автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование технологии радиальной ковки цилиндрических заготовок из спеченного сплава на основе вольфрама

На правах рукописи

005047660

Дмитриева Анастасия Яковлевна

Совершенствование технологии радиальной ковки цилиндрических заготовок из спеченного сплава на основе вольфрама

Специальность 05.02.09 -Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ДЕК 2012

Москва-2012 г.

005047660

Работа выполнена в Московском государственном техническом универси*

имени Н.Э. Баумана

Научный руководитель- Власов Андрей Викторович доктор технически

наук, профессор, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Официальные оппоненты: Шестаков Николай Александрович, доктор

технических наук, профессор, Московский государственный индустриальный университет; Белокопытов Владимир Владимирович, кандид технических наук, старший научный сотрудник, Государственный инжиниринговый центр «Станкин»

Ведущая организация- ОАО «НПО СПЛАВ»

Защита состоится « &»p&s&^f'f 2012 г. в ^^ ч. мин. на заседай! диссертационного совета Д212.141.04 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу:

105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5

Телефон для справок 8 (499) 267-09-63

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, прост направлять по указанному адресу

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Автореферат разослан «féу> // 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Семенов В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Для целей последующего применения цилиндрической заготовки, изготовленные из сплава на основе вольфрама, должны обладать максимальным сочетанием прочности и пластичности.

Основная роль в повышении прочностных свойств изделия принадлежит процессу радиальной ковки. Процесс осуществляется путем одновременного приложения технологической силы с четырех сторон (небольшие обжатия за один ход). В результате исходная заготовка уменьшается в поперечном сечении и увеличивает свою длину. Из литературных источников известно, что в зависимости от технологических параметров и формы бойков возможна различная реализация напряженного состояния - от всестороннего неравномерного сжатия до создания растягивающих напряжений в осевой части, что может способствовать разрушению материала.

Анализ литературных источников (работы Тюрина В.А., Лазоркина В.А., Радюченко Ю.С., Экарева М.С. и др.) показал, что не существует в настоящий момент общепризнанных технологических рекомендаций, которые бы обеспечивали решение поставленной задачи. Известно, что изменением технологических режимов и формы бойков можно добиться существенной интенсификации процесса, однако рекомендации носят полуэмпирический характер и не могут быть распространены на конкретный случай без значительного объема расчетно-экспериментальных работ. Практических рекомендаций по ковке тяжелых сплавов на основе вольфрама в технической литературе не обнаружено.

Теория процессов ковки основана на методе линий скольжения. Этот метод обоснован только для задач плоского деформированного состояния, поэтому для процессов радиальной ковки он может быть использован только с большими допущениями. Обычно рассматривают два сечения - поперечное по линии раздела течения и продольное, в каждом из которых деформированное состояние считают плоским. Однако в действительности напряженно-деформированное состояние в очаге пластической деформации является объемным, поверхность раздела течения не является плоской. Метод не позволяет учесть также особенности ковки на радиально-ковочных машинах, имеющих осевой подпор. Поэтому рекомендации, полученные на основе анализа процесса методом линий скольжения, носят общий характер и не могут быть использованы для оптимизации исследуемого процесса.

Для разработки проектных решений, позволяющих с достаточной точностью прогнозировать получение требуемых свойств, необходимо знать напряженно-деформированное состояние (НДС).

Для разработки проектных решений позволяющих, с достаточной точностью прогнозировать получение требуемых свойств, необходимо знать НДС. Единственным методом, позволяющим решать задачи определения НДС в общей постановке в любой момент времени, является метод конечных элементов.

Решение задачи методом конечных элементов требует знания реологических свойств материала, в частности, кривой упрочнения, диаграммы пластичности. В технической литературе отсутствуют подобные сведения для исследуемого материала.

Анализ приведенных выше данных свидетельствует, разработка научно-обоснованной методики расчета технологического процесса радиальной ковки детали типа ось является актуальной задачей.

Цель работы: На основе теоретического и экспериментального исследования процессов радиальной ковки разработать научно-обоснованные рекомендации по определению режимов технологического процесса радиальной ковки цилиндрических заготовок из сплава на основе вольфрама и параметров технологического инструмента, обеспечивающих максимальную прочность и пластичность готовой детали.

Задачи исследования:

1. Разработка конечно-элементной модели процесса радиальной ковки, позволяющей определить НДС заготовки в произвольный момент времени в произвольном ее сечении и учитывающей особенности процесса.

2. Разработка методики прогнозирования поврежденности металла при радиальной ковке по результатам расчета НДС.

3. Разработка методики прогнозирования механических свойств материала после радиальной ковки.

4. Верификация конечно-элементной модели.

5. Разработка регрессионной модели зависимости механических свойств от варьируемых параметров технологического процесса.

6. Разработка практических рекомендаций по выбору режимов радиальной ковки, обеспечивающих требуемые параметры прочности и пластичности изделия при отсутствии разрушения.

Методика проведения исследования:

Для проведения теоретического исследования был использован метод конечных элементов в программном комплексе БЕРСЖМЗВ. Для оценки поврежденности материала в процессе ковки были использованы методики Деля, Огородникова, Кокрофта и Лэзема. Экспериментальное определение механических свойств материала выполнено на испытательной машине ШЗПЮК БХбОО с использованием специально разработанной программы обработки данных. Радиальная ковка изделия выполнена на радиально-ковочной машине модель К03.9.32.03 в реальных производственных условиях.

Научную новизну данной работы имеют следующие результаты:

1. Конечно-элементная модель технологического процесса радиальной ковки сплава, учитывающая особенности процесса радиальной ковки.

2. Особенности НДС процесса радиальной ковки в произвольный момент времени в произвольном месте.

3. Методика прогнозирования поврежденности металла при радиальной ковке, учитывающая тензорный характер накопления повреждений.

4. Методика прогнозирования численных значений прочности и пластичности детали после радиальной ковки.

Практическую значимость составляет рекомендации по выбору технологических режимов, обеспечивающих требуемые значения прочности и пластичности.

Апробация работы: Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих семинарах:

— Международная научно-практической конференции «Инженерные системы 2009, 2010, 2011». Москва, Российский университет дружбы народов, 2009 г., 2010 г., 2011 г.

— Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 г.

— X Конгресс «Кузнец-2010». Рязань, ОАО «Тяжпрессмаш», 2010г.

— Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна 2009: Машиностроительные технологии». Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 г.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 7 опубликованных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Текст диссертации содержит 155 машинописных страницах, включая 20 таблиц и 56 рисунков.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— Разработанная математическая модель учитывает основные особенности технологического процесса радиальной ковки сплава и позволяет адекватно прогнозировать НДС заготовки.

— Разработанная методика и программа расчета поврежденности по критерию Г.Д.Деля, учитывающая тензорный характер накопления повреждений, позволяет прогнозировать поврежденность металла в процессе радиальной ковки.

— Разработанная методика прогнозирования численных значений прочности и пластичности детали после радиальной ковки позволяет определить искомые значения с удовлетворительной точностью.

— Определенные параметры технологического процесса и рабочего инструмента позволяют увеличить прочность и пластичность готовой детали по сравнению с существующим процессом.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены основные технологические особенности процесса ' радиальной ковки. Радиальная ковка - процесс, при котором

3

используются два и более перемещающихся навстречу друг другу инструмента для создания валов с постоянным или переменным диаметром по всей длине шш труб с изменениями внутренних или внешних размеров. При радиальной ковке с использованием 4-х бойков металл в очаге деформации находится в состоянии всестороннего неравномерного сжатия, что позволяет увеличить его технологическую пластичность. Деформация заготовки проводится в результате приложения большого числа обжатий одновременно по всему периметру заготовки с относительно малой степенью деформации за одно обжатие бойками, расположенными в одной плоскости и сходящимися в радиальном направлении. Обжатия следуют друг за другом с частотой 150-2000 ходов в минуту в зависимости от модели машины. Точность поковок обеспечивается наладкой машины, имеющей жесткую характеристику в отличие от традиционного ковочного оборудования, приспособленного для многообразных операций (протяжка, осадка, рубка и др.).

Ротационное обжатие, осуществляемое на сравнительно малых участках (рис. 1.), характеризуется перемещением небольших объемов металла. Заготовка непрерывно подается в зону деформирования с продольной подачей.

Радиальное обжатие обеспечивает: возможность формоизменения

материалов без разрушения до значительных величин деформации; более высокую производительность, чем при традиционной ковке на быстроходных гидропрессах; высокую точность получаемых изделий и низкую шероховатость поверхности; снижение потребления энергии за счет исключения многократных подогревов; повышение качества структуры металла поковок и уровня их механических свойств.

Параметры инструмента,

влияющие на технологический процесс (рис. 2.):

- С увеличением угла заходного конуса а возрастает степень неравномерности деформации в очаге формоизменения. При этом происходит снижение потребной деформирующей силы, но ухудшаются условия захвата.

— Калибрующий участок 1к оказывает влияние на чистоту поверхности и точность обработки, предельную степень деформации, величину деформирующего усилия, стойкость инструмента.

— Второй заходный конус а2 способствует увеличению срока службы бойка

— При малом угле охвата 0 может возникать усиленное продольное 4

Рис. 1. Схема деформирования заготовки при радиальной ковке

4 ,4

а, — 1

Т/ТТ/Ь

Рис. 2. Геометрические параметры инструмента

скручивание обрабатываемого прутка.

- Участок заходного профиля с углом наклона си рекомендуется принимать 2...4°, длина /, = (0.1...0.15)^2 .

- Участок заходного профиля с углом наклона а2 рекомендуется принимать 6...10°.

Для разработки практических рекомендаций по оптимальным режимам радиальной ковки проводят исследования НДС металла, а также определяют удельные силы деформирования.

Для определения границ очага деформации и расчета НДС при плоской деформации используется метод неравноценных полей линий скольжения. Неравноценные поля строят для трехмерного очага деформаций, дважды применяется допущение о плоской деформации для двух взаимно перпендикулярных сечений очага (поперечное и продольное). Однако в действительности НДС в очаге пластической деформации является объемным, поверхность раздела течения не является плоской. Согласно анализу на основе метода линий скольжения при ковке на РОМ деформация металла в осевой зоне продольного сечения заготовки осуществляется за счет потоков вытеснения; очаг деформации в поперечном сечении не распространяется до осевой зоны. Однако этот метод не позволяет учесть основные особенности радиальной ковки. На практике в осевой зоне могут возникать трещины, что не может быть получено в методе линий скольжений, поэтому рекомендации, полученные на основе анализа процесса, носят общий характер и не могут быть использованы для оптимизации исследуемого процесса.

Для определения прочности и пластичности материала после деформации требуется создание программных средств для прогнозирования израсходованного ресурса пластичности (поврежденности) заготовки в процессе ее пластической деформации.

В настоящий момент не существует общепризнанной методики прогнозирования разрушения металлов при больших пластических деформациях. Такое положение обосновано тем, что отсутствует и общепризнанная, подтвержденная экспериментальными исследованиями, теоретическая основа, объясняющая процесс возникновения нарушений сплошности материала.

Наиболее гибкими и имеющими лучшее соответствие экспериментальным данным, по мнению ряда авторов, являются критерий разрушения B.JI. Колмогорова, критерии Г.Д. Деля, В.А. Огородникова и модель накопления поврежденности A.A. Богатова.

Как показали расчеты, критерии Колмогорова и Огородникова хорошо описывают технологические процессы, в которых показатель жесткости изменяется плавно по ходу процесса. Они являются скалярными и не учитывают возможную анизотропию накопления повреждений. Однако экспериментальные данные свидетельствуют, что накопление повреждений зависит от направления деформации, и при смене ее знака накопленные дефекты могут частично залечиваться.

Этот факт учитывается тензорным деформационным критерием Г.Д.Деля. Г.Д.Дель предположил, что накопление повреждений анизотропно и зависит от кривизны траектории деформаций в пространстве деформаций. Степень поврежденности в пространственных направлениях определяется тензором повреждений компоненты которого определяют по формуле:

(1)

о

S

Здесь £: - накопленная деформация к моменту времени t.

st=jds (2)

Функция F{S„tj) имеет вид:

\ 1 — а 2 eis,

где а — коэффициент, отражающий нелинейность накопления повреждений. Значение а = О соответствует гипотезе линейного накопления повреждений. Г.Д.Дель на основании проведенных им опытов рекомендует а = 0.5.Д, - компоненты направляющего тензора скоростей деформаций (постоянны при простом нагружении).

Условием появления макротрещины (условие разрушения) является равенство единице модуля тензора повреждений:

Y = iVv =1» (4)

Приведенные вьппе результаты обзора технической литературы по исследуемой проблеме позволяют сформулировать следующие задачи исследования:

— Разработать математическую модель для конечно-элементного моделирования процесса радиальной ковки на радиально-ковочной машине, учитывающую основные технологические и конструктивные параметры, влияющие на изменение механических свойств материала.

— Разработать методику и программу для расчета поврежденности материала после радиальной ковки, использующую результаты конечно-элементного моделирования.

— Разработать методику прогнозирования механических свойств псевдосплава после его радиальной ковки.

— Определить механические свойства материала (диаграмма пластичности), необходимые для выполнения математического моделирования и прогнозирования свойств после радиальной ковки.

— Провести верификацию созданной модели.

— Используя полученную конечно-элементную модель, проанализировать влияние технологических режимов и параметров инструмента на механические свойства материала после радиальной ковки.

— Используя метод планирования эксперимента и разработанную математическую модель определить оптимальные технологические режимы.

Во второй главе разработана конечно-элементная модель процесса радиальной ковки тяжелых сплавов на основе вольфрама и методика прогнозирования механических характеристик. При создании модели радиальной ковки сделаны следующие допущения:

- Бойки во время рабочего хода движутся навстречу друг другу с постоянной скоростью. Процессами, происходящими за время хода приближения бойков, пренебрегаем.

- Бойки считаем абсолютно жесткими, тепловой процесс установившимся.

- Влияние контрфиксатора учитываем действием постоянной силы поджатая, приложенной к абсолютно жесткому элементу, находящемуся в постоянном контакте с заготовкой.

- Зажимная головка представлена в виде подпружиненного абсолютно-жесткого элемента, находящегося в постоянном контакте с заготовкой. Жесткость упругой связи рассчитана как жесткость привода зажимной головки.

- Возможностью проскальзывания заготовки в продольном и угловом направлениях в начале и конце рабочего хода бойков пренебрегаем.

- Считаем, что между двумя ударами заготовка подается дискретно на величину продольной и угловой подачи.

- Продольная подача моделируется методом обращенного движения за счет синхронного продольного перемещения бойков между ударами на величину хода подачи в сторону, противоположную направлению подачи.

- Угловая подача моделируется поворотом заготовки как жесткого целого на угол поворота зажимной головки за один ход бойка.

- Моделируется часть заготовки до момента выхода процесса на установившийся режим.

При помощи конечно-элементной модели было проведено исследование НДС в произвольный момент времени в произвольном месте. Из анализа НДС видно, что процесс деформирования заготовки можно разделить на две стадии: неустановившаяся и установившаяся (рис. 3.). Деформации при обработке

В работе была спроектирована методика прогнозирования

механических свойств материала по результатам конечно-элементного моделирования процесса радиальной ковки в программном комплексе ОЕРОКМЗВ. Основной целью методики является прогнозирование предела прочности (временного сопротивления) материала сгв и относительного удлинения при разрыве д после процесса

заготовки проникают в осевую зону.

Strain - Effective (mm/mm)

0.550 g 0.275 I

Рис. 3. Стадии деформирования заготовки

радиальной ковки по результатам моделирования процесса в ПК DEFORM3D. Основные допущения, принятые в методиках:

- Материал является компактным, изменением плотности материала в процессе обработки пренебрегаем, т.к. величина относительной плотности используемого материала составляет 99%.

- Считаем справедливой гипотезу «единой кривой».

- Упрочнение материала в процессе деформации - изотропное.

- Поскольку деформация на фазе равномерной деформации для образцов, вырезанных из откованных заготовок, в опытах на растяжение согласно опытам не превышает 5% и разрушение осуществляется без образования шейки, то прогнозируемый предел прочности приближенно равен напряжению текучести при достигнутом уровне накопленной деформации по «единой кривой».

Исходные данные, необходимые для реализации методики:

- Математическое описание кривой упрочнения материала, построенной по результатам опытов на сжатие исходного материала. Для ввода данных в ПК DEFORM3D следует использовать кусочно-линейную или степенную аппроксимацию.

- Математическое описание диаграммы пластичности материала.

Для прогнозирования момента разрушения использован деформационный тензорный критерий Г.Д.Деля. При одноосном растяжении критерий Деля s

сводится к ц/ = —, здесь s — предельная накопленная пластическая

деформация в момент разрушения в опытах на растяжение; s - накопленная пластическая деформация (критерий Одквиста).

Алгоритм прогнозирования свойств заготовки после первой ковки выглядит следующим образом:

- Выполнение физических опытов на растяжение — определение относительного удлинения в момент разрушения S.

- Выполнение моделирования опыта на растяжение до относительного удлинения 8 с определением накопленной деформации а

- Выполнение опытов на сжатие до появления трещин

- Построение диаграммы пластичности ег = f{s) на основе опытов на растяжение и сжатие.

- Выполнение моделирования процесса радиальной ковки с последующей постпроцессорной обработкой по подпрограмме для определения накопленной деформации £и, поврежденности по Делю Yu в интересующем сечении.

- Определение остаточного ресурса пластичности материала после ковки

Y =1 -Yu

рд M

- Моделирование опыта на растяжение образца из предварительно прокованного материала с заданием достигнутой накопленной деформации в качестве исходных данных ёи.

- Прогноз относительного удлинения после ковки осуществляется по моменту достижения остаточного ресурса пластичности У д при моделировании

опыта на растяжение. 8 = 1. Здесь Д12 - перемещение инструмента в момент

достижения ресурса пластичности Грг, Ь0 - база испытаний.

Прогноз предела прочности материала после ковки: сг„ и о- ^ = сг ) В третьей главе проведены экспериментальные исследования. Для определения кривой упрочнения проводится испытание на растяжение. Испытание проводят на испытательных машинах, при этом снимается машинная диаграмма. По полученным диаграммам строится кривая упрочнения. Т.к. в процессе ковки локальные накопленные деформации достигают 200% и более, для построения кривой упрочнения следует выполнить опыты на осадку. Опыты на осадку были проведены на испытательной машине 1ш1:гоп 0X600. В работе используется упрощенная расчетно-экспериментальная методика построения диаграмм пластичности по результатам опытов на осадку и одноосное растяжение.

По результатам опыта на растяжение перемещение захватных органов машины (абсолютная пластическая деформация образца)

составила 5.87 мм. Для этого момента моделирования накопленная пластическая деформация составляет 0.369 . Жесткость напряженного состояния в центре незначительно

State Variable Distribution

Babidikov Stress Index

Рис. 4. Распределение жесткости напряженного состояния т] в опыте на растяжение

превышает 1 (рис. 4.), поэтому среднеинтегральное значение принимаем равным 1 (теоретическое значение при одноосном растяжении).

По результатам опытов на сжатие момент появления трещин на бочке соответствовал высоте образца 5.7 мм. Для этого момента моделирования

накопленная пластическая

деформация в бочке составила 0.916 (рис. 5.).

Жесткость напряженного состояния для этого момента в опасной точке равна -0.2, что значительно отличается от -1 при

Рис. 5. Распределение накопленных деформаций в опыте на сжатие

одноосном сжатии.

ех]

р(Д

= 0.656

В ходе работы были проведены эксперименты на радиально-ковочнои машине модель К03.9.32.03 с номинальной силой 1600кН.

Была проведена верификация разработанной математической модели радиальной ковки. Верификация модели выполнялась для технологических режимов, соответствующих эксперименту (табл. 1.).

Таблица 1.

Скорость перемещения зажимной головки (продольная подача) 200 мм/мин

Угол раствора ромбических бойков 155°

Угол поворота заготовки между двумя обжатиями 14.68°

Исходный диаметр заготовки 45 мм

Диаметр заготовки после ковки 37 мм

Угол заходного конуса профиля инструмента 80°

Угол второго конуса профиля инструмента 40°

Длина калибрующего пояска профиля инструмента 8 мм

Длина второго конуса профиля инструмента 6 мм

При обработке результатов моделирования определены значения накопленных деформаций и поврежденности в 8 виртуальных образцах

Путь деформирования для опасной точки приведен на рис. 6. Среднеинтегральное значение жесткости напряженного состояния за операцию составляет -0.6. _______

Таким образом, для построения пластичности точки:

ёп =0.369, 77, Ёт =0.916, щ =-0.58.

Коэффициенты аппроксимации _0 4 ,02 о рассчитываем по формулам:

диаграммы имеем две

= 1:

Жесткость схемы

Рис. 6. Путь деформирования в опыте на сжатие

= -0.575;

диаметром 3 мм, ось которых расположена на расстоянии 0.5Я изделия.

Расчеты показывают, что измеряемые величины распределены по сечению неравномерно. Максимум и минимум накопленной деформации и поврежденности расположены на внутренней и внешней границах виртуальных образцов (рис. 7.).

В каждом сечении определяли максимальную и минимальную величины, которые затем усредняли по 8 виртуальным образцам

Рис. 7. Изменение накопленной деформации q и поврежденности *|/ внутри виртуальных образцов

Таблица 2.

Результаты математического моделирования при верификации модели

№ образца Поврежденность Накопленная деформация

0.511 0.5Ы 0.511 0.5Ы 0.5Я 0.5Я

-1.5мм + 1.5мм -1.5мм +1.5мм

1 0.097 0.103 0.108 0.33 0.369 0.406

2 0.089 0.099 0.112 0.336 0.373 0.413

3 0.094 0.104 0.115 0.328 0.362 0.396

4 0.097 0.104 0.110 0.308 0.344 0.397

5 0.098 0.107 0.114 0.33 0.352 0.374

6 0.097 0.103 0.112 0.323 0.353 0.378

7 0.087 0.096 0.104 0.356 0.382 0.408

8 0.088 0.095 0.103 0.328 0.365 0.402

Среднее 0.093 0.101 0.110 0.330 0.363 0.397

отклонение от центра 8% -8% 10% -9%

Анализ результатов показывает, что наиболее существенно по сечению изменяется накопленная деформация. При виртуальном эксперименте технически очень сложно реализовать такое неравномерное распределение параметров нагрузки по сечению в начальный момент как исходные данные для моделирования. Поэтому при виртуальном опыте на растяжение в качестве исходных данных задавали среднюю максимальную накопленную деформацию, равную 0.397 (табл. 2).

Остаточный ресурс пластичности 7рд = 1 - Уи = 1 - 0.110 « 0.89

В соответствии с методикой, изложенной во второй главе, выполнено моделирование опыта на растяжение предварительно откованного материала.

Перемещение инструмента для этого момента времени составляет 2.4 мм, тогда прогнозируемое относительное удлинение после ковки

_ М2 2.05мм

составляет 8 = —- =-= 13.7%

£0 15 мм

Прогноз предела прочности в соответствие с

методикой а ~ ег = 1458 МПа. в тах

Отклонение прогнозируемых величин от результатов опытов на растяжение образцов, вырезанных из откованных заготовок, составляет: по пределу прочности +6.8%; по относительному удлинению +9.5%.

Анализ результатов показывает, что разработанные модель технологического процесса ковки и методика прогнозирования механических свойств материала по результатам моделирования удовлетворительно воспроизводят реальный технологический процесс.

В четвертой главе проводится анализ результатов эксперимента по варьированию параметров технологического процесса холодной радиальной ковки для ромбического деформирующего инструмента.

Для составления матрицы плана экспериментов требуется задать уровни варьирования каждого фактора (табл. 3.).

Таблица 3.

Фактор X *

0.1 мм 0

Шаг подачи 0.2 мм 1

0.3 мм 2

0.4 мм 3

115" 0

Геометрическии угол охвата 135" 1

155" 2

175° 3

13" 0

Угол поворота заготовки 26° 1

39" 2

52" 3

2° 0

Угол первого заходного конуса см 3° 1

4" 2

8° 0

Угол второго заходного конуса а2 10" 1

12" 2

Длина калибрующего пояска 3.4 мм 0

5.1 мм 1

Диаметр детали 37 мм 0

35 мм 1

По построенной таблице плана эксперимента было проведено математическое моделирование. По его результатам, были определены 12

оптимальные параметры ковки на радиально-обжимных машинах.

Для построения регрессионных моделей было проведено 16 экспериментов. В ходе проведения экспериментов определяются с помощью разработанной методики прогнозирования значения механических свойств. Обозначим у1 - относительное удлинение 5, %; у2 - прогнозируемый предел прочности ов, МПа.

В табл. 4 приведены результаты виртуальных экспериментов.

Таблица 4.

№ опыта У1 У2

1 16 1290

2 12.7 1640

3 12.3 1670

4 13.7 1570

5 14.7 1440

6 12.3 1640

7 12.7 1610

8 14.7 1440

9 14.7 1490

10 14.3 1390

11 13 1390

12 13.7 1490

13 13.7 1510

14 14.3 1390

15 14.3 1440

16 14.3 1430

Математическая модель относительного удлинения с учетом значимости коэффициентов принимает вид:

У1 = 12.62 + 0.075.x, -0.205х2 +0.135х3 + 0.008х4 +0.049х5 + 0.0875х6 -0.056л:,2

-0.047х| +0.0156*3 + 0.007*4 + 0.014х52 -0.0125х,3 +0.025х23 -0.01х33 Математическая модель предела прочности с учетом значимости коэффициентов принимает вид:

у2 = 1406.58 + 19.56х, +41.08х2 +6.4\хъ + 3.05х4 + 0.18х3 -19.94х6 +7.8х,2 +

+ 13.05x2 —5.6х42 -3.85Х52 -ЛМх\ Для того чтобы найти значения технологических параметров, обеспечивающих максимальное значение предела прочности после ковки и относительного удлинения после испытания на растяжения, введем дополнительную функцию ф:

рО,, х,, х3 ,х4, х3, х6) = А ■ у1 (д:,, х2, л:3 , , х6) + В • у2 (х,, х2, л:3 ,х4, х5, х6 В качестве коэффициентов А и В выберем следующие:

А = =—;В = —— Значения относительного удлинения и прочности

^ЭКСП ^

выбираем максимальными из проведенных испытании. <5 =13.8%; =1400МПа

После обработки данных в программном пакете Excel были получены параметры, обеспечивающие максимальное сочетание относительного удлинения при разрыве и предела прочности (табл. 5). Эти параметры технологического процесса холодной радиальной ковки можно принять оптимальными.

Таблица 5.

Технологические параметры при максимальном (5+ов)-_

Шаг подачи, мм 0.4

Геометрический угол охвата 129"

Угол поворота заготовки 49.4°

Угол первого заходного конуса а1 2.95°

Угол второго заходного конуса а2 8°

Длина калибрующего пояска, мм 5

Диаметр детали после ковки, мм 35

Относительное удлинение 5 (регрессионная модель), % 14.9

Предел прочности ов (регрессионная модель), МПа 1623

После проведения моделирования с оптимальными технологическими параметрами и сравнения результатов, полученных с помощью моделирования и использования регрессионных моделей, было получено что при моделировании и расчете на основе регрессионных моделей погрешность расчета для относительного удлинения составляет 2.5%, а для прогнозируемого предела прочности 1.3%Лри помощи разработанной методики были подобраны режимы работы радиально-ковочной машины и геометрия ромбического инструмента для процесса холодной радиальной ковки, которые позволяют получить максимальные значения по сравнению с базовым технологическим процессом. При использовании ромбического инструмента с геометрическими параметрами, приведенными в таблице 5, относительное удлинение составила 5=15.3%, предел прочности ств=1645 МПа. По сравнению с базовым технологическим процессом предел прочности больше на 17.3%, относительное удлинение при растяжении на 7.8%.

Общие выводы по работе:

1. Разработанная конечно-элементная модель технологического процесса радиальной ковки позволяет учесть основные технологические особенности процесса. Сравнение результатов расчета и натурного эксперимента свидетельствуют об адекватности модели.

2. Анализ результатов НДС при радиальной ковки по результатам конечно-элементного моделирования показывает, что деформация металла:

- в продольном сечении заготовки имеет две зоны: зона установившегося режима и зона неустановившегося режима; 14

— в продольном сечении в начальный момент времени для радиально-ковочных машин с осевым подпором движение металла однопоточное, при увеличении степени деформации движение металла становится двухпоточным;

— в поперечном сечении в начальный момент деформирования деформация не проникает в осевую зону и осуществляется за счет вытеснения металла навстеречу движению бойков;

— в поперечном сечении в конечной стадии деформирования деформация проникает в осевую зону и осуществляется за счет двух потоков вытеснения.

3. Погрешность определения степени использования запаса пластичности материала по критерию Г.Д.Деля с использованием разработанных алгоритма и программы расчета по результатам конечно-элементного моделирования на операциях протяжки, кручения по сравнению с аналитическими решениями не превышает 2%.

4. Разработанная методика прогнозирования механических свойств позволяет прогнозировать механические свойства материала после радиальной ковки с удовлетворительной для практических расчетов точностью. Результаты экспериментальных исследований показали, что отклонение предела прочности и относительного удлинения от результатов опытов на растяжение образцов, вырезанных из откованных заготовок, составляет: по пределу прочности +6.8%; по относительному удлинению +9.5%

5. Полученная диаграмма пластичности для сплава на основе вольфрама позволяет осуществить прогнозирование поврежденности образца в процессе радиальной ковки по результатам конечно-элементного моделирования.

6. В работе были проведены испытания механических свойств образцов, полученных после ковки на радиально-ковочной машине. По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод, что сочетание, позволяющее получить максимальное относительного удлинения и максимальную прочность (11.3% и 1390МПа) соответствует следующим технологическим режимам машины: проков на диаметр 35 мм; продольная подача - 300 мм/мин; частота вращения 32 об/мин.

7. Полученная регрессионная модель для определения относительного удлинения и предела прочности позволяет с высокой точностью предсказывать результаты конечно-элементного моделирования. Погрешность расчетов в оптимальной точке для относительного удлинения составляет 2.5%, а для прогнозируемого предела прочности 1.3%.

8. Разработанная регрессионная модель позволяет определить оптимальные параметры технологического процесса для нахождения максимального относительного удлинения, максимального предела прочности и максимального сочетания предела прочности и относительного удлинения без выполнения математических и физических экспериментов.

9. При помощи разработанной методики были подобраны режимы работы радиально-ковочной машины и геометрия ромбического инструмента для процесса холодной радиальной ковки, которые позволяют получить максимальные значения по сравнению с базовым технологическим процессом.

Наилучшее сочетание прочности (предел прочности ств=1645 МПа) и пластичности (относительное удлинение 8=15.3%) достигается при следующих технологических режимах радиальной ковки в ромбических бойках: геометрический угол охвата 6 - 129°, угол первого заходного конуса at - 2.96 , угол второго заходного конуса а2 - 8°, длина калибрующего пояска - 5 мм, скорость подачи заготовки - 400мм/мин, частота вращения заготовки - 138.9 об/мин, проков заготовки до диаметра 35 мм. По сравнению с базовым технологическим процессом предел прочности увеличен на 17.3%, относительное удлинение при растяжении на 7.8%.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Власов A.B., Погорильчук (Дмитриева) А.Я. Определение оптимальных параметров технологического процесса радиальной ковки

// Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2009, №9. URL. http://tecnomag.edu.ru/doc/ 132181.html

2. Власов A.B., Дмитриева А.Я. Методика определения механических свойств изделия после холодной радиальной ковки в программном комплексе DEFORM3D // Заготовительные производства в машиностроении.-2011.-№11. -С. 21-25.

3. Дмитриева А.Я. Прогнозирование механических свойств изделия после холодной радиальной ковки по результатам конечно-элементного моделирования // Известия ВУЗов. Сер. Машиностроение.-2011,- № 7. - С. 3538.

4. Власов A.B., Дмитриева А.Я. Влияние параметров процесса радиальной ковки на механические свойства изделия // Будущее машиностроения России. Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов: Сб. ст./-2010.-М. — С. 56-58.

5. Дмитриева А.Я. Определение влияния угла охвата заготовки при радиальной ковке на механические свойства изделия при помощи программного комплекса DEFORM3D // Инженерные системы - 2010. Труды Международной научно-практической конференции: - М., 2010.-С. 105-110.

6. Власов A.B., Погорильчук (Дмитриева) А.Я. Моделирование технологического процесса радиальной ковки в программном комплексе DEFORM3D Труды Международной научно-практической конференции

// Инженерные системы - 2009: - М., 2009.-С. 108-112.

7. Власов A.B., Дмитриева А.Я. Методика прогнозирования механических свойств после холодной радиальной ковки по результатам конечно-элементного моделирования // Инженерные системы - 2011. Труды Международной научно-практической конференции: - М., 2011.-С. 103-108.

Подписано к печати 15.11.12. Заказ №751 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01