СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Мельников Юрій Вадимович

УДК 621.73.01:621.73.046

РОЗРОБКА ІНТЕНСИФІКОВАНИХ ПРОЦЕСІВ

ЧОТИРИБІЧНОГО РАДІАЛЬНОГО КУВАННЯ

НА ГІДРАВЛІЧНОМУ КУВАЛЬНОМУ ПРЕСІ

Спеціальність 05.03.05 - “Процеси та машини обробки тиском”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства науки й освіти України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Дубіна Валентин Іларіонович,

Запорізький національний технічний університет,

професор кафедри “Обробка металів тиском”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сатонін Олександр Володимирович,

Донбаська державна машинобудівна академія,

професор кафедри “Автоматизовані металургійні машини та обладнання”

кандидат технічних наук, доцент

Гладушин Віталій Васильович

Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля,

доцент кафедри “Прикладне матеріалознавство”

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків, кафедра “Обробка металів тиском”

Захист відбудеться 22 березня 2007 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-А.

Автореферат розісланий 20 лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02,

доктор технічних наук, професор |

Гутько Ю. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розвиток сучасної техніки характеризується безупинним зростанням вимог до якості матеріалів. Одним з найбільш ефективних і широко застосовуваних методів підвищення фізико-механічних характеристик металу є пластична деформація зливків і заготованок куванням.

Актуальність роботи. Найбільш трудомісткою й енергоємною операцією кування, на яку витрачається до 80% машинного часу, є протягування. Протягування виконується як на універсальних ковальсько-пресових машинах – кувальних пресах і молотах, так і на радіально-обтискних машинах (РОМ), що здійснюють багатобічне радіальне кування. При цьому кування двома бойками на пресах характеризуються досить низькими техніко-економічними показниками, а радіальне кування, забезпечуючи високі техніко-економічні показники, не дозволяє належним чином проробити осьову зону кованки.

Високий рівень конкуренції в умовах ринкової економіки, як на зовнішньому, так і на внутрішньому ринку, з кожним днем диктує нові, більш високі вимоги до сучасних процесів кування, а саме:

- збільшення продуктивності кування, переважно інтенсивними методами, тобто не за рахунок збільшення парку і швидкодії ковальсько-пресових машин, а за рахунок застосування більш раціональних режимів і способів кування;

- підвищення деформаційного ефекту кування, спрямоване на поліпшення службових характеристик, збільшення надійності та довговічності деталей машин, або на зменшення їхньої матеріалоємності за умови забезпечення гарантованого запасу міцності;

- зниження втрат коштовного металу на всіх стадіях технологічного процесу;

- розширення марочного сортаменту кованок, причому нерідко за рахунок високолегованих важкодеформуємих сталей і сплавів;

- зниження витрат енергії на кування, що особливо важливо, зважаючи на стійке зростання світових цін на енергоносії та узгоджується з останніми тенденціями в промисловій політиці України до зниження енергоємності виробництва в металургії та машинобудуванні.

Виконання цих вимог стає можливим при переході від кування двома бойками до радіального кування на гідравлічних кувальних пресах за допомогою чотирибойкових кувальних пристроїв, яке потенційно здатне увібрати в себе основні переваги та позбутися недоліків притаманних традиційним процесам кування на пресах і РОМ. У цьому зв'язку розробка процесів чотирибічного радіального кування на гідравлічних кувальних пресах є особливо актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною комплексу досліджень з регулювання пластичної течії металу при куванні, що проводяться на кафедрі “Обробка металів тиском” Запорізького національного технічного університету й у лабораторії радіального кування інституту “УкрНДІспецсталь”. Робота виконана в рамках внутрішньовузівської науково-дослідної роботи (0194U009674) і договірних науково-дослідних робіт з ВАТ “Дніпроспецсталь” і ВАТ “Чепецький механічний завод”, в яких автор брав участь у якості виконавця.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення якості металу кованок та забезпечення економії матеріальних ресурсів за рахунок переходу від кування двома бойками до чотирибічного радіального кування на гідравлічному кувальному пресі.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені й вирішені наступні задачі:

- проаналізувати сучасні способи кування та виявити основні джерела інтенсифікації кування, ресурсозбереження та підвищення якості металу кованок;

- визначити конфігурацію осередку деформації і напружений стан металу при куванні в чотирибойковому кувальному пристрої;

- дати експериментальну оцінку деформаційного ефекту кування в чотирибойковому кувальному пристрої та встановити закон розподілу інтенсивності кінцевих деформацій в кованці;

- розробити методику розрахунку зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої, а також рекомендації з призначення величини обтискань і подач;

- оцінити якість металу кованок, отриманих куванням у чотирибойковому кувальному пристрої;

- намітити шляхи подальшого розвитку процесів чотирибічного радіального кування на гідравлічних кувальних пресах.

Об'єкт дослідження – процес чотирибічного радіального кування на гідравлічному кувальному пресі.

Предмет дослідження – осередок деформації, напружений і деформований стан металу, зусилля і параметри кування, якість кованок, нові фізичні моделі обтискання і кувальні пристрої, призначені для реалізації чотирибічного радіального кування на гідравлічних кувальних пресах.

Методи дослідження. У ході виконання роботи були використані наступні методи дослідження: метод ліній ковзання – для визначення конфігурації осередку деформацій і напруженого стану металу; метод координатних решіток – для визначення інтенсивності кінцевих деформацій у кованці; метод верхньої оцінки – для визначення зусилля кування на бойку; метод кількісного металографічного аналізу – для визначення величини і характеру розподілу карбідів при дослідженні якості металу кованок.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- уперше із застосуванням методу ліній ковзання визначена конфігурація осередку деформації при обтисканні заготованки в чотирибойковому кувальному пристрої і встановлено, що деформації проникають в осьову зону заготованки;

- на підставі розрахунку напружень у вузлових точках полів ліній ковзання встановлено, що напружений стан металу при обтисканні в чотирибойковому кувальному пристрої відповідає об'ємному стисканню;

- на підставі дослідження деформованого стану металу кованки, отриманої куванням у чотирибойковому кувальному пристрої, методом координатних решіток встановлено, що зі збільшенням коефіцієнта уковування (від 1,56 до 2,49) спостерігається зростання інтенсивності кінцевих деформацій, як у центральній зоні кованки (від 0,355 до 1,179), так і на її периферії (від 0,419 до 0,776), причому найбільш інтенсивне зростання спостерігається в центральній і близьких до неї зонах кованки;

- розроблена математична модель деформованого стану кованки, отриманої куванням у чотирибойковому кувальному пристрої, що дозволяє визначити інтенсивність кінцевих деформації в розглянутій точці в залежності від її віддалення від центра перетину кованки і досягнутого коефіцієнта уковування.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- запропонована методика розрахунку зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої;

- розроблені рекомендації з призначення величини обтискань і подач з використанням результатів дослідження осередку деформацій і напруженого стану металу методом ліній ковзання;

- розроблені рекомендації з інтенсифікації процесу кування в чотирибойковому кувальному пристрої;

- розроблені моделі нових чотирибойкових кувальних пристроїв, призначених для реалізації процесів чотирибічного радіального кування з додатковими макрозсувами на універсальних гідравлічних кувальних пресах (Патент України № 55249А, № 64299А).

Застосування результатів досліджень на практиці дозволило досягнути підвищення продуктивності кування і зменшення питомих витрат енергії в 1,5-2 рази, збільшення виходу придатного металу на 2-7 %, а також поліпшення механічних властивостей кованок по показниках міцності – на 10-15%, по показниках пластичності й ударної в'язкості – на 10-50% у порівнянні з традиційним куванням у вирізних і плоских бойках.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто виконані побудова й аналіз полів ліній ковзання при обтисканні заготованки в чотирибойковому кувальному пристрої [2]; розроблена методика експерименту і проведений аналіз результатів експерименту з визначення деформаційного ефекту кування методом координатних решіток [3], а також розроблена математична модель деформованого стану металу [4]; розроблена методика визначення зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої, а також рекомендації з призначення величини обтискань, подач і інтенсифікації кування; розроблена технологія кування в кувальному пристрої при порівняльному дослідженні якості металу кованок [1, 5]; проведена техніко-економічна оцінка кування в чотирибойковому кувальному пристрої [6]; запропонована додаткова система макрозсувів [7] і визначена орієнтація бойків [8] при розробці нових фізичних моделей чотирибічного радіального обтискання, а також моделей нових чотирибойкових кувальних пристроїв. При проведенні лабораторних і промислових досліджень автору допомагали співробітники лабораторій радіального кування, обробки металів тиском, порошкової металургії, фізичного металознавства, групи контролю якості і механічних майстерень інституту “УкрНДІспецсталь”, а також працівники ковальського цеху ВАТ “Дніпроспецсталь”. Методологія, трактування й узагальнення результатів досліджень виконані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на наукових конференціях професорсько-викладацького складу кафедри “Обробка металів тиском” Запорізького національного технічного університету (м. Запоріжжя, 2000-2006 р.), на науково-технічному семінарі кафедри “Обладнання для обробки металів тиском” Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля (Луганськ, 2005 р.) та кафедри “Обробка металів тиском” Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” (м. Харків, 2006 р.), на науково-технічних семінарах лабораторії радіального кування і науково-технічній раді інституту “УкрНДІспецсталь” (м. Запоріжжя, 2000-2006 р.), на науково-технічній раді заводу ВАТ “Дніпроспецсталь” (м. Запоріжжя, 2002 р.), на міжнародному науково-технічному семінарі “Новое в разработке, производстве и применении специальных сталей и сплавов” (м. Запоріжжя, 2006 р.).

Публікації. Матеріали та основні положення дисертації опубліковані у 8 роботах з наукової тематики, з них 5 статей - у 3 спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, одна стаття - у спеціалізованому зарубіжному виданні. Нові технічні рішення захищені двома патентами України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 147 сторінок, у тому числі 105 сторінок основного тексту, 48 рисунків, 13 таблиць, список використаних джерел з 64 найменувань на 7 сторінках, 3 додатки на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведена загальна характеристика роботи, обґрунтована її актуальність, сформульовані мета і задачі досліджень, розкриті наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.

У першому розділі представлений оглядовий аналіз сучасного стану процесів кування-протягування.

Основою для розробки нових і удосконалювання вже існуючих технологічних процесів кування служать глибокі теоретичні і практичні дослідження, виконані працями багатьох учених, серед яких варто особливо виділити В. Г. Березкіна, В. К. Воронцова, О.А. Ганаго, С. І. Губкина, Г. Я. Гуна, В. І. Залеського, П.Ф. Іванушкина, В.А. Лазоркіна, В.І. Любвина, В.Л. Колмогорова, Я. М. Охрименко, Ю.С. Радюченко, Е.О. Попова, Е. І. Семенова, М. В. Сторожева, І. Я. Тарновського, О. Д. Томльонова, В. О. Тюрина, Е. П. Унксова, Р. Хілла.

На сьогоднішній день основними способами кування-протягування є: двобічне кування на кувальних пресах, що забезпечує добре пророблення структури металу по перетину заготованки, але характеризується відносно низькою продуктивністю, великими енерговитратами та невисоким виходом придатного металу, і багатобічне радіальне кування на РОМ, що характеризується високими техніко-економічними показниками, але не забезпечує належного пророблення металу в осьовій зоні кованки.

Аналіз досліджень, спрямованих на інтенсифікацію процесів кування, дозволив встановити наступні можливі джерела інтенсифікації і ресурсозбереження при куванні:

- зміна конфігурації бойків і, зокрема, зменшення кута нахилу західної ділянки бойків для радіального кування аж до переходу до кування плоскими бойками;

- зменшення загальної кількості обтискань при одночасному збільшенні величини одиничних обтискань;

- збільшення потоків витиснення металу у осередку деформації та наступна зміна їхнього напрямку відносно головних осей кованки;

- регулювання пластичних потоків шляхом зміни співвідношення вільних і контактних поверхонь заготованки на проміжних етапах кування;

- організація додаткових макрозсувів металу у осередку деформації і заміна нормальних деформацій зсувними, що підвищують ефект деформаційного пророблення металу;

- вибір раціонального швидкісного режиму деформування, наприклад зниження швидкості деформування при радіальному куванні для поліпшення пророблення осьової зони кованки;

- перерозподіл макрооб’ємів металу за рахунок застосування схем з нерівністю взаємно перпендикулярних обтискань, а також сполучення схем обтискання двома, трьома, чотирма бойками.

Новим напрямком в області кування є багатобічне радіальне кування на гідравлічних кувальних пресах, що стало можливим завдяки появі багатобойкових кувальних пристроїв (Пат. України 29183А, Пат. Японії JP61273230 та ін.). Радіальне кування на пресах потенційно здатне увібрати в себе основні переваги і позбутися багатьох недоліків традиційних процесів кування на пресах і радіально-обтискних машинах.

Другий розділ присвячений вибору напрямку і методів досліджень.

Як напрямок досліджень у даній роботі обраний процес чотирибічного радіального кування за допомогою чотирибойкового кувального пристрою, що був розроблений, виготовлений, пройшов дослідно-промислові випробування й введений в експлуатацію у складі кувального агрегату АКП500/2,5, збудованого на базі гідравлічного кувального преса П1837 зусиллям 5 МН на дослідному виробництві Українського науково-дослідного інституту спеціальних сталей, сплавів і феросплавів. Цей кувальний пристрій дозволяє отримувати кованки з розміром поперечного перетину не менше 80 мм зі зливків та заготованок широкого марочного сортаменту з розміром поперечного перетину, що не перевищує 250 мм.

Як матеріали для досліджень були використані конструкційні, нержавіючі, підшипникові, штампові, швидкорізальні і жароміцні сталі та сплави, більшості яких притаманні низька технологічна пластичність і високий опір деформуванню.

Теоретичне дослідження напруженого стану металу у осередку деформації при одиничному обтисканні заготованки круглого поперечного перетину в чотирибойковому кувальному пристрої було виконане методом ліній ковзання. Для тривимірного осередку деформації, що має місце в дійсності, будувалися нерівноцінні поля ліній ковзання в подовжньому і поперечному перетині осередку деформації, двічі застосовуючи припущення про плоску деформацію для двох взаємно перпендикулярних перетинів осередку.

Для експериментального дослідження кінцевих деформацій в об’ємі кованки, отриманої куванням у чотирибойковому кувальному пристрої, був обраний метод координатних решіток. Заготованка, що має об'ємну координатну решітку з подовжнім розташуванням стрижнів, була виготовлена методом порошкової металургії. У якості метала-наповнювача був використаний газорозпилений порошок заліза, а координатні стрижні діаметром 2 мм були виготовлені зі сталі 08ГС. Метод порошкової металургії, у даному випадку, дозволяє одержувати заготованки високої якості, уникаючи явищ оплавлення і короблення елементів координатних решіток, що характерні для заготованок, отриманих методом заливання координатних решіток розплавом рідкого металу. Розрахунок місцевих головних деформацій, інтенсивностей деформацій по різних зонах кованки, а також відносної нерівномірності деформацій проводився по зміні геометричних розмірів стрижнів координатних решіток на поперечних темплетах, отриманих з готової кованки.

Теоретичне рішення задачі з визначення зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої було знайдене за допомогою вирішення системи рівнянь рівноваги сил у кувальному пристрої, а зусилля на бойку було визначено методом верхньої оцінки, що хоч і дає завищену оцінку зусилля деформування, але є інтуїтивно зрозумілим і найбільш простим у застосуванні, а також дозволяє оцінити технологічне зусилля деформування з достатньою для практичних розрахунків точністю і з найменшими витратами праці в порівнянні з іншими методами визначення зусилля.

Експериментальне визначення зусилля кування здійснювали при куванні заготованок діаметром 220 мм зі сталі ШХ15. Зусилля кування визначали на підставі показань тиску в робочому циліндрі преса. Для визначення тиску в робочому циліндрі преса використовували імпульсний перетворювач тиску, встановлений на кувальному агрегаті АКП 500/2,5.

Дослідження якості металу по макроструктурі та карбідній неоднорідності проводили на кованці зі сталі Х12МФ, яку отримали куванням у чотирибойковому кувальному пристрої. Для порівняння оцінювали якість металу кованки, отриманої радіальним куванням на РОМ. Визначення кількості, розмірів та інших параметрів карбідної фази було виконано методом кількісного металографічного аналізу на телевізійному мікроскопі “Quantimet 720”.

Оцінку механічних властивостей металу проводили по стандартних методиках на зразках узятих з кованок круглого та квадратного перетину розміром 80-150 мм зі сталей і сплавів широкого марочного сортаменту, отриманих куванням у чотирибойковому кувальному пристрої, та аналогічних кованках, отриманих у вирізних або плоских бойках.

У третьому розділі представлене теоретичне дослідження осередку деформації і напруженого стану металу при чотирибічному радіальному обтисканні заготованки, виконане методом ліній ковзання, а також розроблена математична модель деформованого стану металу кованки, отриманої куванням у чотирибойковому кувальному пристрої.

Розглянуто випадок обтискання заготованки круглого поперечного перетину чотирма бойками, що мають плоску контактну поверхню, як у подовжньому, так і в поперечному напрямку.

Побудова полів ліній ковзання, виконана для подовжнього перетину заготованки з двохпотоковими полями опірних сил тертя, показала, що в цьому перетині осередок деформації поширюється до осьової зони заготованки. При цьому зі збільшенням відносної подачі збільшуються зони утрудненої деформації під бойками, а осередок деформації локалізується в осьовий і прилеглих до неї зонах заготованки.

Побудову полів ліній ковзання для поперечного перетину осередку деформації було виконано для двох випадків: з проникненням бойків у тіло заготованки і без проникнення. Як граничні умови для верхнього і нижнього бойків були прийняті двохпотокові поля опірних сил тертя максимальних за величиною. Для бічних бойків, з урахуванням складного характеру їхнього переміщення, було прийняте рішення розглянути два крайніх випадки граничних умов: двохпотокову схему активного тертя з лінією розділу течії металу посередині бойка й однопотокову схему сил активного тертя з витоком на краю бойка.

Встановлено, що деформації, як у подовжньому, так і в поперечному перетині заготованки у всіх розглянутих випадках проникають в осьову зону заготованки.

Розрахунок напружень у осередку деформації, виконаний на підставі побудованих полів ліній ковзання за допомогою інтегралів Генкі, дозволив установити, що напружений стан металу при обтисканні в чотирибойковому кувальному пристрої відповідає об'ємному стисканню.

Для визначення деформаційного ефекту кування було проведено експериментальне дослідження кінцевих деформацій у кованці, отриманій в чотирибойковому кувальному пристрої з заготованки круглого поперечного перетину, що містить координатну решітку з подовжнім розташуванням стрижнів.

У результаті кування вихідної заготованки була отримана триступінчаста кованка з коефіцієнтом уковування К по ступінях рівним 1,56, 1,98 і 2,49 відповідно. Встановлено, що зі збільшенням коефіцієнта уковування в розглянутих межах спостерігається зростання інтенсивності деформації, як у центральній зоні кованки, так і на її периферії, причому більш інтенсивне зростання спостерігається в центральній і близьких до неї зонах кованки (рис. 1). Із зростанням коефіцієнта уковування ця тенденція стає усе більш яскраво вираженою.

Результати експерименту були використані для побудови математичної моделі деформованого стану, яка дозволяє визначити інтенсивність кінцевої деформації в точці, в залежності від її віддалення від центра перетину кованки, що отримана в чотирибойковому кувальному пристрої. Для визначення шуканої функції був використаний принцип найменшої суми квадратів й складена система диференційних рівнянь

(1)

де yj – експериментальне значення інтенсивності кінцевої деформації в j-ій точці в кодованих перемінних;

f (xj) – шукана функція, що містить невизначені коефіцієнти , , ;

xj– віддалення j-ої точки від центра перетину кованки в кодованих перемінних.

У якості шуканої функції був обраний поліном другого порядку. Після низки перетворень, підстановок та вирішення системи рівнянь з використанням експериментальних даних були отримані наступні рівняння регресії:

при K= 1,56; ;

при K= 1,98; ; (2)

при K= 2,49; .

Рис. 1. Розподіл інтенсивності деформації по перетинах покованки, отриманої з різними коефіцієнтами уковування:

- K= 1,56; - K= 1,98; - K= 2,49

Перевірка отриманого математичного опису методами математичної статистики за критерієм Фішера підтвердила його адекватність результатам експерименту.

У четвертому розділі розроблена методика розрахунку зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої, розглянуті способи інтенсифікації кування зливків і заготованок у чотирибойковому кувальному пристрої, дані рекомендації з призначення величини зусиль і подач, приведена техніко-економічна оцінка кування в чотирибойковому кувальному пристрої.

На відміну від традиційного кування бойками, при якому зусилля від робочого органа преса передається безпосередньо на бойки, що обтискують заготованку, при куванні в чотирибойковому кувальному пристрої зусилля кування від робочого органа преса на бойки передається опосередковано, через механізм кувального пристрою. Тому, для визначення зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої, спочатку, із застосуванням методу верхньої оцінки, було знайдене зусилля деформування на бойку, а потім, виходячи зі схеми розподілу сил у пристрої - шукане зусилля кування.

Відповідно до методу верхньої оцінки, осередок деформації було розбито на жорсткі блоки, після чого був побудований годограф швидкостей (рис. 2).

Рис. 2. Розрахункова схема для визначення зусилля деформування на бойку
методом верхньої оцінки

Питоме зусилля деформування на бойку p визначали за формулою:

, (3)

де k – пластична постійна матеріалу;

vij - тангенціальна швидкість на границі блоків i та j, мм/с;

lij - довжина границі між блоками i та j, мм;

V – швидкість бойка, мм/с;

A – ширина проекції площі контакту на площину перпендикулярну руху бойка, мм.

Далі, виходячи з геометричних побудов і законів тригонометрії, були визначені відповідні компоненти швидкостей і довжин границь між блоками, а також ширина проекції площі контакту бойка з заготованкою на площину перпендикулярну руху бойка, підставивши які в рівняння (2) і помноживши на площу проекції контакту на площину, перпендикулярну руху бойка одержали зусилля деформування на бойку Рб.

На основі аналізу схеми розподілу сил у кувальному пристрої (рис. ) були складені рівняння рівноваги, що представляють собою суму проекції всіх сил, прикладених до кожного клину (А і В) на напрямок руху цього клину

; (4)

, (5)

розв’язавши які, після перетворень одержали

. (6)

Задавши коефіцієнт тертя ( ) і кут нахилу бічних поверхонь ( ) одержали шукане зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої в залежності від зусилля деформування на бойку

. (7)

Для визначення вірогідності отриманих теоретичних рішень зусилля кування був проведений експеримент з визначення зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої. Аналіз отриманих результатів показав, що відхилення експериментальних даних від теоретичної кривої, побудованої на підставі розробленої методики розрахунку, порівняні з похибками результатів вимірів, що були знайдені в результаті статистичної обробки експериментальних даних. Отже, розроблена методика може з достатньою для практичних розрахунків точністю застосовуватися для визначення зусилля кування в чотирибойковому кувальному пристрої.

Встановлено, що основними джерелами інтенсифікації кування в чотирибойковому кувальному пристрої є: збільшення потоків витиснення металу у осередку деформації; зміна напрямку потоків витиснення металу відносно головних осей кованки; організація додаткових макрозсувів металу у осередку деформації; регулювання пластичних потоків за рахунок зміни співвідношення вільних і контактних поверхонь заготованки на проміжних етапах кування.

Рис. 3. Розрахункова схема для визначення зусилля кування
у чотирибойковому кувальному пристрої

Величини обтискань і подач рекомендовано призначати максимально можливими, з дотриманням наступних умов: відношення висоти до ширини відростка, що формується в результаті витиснення металу в зазор між бойками не повинне перевищувати 1; відношення абсолютної подачі до діаметра заготованки повинне знаходитися в межах від 0,28 до 1; зусилля кування при даних величинах обтискань і подач не повинне перевищувати можливостей технологічного устаткування.

Показано, що продуктивність кування в чотирибойковому кувальному пристрої на кувальному агрегаті АКП 500/2,5 при переділі зливків і заготованок з розміром поперечного перетину 150-250 мм із легованих і високолегованих сталей і сплавів, у 1,5-2 рази перевищує продуктивність кування аналогічних зливків і заготованок у вирізних бойках. Питомі витрати електроенергії знижуються на 30-50%. При цьому вихід придатного металу збільшується на 2-7за рахунок зменшення втрат металу під час додаткових міжопераційних підігрівів, число яких скорочується, і в стружку – під час подальшої ад’юстажної обробки.

Наприклад, продуктивність деформаційного переділу заготованок зі сталі 30ХГСА діаметром 200 мм і довжиною 1050 мм на кованки діаметром 90 мм, оцінювана методом прямого хронометражу процесу, при куванні у вирізних бійках склала 0,94 тони за годину, а при куванні у чотирибойковому кувальному пристрої – 1,75 т/год. При цьому витрати електроенергії склали відповідно 1,39 ГДж/т (387 кВтгод/т) й 0,75 ГДж/т (208 кВтгод/т), а вихід придатного металу склав 94% і 97% відповідно.

Результати досліджень у вигляді методики і рекомендацій були використані при розробці технології чотирибічного радіального кування цирконієвих сплавів на пресі зусиллям 12 МН за допомогою чотирибойкового кувального пристрою на заводі ВАТ „Чепецький механічний завод” (м. Глазов, Росія), а також впроваджені на дослідному заводі інституту „УкрНДІспецсталь” (м. Запоріжжя, Україна) для розробки технологічних процесів кування у чотирибойковому кувальному пристрої зливків і заготованок широкого марочного сортаменту.

П'ятий розділ присвячений дослідженню якості металу кованок, які отримані куванням у чотирибойковому кувальному пристрої.

Для визначення ефективності кування в чотирибойковому кувальному пристрої було проведено порівняльне дослідження якості металу кованки, викуваної у вищезгаданому пристрої на гідравлічному кувальному пресі і кованки, викуваної на РОМ за прийнятою на виробництві технологією. Заготованки для кування в пристрої і на РОМ були отримані з однієї вихідної заготованки діаметром 175 мм зі сталі Х12МФ. З отриманих кованок діаметром 122 мм були виготовлені поперечні темплети, на яких проводили дослідження якості металу по макроструктурі і карбідній неоднорідності.

Дослідження макроструктури кованок показало, що підусадкова ліквація і лікваційний квадрат у них відсутні, а центральна пористість і точкова неоднорідність не перевищують норм ДСТУ 3953-2000.

Контроль карбідної неоднорідності у вихідній заготованці і кованках проводили по шкалі фірми “Bohler” (Австрія). Встановлено, що кування на РОМ забезпечує істотне зниження карбідної неоднорідності (з 32 до 12 балів) у поверхневому шарі кованки, деяке зниження (з 34 до 24 балів) на середині радіуса кованки і, фактично, не проробляє центральну зону кованки (зниження з 35 до 34 балів). Кування заготованки в чотирибойковому кувальному пристрої забезпечує значне зниження карбідної неоднорідності по всьому перетині кованки, а саме: з 32 до 13 балів у поверхневому шарі, з 34 до 14 балів на середині радіуса і з 35 до 16 балів у центрі перетину кованки.

Для кількісної оцінки отриманого ефекту контрольні зразки аналізували на телевізійному мікроскопі “Quantimet 720” з визначенням кількості, розмірів та інших параметрів карбідної фази при скануванні мікрошліфа уздовж і поперек подовжньої осі кованки. Результати кількісної оцінки карбідної неоднорідності (рис. 4) підтверджують, що кування у радіально-обтискній машині забезпечує краще пророблення поверхневої зони кованки, оскільки загальна кількість карбідів на одиниці площі шліфа в 1,2 рази більше, а великих карбідів (понад 40 мкм) – у 2 рази менше ніж після кування у кувальному пристрої. Тоді як кувальний пристрій забезпечує більш суттєве подрібнення карбідної фази на середині радіуса й у центральній зоні перетину кованки: дрібних карбідів в 1,5-2 рази більше, а великих – у 2 рази менше ніж у кованці, яка отримана куванням на РОМ.

Рис. 4. Результати кількісного аналізу карбідів на мікроскопі “Quantimet 720”:

кування на РОМ

кування в кувальному пристрої

Оцінку механічних властивостей металу проводили на зразках, які були узяті з кованок круглого і квадратного перетину розміром 85-100 мм зі сталей і сплавів 30ХГСА, 08Х18Н10Т, ШХ15, Р9, Р18, Р6М5ДО5 і ХН78ТЮФ, отриманих куванням зливків і заготованок з розміром поперечного перетину до 250 мм у чотирибойковому кувальному пристрої, а також, для порівняння, у плоских або вирізних бойках.

Результати іспитів показали, що механічні властивості кованок, отриманих у чотирибойковому кувальному пристрої, значно перевищують механічні властивості кованок, отриманих у вирізних або плоских бойках при ідентичних режимах остаточної термообробки кованок, а саме: по показниках міцності – на 10-15%, по показниках пластичності й ударної в'язкості – на 10-50%.

У шостому розділі намічені шляхи подальшого розвитку процесів чотирибічного радіального кування на гідравлічних кувальних пресах. Розглянутий чотирибойковий кувальний пристрій, попри всі переваги, не дозволяє в повній мірі розкрити можливості інтенсифікації кування за рахунок застосування додаткових деформацій зсуву. Тому були розроблені нові фізичні моделі чотирибічного радіального обтискання з додатковими макрозсувами як у поперечному, так і в подовжньому напрямках заготованки, а також моделі нових чотирибойкових кувальних пристроїв, призначених для реалізації процесів чотирибічного радіального кування з додатковими макрозсувами на гідравлічних кувальних пресах.

У моделі обтискання, представленій на рис. 5, реалізовані одночасно три системи макрозсувів: тангенціально спрямовані зсувні зусилля від бічних бойків; радіальні сили від усіх чотирьох бойків, прикладені з ексцентриситетом в одному окружному напрямку щодо осей симетрії заготованки; зсувні зусилля, обумовлені нахилом робочих поверхонь бойків. При куванні з використанням вищезгаданої моделі обтискання, створюються спрямовані в одному окружному напрямку потоки металу, що приводить до “закручування” елементів макроструктури металу. Ефект “закручування” дозволяє значно поліпшити механічні властивості кованок у тангенціальному напрямку, що дуже важливо при виготовленні, наприклад, різального інструменту, такого як фрези.

.

Рис. 5. Схема обтиснення:

Z1, Z2, Z3 – зсувні зусилля першої, другої і третьої систем макрозсувів відповідно

Для реалізації цієї схеми обтискання на універсальних гідравлічних кувальних пресах була розроблена модель нового чотирибойкового кувального пристрою (Пат. 55249А, Україна).

Для розвитку значних макрозсувних деформацій не тільки в поперечній, але й у подовжній площині заготованки була розроблена модель обтискання, що реалізує одночасно дві системи макрозсувів (рис. 6). При куванні за цією схемою забезпечується значний перерозподіл макропотоків металу в об’ємі заготованки й інтенсифікація процесу кування в цілому.

Рис. 6. Схема обтиснення:

Pб – радіально спрямовані сили; Z1, Z2 – зсувні зусилля першої і

другої систем макрозсувів відповідно

Для реалізації цієї схеми обтискання на універсальних гідравлічних кувальних пресах була розроблена модель чотирибойкового кувального пристрою принципово нової конструкції, що дозволяє здійснювати переміщення бічних бойків одночасно в трьох напрямках завдяки особливій формі і просторовому розташуванню тримачів бічних бойків (Пат. 64299А, Україна).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі приведені теоретичне узагальнення і нове рішення наукової задачі з підвищення якості металу кованок та забезпечення економії матеріальних ресурсів за рахунок переходу від кування двома бойками до чотирибічного радіального кування на гідравлічному кувальному пресі, про що свідчать наступні висновки:

1. Аналіз сучасного стану процесів кування-протягування показав, що основною проблемою при куванні на гідравлічних кувальних пресах є відносно низькі техніко-економічні показники кування, а при куванні на РОМ – незадовільна проробка металу в осьовій зоні кованки. Запропоновані різними авторами рішення дозволяють в деякій мірі вирішити ці проблеми, але якісно нове рішення задачі ресурсозбереження та інтенсифікації кування може бути отримане при переході від кування двома бойками до багатобічного радіального кування на гідравлічних кувальних пресах за допомогою багатобойкових кувальних пристроїв.

2. У якості напрямку досліджень обраний процес чотирибічного радіального кування на гідравлічному кувальному пресі за допомогою чотирибічного кувального пристрою.

3. Методом ліній ковзання проведене теоретичне дослідження осередку деформації та напруженого стану металу при обтисканні заготованки круглого перетину в чотирибойковому кувальному пристрої. Установлено, що при куванні з проникненням бойків у тіло заготованки і без проникнення при різних величинах подач деформації проникають в осьову зону заготованки, а напружений стан металу відповідає об'ємному стисканню.

4. Методом координатних решіток проведене експериментальне дослідження кінцевих деформацій у кованці, отриманій куванням у чотирибойковому кувальному пристрої. Встановлено, що зі збільшенням коефіцієнта уковування (від 1,56 до 2,49) спостерігається зростання інтенсивності деформації, як у центральній зоні кованки (від 0,355 до 1,179), так і на її периферії (від 0,419 до 0,776), причому найбільш інтенсивне зростання спостерігається в центральній і близьких до неї зонах кованки.

5. На підставі результатів експериментального дослідження розроблена математична модель деформованого стану кованки, представлена рівняннями регресії, що дозволяють визначити інтенсивність кінцевих деформацій у точках у залежності від їхнього віддалення від центра перетину кованки і досягнутого коефіцієнта уковування. Перевірка отриманого математичного опису методами математичної статистики за критерієм Фішера підтвердила його адекватність результатам експерименту.

6. Із застосуванням методу верхньої оцінки й аналізу схеми розподілу сил у чотирибойковому кувальному пристрої розроблена методика розрахунку зусилля кування, що з достатньої для практичних розрахунків точністю дозволяє визначити максимальне необхідне технологічне зусилля кування, що підтверджено експериментально.

7. Встановлено, що основними джерелами інтенсифікації кування в чотирибойковому кувальному пристрої є: збільшення потоків витиснення металу в осередку деформації за рахунок обтискання з проникненням бойків у тіло заготованки; зміна напрямку потоків витиснення металу відносно головних осей кованки за рахунок чергування обтискань і кантувань; організація додаткових макрозсувів металу у осередку деформації за рахунок прикладення додаткових зсувних зусиль з боку бічних бойків; регулювання пластичних потоків металу за рахунок зміни співвідношення вільних і контактних поверхонь заготованки на проміжних етапах кування.

8. Встановлено, що величини обтискань і подач варто призначати максимально можливими, з дотриманням наступних умов: відношення висоти до ширини відростка, що формується в результаті витиснення металу в зазор між бойками не повинне перевищувати одиниці; відношення абсолютної подачі до діаметра заготованки повинне знаходитися в межах від 0,28 до 1; зусилля кування при даних величинах обтискань і подач не повинне перевищувати можливостей технологічного устаткування.

9. Встановлено, що продуктивність кування в чотирибойковому кувальному пристрої на кувальному агрегаті АКП 500/2,5, оцінювана методом прямого хронометражу процесу, при переділі зливків і заготованок з розміром поперечного перетину 150-250 мм із легованих і високолегованих сталей і сплавів, у 1,5-2 рази перевищує продуктивність кування аналогічних зливків і заготованок у вирізних бойках. При цьому вихід придатного металу збільшується на 2-7за рахунок зменшення втрат металу в окалину при підігрівах і в стружку при подальшій механічній обробці. Має місце економія електроенергії, що витрачається на кування і природного газу, використовуваного для нагрівання заготованок.

10. Порівняльне дослідження макроструктури і карбідної неоднорідності в кованках зі сталі Х12МФ, які були викувані на радіально-обтискній машині й у чотирибойковому кувальному пристрої показало, що кування на РОМ забезпечує більш інтенсивне подрібнення карбідної фази в поверхневому шарі кованок, а кування в кувальному пристрої – на середині радіуса й у центрі перетину кованок, що узгоджується з результатами експериментального дослідження кінцевих деформацій методом координатних решіток.

11. Механічні випробування зразків кованок з конструкційних, нержавіючих, підшипникових, інструментальних, швидкорізальних сталей і жароміцних сплавів показали, що механічні властивості кованок, отриманих у чотирибойковому кувальному пристрої, значно перевершують механічні властивості кованок, отриманих у вирізних або плоских бойках, а саме: по показниках міцності – на 10-15%, по показниках пластичності й ударної в'язкості – на 10-50%.

12. З метою подальшого розвитку процесів багатобічного радіального кування на пресах запропоновані нові фізичні моделі чотирибічного радіального обтискання з додатковими макрозсувами як у поперечному, так і в подовжньому напрямках заготованки, а також моделі нових чотирибойкових кувальних пристроїв (Патенти України № 55249А, № 64299А).

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лазоркин В.А., Мельников Ю.В., Дубина В.И. Новая технология и устройство для радиально-сдвиговой ковки заготовок из легированных сталей и сплавов // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні – 2002. – №2. – С. 62-63.

2. Мельников Ю.В., Лазоркин В.А., Дубина В.И. Исследование влияния четырехстороннего единичного обжатия на характер течения металла заготовки // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля. – 2004. – С. 40-46.

3. Мельников Ю.В. Экспериментальное исследование итоговых деформаций в поковке, полученной четырехсторонней радиальной ковкой с дополнительными макросдвигами // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні – 2004. – №2. – С. 75-78.

4. Мельников Ю.В. Математическая модель деформированного состояния металла поковки, полученной ковкой в четырехбойковом ковочном устройстве // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля. – 2005. – С. 48-53.

5. Лазоркин В.А., Яценко Р.В., Мельников Ю.В. Качество поковок, изготовляемых радиальной ковкой на гидравлическом ковочном прессе // Кузнечно-штамповочное производство – 2005. – № 5. – С. 8-11.

6. Мельников Ю.В. Технико-экономические показатели ковки в четырехбойковом ковочном устройстве // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – 2006. – №6 – С. 55-57.

7. Чотирибойковий кувальний пристрій: Пат. 55249А Україна, МКВ 7B21J13/02 / В.А. Лазоркін, Ю.В. Мельников, С.О. Лазоркіна (Україна). – №2002086605; Заявл. 09.08.2002; Опубл. 17.03.2003, Бюл. №3. – 3 с.

8. Чотирибойковий кувальний пристрій: Пат. 64299А Україна, МКВ 7B21J13/02 / В.А. Лазоркін, Ю.Ф. Терновий, Ю.В. Мельников (Україна). – №2003044007; Заяв. 30.04.2003; Опубл. 16.02.2004, Бюл. №2 – 5 с.

АНОТАЦІЯ

Мельников Ю.В. Розробка інтенсифікованих процесів чотирибічного радіального кування на гідравлічному кувальному пресі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - “Процеси і машини обробки тиском”. – Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2006.

Виконано аналіз сучасного стану процесів кування-протягування, на підставі якого були виявлені можливі джерела інтенсифікації й ресурсозбереження при куванні, а також визначені напрямки подальших досліджень. Проведено дослідження напруженого та деформованого стану металу при чотирибічному обтисканні заготованки. Розроблено математичну модель деформованого стану кованки. Розроблено методику визначення зусилля кування