Методи прямого вирішення крайових задач обробки металів тиском та удосконалення технології кування і штампування

За результатами моделювання було показано, що запропонована вихідна заготовка і розроблене штампове оснащення забезпечують одержання необхідної проміжної заготовки під наступне розкочування і калібрування. Далі була проведена дослідна прокатка центрів 815 мм на кільце-бандажній лінії. Аналіз результатів показав, що розміри чорнових заготовок, у цілому, відповідають необхідним розмірам, що прогнозовані за результатами комп'ютерного моделювання. Контроль механічних властивостей виробів, підданих термічній обробці, задовольняє вимогам ТУ У 27.1-4-509-2001. Разом з тим, товщина диска, закладена в калібрування, істотно перевищувала необхідну. Було проведене відповідне коректування калібрування штампів, і обрана заготовка зі зменшеною висотою. Потім було проведено комп'ютерне моделювання штампування центрів з товщиною диска 30 мм. Результати розрахунків показали, що досягнення необхідних розмірів можливо.

Зменшення припусків, а отже, і маси вихідної заготовки з 397 до 360 кг, тобто на 9.3%, дозволило одержати необхідні розміри чорнового виробу. Крім того, використання комп'ютерного моделювання кувальних і штампувальних операцій дозволяє знизити кількість дослідних штампувань залізничних коліс у середньому на 50%. Економічний ефект від зменшення припуску на механічну обробку (на вказаному виробі) та зменшення дослідних штампувань склав 45281 грн. (акт від 15.12.2005 р.).

Комп'ютерне моделювання і розробка технології кування залізничних коліс особливо малого діаметра. Істотний інтерес представляють також особливо малі залізничні колеса з діаметром поверхні катання 350-400 мм. Основна конструктивна особливість цих коліс полягає у відсутності диска; маточина й обід являють собою єдине ціле. Оскільки форма таких коліс досить проста, то привабливою виглядає розробка технології їхнього виробництва в умовах цехів вільного кування.

Варто підкреслити одну важливу особливість роботи таких коліс: через приблизно вдвічі менший діаметр частота їхнього обертання буде приблизно вдвічі більше, ніж у звичайних залізничних коліс за умов однакового пробігу. Тому до них повинні пред'являтися підвищені вимоги по механічним властивостям. Цього можна досягти декількома способами: використовувати інші марки стали (застосування високолегованих марок істотно підвищить собівартість колеса); застосовувати інші режими термообробки (промисловий досвід показує, що ресурси цього способу практично вичерпані); підвищити пророблення металу ободу.

Для розробки технології кування цих коліс було проведено математичне моделювання формозмінних операцій. Зокрема, було змодельовано кілька технологічних схем кування. Основним критерієм оптимізації була прийнята накопичена деформація по перетину колеса, в цілому, і по поверхні катання, зокрема. За результатами моделювання в якості оптимального був обраний наступний варіант: осадка заготовки висотою 520 мм і діаметром 220 мм до висоти 225 мм у підкладному кільці; закрите прошивання суцільним пуансоном з діаметром 100 мм до товщини перемички 45 мм; кантування заготовки і пробивання отвору; штампування в підкладних штампах до одержання поковочних розмірів.

Накопичена деформація по перетину колеса лежить в інтервалі 0,20…7,25, а по поверхні катання - у межах 0,75…1,52 (у середньому 1,14). Варто також зазначити, що при штампуванні залізничних коліс великого діаметра зі злитків сумарні ступені деформації в зоні обода досягають значень 1,2…1,8. Оскільки для виготовлення коліс малого діаметра рекомендується використовувати прокат, то досягнутий ступінь пророблення металу можна вважати задовільним.

Розроблена технологічна схема включена в проект технології виробництва особливо малих залізничних коліс в умовах ковальсько-пресового цеху ВАТ “Сумське машинобудівне науково-виробниче об'єднання ім. М.В. Фрунзе” (довідка від 13.11.2005 р.).

Використання деформації на гарячому розділовому шарі в промислових процесах об'ємного штампування. За своїми теплофізичними властивостями більшість титанових сплавів та жароміцних сталей істотно відрізняється від вуглецевих сталей, зокрема, їхня теплопровідність у кілька разів нижче. При гарячій пластичній обробці це призводить до появи великих температурних градієнтів у приконтактних шарах металу і, як наслідок, до істотної нерівномірності макро-, мікроструктури та механічних властивостей. Рівною мірою це відноситься і до високолегованих жароміцних сталей.

В даний час існує кілька підходів до рішення проблеми зменшення зовнішнього теплообміну при гарячій деформації матеріалів такого роду, наприклад, використання теплових екранів, зокрема, скло-мастильних покрить, організація процесу деформації в ізотермічному режимі. Одним з перспективних способів зниження контактного теплообміну є застосування активних теплових екранів, зокрема, екзотермічних мастил.

Було проведено комплексне промислове випробування екзотермічних мастил на сольовій основі при гарячому об'ємному штампуванні і прокатці в умовах ковальсько-пресового цеху Казанського моторобудівного виробничого об'єднання (Російська федерація). Зокрема, при штампуванні важеля механізму реверса тяги двигуна НК-86 зі сплаву ВТ-8 на электро-гвинтовому пресі зусиллям 23 МН; при штампуванні компресорних лопаток (попереднє штампування висаджених заготівок) зі сплаву ВТ-8 на цьому ж пресі; при штампуванні розпірних втулок зі сплаву ВТ3-1 на пароповітряному штампувальному молоті з масою падаючих частин 5 тон; при штампуванні лопаток 2-ої ступіні турбіни зі сплаву ЖС6КП на кривошипному гаряче-штампувальному пресі 40 МН; при прокатці шестигранника і кола зі сплавів ВТ3-1 і ЭИ 437Б. Практично у всіх випадках спостерігалося зниження зусилля деформування, поліпшення заповнення металом штампувальних рівчаків і прокатних калібрів, а також підвищення стійкості деформуючого інструмента (довідка від 05.12.2005 р.).

Сучасні кувальні преси, що входять до складу автоматизованих кувальних комплексів, оснащені засобами виміру зусиль деформування. За відомої інформації про розподіл контактних напружень на верхньому бойку, виконується розрахунок швидкості плину в заданих цільових точках вільної границі заготовки за дискретним методом прямого вирішення. З огляду на відносно просту форму зони пластичної деформації, необхідна кількість цільових (а, отже, і характерних) точок буде невелика. У цьому випадку час вирішення крайової задачі гарантовано складе менше однієї секунди, чого буде цілком достатньо для корекції (обмеження) обтиснень у разі потреби. Таким чином, розроблений дискретний метод прямого рішення крайових задач пластичного деформування може бути ефективно використаний у системах керування процесами кування на автоматизованих кувальних комплексах, зокрема при протяганні валів великої маси.

Висновки

крайовий кінематичний деформований

У дисертації виконані нові науково обґрунтовані розробки в області процесів обробки металів тиском, що забезпечують вирішення важливої наукової проблеми створення нових методів вирішення крайових задач обробки металів тиском, зокрема, кування і об'ємного штампування, що дозволяють на основі нових теоретичних положень цілком визначати кінематичний і напружено-деформований стан металу в будь-якій заданій точці зони пластичної деформації при скороченні або виключенні послідовних наближень та збереженні необхідної точності розрахунків, що забезпечують одержання результатів у режимі реального часу формозміни металу.

1. Аналіз літературних джерел показав, що розробка методів вирішення крайових задач пластичного деформування, що поєднують точність сучасних чисельних методів зі швидкістю, достатньою для систем керування процесами вільного кування в режимі реального часу, а також для проведення експрес-аналізу процесів об'ємного штампування, є актуальною.

2. Вперше встановлено, що крайові задачі пластичного деформування в пружно-пластичній постановці можуть бути приведені до інтегрального (граничного) рівняння, що лінійне щодо невідомих параметрів напружено-деформованого стану і, отже, у ряді випадків може бути вирішено за один крок (без застосування ітераційних процедур).

Сформульована і доведена лінеаризована форма теореми взаємності робіт, узагальнена на процеси пружно-пластичної деформації.

3. Розроблено модифікацію методу гідродинамічних наближень - дискретний метод змінної в'язкості, що передбачає виконання всього двох ітерацій.

Розроблений метод дозволяє в кілька разів зменшити час одержання результатів вирішення крайової задачі обробки тиском, зокрема, вільного кування при збереженні прийнятної точності за кінцевою формозміною.

4. Теоретично встановлено, що для крайової жорстко-пластичної задачі з коректно заданими граничними умовами існує система рівнянь, лінійна щодо невідомих даної задачі. Також встановлено, що якщо граничні умови крайової жорстко-пластичної задачі задані коректно, то вихідна система рівнянь в остаточному підсумку перетвориться в систему лінійних алгебраїчних рівнянь, вирішення якої дасть розподіл фіктивних поверхневих і об'ємних навантажень без застосування будь-яких ітераційних процедур, тобто прямим перерахуванням.

Сформульовано і доведено відповідну теорему.

5. Точність методу визначення рівня сил контактного тертя за допомогою осадки кільцевих зразків в остаточному підсумку визначається точністю теоретичного рішення, що покладено в основу побудови визначальної діаграми даного методу.

Показано, що такі фактори, як тип реологічної залежності, температура і швидкість деформації істотно впливають на формозміну кільцевих зразків. Тому доцільно будувати діаграми для визначених груп матеріалів, інтервалів температур і швидкостей деформації. Метод осадки кільцевих зразків є ефективним у діапазоні малих і середніх значень показника тертя .