Разработка эффективных ресурсосберегающих технологий производства крупногабаритных моноблочных плит и изделий из них

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГАБАРИТНЫХ МОНОБЛОЧНЫХ ПЛИТ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ

КОБЕЛЕВ О.А.

Москва - 2010

Работа выполнена на кафедре «Технология и оборудование трубного производства» Национального исследовательского технологического университета «Московский институт стали и сплавов».

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Тюрин Валерий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Синицкий В.М.

доктор технических наук, профессор Чиченев Н.А.

доктор технических наук, профессор Шелест А.Е.

Ведущее предприятие: ФГУП ПО «Баррикады»

Защита состоится « 22 » декабря 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212. 132. 09 при Национальном исследовательском технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» по адресу:

117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.4. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «____» ______________ 2010 г.

Справки по телефону: (495)- 955-01-27

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор С.М. Ионов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одна из тенденций развития современного тяжелого, энергетического, химического, судостроительного и специального машиностроения - рост мощностей в одном агрегате, что требует проектирования и изготовления крупногабаритных поковок ответственного назначения. К ним можно отнести поковки массой 50-300 т, получаемые ковкой из слитков массой 70-420 т, например, поковки для изготовления элементов корпусов атомных реакторных установок, корпусов циркуляционных насосов, АЗУ и др. Эти поковки, помимо весовых характеристик, объединяет высокий уровень требований к качеству металла и служебным свойствам, а также малая серийность производства, практически предельное использование силовых и конструкционных возможностей существующего технологического оборудования (сталеплавильного, кузнечно-прессового, нагревательного, термического, подъемно-транспортного). В последнее время возрастает потребность в крупных поковках, в том числе поковках типа толстых плит, удельный объем которых в кузнечно - прессовом производстве непрерывно растет. Так, изготовление корпусов современных энергетических атомных установок требует для штамповки днищ корпусов плиты толщиной 250-350 мм и более с размерами в плане от 5500x5500 до 8500x8500 мм.

Современное прокатное оборудование (блюминги, слябинги) не позволяет получить в настоящее время качественные плиты таких размеров. Известные способы получения крупногабаритных плит методами сварки двух или нескольких катаных или кованых заготовок характеризуются значительной трудоемкостью, малым коэффициентом использования металла, не обеспечивают высокую надежность изделий, т.к. при изготовлении корпусов неизбежно получение пересекающихся сварных швов, что недопустимо при производстве узлов энергетических установок.

Использование для производства плит толстостенных трубных заготовок, получаемых способами прессования, пилигримовой прокатки, ковки на ротационно-обжимных машинах и др., не дает возможности изготавливать плиты требуемых размеров. Анализ многочисленных схем ковки широких плит с осадкой или без осадки слитка показывает, что существенным их недостатком является низкое качество металла, поскольку при использовании этих процессов дефектный металл осевой зоны слитка остается в теле поковки. Кроме того, ширина готовой плиты в этих способах ограничена расстоянием между колоннами ковочного пресса. Получение толстостенных трубных поковок, предназначенных для их последующего развертывания тем или иным способом в плиту, традиционными способами ковки, включающими операции осадки, прошивки, протяжки и раскатки на оправке, встречает серьезные затруднения, вызванные как силовыми, так и конструкционными параметрами действующего кузнечно-прессового и подъемно-транспортного оборудования.

Поэтому разработка и освоение новых эффективных технологических схем производства крупногабаритных моноблочных (изготовленных из одного слитка) плит, предназначенных для изготовления из них изделий ответственного назначения и обеспечивающих снижение трудоемкости, сбережение материальных и энергетических ресурсов, повышение надежности изделий, является важной народнохозяйственной проблемой.

Исследования проводили в соответствии с Постановлениями Правительства РФ №705 от 20.09.2008г. « О программе деятельности ГК по атомной энергии «Росатом» на долгосрочный период (2009-2015 годы)»; изначально работа проводилась в соответствии с «Программой развития атомной энергетики РФ на период до 2010 года», а также с планом работ по проекту 3081.2 Международного научно-технического центра.

Цель и задачи работы. Цель работы - исследование, разработка и освоение новых эффективных комплексных технологических процессов производства крупногабаритных моноблочных плит, предназначенных для изготовления из них изделий ответственного назначения и обеспечивающих снижение трудоемкости, сбережение материальных и энергетических ресурсов, повышение надежности изделий.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

-обоснование на основе анализа современных тенденций развития технологий получения крупногабаритных толстых плит выбора новых вариантов и технологических схем их получения;

-создание и внедрение в производство технических и технологических решений, обеспечивающих разработку новых и совершенствование существующих технологий, сокращение трудовых, материальных и энергетических затрат;

-разработка на основе результатов лабораторных исследований, физического и компьютерного моделирования, опытно-промышленного опробования новых схем и конструкций кузнечного инструмента для прошивки слитков (заготовок), протяжки и раскатки на оправке крупногабаритных полых поковок, развертки их в плоские плиты;

-разработка методики расчетов температурных полей применительно к операции прошивки предельно высоких заготовок (H/D? 1,5-2,0) с неравномерным температурным полем для обеспечения контролируемого изменения сопротивления деформации по сечению и высоте поковки;

-разработка методики расчетов ковки крупных поковок в условиях неоднородного температурного поля на основе теории неизотермической деформации нелинейной вязко-пластической среды с деформационным и скоростным упрочнением, зависящим от температуры и структурных параметров;

-разработка и внедрение эффективных и экономичных процессов производства крупногабаритных моноблочных плит размером 5500х5500х280 мм, предназначенных для получения из них изделий ответственного назначения с повышенной надежностью, высокими служебными и эксплуатационными характеристиками;

-исследование структуры, механических и физических свойств стали 15Х2НМФА на разных стадиях производства крупногабаритных моноблочных плит и бесшовных днищ большого диаметра;

-разработка на основе анализа современных возможностей сталеплавильного, кузнечно-прессового, нагревательного, подъемно-транспортного оборудования ведущих предприятий Российской Федерации технологической схемы производства плит размером 7600х7600х360 мм и более для изготовления их них днищ корпусов реакторов нового поколения.

Научная новизна состоит в создании научно обоснованных технических и технологических решений в области ковки крупных поковок и разработке принципиально новых подходов к проектированию технологических процессов производства широких (шириной 5500 мм и более) толстых моноблочных плит.

Разработана на основе общей теории теплопередачи и теплопроводности методика расчета температурных полей крупных кузнечных слитков для обеспечения требуемого изменения сопротивления деформации в теле поковки. Рассчитаны температурные поля кузнечных заготовок из слитков массой 15-420 т диаметром 900-3500 мм при их охлаждении на воздухе и продолжительность охлаждения кузнечных заготовок перед прошивкой для обеспечения требуемого градиента температур по сечению; установлен экспериментально характер изменения температуры по сечению слитка массой 39 т диаметром 1350 мм при его охлаждении на воздухе. Предложена методика моделирования и реализации неоднородных температурных полей в высоких заготовках (H/D ? 2,0-2,5) для их последующей прошивки.

Разработана на основе общей теории деформации нелинейной вязкопластической среды с деформационным и скоростным упрочнением методика расчетов операций ковки крупных поковок с неоднородным температурным полем, учитывающая различный характер тепловых процессов и формируемых температурных полей на разных этапах технологического процесса. Установлено влияние степени деформации, конфигурации осадочных плит, наличия в них осевых отверстий на степень закрытия дефектов в осевой зоне при осадке перед последующей прошивкой. Предложены на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований и подтвержденные в промышленных условиях новые технические решения по прошивке крупных высоких заготовок; протяжке и раскатке на оправке полых заготовок с внутренним диаметром свыше 1500 мм и длиной более 5500 мм; развертке толстостенных трубных поковок в плоские плиты, позволяющие осуществление этих операций на действующем кузнечно - прессовом оборудовании.

Установлено на основе результатов физического и компьютерного моделирования влияние конфигурации и параметров плоского и клинового инструмента, технологических параметров процесса на эффективность развертки крупных полых поковок. Выявлены закономерности влияния режимов пластических и термических обработок на разных стадиях производства плит и днищ из них на структуру, физико-механические и технологические свойства изделий. Разработаны научные основы проектирования эффективных комплексных технологических процессов производства крупногабаритных плит и бесшовных днищ большого диаметра.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны на основе результатов данной работы, внедрены и используются на практике новые технические и технологические решения по изготовлению крупногабаритных толстых плит и бесшовных днищ большого диаметра, которые затруднительно или невозможно получить традиционными методами обработки металлов давлением. Предложены новые технологические схемы прошивки сверхвысоких промышленных заготовок и разработаны новые конструкции полых прошивней, обеспечивающие снижение отходов металла за счет изменения формы удаляемого осевого отхода и устранения образования торцевого заусенца на нижнем торце заготовки. Разработаны и внедрены новые способы протяжки с применением новой конструкции оправок ступенчатой формы в моноблочном и сборном исполнениях, позволяющие на универсальном прессовом оборудовании получать толстостенные поковки длиной 5500-8000 мм и внутренним диаметром свыше 1500 мм. Разработаны и внедрены в условиях ЗАО «Атоммаш» конструкции плоского инструмента для развертки толстостенных трубных поковок в плоские плиты. Разработаны и прошли опытно-промышленное опробование новые конструкции клинового инструмента конической и криволинейной формы, позволяющие уменьшить число переходов при развертке и повысить коэффициент использования металла на 10-15 % по сравнению с использованием плоского инструмента. Разработана и внедрена в ОАО «Энергомашспецсталь» и ЗАО «Атоммаш» комплексная технология производства крупногабаритных моноблочных плит из стали 15Х2НМФА с размерами 5500х5500х280 мм, позволившая снизить трудоемкость изготовления изделий в 1,6 раза, расход металла - на 10-15 %, существенно повысить надежность работы корпусов атомных реакторов по сравнению со сварным вариантом получения плит. В условиях ЗАО «Атоммаш» изготовлено восемь днищ корпусов реакторов ВВЭР-1000, удовлетворяющих по своим качественным показателям требованиям технических условий. Разработана на основе анализа возможностей металлургического производства ведущих предприятий Российской Федерации технология производства моноблочных плит с размерами 7600х7600х360 мм для штамповки днищ корпуса реактора ВПБЭР-600, предусматривающая минимальный объем реконструкции производств ОАО «Ижорские заводы» и ЗАО «Атоммаш».

Работа награждена медалями ВДНХ.

Результаты работы используются при проектировании новых технологий обработки металлов давлением в ГНЦ РФ НПО «ЦНИИТМАШ», а также в учебном процессе преподавателями, аспирантами и студентами по специальности «Обработка металлов давлением» в НИТУ «МИСиС» и МГВМИ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании математических и компьютерных методов моделирования, планирования и анализа результатов проведенных исследований; применении современных приборов и методик, их метрологического обеспечения; комплексе экспериментальных исследований, в том числе на уникальном кузнечно - прессовом оборудовании; результатах механических, технологических, металлографических, структурных и других исследований; внедрении разработанных режимов и технологий; на выпуске промышленных партий изделий и результатах контроля их качества.

Личный вклад автора. В представленных работах автором определены основные идеи и направления проводимых исследований 3, 4, 11, предложены и обоснованы новые методы исследования процессов 14, 21, 27-29, 31-33, новые технические решения 5, 6, 10, 13,15-20, 22-25,30,37-41, проанализированы, обобщены и систематизированы результаты собственных исследований, а также других ученых и специалистов в области ковки крупных поковок 1, 8, 26. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, автором определены идеология и постановка научных задач, разработаны расчетные методики и предложены основные идеи технических и технологических решений, выполнен анализ и обобщение лабораторных и промышленных экспериментов. Под руководством и при личном участии автора выполнены промышленные испытания и внедрение результатов работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Материалы и технологии в машиностроении» (г. Москва,1989 г.); научно-технических советах НПО ЦНИИТМАШ (г. Москва,1988-1990, 2010 г.г.); научно-технических секциях АО «Атоммаш» (г. Волгодонск,1990-1995 г.г.); АО «Энергомашспецсталь» (г. Краматорск, 1989-1992 г.г.); Седьмом конгрессе прокатчиков (г. Москва, 2007 г.); У111, 1Х, Х Miedzynarodowa Konferencja Naukova. Nowe technologie i osiagniecia w metalurgii I inzynierii materialowey. Czestochowa, 2007, 2008, 2009 г.; Metal Quality Studies in Manufacturing of Wide Forged Plates European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes “EUROMAT 2007”. Nurnberg, Germany, 2007; X111 Conference of Socidade Portuguesa de Materials “Materiais 2007”, Porto, Portugal, 2007; 1 International Conference on New Materials for Extreme Environmets, San Sebastian (Spain), 2008; научно-технической конференции «Экология, ресурсосбережение, материаловедение в производстве высококачественных металлов» (г. Москва,2008 г.); У Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании (г. Варна, Болгария, 2009 г.); Международной Юбилейной школе-конференции «Прогрессивные технологии пластической деформации» (г. Москва, 2009); научных семинарах кафедр ТиОТП и ПДСС МИСиС (г. Москва, 1988- 2010 г.г.), секции ОМД МГВМИ (г. Москва, 2010г.), секции ОМД ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН (г. Москва, 2010г.). Результаты работы экспонировались на ВДНХ (г. Москва, 1987-1990 г.г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в монографии, 35 статьях, из них - 16 в журналах из перечня ВАК РФ, получено 5 авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, библиографического списка из 145 наименований, выводов и приложений; содержит: 235 страниц машинописного текста, 129 иллюстраций, 9 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОВКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПЛИТ

Корпуса мощных реакторов, парогенераторов, компенсаторов давления и других установок изготавливают из толстостенных крупногабаритных поковок. Так, для производства днищ корпусов современных энергетических установок нужны плиты с размерами 5500х5500х250 мм и более. Производство крупногабаритных плит в настоящее время осуществляют различными способами обработки металлов давлением и сварки. Условно все плиты можно разделить на три группы: моноблочные (из одного слитка) плиты; плиты, изготавливаемые с помощью сварки нескольких частей; плиты, получаемые разверткой толстостенных трубных поковок большого диаметра.

Изготовление широких моноблочных плит осуществляют, в основном, прокаткой или ковкой. Однако существующее прокатное оборудование и технологии не могут обеспечить получение толстых плит шириной 5000 мм и более. Ковка плит на ковочных прессах заключается в осадке слитка вдоль оси для получения требуемой ширины и последующей проработки литой структуры. Широкое распространение получили способы ковки плит с исключением энергоемкой операции осадки. При этом максимальное уширение металла обеспечивают использованием исходных заготовок специальной формы; изменением контактных условий, конфигурации и размеров рабочей поверхности инструмента и другими приемами. Основной недостаток этих способов - низкое качество кованого металла, поскольку дефектный металл осевой зоны слитка остается в теле поковки. Кроме того, максимальная ширины плиты ограничена величиной расстояния между колоннами ковочного гидравлического пресса.

Изготовление крупногабаритных плит путем электрошлаковой сварки нескольких катаных или кованых заготовок - весьма трудоемкая операция, характеризуется малым выходом годного, нестабильностью технологии и низким качеством. Последующее изготовление изделий, например, приварка полученного сварного днища к корпусу реактора, приводит к получению пересекающихся сварных швов, что значительно снижает надежность эксплуатации этих изделий.

Более перспективным представляется изготовление крупногабаритных моноблочных плит из трубных поковок, что позволяет удалить дефектную осевую зону слитка при прошивке его полым прошивнем. Анализ существующих способов производства полых заготовок на трубопрокатных установках, прессованием, ковкой на ротационно-обжимных машинах, а также на горизонтальных гидравлических прессах методом прошивки-протяжки через кольцевые матрицы показал, что этими способами невозможно получить толстостенные трубные поковки требуемых размеров. Производство трубных поковок для последующей их развертки в крупногабаритные плиты традиционными способами ковки требует исследования и решения некоторых вопросов. Так, необходимо разработать способы прошивки предельно высоких заготовок, устраняющие разностенность, а также значительные торцовые отходы, что позволит существенно уменьшить объем последующей механической обработки. Не разработаны способы протяжки и раскатки на оправке заготовок с длиной, превышающей продольные размеры стола пресса и с внутренним диаметром свыше 1500 мм. Нет надежных способов и кузнечного инструмента для развертки полых заготовок в плоские плиты.

Таким образом, несмотря на значительные достижения в области ковки крупных поковок, проблемы прошивки предельно высоких заготовок, протяжки и раскатки на оправке длинных заготовок с внутренним диаметром свыше 1500 мм, развертки толстостенных трубных поковок в плиты, установление взаимосвязей между параметрами пластической и термической обработки получаемых заготовок и изделий являются недостаточно изученными, что приводит к росту материальных и трудовых затрат при проектировании и изготовлении крупногабаритных моноблочных плит и получаемых изделий из них.

Разрабатываемая комплексная технология производства крупногабаритных плит должна удовлетворять следующим требованиям: обеспечить требуемое качество поковок по структуре и механическим характеристикам; обеспечить проведение технологического процесса ковки на универсальном кузнечно - прессовом оборудовании; соответствовать технологическим параметрам и габаритам подъемно-транспортного, нагревательного и термического оборудования действующих предприятий; снизить трудовые, материальные и энергетические затраты на изготовление продукции; быть конкурентоспособной на мировом рынке; обеспечить возможности механизации и автоматизации технологического процесса, а также проектирование простого в изготовлении и надежного в эксплуатации кузнечного инструмента и сопутствующей оснастки.

Данная диссертация базируется на работах крупных советских и русских ученых, внесших значительный вклад в разработку теории и технологии ковки крупных поковок: Алтыкиса А.В., Антощенкова Ю.М., Балясного И.М., Ганаго О.А., Голубятникова Н.К., Дзугутова М.Я., Ефимова В.Н., Залесского В.И., Зимина А.И., Золотухина Н.М., Иванушкина П.Ф., Камнева П.В., Колмогорова В.Л., Корнеева Д.М., Корнеева Н.И., Мещерина В.Т., Мишулина А.А., Могучева Л.Н., Мохова А.И., Навроцкого Г.А., Немзера Г.Г., Овчинникова А.Г., Охрименко Я.М., Пименова Г.А., Поздеева А.А., Попова Е.А., Прозорова Л.В., Северденко В.П., Соколова Л.Н., Сторожева М.В., Тарновского И.Я., Троицкого В.П., Трубина В.Н., Тюрина В.А., Целикова А.И. и многих других.

В настоящей работе на основе выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические и технические решения в области ковки крупных поковок, а именно ковки моноблочных толстых плит с размерами в плане 5500х5500х и более.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОШИВКИ ПРЕДЕЛЬНО ВЫСОКИХ ЗАГОТОВОК В НЕРАВНОМЕРНОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ ПОЛЕ

Исследование влияния параметров осадки перед прошивкой заготовок на качество металла. В технологии производства крупных полых поковок одной из главных определяющих операций является прошивка сплошным или полым прошивнем вырубленных блоков или осаженных заготовок. Известно, что прошивку рекомендуется проводить на заготовках с отношением Н/Д не более 0,6-0,8, однако и в этом случае не исключено отклонение оси отверстия от оси заготовки, приводящее к разностенности полой поковки, а иногда и к ее браку. Основными причинами, приводящими к этому явлению, являются: температурная неоднородность прошиваемой заготовки, как по ее высоте, так и по сечению; структурная, химическая неоднородность, а отсюда неоднородность механических свойств в теле заготовки; непараллельность торцовых поверхностей заготовки перед прошивкой; несовпадение осей заготовки и прошивня при неправильной установке последнего; неравномерный разогрев прошивня в процессе прошивки, а также его неравномерное деформирование вследствие неоднородности поля сопротивления деформации в заготовке; неравномерный износ прошивня и верхнего бойка пресса.

Для изготовления толстостенных трубных поковок длиной свыше 5500 мм, предназначенных для их развертки в плиты, в качестве исходной для последующих операций раскатки и протяжки на оправке целесообразно использовать предельно высокую заготовку (Н/Д> 1,5-2,0), что требует дополнительных исследований процесса прошивки таких заготовок с тем, чтобы избежать негативных последствий прошивки.

По-видимому, поставленную задачу по разработке технологии прошивки предельно высоких заготовок, обеспечивающей получение качественных полых поковок, можно решить, создавая неоднородное поле сопротивления металла деформированию. Это достигается созданием в теле заготовки неравномерного температурного поля, параметры которого выбирают из условия получения наибольшего перепада прочностных характеристик металла таким образом, чтобы в зонах заданного сосредоточения деформаций температура металла обеспечивала его достаточную пластичность, а в других зонах - повышенное сопротивление деформации. Термозональный фактор целесообразно применять в тех случаях, когда способы прямого деформационного воздействия оказываются малоэффективными по тем или иным причинам; в основном это положение относится к ковке крупных поковок.

Кроме того, прошивке обычно предшествует операция осадки. Однако исследования различных авторов по влиянию параметров осадки как промежуточной операции пред прошивкой, на качество металла, не выявили единого мнения. Существуют разногласия в вопросе о целесообразности применения осадки в тех или иных процессах ковки крупных поковок. Поэтому в данной работе провели анализ и изучение операции осадки перед прошивкой заготовок, а также исследование возможности создания неравномерного температурного поля в заготовках, обеспечивающего получение качественных полых поковок в процессе прошивки.

Для выявления вопроса о целесообразности осадки при ковке крупных полых поковок провели эксперименты по осадке стальных заготовок диаметром 120 мм, высотой 260 мм (Н/Д=2,2). По оси заготовок просверлили сквозное отверстие диаметром 20 мм, в которое последовательно запрессовали шайбы высотой 10 мм с наведенными продольными дефектами в виде сквозных отверстий диаметром 2 мм и сплошные шайбы. В качестве инструмента использовали плоские и сферически вогнутые плиты с отверстием в нижней плите диаметром 60 мм и без него.

Нагретые до температуры 1220 °С заготовки последовательно осаживали на заданную степень деформации (он=20-70 %), охлаждали, их поверхность обрабатывали для проведения ультразвукового контроля. После проведения УЗК и определения степени открытия (закрытия) дефектов образцы вновь нагревали и осаживали до следующей заданной высоты. Контрольные образцы после осадки разрезали по осевой плоскости и исследовали характер деформации наведенных дефектов.

Результаты исследования качества осаженных заготовок показывают, что:

- осадка заготовок применительно к процессу ковки полых поковок не приводит к улучшению качества металла, при малых степенях деформации как при осадке плоскими, так и сферическими вогнутыми плитами, с отверстием под цапфу в нижней плите и без него;

- осадка как предшествующая прошивке операция при ковке полых толстостенных поковок с точки зрения устранения дефектов слитка не представляется целесообразной;

- для снижения деформационной неоднородности в случае необходимости осадку следует производить между плоскими плитами без отверстий, при этом высотная деформация не должна превышать 30 %.

Физическое моделирование и компьютерные расчеты процесса прошивки заготовок в условиях температурной неоднородности. Моделирование температурной неоднородности проводили на заготовках высотой 80 мм и диаметром 60 мм. В качестве материала заготовок использовали свинец, а также сплав ПОС-61 (61 % олова и 39 % свинца). Однородное температурное поле при прошивке моделировали на заготовках из свинца, а неоднородное - на составных заготовках (наружный слой из сплава ПОС-61, внутренний - из свинца). Относительная толщина "жесткого" слоя составляла 60 % от диаметра заготовки. Прошивку заготовок проводили на подкладном кольце полым прошивнем с размерами: Дн=22 мм; Двн=16 мм; Н=25 мм. Сопоставление результатов прошивки (величина отклонения оси прошитого отверстия на нижнем торце заготовки от ее оси) по двум вариантам показало, что при прошивке составной заготовки отклонение осей практически отсутствовало (0-0,5 мм), а при прошивке однородного образца отклонение осей составляло 2,5-3,5 мм.

Кроме того, моделирование процесса прошивки провели на заготовках из стали 45 диаметром 250 мм и высотой 500 мм (Н/Д=2,0). Фиксацию температуры заготовки осуществляли в пяти точках сечения, расположенных в центре, на поверхности и на расстоянии 20, 40 и 80 мм от оси заготовки. В качестве датчиков использовали гибкие хромель-алюмелевые термопары диаметром 1,5 мм. Основную трудность в проведении экспериментов на стальных заготовках представляло создание температурного поля по сечению заготовки, адекватного распределению поля температур в крупных поковках. Комбинированное охлаждение заготовки сначала в воде, а затем на воздухе позволило получить температурный перепад между осевой зоной и поверхностью в пределах 300-350 °С, что дает возможность с достаточной точностью моделировать неравномерное температурное поле в заготовке. Прошивку предельно высокой стальной заготовки с неравномерным температурным полем осуществляли на прессе усилием 15 МН полым прошивнем с размерами: Дн=80 мм; Двн=40 мм; Н=80 мм. Изучение прошитых заготовок, охлажденных комбинированным способом, показало совпадение оси прошитого отверстия с осью заготовки, что подтверждает необходимость прошивки предельно высоких заготовок с неравномерным температурным полем.

Экспериментальные исследования процесса прошивки сплошным и полым прошивнем при физическом моделировании проводили с использованием свинцовых и пластилиновых заготовок. Для компьютерного моделирования использовали вычислительную систему конечно-элементного трехмерного моделирования процессов ОМД. Использовали различные формы и геометрические параметры заготовки, сплошных и полых прошивней. В процессе расчетов и вычислительных экспериментов фиксировали изменение усилия прошивки, вид формы заготовки после прошивки и её размеры, характеристики напряженно-деформированного состояния. В результате анализа данных моделирования установлено, что при прошивке полым прошивнем усилие ниже, чем при прошивке сплошным прошивнем со сферическим торцом на 11 %. Снижение усилия при прошивке полым прошивнем по сравнению с прошивкой сплошным прошивнем с плоским рабочим торцом составило 15%. Результаты исследования показали очевидные преимущества применения полого прошивня с точки зрения энергосиловых характеристик процесса, геометрической точности получаемой поковки и проработки структуры по величине накопленной деформации для осевой дефектной зоны заготовки, удаляемой при прошивке.

Методика расчета температурных полей крупных кузнечных заготовок из слитков массой 15-420 т. При разработке методики расчета неравномерных температурных полей использовали следующие основные правила и допущения:

-упрощенную запись частных производных по пространственным переменным, т.е. примем обозначения:

-для индексированных переменных или одночленов с одинаковыми индексами использовали правило суммирования А.Эйнштейна, например:

akk = a11+a22+a33+…

-нагреваемое и деформируемое твердое тело рассматривали как однородную сплошную изотропную среду, свойства которой (физические и механические) одинаковы во всех направлениях.

-рассматривали медленные процессы нагрева и деформации, поскольку ковку крупных поковок проводят на ковочных гидравлических прессах; при этом пренебрегаем инерционными силами и термическими напряжениями от линейного расширения зон твердого тела с неравномерной температурой, а также упругими деформациями. Для медленных процессов деформации считали, что вектор полного напряжения (, ф) и вектор скорости перемещений совпадают, а тензорные свойства среды в каждый момент времени линейные

-объемное неравномерное скалярное температурное поле, которое зависит от времени T=T(,ф), рассматривали в ортогональном трехмерном евклидовом пространстве с декартовой системой координат Xi для общего случая (i=x ,y ,z) или цилиндрическими координатами для осесимметричной задачи (i=с, ц, z); температуру T оценивали в градусах Кельвина.

-для записи основных уравнений тепловых процессов и течения вязкопластической среды использовали подход Эйлера. Движение среды в любой момент времени рассматривали в конкретной точке Ax пространства, характеризуемой вектором c компонентами Xi, через которую перемещаются материальные точки среды и отслеживается изменение их физических параметров, векторов, в первую очередь скорости перемещений, т. е. .

Расчеты температурных полей в сложнопрофильных локально однородных твердых телах при нагреве и охлаждении перед деформацией или после неё в отсутствии формоизменения строили на основе общей теории теплопередачи и теплопроводности, используя в качестве основного уравнение теплопроводности:

Запись этого уравнения в декартовых или в цилиндрических координатах выглядит соответственно:

,

где Т - температура; с = с[Т] - удельная теплоемкость; р = р(Т) -плотность; = (Т) - теплопроводность; Q - интенсивность источников тепла внутри.

На границе области F = F1 F2 F3 задавали условия теплообмена с окружающей средой как частные случаи классических типов граничных условий для уравнения теплопроводности:

.

Моделирование процесса теплообмена в каждом конкретном случае заключается в определении формул для расчета классических параметров теплообмена: интенсивности теплового потока q, коэффициента теплообмена , температуры окружающей среды Тsr, либо постоянной температуры границы Тgr. При этом предусматривают следующие физические процессы:

1. Теплоотдача. В соответствии с законом Ньютона, требуют задания коэффициента теплоотдачи и температуры на границе Тgr, что соответствует граничному условию третьего рода для уравнения теплопроводности:

где л- коэффициент теплопроводности, Т - температура тела [K].

2. Конвекция. Вынужденная и естественная конвекция при заданной скорости обдува и температуре окружающей среды. Соответствует граничному условию третьего рода для уравнения теплопроводности, коэффициент теплоотдачи выражается через физические свойства, температуру и скорость воздуха:

где Nu - число Нуссельта; л- коэффициент теплопроводности воздуха; L - характерный размер тела.

3. Излучение. Теплообмен излучением с окружающей средой, включая взаимное излучение элементов границы тела, при этом необходимо задать температуру окружающей среды. Излучение моделируется граничным условием третьего рода, коэффициент теплоотдачи определяется через закон Стефана-Больцмана. При этом учитывается взаимное излучение участков границы расчетной области. Коэффициент теплоотдачи через i-й элемент поверхности определяется формулой:

где kb- постоянная Стефана-Больцмана; 0.8e - коэффициент черноты тела; dSj - площадь поверхности тела, принадлежащей i-му элементу; коэффициенты kij определяют угол, под которым i-й элемент поверхности виден из j-го.

Теплообмен. Объединяет излучение и конвекцию, т.е. уравнения (6)-(7).

Влияние смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Теплоотдача при наличии СОЖ соответствует граничным условием третьего рода, коэффициент теплоотдачи определяется по имеющимся в программе экспериментальным данным.

Теплообмен при абсолютном контакте тела с заданным материалом. Контактирующий материал выбирается из списка как при задании свойств материала тела. Это граничное условие соответствует частному случаю граничного условия первого рода, когда температура на границе вычисляется через физические свойства контактирующих материалов:



7. Тепловой поток q, заданный на границе в виде постоянной величины, т.е. граничное условие точно соответствует граничному условию второго рода для уравнения теплопроводности:

.

8. Изоляция. Задается на участках границы, на которых отсутствует теплообмен. Соответствует граничным условием второго рода, тепловой поток по нормали к поверхности равен нулю:

9. Постоянство температуры имеет место на участках границы с заданной и фиксированной температурой, что точно соответствует граничному условию первого рода для уравнения теплопроводности:

Т = Тsr.

Методика решения задачи моделирования полей распределения температуры в слитках и заготовках при их нагреве и охлаждении при использовании компьютерных технологий включает четыре основных этапа.

На первом этапе производят разработку геометрической и математической модели формы слитка или заготовки с соответствующими элементами нагревательной оснастки или деформирующего инструмента, контактирующими с поверхностью нагреваемого (охлаждаемого) тела. Этот этап может производиться с помощью любой ВС или САПР для геометрического моделирования.

На втором этапе для модели нагреваемого или охлаждаемого тела задают физические величины и коэффициенты, используемые в расчетах при моделировании тепловых процессов, и зависимости этих величин от температуры. Для поверхности модели тела выбирают начальные и граничные условия теплообмена и производят определение характера рассматриваемой задачи (плоская, осесимметричная или объёмная).

На третьем этапе моделирования производится пошаговое решение краевой задачи теплового процесса. Последний этап моделирования предназначен для вывода полученной промежуточной и окончательной информации.

Примеры расчетов температурных полей при охлаждения заготовки размером 250х500 мм из конструкционной стали 45 на подогретой до 400 оС осадочной плите при моделировании тепловых процессов по представленной выше методике показаны на рис. 1.

Рисунок 1 - Пример расчета температурных полей в заготовке-биллете 250х500 мм при охлаждении с 1200 оС на подкладной плите с t=400 оС перед прошивкой в течение 10 мин.

Для компьютерных расчетов ковки крупных поковок с неравномерным нагревом разработали методику решения на основе общей теории неизотермической деформации нелинейной вязкопластической среды с деформационным и скоростным упрочнением, зависящим от температуры и структурных параметров.

При использовании метода конечных элементов деформируемую заготовку разбивали на конечные элементы для трехмерной задачи в форме тетраэдров, колец, с треугольным сечением, параллелепипедов и др., а для плоской деформации - в виде треугольников, квадратов, прямоугольников и др. При этом описание процесса вязкопластического формоизменения твердого тела с нелинейными реологическими свойствами производили с помощью системы нелинейных интегрально-дифференциальных уравнений и соотношений теории течения Леви-Мизеса. Решение этой системы производится на основе вариационного принципа минимума мощности объемных и поверхностных сил для некоторого виртуального поля скоростей перемещений либо прямыми методами с заменой интегрально-дифференциальных уравнений системой алгебраических уравнений в конечных разностях.

При разработке методики решения за основу взяли подход В.Л. Колмогорова для теории вязкопластического течения и реологической модели нелинейной вязкопластической среды, рассмотренной в работах научной школы О.М. Смирнова, при этом среда принимается изотропной и континуальной; свойства среды нелинейные, процесс неизотермический, геометрическая задача нелинейная.

Используем следующие обозначения и уравнения:

уij - компоненты тензора напряжений; свободные индексы i, j принимают значения 1,2,3 для главных осей, либо x, y, z для декартовой системы координат, либо ,, z для цилиндрической системы координат;

sij = - удij - компоненты девиатора напряжений;

удij - компоненты шарового тензора напряжений;

у = 1/3 уii - среднее напряжение (или гидростатическое давление) в точке;

- функция Кронекера (дij =1, если i=j, и дij =0, если i?j);

- интенсивность напряжений или эффективное напряжение;

- компоненты вектора скорости перемещения (течения) частиц деформируемого тела через рассматриваемую точку пространства;

- компоненты тензора скоростей деформации;

- компоненты тензора девиатора скоростей деформации;

компоненты шарового тензора скоростей деформации;

- скорость изменения объёма деформируемого твердого тела;

- интенсивность скоростей деформации или эффективная скорость деформации;

- вся накопленная деформация или эффективная степень деформации в элементарном объёме вокруг фиксированной точки пространства за время от 0 до к;

уij,j = 0 - дифференциальные уравнения равновесия;

Sij=2ij - реологические уравнения связи компонент тензора девиатора напряжений и компонент тензора девиатора скоростей деформации, определяющие соотношения, используемые обычно для описания течения жидкостей через функцию вязкости. Для конструкционных материалов в вязкопластическом состоянии она может быть выражена через соотношение эффективного напряжения и эффективной скорости деформации:

или ,

где = (e,e, T, L) - функция вязкости деформируемого материала, зависит от скорости деформации, накопленной деформации, температуры и структуры деформируемого материала, которая характеризуется в самом простом случае величиной среднего размера зерна L.

Для неизотермической деформации:

- уравнение теплового баланса;

T, , с, , - температура, коэффициент теплопроводности, коэффициент массовой теплоемкости, массовая плотность, время соответственно;

- единичный вектор нормали к поверхности F на границе деформируемого тела;

- градиент среднего напряжения в рассматриваемой точке.

Считаем среду сжимаемой, если принять, что компоненты шарового тензора напряжений , накопленной деформацией и шарового тензора скоростей деформации связаны между собой, согласно закона Гука, объемным модулем упругости K :

.

При этом для одного малого шага по времени справедливо:

.

Для второго и последующих рассматриваемых моментов времени деформирования при пошаговой процедуре моделирования процесса нелинейного формоизменения среды с нелинейными реологическими свойствами необходимо учитывать накапливающееся гидростатическое давление. Этот процесс можно записать и интегральной форме:

и в виде конечных разностей:

у =

Выполнив соответствующие подстановки, получим соотношения между напряжениями и скоростями перемещений:

.

Поле температур Ti в рассматриваемых задачах предполагается известным по результатам моделирования задачи нагрева или охлаждения заготовки на первом этапе расчетов. Поэтому система уравнений механики сплошных сред становится замкнутой только на основании определяющих соотношений, отражающих реологическое поведение деформируемого материала.

Механические переменные в каждой точке пространства деформируемого материала, которые необходимо определить в каждый момент времени, решая общую задачу моделирования формоизменения, следующие: компоненты тензора напряжений ij, температура T и компоненты вектора скорости перемещений vi (ф) как функции «эйлеровых» координат частицы xi и времени ф. С помощью этих функций можно рассчитать энергосиловые параметры деформации тел, определить формоизменение тела и сделать прогноз условий разрушения деформируемого материала.

Общая система уравнений теории вязкопластического течения включает следующие соотношения.

Компоненты тензора напряжений ij должен удовлетворять трем дифференциальным уравнениям равновесия уij,j = 0. Течение должно быть таким, чтобы удовлетворялись уравнения неразрывности. В случае несжимаемого материала эти уравнения превращаются в условие постоянства объёма, а в случае сжимаемой среды - учитываются законом Гука.

Напряжения и скорости деформации связаны шестью реологическими уравнениями определяющих соотношений для материала деформируемой среды. Тепловое движение должно подчиняться дифференциальному уравнению теплового баланса и, наконец, следует добавить шесть кинематических уравнений, связывающих vi и ij.

Если используем условие постоянства объема, то система уравнений выглядит следующим образом:

,

,

,

уe = уe(e,e, T, L)

 ,

.

Система может быть несколько упрощена, если сделать соответствующие подстановки. Подставив геометрические уравнения в реологические, будем иметь

.

Учитывая, что компоненты девиатора напряжений выражены формулами (13), можем записать уравнения равновесия:

.

В итоге система уравнений (12) будет иметь следующий вид:

,

,

.

Методика решения задач деформирования неравномерно нагретой заготовки. Интегрирование системы дифференциальных уравнений (12) или (15) или её решение численными методами требует задания начальных и граничных условий. Начальные условия задают значения искомых механических переменных и реологических (физических) параметров в начальный момент ф* рассматриваемого периода времени.

Кратко рассмотрим граничные условия для ij, vi.

Вся поверхность F деформируемого тела и в процессе формоизменения может состоять из частей, на каждой из которых должно быть задано одно из следующих граничных условий:

1. На части поверхности Fv заданы скорости перемещений

vi=vi*

2. На части поверхности Ff могут быть заданы напряжения, т. е.

3. Возможно более сложное задание смешанных граничных условий. Например, если заданы на поверхности Fvf нормальная к поверхности составляющая скорости и сила трения между деформируемым телом и находящимся в контакте с ним другим телом, это условие аналитически выглядит так:

где уF - напряжения трения, действующего со стороны второго тела (инструмента) на первое - деформируемое тело, который расположен в касательной плоскости к Fs;

p - нормальная составляющая взаимодействия тел (р=Fini);

vF - модуль вектора скольжения контактирующих тел;

i - единичный вектор скольжения второго тела по первому - деформируемому;

f(р,vs) - выражает закон трения, через величину коэффициента трения.

Рассмотрим граничные условия тепловой части краевой задачи теории течения. Для ее решения необходима также формулировка граничных условий, представляющих собой идеализацию действительных физических процессов. На любой части граничной поверхности FT тела и в начальный момент времени ф* задается одно из следующих граничных условий:

1. Распределение температуры на поверхности в виде

T(M,ф)= T*(M, ф),

где точка М находится на поверхности, а функция T*(M, ) задана из решения задачи нагрева заготовки или её охлаждения между операциями деформирования.

2. Подвод тепла. Это граничное условие можно записать в следующей форме:

,

где n -- внешняя нормаль к поверхности F в точке М.

3. Идеально изолированная поверхность -- поверхность, через которую отсутствует тепловой поток. Условие имеет вид

.

4. Конвективный теплообмен. Поток тепла через граничную поверхность в этом случае пропорционален разности между температурой поверхности T(М, ) и известной температурой окружающей среды Tо. Граничное условие можно записать так:

,

где -- коэффициент теплообмена, может быть задан как функция текущих координат и отрезка времени -*.

5. Контакт двух твердых тел. Если между граничными поверхностями имеется идеальный тепловой контакт, то их температуры на этой поверхности контакта должны быть одинаковыми. Кроме того, поток тепла, выходящий из одного тела через контактную поверхность, равен потоку тепла, входящему в другое тело. Таким образом, для точки М контактной поверхности имеем:

где индексы 1 и 2 относятся к двум телам и1 и и2, а n представляет собой общую нормаль к контактной поверхности FT в точке М.

В некоторых случаях граничное условие (24) должно быть уточнено. Если на поверхности контакта инструмента и деформируемого тела FT имеет место развитое скольжение vF и значительные напряжения трения уF= уF (р, vF), причем такие, что мощность теплового источника от них существенна, то граничные условия имеют вид:

В теории теплопроводности показано, что задание на разных частях поверхности F тела и выше перечисленных граничных условий в любой комбинации и задание начального распределения температуры определяют решение задачи теплопроводности при неустановившемся режиме единственным образом.

Принятые в теории ОМД способы задания граничных условий в напряжениях трения могут быть разделены на две группы. В первой из них силы трения задаются постоянными по всей контактной поверхности, во второй - принимается тот или иной закон распределения касательных напряжений.

Наиболее известным способом первой группы является условие Зибеля в виде

уF =мф,

гдеуF - касательное напряжение от сил трения на поверхности F;

ф- сопротивление срезу, рассчитываемое обычно для жесткопластического или линейно упрочняющегося от деформации материала как усредненная по объему очага деформации величина;

м - коэффициент трения.

Для задания сил трения по второму способу широко используется закон Амонтона-Кулона в виде одночлена:

уF = fp,

или в виде бинома:

уF = fp+b(нF),

где f - коэффициент трения, определяемый по нормальному давлению р в рассматриваемой точке контактной поверхности F;

b(нF) - составляющая напряжения, зависящая от скорости скольжения по контактной поверхности.

Для учета напряжений от трения на контактной поверхности в России в последние годы применяется уравнение Леванова в виде:

,

где уe - напряжения от сил трения; µ - коэффициент трения; n - напряжение по нормали к контактной поверхности (нормальное давление)..

В системах уравнений (12), (15) и аналогичных для закона Гука, описывающих деформацию вязкопластической среды, определяющие соотношения в виде реологического уравнения зависимости эффективного напряжения течения уe от эффективной скорости e , накопленной степени деформации e, температуры T и структуры материала L могут быть представлены как в общем виде:

уe = 3(e, e ,T, L ) e.

или в общепринятом для физических реологических соотношений виде:

,

где у0 - константа, зависящая от химического состава и структуры материала, имеющая размерность напряжений [МПа]; - температурный множитель [К-1]; Q - энергия активации вязкопластической деформации [Джкмоль-1]; R - универсальная газовая постоянная [Джкмоль-1К-1]; t - температура деформации [К]; - интенсивность скоростей деформации [с-1]; - степень накопленной деформации; m - показатель скоростного упрочнения; n - показатель деформационного упрочнения; уs - константа, имеющая физический смысл предела текучести материала при данной температуре, скорости деформации и структуре материала в начальный момент времени.

Реологические параметры уравнения (28,б) или количественные аналитические зависимости для уравнения (28,а) определяются по результатам испытаний деформируемого материала с численно охарактеризованной структурой при заданных температурно-скоростных режимах для простых схем - одноосного растяжения, сжатия или сдвига. В соответствии с гипотезой единой кривой они затем распространяются на случай объемного напряженно-деформированного состояния для медленных процессов формоизменения, когда векторы напряжений и скоростей совпадают, а тензорные свойства среды линейные.

...