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

     Решение дифференциального уравнения (12) методом Рунге-Кутта с применением результатов предыдущего конечно-элементного моделирования показали, что в начале движения рабочей вставки соотношения v_г/v_в возрастает до некоторого установившегося значения, которое при дальнейшем движении остается почти постоянной. Таким образом, можно утверждать, что результаты конечно-элементного моделирования, полученные для постоянных значений соотношения v_г/v_в, могут быть использованы для исследования процесса деформирования рассматриваемым инструментом. Вместе с тем установлено, что при увеличении угла наклона a после достижения некоторой степени высотной деформации происходит резкое увеличение соотношении v_г/v_в. Это приводит перемещению рабочей вставки без изменения высоты заготовки, что означает прекращение процесса деформирования заготовки.

     Результаты  решения дифференциального уравнения  также показали, что на основные показатели процесса деформирования v_г/v_в и e_h в большей степени влияют угол наклона a и коэффициент трения f между рабочей вставкой и верхним бойком. При различных значениях f перемещения рабочей вставки по наклонной поверхности верхнего бойка, возможно начиная с определенного значения a. Однако при меньших значениях a будут низкие значения соотношений v_г/v_в, при которых процесс деформирования заготовок будет близок к осадке, чем сдвигу заготовки. Увеличение a, а также применение смазки на контактной поверхности между рабочей вставкой и верхним бойком при одинаковых значениях угла наклона приводит к увеличению соотношения v_г/v_в что благоприятно повлияет на развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовки.

     Сравнительный анализ результатов конечно-элементного  моделирования процесса деформирования и математического моделирования работы инструмента показывает, что наиболее лучшие показатели процесса деформирования получаются для инструмента с углом наклона a=30° при применении смазки на контактной поверхности между рабочей вставкой и верхним бойком. При этих условиях деформирование заготовки осуществляется соотношением v_г/v_в=2,2, что лежит в диапазоне 2¸3, рекомендованное по результатам конечно-элементного моделирования процесса деформирования. Такое соотношение v_г/v_в обеспечивает более интенсивные сдвиговые деформации, чем при других значениях. Таким образом, использование приведенного метода математического моделирования работы инструмента совместно с конечно-элементным моделированием процесса деформирования позволил подобрать рациональные параметры и условия работы инструмента, при которых будут обеспечены наилучшие технологические показатели процесса деформирования предлагаемым инструментом.

     Как установлено выше, при ковке заготовок  предлагаемым инструментом наряду с эксцентричностью приложения нагрузки возникает горизонтальная сила Т, что усложняет условия нагружения узлов кузнечного оборудования. Исходя из этого, проведен расчет колонн ковочного пресса, с учетом горизонтальной силы Т. Результаты расчета колонн пресса П-154 с номинальным усилием 12,5 МН показали, что при деформировании заготовок предлагаемым инструментом даже в наиболее неблагоприятных случаях нагружения будет исключен выход из строя колонн.

     В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены методика и результаты экспериментальных исследовании в лабораторных условиях процесса деформирования и работы инструмента, реализующего интенсивные сдвиговые деформации.

      Экспериментальные исследования в лабораторных условиях проводились с использованием образцов из свинцово-сурьмянистого сплава, при соблюдении положении теории подобия и моделирования. Образцы деформировались лабораторной моделью предлагаемого инструмента на гидравлическом прессе ПСУ-125. Результаты экспериментальных исследований, полученных в лабораторных условиях, использовали для количественной и качественной проверки результатов математического моделирования на ЭВМ процесса  деформирования и работы инструмента.

      В ходе экспериментов установлено, что  экспериментальные значения соотношения v_г/v_в горизонтального и вертикального составляющих скорости рабочей вставки незначительно (4-8%) отличается от средних значений соотношения v_г/v_в, полученных в результате математического моделирования на ЭВМ.

      Одним из подтверждений адекватности математических моделей является качественное совпадение формоизменения заготовки и конфигурации поля распределения деформации по сечению, полученные путем теоретических и экспериментальных исследований. Качественное сравнение формоизменения заготовок, полученных при лабораторном эксперименте и конечно-элементном моделировании, показывает их схожесть. Обработка экспериментальной информации, полученной по методу координатных сеток, позволил количественно оценить распределение степени интенсивности деформации сдвига Г по поперечному сечению образца. Установлено, что при лабораторном эксперименте также как и при конечно-элементном моделировании максимальные значения степени интенсивности деформации сдвига Г наблюдаются вблизи короткой диагонали параллелограмма, форму которого в ходе деформирования приняло сечение образца. Экспериментальные значения степени деформации сдвига незначительно отличаются (6-8%) от значений, полученных при конечно-элементном моделировании. Например, при деформировании образцов до e_h=0,25 на инструменте с углом наклона a=30°, для которой соотношения v_г/v_в»2, максимальное экспериментальное значение степени интенсивности деформации сдвига составило G_max=1,767, что близко к значению G_max=1,783, полученной при конечно-элементном моделировании процесса деформирования с такой же высотной деформацией и соотношением v_г/v_в.

     Результаты  конечно-элементного моделирования, приведенные во второй главе, показали, что усилие деформирования при реализации интенсивных сдвиговых деформаций значительно ниже, чем при осадке. Для подтверждения этих результатов производили экспериментальное исследование энергосиловых параметров при деформировании заготовок предлагаемым инструментом и осадке плоскими бойками. Результаты, полученные в ходе эксперимента, показали, что при деформировании предлагаемым инструментом происходит значительное снижение Р, чем при осадке в плоских бойках. Например, для данного случая при высотной деформации равной e_h=0,25 усилие деформирования при сдвиге заготовки предлагаемым инструментом почти в 2 раза ниже, чем при осадке в плоских бойках. Такие же результаты были получены при конечно-элементном моделировании процесса деформирования. Таким образом, качественное совпадение полученных закономерностей и близкие количественные результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что конечно-элементная и математическая модели адекватно описывают процесс деформирования заготовок предлагаемым инструментом.

     Вместе  с тем при деформировании предлагаемым инструментом для одинакового обжатия заготовки требуется больше хода траверсы пресса, чем при осадке плоскими бойками. Например, при высотной деформации равной e_h=0,25 ход траверсы пресса составил: для плоских бойков – 8 мм, для инструментов с углами наклона 25º и 30º соответственно 15 мм и 17 мм. Это приводит к тому, что при деформировании предлагаемым инструментом, несмотря на снижение усилий деформирования, при одинаковых обжатиях заготовки энергосиловые параметры пресса изменяются незначительно по сравнению с осадкой в плоских бойках. Однако при одинаковых обжатиях деформирование предлагаемым инструментом приводит к более интенсивной проработке металла, чем осадка плоскими бойками. Например, работа пресса, соотнесенная к средней степени интенсивности деформации сдвига, составила: для плоских бойков – 1,75 кДж, для инструментов с углами наклона 25º и 30º соответственно 0,96кДж и 0,85 кДж.

      Для исследования закрытия внутренних дефектов слитка инструментом, реализующего интенсивные сдвиговые деформации заготовок, производили деформирование образцов, в которых внутренние дефекты слитков моделировали сквозными цилиндрическими отверстиями, рассредоточенные по поперечному сечению образца. Качественный анализ закрытия искусственных дефектов в модельных образцах показывает, что при деформировании предлагаемым инструментом полное закрытие отверстий в осевой зоне и вдоль короткой диагонали параллелограмма, форму которого принимала сечение образцов, происходит при высотной деформации равной e_h=0,25 . Кантовка образца на 90° и последующее деформирование его инструментом привели к полному закрытию остальных отверстий. Для сравнения модельные образцы подвергли осадке плоскими бойками, где полное закрытие аналогичных отверстий происходило при высотной деформации e_h=0,45. Известно, что осевые зоны характеризуются пониженной прочностью вследствие объективных закономерностей кристаллизационных процессов. Отсюда следует вывод о том, что если ставится задача повышения качества поковок за счет активной проработки осевой зоны, то реализация интенсивных сдвиговых деформации предлагаемым инструментом будет достаточно эффективным способом устранения осевой усадочной рыхлости в заготовках.

      В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты опытно-промышленного испытания предлагаемого инструмента, в условиях кузнечно-прессового цеха АО «Миттал Стил Темиртау».

      Для проведения опытно-промышленного опробования предлагаемого способа деформирования и нового инструмента из стали 40Х изготовили шесть заготовок размерами 200х200х300 мм При ковке предлагаемым способом три заготовки были продеформированы с перемещением рабочей вставки в горизонтальном направлении соответственно на 80 мм, 100 мм и 120 мм. Затем выпрямляли заготовки, повернув их на 180°, и сдвигая в обратном направлении. При этом высотная деформация заготовок e_h составили 30%, 35% и 37,5%, а уков составили соответственно 1,4; 1,5 и 1,6. Для получения сравнительных результатов оставшиеся заготовки деформировали по действующей технологии в плоских бойках с такими же высотными деформациями и уковами. Деформирование заготовок осуществляли на гидравлическом прессе П-154 с усилием 12,5 МН.

      Результаты  опытно-промышленного испытания  показали, что при ковке заготовок  предлагаемым инструментом улучшается все механические свойства металла  поковок, чем при ковке плоскими бойками. Для полноценной и комплексной оценки качества поковок, используя методы квалиметрии, вычислили значения дифференциальных k_i и комплексных К₀ критериев качества поковок. Сравнение комплексных показателей качества показывает, что ковка заготовок предлагаемым инструментом обеспечивает лучшее качество поковок по сравнению с ковкой плоскими бойками. Например, для поковок из стали 40Х, откованных плоскими бойками, комплексный показатель составляет 0,663…0,717, а для поковок, изготовленных предлагаемым инструментом, составляет 0,728…0,817.

      Металлографические  исследования металла поковок из стали 40Х, показали, что при ковке в новым инструментом у образцов получаются более плотная макроструктура с мелкими следами дендритной ликвации и без внутренних несплошностей. Микроструктура зерен во всех направлениях соответствует 8 баллам, что на 1...2 балла выше, чем у поковок, откованных плоскими бойками, а также имеют заметную равноосность как в поверхностной, так и осевой зоне. Таким образом, результаты опытно-промышленных испытаний доказывают, что качество металла поковок, изготовленных новым инструментом заметно выше, чем качество поковок, полученных с применением плоских бойков. 

     Заключение

     1. Обоснован способ деформирования, при котором интенсивные сдвиговые деформации в объеме металла заготовок могут быть реализованы инструментами с плоскими рабочими поверхностями, и в результате конечно-элементного моделирования процесса деформирования выявлены закономерности развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовок и изменения энергосиловых параметров в зависимости от технологических показателей процесса деформирования, которыми являются соотношение и_г/и_в горизонтальных и вертикальных составляющих перемещения верхней рабочей поверхности инструмента и коэффициент трения m между заготовкой и инструментом.

     2. Установлено, что наилучшие показатели  напряженно-деформированного состояния заготовки и энергосиловых параметров процесса получаются при соотношениях u_г/u_в=2¸3 и деформировании заготовки инструментом с грубо обработанной рабочей поверхностью без применения смазки. При этом в результате развития сдвиговых деформаций в объеме металла происходит интенсивная проработка осевой зоны заготовок со снижением усилия деформирования почти в 2 раза по сравнению с осадкой.

     3. Разработан инструмент с плоскими рабочими поверхностями, реализующий интенсивные сдвиговые деформации в объеме металла заготовок, отличающееся от существующих простотой конструкции, отсутствием сложных узлов, что улучшает его монтаж, наладку и эксплуатацию. В результате математического моделирования работы инструмента выявлено влияние параметров инструмента на технологические показатели процесса деформирования и установлено, что наиболее лучшие показатели процесса деформирования получаются для инструмента с углом наклона a=30° при применении смазки на контактной поверхности между рабочей вставкой и верхним бойком, т.е. при f=0,05.

     4. Экспериментально установлена адекватность математического моделирования процесса деформирования и работы инструменты, что выражается в качественном совпадении полученных закономерностей и близости количественных результатов теоретических и экспериментальных исследований. Доказано преимущество способа деформирования заготовок предлагаемым инструментом по сравнению с осадкой на плоских бойках, которое достигается за счет интенсивного развития сдвиговых деформации и снижения энергосиловых параметров.