автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Теоретические и экспериментальные исследования параметров осадки и протяжки с целью управления технологическими процессами изготовления поковок



ол

КУКУРЫК Богуслав

ЦОВАНИЯ ШЛЕНИЯ ПИЯ

Специальность 05.16 05 - «Обработка металлов давлением*

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСС ПАРАМЕТРОВ ОСАДКИ И ПРОТЯЖКИ С ЦЕЛЬЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ИЗГО ПОКОВОК

Работа выполнена на кафедрах: Обработки металлов давлением и Теоретической механики Московского государственного институт* стали и сплавов и Обработки металлов давлением Ченстоховского политехнического института (Польша)

Научный консультант: ■

доктор технических наук, профессор АЖ Скоромдоа

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. А. Тюрин;

доктор технических наук, профессор В Н. Лебедев;

доктор технических наук, профессор Е.Н.Чумаченко.

Ведущая организация; ЦНИИТМАШ

Защита диссертации состонтсл Х'У 1998г. час

на заседании диссертационного совета Д 053. 08. 02 при Московском государственном институте стали и сплавов.

Адрес института: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект,4 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инсгппута

Автореферат разослан *

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор, доктор технических наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы^ Одной из наиболее актуальных и насущных проблем в черной металлургии является целенаправленное регулирование свойств и качества готовой продукции и повышение эффективности производства. Современный этап мирового промышленного производства поковок характеризуется предъявлением к ним все более жестких требований по качеству, причём не только в части обеспечения необходимого уровня, но и стабильности свойств. Современные условия оборота металлопродукции обостряют проблему новыми повышенными требованиями. Сложившиеся условия рынка, особенно для изделий из высоколегированных сталей и сплавов, привели к востребованию сложных, но высокоэффективных технологий ковки.

Для получения достоверных количественных данных о напряженно- деформированном состоянии, температурном поле, энергосиловых параметрах и реологическом поведении металла в реальных условиях пластического формоизменения необходимо целенаправленное регулирование свойств и качества поковок. В противном случае разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий ковки практически бесперспективно как с точки зрения получения конечного результата, так и вероятности его достижения для каждой конкретной марки стали или группы марок сталей.

Исходя из этого, вытекает необходимость развития расчётных и экспериментальных методов исследования технологических процессов, которые особенно важны при разработке режимов деформации дорогостоящих и малопластичных материалов.

Благодаря развитию вычислительной техники актуальным является использование современных методов механики сплошных сред и создание на их основе математических моделей процессов ковки в виде комплексов программ для ЭВМ. Ввиду сложности математического описания процессов ковки теоретический анализ напряженно деформированного состояния встречает значительные трудности, особенно в случае больших деформаций и применения вырезных, специальных кузнечных бойков. Опытные данные являются основой проверки правильности и точности теоретических решений. В связи с этим сочетание теоретических и экспериментальных исследований следует признать наиболее результативным направлением определения оптимальных режимов пластического деформирования в процессах ковки с позиции целенаправленного регулирования свойств и качества получаемых поковок. В некоторых случаях экспериментальные исследования процессов ковки являются единственно возможными и достоверными.

Основой создания прогрессивных, ресурсосберегающих технологий производства поковок высокого качества с требуемым набором механических свойств является разработка комбинированных теоретическо-экспериментальных методик расчета и оценки режимов деформирования включающие:

- банк данных о напряженно-деформированном состоянии, температурном поле, ' энергосиловых параметрах и реологическом поведении металла при его пластическом формоизменении, который позволяет достоверно оценивать вклад основных технологических параметров при ковке (осадка и протяжка) и структуры фактических очагов деформации, определяемой с учетом конфигурации кузнечных бойков;

«

- учёт влияния реологии среды, условий трения и температурно-скоростного режима ковки на формирование конечных свойств и качество металла,

- возможность управления процесса ковки с целью обеспечения соответствующих условий для оптимального распределения деформации в объёме поковки,

- возможность совершенствования существующих технологий и создание новых технологических процессов ковки, направленных на снижение расхода металла, высокую производительность, минимальные'затраты энергосиловых параметров и улучшение качества поковок.

Цель н задачи исследования:

1. Разработка, опробование и применение комплексной математической модели для исследования процессов осадки и протяжки,

2. Научное обоснование и создание банка экспериментально-расчётных данных напряженно-деформированного состояния, формоизменения, энергосиловых параметров, позволяющие использовать их прп совершенствовании существующих или разработки новых высокоэффективных, ресурсосберегающих технологий процесса ковки, включая возможность управления операцией протяжки.

Для достижения поставленной цели применительно к процессам ковки поковок решались следующие задачи:

1. Анализ состояния, перспектив развития и практического применения теоретических и экспериментальных методов моделирования, исследования и регулирования геометрических, технологических и энергосиловых параметров процесса ковки

2. Разработка на основе метода конечных элементов математической модели основных операций ковки, позволяющей рассчитывать напряженно деформированное состояние и энергосиловые параметры с учётом реологических свойств металла, условий трения и температурно-скоростного режима деформации при осадке и протяжке круглых заготовок.

3. Проведение экспериментальных исследований основных операций ковки и проверка адекватности расчетных моделей реальному процессу

4. Исследование закономерности основных операций ковки путем математического моделирования с варьированием в широких пределах параметров очага деформации, формы кузнечных бойков, реологических

свойств металла, температурно-скоростного режима и условий трения.

5. Проведение комплексных экспериментальных исследований деформированного состояния, формоизменения и энергосиловых параметров при протяжке с целью выработки практических рекомендаций по совершенствованию данного технологического процесса с целью улучшения качества поковок, снижения сил и работы деформации, а также повышения производительности кузнечных агрегатов

6. Апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований в промышленных условиях и внедрение разработанных технологических процессов программированной ковки поковок типа валов и пластин.

Научная новизна полученных результатов вытекает из поставленных задач и заключается в следующем:

1. Сформулирована постановка и приведено решение квазистационарной задачи объёмного течения металла при протяжке, позволяющее осуществлять расчёт на персональных компьютерах типа IBM PC. Разработанная комплексная математическая модель процесса осадки и протяжки учитывает связь механических и тепловых явлений в очаге деформации. Предложенный комплексный экспериментально-теоретический подход определения напряженно-деформированного состояния с

учгтом схемы деформирования, конфигурации кузнечных бойков и соответствующих геометрических и технологических параметров ковки позволяет решать пространственные задачи в условиях ограниченного объёма памяти и сокращении цикла вычислений, что имеет важное значение для дальнейшего развития метода конечных элементов применительно к задачам ОМД.

2. Разработаны математические модели и методики расчета параметров процесса протяжки, включающие кинематическую оценку неравномерности пластического течения металла я объеме очага деформации; анализ закономерностей формирования температурного поля поковки, расчет и оценка эффективности процесса протяжки с точки зрения энергетических затрат.

3. Методом математического и экспериментального моделирования получены данные о влиянии геометрии очага деформации, реологии среды, условий трения и температурно-скоростного режима протяжки на напряженно-деформированное состояние металла, энергосиловые параметры и температурное поле при протяжке о плоских, комбинированных и вырезных (симметричных и асимметричных) бойках в широком диапазоне изменения технологических параметров. Разработана методика получения экспериментально-расчётных данных, созданы рациональные технологические режимы для научно-обоснованного управления процессом протяжки, обеспечивающие благоприятное воздействие на структурное строение, улучшение механических свойств и повышение качества поковок.

4. Проведены обобщения и сопоставительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований основных операций ковки, выполненных автором, а также накопленных в отечественной и зарубежной литературе, позволивших обосновать справедливость принятых критериев оптимизации в комплексном подходе научно-обоснованного управления процессом протяжки.

Практическая ценность: Разработанный комплекс программ для ЭВМ позволяет моделировать процессы неизотермической осадки и протяжки поковок. Применение математических моделей основных операций ковки, позволяет анализировать поведение материала заготовки в процессе ковки и осуществлять модельный эксперимент в трёхмерном пространстве. Это дает возможность более достоверно осуществлять анализ разных критериев оптимизации, сократить время отладки технологии, выбрать близкий к оптимальному технологический процесс. С использованием предложенной математической модели и результатов экспериментальных исследований проведен анализвозможных режимов процесса осадки и протяжки Полученные в результате анализа и внедренные в производство практические рекомендации позволили повысить качество поковок, снизить энергетические и материальные затраты , а также повысить производительность ковочных агрегатов

Разработанные новые и усовершенствованные конфигурации кузнечных бойков и технологические режимы ковки обеспечили повышение выхода годного поковок, уменьшение внутренних дефектов в поковках, уменьшение расхода металла. а также повышение уровня и равномерности структуры и механических свойств Полученные результаты исследований могут быть использованы для разработки системы автоматизированного проектирования технологических процессов и осуществления программированной ковки.

Реализация результатов в промышленности. Результаты выполненных экспериментальных и теоретических исследований использованы для обоснования новых 1е\ноло1 ических процессов ковки поковок типа валов и пластин Ра>рабо-

тайные технологии деформирования малопластичных сталей осуществлены на прессе усилием 25МН на металлургическом комбинате Столова Воля (ПНР)

В период с 198) г. изготовлено и внедрено 30 различных усовершенствованных технологических процессов ксгвки поковок типа валов и пластин Новая технология предусматривает применение новой конструкции кузнечных бойков и усовершенствованных режимов деформирования, которые строго регламентируются в процессе ковки. При ковке осуществлялась программированная ковка, которая позволяет с высокой точностью реализовать заданный режим ковки. Разработанные рациональные варианты ковки прошли производственную проверку.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались и обсуждались

на:

1. Международной научно-технической конференции "Obrobka Plastyczna'79", Металлургический Комитет ПАН, Варшава, 1979г.;

2. Международной научно-технической конференции "Metall Forming'82", Краков, 1982 г.

3. Научно-технической конференции "Nowoczesne technologie kuxnicze", Столова-Воля, 1983 г.

4. Международной научно-технической конференции "Nove technologie obrobki plastycznej", ПАН, Гливице, 1985 г .

5. Международной научно-технической конференции "Новые технологии ОМД", Брно, 1987 г.

6. Международной научно-технической конференции "Metall Forming", Краков, 1992 г.

7. Международной научно-технической конференции "Fizykochcmia tarcia", Чеисто-' хова, 1994 г. *

8. Международной научно-технической конференции "Eurometalwqrking'94", Милан, 1994 г.

9. Международной научно-технической конференции "Formability'94", Острава, 1994 г.

10. Международной научно-технической конференции "Plast'94", Катовице, 1994 г.

11. Научно-технической конференции "Odksztalcalnosc stali i stopow", Жешов, 1995 г.

12. Научно-технической конференции "Odksztalcalnosc stali i stopow", Жешов, 1997 г.

13. Научно-технической конференции "Nowe tendencje w technologii kucia", У стронь, 1998 г. .

Публикации: Основное содержание работы опубликовано в монографии «Симметричные и асимметричные процессы ковки крупных слитков» (Ченстохова, . "Серия монографии", 1994 г., с. 129), 32 статьях и 5 отчётах по НИР.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 8 глав и выводов, включающих 235 страниц машинописного текста, 201 рисунок, 16 таблиц, библиографию из 201 наименования источников отечественных и зарубежных авторов. Общий объём работы составляет 435 страниц.

Основные содержание работы

Введение

Формулируется тема, обоснована ее актуальность, поставлены цели исследования, показана научная новизна, практическая ценность н положения, .выносимые на защиту. '

Современное состояние вопроса ковки слитков на прессах

Дан обзор и анализ работ, посвященных исследованию основных операций процесса ковки. Рассмотрены и проанализированы способы регулирования деформаций и напряжений при осадке и протяжке, современные методы определения на-пряженно-деформнрованного состояния в процессах ковки, особенности применения метода конечных элементов к задачам ковки. Показаны возможности описания течения металла в основных процессах ковки, разнообразие подходов и методов решения задач ковки, трудности учёта факторов, оказывающих влияние на точность и достоверность получаемых результатов. 1Ьучение пластического деформирования слитков, имеющих несплошности усадочного происхождения, структурной неоднородности и химической ликвации, для различных уровней технологических факторов являются основой для установления наиболее благоприятных условий процесса ковки с целью достижения требуемого уровня и распределения механических свойств поковок.

В изучение процесса ковки большой вклад внесли русские ученые: И.Я. Ох-рименко, В.А. Тюрин, И.Я. Тарновский, В.К. Воронцов, В.Л.Колмогоров, Е П. Ун-ксов, В И. Залесский, М.В. Сторожев, В Н. Лебедев, Е.И. Семенов, Л.Н. Соколов, П.И. Полухии , Г.Я. Гун, .' Л В.А. Петров, Каменев, Г.А. Смирнов-Аляев, A.A. Поздеев, O.A. Ганаго, H.A. Чиченев, и др. Среди зарубежных ученых выделяются Ш.Кобаяши, О.Зенкевич, Р. Коп, 3. Кжекотовски и др.

Из анализа проведенных исследований следует, что для процесса протяжки до настоящего времени нет замкнутого расчетного решения. Полученные теоретические и экспериментальные результаты дают только приближенную оценку качества поковок в зависимости от напряженно-деформированного состояния. Рекомендательные оптимальные параметры кузнечных бойков и режимы деформирования не однозначны, а нередко противоречивы. Это объясняется сложной схемой напряженного и деформированного состояния заготовки в процессе протяжки, которая производится за ряд обжатий, совершаемых поочередно друг за другом с подачей и промежуточной переориентировкой положения заготовки в пространстве. Наличие очень большого числа различных параметров, влияющих на процесс протяжки, не позволило получить решения, связывающего воедино все факторы. Многообразие факторов и сложность их совместного влияния определяют трудность получения количественных данных для оптимизации и управления технологическими процессами ковки слитков на прессах.

Теоретическое исследование процесса ковки слитков

Методика расчета напряжений, деформаций и распределения температуры при осадке. Основой математической модели, разработанной для процесса осадки, является функционал мощности пластического формоизменения минимизирующий действительное поле скоростей:

3 = \FMdSr , (1)

5г

где

0.

1, \ш )

1 .. &/, 3 дх1

и ¥1- компоненты скоростей и сил на контактных поверхностях.

Используя метод множителей Лагранжа, введено в правую часть (1) слагаемое , которое выполняет условие несжимаемости. Функционал (1) с учб-V

том условия несжимаемости, после дифференцирования можно привести к виду:

V V V 5

Вариация функционала (2) в отношении X принимает вид:

л ) • (3)

у кдх^

Чтобы уравнение (3) было равно нулю для произвольных значений оК, должно вы-

¿Ь,

полнятся равенство-= О, которое является условием несжимаемости.

<?Х1

В такой вариационной постановке определение минимума функционала (1) позволяет вычислить поле скоростей, которое удовлетворяет уравнениям равновесия, а на поверхности Б - граничным условиям

СГ(/,^ = 0 (4)

Для решения проблемы использовано реологическое уравнение, связывающие компоненты тензоров напряжений и скоростей деформации, которые могут бьгть представлены законом Сент-Венана-Мизеса

О¡] = 2—(¿у - ¿¿и), (5) .

/I

где: Г/ = - интенсивность касательных напряжений,

= ^¿¡¡¿у - интенсивность скорости деформации сдвига.

Принята жестко-пластическая несжимаемая модель среды. В силу осевой симметрии рассматривалась половина очага деформации. Для решения задачи методом МКЭ очаг деформации был разбит на четырехугольные квадратичные конечные элементы. Минимальное значение функционала (2), т.е. когда его производная равна нулю

й^(у,,Л)=0. (6)

определяет действительное поле скоростей деформаций. Граничные условия заданы в скоростях на части поверхности 5У, •

(7)

и в напряжениях на части поверхности во

«Г,; Л; = Pi • (8)

На участке Б* где происходит скольжение металла по поверхности инструмента, граничные условия являются смешанными. Здесь скорость должна удовлетворять условию непроницаемости:

- (9)

а напряжения - соотношению:

= О»)

где:

V® - заданные на 5», компоненты вектора скорости,

Р) - компоненты распределенных поверхностных сил на

П/ - компоненты единичного вектора, совпадающего с направлением

внешней нормали к поверхности, tj - компоненты единичного вектора, касательного к поверхности и направленного в сторону, противоположную вектору скорости относительного скольжения металла по инструменту,

Г*-распределенные касательные поверхностные силы,

определяемые из закона трения. Для определения температурного поля при осесимметричкой осадке использовано дифференциальное уравнение теплопроводности вида

1А

г сг

г+775э 17х»Ш)+ +4 = Чгк' аГ> (1

где:

X, X» , Я,- анизотропные коэффициенты теплопроводности, Т- температура,

(}- внутренний источник тепла, с~ теплоемкость, р- плотность.

В момент времени I температура является функцией координат гиг.

После дискретизации процесс минимизации приводит к системе дифференциальных уравнений вида:

= И. о:»

где

Принято, что температура в узлах {Т} в общем случае является функцией времени. Принимая, что вектор {Т0} представляет узловую температуру в момент времени 1~0, тогда в интервале времени Д1 этот вектор принимает значение

(13)

где и {N1} представляют функции формы и являются в общем случае функ-

циями времени.

Решение системы уравнений (12) осуществлено методом центральных разностей Кранка -Никольсона. Он основая на замене частной производной по времени конечно малым приращением, в первом приближении это можно записать в следующем виде:

дг Д<

При этом необходимо вычислить значения векторов {Р}, {Т} в середине временно-, го шага

{М-^ЫМ* {^({ГоИ7*!}). (15)

Подставив выражения (14) и (15) в уравнение (12) и проведя преобразования, получим:

(м

Из уравнения (16) по известным в момент времени I температурам находится их значение в момент времени 1+Л1. При вычислении предположено, что температура изменяется линейно в небольшом промежутке времени между 1-Д1 и

и

Система уравнений связанной термомсхпническон задачи деформации металла при протяжке. При анализе процессов горячей обработки металлов давлением с большой степенью точности материал можно считать несжимаемым,' а в качестве определяющих соотношений использовать уравнения теории пластичности Сент-Венана - Мизеса. Задача считается квазистатической и решается пошаговым методом. Весь временной интервал разбивается на пддинтервалы Д1, внутри которых считается, что изменение скорости перемещений не происходит. Это позволяет считать, что на каждом шаге деформирования выполняется дифференциальные уравнения равновесия

ощ-О.' (17)

и соотношения, связывающие компоненты вектора скорости с компонентами тензора скоростей деформации

¿V (,8>

Принято, что в процессе деформации материал изотропен и девиаторы напряжений н скоростей деформации пропорциональны

= (19)

где

, ~ \ сг,

аЧ ~ о у - ао°ч

Замыкают систему реологические уравнение

. а,=/(6,ЛТ), (20)

г

где Л = | ¿¡Л

о '

Используемая модель вязкой нелинейно-упрочняющей среды позволяет более достоверно учитывать реологические свойства металла при пластической деформации.

Полная система уравненнй, описывающая неизотермическое вязкопластическое течение металла без учёта упругих деформаций и массовых сил включает в себя уравнение теплопроводности:

ч(к\т) + д*рс~: ' (го

Реологическое уравнение (20) связывающее между собой интенсивность напряжений С|, интенсивность скорости деформации , накопленную степень деформации Л и температуру Т записано в общем виде и предполагает возможность учета скоростного и деформационного упрочнения, а также зависимость сопро-

тивления деформации от температуры. При решении частных задач используется конкретная форма записи реологического уравнения, получаемая экспериментально.

Необходимость удовлетворения условия несжимаемосгги и наличие ещё одной независимой узловой переменной вызывает некоторые трудности при решении задач ковки методом конечных элементов. Для преодоления этгос трудностей использован метод Е.Н.Чумаченко (Изв. ВУЗ Черная Металл. 1981- №11, 1982- №1, 1985-№9): среда считается сжимаемой (практически несжимаемой), т.к. относительное изменение объёма незначительно. Шаровые составляющие тензоров напряжений и деформаций связаны законом Гука

<

<Т = КЭ=К1 (22)

О

где (?) - скорость изменения объёма.

Для одного малого шага по времени справедливо

Дет = ШМ. (23)

Для второго и последующих этапов деформирования необходимо учитывать накапливающееся гидростатическое давление

' и-1

а = к\ еш = + = сг' + КОД!. (24)

о

Этот прием позволяет свести интегрально-дифференциальные уравнения (17-19) и (22) к дифференциальным уравнениям того же порядка.

При решении поставленной задачи методом конечных элементов использованы треугольные элементы. Такой подход позволяет определять гидростатическое давление, не прибегая к использованию множителей Лагранжа, что дает существенную экономию машинного времени на решение задачи и потребного объёма памяти.

Система уравнений относительно узловых неизвестных (и), объединенных по совокупности элементов, можно записать в виде

[К] Н = (25)

где: [К]- матрица жесткости системы, получаемая суммированием матриц жесткости элементов [К] = » е

'{о}- вектор- столбец искомых скоростей перемещений,

=2 {•/*"}'-вектор- столбец, содержащий граничные условия в напря-

е

жениях и накапливающееся гидростатическое давление

Таким образом, используя соотношения (18), (19) и (22) получено соотношение между напряжениями и скоростями перемещений

Ify. (26)

где:

At- временной интервал текущего этапа,

о*" накопленное к текущему моменту времени гидростатическое

давление,

ц-вязкость среды, которая есть функцией интенсивности скорости деформации ц= ц ( ё;).

В связи с тем, что при протяжке имеем объёмную деформацию и сложную форму очага деформации получается сложная математическая модель, требующая большой памяти ЭВМ и больших временных затрат. Потому в настоящей работе предложено создание упрощенной пространственной математической модели, которая представляется как обобщённая плоская деформация. Она позволяет осуществлять моделирование процесса протяжки на доступных персональных компьютерах типа IBM PC, имеющих ограниченный объбм оперативной памяти. В разработанной математической модели весь процесс протяжки разделен на последовательный ряд этапов нагружения, соответствующим поочередным положениям деформирующего материала в очаге деформации. Процесс деформации за один цикл был разбит на ряд стадий в соответствии с положением заготовки в очаге деформации. Центр пространственной системы координат локализован точно в середине высоты очага деформации. Система координат сориентирована так, чтобы ось 2 была направлена против удлинения материала, обжатие совпадает с осыо у, а ось х сориентирована так, чтобы система координат х, у, z была правовращающая.

Предложен вариант пространственной, упрощенной модели для кузнечной протяжки с экспериментально найденным значением ёг.

Этот вариант основан на допущении параллельного перемещения поперечного сечения вдоль оси заготовки ( e,= const, еи = е у1 =0 ). Для реализации этого варианта на ЭВМ разработана вычислительная программа ("Экспер"), которая работает совместно с главным, разработанным по МКЭ, пакетом программ ("программа Кук-прот"). Программа 'Экспер" предназначена для определения среднего значения скорости деформации 1Х для конкретного исследованного очага деформации и для определённых условий деформации. Программа 'Экспер" базируется на обширном количестве экспериментальных исследований деформированного состояния проковываемой заготовки в зависимости от формы кузнечных бойков, обжатия, подачи и других условий деформирования.

Таким образом, при принятых допущениях разработанная математическая модель дает возможность определения компонентов тензора скоростей деформации, компонентов тензоров деформации и напряжения в любой точке пространственного очага деформации, с достаточной точностью теоретического анализа для практических рекомендаций. Предложенный комплексный экспериментально-теоретический подход определения параметров напряженно-деформированного состояния с учётом схемы деформирования, формы бойков и соответствующих геометрических и технологических параметров ковки позволяет решать задачи неизотер мического вязко пластического течения металла в условиях ограниченного

объёма оперативной памяти и сокращении времени вычислений, по сравнению с трёхмерными задачами.

Математическая модель температурного поля деформируемого тела о процессе протяя:кн. Температурную часть математической модели для протяжки составляет решение дифференциального уравнения теплопроводности Фурье:

д_ дх

/

дТ\ д (, оГ\ 8

дх) ду) дг

, дГ 1 Л <ЯГ кг—\+0-ср—, (27) ; г д 2) д1

где:

X, -анизотропные коэффициенты теплопроводности, внутренний источник тепла, с- теплоемкость, р- плотность. В момент времени I температура является функцией координат х,у и г.

Граничные условия для уравнения теплопроводности (27) могут быть заданы в виде краевых условий первого, второго и третьего рода на соответствующих участках поверхности Б], Бг и Бз.. Граничные условия первого рода задают распределение температуры по поверхности тела в любой момент времени

Т(х,у,г,/) = Т0(х,у,г)\ х,у,г еЯ,. (28)

Граничные условия второго рода задают плотность теплового потока ч в ка, ждой точке поверхности тела Бг

, ЛГ , , ¿7' , ,

где: 1», 1у, 12- направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности тела.

Граничные условия третьего рода описывают процесс конвективного тепло- ■ обмена между поверхностью тела Эз и окружающей средой по закону Ньютона:

0 Т д Т сЗТ

х* Л'1* + а~ Тс)в 0; е 5з' (30)

Граничные условия второго и третьего рода можно объединить и записать в

виде:

Т 8 У 8 Т

Лх~1х + Лу — 1у + Лх-—12 + д + а(Г5 - Тс) = 0{х,у,г,) е51>3. (31)

Уравнение (27) вместе с граничными условиями (28), и (31) однозначно определяет задачу. Решение уравнения теплопроводности (27) согласно теореме Эйлера эквивалиггно отысканию минимума следующего функционала:

А

я.

дг)

а-ср

ЯГ (Л

с1У +

\7с1Ш1 + \а{гг-Г17с + Т^

Ьл2

где: а- коэффициент теплоотдачи, Тс-температура окружающей среды, Ь время. Решение уравнения теплопроводности (27) с соответствующими граничными условиями эквивалентно отысканию минимума функционала (32), причем после мини- . мизации граничное условие (31) будет выполняться автоматически.

После дифференцирования процесс минимизации функционала приводит к следующей системе уравнений:

= 0, /=1.

_£Ф

дТ,

Процесс минимизации для элемента приводит к уравнению

[С]'

4ТУ

31

(33)

(34)

где [С]' = ¡NicpNjc¡V.

Матрица жесткости (к]°

№ = I

лх —————— /I, -—-"Ь Л/у ' ■ — ■—

дх дх ■ ду ду дг дг

¿V+

+ \NioNjdSj вектор правой части уравнения (37)

{/Г = - ¡аТсМ,<к%.

(35)

(36)

V

Минимизирующая система уравнений для всей области составляется по общим правилам. В результате получаем

д1

где: [С] и [К]-матрицы демпфирования и теплопроводности соответственно, {К} -вектор внешних- тепловых воздействий. Суммирование, как обычно производится по всем элементам

' /1«£/Л

»«I. («I

■ В результате соответствующих преобразований получим выражение

~ и] } - - [ф9)~ (38)

которое является системой линейных алгебраических уравнений, позволяющих определять значения узловых температур {Т|} в интервале Ли по известным в момент времени {Т„} температурам.

Для расчёта нестационарного температурного поля методом конечных элементов подготовлен соответствующий пакет программ, реализующий решение поставленной температурной задачи в заданных сечениях. Разбиение области на конечные элементы, нумерация узлов, занесение указателя характеристик материала осуществляется подготовительной программой и заносится в память. Для модификации системы уравнений с учётом граничных условий предусмотрена подпрограмма выбора граничных узлов по заданным координатам границ, сведения распределенной нагрузки, приведенной к сосредоточенной в этих узлах, позволяющая , учитывать изменение теплового воздействия во времени и пространстве. Введены также подпрограммы для расчета коэффициента теплопроводности и теплоемкости в зависимости от температуры. Разработанная программа использована при расчёте распределения температуры в деформируемом материале при протяжке.

Исследование процесс* осадки м протяжки при помощи математических

модели Проверка адекватности математических моделей осадки и протяжки реальным процессам была выполнена путем сопоставления результатов расчета с данны-' ми экспериментальных исследований в широком диапазоне изменения параметров. Сопоставление расчётных и экспериментальных исследований показало, что они хорошо согласуются между собой. С применением математических моделей были проведены исследования для осадки и протяжки в плоских, вырезных и комбинированных бойках, для заготовок из ст'алей. 40Х, 5ХНМ, 4Х5МФС и 12Х18Ш0Т. Исследование носило характер численного эксперимента, в котором в качестве объекта выступала математическая модель, а варьируемыми факторами были геометриче-' ские параметры очага деформации, условия трения, технологические параметры и реология материала. При разработке плана численных экспериментов была охваче-. иа область исследованных параметров, исчерпывающая все встречающиеся на практик^ схемы деформации н диапазон изменения параметров при ковке слитков на прессах. Для исследования пластических свойств стали при высоких температурах использовали автоматизированную японскую пластометрическую установку . (фирмы Маэкава) на сжатие с числовым программным управлением. Получены соответственные зависимости сопротивления деформации от скорости деформации, обжатия и температуры.

Количественную оценку неравномерности деформации определяли коэффициентом относительной неравномерности деформации

(39)

<Р

где: £•„,•„ ,£тах - показатель абсолютной неравномерности, • <р - средняя логарифмическая деформация (максимум и минимум, берутся по всем поверхностям деформации). Полученные дискретные значения £т1я ,£тах и 8е аппроксимированы функциями:

еЫо=а2еп>*-, де=а3еп^. (40)

где коэффициенты а|-а.ч и П| и п3 определены методом наименьших квадратов. Эти данные можно использовать для оценки деформационных возможностей кузнечного инструмента, технологических параметров ковки по местным и локальным характеристикам деформации. Характеристики интенсивности местных деформаций использованы для оценки деформационной проработки металла при ковке и промежуточного анализа механических свойств поковок. В результате сопоставигель-' ного анализа данных можно определить научно обоснованные технологические режимы процесса ковки, обеспечивающие в заданном месте сечения поковки либо максимальный уровень проработки металла, либо наибольшую равномерность проработки металла по сечению.

Расчёт распределения температуры проведен в поперечном и продольным сечениях деформируемых стальных цилиндрических заготовок для случаев осадки и протяжки в плоских и вырезных бойках. Начальное распределение температур в рассматриваемых областях принято равномерное. Теплообмен на поверхности контакта бойков и заготовки отвечает условиям теплообмена двух полупространств при наличии теплового сопротивления и потока диссипации работы напряжений контактного трения. Определены все граничные условия, накладывающие ограничения на величину и характер изменения динамических, кинематических и температурных параметров процессов ковки. Для определения температурных граничных условий и теплофизических констант выполнены экспериментальные исследования. Установлен ряд количественных характеристик, определяющих теплоотдачу между контактирующими поверхностями, заготовки и инструмента.

Сравнение расчётных полей температур с экспериментальными измерениями температур в соответствующих точках на поверхности и внутри деформированной заготовки показало их хорошую сходимость. Максимальное расхождение между расчётными данными и экспериментальными измерениями не превышают ±10"С. Температуру на поверхности заготовки измеряли пирометром "Райтек". Температуру внутри заготовки измеряли термопарами, которые помещали в определённых точках

Полученные результаты исследований позволяют построить кривые предельной пластичности исследуемого металла и прогнозировать лефектообразова-ние при ковке слитков и заготовок. Разрушение в процессах ковки определяется предельной пластичностью металла, которая зависит от схемы напряженного состояния, характеризуемой коэффициентом жесткости схемы напряженного состоя-

пня и ресурса пластичности. Разработка термомеханических режимов ковки невозможны без знания пластических характеристик обрабатываемого материала в интервале температур ковки. При внедрении в производство новых труднодеформи-руемых или малопластичных сталей предварительно исследуют пластические свойства стали в зависимости от температуры, скорости деформации, химического состава стали, режимов нагрева и деформированиями на основе полученных данных разрабатывают оптимальный термомехаиический режим ковки.

Полученные результаты дают основы для построения зон предполагаемого разрушения в деформируемых заготовках ( величины е„ Лик,). Значения величин обжатий ири ковке должны удовлетворять условиям, при которых путь деформирования обеспечивает сплошность металла в любой точке очага деформации

Выполненное При помощи математической модели исследование позволило определить закономерности влияния формы бойков, единичного обжатия, реологии материала, условий трения и скорости деформации на неравномерность деформации и на напряженное состояние металла при протяжке. В работе приведены графики поля интенсивности напряжений, поля интенсивности деформации и распределение температуры в поперечном и продольном сечениях для модельных и стальных заготовок (5ХНМ, 4Х5МФС, 12Х18И10Т). Анализ изменения коэффициента жесткости напряженного состояния кг в центре очага деформации, определяющего в определенной степени вероятность разрушения металла, показал, что его величина зависит от формы и геометрических параметров бойков и обжатия. Полученные результаты приводятся в работе в виде графиков.

Для установления возможности оценки напряженно-деформированного состояния на поверхности образцов проведены исследования влияния единичного ' обжатия, скорости деформации, коэффициента трения на интенсивность скорости деформации, интенсивность деформации, интенсивность напряжений и распределение температуры на контактной поверхности при осадке. Исследование проведено для разных материалов и для соотношений 00/Н<,= 0,5-1,5. С использованием разработанной математической модели были рассчитаны температурно-скоростные условия ковки на контактной поверхности инструмента с деформирующим материалом. Вычисленное поле температур учитывает теплопроводность, тепло выделение от трения на контактной поверхности, от работы деформации, теплообмен на поверхности контакта инструмента с заготовкой и на свободных поверхностях.

Проведенный анализ результатов исследования показал, что при ковке заготовок нельзя получеть равномерную структуру из-за неравномерности термоме-ханическнх условий деформации. Далее равномерно нагретая заготовка получает во время ковки значительный температурный градиент по ее сечению и поверхно-. ста. Величина этого градиента зависит от повышения температуры за счет теплового эффекта деформации и от интенсивности теплоотвода от заготовки в окружающее пространство. Повышение температуры в результате теплового эффекта' деформации возрастает с увеличением деформации и скорости деформирования. При скоростях более 1,0 с"1 и значительных деформациях тепловой эффект заметно меняет температуру металла, причём, значения градиента температуры зависят от свойств деформированного материала и условий трения.

Выполнение исследований направлено на создание основ построения процессов ковки, в которых возможно получеть заготовки с заданным пространственным распределением деформации, полученным за счёт регулирования пластнче-

ского течения. Распределение деформаций по различным участкам объёма поковки определяет деформационный эффект ковки.

Напряженно-деформированное состояние на поверхности осаживаемых образцов не остается постоянным в процессе осадки. Контактное трение вызывает бочкообразование, а поверхностные слои претерпевают немонотонную деформацию. Полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что деформированное состояние на поверхности зависит в значительной степени от исходных размеров заготовки (отношения Но/По) и технологических параметров осадки. Таким образом, при назначении термомеханнческого режима процессов деформирования при ковке необходимо учитывать фактор изменения температуры заготовки в результате теплового эффекта деформации.

Экспериментальные исследования деформированного состояния в процессах ковки. Экспериментальные исследования, приведенные в данном разделе, использованы для уточнения результатов теоретических решений и оценки правомерности допущений, принятых при постановке математической задач!!. Экспериментальные исследования проведены для определения влияния геометрических и технологических параметров на конечные пластические деформации, теоретический учёт которых представляет сложную задачу. Кроме того, целью экспериментальных исследований являлось определение распределения местных деформаций при ковке, обеспечивающих высокое качество металла в заданных направлениях и участках объема поковки.

Для процесса осадки экспериментально установлены закономерности внутреннего перемещения металла заготовок, осаживаемых перпендикулярно оси о зависимости от граничных условий и отношения Н„/ 0„ (0,5-1,5). Поперечную осадку исследовали со степенями деформации от 0,105 до 0,693 (ЮУо-50%). Установлена также взаимосвязь областей затрудненной деформации и пластической области, их перераспределение в зависимости от технологических параметров процесса осадки Экспериментальные исследования проведены с использованием метода координатных сеток.

Полученные экспериментальные данные перемещений узлов сеток и скорости перемещений аппроксимированы полиномами шестой степени по координатам X и У:

11 11

1 1

где: их = ^ - Хц ; и, - ^ ; V, - ^ ; V, - ^.

Применяя метод наименьших квадратов определены коэффициенты ¡ц, Ь„ с, и (1, Кроме того, чтобы не нарушалось условие несжимаемости, предложено минимизировать выражения:

1 1

ÎO

ф* -¿{[(и, -«„)' - v)2]+-U/J"4

(42)

îh. âX + âY

(43)

Произвольный множитель X, подбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, аппроксимирующие функции v, и v, (ид) были близки к экспериментальным значениям (ук)у и ( Цр, уД а с другой стороны, условие постоянства объема также выполнялось с небольшой погрешностью Компоненты тензоров деформации н скорости деформации определены по формулам

1

£,J ~ 2

дщ àu/ âX.^âX,

âv, àv,

дХ, âXi

(44)

Интенсивность скоростей деформации и интенсивность деформации определены выражениями:

(45)

После обработки данных на ЭВМ были получены изолинии интенсивностей скорости деформации и интенсивностей деформации в разных плоскостях цилиндрических заготовок. Установленные в результате экспериментальных исследований закономерности представлены в виде графиков. Анализ этих закономерностей, построенных для образцов с отношением fVD„ = 0,5, 1,0 и 1,5 , позволил установить зависимость распределения деформаций и напряжений от отношения it/D,, и единичного обжатия Деформация при осадке цилиндра характеризуется неодинаковым изменением величины контактной поверхности деформируемых образцов. Существенное влияние на изменение контактной поверхности оказывает отношение H,/D„. Из полученных полей деформированного состояния в меридиональных и поперечных плоскостях-цилиндрических образцов, представленные в виде линий одинаковых деформаций, определена неравномерность деформации, максимальное и минимальное значение интенсивности деформации На основе этих данных произведена оценка местной проработки структуры отдельных зон поковки. Экспериментально установлено, что заковка усадочных пор и повышение плотности при деформации литого металла происходит в основном в начальной стадии ковки при осадке с Eh = 0,50-0,60.

Проведенный, анализ показал, что при осадке заготовок плоскими бойками нельзя получить равномерную структуру заготовки из-за неравномерности термомеханических условий деформации Максимальные значения интенсивности деформации находятся в центре заготовки, где имеют место максимальные значения температур В процессе деформирования температура центра заготовки может по-

вышаться за сч4т теплового эффекта деформации, причем количество выделившегося тепла зависят как от затрачиваемой на формоизменение работы, так и от интенсивности теплоотвояа от заготовки в окружающее пространство. На поверхности контакта инструмента с заготовкой наблюдается большой градиент температуры связанный с интенсивной отдачей тепла Повышение температуры в результате теплового эффекта деформации возрастает с увеличением местных деформаций и скоростей деформации.

Результаты расчетов величины теплового эффекта деформации при осадке подтверждено экспериментально на цилиндрических образцах Ф80 х 100мм из стали 40Х нагретых до 1200°С. В центре образца измеряли температуру термопарами. На поверхности заготовки измеряли температуру американским пирометром "Райтек". Сравнение расчётных (с использованием МКЭ) и экспериментальных значений температур показали удовлетворительное их совпадение.

Для процесса протяжки проведены экспериментальные исследования влияния конфигурации бойков, относительной подачи, обжатия и условий трения на деформированное состояние при деформировании в бойках; плоских, комбинированных, вырезных симметричных и асимметричных, вырезных с асимметричным приложением внешних усилий и в бойках специальной конструкции Лабораторные исследования проведены с использованием метода координатных сеток на модельных образцах из свинцово-сурьмянистого.сплава (РЬ^З'/оЯЬ) Полученные экспериментальные данные перемещений узлов и скорости перемещений аппроксимировали полиномами шестой степени по формулам (41). Для получения компонент тензора скоростей деформаций и компонент тензора деформаций использовали предложенную методику для процесса осадки (уравнения 42-45).

Установленные в результате экспериментальных исследований закономерности представлены » виде графиков. Эти графики представляют собой эпюры распределения интенсивностей деформации в поперечном, горизонтальном и продольном сечениях цилиндрических образцов после протяжки в различных бойках (плоских, комбинированных, вырезных симметричных и асимметричных, с асимметричным приложением внешних усилий и специальных).

В результате проведенных экспериментальных исследований на модельных образцах и расчётов по разработанной математической модели подтверждена реальная возможность управления очагом деформации и прогнозирования заданного уровня интенсивности проработки металла по сечению поковки и его расположению путем регламентирования, последовательного изменения в процессе деформирования формы и геометрических параметров кузнечных бойков, относительной подачи и величины единичного обжатия. Установленные в работе закономерности особенно важны при разработке технологических процессов протяжки поковок из труднодеформируемых материалов либо поковок, в которых необходимо получить различный уровень проработки металла по сечению при наименьших энергозатратах.

Введение асимметричности приложения нагрузки в вырезных бойках также дает положительные результаты распределения интенсивности деформации. Несимметричность направленных потоков вытеснения металла вызывает развитие макросдвигов в очаге деформации. Применение несимметричных вырезных бойков является причиной изменений в кинематике течения металла. Неодинаковое течение металла в разных зонах поковки, находящихся под верхним и нижним бойками,

привадят к разному течению металла под этими байками, однако после кантовки при протяжке распределение деформаций в объеме поковки выравнивается.

Результаты анализа выполненмх исследований неоднородного пластического течения металла при ковке позволили сформулировать определенные выводы и сделать практические рекомендации, направленные на дальнейшее совершенствование технологии ковки. При выборе конфигурации вырезных бойков необходимо учитывать не только влияние угла выреза. Большое значение имеет также соотношение между радиусом заготовки и радиусом выреза бойков Исследованиями установлено, что с увеличением отношения схема напряженного состояния

для центральной части заготовки ухудшается, а интенсивность деформации значительно повышается. При ковке в двух симметричных бойках, когда а= 105o-110° и в широком диапазоне отношения R»/R„ от0,7до 1,0 в центральной части заготовки реализуется благоприятная схема напряженного состояния двухосного сжатия, а зона с растягивающими напряжениями на свободном от инструмента KOirrype незначительна. На боковой части заготовки при значениях отношения R«/Ro меньше 1 действует сжимающее вертикальное напряжение, значение которого увеличивается сростом единичного обжатия. При значениях отношения R„/Ro >1 на свободном от инструмента контуре действует растягивающее вертикальное напряжение.

При протяжке заготовок круглого сечения плоскими, комбинированными и ромбическими (симметричными) бойками достигается оптимальное, с точки зрения напряженно-деформированного состояния, отношение l/D0 (относительная подача) лежащее в интервале 0,50 - 0,70.

Экспериментами установлено, что для того, чтобы максимально уменьшить суммарную неравномерность деформированного состояния, при наиболее благоприятной схеме напряженного состояния, необходимо применять обжатия еь=0,20-0,30. Однако при ковке поковок из специальных марок стали и сплавов необходимо также учитывать величину допустимого единичного обжатия на основе экспериментальных данных.

Существенное влияние на напряженно-деформированное состояние заготовок и анизотропию механических свойств в процессе ковки оказывает конфигурация бойков. При выборе формы инструмента можно подобрать такую геометрию, с помощью которой можно или создать максимальные деформации в центральной зоне заготовки, при не совсем благоприятной схеме напряженного состояния или создать минимальные деформации в центре заготовки, при наивыгоднейшей схеме напряженного состояния. Такие возможности дают несимметричные вырезные бойки. На основании анализа результатов выполненных экспериментальных исследований установлено наиболее рациональное сопоставление углов развала нижнего и верхнего бойков для осуществления процесса протяжки. Установлена и подтверждена экспериментально реальная возможность управления очагом деформации и прогнозирования места и уровня требуемой интенсивности проработки металла по сечению поковки путем последовательного изменения в процессе протяжки углов нижнего и верхнего бойков. В начале процесса ковки в несимметричных вырезных бойках имеет место различный контакт верхнего и нижнего бойков с деформируемой заготовкой. В этом случае обеспечивается больший охват заготовки, что имеет положительные влияние на распределение и уменьшение неравномерности деформации в сечениях поковки Соединение ромбических бойков с углами развала 90'1 и 135° или 105° и 135" в один деформирующий инструмент, с различными углами вы-

резов верхнего с*1 и нижнего а? бойков, дает возможность использования их индивидуальных преимуществ . Неодинаковое течение металла в пространстве каждого бойка дает возможность получить перемещающийся центр сечения очага деформаций. При круговой кантовке опасные растягивающие напряжения возникают все в новых местах заготовки, что более безопасно, чем при ковке с постоянным центром очага деформации.

Проанализированы также варианты несимметричных бойков радиусной формы выреза. Например, для бойков с радиусом выреза верхнего бойка 0,50к и радиусом выреза нижнего бойка Ягг "0,5ГЗо с самого начала процесса обеспечивается полный охват заготовки вырезом нижнего бойка и точечный охват с зазором в вырезе верхнего бойка. К концу процесса полный охват заготовки достигается у выреза верхнего бойка при обжатии почти без бокового подпора в нижнем бойке. Однако механические свойства большинства сплавов к этому моменту достаточно высоки и такая схема обжатий также оказывается приемлемой.

Аналогично ромбическим бойкам с разными углами выреза верхнего и нижнего бойков применяли и ромбические бойки с асимметричным вырезом верхнего (СС| и аг) и нижнего (а3 и ои ). Проведены экспериментальные исследования для различных комбинированных форм бойков с шагом угла выреза Аа= 10° (а1=450-9О1', а2=45°-90°, а3=45°-90о, ои=45°-90°). О достоинствах ковки на таких бойках свидетельствуют приведенные графики распределения интенсивностей деформации. Введение двойной асимметричности в конструкцию ромбических бойков значительно изменяет течение мегалла по сравнению с выше указанными бойками. Различное, несимметричное течение металла в пространстве данного бойка (верхнего или нижнего) дают возможность использовать их индивидуальные преимущества.

Изменяя схему приложения внешних усилий, можно, в зависимости от дальнейшего назначения поковки, интенсифицировать деформирование структуры металла в требуемой зоне заготовки. При ковке комбинированными бойками с несимметричностью нагружения сжимающие напряжения преобладают по величине над растягивающими. Чем ярче выражена несимметричность приложения внешних усилий, тем большая интенсивность деформации сдвига в центре заготовки и большая равномерность распределения деформации в объеме поковки.

Несимметричность направленных потоков вызывает появление направленных. касательных потоков и развитие макросдвигов для интенсификации проковки металла. Максимальные значения интенсивности деформаций в бойках с несимметричностью нагружения соответствуют значениям интенсивности деформации ддя традиционных комбинированных и вырезных бойков, но существенно разница касается локального распределения интенсивности деформаций. Несимметричность распределения локальных значений интенсивности деформации является средством равномерного распределения местных деформаций при применении следующих кантовок. Чередуя зоны наибольших и наименьших деформаций, можно получить равномерную деформацию. По сравнению с обычной ковкой несимметричность направленных потоков обеспечивает увеличение деформируемых объёмов металла с развитыми деформациями и позволяет прорабатывать структуру металла сдвиговыми деформациями в начальный этап обжатия.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют использовать их для совершенствования режимов деформации ковки, обеспечивающих получение поковок высокого качества. Полученные количественные и ка-

чественные данные распределения локальной деформации, напряжений и скоростей деформации в фактическом очаге деформации позволяют установить истинную геометрическую и механическую картину очага деформации. Кроме того, имеется возможность приближенно оценивать качество поковок на промежуточных стадиях ковки. Путем последовательного изменения в процессе протяжки конфигурации кузнечных бойков (симметричных и асимметричных) и основных технологических параметров можно управлять очагом деформации и достигать в заданном месте объёма поковки определенного уровня деформации и механических свойств. Управление неравномерностью деформации в отдельных зонах поковки, создаиие соответственных условий для оптимального распределения местных деформаций в объёме поковки имеет непосредственное влияние на прогнозирование структуры металла и качество получаемых поковок.

Исследование формоизменения при протяжке

В связи с постановкой проблемы автоматизации процессов свободной ковки с помощью автоматических комплексов пресс - манипулятор требуется высокая точность расчёта формоизменения при протяжке заготовок круглого сечения. Расчёт формоизменения необходим при определении размеров исходной заготовки, размеров заготовки по переходам, выборе оптимального режима протяжки и разработке режима протяжки по программе. На течение металла и интенсивность протяжки влияют следующие параметры: конфигурация бойков, подача, обжатие, температура деформирования, материал, угол кантовки, коэффициент перехода, коэффициент трения и др.

В работе приведены результаты сравнения интенсивности протяжки заготовок круглого поперечного сечения, деформированных плоскими, комбинированными и вырезными бойками. Угол выреза бойков (ромбических и комбинированных) исследовали в интервале а=90°-135°, степень обжатия варьировали в пределах от 0,10 до величины соответствующей полному смыканию бойков. Относительную подачу принимали равной: 0,35; 0,50; 0,60; 0,75; 0,90; 1,0; 1,25; 1,5 и 2,5. Исследовали следующие радиусы закругления рабочей кромки бойка: г/В = 0,05; 0,075; 0,10; 0,125 и 0,15 ( В -ширина бойка). Отношение радиуса закругления вершины вырезного бойка к радиусу заготовки Я^/И« принимали: 0,15; 0,30; 0,40, 0,60; 0,75, 1,0 и 1,20. Анализировано следующие коэффициенты перехода: <р= 1,50; 1,75; 2,00; 2,25; 2,50 и 2,80. Заготовки из стали марки 40Х нагревали до температуры 1200°С. В экспериментальных исследованиях были приняты три схемы деформации: без внешних зон, одна внешняя зона и наличие двух внешних зон.

Протяжку цилиндрических свинцовых заготовок выполняли на испытательной машине типа "Инстрон", а протяжку стальных заготовок на гидравлическом прессе усилием 2,5 МН.

Величину удлинения для данной формы кузнечных бойков (плоских, ромбических и комбинированных), обжатия и подачи аппроксимировали функциями вида:

У1» а«, + а| х + йг г +а3 х3 + ад х ъ +■ а5 г2, (46)

где: х= (Ьо-Ь) / Ь»; 2=^/0,,; у! - е, = (Ь -1<,)/1«

Отношение величины уширения ЛЬ к удлинению Д1 в зависимости от обжатия и относительной подачи, а также логарифмические коэффициенты удлинения и уширения определены по формулам:

Уг = ЛЬ/Л1; у,= (1п 1Л) / (1п Ь,/Ь„). (47)

Аппроксимация проведена методом наименьших квадратов. Полученные уравнения регрессии адекватно описывают экспериментальные результаты. В качестве примера для вырезных бойков (а=135°) получены следующие адекватные уравнения регрессии:

у0,016+0,912х-0,047г+0,618х2-0,044x2+0,01 Зг2, ' у2= 4,166-12,992х-1,9322+23,702х2+0,383хг+0,44321, (48)

у3= 0,196+21,48х-1,772-36,4б4х3-0,55хг +0,487г3

Установленные в результате экспериментального исследования закономерности величины у(, "уз и у3 представлены в работе в виде графиков и аппроксимирующих зависимостей. Результаты экспериментальных исследований позволили выявить эффективность обжатия вырезными бойками с углами развала 90-105°. При обжатии вырезными бойками преобладает удлинение, величина уширения незначительна, так как потоки металла, направленные в разъём между бойками, взаимно сдерживают друг друга, оказывая сопротивление уширению.

Для оценки возможности применения определённых зависимостей, полученных при ковке свинцовых образцов, проведены опыты протяжки стальных заготовок (40Х) в плоских, вырезных и комбинированных бойках. Сравнивали коэффициенты относительного удлинения £| Во всех случаях значения коэффициентов Е| для свинца удовлетворительно совпадали с данными для стали 40Х. Отклонения значений Е| для свинца и стали 40Х не превышали 10%.

С появлением ковочных комплексов гидропресс-манипулятор возникла необходимость разработки математических моделей, обеспечивающих программное управление процессом ковки. В работе рассмотрено решение этой проблемы для случая процесса протяжки заготовок круглого сечения плоскими, вырезными и . комбинированными бойками. Определены оптимальные по производительности режимы программированного процесса протяжки различными бойками заготовок круглого сечения. Операция протяжки рассматривалась как многошаговый дискретный управляемый процесс. Объектом управления является обрабатываемая заготовка. Размер поперечного сечения заготовки в конце к-го перехода описывает состояние управляемого объекта н определяется вьггяжкой. Задавая перемещения рабочих органов пресса и манипулятора, обеспечивается возможность управления формоизменением заготовки, которое в К-м переходе зависит от относительного обжатия еь и относительной подачи

При ковке по программе предусмотрена система ограничений для обеспечения требуемого качества проработки металла. Ограничения наложены на относительное обжатие, учтена пластичность металла и условия, при которых металл не вытекает за ширину бойка и из плоскости его выреза. Определено также для каждого инструмента максимальное обжатие при полном смыкании бойков. Наложены

ограничения для предотвращения потери устойчивости заготовки при обжатии в чётных проходах. Ограничение на относительную подачу наложено исходя из условия отсутствия поперечных и продольных трещин внутри поковки.

Проанализировано влияние формы бойков и относительной подачи на число обжатий заготовки пр> необходимое для перековки ее в изделие. Пошаговое осуществление процесса протяжки для конкретного инструмента прекращали при достижении минимального отклонения формы поперечного сечения заготовки от конечного изделия. Программированная ковка выполнена для различных значений углов а и разных относительных подач (0,35-1,25). Протяжка производилась с кантовкой на 90" после каждого нажима пресса. Результаты лабораторных исследований былк проверены в производственных условиях на прессе усилием 25 МН.

Анализ влияния формы бойков на показатель Пр показал, что для протяжки заготовок круглого поперечного сечения наиболее эффективными являются вырезные бойки с углом развала 90°-105°.

При протяжке в вырезных бойках с углом а= 90°-105° потребовалось основных нажимов пресса в 1,60-2,0 раза меньше, чем в комбинированных бойках, причем, обусловлено это ещё дополнительно другими технологическими параметрами (обжатие и относительная подача). Анализ различных вариантов ковки показал, что наиболее эффективным (по оптимальному времени ковки) интервалом относительной подачи является 1„= 0,80-1,0. Результаты проведенных производственных исследований подтвердили лабораторные данные. Соотношения между деформациями при протяжке свинца и нагретой стали 40Х отличаются незначительно

Анализ результатов программированной протяжки с варьированием подачи показал, что число ходов пресса тем меньше, чем больше величина подачи. Однако увеличение подачи снижает интенсивность вытяжки и увеличивает уширение. Такое одновременное влияние противоположных факторов на процесс вьгтяжки ставит вопрос об оптимальной величине подачи для каждого конкретного случая. Значения относительных подач, обеспечивающих минимальное время протяжки, находится в пределах 0,75-1,0. Эти пределы совпадают с пределами, рекомендуемыми из условий получения качественной поковки.

Результаты анализа приведены в работе в форме графиков и зависимостей, позволяют определить минимальное число обжатий для получения заданных размеров поковки.

Исследование энергосиловых параметров при протяжке

Для дальнейшего повышения эффективности процесса протяжки необходимо, чтобы технологический процесс и режимы ковки обеспечивали оптимальность определённых критериев. Одним из этих критериев оптимальности является работа деформации. Рассмотрено решение задачи определения оптимальных энергосиловых параметров при протяжке плоскими, вырезными и комбинированными бойками заготовок круглого сечения. В данной работе приведены результаты экспериментального анализа влияния формы кузнечных бойков, обжатия, относительной подачи, закругления кромки бойка, закругления вершины бойка и коэффициента перехода на энергосиловые параметры при протяжке заготовок круглого поперечного сечения. В исследованиях применялись плоские, вырезные и комбинированные бойки, причем угол выреза бойков изменяли в интервале а= 90-135°, степень обжатия варьировали в пределах от 0,10 до 0,30 Относительную подачу принимали равной: 0,35; 0,50, 0,60, 0,75,0,90; 1,0, 1,25; 1,50 и 2,50 Исследованные радиусы

закругления кромки кузнечного бойка: г/В= 0,05; 0,075; 0,100; 0,125 и 0,150 (где В -ширина бойка). Исследовали следующие отношения радиуса закругления вершины вырезного бойка к радиусу заготовки 1^/11,,= 0,15; 0,30,0,40; 0,60; 0,75; 1,0 и 1,20. Проанализированы следующие коэффициенты перехода: (р= 1,50; 1,75; 2,0; 2,25, 2,50 н 2,80. Исследования проведены на модельном материале (свинец) и проверены на стали 40Х. Стальные заготовки нагревали до температуры 1200°С. В экспериментальных исследованиях были приняты три схемы деформации: а - без внешних зон, б- одна внешняя зона, в- наличие двух внешних зон. Протяжку цилиндрических свннцовых заготовок выполняли на универсальной испытательной машине типа "Инстрон", а протяжку стальных заготовок на гидравлическом прессе усилием 2,5МН, который был оснащен специальной измерительной аппаратурой.

Результаты экспериментальных исследований аппроксимировали адекватными уравнениями регрессии. Приведенные формулы удовлетворяют всем частным и предельным случаям. Адекватность модели проверяли с помощью критерия Фишера, а значимость коэффициентов - с помощью критерия Стьюдента при 5%-ном уровне значимости. Введенный автором коэффициент A/V„ определяет работу деформации, отнесенную к объёму, смещенному в направлении длины протягиваемой заготовки. В качестве примера адекватное уравнение регрессии для определения работы деформации при протяжке можно записать в виде:

А=32,398 Ц+502,552ЕЬ-1,039а+26,219,

A/V„=6,936 1„-29,934е„+0,42а-15,783 , (49)

где: L=l/D„; ЕьКПо-Ьун,,; а-угол выреза.

Установленные в результате экспериментальных исследований закономерности представлены также в виде графиков, наглядно описывающих зависимость знергоенловых параметров A, A/V„ и Р от формы бойков, обжатия и относительной подачи. Эти технологические параметры оказывают наибольшее влияние на силу и работу деформации при протяжке.

Задача оптимального управления процессом протяжки заготовок круглого сечения вырезными бойками с точки зрения энергетических затрат формулируется следующим образом. Требуется для конкретного процесса протяжки, при определённых ограничениях и краевых условиях, найти такие параметры a, eh и lw, чтобы коэффициент A/V„ был мкмимальным. Систему ограничений накладывают на eh и для обеспечения требуемого качества проработки металла. Ограничение на максимальную величину относительного обжатия (0<xh<Ej ) учитывает: пластичность металла, отсутствие вытекания металла за ширину и из плоскости выреза бойка.

Ограничение на относительную подачу определено условием отсутствия поперечных и продольных трещин виутри поковки.

Результаты проведенных экспериментов позволили выявить эффективность обжатия вырезными бойками с точки зрения энергозатрат. При обжатии вырезными бойками преобладает удлинение и независимо от максимальных для них значений работы деформации А получаются минимальные значения коэффициента A/Vu.

В комбинированных бойках уширение является большим, чем в вырезных бойках. Наличие уширения приводит к снижению производительности процесса протяжки и коэффициента A/V„. Исходя из введенного для оценки эффективности

процесса протяжки коэффициента A/V„, целесообразно применять вырезные бойки с углом развала 90-105°. Для них получено минимальные значения коэффициента A/V„.

В работе также приведены результаты исследования влияния формы кузнечных бойков, относительного обжатия и относительной подачи для случая многошагового процесса ковки. В этом случае управление таким процессом является более сложной задачей. Исследования выполнены для различных конфигурации бойков и относительных подач (0,35-1,25). Результаты лабораторной пошаговой протяжки проверены на стали 40Х на прессе усилием 2,5МН. Анализ разных вариантов протяжки показал, что наиболее эффективными являются вырезные бойки с углом выреза 90° - 105° и кругло вырезные (R„= 0,5Dv) Эти бойки позволяют вести протяжку заготовки с исходного диаметра на конечные квадратичные сечения при минимальной величине коэффициента A/Vu.

Анализ различных вариантов процесса многошаговой протяжки показал, что для получения выше указанных поперечных размеров заготовки наиболее эффективным (rioi минимальном значении коэффициента A/V„) интервалом относительной подачи является lw=0,75-0,80. Результаты исследований на стали 40Х подтвердили лабораторные данные.

Анализ результатов экспериментальной программированной протяжки с варьированием подачи показал, что значения относительных подач, обеспечивающих минимальное значение коэффициента A/V«, лежит в пределах, почти совпадающих с пределами рекомендуемыми из других анализированных критериев.

Исследование качества металла поковок типа валов н пластин

Для оценки влияния осадки на закрытие внутренних дефектов использовали свинцовые цилиндрические образцы диаметром 80мм и 100мм с отношениями ИД),,0 0,5; 1,0; 1,5, 2,0; и 2,5. В ходе исследований изучалось влияние степени деформации и отношения H/D0 на закрытие осевого отверстия, диаметр которого приняли 10 мм (сЦД>о=0,125 и 0,10). Каждая партия с соответствующим отношением Н,Л)„ осаживалась на 10, 20, 30, 40, 50, 65 и 75% по высоте. При моделировании нес плотностей при протяжке (заготовки ф80ммх 120мм) кроме осесимметричного отверстия приняты ещё два искусственных дефекта в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Для исследования устранения внутренних дефектов в процессе протяжки использовали наряду с плоскими, комбинированные и вырезные (симметричные и асимметричные) бойки. Проведен анализ эффективности применения вырезных и комбинированных бойков для заковки несплошностей при протяжке. Относительные подачи принимали в интервале 0,60-0,70. В проходах приняты одинаковыми относительные обжатия (s¡,=0,20) и угол хантовхи (90°). Для операций шлихтовки принимали угол кантовки 20°.

Сравнительные исследования условий закрытия осевого . отверстия d(/Do=0,I0 осуществляли на образцах 0100 х 200 мм из стали 40, в условиях горячего деформирования (Т=1473К). Результаты анализа выполненных экспериментов доказали, что дефекты, расположенные в направлении, перпендикулярном направлению приложения усилия, требуют больших средних напряжений, чем дефекты, расположенные в направлении приложения усилия. Полученные экспериментальные данные позволили также проанализировать влияние параметров режима де-

формации операции протяжки и формы бойков на степень проработки металла заготовок.

В результате проведенного анализа полученных данных степени закрытия осевого и других отверстий в различных бойках показано, что процессом заковки дефектов можно управлять, варьируя качеством исходного металла или величиной местной деформации в различных зонах объёма металла путем изменения схемы ковки, ковочного инструмента и режима деформации. Качественный анализ формоизменения осевого и других цилиндрических отверстий заготовок показывает, что наибольшую интенсивность закрытия дефектов достигается при протяжке в ромбических симметричных (110x110 или 135x135°) и несимметричных (ai=105 , 0(2= 135°) При коэффициенте укова К=2,0 наступала полная заковка искусственных дефектов, моделирующих усадочные рыхлости и пустоты в слитке. Во всех рассмотренных случаях коэффициент укова К=1,5 не был достаточен для закрытия дефектов в заготовках Наименьшая интенсивность закрытия дефектов получена при протяжке в плоских бойках. В этом случае при протяжке с промежуточными кап-товками на угол 90° для заковки несплошностей металла необходимо увеличить коэффициент укова. Изменение конфигурации бойков и та асимметричности позволяет регулировать зоны локализованных деформаций. При воздействии на заготовку рабочими поверхностями, которые наклонены под меньшим углом к вертикальным плоскостям, происходит вдавливание металла в угол выреза. В случае воздействия на заготовку рабочими поверхностями, плоскости которых наклонены под большим углом к вертикальной плоскости, происходит преимущественное течение металла в пространство между бойками. Совокупность этих воздействий приводит к повороту одной части очага деформации относительно другой, т.е. в очаге деформации возникают дополнительные сдвиговые деформации. При деформировании бойками, имеющими общин угол 90-105°, интенсивность деформации в центральной части заготовки оказывается значительно меньше, по сравнению с интенсивностью деформации для поверхностных слоев. При увеличении общего угла выреза бойков до 120-135° происходит перераспределение деформации и ее выравнивание по сечению получаемой поковки. Деформирование заготовки вырезными бойками с полууглами ai и а2 способствует возникновению дополнительных сдвиговых деформаций по сечению поковки. Наиболее интенсивная проковка осевой зоны слитка обеспечивается вырезными симметричными бойками с углом развала 135°-или асимметричными бойками 110°/135°. Для повышения равномерности проработки металла поковки по длине и по сечению рекомендуется вести протяжку с перекрытием подач на величину не менее 0,35 подачи предыдущего прохода.

С целью апробирования технологии изготовления поковок типа валов с применением вырезных симметричных бойков с углом выреза 135° представлены результаты ковки поковки из стали 1-4X17Н2 в плоских и вырезных бойках (а=135°). Разработка этих двух вариантов протяжки приведена в качестве примера совершенствования технологии ковки поковок из труднодеформнруемых сталей с целью повышения качества поковок. В качестве исходного материала выбраны квадратные заготовки (140x140мм), в которых обнаружены при ультразвуковым контроле дефекты металлургического происхождения. Технология изготовления поковок с применением бойков с углом выреза 135° обеспечивает лучшую проработку дефектной зоны в исходной заготовке. При изготовлении поковок валов из заготовок 140x140мм стали 14Х17Н2 в этих бойках, внутренних дефектов при ультразвуковым контроле не обнаружено. Таким образом, за счёт подбора конфигура-

ции бойков удалось достаточно активно проработать дефекты в исходных заготовках. В случае использования плоских бойков исходные дефекты в поковке остались и при ультразвуковом контроле дефекты обнаруживались. Представленные данные лабораторных опытов свидетельствуют о эффективности применения вырезных бойков с углом 135°, в которых обеспечивается интенсивная проковка осевой зоны заготовки с исходными дефектами поковок.

Для выявления влияния способа ковки на механические свойства поковок проведены промышленные экспериментальные исследования на стали 35. Слитки сечением 356x356мм и длиной 1200мм, нагревали в пламенной печи до 1200°С и протягивали в плоских бойках с разным уковом (К=1,5, 2,0; 2,5 и 3,0) по схеме квадрат-пластина-квадрат с коэффициентами перехода ф=1,5 и 2,0. Исследовали также влияние промежуточной осадки на механические свойства поковок типа валов из стали 35 после термообработки по обычному для этой стали режиму. Полученные результаты показали, что даже при сравнительно небольшой величине уко-ва (К= 1,5) можно получить на некоторых сталях хорошо прокованную структуру и соответствующие свойства, если производить ковку с большим коэффициентом перехода. Результаты исследования показали, что качественные поковки можно получить как только протяжкой, так и с промежуточной осадкой заготовки и последующей протяжкой.

Улучшение качества поковок на основе совершенствования технологии процесса ковки. Представлены результаты разработки и внедрения процессов ковки валов и пластин из труднодеформируемых сталей. Разработка этих процессов приведена в качестве примера совершенствования технологических процессов ковки поковок из труднодеформируемых сталей с целью повышения качества поковок. Проводится анализ и сравнение традиционных технологий изготовления поковок типа валов и пластин и разработанных, усовершенствованных технологий. Показаны два варианты изготовления поковок типа валов. Технологии изготовления поковок типа валов и пластин разработаны и внедрены в производство на прессе 25МН. Приводится, в качестве типичных примеров совершенствования технологии ковки валов и пластин из труднодеформируемых сталей, технологические процессы изготовления поковок типа валов (из сталей 40НМ и 38ХНМА) и пластин (из сталей 5ХНМ и 4Х5МФС). В результате внедрения новых технологий количество поверхностных дефектов сократилось 2-3 раза, практически полностью исключен брак по внутренним дефектам и неудовлетворительным механическим свойствам, повысилась производительность труда и уменьшились энергетические затраты.

Заключение и основные выводы

Настоящая работа направлена на изыскание возможных путей повышения технологической эффективности и научного обоснования закономерностей:

- кинематики течения металла при плоском, осесимметричном и пространственном деформированном состоянии,

- влияния формы и геометрических параметров кузнечных бойков, обжатия, относительной подачи, условий трения на контактной поверхности и температуры на распределение локальных деформаций, напряжений и скоростей деформации,

- эффективности регулирования формоизменения металла при протяжке в плоских, вырезных и комбинированных бойках,

-эффективности регулирования энергосиловых параметров при протяжке.

- создания новых несимметричных форм кузнечных бойков

Сочетание теоретических и экспериментальных исследований позволило дать научное обоснование рекомендаций по выбору рациональных деформационных режимов осадки и протяжки слитков и позволяет разрабатывать наиболее эффективные технологические процессы На основе проведенных исследовании получена достоверная инф<>pvaция о кинематике течения металла, его напряженно-деформированном состоянии, температурном поле, определен ряд математических зависимостей, касающихся формоизменения и энергосиловых параметров при протяжке

Математическое моделирование и экспериментальные исследования процессов ковки (осадка и протяжка) и разработанная методика проектирования технологических режимов позволяет на основе анализа напряженно-деформированного состояния заготовки на протяжении всего процесса деформирования рассчитывать оптимальную форму кузнечных бойков и рациональные режимы деформирования для обеспечения повышенного качества изделий, снижения энергосиловых параметров и повышения производительности процессов.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования и их анализ позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Комплексными теоретическими и экспериментальными исследованиями подтверждена реальная возможность сделать процесс ковки управляемым Это обеспечивается за счет учета характеристик материала, режимов ковки, трения, формы и параметров инструмента При аналитическом решении задачи определяют деформированное и напряженное состояния в процессе ковки, что позволяет в широких пределах управлять процессом протяжки и достигать в заданном месте поковки либо максимальный уровень проработки металла, либо наибольшую равномерность проработки металла по сечению и обеспечивать получение заданных механических свойств.

2. Результаты проведенных комплексный исследований позволили определить научно-обоснованные параметры управления процессом протяжки, а также определять конфигурацию кузнечных бойков и соответствующие им режимы деформирования, обеспечивающие требуемое качество, точность размеров, высокую производительность и минимальные затраты энергии. Основные результаты и полученные закономерности представлены в виде полей распределения, графиков, эпюр и аналитических зависимостей,

3. На основе метода конечных элементов разработана комплексная термомеханическая математическая модель для основных процессов ковки (осадка и протяжка), с использованием которой проведен численный эксперимент по исследованию влияния формы бойков и условий ковки на кинематику течения металла, напряженно-деформированное состояние, а также на распределение напряжений, деформаций и скорости деформаций на контактной поверхности. Получены поля распределения температуры в очаге деформации при осадке и протяжке для различных бойков, с учётом реальных реологических свойств, условий трения и температурно-скоростных условий деформации. Выявленные закономерности представлены в виде графиков и эпюр.

4. Разработаны математические модели и программное обеспечение решения объёмной задачи пластического течения для процесса протяжки, позволяющие осуществлять численные эксперименты на персональных компьютерах.

5. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлены зависимости, позволяющие определять способ ковки, последовательность операций, конфигурацию вырезных (симметричных или несимметричных) или комбинированных бойков и их геометрические параметры, а также режимы деформирования, обеспечивающие условия для управления значениями максимальной локальной деформации, неравномерностью распределения деформаций, уменьшением уровня растягивающих напряжений в объеме поковки, интенсивностью протяжки при минимальных значениях энергетических затрат При выборе конфигурации вырезных и комбинированных бойков необходимо учитывать не только влияние угла выреза, но и соотношения Кл/Я,, и Г|,/В, которые оказывают существенное влияние на распределение напряжений и деформаций в фактическом очаге деформации Получены практические рекомендации совершенствования симметричных вырезных и комбинированных бойков, определены технологические режимы, гарантирующие увеличение производительности и улучшение качества получаемых поковок

6. Па основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлено, что при применении асимметричных вырезных бойков или изменяя асимметричность комбинированных н вырезных бойков, можно варьировать величиной местной деформации в различных зонах поковки и снизить неравномерность распределения деформации по сечению загоювки , а также увеличить интенсивность деформации за счет возникновения дополнительных сдвиговых деформаций. Определены практические рекомендации по совершенствованию асимметричных бойков

7. На основании проведенных экспериментальных исследований предложены новые конструкции комбинированных и вырезных бойков, которые за счет несимметричности схемы приложения внешних усилий обеспечивают а центральной зоне цилиндрической заготовки увеличение интенсивности деформации сдвига, по сравнению с обычными комбинированными и вырезными бойками Установлено, что чем сильнее выражена несимметричность приложения внешних усилий, тем меньше неравномерность распределения интенсивности деформации Получены практические рекомендации выбора конфигурации вырезных и комбинированных бойков с асимметричным приложением внешних усилий для ковки валов из малопластичных сталей

8. При помощи разработанной математической модели выполнено исследование напряженно-деформированного состояния на контактных поверхностях при осадке. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в зависимости от исходных размеров заготовки и технологических параметров ковки напряженно-деформированное состояние, энергосиловые параметры и распределение температуры на контактной поверхности сильно различаются Учет термомеханических явлений на контактной поверхности позволяет более достоверно моделировать реальные условия деформирования Выявленные закономерности представлены в виде графиков и эпюр.

9. На основе экспериментальных исследований определено формоизменение при обжатии заготовки плоскими, вырезными и комбинированными бойками Предложенные формулы адекватно описывают течение металла при протяжке в различных бойках, в широком диапазоне изменения технологических параметров

10. Основные результаты, выводы, предложенные зависимости и рекоменлации обобщены в виде базы данных и использованы для рафаГчпки протяжки по нр<>-

грамме, которая позволяет с высокой точностью реализовать любой заданный с учетом возможностей оборудования режим ковки, обеспечивающий оптимальность заданных критериев (время ковки, качество поковок и эпергосиловые параметры) Основные рациональные параметры управляемое процесса протяжки соответствуют оптимальным технологическим параметрам, полученным при протяжке единичными обжатиями

11 На основе результатов экспериментальных исследований определены энергосиловые параметры при обжатии заготовки плоскими, вырезными и комбинированными бойками Предложенный коэффициент A/V, достоверно определяет эффективность процесса протяжки с точки трения энергетических затрат Предложенные зависимости адекватно описывают работу деформации А и коэффициент A/V„ в различных бойках, в широком диапазоне изменения технологических параметров

12 Комплексный подход определения оптимальной конфигурации кузнечных бойков и рациональных технологических режимов ковки для деформирования в условиях заданной схемы течения металла позволяет осуществлять научно-обоснованное управление процессом протяжки

13 Величина коэффициента перехода существенно влияет на интенсивность процесса протяжки и на энергосиловые параметры (А и АЛ',) в первом н втором про-. ходах

14 Разработанные методики, программное обеспечение и предложенные технологии практически применены на ковочном комплексе гидропресс-манипулятор с программным управлением "ХСВ Столова Воля" (РП) Разработан ряд технических решений, обеспечивающих повышение производительности и качества горячеде-формированных заготовок за счет рационализации и совершенствования режимов ковки и технологического инструмента Полезность предложенных и внедренных технологических рекомендаций и технических решений подтверждена актами внедрения Реальный экономический эффект составил 650 тыс долларов США в год.

15 Совокупность научных положений, выводов и обобщений, сформулированных и обоснованных в диссертации, является решением крупной научной проблемы управления качеством металла поковок и повышения эффективности технологических процессов ковки, вносит важный вклад в практику оптимизации режимов обработки и управления процессом ковки

Список публикаций, отражающих основное содержание диссертации

1. Кукурык Б , Коиалевскн М Установление оптимальных условий для переработки стали СВ7Мо и СВ12Ц. Сборник Научных Трудов Ченстоховского Политехнического И нститута, 1974, №8, с 139-146

2. Кукурык Б , Блажеевскн 3. Влияние формы бойков на качество поковок. Сборник Научных Трудов Ченстоховского Политехнического Института, 1974 № 9, с. 66-74.

3. Влияние подачи и обжатия на деформацию при протяжке. Сборник Научных Трудов Ченстоховского Политехнического Института. 1977, № I.e. 86-94.

4. Кукурык Б , Кшекотовскн 3 Влияние формы бойков, подачи и обжатия на энергетические параметры при протяжке. (Материалы Международной научно-техн. конф "Обработка Давлением'79"), Металлургический Комитет Польской Академии Наук, Варшава, 1979, с. 391-398

5 Кукурык Б Эффективность применения кузнечных вырезных бойков (Материалы Польской науч -техн конф "Новые технологии в обработке металлов давлением") Ченстоховский Политехнический Институт, 1980. с. 105-108.

6. Kukuryk В. Tool Shape and Feed Effect on Strain State in Flat -Die Elongattion Process. Proc. Int Conf. "Metall Forming' 82". Krakow, 1982, p 1-8. , 7. Кукурык Б., Васунык П Влияние обжатия на течение металла при протяжке. (Материалы Польской науч. -техн конф. "Современные кузнечные технологии"), Ме-I таллургическнй Завод Столова Воля, 1483. с 1-11.

8. Кукурык Б. Моделирование ковки кручением (Материалы Польской науч -техн. конф "Современные кузнечные технологии"), Металлургический Завод Столом Воля, 1983, с. 15-23.

9. Кукурык Б. Влияние формы бойков, подачн и обжатия на эффективность протяжки. Архив Технологии Машиностроения Польская Академия Наук. Познань. 1984 №4, с 89-101.

10. Кукурык Б. Влияние формы бойков, подачи и обжатия на распределение деформации при протяжке. (Материалы Международной науч -техн конф "Новые технологии обработки металлов давлением"). Польская Академия Наук, Гливице, 1985, с. 1-10

11. Кукурык Б. Влияние формы бойков, подачи и обжатия на интенсивность протяжки. (Материалы Международной науч -техн конф "Новые технологии ОМД") Брно, 1987, с. 11-20.

12 Кукурык Б. Влияние формы бойков, подачи и обжатия на силовые параметры при протяжке. Архив Технологии Машиностроения Польская Академия Наук. Познань. 1987, № 6. с. 317-325.

13. Кукурык Б., Конодыба Б. Модернизация технологических процессов ковки. Архив Технологии Машиностроения. Польская Академия Наук Познань, 1987, № 6. с 326-333.

14. Кукурык Б Влияние формы бойков, подачи и обжатия на распределение деформации при протяжке. Архив Технологии Машиностроения. Польская Академия Наук. Познань, 1988, № 7, с. 151-161.

15. Кукурык Б Влияние коэффициента перехода на деформацию и энергосиловые параметры при протяжке. Архив Технологии Машиностроения. Польская Академия Наук. Познань, 1988, № 7, с 161 -171

16 Кукурык Б. Влияние технологии ковки на распределение деформации при протяжке слитков. Архив Технологии Машиностроения. Польская Академия Наук Познань, 1990, №8, с 269-276.

17 Kukuryk В. The influence of forging conditions on magnitude and distribution of strains in drawing down. Journal of Materials Processing Technology 1992, V.34 p 149-156

18 Кукурык Б. Исследование течения металла в контактной зоне при ковке (Материалы Международной науч-техн, конф "Физихохимия контактного трения"). Польская Академия Наук. Ченстохова, 1994, с. 37-41.

19. Кукурык Б. Исследование термических и энергосиловых параметров в контактной зоне при ковке. (Материалы Международной науч -техн конф "Физикохимия контактного трения"). Польская Академия Наук Ченстохова, 1994 с. 106-109.

20. Kukuryk В Effect of tool shape, bite and draft on strain distribution and force parameters during open die forging . Proc. Int Conf. "Eurometalworking'94" Milano, 1994, p. 021.1-021.8.

21. Kukuryk B. Finite element approach for analysis of forging of big ingots Proc Int Conf "Eurometalworking'94 Milano, 1994, p 029 1- 029 8

22. Kukuryk В. Optimization of open die forging of big ingots. Proc. Int. Conf Tormabiiity'94. Ostrava, 1994, p. 313-320.

23. Kukuryk B. Simulation of metal flow during upsetting and drawing down . Proc. Int. Conf Tormability'94, Ostrava, 1994, p. 595- 602.

24. Кукурык Б. Математическое моделирование технологических процессов ковки с использованием пласто метрических исследований. (Материалы Международной науч. -техн. конф. "Пласт'94"). Катовице, 1994, с. 49-54.

25. Кукурык Б. Симметричные н асимметричные процессы ковки крупных слитков. Чеистомиский Политехнический Институт. Ченстохова. Серия- Монографии, M 33. с. 129.

26. Кукурык Б. Применение пласто метрических исследований при исследованию процессов ковки. (Материалы Польской науч.-техи. конф. "Деформируемость стали и сплавов") Жешов, 1995, с. 1-8.

27. Кукурык Б. Применение технологических характеристик материалов при проектировании процессов ковки. Руды и Цветные Металлы, 1995, № 11, с. 493- 495.

28. Кукурык Б., Конодыба Б. Модернизация технологических процессов ковки. Хутник, 1996, №2, с.66-69.

29. Кукурык Б. Влияние термомеханических параметров на процесс ковки слитков. Руды и Цветные Металлы, 1997, № 11, с. 493-496.

30. Кукурык Б. Модернизация процессов ковки (Материалы Польской науч.-техн. конф. "Новые технологии ОМД"). Устронь, 1998, с.13-20.

31. Кукурык Б. Влияние температуры на процесс ковки слитков (Материалы Польской науч.-техн. ионф, "Новые технологии ОМД"). Устронь, 1998, с.21-29.

32. Девятое В В.. Столбов В.И., Кукурык Б. Анализ напряженно-деформированного состояния » процессах ковки. Хутник, 1998, №7, с. 260-264.

Подписано в печать Объем п.л.

Заказ №¡>3 Цена „"С" Тираж 100

Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет),

Ленинский проспект, 4 Типография МИСиС, Орджоникидзе, 8/9

Московский Государственный Институт Стали и Сплавов Технологический университет

Ченстоховский Политехнический Институт

кандидат

Президиум ВАК России

¡технических наук Кукурык Богуслав

1 '--шениеот"..^" ¿3 19 0т., №

ш ученую степень ДОКТ ...................

правления ВАК России

ТЕОРЕТИЧЕСКЙЁЙЭКСПЕРЙМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОСАДКИ И ПРОТЯЖКИ С ЦЕЛЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК

Специальность 05 Л 6.05 - « Обработка металлов давлением»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор Скороходов А.Н.

МОСКВА-1998

Оглавление

Введение..................................................................................... 4

Принятые обозначения............................................................. 10

1. Современное состояние вопроса ковки слитков на прессах 12

1.1. Характеристика процесса осадки....................................... 13

1.2. Определение напряжений и деформаций при осадке....... 15

1.3. Характеристика протяжки.................................................21

1.4. Влияние параметров на напряжения и деформации

при протяжке....................................................................25

1.5. Аналитические методы решения задачи о напряженно- деформированном состоянии.......................48

1.6. Особенности применения метода конечных элементов

к задачам ковки.................................................................. 52

1.7. Выводы к главе 1................................................................. 55

2. Теоретическое исследование процесса ковки слитков....... 59

2.1. Методика расчёта напряжений, деформаций и распределения температуры при осадке...................... 62

2.2. Система уравнений связанной термомеханической задачи деформации металла при протяжке.................69

2.2.1. Граничные условия................................................79

2.2.2. Температурное поле деформируемого тела в процессе протяжки................................................87

2.2.3. Структура программ математического моделирования неизотермического вязкопластического течения...............................93

2.3. Исследование процесса осадки при помощи

математической модели....................................................98

2.4. Исследование напряжений и деформаций на контактной

поверхности при осадке...................................................118

2.5. Исследование процесса протяжки при помощи

математической модели................................................... 129

2.6. Выводы к главе 2.............................................................168

3. Экспериментальные исследования деформированного состояния в процессах ковки.............. 169

3.1. Экспериментальное исследование

деформированного состояния при осадке....................... 169

3.2. Анализ деформированного состояния при осадке......... 188

3.3. Экспериментальные исследования деформированного

состояния при протяжке................................................ 199

3.3.1. Исследование деформированного состояния при протяжке в плоских, комбинированных и вырезных бойках......................................................201

3.3.2. Исследование деформированного состояния металла при протяжке в несимметрических

бойках.......................................................................236

3.3.3. Исследование деформированного состояния металла при протяжке в бойках с несимметричным приложением внешних усилий....................... 247

3.3.4. Анализ деформированного состояния при протяжке..................................................................... 260

3.4. Выводы к главе 3............................................................. 273

4. Исследование напряженно-деформированного состояния при ковке в бойках специальной конструкции 275

4.1. Выводы к главе 4...............................................................

5. Исследование формоизменения при протяжке...............300

5.1. Выводы к главе 5...............................................................318

6. Исследование энергосиловых параметров при протяжке 319

6.1 Выводы к главе 6...............................................................341

7. Исследование качества металла поковок типа валов

и пластин...............................................................................342

7.1. Влияние осадки и протяжки на закрытие внутренних

дефектов в заготовках.......................................................343

7.2. Влияние формы бойков и способа ковки на повышение

качества поковок.................................................................363

7.3. Разработка и опытно-промышленное опробование технологии ковки поковок типа валов и пластин..........375

7.4. Выводы к главе 7...............................................................402

8. Заключение и основные выводы по работе.......................404

Список литературы.................................................................. 420

Приложение.............................................................................. 436

Введение

Самые тяжелонагруженные и ответственные детали уникальных машин и установок получают с использованием процессов ковки слитков. Известно, что стальной слиток обладает структурной неравномерностью, неравномерностью механических свойств, химического состава, распределением неметаллических включений и целым рядом других дефектов. При этом, чем больше вес слитка, тем ярче выражена его неоднородность. В настоящие время кузнечной промышленности предстоит обрабатывать слитки массой более 600 т, дальнейшее распространение получают новые жаропрочные; тугоплавкие и трудно деформируемые сплавы; требующие обработки давлением. Существующие методы проектирования новой технологии ковки не обладают достаточными возможностями для удовлетворения возрастающих требований к качеству поковок. Это связано с большим количеством факторов, влияющих на процесс ковки и не учитываемых в полной мере в теоретических моделях. Поэтому актуальным является поиск и применение новых источников регулирования качества поковок и необходима разработка методики анализа технологических особенностей кузнечных операций.

Совершенствование режимов деформации,

обеспечивающих получение поковок высокого качества, основано на знании количественных данных о распределении напряжений , деформаций, а также на точных количественных сведениях о ресурсе пластичности , который является сложной функцией термомеханических параметров деформирования, физико-химических свойств деформируемого металла и других факторов. Эти вопросы приобретают особенно большое значение при деформировании

высоколегированных сталей и сплавов; обладающих малым запасом пластичности.

В значительном мере качество металла зависит от геометрии инструмента, обжатия , подачи, температуры и

способа кантовок. Разработка технологических режимов ковки наряду с учетом факторов, влияющих на пластичность, связана с выбором соответственных параметров процесса, обеспечивающих благоприятную схему напряженно-деформированного состояния металла.

Основой оптимизации режимов пластического

формоизменения при заданных температурных условиях деформирования является количественный анализ

напряженно-деформированного состояния металла при ковке в зависимости от геометрических, технологических и энергетических параметров процесса.

Для разработки и внедрения автоматизированных и оптимизированных систем проектирования процессов ковки необходимо располагать достоверной информацией о кинематике течения металла, его напряженно деформированном состоянии в процессе обработки, температурном поле и энергосиловых параметрах. Отсюда вытекает необходимость развития расчетных и экспериментальных методов исследования технологических процессов, которые особенно важны при разработке режимов деформирования дорогостоящих материалов, внедрении новых процессов, создании автоматизированных систем проектирования и управления процессом ковки. Актуальным является использование современных

численных методов механики сплошных сред и создание на их основе математических моделей, процессов в виде комплексов программ для ЭВМ.

Основной целью работы является комплексный подход научно-обоснованного управления процессом ковки, позволяющим назначить конфигурацию кузнечных бойков и принадлежащих им режимов деформирования, обеспечивающих требуемое качество, точность размеров, высокую производительность и минимальные затраты энергосиловых параметров. Определение количественных

и 1 V»

данных о распределении локальной деформации, напряжении и скоростей деформации в фактическом очаге деформации позволит установит истинную геометрическую, механическую и физическую картину очага деформации и допустить возможность приближенного определения качества поковок на какой-либо стадии ковки. В работе подтверждена реальная возможность сделать процесс протяжки управляемым,

позволяющим регулировать течение металла путем заданной схемы напряженно-деформированного состояния металла и обеспечивающим получение заданных механических свойств в определенном направлении. Путем последовательного изменения в процессе протяжки формы и геометрических параметров кузнечных бойков и основных технологических параметров можно управлять очагом деформации и достигать в заданном месте поковки либо максимального уровня проработки металла, либо наибольшей равномерности проработки металла по сечению. Управление заданной неравномерностью деформаций в отдельных зонах поковки, создание соответственных условий для оптимального распределения местных деформаций в объёме поковки имеет непосредственное влияние на прогнозирование структуры металла и качество получаемых поковок.

Для выполнения основных целей работы проведены комплексные теоретические и экспериментальные

исследования для главных процессов ковки: осадки и протяжки. Предложена разработанная на основе метода конечных элементов комплексная, термомеханическая математическая модель процесса ковки, позволяющая рассчитывать напряженно- деформированное состояние, энергосиловые параметры и температуру с учётом реальных реологических свойств, условий трения и температурно-скоростных условий деформации при осадке и протяжке поковок. Предусмотрена возможность производить прогноз вероятного разрушения исходя из теории В.Л. Колмогорова.

Установлено, что достоверное теоретическое решение пластического течения при осадке и протяжке может быть получено путем сведения основных технологических параметров (форма кузнечного инструмента, обжатие и подача) и дополнительных: скорость деформационного упрочнения, температура, реология материала и трение. При построении теоретической модели для процессов ковки учтены разные варианты граничных условий. При определении граничных условий в площади контакта заготовки с инструментом использована зависимость сил трения от скорости скольжения металла относительно бойков. Для задания граничных условий на контакте металла с бойком используется итерационный алгоритм, позволяющий определять протяженность и расположение зон

скольжения и прилипания исходя из заданного закона трения.

Методом математического моделирования исследовано влияние геометрии очага деформации, реологии среды, условий трения и температурного скоростного режима ковки на напряженно-деформированное состояние металла, энергосиловые параметры и температурное поле при осадке и протяжке в диапазоне технологических параметров, значительно превосходящих пределы их изменения, достигнутые в наиболее обширных экспериментальных исследованиях . Математическая модель реализована в виде комплекса программ для ЭВМ позволяет определить параметры оптимального процесса . В качестве критерия оптимизации принят коэффициент распределения равномерной деформации.

Исходной информацией для определения компонентов напряжений и деформаций аналитическим методом были экспериментальные данные. Сочетание теоретических и экспериментальных исследований следует признать наиболее результативным направлением определения оптимальных режимов пластического деформирования при ковке. Новая разработанная методика анализа технологических особенностей кузнечных операций, выходящая за рамки аппарата механики сплошных сред и теории пластичности будет способствовать дальнейшему развитию кузнечной науки.

Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию закономерностей качественного и количественного распределения напряжений и деформацией, энергосиловых параметров в заготовках при осадке и протяжке вырезными, комбинированными и плоскими бойками для получения обоснованных данных, необходимых для уточнения механических параметров осадки и протяжки и повышения качества поковок.

Представлены также результаты комплексных экспериментальных исследований касающихся

деформированного состояния металла при осадке и протяжке, с варьированием в широких пределах параметров очага деформации и формы бойков.

Одна из основных проблем при ковке на прессах-это устранение внутренних дефектов усадочного происхождения

осевой зоны слитков в процессе осадки и протяжки. Проведены экспериментальные исследования влияния формы кузнечных бойков, подачи и обжатия на заварку внутренних дефектов металлургического происхождения. Для осуществления операции протяжки наряду с плоскими использовались комбинированные ( верхний -плоский, нижний -вырезной ) и вырезные бойки ( симметричные и несимметричные). Для разработки оптимальных режимов деформирования в этих бойках необходимо знать закономерности заковки дефектов в зависимости от условий протяжки.

Проведены исследования влияния формы кузнечных бойков, подачи, обжатия и схемы ковки на формоизменение при протяжке. Экспериментальный материал обработан математически и получены эмпирические уравнения для горячего формоизменения при протяжке. Исследованы основные технологические и математические закономерности в процессе отдельных и последовательных обжатий. Определен оптимальный режим интенсивной протяжки на прессах.

Проведены исследования влияния формы кузнечных бойков, подачи, обжатия и других геометрических параметров заготовок на энергосиловые параметры при протяжке отдельными и последовательными обжатиями с кантовкой. Применялись бойки плоские, комбинированные (угол 90°-135°), вырезные ( угол 90°-150°), подачи 0,30-2,50, обжатия 0,05-0*50. Исследования проведены для трёх схем деформирования. Получен ряд практических рекомендаций направленных на повышение производительности и уменьшение энергетических затрат.

Настоящая работа направлена на изыскание возможных путей повышения технологической

эффективности и научного обоснования закономерностей для основных процессов ковки. Сочетание теоретических и экспериментальных исследований позволило дать обоснованные рекомендации по выбору деформационных режимов ковки слитков и разработать наиболее рациональные и эффективные технологические процессы, которые прошли производственную проверку.

Работа дает возможность располагать достоверной информацией о кинематике течения металла (ряд математических зависимостей), его напряженно-

деформированном состоянии в процессе обработки, температурном поле и энергосиловых параметрах.

Полученные результаты дают основы для разработки системы автоматизированного проектирования технологических процессов ковки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексные математические модели основных технологических процессов ковки (осадка, протяжка), позволяющие рассчитывать напряженно-деформированное состояние, энергосиловые параметры и температурное поле металла.

2. Усовершенствованная методика исследования напряженно-деформированного состояния в условиях обобщенной плоской деформации при протяжке с использованием экспериментально-теоретического подхода.

3. Результаты применения математических моделей к исследованию технологических процессов ковки.

4. Результаты экспериментального исследования деформированного состояния при протяжке в плоских, комбинированных, в вырезных различной конфигурации (симметричных и асимметричных) и в специальных бойках.

5. Результаты экспериментального исследования формоизменения и энергосиловых параметров при протяжке в плоских, комбинированных и вырезных бойках.

6. Результаты экспериментального исследования закономерностей закрытия внутренних дефектов слитка при осадке и протяжке.

7. Обобщенные в виде полей распределения, графиков и регрессионных моделей основные положения, выводы и рекомендации, заявленные и внедренные в промышленных условиях технико-технологические решения управления процессами изготовления поковок.

Принятые обозначения

а- варьируемый параметр; А- работа деформации;

ау,ъ bij k, суд - коэффициенты функции формы;

[В] -матрица производных от функции формы;

Bk, Lk - габаритные размеры бойка;

Bw, Hw -ширина и глубина выреза бойка;

Ср-теплоемкоеть;

[D] - матрица упругости;

D0 ,Dk -исходный и конечный диаметры заготовки;

еу - компоненты девиатора скорости деформации;

{F}0 - силы в узлах, обусловленные начальными деформациями;

f - коэффициент трения; F - усилие;

Н0, Н - исходная и конечная высоты заготовки при осадке; h^h - исходная и конечная высоты заготовки при протяжке; [J] - матрица Якоби;