Разработка и исследование ресурсосберегающего способа ковки заготовок, обеспечивающего повышение

--PAGE_BREAK--
 – относительное ускорение рабочей вставки в виде второй произ­водной от координаты х по времени t.

Вышеприведенные результаты конечно-элементного моделирования процесса деформиро­вания заготовки при поперечном сдвиге показывают, что значения сил Р и Т зависят от соотношения vг/vв горизонтального и верти­кального составляющих абсолютной скорости рабочей вставки и высотной дефор­мации заготовки e
h. Вертикальные vв и горизонтальные vг состав­ляющие абсолютной ско­рос­ти рабочей вставки можно выразить через скорость верхнего бойка vБ и относительную скорость рабочей вставки vОтн., которая является первым произ­водным  от координаты х по времени t:
,      .                                                      (8)
При равномерном движении верхнего бойка высотную деформацию заготовки e
hможно выразить через ход верхнего бойка и координату х рабочей вставки в следующем виде:
                                                                              (9)
где h0– начальная высота заготовки.

Таким образом выражения (8) и (9) показывают, что силы Р и Т выражаются в виде функции от времени t, координаты х, первого произ­водного :
,     .                                                         (10)
Формулы (4) и (5), по­казывают, что сила натяжения пружины Fп. и угол jявляются функциями от относительного перемещения рабочей вставки ир.в.отн., т. е. от координаты х:
,     .                                                               (11)
Таким образом, функции (10) и (11), подставляемые в уравнение (7), показывают, что относительное движение рабочей вставки описывается нелиней­­ным дифференциальным уравнением второго порядка:


 ,                                            (12)
где g – ускорение свободного падения.

Решение дифференциального уравнения (12) методом Рунге-Кутта с применением результатов предыдущего конечно-элементного моделиро­вания  показали, что в начале движения рабочей вставки соотношения vг/vв 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 vг/vв, 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 vг/vв. 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 vг/vв и e
hв большей степени влияют угол наклона aи 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 aбудут низкие значения соотношений vг/vв, 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 vг/vв 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 vг/vв=2,2, что лежит в диапазоне 2¸3, реко­мен­дован­ное по результатам конечно-элементного моделирования процесса дефор­мирования. Такое соотношение vг/vв 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 vг/vвгоризонтального и вертикального сос­тавляющих скорости рабо­чей вставки незначительно (4-8%) отличается от средних значений соотношения vг/vв, 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 eh=0,25 на инструменте с углом наклона a=30°, для которой соотношенияvг/vв»2,максимальное экспери­ментальное значение степени интенсивности деформации сдвига составило Gmax=1,767, что близко к значению Gmax=1,783, получен­ной при конечно-элементном моделиро­вании процесса дефор­мирования с такой же высотной деформацией и соотношением vг/vв.

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 eh=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 eh=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 eh=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 eh=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
hсоставили 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 kiи ком­плексных К0критериев 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 иг/ив горизонтальных и вертикальных сос­тав­ляю­щих пере­мещения верхней рабочей поверхности инструмента и коэффициент трения mмежду заготовкой и инструментом.

2. Установлено, что наилучшие показатели напряженно-дефор­миро­ван­ного состояния заготовки и энерго­силовых пара­метров процесса полу­чаются при соотно­шениях uг/uв=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.

5. Установлено, что реализация интенсивных сдвиговых деформации предлагаемым способом деформирования и инструментом для его реализации является достаточно эффективным способом устранения осевой усадочной рыхлости в заготовках и позволяет повысить качество заготовок за счет активной проработки осевой зоны.

6. По результатам опытно-промышленного опробования установлено, что при деформировании новым способом и инструментом, реализующих интенсивные сдвиговые деформации,  обеспечивается повышение механи­ческих свойств металла на   15-20% чем при ковке действующим способом. При ковке новым способом макроструктура металла более плотная, с мелкими дендритами, а микро­структура по всему сечению на 1...2 балла выше и имеет более равномерно распределенные равноосные зерна по всем направлениям и зонам чем у металла поковок, откованных действующим способом.
Список публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А., Геометрические основы дефор­мации при реализации попереч­ного сдвига // Сб. трудов межд. конф. «Научно-технический прогресс в металлургии».–Темиртау, 2001.– С.183-188.

2. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А., Определение поля скоростей при реализации сдвиговых де­фор­­­маций клиновидными бой­ками // Сб. трудов межд. конф. «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030».–Караганды, 2002.–С.146‑148.

3. Найзабеков А. Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Определение пара­метров кузнеч­ного инструмента, реализующего ковку сдвигом. // Техно­логия произ­водства металлов и вторичных материалов. – Темиртау, 2002.–№2.–С.61-66.

4. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Анализ распределения контакт­ных напряжений при поперечном сдвиге заготовок // Технология произ­водства металлов и вторичных материалов.–Темиртау, 2003.–№1.–С.90-92.

5. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Использование начало виртуаль­ных скоростей при исследовании ковки сдвигом // Сб. трудов межд. конф. «Научно-технический прогресс в металлургии».–Темиртау, 2003.–С.329-333

6. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Математическое моде­ли­ро­вание про­цесса поперечного сдвига при различных контактных условиях // Технология производства металлов и вторичных материалов.–Темиртау, 2003.–№2.–С.59-63.

7. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Деформирование заготовок плос­кими бойками с наложением до­пол­нительных сдвиговых дефор­маций // Изв. вузов. Черная металлургия.–2004.–№6.–С.24-26.

8. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Исследо­вание работы кузнеч­ного инструмента, реализующего попе­реч­ный сдвиг заготовки // Технология производства металлов и вторичных материалов.–Темиртау, 2004.–№1.– С.45-49

9. Найзабеков А.Б., Ногаев К.А. Исследование работы кузнечного инструмента, реализующего поперечный сдвиг заготовки. // Труды университета.–Караганды, 2005.–№1.–С.43-45.

10. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А., Абаева С.С. Дефор­мированное состояние при ковке заготовок поперечным сдвигом // Изв. вузов. Черная металлургия.–2005.–№8.–С.67.

11. Найзабеков А.Б., Кулжабаева А.А., Ногаев К.А. Моделирование на ЭВМ методом конечных элементов процесса дефор­мирования заготовок в замковых бойках // Технология производства металлов и вторичных материалов.– Темиртау, 2004.–№1.–С.59-63.

12. Предпат. 14306. РК. Кузнечный инструмент. / А.Б. Найзабеков, Ж.А. Ашкеев, К.А. Ногаев и др.; опубл.05.05.2004. Бюл. №5. 3с: ил.

13. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Ногаев К.А., Голумбовская С.Ю. Роль конструктивных параметров кузнечных инструментов при реализации поперечного сдвига заготовок.// Труды университета.– Караганды, 2005.–№4.–С.37-39.

    продолжение
--PAGE_BREAK--