НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ШРАМКО Олександр Вікторович

УДК 621.771.294

ОБҐРУНТУВАННЯ I РОЗРОБКА РАЦIОНАЛЬНОП ТЕХНОЛОГIП ВИГОТОВЛЕННЯ ЗАЛIЗНИЧНИХ КОЛIС ПIДВИЩЕНОП ЯКОСТI
З УРАХУВАННЯМ IСТОРIП ДЕФОРМУВАННЯ

Спеціальність 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керiвник:

доктор технічних наук, професор Данченко Валентин Миколайович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, завідуючий кафедрою обробки металів тиском

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Шевченко Михайло Павлович, завідувач кафедри кріогенних установок Одеської державної академії холоду та холодильних установок Міністерства освіти і науки України, м. Одеса;

- кандидат технічних наук Кухар Володимир Валентинович, доцент кафедри охорони праці і навколишнього середовища Приазовського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Провідна установа:

Донбаська державна машинобудівна академія (кафедра обробки металів тиском) Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ

Захист відбудеться 13 березня 2007 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий 09 лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Должанський А. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних умовах перед залізничним транспортом постійно виникають усе складніші завдання, що пов'язані з надійністю та довговічністю рухомого складу у все більш жорстких умовах його експлуатації.

Аналізуючи тенденції і рівень технології виробництва залізничних коліс, досягнутий останнім часом їх основними виробниками, можна виділити кілька напрямків підвищення службових властивостей залізничних коліс, одне з яких - оптимізація процесу гарячого деформування колісної заготовки. Основна задача цього етапу виробництва – формування високого рівня механічних властивостей, у тому числі, ударної в'язкості у найбільш відповідальній частині колеса – його ободі при мінімальних витратах.

Відомо про залежності механічних властивостей сталі від режиму її деформації, зокрема, від накопиченої деформації. Крім накопиченої деформації, на рівень механічних властивостей сталі істотно впливають також температура і швидкість деформації і, через одночасно перебігаючі під час гарячої деформації процеси "зміцнення – знеміцнення", історія деформування сталі, включаючи тривалість міждеформаційних пауз. Однак, вплив зазначених факторів на реологічні і механічні властивості колісної сталі вивчено недостатньо. Одночасно з цим існуючі методи розрахунків процесу багатопереходного штампування не враховують комплексного впливу перерахованих вище факторів.

В наслідок такого становища технологічні схеми виробництва залізничних коліс, що використовуються, найчастіше обумовлюють роботу існуючого пресового устаткування при максимальних навантаженнях і не забезпечують достатнього подрібнювання та ущільнення литої структури при наступному деформуванні ободу колеса.

Крім цього, дотепер недостатньо вивчені питання впливу різних схем деформування колісної заготовки, у тому числі тих, що передбачають зменшення кількості штампувальних операцій, на рівень механічних властивостей готових коліс.

Позначені недоліки призводять до зниження терміну експлуатації пресового устаткування та збільшення вірогідності виникнення часткового або повного руйнування ободу колеса під час його експлуатації.

Таким чином, робота, спрямована на розробку раціональної технології виготовлення залізничних коліс з урахуванням розподілу деформаційних і швидкісних параметрів на основних етапах деформування металу з метою підвищення якості і зниження виробничих витрат, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконано у рамках програм і відповідної тематики госпдоговірних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ ДР № 0103U002285 і №0103U002286, а також у рамках співробітництва з "Укрзалізницею" відповідно до Програми підвищення якості коліс для "Укрзалізниці" (затверджена Міністром транспорту і зв'язку України 12.11.02 р.).

Автор був виконавцем цих робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є обґрунтування і розробка раціональної технології виготовлення суцільнокатаних коліс, що забезпечує підвищений рівень механічних властивостей готових коліс.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі.

1. Удосконалити метод розрахунку технологічних процесів пластичної деформації при багатоперехідному об'ємному штампуванні і прокатці залізничних коліс з урахуванням впливу технологічних факторів (температури, швидкості і ступеня деформації, міждеформаційних пауз) на величину накопиченої деформації колісної сталі при одно- і двоперехідному деформуванні, що дозволяє оптимізувати режими деформації з метою підвищення механічних властивостей готових коліс.

2. Виконати фізичне і математичне (комп'ютерне) моделювання процесу деформування колісної заготовки за різними технологічними схемами.

3. Удосконалити метод розрахунку положення нейтральної поверхні плину металу при багатопереходному об'ємному штампуванні, що дозволяє раціонально розподіляти обсяг металу для необхідного заповнення порожнини штампів.

4. Виконати теоретичний і експериментальний аналіз впливу швидкості деформації і накопиченої деформації на механічні властивості металу в центральній зоні ободу колеса при різних технологічних схемах деформування заготовки.

5. Розробити дослідні режими деформування колісної заготовки і досліджувати їх вплив на енергосилові параметри процесу і механічні властивості металу ободу колеса в умовах діючого виробництва.

6. Розробити і випробувати у виробництві технологію виготовлення залізничних коліс, яка б забезпечувала зниження виробничих витрат при одночасному підвищенні механічних характеристик металу центральної зони ободу колеса.

Об'єкт дослідження. Технологія гарячого багатопереходного об'ємного штампування і прокатки заготовок при виготовленні суцільнокатаних залізничних коліс.

Предмет дослідження. Закономірність впливу розподілу деформаційних та енергосилових параметрів і різних технологічних схем гарячого об'ємного штампування заготовок залізничних коліс з урахуванням історії деформування на закономірності зміни механічних властивостей металу.

Методи дослідження. Для теоретичного опису фізичних явищ, що відбуваються при виробництві суцільнокатаних залізничних коліс, використані фундаментальні положення теорії обробки металів тиском із залученням елементів теорії металографії і теплообміну, а також методів фізичного і комп'ютерного моделювання технологічних процесів із залученням методу кінцевих елементів. Для фізичного моделювання деформаційних і теплофізичних процесів використані методи пластометричних досліджень, методи дослідження структури і властивостей сталі, а також статистичні методи обробки результатів.

Наукова новизна. Наукову новизну мають такі найбільш важливі результати теоретичних і експериментальних досліджень, що отримані в роботі.

1. Одержав подальший розвиток метод розрахунку технологічних процесів пластичної деформації при багатопереходному об'ємному штампуванні та прокатці залізничних коліс.

Розробка відрізняється комплексним урахуванням зміни температури, швидкості деформації, накопиченої деформації, міждеформаційних пауз, реологічних властивостей і щільності колісної сталі, форми заготовки та інструмента при багатопереходному об'ємному штампуванні і прокатці залізничних коліс. Це дозволяє оперативно оцінити різні режими деформації на кожному переході деформування і поліпшити механічні властивості сталі в центральній зоні ободу колеса, зокрема, відносне звуження та ударну в'язкість.

2. Уперше встановлена залежність впливу розподілу по проходах швидкості деформації при багатопереходному об'ємному штампуванні залізничних коліс на механічні властивості (зокрема ударну в'язкість) колісної сталі.

Розробка відрізняється урахуванням знеміцнення металу в результаті динамічної і статичної рекристалізації і зміни температури при визначених значеннях. Це дає можливість проектувати технологію виготовлення залізничних коліс, що забезпечує підвищення ударної в'язкості і відносного звуження сталі в центральній зоні ободу колеса при збереженні високого рівня міцності.

3. Одержало подальший розвиток уявлення про вплив розподілу ступеня деформації металу при багатопереходному об'ємному штампуванні залізничних коліс на механічні властивості колісної сталі.

Розробка відрізняється комплексним урахуванням реального розподілу температурних, швидкісних і деформаційних параметрів по переходах деформування. Це дає можливість розробляти раціональні режими деформування колісних заготовок, що забезпечують збільшення пластичних властивостей металу в центральній зоні ободу колеса.

4. Одержало подальший розвиток експериментальне дослідження залежності навантаження на пресове устаткування від комплексного впливу температури, швидкості деформації, ступеня деформації, міждеформаційних пауз, реологічних властивостей колісної сталі, форми заготовки та інструмента при багатопереходному об'ємному штампуванні залізничних коліс.

Розробка відрізняється комплексним урахуванням впливу перерахованих вище факторів на зусилля штампування і зіставленням різних технологічних схем деформування. Це дає можливість забезпечити раціональне завантаження пресового устаткування з урахуванням історії деформування металу.

5. Одержав подальший розвиток метод розрахунку положення нейтральної поверхні плину металу при багатопереходному об'ємному штампуванні.

Розробка відзначається комплексним урахуванням форми і розмірів деформуючого інструмента і заготовки, температурно-швидкісних параметрів деформації, реологічних властивостей металу, контактного тертя і зовнішнього теплообміну. Це дозволяє оперативно визначити реальне положення нейтральної поверхні для раціонального розподілу об'ємів металу в процесі деформування з метою необхідного заповнення порожнини штампів та усунення можливості виникнення дефектів на поверхні колеса.

Практичне значення отриманих результатів. Виконані дослідження дозволили:

- удосконалити метод розрахунку та оцінки режимів деформації на кожному етапі деформування при багатопереходному об'ємному штампуванні і прокатці залізничних коліс;

- розробити спосіб виробництва суцільнокатаних залізничних коліс, що дозволяє знизити виробничі витрати при одночасному підвищенні продуктивності і механічних характеристик коліс, зокрема, ударної в'язкості (Патент 74116 UA, МКИ B21J5/10, B21K1/28);

- розробити і прийняти до впровадження технологію виготовлення суцільнокатаних залізничних коліс діаметром 957 мм за ГОСТ 10791-2004 з підвищеними механічними характеристиками металу в центральній зоні ободу колеса (Акт про використання результатів дисертаційної роботи від 19.06.06 р.);

- розробити і прийняти до впровадження технологію виготовлення тепловозних коліс діаметром 1098 мм за стандартом IRS R-19/93 з підвищеними механічними характеристиками для залізниць Індії (Акт про використання результатів дисертаційної роботи від 19.06.06 р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів. Усі принципові теоретичні та експериментальні результати, отримані в процесі виконання дисертації, побудовані на дослідженнях проведених автором. Особистий внесок здобувача в публікаціях зі співавторами полягає в наступному: [1, 6] – аналіз і визначення основних проблем і концепцій розвитку технологічних процесів виробництва залізничних коліс підвищеної якості; [2, 7] – виконано аналіз впливу ступеня деформації на механічні властивості колісної сталі. Визначено характер впливу та оптимальні параметри деформації; [3, 8] – виконано аналіз різних схем деформування заготовки. Визначено енергосилові параметри процесу, оптимальну схему деформування і калібрування штампового інструмента;
[4] – виконано експериментальне дослідження впливу ступеня деформації, швидкості деформації і розподілу деформації в часі на опір пластичній деформації; [5] – аналіз закономірностей місця розташування нейтральної поверхні при гарячому об'ємному штампуванні основних типорозмірів залізничних коліс, висновки, упровадження результатів при розрахунку калібровок.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися і були обговорені на: 1-й і 2-й Міжнародній науково-практичній конференції "Наука в транспортному вимірі" (Київ, 2005, 2006 рр.); III Міжнародній конференції "ВАТ "Російські залізниці" на ринку транспортних послуг: взаємодія і партнерство" (Москва, 2005); об'єднаному семінарі кафедри ОМТ НМетАУ і прокатних відділів Інституту чорної металургії НАНУ (Дніпропетровськ, 2005, 2006).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 8 роботах, у тому числі 5 – у спеціалізованих виданнях і додатково в 1 патенті України та 2 статтях.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків. Вона викладена на 120 сторінках і включає: таблиць – 25, рисунків – 67, список використаних джерел з 104 найменувань, додатків – 1.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, її мета і задачі, висвітлені наукові і практичні результати, а також положення, що виносяться на захист.

СТАН ПИТАННЯ

У розділі розглянуті основні елементи технології виробництва суцільнокатаних залізничних коліс і тенденції її розвитку. Виконано аналіз основних схем формозміни і режимів деформування матеріалу коліс. Виконано аналіз вимог до механічних властивостей залізничних коліс і впливу на підвищення їхнього рівня різних технологічних прийомів і структури матеріалу. Відзначена висока залежність механічних характеристик металу від характеру перебігу процесів динамічної і статичної рекристалізації і структури матеріалу дозволяє стверджувати, що механічні властивості залізничних коліс істотно залежать від температурного і деформаційного впливу на метал у процесі багатопереходного об'ємного штампування і прокатки заготовок коліс.

КОМП'ЮТЕРНЕ І ФІЗИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

ПРОЦЕСУ ДЕФОРМУВАННЯ МЕТАЛУ КОЛІС

Фізичне моделювання зміни властивостей і структури колісної сталі після гарячої деформації

Метою фізичного моделювання була оцінка впливу ступеня деформації на механічні властивості колісної сталі і її структуру, а також спадкування виявлених залежностей після термічного зміцнення сталі.

Деформація зразків колісної сталі розміром 707080 мм здійснювалася шляхом їх осадження на гідравлічній випробувальній машині ЦД-40 на різну висоту за один прохід. Максимальна величина осадження зразка визначалася можливістю випробувальної машини і становила 60% від початкової висоти.

Як матеріал для досліджень використовувалася колісна сталь марки КП 2 (ГОСТ 10791-2004).

Зразки осаджувалися із середньою швидкістю деформації в інтервалі
0,3-0,17 c-1. Температура нагрівання проби під гарячу деформацію дорівнювала 1240°С. Температура наприкінці деформування становила 1200-1150°С, що відповідає умовам деформування заготовок на пресі зусиллям 20 МН в умовах ВАТ "НТЗ". З осаджених зразків були виготовлені проби для механічних випробувань, як у вихідному, так і в термічно зміцненому стані, та шліфи для дослідження структурного стану.

Аналіз результатів показав, що в даних умовах пластичні і в'язкі характеристики сталі монотонно збільшуються зі збільшенням ступеня деформації. Міцнісні характеристики зростають до визначеної величини. Зазначена тенденція зберігається після термічного зміцнення.

Дослідження мікроструктури показали, що зі збільшенням ступеня деформації зерно подрібнюється в середньому від (-1) бала до 3 балів.

Комп'ютерний аналіз схем деформації металу

Досліджувалися деформаційні параметри в центральній зоні ободу колеса (швидкість, ступінь деформації і ступінь накопиченої деформації) і їхній розподіл по переходах при багатопереходному штампуванні і прокатці залізничних коліс діаметром 957 мм за ГОСТ 10791-2004 і діаметром 1098 мм за стандартом
IRS R-19/93 із заготовок діаметром 482 і 415 мм при різних схемах деформування. Одночасно досліджувалися реологічні властивості колісної сталі при одностадійному і двостадійному навантаженні з різними паузами.

Для розрахунку параметрів процесу багатопереходного об'ємного штампування і прокатки залізничних коліс застосовувалися програми Qform і FORGE 3 з використанням методу кінцевих елементів.

Розрахунок деформаційних параметрів базується на загальних принципах розв'язання задач теорії пластичності жорсткопластичного тіла. Відповідно до цього обрані, дороблені та об'єднані в один алгоритм відомі рівняння, що описують фізичні процеси, які відбуваються в металі під час об'ємного штампування і прокатки залізничних коліс.

Для моделювання процесу штампування і прокатки використана така система рівнянь:

- диференціальне рівняння руху (рівноваги):

; (1)

- кінематичне співвідношення:

; (2)

- рівняння стану:

; (3)

- умова нестисливості:

; (4)

- рівняння теплового балансу:

; (5)

- модель напруги плинності матеріалу в залежності від параметрів деформації:

, (6)

де ij, ij, i – відповідно компоненти тензорів напруження, швидкості деформації і вектора швидкості плину; – відповідно інтенсивності напружень, деформацій і швидкостей деформації, 0 – середнє нормальне напруження; ij – символ Кронекера; T – температура; – коефіцієнт переходу механічної енергії в тепло, прийнято, що =0,9–0,95; – щільність; с – теплоємність; k – теплопровідність.

Теплові граничні умови на вільній поверхні включають теплообмін конвекцією і випромінюванням. На контактній поверхні задається теплообмін за допомогою коефіцієнта теплопередачі. Тертя на контактній поверхні враховується за залежністю А.Н. Леванова:

, (7)

де Кп – константа поверхні; уп – константа тиску; уs – границя текучості.

Залежності величини зміцнення колісної сталі і ступеню накопиченої деформації для різних температур і швидкостей деформацій, закладені в комп'ютерну модель, визначені за даними реологічних досліджень. Дослідження проводили за допомогою деформаційного дилатометра Турі 805 A/D виробництва фірми BAHR Thermoanalyse Gmb Company, встановленого у Політехнічному університеті м. Ченстохова (Польща) на зразках колісної сталі з хімічним складом, наведеним у табл. 1.

Таблиця 1

Хімічний склад колісної сталі зразків для визначення реологічних властивостей

Н, ррm | С, % | Mn, % | Si, % | P, % | S, % | Al, % | Cr, % | Ni, % | Cu, %

<1,6 | 0,58 | 0,64 | 0,03 | 0,001 | 0,015 | 0,025 | 0,008 | 0,005 | 0,007

Результати реологічних досліджень у діапазоні температур 900-1200°С, швидкостей деформації 0,01-10 с-1 і величини умовної відносної деформації 0,6, що відповідають реальним умовам, наведені на рис. 1.

Рис. 1. Криві стиснення при температурі: а – 900°С; б – 1000°С; в – 1100°С;

г – 1200°С (1 – щ = 0,01 c-1; 2 – щ = 0,1 c-1; 3 – щ = 1 c-1; 4 – щ = 10 c-1)

Як видно на рис. 1, деякі криві стиснення зразків колісної сталі мають максимуми, що залежать при заданому температурному режимі деформування від ступеня деформації і швидкості деформації. Наступні дослідження реологічних властивостей металу при двостадійному навантаженні зі здійсненням різних пауз як до, так і після максимального зміцнення металу показали, що в цьому випадку за інших рівних умов максимум на кривій стиснення досягається при більш високому ступені деформації.

Результати досліджень при двостадійному навантаженні з різними паузами наведені в табл. 2.

Відносне зниження напру-ження плинності після паузи розраховано за формулою:

,

де 0,05 – опір деформації, що від-повідає умовній відносній дефор-мації 0,05 після паузи; mon – опором деформації при монотон-ному навантаженні.

Як видно з даних табл. 2 на величину знеміцнення металу впливають величина ступеню деформації на попередньому етапі і тривалість пауз. Застосування регресійного аналізу до даних з таблиці 2 дозволило одержати емпіричну залежність для прогнозу ступеню знеміцнення:

, (8)

де – варіанти перерозподілу умовної відносної деформації перед паузою, що варіювалися в інтервалі від 0,4+0,2 до 0,1+0,5 (сумарна відносна умовна деформація у всіх випадках становила 0,6); – варіанти тривалості паузи варіювалися в інтервалі від 2 до 6 с. Коефіцієнти у рівнянні (8) у кодованому вигляді.

При моделюванні зниження маси вихідної заготовки на ~5% прийнято з урахуванням фактичної величині угару металу при нагріванні заготовок (4%) і експериментальних значень збільшення його щільності (1,17%).

Виконано комп'ютерні дослідження положення нейтрального перерізу при багатопереходному об'ємному штампуванні на прикладі штампування заготовок коліс із плоскоконічним і S-подібним диском. Результати дослідження для коліс із плоскоконічним диском діаметром 957 мм приведені на рис. 2. Як видно на рис. 2 у процесі деформування заготовки нейтральний переріз (Rн) постійно змінює своє положення.

Рис. 2. Розрахункова зміна положення нейтрального перетину (Rн) відносно середини диска (Rср) в процесі формовки заготовки колеса діаметром 957 мм на пресі зусиллям 100 МН: а – осередок деформації; б – графік залежності положення нейтрального перетину від товщини диску (Н)

Розрахунок калібровок прокатного інструмента для дослідної схеми деформування виконувався за середнім значенням (Rн ср), що зміщується щодо середини диска колеса (Rср) убік маточини на 8-11% у залежності від розміру коліс із плоскоконічним диском і на 16% для коліс з S-подібним диском.

Проведеним факторним експериментом виявлено вплив на положення нейтрального перерізу ваги заготовок (Х1 = mmax/mnom), геометричних пара-метрів диска (Х2 = Lд/h) і величини розгонки пуансоном (Х3 = hп/Hп), де mmax – максимальна маса заготовки; mnom – номінальна маса заготовки; Lд – довжина диска; h – товщина диска; hп/Hп, де hп – товщина заготовки під пуансоном при розгонці; Hп – товщина заготовки перед розгонкою.

Застосування регресійного аналізу до результатів експерименту дозволило одержати емпіричну залежність Rн ср. від зазначених факторів:

Rн ср. = 219,4 + 1,94Х3 – 0,81Х2Х1 – 1,19Х1Х2Х3. (9)

Кодовані фактори варіювалися в інтервалі: Х1 – від –8 до +8; Х2 – від 4,75 до 7,6; Х3 – від 1,34 до 1,53.

Найбільш впливаючий фактор – величина розгонки пуансоном (Х3).

Використання формули (9) при розрахунках калібровки інструменту деформації дозволило здійснити бездефектне штампування заготовок коліс за дослідною технологією.

Аналізові піддані діюча (а) і дослідна (б) схема деформування заготовок діаметром 482 мм і 415 мм (рис. 3). Дослідна схема деформування заготовок здійснювалася з використанням на пресі зусиллям 50 МН дослідного штампа (рис. 3, б).

Рис. 3. Результати розрахунку формозміни і розподілу інтенсивності деформації на стадіях операцій: а – осадження і розгонка в кільці на пресі 50 МН (існуюча технологія); б – штампування на пресі 50 МН (дослідна технологія)

Основні параметри штампа були визначені з наступних умов:

D = Dгор – L, (10)

де Dгор – зовнішній діаметр гарячого колеса; L – величина розкочування ободу на колесопрокатному стані.

H = Hгор. + hст, (11)

де Hгор – ширина обода гарячого колеса; hст – величина обтиснення по ширині обода на колесопрокатному стані.

h = hд, (12)

де hд – товщина диска гарячого колеса.

Результати розрахунку розподілу ступеня логарифмічної деформації (?е), ступеня накопиченої деформації (е) і швидкості деформації (щ) по переходах на операціях штампування наведені в табл. 3.

Таблиця 3

Варіанти деформування колісної заготовки

№№

п/п | Схема штампування заготовки | Параметр | Прес 20

МН | Прес 50

МН | Прес 100

МН

1. | Діаметр 482 мм,

за існуючою технологією | e | 0,744 | 0,891 | 1,558

Д е | 0,744 | 0,147 | 0,667

щ, с-1 | 0,358 | 0,257 | 0,584

2. | Діаметр 415 мм,

за існуючою технологією | e | 0,995 | 1,315 | 1,834

Д е | 0,995 | 0,320 | 0,519

щ, с-1 | 0,344 | 0,148 | 0,98

3. | Діаметр 482 мм,

за дослідною технологією | e | 0,397 | 0,719 | 1,166

Д е | 0,397 | 0,322 | 0,447

щ, с-1 | 0,265 | 0,269 | 0,1763

4. | Діаметр 415 мм,

за дослідною технологією | e | 0,237 | 1,07 | 1,609

Д е | 0,237 | 0,833 | 0,539

щ, с-1 | 0,164 | 0,27 | 0,215

Ступінь логарифмічної деформації металу в центральній зоні ободу колеса на колесопрокатному стані за результатами моделювання становила 0,35 при швидкості деформації щ = 0,3 с-1. Ступінь логарифмічної деформації металу в центральній зоні ободу колеса на пресі зусиллям 35 МН по розрахунковим даним становила |0,014| при швидкості деформації щ = 0,42 с-1.

Як видно з наведених результатів розрахунку зміна як діаметра заготовки, так і технологічної схеми деформування заготовки пов'язані з істотними змінами деформаційних параметрів. Таким чином, за рахунок використання комп'ютерних програм Qform 2D (використовується на ВАТ “НТЗ” згідно з ліцензією Квантор софт, Росія) і FORGE 3 (використовувалась разом зі співробітниками Ченстоховського політехнічного університету в рамках договору про співпрацю з НМетАУ від 01.10.2002 р.) для розрахунку деформаційних параметрів заготовок залізничних коліс і отриманих кривих зміцнення колісної сталі з урахуванням впливу міждеформаційних пауз одержали подальший розвиток методи розрахунку технологічних процесів пластичної деформації і положення нейтральної поверхні плину металу при багатопереходному об'ємному штампуванні.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ПРОМИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАПРОПОНОВАНИХ РЕЖИМІВ ТЕХНОЛОГІЇ

ДЕФОРМУВАННЯ ЗАГОТОВОК КОЛІС

Вибір і обґрунтування режиму деформування залізничних коліс

Одним із ефективних рішень підвищення рівня механічних властивостей у центральній зоні ободу колеса є перерозподіл швидкісних і деформаційних параметрів по етапах деформування заготовки з урахуванням реологічних властивостей колісної сталі і впливу міждеформаційних пауз. Аналіз результатів фізичного моделювання процесу осадження заготовки і реологічних досліджень колісної сталі при одно- і двостадійному навантаженні, підтверджує правильність положення про доцільність розподілу ступеня деформації по проходах при багатопереходному штампуванні заготовки рівномірно або з убутним характером. Одночасно з цим, проведений аналіз дозволяє зробити висновок про доцільність збільшення швидкості деформації заготовки від переходу до переходу з метою одержання дрібнозернистої структури або субструктури динамічної полігонізації.

Аналіз розподілу деформаційних і швидкісних параметрів по етапах деформування колісної заготовки здійснювався за допомогою даних, що отримані при моделюванні процесу штампування і прокатки коліс діаметром 957 мм за ГОСТ 10791-2004, як за існуючою, так і за дослідною технологією. Дані розподілу швидкості деформації, ступеня логарифмічної деформації у центральній зоні ободу колеса наведені на рис. 4.

Рис. 4. Графіки зміни ступеня логарифмічної деформації (Дe) і швидкості деформації (щ) центральної зони ободу колеса на етапах деформування заготовок при різних схемах штампування

Зіставлення наведених даних і результатів досліджень реологічних властивостей колісної сталі з урахуванням впливу міждеформаційних пауз, дозволяє стверджувати, що вищевказаним критеріям більше відповідають дослідні режими деформування заготовки.

Результати експериментальних досліджень

Експериментальні дослідження впливу дослідних режимів деформування колісних заготовок на механічні характеристики металу центральної зони ободу колеса проводилися на пресовому і прокатному устаткуванні колесопрокатного цеху ВАТ "НТЗ" при виробництві коліс діаметром 957 мм за ГОСТ 10791-2004. Результати досліджень наведені на рис. 5.

Зіставлення експериментальних даних з результатами комп'ютерного моделювання дозволяє стверджувати, що запропонована схема розподілу швидкості і ступеня деформації по проходах при багатопереходному штампуванні колісної заготовки забезпечує поліпшення комплексу механічних властивостей металу в центральній зоні ободу колеса. При збереженні високого рівня межі міцності і відносного подовження приріст величини відносного звуження металу гарячекатаних коліс становить 6%. Аналогічно цьому приріст величини ударної в'язкості становить 6,7-17,5%. Зазначені тенденції зберігаються після термічного зміцнення ободів коліс.

Рис. 5. Зміна механічних характе-ристик зразків металу обода колеса після штампування заготовки за різними схемами

Виконано металографічні дослідження структури металу коліс за різними схемами і режимами деформування. Результати досліджень за допомогою аналізатора "Эпіквант" величини зерна термічно зміцнених коліс наведені в таблиці 4.

Таблиця 4

Середній розмір зерна за результатами випробувань

Варіант технології.

Розмір заготовки | Середній розмір істинного зерна d, мм

Існуюча технологія.

Заготовка 482 мм | 0,0389

Дослідна технологія.

Заготовка 482 мм | 0,0344

Дослідна технологія.

Заготовка 415 мм | 0,0345

Отримані результати зміни величини зерна цілком пояснюють зміну величини механічних характеристик.

Проведено оцінку енергосилових параметрів штампування. Середні значення експериментальних результатів виміру тисків у головних циліндрах пресів і значення сили штампування наведені в табл. 5.

Як видно з табл. 5, сила штампування на важконавантаженому пресі 100 МН у випадку виготовлення коліс за дослідною технологією нижче на 14,5-17,5% сили штампування, необхідної для виготовлення коліс за існуючою технологією.

Таблиця 5

Величина тиску в головних циліндрах і сили штампування

залізничних коліс діаметром 957 мм, ГОСТ 10791-2004

Схема деформування | Тиск в циліндрах, МПа | Сила штампування, МН

Прес 50 МН | Прес 100 МН | Прес 50 МН | Прес 100 МН

Заготовка діаметром 482 мм, існуюча схема | 26,5 | 24 | 41,16 | 75,3

Заготовка діаметром 482 мм,

дослідна схема | 26 | 20.5 | 40,35 | 64,4

Заготовка діаметром 415 мм,

дослідна схема | 27 | 19,7 | 42 | 62

Хронометражем установлено, що використання в "вузькому" місці – пресі силою 50 МН запропонованого штампа замість операції осадження і наступної розгонки в кільці дозволяє скоротити робочий цикл преса з 35 до 29 секунд, що підвищує продуктивність ділянки на 1-1,2%.

Таким чином, уперше встановлена залежність механічних властивостей (зокрема ударної в'язкості) колісної сталі від характеру розподілу по переходах швидкості деформації при багатопереходному об'ємному штампуванні залізничних коліс і підтверджений вплив розподілу ступеня деформації металу по переходах на механічні властивості колісної сталі. Одержало подальший розвиток експериментальне дослідження залежності навантаження на пресове устаткування від комплексного впливу температурних і деформаційних параметрів, реологічних властивостей колісної сталі, форми заготовки та інструмента при багатопереходному об'ємному штампуванні залізничних коліс.

ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ

Виконані дослідження та аналіз технології гарячого деформування колісних заготовок дозволив за особистою участю автора здійснити розробку і випробування в колесопрокатному цеху ВАТ "НТЗ" ряду технічних і технологічних рішень:

- технологію виготовлення суцільнокатаних залізничних коліс діаметром 957 мм за ГОСТ 10791-2004 з підвищеними пластичними і в'язкими характеристиками металу ободу колеса;

- збільшення продуктивності пресопрокатного устаткування колесопрокат-ного цеху ВАТ "НТЗ";

- оптимізацію експлуатаційних умов роботи пресового устаткування;

- розробку технології виготовлення тепловозних коліс діаметром 1098 мм за Стандартом залізниць Індії (IRS R-19/93) зі злитка малого діаметра (415 мм).

Удосконалювання технології виробництва

тепловозних коліс діаметром 1098 мм

При виробництві тепловозних коліс діаметром 1098 мм зі злитка діаметром 415 мм необхідно забезпечити приріст механічних властивостей, подрібнювання та ущільнення дендритної структури в центральній зоні ободу колеса в порівнянні з колесами, зробленими зі злитка діаметром
482 мм. Для забезпечення зазначених умов розроблені і досліджені деформаційний і швидкісний режими штампування заготовок (табл. 6).

Таблиця 6

Параметри штамповки заготовок

діаметром 415 мм

Найменування

устаткування | Параметри деформування

щ, с-1 | е | ?е

Прес 20 МН | 0,145 | 0,86 | 0,8

Прес 50 МН | 0,05 | 1,19 | 0,33

Прес 100 МН | 0,24 | 1,52 | 0,33

Так, збільшення ступеня деформації на пресі зусиллям 20 МН до 0,86 і її зниження на пресах 50 і 100 МН до 0,33 при збільшеному ступені накопиченої деформації до 1,52 на пресі 100 МН забезпечили приріст механічних характеристик, здрібнювання та ущільнення дендритної структури в центральній зоні ободу колеса.

Проведені дослідження показали, що колеса, виготовлені зі злитка діаметром 415 мм, мають більш високі механічні характеристики і дрібнодисперсну макро- і мікроструктуру в ободі в порівнянні з колесами, виготовленими зі злитка діаметром 482 мм (табл. 7).

Таблиця 7

Результати випробувань механічних властивостей

гарячекатаних коліс діаметром 1098 мм

Діаметр заготовки, мм | Механічні властивості обода

ув, Н/мм2 | д, % | Ш, % | НВ | КСU, Дж/см2

415 | 947 | 7,4 | 9,1 | 280 | 18

482 | 947 | 8,1 | 8,8 | 274 | 13,6

Отримані результати дозволили підвищити споживчі властивості залізничних коліс і визначити діаметр кристалізатора установки безперервного розливання сталі при проектуванні електросталеплавильного комплексу на ВАТ "НТЗ".

ВИСНОВКИ

У дисертації одержані теоретичне обґрунтування і нове вирішення науково-технічної задачі, яка полягає в дослідженні і розробці раціональної технології виготовлення залізничних коліс з підвищеним рівнем механічних властивостей, що враховує історію деформування заготовки і забезпечує скорочення числа операцій та зниження силових параметрів процесу.

1. На основі аналізу існуючого стану теорії, технології і практики виготовлення залізничних коліс і аналізу технічної літератури показано, що розробка раціональної технології виготовлення суцільнокатаних коліс, дослідження особливостей реологічних властивостей колісної сталі і впливу режимів деформації на механічні властивості сталі в центральній зоні ободу колеса з урахуванням історії деформування і міждеформаційних пауз, є актуальною.

2. Одержав подальший розвиток метод розрахунку технологічних процесів пластичної деформації при багатопереходному об'ємному штампуванні і прокатці залізничних коліс.

Встановлено, що зі зменшенням діаметра вихідної заготовки на 14% ступінь накопиченої деформації в центральній зоні ободу колеса збільшується на 15-17% залежно від схеми її деформування.

3. Уперше встановлено, що при багатопереходному об'ємному штампуванні і прокатці залізничних коліс режими деформації необхідно призначати таким чином, щоб швидкість деформації в центральній зоні ободу колеса мала зростаючий характер і була максимальною на завершальних переходах деформації.

Виявлені реологічні особливості колісної сталі, зокрема наявність знеміцнення до 23% в результаті динамічної і статичної рекристалізації. Установлено, що зростаючий характер розподілу швидкості деформації по переходам деформування колісної заготовки впливає на зростання механічних характеристик металу центральної зони ободу колеса.

4. Одержало подальший розвиток положення про необхідність розподілу деформації в центральній зоні ободу колеса по переходах об'ємного штампування і прокатки колісної сталі з убутним характером.

Встановлено оптимальні режими деформування колісної заготовки для різних форм заготовки і конфігурації штампів.

5. Одержало подальший розвиток експериментальне дослідження залежності навантаження на пресове устаткування від комплексного впливу температури, швидкості деформації, ступеня деформації, міждеформаційних пауз, реологічних властивостей колісної сталі, форми заготовки та інструмента при багатопереходному об'ємному штампуванні залізничних коліс.

Встановлено, що схема деформування впливає на силові параметри процесу що дає можливість знизити силу штампування на тяжконавантаженому пресі на 14,5-17,5%.

6. Одержав подальший розвиток метод розрахунку положення нейтральної поверхні плину металу при багатопереходному об'ємному штампуванні.

Встановлено залежність положення нейтральної поверхні при штампуванні залізничних коліс від ваги заготовок, геометричних параметрів диска, конфігурації диска і величини розгонки пуансоном. Залежно від позначених факторів середнє значення нейтральної поверхні зміщується щодо середини диска колеса на 8-16%.

7. Розроблена і прийнята до впровадження на ВАТ "НТЗ" раціональна технологія виготовлення коліс діаметром 957 мм за ГОСТ 10791-2004 з підвищеними механічними характеристиками. Приріст ударної в'язкості в ободах готових коліс становить 9% при збереженні високого рівня міцності, скороченні часу штампування в "вузькому" місці на 6 с і зниженні сили штампування на важко навантаженому пресі на 17,5% (Акт від 19.06.06 р.).

8. Розроблена і прийнята до впровадження на ВАТ "НТЗ" технологія виготовлення коліс діаметром 1098 мм для залізниць Індії за стандартом
IRS R-19/93 з підвищеним рівнем механічних характеристик металу обода
(Акт від 19.06.06 р.). Збільшення значень механічних характеристик металу в центральній зоні обода в порівнянні з існуючим рівнем становить: по відносному звуженню 15%; по ударній в'язкості 18%.

Основний зміст дисертації опублікований у роботах:

1. ОАО "Нижнеднепровский трубопрокатный завод" в свете современных мировых тенденций развития производства железнодорожных колес /
А.И. Козловский, В.П. Есаулов, А.В. Шрамко, Л.В. Голубева // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2004. – №1. – С. 8-13.

2. Исследование влияния деформационной обработки колесной заготовки на механические свойства железнодорожных колес / И.Г. Узлов, А.В. Бабаченко, А.В. Шрамко, В.А. Яровой, А.А. Миленин, В.А. Гринкевич, Ж.А. Дементьева, А.А. Кононенко // Металл и литье Украины. – 2005. – №9-10. – С. 54-57.

3. Совершенствование процесса штамповки заготовок железнодорожных колес с помощью математической модели / А.А. Миленин, В.Н. Данченко, А.В. Шрамко, Г.Н. Польский, В.А. Афанасьев // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. – №6. – С. 33-37.

4. Физическое моделирование многоступенчатой деформации стали в процессе прокатки заготовок железнодорожных колес / А.А. Миленин, А.В. Шрамко, А.Г. Ступка, В.А. Гринкевич, В.Н. Данченко // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. – №2. – С. 37-40.

5. Исследование течения металла при формовке железнодорожных колес /
А.В. Шрамко, В.А. Афанасьев, А.Г. Ступка, Д.В. Сорокин // Совер-шенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Тематич. Сб. научн. тр. – Краматорск: ДГМА, 2006. – С. 307-311.

Додатково одержані результати відображено у работах:

6. Современное оборудование и способы порезки слитков на отдельные заготовки железнодорожных колес и бандажей / Е.И. Шифрин, А.В. Шрамко, В.Л. Мережко, Л.В. Голубева // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2004. – №1. – С. 48-52.

7. Влияние горячей пластической деформации на механические свойства колесной стали / И.Г.Узлов, А.А. Бабаченко, Ж.А. Дементьева, А.В. Шрамко // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. – №2. – С. 56-58.

8. Пат. 74116 UA, МКИ В21J5/10, В21К1/28. Способ производства цельнокатаных железнодорожных колес / А.И. Козловский, А.В. Шрамко, В.Н. Данченко, И.Г. Узлов, Г.Н. Польский, Е.В. Горб, С.Э. Соловьев, Л.В. Чуприна, В.А. Гринкевич, А.И. Бабаченко, Л.В. Голубева; Заявл. 19.04.05; Опубл. 17.10.05, Бюл. № 10. – 3 с.

АНОТАЦІЯ

Шрамко О.В. Обґрунтування і розробка раціональної технології виготовлення залізничних коліс підвищеної якості з урахуванням історії деформування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси і машини обробки тиском. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена розвитку наукових основ процесу гарячого пластичного деформування сталі при багатопереходному об'ємному штампуванні і розробці раціональних режимів деформування з урахуванням комплексного впливу параметрів деформації, включаючи історію деформування. Удосконалено метод розрахунку технологічних процесів пластичної деформації при багатопереходному об'ємному штампуванні і прокатці залізничних коліс за рахунок обліку фізичних і технологічних особливостей цього процесу: зміни температури, накопиченої деформації, міждеформаційних пауз, реологічних властивостей і щільності колісної сталі, форми заготовки та інструмента, а також контактного тертя. Показано, що зростаючий характер швидкості деформації металу центральної зони ободу колеса до максимальних значень на останньому переході і монотонно убутний характер розподілу деформації по переходах сприяє збільшенню в'язких і пластичних характеристик при збереженні високого рівня міцності. Вперше в промислових умовах колесопрокатного цеху отримані експериментальні дані про енергосилові параметри при об'ємному штампуванні залізничних коліс по різних технологічних схемах. Удосконалено метод розрахунку положення нейтральної поверхні плину металу при багатопереходному об'ємному штампуванні з урахуванням використання методу кінцевих елементів.

Розроблена і прийнята до впровадження на ВАТ "НТЗ" раціональна технологія виробництва залізничних коліс діаметром 957 мм за ГОСТ 10791-2004 і технологія виготовлення коліс підвищеної якості діаметром 1098 мм по стандартах ІRS R-19/93.

Ключові слова: залізничні колеса, гаряча деформація, багатопереходне штампування, деформаційні та енергосилові параметри, історія деформування, механічні властивості.

АННОТАЦИЯ

Шрамко А.В. Обоснование и разработка рациональной технологии изготовления железнодорожных колес повышенного качества с учетом истории деформирования. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена развитию научных основ процесса горячего пластического деформирования стали при многопереходной объемной штамповке и разработке рациональных режимов деформирования с учетом комплексного влияния параметров деформации, включая историю деформирования, с обеспечением повышения качества изделия и минимизации производственных затрат.

Усовершенствован метод расчета технологических процессов пластической деформации при многопереходной объемной штамповке и прокатке железнодорожных колес за счет учета физических