Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.05 - “Процеси і машини обробки тиском”

Удосконалення ресурсозберігаючих технологічних процесів кування плит

Марков Олег Євгенійович

Краматорськ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Соколов Лев Миколайович Донбаська державна машинобудівна академія, професор кафедри “Обробка металів тиском”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, провідний науковий співробітник Бейгельзимер Яків Юхимович Фізико-технічний інститут Національної Академії Наук України, (м. Донецьк);

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Діамантопуло Костянтин Костянтинович Приазовський державний технічний університет доцент кафедри “Ковальсько-штампувальне виробництво” (м. Маріуполь).

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

Захист відбудеться "22" січня 2004р. о 1300 на засіданні спеціалізованої

ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій Донбаської державної машинобудівної академії за адресою: 84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, корпус 1.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії за адресою: 84313, Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, корпус 1.

Автореферат розісланий " 19 " грудня 2003р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01, д.т.н., професор О.В. Сатонін

1. Загальна характеристика роботи

кування дефект поковка собівартість

Актуальність теми. У сучасних умовах переходу до ринкової економіки для України важливим є розвиток галузей промисловості, у яких вона наближається до загальносвітового рівня. У першу чергу це металургія і важке машинобудування. Якість і ефективність продукції важкого машинобудування залежить від рівня заготівельного виробництва, зокрема від технології кування великих поковок зі зливків.

Серед великих поковок особливе місце займають поковки типу плит (столи верстатів, поперечки, днища, штампи для виготовлення деталей кузовів автомобілів). Традиційна технологія кування плит обумовлена такими енергоємними та трудомісткими операціями, як осаджування, розганяння, для яких характерні часті нагрівання та зміни інструмента. Це приводить до високої собівартості кованих поковок. Крім того, кування плит зі зливків характеризується несприятливим напружено-деформованим станом, що не сприяє усуненню дефектів металургійного походження (порожнини, пухкість) і високою нерівномірністю розподілу деформацій за перерізом поковки. Якість кованих плит залишається низькою, вони не відповідають вимогам Європейського стандарту за ультразвуковим і макроконтролем (SEP 1921). Відповідно до цього, удосконалення технологічних процесів кування плит є актуальною науковою проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає національній програмі пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки “Ресурсозберігаючі та енергоефективні технології машинобудування” вказаного в Постанові Кабінету Міністрів України № 1716 від 24.12.2001р. і науковому напрямкові однієї з провідних наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії (ДДМА) “Розвиток ресурсозберігаючих процесів обробки металів тиском на основі створення нових методик і аналізу закономірностей пластичного деформування”. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт (№ 0196U023528, 0102U004052, 0103U003514) відповідно до координаційних планів Міністерства освіти і науки України, на кафедрі “Обробка металів тиском” ДДМА.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення техніко-економічних показників процесу кування плит на основі розробки технологічних способів деформування профільованим інструментом.

Для досягнення мети були поставлені та вирішені наступні основні задачі:

проаналізувати існуючі технології і методи дослідження процесів кування плит, виявити шляхи їхнього удосконалення;

розробити загальну методику дослідження і програмне забезпечення з автоматизованого розрахунку процесів кування плит;

на основі теоретичного аналізу ресурсозберігаючих технологічних процесів кування плит установити раціональну геометрію інструмента і режими кування, які забезпечать інтенсивний плин металу у поперечному напрямку, рівномірний розподіл температур, деформацій, напружень у тілі заготовки і зниження зусилля деформування;

дати експериментальну оцінку одержаних теоретичних рішень і встановити залежності формозмінення заготовки в процесі кування за різних режимів деформування;

оцінити основні показники якості плит, одержаних за новою технологією кування на основі вивчення механізму усунення внутрішніх дефектів зливка та металографічних досліджень;

розробити і впровадити новий технологічний процес і оснащення для кування плит.

Об'єкт дослідження. Технологічний процес кування плит.

Предмет дослідження. Механізм формування напружено-деформованого стану й основні показники якості кованих плит.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень був покладений метод скінчених елементів (МСЕ) для визначення формозмінення, розподілу температур, деформацій, напружень, ресурсу пластичності і силових характеристик процесу. Експериментальні дослідження здійснювались на моделях з використанням методу координатних сіток, методу тензометрії, а також методу планованого експерименту. Для оцінки основних показників якості здійснювалось моделювання усунення внутрішніх дефектів, а також металографічні дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

вперше отримана кількісна оцінка напружено-деформованого стану, ступеня використання ресурсу пластичності для різної геометрії інструмента і режимів кування з урахуванням нерівномірності розподілу температур при куванні плит V-подібними бойками;

на основі теоретичного аналізу МСЕ визначена раціональна форма V-подібних бойків, що забезпечує інтенсивне розширення, рівномірний розподіл температур і деформацій за перерізом плити, мінімальне зусилля деформування, що дозволяє виключити операцію осаджування;

уперше, стосовно до технологічних процесів кування плит, що забезпечують інтенсивне розширення, з використанням планування експерименту, отримані регресійні аналітичні описи формозмінення, які дозволяють визначати розміри заготовки за розмірами поковки;

уперше визначена величина обтиснення, при якій відбувається усунення осьових дефектів при куванні V-подібними бойками, в залежності від величини подачі і геометрії інструмента.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

розроблено програми:

“Plates” для автоматизованого розрахунку процесу кування поковок прямокутного перерізу на основі МСЕ, що дозволяє розраховувати формозмінення, розподіл температур, деформацій, напружень, використання ресурсу пластичності й енергосилових параметрів;

“Coordinates” з автоматизованого вимірювання координат вузлів сітки, розрахунку і побудови полів деформацій;

складено рекомендації з проектування нової ресурсозберігаючої технології кування плит V-подібними бойками, а також з проектування і виготовлення оснащення для її здійснення;

розроблена й апробована нова технологія кування плит (позитивне рішення за заявкою № 200209725), що дозволяє підвищити якість поковок і знизити їхню собівартість за рахунок виключення енергоємної операції осаджування і пов'язаного з нею нагрівання (економічний ефект складає 56 грн на 1 тону поковок типу плит).

Результати дисертаційної роботи у вигляді нової технології, рекомендацій з її проектування, креслень спеціального оснащення і програмного забезпечення впроваджені на АТ “Новокраматорський машинобудівний завод” (“НКМЗ”) при куванні плити зі зливка масою 21 тонна стали 5ХНМ і прийняті до впровадження на АТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ).

Розроблені програми “Plates” і “Coordinates” використовуються у навчальному процесі на кафедрі “Обробка металів тиском” Донбаської державної машинобудівної академії (ДДМА) при вивченні дисциплін “Технологія кування”, “САПР технологічних процесів”, “Теорія ОМТ”, а також при виконанні студентами спеціальності 7.090404 “Обробка металів тиском” курсових, дипломних проектів і магістерських робіт.

Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні мети роботи та вирішенні основних завдань роботи. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, авторові належить вибір і розробка методик досліджень, створення програмного забезпечення, підготовка і проведення експериментів, аналіз і обґрунтування одержаних результатів, розробка нової технології, практичних рекомендацій і участь у її промисловому впровадженні.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на: Всеукраїнській науково-технічній конференції “Перспективні технології й устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (м. Краматорськ, 1999 - 2001); Міжнародній науково-технічній конференції “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском” (м. Вінниця, 2001); VI Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (м. Дніпропетровськ, 2002); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2002); Міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми механіки і фізико-хімії процесів різання, абразивної обробки і поверхневого пластичного деформування” (м. Київ, 2002); Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні способи автоматизації і комп'ютерно-інтегровані технології” (м. Краматорськ, 2003); Міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2003); науково-технічних радах АТ “НКМЗ”, АТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ, 2003); щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (м. Краматорськ, 1999-2003); розширеному науковому семінарі кафедри “Обробка металів тиском” ДДМА (м. Краматорськ, 2003).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 15 друкованих працях, з них 9 у 8 фахових виданнях з науково-технічної тематики, отриманий 1 патент України і 1 позитивне рішення на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 281 сторінок, у тому числі 147 сторінок основного тексту, 102 малюнки на 58 сторінках, 5 таблиць на 2 сторінках, список використаних джерел з 253 найменувань на 27 сторінках і 9 додатків на 47 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність розв'язуваної проблеми, наведена загальна характеристика роботи, її зв'язок з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета і задачі дослідження. Подається характеристика наукової новизни, практичного значення одержаних результатів, а також їхньої апробації і промислового використання.

СТАН ПИТАННЯ

У розділі проаналізовані існуючі технології кування великих плит, методи вивчення формоутворення і напружено-деформованого стану.

Відомо понад 50 способів кування поковок прямокутного перерізу. Усі вони спрямовані на забезпечення певного технічного ефекту: зниження витрат металу, одержання інтенсивного розширення заготовки, підвищення якості металу, розширення технологічних можливостей та інше. Це досягається за рахунок збільшення кількості операцій і застосування складного ковальського інструмента, що приводить до збільшення собівартості плит.

Традиційна технологія кування плит складається з наступних основних операцій: білетування, осаджування, розганяння, кування плоскими бойками. Для здійснення заданої технології необхідно провести 3-5 нагрівань заготовки, 5-8 змін інструмента для реалізації 5-7 технологічних операцій. Застосування великої кількості операцій не забезпечує належного пророблення металу зливка й усунення його дефектів. Як результат, такі поковки не відповідають вимогам з ультразвукового контролю, а саме, у центральній зоні плити залишаються порожнини, пухкість і великі неметалеві включення. В основному це пов'язано з тим, що при осаджуванні зливка в осьовій дефектній зоні заготовки виникають розтягуючі напруження, які розосереджують неметалічні включення в об'ємі заготовки і розтягують пухкість і пори в радіальному напрямку. Наступні операції (розганяння і протягування плоскими бойками) не забезпечують повного усунення дефектів, розтягнутих після осаджування. Крім того, кування плоскими бойками характеризується утворенням недеформованих зон, що контактують з інструментом. Можна зробити висновок, що застосування операції осаджування при куванні плит погіршує якість центральної зони поковки.

Важливою проблемою при куванні плит є керованість параметрами формозмінення, тому що метал має можливість вільно переміщуватись у двох напрямках: уздовж і поперек вісі заготовки. Це ускладнює вибір розмірів вихідної заготовки і прогнозування кінцевих розмірів поковки.

Для дослідження процесів кування використовуються різні теоретичні та експериментальні методи. Більшість з них не враховують: нелінійність властивостей матеріалу, який деформується, наявність тертя, нерівномірність розподілу температур і деформацій, граничну пластичність матеріалу і дію знеміцнюючих процесів, що відбуваються при гарячій деформації.

Зроблено висновок, що існуючі технології кування плит неефективні і неконкурентоспроможні. Поширене використання на машинобудівних заводах автоматично-ковальських комплексів (АКК) вимагає розробки програм автоматизованого розрахунку для проектування процесів кування. На підставі цього були поставлені мета і задачі дослідження.

Перспектива розвитку технології кування плит - заміна операції осаджування куванням профільованим інструментом, який забезпечить інтенсивне розширення заготовки, усунення внутрішніх дефектів, рівномірний розподіл температур, деформацій і напружень у тілі поковки. До такої технології належіть кування плит V-подібними бойками, яка розроблена на кафедрі ОМТ ДДМА. Напрямок дослідження - встановлення впливу геометрії бойків і термомеханічних режимів кування на формозмінення, напружено-деформований стан (НДС), пророблення структури металу, ресурс пластичності й усунення внутрішніх дефектів зливків при куванні V-подібними бойками.

ВИБІР НАПРЯМКУ І МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ КУВАННЯ ПЛИТ

Після аналізу існуючих теоретичних методів дослідження процесів кування встановлено, що для визначення формозмінення, НДС, ступеня використання ресурсу пластичності, нерівномірності розподілу температур і силових характеристик процесу доцільним є використання методу скінчених елементів (МСЕ). Метод дозволяє визначити НДС для будь-якої точки заготовки, з урахуванням нелінійності властивостей матеріалу, нерівномірності розподілу температур, процесів знеміцнення металу, що характерно для процесів кування. Основні припущення: розглядався плоско-деформований стан, коефіцієнт тертя приймався сталим, не враховувався вплив жорстких зон, матеріал розглядався як ізотропний й однорідний, швидкість деформування стала в процесі деформування.

У розділі розглянута основна методика експериментальних досліджень. Для перевірки результатів теоретичного дослідження за формозміненням використовували метод моделювання на свинцевих і сталевих зразках на основі законів геометричного та фізичного моделювання з використанням планування експерименту.

Методом координатних сіток визначався розподіл деформацій при моделюванні процесів кування за традиційною та новою технологією.

Для визначення впливу V-подібних бойків на основні показники якості розглянуті методики моделювання закриття внутрішніх дефектів та металографічних досліджень.

Для теоретичних досліджень були визначені фізико-механічні властивості матеріалу, що досліджується - зміцнення і гранична пластичність. Ці властивості залежать від температурно-швидкісних умов (Т, о), ступеня деформації () і показника напруженого стану (П). Після планування експерименту за типом ПФЕ 33 проводилися дослідження на розтягування й осаджування при різних температурах і швидкостях деформації і визначалися відповідні залежності:

, .

ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ КУВАННЯ ПЛИТ V-ПОДІБНИМИ БОЙКАМИ

На основі МСЕ була розроблена програма “Plates” з моделювання процесів кування. Розрахунок вівся таким чином. Після дискретизації заготовки розраховується розподіл температур, що дає можливість врахувати зміну властивостей матеріалу при зміні температури. Далі визначають деформації і напруження для кожного елемента і перевіряється ступінь використання ресурсу пластичності. Для визначення температур використовувалася система диференціальних рівнянь теплопровідності в суцільному середовищі для нестаціонарного випадку. Так як процес симетричний, то розглядалась половина поперечного перерізу заготовки. Для дискретизації використовувався квадратичний восьмивузловий елемент.

У розділі, з використанням розробленої програми, розглядаються традиційна технологія кування плит плоскими бойками та способи кування V-подібними бойками. В останньому способі варіювалися кути вирізів бойків - 900, 1200, 1500 і радіуси скруглення вирізів R=(0,3-0,5-0,7)Do. Після визначення раціональних кутів вирізів і радіусів скруглення, з погляду рівномірного розподілу деформацій і відсутності зовнішніх дефектів форми (утягнень, скосів, затисків), проводилося дослідження напруженого стану і ступеня використання ресурсу пластичності. Результати програми тестувалися на прикладі поперечного кування циліндричної заготовки плоскими бойками. Отримано високу збіжність теоретичної й експериментальної деформованої сітки за однакових умовах деформування. Дослідження показало, що для традиційної технології кування плит характерна висока нерівномірність розподілу деформацій за перерізом заготовки, осередок деформації займає лише 60% перерізу поковки. Інша зона залишається непродеформованою. Використання V-подібних бойків при куванні плит, навпроти, забезпечує локалізацію максимальних деформацій в поверхневих шарах заготовки. Для різних комбінацій кутів вирізів і радіусів скруглення бойків характерно те, що осередок деформації локалізується під опуклим бойком і поширюється до вирізу нижнього бойка під прямим кутом.

Підвищити рівномірність розподілу температур і деформацій можна, застосувавши проміжне кантування V-подібної заготовки на 1800 і вивертаючи її в протилежний бік з наступним виправленням плоскими бойками. Перемінне утискування опуклого бойка у верхню і нижню частину поковки і подвійний знакозмінний вигин зменшують “застійні” зони. Визначений раціональний кут вирізу бойків , та радіус скруглення вирізів R=0,5Dо. Менші радіуси скруглення збільшують нерівномірність розподілу деформацій, більші - сприяють утворенню утягнень і затисків при куванні плити.

При використанні такої технології відбувається локалізація максимальних деформацій в середній за висотою плити зоні. При зменшенні кутів вирізів бойків відбувається збільшення нерівномірності деформацій і утворення у кутах утягнень і скосів при куванні поковки. Осередок деформації займає приблизно 85% площі поперечного перерізу. Зміна поверхонь контакту заготовки з інструментом після кантування сприяє рівномірному охолодженню поверхні поковки. Зусилля деформування приблизно на 20% менше, а розширення на 35% більше, ніж при куванні плоскими бойками. За результатами теоретичного дослідження розроблені основні переходи при куванні плит V-подібними бойками і геометричні параметри оснащення для її реалізації.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ КУВАННЯ ПЛИТ V-ПОДІБНИМИ БОЙКАМИ

Перевірка вірогідності результатів теоретичного дослідження за формозміною проводилася експериментально на свинцевих і сталевих зразках діаметром 36 мм, використовуючи закони геометричного та фізичного моделювання на основі планування експерименту за типом ПФЕ 32. Залежною величиною є коефіцієнт розширення. Основні фактори, які впливають на коефіцієнт розширення - величина подачі і ступінь деформації. Рівняння регресії від цих факторів визначалися для різної геометрії інструмента - кута вирізів і радіусів скруглення V-подібних бойків. Отримані результати порівнювалися з залежністю розширення від подачі і ступеня деформації для традиційної технології кування плоскими бойками. Величина подачі Х1 варіювалася в діапазоні (0.30.50.7)Do, ступінь деформації Х2 також (0.30.50.7)Do, де Do - діаметр вихідної заготовки. Кути вирізів бойків 6090120. Радіуси скруглення вирізних бойків приймалися рівними 0,3 і 0,5 від Do, а опуклих визначалися за формулою:

(де H - висота плити).

Дослідження формозмінення на моделях дозволили одержати регресивні рівняння, які описують залежність відносного розширення ВК/Do від механічних режимів кування для різних кутів вирізів V-подібних бойків і радіусів скруглення вирізів. Ці рівняння дозволяють розрахувати розміри заготовки за відомими розмірами прямокутної поковки. Встановлено, що значно впливає на розширення величина подачі, однак великі подачі приводять до нерівномірності форми поковки в плані.

Підтверджуються результати теоретичного дослідження, а саме те, що використання для кування плит V-подібних бойків забезпечує розширення на 35% більше, ніж при деформуванні плоскими бойками. Раціональним, з погляду максимального коефіцієнту розширення, також є кут вирізу бойків і радіус скруглення вирізу бойка, який дорівнює радіусу заготовки. Використання опуклого бойка забезпечує зниження зусилля деформування в порівнянні з куванням на плоских бойках приблизно на 20%, як це було розраховано теоретично. На величину зусилля впливає радіус скруглення і кут вирізу опуклого бойка.

Для перевірки вірогідності результатів деформованого стану, розрахованих МСЕ, використовувався метод координатних сіток. Визначення компонентів і інтенсивності логарифмічних деформацій здійснювалося за методикою І.П. Ренне. Координатна сітка наносилася в екваторіальному перерізі заготовки з кроком 1,5 мм. Результати, що описують деформований стан, збігаються з МСЕ з точністю 10-15%.

Дослідження впливу нової технології кування плит на усунення внутрішніх дефектів заготовки проводилося моделюванням закриття штучних осьових дефектів на сталевих і свинцевих зразках. Дефект являв собою осьове свердління в зразку сталі 40Х, діаметром dотв=0,1Do. Для більшої реалістичності і видалення кисню з дефекту його засипали висвердленою стружкою і закупорювали різьбовою пробкою. Після нагрівання заготовки до температури 1150С і деформування розрізали зразки в місці розташування дефектів і проводили металографічні дослідження. Дослідження показало, що при подачах, менших за радіус заготовки, дефект закривається інтенсивніше, ніж при великих. При куті вирізу бойків, що дорівнює дефект закривається повністю при обтисненнях на 7% менших, ніж . Спосіб кування плит у V-подібних бойках забезпечує виникнення в осьовій зоні стану нерівномірного стиску. Це сприяє тому, що дефект не розкривається на всіх подальших переходах кування. Металографічні дослідження підтверджують повне заварювання штучного дефекту в сталевому зразку при гарячому деформуванні. Також відбувається подрібнювання розмірів зерна на 2-3 бали в порівнянні з недеформованою структурою. Розміри сталевих зразків після деформації збігаються з розмірами свинцевих за тих самих умов деформування з точністю 5-7%. Це дає підставу вважати отримані залежності з формозмінення на свинці придатними для розрахунків розмірів сталевих поковок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Визначено, що використовуючи спосіб кування плит V-подібними бойками, можна виключити операцію осаджування з технологічного циклу.

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ КУВАННЯ ПЛИТ

У розділі розроблена нова технологія і методика проектування процесу кування плит V-подібними бойками, на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень. Розроблена промислова технологія й оснащення для кування плит V-подібними бойками на автоматизованому кувальному комплексі АКК-100 МН (АТ “НКМЗ”). Кування здійснювалось зі зливка масою 21 т марки 5ХНМ. Промислова апробація підтвердила вірогідність проведених досліджень і прийнятих технічних рішень.

Нова технологія дозволила скоротити загальний час кування на 15%, зменшити число нагрівань заготовки з 3 до 2 за рахунок виключення операції осаджування і розганяння. Застосування опуклого бойка приводить до зменшення зусилля деформування і можливості використання устаткування меншої потужності.

Результати ультразвукового контролю підтвердили високе і рівномірне пророблення металу, усунення внутрішніх дефектів зливка. Відсутність внутрішніх дефектів у поковці пояснюється станом нерівномірного стискання при куванні V-подібними бойками. Виготовлена поковка відповідала технічним умовам. Розроблена технологія забезпечує необхідну ширину без осаджування зливка.

Економічний ефект складає 56 грн. на 1 тонну поковок типу плит. Апробація у промисловості довела, що розроблена технологія кування плит V-подібними бойками є ресурсозберігаючою, та підвищує якість поковок. Розроблена технологія впроваджена на АТ “НКМЗ” і АТ “Енергомашспецсталь”. Запропонована технологія захищена позитивним рішенням за заявкою на патент № 2002097259.

Висновки

1 Аналіз технологій кування плит показав, що існуючі способи кування містять операцію осаджування або інші енергоємні операції, що збільшують собівартість кованих плит і не поліпшують їх якість. Застосування способів кування плит, що забезпечують інтенсивне розширення, дозволяють виключити операцію осаджування. Встановлено, що найбільше розширення досягається при використанні кування циліндричної заготовки опуклим бойком.

2 На основі МСЕ розроблена програма “Plates” з моделювання процесів кування, для розрахунку полів температур, деформацій, напружень, ступінь використання ресурсу пластичності, зусилля деформування і формозмінення при куванні плит.

3 Теоретичне дослідження процесів кування плит на основі розробленої програми показало, що деформування V-подібними бойками забезпечує підвищене пророблення поверхневих і центральної зон заготовки. Раціональними з погляду рівномірності розподілу деформацій є кути вирізів бойків ? 120, а радіуси скруглення вирізів бойків . Величина подачі повинна складати приблизно половину діаметра заготовки. Використання перемінного деформування опуклим бойком верхньої і нижньої частини поковки і подвійний знакозмінний вигин також сприяє рівномірному розподілу деформацій і температур. Осередок деформації в цьому випадку займає приблизно 85% площі поперечного перерізу поковки.

4 Експериментально визначені залежності формозмінення для традиційної і нової технологій кування плит, що дозволяють установити розміри заготовки за розмірами поковки. Результати теоретичних розрахунків підтверджуються експериментом. Підтверджено, що використання V-подібних бойків для кування плит забезпечує розширення на 35% більше, у порівняні з куванням на плоских бойках при кутах вирізів бойків у районі 120 і радіусі скруглення вирізного бойка, який дорівнює радіусу заготовки. Встановлено, що використання способів кування через V-подібний профіль знижує зусилля деформування в порівнянні з куванням на плоских бойках. Так при сумарному обтисненні заготовки на 70% зусилля знижується приблизно на 20%. Використання V-подібних бойків дозволило виключити операцію осаджування заготовки, проводити кування на менш потужному устаткуванні та розширити типорозміри виготовлених плит.

5 Доведено, що на механізм закриття осьових дефектів впливає: по-перше, величина подачі - при подачах дефект закривається інтенсивніше, ніж при ; по-друге, кут вирізу бойків - при = 90є змикання дефекту відбувається при обтисненні на 7% менше, ніж при куті = 120є. При куванні плит через V-подібний профіль з проміжним кантуванням відбувається повне заварювання внутрішніх дефектів і подрібнення розмірів зерна на 2-3 бала у порівнянні з недеформованою структурою.

6 Розроблено новий технологічний процес кування плит V-подібними бойками і конструкція оснащення для реалізації даної технології є універсальною для різних типорозмірів плит. Ця технологія кування плит дозволяє виключити найбільш енергоємну операцію осаджування заготовки, трудомістку операцію розганяння вузьким бойком і пов'язані з ними нагрівання у результаті знижується загальний час кування на 15%. Технологія кування плит V-подібними бойками впроваджена на АТ “НКМЗ” і прийнята до впровадження на АТ “Енергомашспецсталь”. Промислове кування плити дало підставу вважати отримані залежності для вибору заготовки і формозміні придатними для розрахунків технологічних процесів. Одержувані властивості відповідають технічним умовам поковки. Економічний ефект від впровадження технології на АТ “НКМЗ” складає 56 грн. на 1 тонну поковок типу плит.

Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Соколов Л.Н., Марков О.Е., Станков В.Ю. Уширение при ковке плит // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Темат. зб. наук., пр. - ДДМА, Краматорськ, 2000. - с. 168-170.

2. Марков О.Е., Соколов Л.Н. Распределение деформаций при ковке плит // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Темат. зб. наук., пр. - ДДМА, Краматорськ -Слов'янськ, 2000. - с.276-278.

3. Марков О.Е. Решение задач пластического деформирования МКЭ // Металургійна та горно рудна промисловість. - Дніпропетровськ, 2002, №8-9 - с. 563-566.

4. Соколов Л.Н., Марков О.Е. Распределение деформаций при ковке поковок прямоугольного сечения для схемы протяжки круг -уголок-пластина // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Темат. зб. наук., пр. - ДДМА, Краматорськ, 2001. - с.341-346.

5. Соколов Л.Н., Марков О.Е., Близнюк С.А.. Анализ вариантов ковки плит // Ресурсозберігаючі технології матеріалів у машинобудуванні. Зб. наук., пр., Луганськ, - 2002. - с.109-114.

6. Марков О.Е., Соколов Л.Н., Близнюк С.А. Матрица физических свойств для МКЭ при решении задач горячего пластического деформирования // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - ДДМА, Краматорськ, 2002. - с.270-275.

7. New technological process of manufacture of forged pieces such as plates / Sokolov L.N., Aliew I.S., Markov O.E., Oleshko V.M.// Nowe technology i osiagniecia w metalurgii i inzynierii materialovey. - Seria Metalurgia, №31 - Czestochowa, 2003, P. 131-137.

8. Исследование термомеханических режимов ковки прокатных валков / В.В. Савицкий, О.Е. Марков, И.Г. Савчинский, С.А. Близнюк // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - ДДМА, Краматорськ, 2003. - с.309-311.

9. Сравнительный анализ вариантов изготовления поковок типа пластин / Л.Н. Соколов, О.Е. Марков, М.В. Протеняк, В.М. Олешко // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Темат. зб. наук., пр. - ДДМА, Краматорськ, 2002. - с.75-80.

10. Соколов Л.Н., Марков О.Е. Распределение деформаций при ковке поковок пластин в комбинированных бойках. // Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением: Сб-к науч. тр., ч. 1 - Тула. 2001. - с.96-101.

11. Смития А.Л., Марков О.Е. Исследование и усовершенствование технологического процесса ковки заготовок из нержавеющих сталей // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Темат. зб. наук., пр. - ДДМА, Краматорськ, 2001. - с.347-350.

12. Марков О.Е., Соколов Л.Н. Определение напряженно-деформированного состояния для схемы протяжки круг -уголок-пластина // Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском. Зб. тез доповідей міжнародної наукової технічної конференції. - Вінниця, - 2001. - с.88-89.

13. Марков О.Е., Соколов Л.Н., Близнюк С.А. Матрица физических свойств для МКЭ при решении задач горячего пластического деформирования // Сучасні проблеми механіки и фізико-хімії процесів різання, абразивної обробки та поверхневого пластичного деформування: Матер. Міжнародної наук. конф.. - Київ - 2002. - с.107-109.

14. Пат. 54801 А Україна, МКИ5 B 21 J1/00. Ковальський зливок / І.С. Алієв, О.Є. Марков, Б.О. Михайленко, В.М. Олешко, Л.М. Соколов (Україна). - №2002043106; Заяв. 16.04.02. Опубл. 17.03.2003. Бюл. №3.

15. Пат. Україна. Спосіб виготовлення поковок типу пластин / І.С. Алієв, С.А. Близнюк, О.Є. Марков, Б.О. Михайленко, Л.М. Соколов (Україна). (Заявка № 2002097259; Заявл. 6.09.02. Позитивне рішення 21.04.2003).

Анотація

Марков Олег Євгенійович. Удосконалення ресурсозберігаючих технологічних процесів кування плит. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2003 р.

Дисертація спрямована на удосконалення технології і розробку оснащення для кування плит з метою зниження собівартості і підвищення якості поковок, отриманих куванням зі зливків.

Теоретичні дослідження на основі методу скінчених елементів (МСЕ), дозволили встановити раціональну геометрію інструмента і режими кування, що забезпечують: рівномірний розподіл температур і деформацій за перерізом поковки, зниження зусилля деформування і інтенсивне розширення заготовки в порівнянні з традиційною технологією, збереження суцільності матеріалу заготовки в процесі кування. До такої технології відноситься спосіб кування плит V-подібними бойками з проміжним кантуванням заготовки на 180, вивороту її в протилежний бік і подальшим виправленням плоскими бойками.

Проведені експерименти дозволили встановити залежності для вибору розмірів вихідної заготовки за розмірами поковки і підтвердити результати теоретичного дослідження. Металографічні дослідження показали, що штучні дефекти після кування за новою схемою усуваються цілком.

Ключові слова: зливок, поковка, плита, напружено-деформований стан, ресурс пластичності, розподіл деформацій, V-подібні бойки, осаджування, метод скінчених елементів.

Аннотация

Марков Олег Евгеньевич. Совершенствование ресурсосберегающих технологических процессов ковки плит. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2003 г.

Диссертация направлена на совершенствование технологии и разработку оснастки для ковки плит, с целью снижения себестоимости и повышения качества получаемых поковок.

В работе показано, что для традиционной технологии ковки плит характерны низкое качество и большие затраты энергии и труда. Рассмотрены основные способы ковки плит, все они направленные на: снижение расхода металла, интенсивное уширение, расширение технологических возможностей и повышение качества. Однако, эти технологии имеют ряд серьезных недостатков и не нашли широкого распространения в тяжелом машиностроении. Основным недостатком является использование операции осадки, которая увеличивает трудоемкость, энергозатраты и ухудшает качество осевой зоны поковок. Проанализированы основные методы расчета процессов ковки. На основании проведенного анализа сделан вывод, что существующие решения не учитывают большое число факторов, которые существенно влияют на формоизменение и напряженно-деформированное состояние при ковке. Поэтому, решение вопросов повышения технико-экономических показателей процессов ковки плит является актуальной задачей.

Разработана программа на основе метода конечных элементов (МКЭ) для компьютерного моделирования процессов ковки. Выполнены теоретические исследования, установлены рациональная геометрия инструмента и режимы ковки, которые обеспечивают: равномерное распределение температур и деформаций по сечению поковки, снижение усилия деформирования и увеличение уширения по сравнению с традиционной технологией, сохранение сплошности материала заготовки при ковке. К такой технологии относится способ ковки плит V-образными бойками с промежуточной кантовкой заготовки на 180є, выворота ее в противоположную сторону и дальнейшей правкой плоскими бойками.

Проведенные эксперименты позволили установить зависимости для выбора размеров исходной заготовки по размерам поковки и подтвердить результаты теоретического исследования. Распределение деформаций по методу координатных сеток аналогичны тем, что получены по МКЭ. Это подтверждает достоверность полученных теоретических результатов, полученных компьютерным моделированием процессов ковки. Рациональными, с точки зрения равномерного распределения деформаций, напряжений, температур, интенсивного уширения являются углы вырезов бойков = 120, радиусы скругления вырезов .

Применение V-образных бойков для ковки плит обеспечивает снижение усилия деформирования. Исследовался механизм закрытия внутренних дефектов при ковке плит по новой технологии. Металлографические исследования показали, что дефект после ковки по новой схеме заварился полностью.

Даны рекомендации и разработана методика проектирования технологического процесса ковки плит V-образными бойками. На основе предложенной методики разработана технология и оснастка для ковки плит на автоматизированном ковочном комплексе АКК-100 МН (АО “НКМЗ”). Полученные результаты соответствуют расчетным, что подтверждает достоверность проведенных исследований и принятых технических решений. Разработанная технология обеспечивает получение требуемой ширины плиты без осадки слитка, что позволило сократить общее время ковки на 15%, исключить один нагрев заготовки и уменьшить затраты энергии на деформирование. Качество, откованной плиты, соответствовало техническим условиям, предъявляемым к поковке.

Ключевые слова: слиток, ковка, плита, напряженно-деформированное состояние, ресурс пластичности, распределение деформаций, V-образные бойки, осадка, метод конечных элементов.

Abstract

Markov O.E. The perfection of resource-saving technological processes of plate forging. - Manuscript.

The thesis for the competition of academic degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.03.05. - The processes and machines of plastic working. - The Donbass State Engineering Academy. Kramatorsk, 2003.

The thesis is directed to the perfection of technology and development of setup for plate forging with the purpose of cost saving and improving of derivable forgings.

Theoretical investigations on basis of finite-element method (FEM) allowed to determine the rational geometry of forging instrument and conditions, which provide: uniform cross-section temperature and strain distribution in a forged piece, lowering of deformation force and widening increase in comparison with the traditional technology, conservation of the continuity of billet material during forging process.

The following method refers to this technology: the mode of plate forging by V-drivings with intermediate billet canting in 180?, its inversion in the opposite side and further flattening by flat drivings.

The conducted experiments allowed determining the dependence for the choice of incoming billet sizes according to forging sizes and confirming the results of theoretical investigation. Metallographic investigations showed that the artificial flows are rectified completely after forging according to the new scheme.

Key words: ingot, forging, plate, intensive widening, mode of deformation, plasticity lifetime, strain distribution, V-drivings, upset, finite-element method.

Размещено на Allbest.ru