Разработка и исследование ресурсосберегающего способа ковки заготовок, обеспечивающего повышение качества поковок

УДК 621.771.02                                                          На правах рукописи

 
 

       
 
 
 

НОГАЕВ  КАЙРОШ АБИЛОВИЧ 

Разработка  и исследование ресурсосберегающего способа ковки заготовок, обеспечивающего повышение качества поковок 
 

05.03.05 –  Технологии и машины обработки давлением 
 
 
 

Автореферат 

диссертации на соискание ученой степени  
кандидата технических наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Республика  Казахстан

Алматы, 2006

 

Работа  выполнена в АО «Карагандинский  металлургический институт» 
 

Научный руководитель: 

доктор технических наук, профессор Найзабеков А. Б. 
 

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Белков Е. Г.

кандидат  технических наук, доцент Бейсенов Б. С. 
 
 
 
 

Ведущая организация: Карагандинский государственный технический университет 
 

Защита состоится  _24.03.2006_ 14⁰⁰ на заседании диссертационного совета К14.17.02 при Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, конференц зал НК. 
 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева. Справки по телефону 92-68-35 доб. 128, факс 8-3272-92-60-25 
 
 

Автореферат разослан ________ 
 

 

                                       
 

 

      Введение

 

      Актуальность  темы. В настоящее время существуют различные способы ковки металлов и сплавов, где интенсивные сдвиговые деформации реализуются за счет усложнения конфигурации и конструкции кузнечных инструментов, вследствие чего снижаются их надежность и универсальность, увеличиваются затраты на их изготовление, сужаются номенклатура и типоразмер обрабатываемых заготовок. При исследовании этих способов в основном используются эмпирический подход и упрощенные аналитические методы, которые достаточно ограничены из-за принятых гипотез и допущений. В связи с этим, разработка новых способов деформирования с применением надежных кузнечных инструментов простой конфигурации и несложной конструкции, обеспечивающих повышение качества поковок и заготовок путем интенсификации сдвиговых деформации в объеме слитков и заготовок, а также создание надежных методов достаточно точного количественного определения параметров технологических процессов с учетом влияния большого числа факторов на основе математического моделирования и оптимизации являются актуальными.

     Цель  работы. Разработка и исследование ресурсосберегающего способа ковки заготовок, обеспечивающего повышения качества поковок.

     Задачи  исследования:

     - теоретическое и экспериментальное обоснование создания ресурсосберегающего способа деформирования и инструмента для его реализации;

     - совершенствование методики исследования способов деформирования на основе численных методов математического моделирования;

     - определение напряженно-деформированного состояния заготовок при деформировании новым инструментом;

     - проведение опытно-промышленного  опробования разработанного способа и инструмента в производственных условиях

     - осуществление оценки качества поковок, полученных новым способом.

     На  защиту выносятся:

     - результаты исследования напряженно-деформированного состояния в объеме металла, формоизменения заготовки, энергосиловых параметров процесса при деформировании заготовок инструментом, реализующим интенсивные сдвиговые деформации;

     - результаты исследования влияния  технологических и геометрических параметров предложенного способа деформирования и инструмента на качество металла заготовок.

     Научная новизна работы:

     На  основании численных методов математического моделирования выявлены закономерности развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовок и изменения энергосиловых параметров в зависимости от технологических показателей процесса деформирования. Установлены рациональные конструктивные параметры и условия работы деформирующего инструмента, при которых будут обеспечены оптимальные характеристики очага деформаций и энергосиловых параметров процесса деформирования.

     Практическая  ценность работы:

     - на основе проведенных исследований разработан новый кузнечный инструмент (предпатент РК №14306), обеспечивающий высокие качество поковок при минимальном обжатии заготовки;

     - разработанный технологический  процесс прошел опытно-промышленное опробование в кузнечно-прессовом цехе АО «Миттал Стил Темиртау» и получил положительную оценку (Приложение Д).

     Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на:

     - ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов Карагандинского металлургического института (г. Темиртау, 2000 - 2005 гг.);

     - международной научной конференции "Наука и образование - ведущий фактор стратегии "Казахстан-2030" (г. Караганда, 2001, 2002 г.г.);

     - международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии» (г. Темиртау, 2001, 2003 г.г.).

     Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 9 статьей в научно-технических журналах, 3 доклада в международных научных конференциях и один предпатент Республики Казахстан.

     Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 121 страницах машинописного текста, включая 54 рисунков и 9 таблиц. Состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников в количестве 91 наименования, приложения.

     Содержание работы

      Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность.

      В ПЕPВОЙ ГЛАВЕ выявлена роль сдвиговых деформации при обработке металлов давлением (ОМД) и проведен анализ существующих способов деформирования, реализующие интенсивные сдвиговые деформации, направленные на повышение качества заготовок, особенно литых.

      Анализ  существующих способов ковки, реализующих  интенсивные сдвиговые деформации, выявил необходимость разработки новых способов деформирования с применением надежных кузнечных инструментов простой конфигурации и несложной конструкции, обеспечивающих повышение качества поковок и заготовок путем интенсификации сдвиговых деформации в объеме слитков и заготовок.

      Для решения проблемы рационализации технологических процессов ковки и создания единой теоретической основы расчета в основном применяются упрощенные аналитические методы и различные полуэмпирические подходы, построенные на обобщении лабораторных и производственных опытов. Практические возможности таких методов достаточно ограничены из-за принятых гипотез и допущений. В то же время решение ряда практических вопросов технологии ОМД требует более полной и достоверной информации о напряженно-деформированном состоянии металла по сравнению с той, что дают полуэмпирические и существующие аналитические модели. Переход к задачам обработки металлов давлением с учетом реальных механических свойств металла возможен только на основе использования современных численных методов анализа, в частности метода конечных элементов (МКЭ).

      Во  ВТОРОЙ ГЛАВЕ теоретически обоснован способ деформирования, реализующий интенсивные сдвиговые деформации в объеме металла заготовки, и разработан кузнечный инструмент для его осуществления.

     Реализация  интенсивных сдвиговых деформаций в объеме металла заготовок инструментами с плоскими рабочими поверхностями расширяют их технологические возможности. При деформировании такими инструментами развитие интенсивных сдвиговых деформаций в объеме металла заготовок можно реализовать перераспределением сил трения вдоль контактных поверхностей между заготовкой и инструментом за счет изменения движения рабочей поверхности. Например, горизонтальное перемещение верхней рабочей поверхности при осадке плоскими бойками (рисунок 1) приводит к возникновению дополнительных напряжений сдвига на контактной поверхности и смещению линии раздела пластического течения металла по контактной поверхности от её середины, что обуславливает развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовки.  

Рисунок 1 – Схема деформирования плоскими бойками с наложением дополнительных однопоточных деформаций сдвига 

     Соотношение и_г/и_в горизонтальных и_г и вертикальных и_в составляющих перемещения верхней рабочей поверхности инструмента определяет характер процесса деформирования заготовки. Например, при и_г/и_в=0 происходит только обжатие заготовки. Сдвиг заготовки возможен только при и_г/и_в¹0. При определенных значениях соотношения и_г/и_в и контактных условий можно обеспечить наилучшие показатели напряженно-деформированного состояния в объеме заготовки и энергосиловых параметров процесса. Для определения рациональных значений соотношений и_г/и_в и оптимальных контактных условий необходимо подробное исследование напряженно-деформированного состояния в объеме заготовки и энергосиловых параметров процесса деформирования с учетом реальных механических свойств металла, которое возможно только на основе использования современных численных методов анализа, в частности метода конечных элементов (МКЭ).

     Конечно-элементное моделирование процесса деформирования проводилось с помощью программы ANSYS, предназначенной для проведения анализа в широком круге инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм). В ходе конечно-элементного моделирования процесса деформирования заготовки из стали 40Х получены результаты в виде полей распределения напряжений и деформаций по сечению заготовки, эпюр распределения контактных напряжений (рисунок 2), а также в виде листингов, где приведены числовые значения указанных величин во всех узлах.  

а)

б)

в)

г)  

а и б –  Распределение гидростатического  давления s₀  и степени деформации сдвига Г по поперечному сечению заготовки;

в и г –  Распределение давления и напряжения трения на контактной поверхности; 

Рисунок 2 – Графическое представление  результатов конечно-элементного  моделирования при u_г/u_в=3 

      В результате конечно-элементного моделирования установлено, что при малых значениях коэффициента трения, когда не обеспечивается достаточного сцепления между заготовкой и рабочей поверхностью инструмента, увеличение соотношения u_г/u_в не приводит к сдвигу заготовки. В связи с этим деформирование заготовки по указанной схеме необходимо осуществлять инструментом с грубо обработанной рабочей поверхностью без применения смазки. Сравнительный анализ распределения гидростатического давления по сечению заготовки показывает, что при всех значениях соотношения u_г/u_в по поперечному сечению в основном преобладают сжимающие напряжения. Схема всестороннего сжатия, обеспечиваемая в большей части поперечного сечения, особенно в осевых зонах, гарантирует отсутствие макро- и микротрещин в кованом металле и благоприятствует максимальной степени пластичности деформируемой заготовки. Наряду с этим можно заметить, что зоны, прилегающие к свободным поверхностям заготовки, находятся под воздействием растягивающих напряжений. При увеличении соотношения u_г/u_в площадь зон, находящиеся под воздействием растягивающих напряжений, и значения самих напряжений увеличиваются. Это может привести к вскрытию металла и появлению трещин в указанных зонах. Поэтому для обеспечения целостности металла необходимо ограничить соотношения u_г/u_в. Анализ распределения степени деформации сдвига Г по поперечному сечению заготовки показывает, что при всех значениях соотношения u_г/u_в интенсивные сдвиговые деформации локализованы вдоль короткой диагонали поперечного сечения. С увеличением соотношения u_г/u_в возрастают максимальные степени деформации сдвига. Максимальные значения степени деформации сдвига для всех значений соотношения u_г/u_в расположены в осевой зоне заготовки, что обуславливает их интенсивную проработку. Таким образом, увеличение соотношения u_г/u_в обуславливает развитие интенсивной сдвиговой деформации в объеме металла заготовки. Вблизи свободных поверхностей и некоторых участках контактной поверхности имеются зоны затрудненной деформации, где значения Г минимальны. Путем кантовки заготовки в последующих этапах деформирования зоны интенсивных сдвиговых деформации можно распространить во все участки заготовки.