических степеней деформации в каждо цикле при сжатии и кручении происходит изменение механизма разупрочш ния.

При деформировании материалов ниже температуры фазовой перекр! сталлизации АС1 ответственньш за разупрочнение является динамический во врат, а наличие критических степеней деформации определяет начало полип

низации. При деформировании выше АСз , а, следовательно, и в интервале температур горячей штамповки, при-достижении критической степени деформации начинается динамическая рекристаллизация.

Уменьшение степени деформации в каждом цикле приводит к упрочнению и подавлению разупрочнягаипк процессов.' Самые высокие степени разупрочнения получаются после достижения критических степеней деформации. Введение в процесс деформации пауз со снятием нагрузки снижает упрочнение. Продолжительность паузы и температура деформации определяют характер статического разупрочнения. Отсюда следует, что при выполнении многопереходных технологических процессов горячей и полуторячей штамповки малые степени деформации в каждом переходе обеспечивают развитие 'упрочнения и подавление разупрочняющих процессов. Междефармащюкные паузы при постоянной температуре за счет статического разупрочнения приводят к уменьшению упрочнения, созданного деформацией.

Глава 5. Анализ напряженно-деформированного состояния при доде-лочных операциях безуклонной штамповки.

Рассмотрено напряженно-деформированное состояние при доделочных операциях безуклонной штамповки (М.М. Черных, В.К. Лобанов) методом линий скольжения (Л.А. Шофман, И. Л. Перлин). Выполнена интегральная оценка распределения деформаций по объему поковки; выявлены стадии штамповки, на которых происходит искажение недеформируемых внешними силами поверхностей; сделана оценка влияния состояния поверхности инструмента на распределение деформаций и напряжений в очаге деформации.

Проанализированы поля линий скольжения при обжиме и раздаче на на-чатьной стадии деформирования, при проникновении деформации на всю тол-шину поковки, на заключительной стадии деформирования при различных коэффициентах трения и уклонах инструмента.

Показано, что на начальной стадии обжима металл вытесняется на торцевую поверхность поковки. Искажение торцевой поверхности растет с увеличением толщины стенки поковки. На промежуточной стадии деформация проникает на свободную поверхность поковки, противоположную деформированной. Увеличение толщины стенки поковки может вызвать на свободной поверхности растягивающие напряжения, снижающие ресурс пластичности материала. На заключительной стадии обжима деформация распространяется на всю толщину поковки. Жесткая зона сохраняется только под пуансоном, передающим деформирующие усилие. Аналогично деформируется металл и при раздаче.

Получено, что все стадии обжима и раздачи протекают в условиях неравномерного распределения напряжений и деформаций по толщине стенки поковки, которое увеличивается с уменьшением относительной толщины поковки и уменьшается с увеличением уклона инструмента. В последнем случае изменение условий трения не оказывает существенного влияния на неравномер-

ность напряжений. Неравномерность деформаций оценивали по изменению относительного гидростатического давления (коэффициента на-

пряженного состояния), зависимость которого от коэффициента трения и геометрических параметров инструмента и поковки дана на рис.8. Из рис.8а следуют практические рекомендации: если металл будет выклиниваться на боковую поверхность, то необходимо уменьшить уклоны на предварительной поковке, на формообразующем инструменте и уменьшить коэффициент трения. Коэффициент напряженного состояния также зависит от относительной толщины стенки поковки liB/t (рис. 86).

Показано, что на начальных стадиях обжима и раздачи со стороны деформирующего инструмента могут действовать нормальные напряжения, находящиеся в зависимости от условий трения на контактной поверхности в интервале значений, определяемых выражениями: =-2.<(1 + р)илн ст„ = -i:(l + - 2/ - 2р). При уменьшении углов наклона образующих поковки и

инструмента до нуля рабочие нормальные напряжения будут находиться в пределах от 2 К до 2,57 К (где К- постоянная пластичности, о,у - углы наклона образующих наружной поверхности поковки и инструмента к вертикали, соответственно). На заключительной стадии операций неравномерность распределения напряжений уменьшается.

Получены аналитические зависимости нормальных напряжений от коэффициента трения и размеров поковки, которые использованы для расчета силового режима на заключительной стадии деформирования. Анализ этих зависимостей показал, что напряженное состояние в очаге деформации при малых коэффициентах трения определяется геометрическими параметрами поковки, а при большом трении - величиной коэффициента трения.

Результаты исследования НДС при обжиме и раздаче использованы для определения силовых характеристик операций на любой стадии деформирования.

Рассмотрен анализ напряженно-дефор.чпгрованного состояния низких кольцевых поковок при выполнении правки. В процессе воздействия на поковку деформирующим инструментом можно выделить три стадии деформирования. На первой стадии происходит смятие контактной поверхности и металл выклинивается на боковую поверхность поковки. На промежуточной стадии деформация проникает на всю толщину покозки. Деформирование на заключительной стадии подобно деформированию между плоскопаратлельными плитами.

Неравномерность деформации при правке определяется условиями кон тактного трения и величиной уклона на покоЕке.

Полу чена номограмма, связывающая силозые параметры поковки с пара метрами полей линий скольжения, по которой рекомендуется определять зон} смятия поковки. Показано, что правка может выполняться под воздействие?, только перезывающих сил (1.0 < t/h < 1.5), преобладающим воздействием пере-

Х-к

о? оч са 0,1-0 т <,:> ¿а г*

Рис. 8. Зависимость коэффициента напряженного состояния от коэффициента трения, параметров поковки и инструмента (а) и относительной толщины :тенки поковки при величине уклона 10 (б)

резывающих сил (1.5 2 t/h < 3.0) ив результате воздействия перерезывающих сил и изгибающего момента с преобладанием последнего (t/h>5.0). Даны технологические рекомендации выполнения операций обжима и раздачи, которые заключаются в выдерживании равенства углов наклона образующих наружной поверхности поковки и внутренней поверхности инструмента к вертикали; для локализации очага деформации у поверхности поковки необходимо применять инструмент с грубым состоянием поверхности; неравномерность деформации уменьшается с увеличением относительной толщины поковки.

• При расчете технологического процесса правки рекомендуется определять по предлагаемой номограмме продолжительность зоны смятия, что даст возможность регулировать положение очага деформации и силовые характеристики операции.

Глава 6. Совершенствование н внедрение технологических режимов малоотходной горячей штамповки конструкционных сталей.

Посвящена оптимизации горячей штамповки по двум направлениям: совершенствовании общепринятых схем деформации и разработке термомеханического режима деформации (В.А. Евстратов, В.З. Спусканюк, И.Я. Мовшо-вич, Г.П. Тетерин).

Экспериментально на стали У8А выполнено сравнение величины аусте-нитного зерна по переходам традиционного технологического процесса горячей штамповки в производственных условиях и по технологии, предусматривающей введение изотермической выдержки перед доделочной операцией безуклонной штамповки. Это позволило оценить влияние статических разупроч-няюших процессов на формирование равномерной структуры между переходами штамповки и использовать полученные данные для разработки технологии с регламентацией температуры на последнем переходе.

Исследования показали, что введение изотермической выдержки после штамповки поковок из стали У8А на штамповочном молоте перед окончательной формообразующей операцией, выполняемой на кривошипном прессе, позволило уменьшить величину зерна и снизить разнозернистость структуры. Полученные данные свидетельствуют о том, что статическая рекристаллизация в i период изотермической выдержки позволяет в значительной степени снизить отрицательное влияние динамической рекристаллизации вследствие неравномерности деформации после штамповки на штамповочном молоте. Полученная после штамповки с изотермической выдержкой структура стали обеспечила механические свойства поковок близкие к нормализованным.

Аналогичные исследования термомеханического режима деформирования выполнены при штамповке поковок из стали 18ХГТ. Они показали, что в результате введения изотермической выдержки поковок при температурах 940-970°С в традиционный технологический процесс горячей штамповки перед последней операцией безуклонной штамповки механические свойства поковок

приближаются к свойствам стали в нормализованном состоянии, что свидетельствует о возможности устранения нормадшашш после штамповки. Механические свойства стали 18ХГТ составили : ст. = 675 Мпа; сгв = 865 Мпа; е = 21%; НБ 220.

Предложена алгоритмизация разработки технологического режима регламентированной горячей и полугорячей штамповки.

На примере открытой штамповки кольцевых поковок показан алгоритм проектирования технологического режима, который основан на связи поэтапного анализа напряженно-деформированного состояния со структурной моделью динамической рекристаллизации, описывающей выражением (4). Для использования такого алгоритма необходимы значения температуры, накопленной деформации и интенсивности скорости деформации сдвига в каждой точке деформированного объема. Для этого выполняется анализ напряженно-деформированного состояния при штамповке поковки в окончательном ручье. Имея распределение напряжений по сечению поковки, с помощью ассоциированного закона течения Т = строится распределение деформаций и скоростей деформаций в каждой точке деформируемого объема При этом в расчетах используется коэффициент Л, значение которого определено в гл. 4.5 и составляет для представленного случая 48,7 Мпас. Далее используя выражение (4), рассчитывается величина динамически рекристатлнзованного аустенитно-го зерна. Выполняется анализ напряженно-деформированного состояния на доделочной операции безуклонной штамповки. После чего выполняется согласование технолопгческих параметров штамповки и величины аустенитного зерна. Представленный технологический режим горячен штамповки был проверен в экспериментальных условиях при штамповке поковок тепловозов.

На рис.9 представлена блок-схема атгоритчз разработки технологического режима деформирования в технологическом процессе горячен штамповки .

Исходными данными для расчета являются марка стати, механические и физические свойства материала, исходные и требуемые параметры структуры.

Во втором блоке выполняется анализ напряженно-деформированного состояния при штамповке в окончательном ручье.

В третьем блоке рассчитываются интенсивности деформации и скорости деформации после штамповки в окончательном ручье.

В четвертом блоке с учетом накопленной деформации и интенсивности скорости деформации сдвига в каждой точке деформированного объема анализируется структурная модель динамической рекристаллизации после штамповки в окончательном ручье. В результате по.т\чгем распределение величины аустенитного зерна в различных точках поковки.

В пятом блоке анализируется модель статической рекристаллизации с получением величины аустенитного зерна по объему поковки.

В шестом блоке выполняется анализ напряженно-деформированного состояния на доделочной операции безуклонной штамповки.

В седьмом блоке рассчитываются интенсивности деформации и скорости деформации на доделочной операции безуклонной штамповки.

В восьмом блоке определяется величина аустенитного зерна в каждой точке деформируемой поковки после доделочной операции с использованием структурной модели динамической рекристаллизации.

В девятом блоке проверяется величина аустенитного зерна, если она больше заданной, то в пятом блоке производится перерасчет статически рекри-сталлизованкого аустенитного зерна при новых параметрах деформации на последнем переходе.

В десятом блоке проверяется усилие деформации по переходам штамповки при выбранных технологических параметрах, увязанных с размером аустенитного зерна.

В одиннадцатом блоке осуществляется печать параметров структуры и деформации по всем этапам штамповки, а также получаемые в результате штамповки поковки, механические свойства.

Рассмотрены разработанные и внедренные технологические процессы безуклоннон штамповки поковок тепловозов с применением регламентированных режимов деформирования. Разработку технологических режимов штамповки поковок типа колец, втулок, гнезд, шестерен из сталей 20Х, 40Х, 38ХС, 12Х2Н4А и других осуществляли с применением описанного выше алгоритма.

В технологический процесс штамповки введена изотермическая выдержка при температурах последнего перехода и осуществлена коррекция степени деформации на этом переходе. Это позволило добиться уменьшения величины аустенитного зерна и снижения разнозернистости структуры. Совмещение малоотходной технологии с регламентированными режимами дало возможность получить экономию металла и энергоресурсов, снизить трудоемкость изготовления поковок, получить поковки высокого качества.

Разработан и внедрен деформационно-термический режим обработки штампованно-катаных колесных центров локомотивов из стали 55, заключающийся семикратном циклическом нагреве в температурном интервале 775-610°С и поверхностной пластической деформации места перехода от ступицы к диску колесного центра, что позволило получить повышение эксплуатационных характеристик материала

Глава 7. Разработка и внедрение горячей и полугорячей штамповки деталей инструмента.

Комплексное решение вопроса повышения стойкости штампового инструмента направлено на разработку технологических режимов деформирования и схем деформации ( М.А. Тылкин, Е.И. Вельский, С.А. Довнар, Л.А. Позняк, С.И. Тишаев).

Начало

Введение исходных данных ¡.

Анализ НДС в чистовом ручье

Расчет е, е з

Модель динамической рекристаллизации ц

" " 5 '

Модель

рекристаллизации 5

Анализ НДС на

доделочнои

операции е

4-

Расчет б, е г

▼

Модель

динамической

рекристаллизации ^

т

//¿V? Г)М1< О

Рис.9. Блок-схема алгоритма разработки технологического режима деформирования

Изменение кинетики разупрочнения аустенита в сталях, микролегированных карбидообразующими элементами, обусловлено выделением дисперсных карбидов как в момент деформации, так и после ее завершения. Это было учтено при коррекции структурной модели пластического течения в условиях динамической рекристаллизации (4).

Исследованы механические свойства группы штамповых сталей для горячего деформирования при различных схемах напряженного состояния после горячей н полугорячей деформации и повторной термообработки. Показано, что характер механических свойств определяется формированием структуры, зависящей как от температуры и степени деформации, так и от схемы напряженного состояния. В результате реализации эффекта наследственного упрочнения при фазовой перекристаллизации структуры получен высокий комплекс механических свойств сталей после горячей и полугорячей деформации и повторной термообработки (В.И. Алимов). Малые степени деформации в каждом цикле штамповки и, соответственно, малые удельные усилия обеспечили повышение уровня механических свойств.

Проведенные исследования показали, что рациональный выбор технологических параметров штамповки материалов зависит от природы упрочняющих и разупрочняющих процессов при деформации. Последние определяют сопротивление деформации и эксплуатационные свойства изделий.

Рассмотрены технологические процессы изготовления некоторых деталей инструмента, которые внедрены в производство. При разработке технологических процессов решались следующие основные задачи: изучение технологических параметров температурно-скоростного и напряженно-деформированного состояния; исследование влияния этих параметров на механические и эксплуатационные свойства обрабатываемого материала.

Разработаны и внедрены технологические процессы упрочнения инструмента из стали У10 для штамповки шарового соединения труб с применение?, регламентированных процессов полугорячего деформирования.

Получен оптимальный режим проведения технологии упрочнения, кото рый заключается в обкатке поверхности матриц и пуансонов при температур! 650°С усилием 400 - 450 Н. Стойкость матриц увеличилась в 1,75 раза, пуансо нов - в 1.8 раза. i

Разработаны и внедрены технологические процессы изготовления матри для горячей штамповки клапанов и толкателей из стали 4Х2В5ФМ выдавлива нием с применением регламентированных режимов для различных видов изде лий.

Выдавливание матриц для штамповки толкателей и клапанов для разли1 ных видов изделий производили на кривошипном горячештамповочном пре< се усилием 10 МН за два перехода. Наилучшие механические и эксплуатацио! ные свойства матриц получены при их изготовлении по следующему регламе! тированному режиму: аустенитизация при температуре 920°С, обратное выда

ивание в первом ручье при 750-720°С со степенями деформации 38~2*Ъ и ве-________

ичинах удельных усилий 1000-1070 Мпа, изотермическая выдержка прн 580-60°С, обратное выдавливание во втором ручье со степенями деформации 92% и величинах удельного усилия 550-570 Мпа, окончательная термеобработ-а. Стойкость матриц увел1гчилась в 4 - 4,2 раза.

Разработан и внедрен регламентированный малоотходный технодогиче-кий процесс изготовления режущего инструмента для трубоотрезных станов з стали 5ХВ2С, который заключается в аустенитизации заготовок при темпе-атуре 920°С, осадке, открытой штамповке при 750-690 С, изотермической ыдержке при 550-530°С, последующей безуклонной штамповке при этих тем-ературах. Экспериментально определены и проверены по аналитически за-исимостям удельные усилия штамповки по переходам. Изучены механические войства деталей в зависимости от технологических режимов деформации. Стойкость режущего инструмента увеличилась в 2,5 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертации дано новое решение научно-технической проблемы разра-

отки и внедрения ресурсосберегающих технологии горячей и по.туторячей ггамповки, направленных на получение изделий с заданными механическими войствами, которое заключается в создании методов совершенствования тер-омеханических режимов деформирования на основе научно обоснованной етодике проектирования, учитывающей взаимоувязывание параметров на-ряженно-деформированного состояния и структуры, и новых технологиче-ких схем деформации.

На основании результатов исследования получены следующие выводы.

1. Впервые экспериментально получены энергеттеские константы де-ормирования материалов на основе железа, используемые при струиурно-гергетическом подходе к проектированию технологических режимов пггам-овки. Разработана методика определения энергетических констант деоорми-эвания, заключающаяся в обработке материалов ССУВ. выполнении металло-эафического анализа и получении зависимостей коэффициента дисснпашш гергии от гомологической температуры.

Показано, что при высокоскоростном деформировании энергия, попоенная материалом, зависит от вида материала и его структурного состояния.

2. Экспериментально установлены закономерности изменения напряжений рчения от степени деформации при различных схемах напряженного состоя-1Я для штамповых и среднеуглеродистых конструкционных сталей: найдены алии падения напряжений я установившегося течения: установлено наличие штических степеней деформаций, соответствующих значениям максим аль-,гх напряжений. Установлено качественно одинаковое изменение показателей

прочности, найдены немонотонности зависимостей пластичности при различ ных температурах и схемах напряженного состояния.

Найдено влияние скорости деформации на изменение напряжений, заклю чающееся в появлении максимальных напряжений течения при определенны критических степенях деформации, зависящих от температуры.

Установлен степенной характер зависимости между компонентами девиа тора напряжений и тензора скоростей деформации, определены констант! данных функций для различных сталей.

3. Предложен ряд математических моделей взаимосвязи температурь скорости и степени деформации с характеристиками структуры, которые не пользованы при разработке технологических режимов штамповки.

Установлены соотношения для расчета величины аустенитного зерна, кс л имеет ва рекристаплизованного объема, энергетических параметров разупро1 нения на основании анализа напряженно-деформированного состояния.

4. Выполнен с использованием метода линий скольжения анализ напр; женно-деформированного состояния при осуществлении доделочных операци матоотходной безуклонной штамповки в зависимости от геометрических пар; метров формообразования и величины контактного трения; разработана мете дика по определению силовых характеристик операций; даны рекомендации г проектированию инструмента.

5. Разработаны теоретические и технологические основы регламентир« ванных процессов горячей штамповки низко- и среднеуглеродистых констру: ционных статей, позволившие оптимизировать технологическую схему трад1 шюнной штамповки путем устранения нормализации и введения изотермич' ской выдержки перед доделочными операциями.

6. На основании экспериментальных исследований штамповых и сред» углеродистых сталей в лабораторных и производственных условиях разраоот ны технологические рекомендации выполнения отдельных звеньев технолоп ческого процесса горячей штамповки: для достижения требуемых механич ских свойств поковок вводится изотермическая выдержка перед выполнение конечной доделочной операции; определен температурный интервал полу гор чей деформации по схеме сжатие-сжатие; при выполнении операций горяч« штамповки учитывается эффект наследственного упрочнения при фазовой п рекристаллизации деформированной структуры; технологический проце штамповки выполняется с уменьшением удельных усилий при каждом цик: деформирования с понижением температуры.

7. Разработан алгоритм проектирования технологических режимов шта] повки на основе анализа напряженно-деформированного состояния и сило во режима операции, который применен для поковок из конструкционных стате

8. Разработан технологический режим поверхностной пластической по:

орячей деформации, заключающийся в обкатке рабочей поверхности вытяж-_____________

1ых матриц и пуансонов, позволивший увеличить стойкость инструмента. Изу-[ено влияние усилия обработки на твердость наклепанного слоя.

9. Разработаны технологические режимы изготовления штампового инст->умента, заключающиеся в проведении деформации циклично и многократно 1ри уменьшении градиента удельных усилий с понижением температуры. По-:азано влияние температуры и степени деформации на удельные усилия, а так-ке эксплуатационные свойства изделий.

10. В результате внедрения в производство технологических процессов, источающее разработанные режимы штамповки, схемы деформации, конст->укции оснастки, обеспечено повышение качества изделий (стойкость щтампо-юго инструмента повысилась в среднем в 2,5 раза), увеличение производи-ельности труда ( в 1,62 раза), экономия металла ( 8-15% на одной поковке), оплива (0,2 т условного топлива на 1 т поковок).

Годовой экономический эффект от использования предложенных разрабо-ок составил 831 тыс. руб. в ценах 1991 г.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Рябичева Л.А. Поэлементное управление структурообразованием в тех-юлогических процессах горячей штамповки. - Луганск: Изд-во ВУГУ, 1996.79 с.

2. Рябичева Л.А. Расчет и конструирование нагревательных печей кузнеч-[ого производства. Учебное пособие. - Киев: УМК ВО, 1989. - 104 с.

3. Рябичева Л.А. Исследование напряженно-деформированного состояния [ри обжиме поковок //Кузнечно-штамповочное производство. - 1996. - № 10. С. .9-32.

4. Рябичева Л.А. Малоотходная технология изготовления детали "диск ре-

сущий" //Обработка сплошных и слоистых материалов. - Магнитогорск: ЛГМА,- 1996,- С. 62-70.

5. Рябичева Л.А. Технологические процессы НТМО в транспортном машиностроении //Вестник Восточноукраинского государственного университе-а. - Луганск: Изд-во ВУГУ. - Сер. Машиностроение. - 1996. - С. 44-50.

6. Рябичева Л.А. Анализ напряженно-деформированного состояния при [равке кольцевых поковок //Кузнечно-штамповочное производство. - 1997. - № 1.- С. 7-9.

7. Рябичева Л.А. Оценка структурообразования по макроскопическим па-аметрам пластической деформации Ресурсозбер1гаюч1 технолог!'/ иробництва та обробки матер1ал1в у машинобудуваннь - Луганськ: Вид. СУ-[У.- 1997.-№1(5).-С. 10-14.

' 8. Рябичева Л.А. Исследование напряженно-деформированного состояни при правке //Обработка сплошных и слоистых материалов. - Магнитогорс! МГМА. - 1997.-С. 72-76.

9. Рябичева Л.А., Лещинская Е.М. Технолопгаеские основы термомехант чески регламентированных процессов горячей штамповки //Вестник машине строения.-1997.-№2.-С. 10-12.

10. Атрошенко А.П., Карташова Л .А., Коломойцев A.C., Лещинский В.М Рябичева Л.А. Наследование упрочнения после теплой деформации инструмеь тальных сталей при повторной закалке //Изв. вузов Чер. мет. - 1980. - № 3. - С 116-119.

11. Рябичева Л.А., Лещинская ЕЛ1., Малевич В.М. Структурный подход определению некоторых параметров динамиче'ской рекристаллизации/ Ресурсозбер1гаюч5 технологи виробшштва та обробки MarepianiB ; машинобудуваннь - Луганськ: Вт. СУДУ .-1997 - № I (5). - С.23-28.

12. Лещинский В.М., Рябичева Л А... Арцев В.Н. Влияние полугорячей де формации на механические свойства инструментальной стали //Вестник маши ностроения. - 1981. - № 2. - С. 65-67.

13. Лещинский В.М., Ряб1счева Л А.., Коломойцев A.C. Выдавливание мат риц в режиме низкотемпературной термомеханической обработки //Вестнш машиностроения. - 1983. - № 6. - С. 63-65.

14. Лещинский В.М., Рябичева Л_А., Ененко Г.Ф. Повышение стойкосп вытяжных матриц полугорячим поверхностным пластическим деформированием //Вестник машиностроения. - 1983. - № 8. - С. 57-60.

15. Лещинский В.М., Атрошенко АЛ., Рябичева Л.А. Силовые параметрь выдавливания матриц в режиме НТМО //Вестннк машиностроения. - 1984. - № 9. - С. 54-55.

16. Рябичева Л.А., Лещинский В.М..Коломойцев A.C. Штамповка деталей горношахтного оборудования ./Вестник машиностроения. - 1984. - № 1. - С. 5758.

17. Лещинский В.М., Рябетева Л .А. Количественный анализ процессов разупрочнения при деформации инструментальных сталей //Кузнечно-штамповочное производство. - 1991. - .Na 1.- С. 6-8.

18. Лешинский В.М., Рябичева Л.А. Механические свойства дeфopмиpoJ ванной инструментальной стали Вестник машиностроения. - 1993. - № 3. - С,-50-52.

19. Лещинский В.М., Рябичева ЛА. Исследование механизмов неполной горячей деформации легированных сталей //Конечно-штампоаочное производство. - 1994. - № 4. - С.68-70.

20. Лещинский В.М., Рябичева Л-А-, ВолкогаМ.О. Анализ npoueccoi динамического разупрочнения инструментальных сталей //Транспортное ма-

шиностроение. - Киев: 1994. - В.24. - С. 197-204.

21. Рябичева J1.A., Нечаева E.Ä., Лубенец Ä.3. Применение малоотход-" ной безуклонной штамповки в тепловозостроении //Технология и организация производства. - Киев: 1986. № 4. - С- 27-29.

22. Рябичева Л.А., Хмелевская Л.Т., Ашихлнгна В.К. Производство катанных колесных центров для магистральных тепловозов //Кузнечно-штамповочное производство. - 1988. - № 10. - С.7.

23. Рябичева Л.А., Хмелевская Л.Т., Сидоровичев В.К. Сравнительное исследование углеродистой и низколегированной стали для катанных колесных центров магистральных тепловозов //ВНИИЖТ. - 1988. - № 4. - С. 79-80.

24. Лешинский В.М., Рябичева Л.А. Моделирование процесса динамической рекристаллизации //Металловедение и термообработка. - 1997. - № 1. - С. 9-11.

25. Лещинский В.М., Рябичева Л.А., Захаров A.A. К вопросу о связи компонентов девиаторов скоростей деформации и напряжений //Изв. вуз. Чер. Мет. -1996. -№ 11.- С. 26-29.

26. Лещинский В.М., Пименов А.Ф., Рябичева Л.А., Лещинская Е.М. Механические свойства штамповой стали 4Х2В5ФМ после термомеханнчески регламентированной обработки //Материаловедение. - 1997. - № 4. - С. 28-30.

27. A.c. № 819194 СССР. МКИ С 21 D 7/14. Способ упрочнения штамповых сталей. /В.М. Лещинский, А.К. Херсонский, В.Н. Арцев, Л.И. Карташова, Л.А. Рябичева, A.C. Коломойцев (СССР). - 2613645/22-02; Заявлено 20.04.78; Опубл. 07.04.81. Бюл. № 12.-3 с.

28. A.c. 883161 СССР МКИ С 10 М 7/12. Смазка для горячей обработки металлов /В.М. Лещинский, Г.А. Адлова, А.К. Херсонский, В.Н. Арцев, В.К. Ашихмина, В.В. Гладушина, Л.А. Рябичева, А.И. Стафеев (СССР). -2884477/23-04; Заявлено 07.01.80; Опубл. 23.11.81. Бюл. № 43. - 6 с.

29. Лешинский В.М., Рябичева Л.А., Шенк.ман Г.Л. Термомеханнчески регламентированные технологии малоотходной объемной штамповки. Сб. докл. международной конференции "Технология-95" //Братислава. - 1995.- С. 316319.

АННОТАЦИЯ

Рябичева Л.А. Разработка научных основ горячей и полугорячей штамповки поковок с заданными механическими свойствами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. Донецкий государственный технический университет, Донецк, 1997 г.

Диссертация посвящена вопросам проектирования регламентированных

технологических процессов горячен п полугорячей штамповки. В работе развивается новое направление проектирования технологии, основанное на регулировании термомеханических параметров и использующее 1гх влияние на механические и эксплуатационные свойства изделий.

Установлены новые закономерности пластического течения стали, обусловленные взаимодействием упрочнения и динамического разупрочнения, и их влияние на механические свойства. С этих позиций рассмотрены простые схемы напряженного состояния и сложные схемы нагружения при операциях штамповки. Разработаны математические модели пластического течения, позволяющие по параметрам деформации рассчитывать параметры структуры. Использование моделей дает возможность разрабатывать регламентированные технологические режимы штамповки на основе анализа напряженно-деформированного состояния и температурно-скоростных параметров. Приведены результаты промышленного использования регламентированных технологий горячей штамповки поковок с заданными механическими свойствами и полугорячей штамповки инструмента повышенной стойкости.

Ключевые слова: штамповка, напряженно-деформированное состояние, динамическое разупрочнение, темперзтурно-скоростные параметры, структура, свойства, стойкость.

АНОТАЦШ

Ряб'|чева Л.О. Розробка науковнх основ гарячого та нашвгарячого штампування поковок з заданимн мехашчннми аластивостями. - Рукопис.

Дисерташя на здобупя наукового ступеня доктора техшчних наук за спешальшстю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. - Донецький державний техшчний ушверагтет. - Донецьк, 1997 р.

Дисерташю присвячено питаниям проектування регламентованих технолопчних пропест гарячого та нашвгарячого штампування. У робоп розроблено новий напрямок проектування технолог!!', якин грунтуеться на регулювашп термомехашчних параметр1в та застосуванш Тх впливу на мехашчш та експлуаташпи властивосп вироб^в.

Встановлено нов! законо.чнрносп пластично!' течи сталей, ям обумовлено взаемодкю змшнення I диналичного знемшнювання, та 1'х вплив на мехашчш властивостп 3 шк позишй розглядано прост! схеми напруженого стану та складш схеми навантаження при операшях штампування. Створено математичш модел1 пластичноГ течп, яи дозволяють по параметрам деформаш!' визначити параметри стр\-ктуро\творення. Застосування моделей дае можлив1сть розробляти регламентоваш техиолопчш режими штампування на

S№oвi"aшL^hy_нaпpy-жeн6;дeфop^[oвaнoгo_cтaI^y на температурно-швидетсних---------------

лараметр1в. Приведено результат!! промиелового випробування регламентованих технологий гарячого штампування поковок ¡з заданими иехашчними власт!шостями та натвгарячого штампування шструмента гсЬвшденоТ спйкость

Ключов! слова: штампування, напружено-деформований стан, динам1чне щемшнювання, температурно-швидмсш параметри, структура, властивосп, гпйюсть.

SUMMARY

Ryabicheva L.A. The development of scientific fundamentals of hot and warm die forging of workpieces with predertermined mechanical properties. - Manuscript.

The thesis for a doctor's degree by speciality - 05.03.05 - processess and ma-:hines of plastic metal working. Donetsk State Technical University. Donetsk. 1997.

The thesis is devoted to the problems of designing the regulated technological processes of hot and warm die forging. A new trend of designing the technology jased on the regulation of thcrmo-mechanica! parameters and using their effect on nechanical and service properties of the products is being developed in the work.

The regularities of plastic flow of steels caused by interaction of hardening and iynamic softening as well as their influence on mechanical properties have been cs-.ablished in the work.

The simple schemes of stressed state and complex schemes of loading in the sperations of die forging have been considered from those standpoints. The mathe-Tiatic models of plastic flow allowing to calculate the structure parameters using the ieformation characteristics as a base have been developed. The application of the nodels enables to develop regulated technological regimes of die forging on a basis if the analysts of the stress-strained state and temperature-speed parameters. The industrial introduction into practice of developed regulated technologies of hot die-forging of workpieces with predetermined mechanical properties and warm die "orging of increased resistance tool have been fulfilled.

Key words: die forging, stress-strained state, dynamic softening, temperature-,peed parameters, structure, properties, resistance.