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

Уравнения (12) - (28) связывают расчетные значения термомеханических параметров в материальной точке деформируемого тела (температуру, степень и скорость деформации) с экспериментальными значениями реологических свойств деформируемого материала, определенных при простых схемах испытаний на одноосное растяжение, сжатие или чистый сдвиг, а также характеристиками напряженно-деформированного состояния.

Определение рациональных температурных параметров процесса прошивки предельно высоких заготовок. На основе разработанной методики и для внедрения разработанного способа прошивки провели расчеты температурных полей кузнечных заготовок со средним диаметром 920-3460 мм при их охлаждении на воздухе применительно к процессу последующей прошивки. Для проверки и отработки условий компьютерного моделирования нагрева и охлаждения в ОАО «Энергомашспецсталь» провели исследование температурного поля нагретого слитка массой 39 т со средним диаметром 1350 мм в процессе его охлаждения на воздухе. Температуру слитка измеряли хромель - алюмелевыми термопарами диаметром 3,2 мм в четырех точках - на поверхности, на расстоянии 60 и 450 мм от поверхности и на оси слитка. Слиток нагревали в печи до температуры 1220 °С, охлаждение нагретого слитка производили в атмосфере цеха при температуре окружающей среды 20 °С на подложках высотой 600 мм.

Сопоставление полученных результатов с известными литературными данными расчетов теплового состояния слитка массой 39 т при его охлаждении на воздухе показало их хорошую сходимость, а также правомерность выбора граничных условий для расчета температурных полей кузнечных слитков в процессе охлаждения применительно к процессу их последующей прошивки.

Компьютерное моделирование при расчете температурного поля слитков осуществляли, учитывая выделение тепла, равное 63 КДж/кг при фазовых превращениях в интервале температур, ограниченных критическими точками превращения (например, для стали 15Х2НМФА эти точки соответствуют 830 и 723 °С). Для уточнения коэффициентов теплоотдачи и теплофизических характеристик стали проводили сопоставление результатов расчета с экспериментом. Температуру металла оценивали по диаметральному сечению с шагом 0,05 радиуса слитков, приращение времени составляло 0,1 час. Всего произвели расчет температурных полей в процессе охлаждения 31 типоразмера реальных кузнечных слитков.

Расчет температурного поля для каждого типоразмера слитка проводили до момента достижения температуры по оси слитка ниже I000 °C, поскольку при более низких температурах существенно повышается сопротивление деформации стали, что не позволяет осуществить прошивку этого слитка. На основе расчетных данных строили графические зависимости изменения температуры металла по сечению кузнечных заготовок из слитков массой 15,6-420 т в процессе их охлаждения на воздухе.

Для всех типоразмеров кузнечных заготовок необходимо определить продолжительность их охлаждения на воздухе с тем, чтобы обеспечить условия для их последующей качественной прошивки. При решении этой задачи поставили условие, что радиус прошиваемого отверстия составляет 0,25 радиуса сбиллетированного блока. Этот объем металла к моменту начала прошивки должен находиться в пластическом состоянии и иметь температуру порядка 1100 0С. Продолжительность охлаждения под прошивку определяли, исходя из продолжительности достижения максимального температурного градиента между поверхностью заготовки и 0,25 радиуса от оси. Прошивка в этот момент производится при высокой температуре металла в осевой зоне, т.е. при низких значениях предела текучести. С другой стороны, максимальный температурный градиент обеспечивает возникновение "жесткой" рубашки, характерной пониженной пластичностью металла в этой периферийной зоне. Для предлагаемой технологии прошивки такое распределение температур по сечению заготовки является необходимым и достаточным условием и при анализе расчетных данных его приняли за критерий рациональной продолжительности охлаждения слитков под прошивку.

Изучение полученных данных показывает, что величина температурного градиента, в зависимости от размеров заготовки, растет от нуля до некоторого максимального значения, равного 8,52 °С/см для заготовок из слитка массой 15,6 т, и 3,85 °С/см - для заготовки из слитка массой 420 т. Время достижения максимального температурного градиента, т.е. требуемая продолжительность охлаждения, составляет при этом соответственно 1,3 и 14,0 час (табл. 1). При этом температура металла на расстоянии 0,25 радиуса от оси заготовки слабо зависит от размеров заготовки и колеблется от 1105 °С (для заготовок из слитков массой до 50 т) до 1140 °С (для более крупных заготовок), а температура на поверхности составляет соответственно 830-750 °С и 740-640 °С. Такое распределение температуры по сечению заготовок показывает, что выбранная продолжительность охлаждения заготовок на воздухе перед их последующей прошивкой обеспечивает достаточно низкое сопротивление деформации стали в объеме цилиндра, ограниченного 0,25 радиуса от оси заготовки, и в то же время образует "жесткую" поверхностную зону, служащую своего рода направляющей для прошивня при прошивке.

Таблица 1 - Продолжительность охлаждения заготовок на воздухе перед прошивкой

Разработка технологической схемы прошивки предельно высоких заготовок. Для прошивки кузнечных заготовок с Н/Д> I с целью повышения коэффициента использования металла на основе результатов лабораторных исследований и опытно-промышленного опробования разработали конструкцию полого прошивня с конической или колоколообразной внутренней поверхностью. Прошивень диаметром 450/250 мм изготовили из стали 5ХМ и испытали при прошивке заготовок диаметром 1200 мм. Отличительной особенностью этого прошивня является снижение величины удаляемого отхода в зависимости от угла конусности полости прошивня.

На основе результатов проведенных модельных и экспериментальных исследований рассчитали параметры реальных кузнечных заготовок после биллетирования и осадки, а также необходимые размеры прошивного инструмента для прошивки предельно высоких заготовок в неоднородном температурном поле (табл. 2).

Таблица 2- Параметры заготовок и кузнечного инструмента для прошивки в неоднородном температурном поле

На основе результатов проведенных исследований разработали новый способ прошивки предельно высоких заготовок с Н/Д>I,5, который заключается в следующем. Равномерно нагретую заготовку охлаждают с одновременной теплоизоляцией торцов до температуры поверхности, равной 0,4-0, 7 температуры плавления металла заготовки, при этом в осевой зоне размером 0,2-0,4 диаметра заготовки температура составляет 0,7-0,85 температуры плавления. Эффективность этого способа заключается и в том, что использование для прошивки предельно высоких заготовок позволяет отказаться от операции осадки, при которой происходит растекание металла осевой зоны слитка вширь, или существенно уменьшить степень обжатия при осадке.

Кроме того, процесс прошивки заготовок с неравномерным температурным полем позволяет снизить отходы металла за счет изменения формы удаляемого осевого отхода и устранения образования торцевого заусенца на нижнем торце заготовки. Реализация указанного достигается специальными технологическими приемами. Так, заготовку после нагрева охлаждали с боковой поверхности и с одного ее торца. При этом торец необходимо охлаждать на глубину, равную не менее 0,05 диаметра отверстия. Затем заготовку прошивали с торца, противоположного подстуженному. Эффективность этого способа достигается тем, что при прошивке получают отход цилиндрической формы, а не грибовидный, что снижает расход металла, во-вторых, удается избежать образования торцевого заусенца, что снижает трудоемкость процесса за счет устранения операции по снятию заусенца огневой резкой. По другой схеме перед прошивкой под нагретую и подстуженную заготовку устанавливали прокладку толщиной не менее 0,05 диаметра прошиваемого отверстия. Прокладку изготавливали из углеродистой стали, нагревали перед прошивкой до температуры 750-800 0С. В процессе прошивки прокладка выполняла роль подстуженного слоя торцевой поверхности.

Для проверки разработанных рекомендаций на основе результатов вышеприведенных исследований разработали и опробовали на прессе усилием 60 МН технологию прошивки заготовок с неравномерным температурным полем. В качестве исходного использовали слиток из стали 45 массой 39 т. Слиток нагрели в печи до температуры 1240 °С, обжали прибыль на диаметр 1020 мм и биллетировали на диаметр 1290 мм, затем вырубили два блока длиной по 1600 мм каждый. После второго нагрева блок осадили до высоты 1400 мм, поместили на кантовальную яму с теплоизоляцией одного из торцов и охлаждали в течение 2,0 час. После охлаждения заготовку установили на подкладную плиту, прошили полым прошивнем диаметром 550/270 мм. Второй блок прошивали без подстуживания поверхности. Сравнительный анализ качества прошитых блоков показал более высокое качество отверстия по соосности и наличию выходных дефектов блока, прошитого после охлаждения поверхности.

Проведенные теоретические, лабораторные и промышленные исследования позволили разработать технологические процессы производства крупногабаритных трубных поковок прошивкой в неоднородном температурном поле кузнечных слитков. Так, технология ковки полой поковки из слитка массой 145 т из стали I5X2HMФA содержит следующие операции и переходы: нагрев слитка до температуры 1250 °С; выдачу слитка из печи; обжатие прибыли на диаметр 1320 мм; биллетирование слитка в комбинированных бойках шириной 1400 мм на диаметр I960 мм; разметку и вырубку блока размером 4600x1960 мм; нагрев блока; выдачу блока из печи; осадку блока плоскими плитами до высоты 2750 мм; транспортировку заготовки до кантовальной ямы; охлаждение заготовки на воздухе в течение 6,0 час с теплоизоляцией верхнего торца; прошивку отверстия пустотелым прошивнем диаметром 950/590 мм.

ПРОТЯЖКА И РАСКАТКА НА ОПРАВКЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОЛЫХ ПОКОВОК

Анализ процессов протяжки и раскатки на оправке полых поковок. Полые поковки, в основном, получают по одной из двух технологических схем: 1 - технология ковки включает операцию прошивки сплошной заготовки с последующей раскаткой ее на оправке; 2 - поковку куют из полого слитка. По техническим показателям (производительность работ, коэффициент использования металла) вторая технологическая схема более прогрессивна. Однако второй схеме присущи недостатки, связанные с использованием полого слитка: значительная дороговизна и широкий диапазон используемого парка изложниц, большое соотношение высоты слитка к диаметру и сравнительно небольшой диаметр внутреннего отверстия. Обычная осадка полого слитка приводит к сокращению диаметра внутреннего отверстия и образованию складок на внутренней поверхности, переходящих в зажимы и трещины при дальнейшей раскатке. Предварительная раскатка полого слитка для увеличения отверстия в большинстве случаев невозможна из-за недостаточной прочности оправки и значительных упругих прогибов.

Кузнечной протяжкой с применением оправки получают поковки, имеющие соотношение габаритных размеров: D/d1,5-2 и при L l,2D. Раскатку применяют как заготовительную операцию для всех пустотелых поковок и для выравнивания толщины стенок. Раскатку выполняют при таких соотношениях габаритных размеров поковки: DH/DBH 1,5 и B1/(DH-DBH)>1.

Получение толстостенных поковок большого диаметра для последующего изготовления крупногабаритных плит осуществляют, в основном, раскаткой прошитых заготовок и их протяжкой на оправке в комбинированных или вырезных бойках. Независимо от технических требований, технологический процесс ковки таких поковок состоит из типовых кузнечных операций - биллетировки, рубки, осадки, прошивки, раскатки и протяжки на оправке в различных вариантах порядка и исполнения этих операций. Недостаточная изученность применяемых при изготовлении крупногабаритных трубных поковок технологических операций в комплексе, их взаимовлияния на параметры ковки и качество металла, особенно при выполнении их на оборудовании, обладающем ограниченными технологическими возможностями, как показал производственный опыт, являются причиной получения поковок с большой разностенностью, торцовыми дефектами типа заусенцев и "бахромы", исправление которых связано с большими трудовыми и материальными затратами.

В зависимости от целевого назначения и соотношения геометрических размеров полых поковок (наружного диаметра Дн, внутреннего диаметра Двн, высоты Нп) в технологии используют различные схемы ковки. При соотношениях Дн/Двн2,5 и Нп/Дн-Двн1,0 кольцевую поковку получают путем прошивки отверстия после предварительной осадки. При соотношениях Дн/Двн1,5 и Нп/ Дн-Двн1,0 поковку изготавливают осадкой, прошивкой и последующей раскаткой на оправке. При соотношениях Дн/Двн1,5 и Нп/ Дн-Двн1,5 поковку получают прошивкой, предварительной протяжкой на оправке и окончательной раскаткой.

Поскольку толстостенные трубные поковки, предназначенные для изготовления плит, имеют длину 5000 мм и более, протяжка на оправке является одной из определяющей в технологии ковки этих поковок. Анализ технологических схем и деформационных режимов ковки полых осесимметричных поковок на оправке приводит к выводу, что существующие технологии не позволяют получать трубные поковки с внутренним диаметром, превышающим 1500 мм и длиной, превышающей продольные габариты стола пресса. Использование традиционных способов протяжки на оправке таких поковок потребовало бы использование оправки массой, которая превышает возможности подъемно-транспортных средств, установленных на участках самых мощных ковочных прессов. Поэтому актуальной является задача по разработке новых способов протяжки и раскатки на оправке, созданию специализированного инструмента, которые позволяют получать трубные поковки с размерами, обеспечивающими изготовление из них толстых плит с размерами в плане 5500x5500 мм и более.

Исследование, разработка способов и инструмента для протяжки на оправке крупногабаритных трубных поковок. На основе анализа данных по теории и технологии протяжки, производственного опыта разработали новый способ ковки крупногабаритных трубных поковок, сущность которого заключается в том, что протяжку осуществляют на справке новой конструкции. Основное отличие этой оправки от существующих заключается в отсутствии бурта, прилегающего к рабочему участку, что обеспечивает возможность свободного перемещения заготовки на оправке. Оправка (рис. 2) имеет рабочий, промежуточный и вспомогательный участки. Длина рабочего участка с известной конусностью зависит от длины протягиваемой трубной поковки и составляет 1,0-2,0 максимального диаметра оправки. Вспомогательный участок предназначен для удерживания оправки кантователем или манипулятором в процессе ковки. Основное назначение промежуточного участка - удержание полой заготовки. Исходя из обеспечения устойчивого положения заготовки, протяженность этого участка составляет 0,25-0,5 длины заготовки под протяжку. Экспериментальные исследования процесса протяжки заготовок на оправках с разным углом конусности промежуточного участка (3; 5; 7; 10 и 15°) показали, что конусность этого участка должна быть в пределах 1,5-7,5°. При меньшем угле конуса затруднен процесс снятия заготовки с оправки (вплоть до заклинивания), при большем угле вспомогательный участок, примыкающий к меньшему основанию промежуточного конуса, не обеспечивает требуемой жесткости оправки при ковке заготовок большой массы.

Процесс протяжки на оправке осуществляют следующим образом. Нагретую полую заготовку размещают на оправке таким образом, что предназначенный для деформирования участок находится на рабочем участке оправки, при этом тыльная сторона бойка должна отстоять от плоскости раздела рабочего и промежуточного участков на расстояние от нуля до величины максимального удлинения, равного , где Со и Ск - исходная и конечная толщина стенки заготовки, aо - величина абсолютной подачи.

Такое расположение бойков и оправки позволяет исключить затекание металла на промежуточный участок оправки. Обжатие заготовки производят бойками с кантовкой заготовки по кругу; после обжатия кольцевого участка заготовку перемещают относительно оправки в направлении меньшего основания рабочего участка, повторяя процесс до получения требуемых размеров поковки. Использование оправки данной конструкции с рабочим участком, длина которого меньше длины поковки, позволяет расширить технологические возможности прессового оборудования и получать толстостенные поковки длиной свыше 5000 мм и внутренним диаметром более 1500 мм.

Рисунок 2 - Схема протяжки трубной заготовки на оправке новой конструкции в исходном положении (а) и в момент ковки (б): I - оправка (1,а; 1,б и 1,в - соответственно рабочий, промежуточный и вспомогательный участки); 2 - трубная заготовка; 3 - бойки

Однако изготовление моноблочной оправки для протяжки крупногабаритных трубных поковок вызывает значительные трудности. Расчеты показывают, что при использовании такой оправки суммарная масса заготовки + оправки + патрона + кантователя превышает возможности большинства имеющегося подъемно-транспортного оборудования. Поэтому разработали новый способ протяжки крупных поковок на сборной ступенчатой оправке с переходным кольцом, являющимся рабочей частью оправки. Лабораторные исследования по протяжке стальных и свинцовых заготовок цилиндрической формы показали правомерность разработанного способа.

Разработали варианты протяжки на оправке крупногабаритных трубных поковок. По одному из них раскатанную до номинального внутреннего диаметра заготовку размещают на моноблочной оправке, длина которой меньше длины протягиваемой заготовки, при этом протяжку ведут с последовательным перемещением заготовки. Длину рабочей части справки (переходного кольца) принимают равной 1,4 длины центрального бурта заготовки. Результаты проведенных исследований и промышленное опробование разработанных способов и конструкций оправок показали, что протяжку на оправке крупногабаритных поковок следует проводить в комбинированных бойках; раскатку для получения заданных размеров поковки и устранения торцевых дефектов типа "юбки" необходимо осуществлять длинным бойком от середины поковки к ее краям; окончательную протяжку заготовок следует производить по вышеуказанным вариантам на моноблочной или сборной ступенчатой оправках.

Промышленное опробование способов протяжки и раскатки на оправке крупногабаритных трубных поковок. Промышленное опробование разработанных способов ковки крупногабаритных трубных поковок провели на прессе усилием 60 МН при изготовлении макета днища корпуса реактора ВВЭР-1000. Предварительно для этого изготовили сборную оправку из имеющейся в наличии оправки диаметром 790/720 мм и кольца, насаженного на данную оправку. Кольцо служит в качестве рабочей части оправки на последней стадии ковки трубной поковки. Для его изготовления использовали слиток массой 20 т, из которого отковали цилиндрическую полую поковку диаметром 1390/750 мм и высотой 1450 мм. Механической обработкой получили требуемое кольцо высотой 1400 мм с конусностью 1:100,которое насадили на имеющуюся оправку.

Кузнечный слиток из стали 45 массой 39 т нагревали в печи до температуры I250 °С, обжимали прибыль и биллетировали на диаметр 1290 мм, размечали и вырубали блок длиной 1600 мм. После второго нагрева производили между плоскими плитами осадку блока, охлаждение осаженной заготовки на воздухе с одновременной теплоизоляцией торцов в течение 2,0 час, прошивку пустотелым прошивнем с наружным диаметром 550 мм. Вновь нагретую прошитую заготовку с размерами: Дн=1290 мм; Двн=550 мм и Н=1400 мм раскатывали на оправке диаметром 500 мм до получения отверстия диаметром 800 мм. После нагрева заготовку протягивали на оправке диаметром 790/720 мм до получения поковки длиной 1800 мм. После четвертого нагрева ступенчатую поковку раскатывали на оправке диаметром 700 мм до получения внутреннего диаметра поковки 1400 мм. На последнем выносе нагретую до температуры 1150 °С поковку протягивали на сборной оправке до требуемых размеров - наружный диаметр 1830 мм, внутренний диаметр 1400 мм, длина 2350 мм.

Таким образом, опытно-промышленное опробование разработанных способов протяжки-раскатки и оправок предложенных конструкций подтвердило возможность получения крупногабаритных трубных поковок с внутренним диаметром свыше 1500 мм и длиной, превышающей продольные размеры стола ковочного пресса, что позволяет расширить технологические возможности действующих в РФ ковочных прессов.

РАЗВЕРТКА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРУБНЫХ ПОКОВОК

Физическое моделирование процесса развертки плоским инструментом. Для получения плоской плиты, предназначенной для вырезки заготовки и штамповки днища корпуса реактора, разработали способ развертки трубной заготовки, который заключается в следующем. После предварительной термической и механической обработки откованной трубной поковки по торцу, наружной и внутренней поверхностям, поковку разрезают по образующим с образованием щели, необходимой для ввода внутрь заготовки инструмента для развертки (ширина щели равна 800-1000 мм). Развертывание заготовки осуществляют путем деформирования ее плоским бойком со стороны внутренней поверхности при его последовательном перемещении вдоль оси заготовки (рис. 3). При этом боек воздействует в поперечном направлении на участок заготовки, равный 0,9 максимального внутреннего размера заготовки, а в продольном направлении - на участок длиной, равной, по меньшей мере, половине внутреннего диаметра, с шагом 0,25-1,0 максимального поперечного размера заготовки.

Рисунок 3 - Схема развертки трубной заготовки плоскими бойками: а, б - исходная и разрезанная заготовки; в - ж - переходы развертки

Результаты исследования процесса развертки, проведенные на модельных заготовках из стали 15Х2НМФА, показали, что ширину плоского бойка на первом переходе следует принимать равной В1=0,9Двн, на последующих - равной Вп=(1,7-0,1n)Вп-1, где п - номер перехода развертки, Вп-1 - ширина бойка на предыдущем переходе. Длину бойка Lб следует выбирать в пределах Lб=(1,0-3,6)Двн(п-1), где- максимальный внутренний поперечный размер заготовки.

Разработка технологии развертки плоским инструментом. На основе результатов проведенных исследований рассчитали и изготовили оснастку и переходные бойки с плоской рабочей поверхностью для развертки трубной поковки размером 2350x285 мм и длиной 5700 мм за четыре перехода применительно к штамповочному прессу усилием 150 МН. При этом на первом переходе ширина бойка составляла 1680 мм, на втором - 2550 мм, на третьем - 3600 мм (рис. 4). Окончательную развертку производили между плоским верхним бойком и плоским нижним основанием пресса.

Разработанная технология развертки трубной поковки в плиту плоским инструментом состоит из следующих основных операций: входной контроль откованной трубной поковки; механическая обработка торцов трубы; приварка проушин для транспортировки; токарно-карусельная обработка внутренней и наружной поверхностей поковки; ультразвуковая дефектоскопия; вырезка полосы для ввода инструмента и захватов для транспортировки; нагрев поковки; развертка поковки плоскими бойками за 4 перехода; термическая обработка плиты. Трубную поковку из стали 15Х2НМФА размерами 2300x280x5700 мм разрезали по образующим на расстоянии 800 мм друг от друга. После нагрева до 1200 °С осуществляли ее развертку путем последовательного деформирования со стороны внутренней поверхности плоскими бойками. На первом переходе ширина бойка составляла 1680 мм, на втором - 2550 мм, на третьем - 3600 мм. Окончательную развертку производили между плоским верхним бойком и плоским нижним основанием пресса.

Рисунок 4 - Штамповая оснастка, плоский инструмент и переходы развертки (а - г) трубной поковки размером 2300х1740x5700 мм из стали 15Х2НМФА на прессе усилием 150 МН

Технология позволяет получать моноблочные крупногабаритные плиты с размерами 5500х5500х280 мм, снизить трудоемкость изготовления в 1,6 раза, расход металла - на 10 - 15 % по сравнению с прокатно-сварным вариантом изготовления плит, существенно повысить надежность работы корпуса реактора за счет исключения пересекающихся сварных швов.

Однако наряду с указанными преимуществами данная технология развертки имеет ряд недостатков, в том числе многопереходность процесса, необходимость изготовления большого комплекта сменного инструмента, потери металла из-за вырезки полосы из трубной поковки шириной 800-1000 мм для ввода инструмента, что, естественно, снижает коэффициент использования металла

Моделирование процесса развертки клиновым инструментом. Для получения толстых крупногабаритных плит путем развертки трубных поковок разработали способ, заключающийся в постепенном разведении кромок предварительно разрезанной трубной поковки клиновым инструментом. Для моделирования этого процесса развертки спроектировали и изготовили инструмент, боковые поверхности которого являются рабочими. Угол при вершине клиньев изменяли в пределах 15-120 градусов.

Правомерность предложенного способа проверяли на заготовках из свинца марки С001 и стали I5X2HMФA с размерами: Дн= 75 мм; Двн=45 мм. В качестве инструмента для развертки использовали клинья с углом при вершине I5-I200. Целью исследования являлось определение конфигурации и размеров клиньев, а также величины угла при вершине клина, обеспечивающих на начальной стадии процесса развертывание заготовки без смятия кромок и потери устойчивости последней. Результаты исследования показали, что с увеличением угла при вершине клина эффективность развертки возрастает, однако при угле клина более 900 происходит смятие периферийных частей заготовки. Процесс развертки клиньями с углом менее 60° происходит без затруднений, однако характеризуется неэффективностью использования данного инструмента и приводит к необходимости дополнительной развертки заготовки клиньями с большим углом при вершине. Кроме того, для обеспечения стабильности и плавности процесса, уменьшения усилия развертки, что существенно при развертывании крупногабаритных трубных поковок, целесообразно нижнюю рабочую грань инструмента выполнять под определенным углом к плоскости его верхнего основания. Длину клина следует принимать равной 0,25-0,35 длины развертываемой заготовки, при этом раскрытие кромок (протяженность внеконтактной зоны деформации) происходит на длине, равной 1,5-2,0 длины бойка. Для стабильности осуществления процесса развертку целесообразно производить двумя бойками, расположенными симметрично относительно середины заготовки. прошивка заготовка деформация поковка

На основе результатов лабораторных исследований процесса развертки спроектировали инструмент, содержащий смонтированный на траверсе пресса опорный элемент, к которому прикреплены основаниями два клина, и нижнего основания. При осуществлении процесса развертки предварительно разрезанную по образующей и нагретую полую заготовку устанавливают на нижнее основание, при ходе пресса вниз клинья заходят в разрез заготовки, жестко фиксируют ее в плоскости приложения усилия и производят плавное разведение кромок.

Промышленное опробование разработанного способа проводили при развертке трубной поковки из стали I5X2HMФА размерами: Дн=620 мм; Двн=480 мм; Н=1600 мм. Для развертки этой поковки, сокращения числа операций при развертке трубной поковки в плиту спроектировали и изготовили новую конструкцию клинового инструмента путем отливки и механической обработки рабочих поверхностей.

Предварительно разрезанную по образующей поковку (ширина реза 5 мм) нагревали до 1100 °С, подавали на стол пресса и осуществляли развертку клиновым бойком. Частично развернутую заготовку отправляли на подогрев, в это время на траверсу пресса навешивали упор, не снимая при этом клиновые бойки. Упор передает усилие пресса на клиновой инструмент на второй стадии развертки. После этого на подогретую и размещенную на столе пресса предварительно развернутую заготовку устанавливали клин-развертку и нажатием упора производили дальнейшую развертку кромок заготовки. После выдачи заготовки из рабочей зоны пресса клин-развертку удаляли, устанавливали на заготовку плоскую плиту, вновь подавали заготовку под пресс и осуществляли окончательное деформирование ее в плоскую плиту размерами 1500х1600х70 мм. В целом опытно-промышленное испытание процесса развертки трубной поковки клиновым инструментом прошло успешно, спроектированный инструмент показал хорошую работоспособность и эффективность. Испытания полученной плиты показали ее полное соответствие требованиям технических условий по качеству поверхности и уровню механических свойств металла.

Физическое и компьютерное моделирование комплексного процесса развертки трубной поковки. Моделирование развертки трубной поковки клиновым инструментом проводили с использованием конечно-элементной системы компьютерного моделирования, позволяющей моделировать трехмерные неизотермические процессы горячей обработки металлов давлением с учетом изменения напряжений течения деформируемого материала от температуры, степени и скорости деформации при различных граничных и начальных условий.

Компьютерное моделирование проводили при одинаковых начальных и граничных условиях: размеры трубной заготовки: диаметр 2360, толщина стенки-335 и длина 5700 мм; температура заготовки - 1200 ОС; температура верхнего бойка и нижней плиты - 350 ОС; скорость движения траверсы пресса - 30 мм/с; коэффициент трения по Кулону - Амонтону на контактной поверхности заготовка-инструмент принимали 0,3; число конечных элементов при разбиении заготовки - 3000. Инструмент рассматривали как абсолютно жесткое тело. Число итераций по прямому линейному методу определялось автоматически и составляло от 3 до 10. Шаг для расчетов формоизменения по времени задавали равным 0,25 с; шаг записи промежуточных результатов в файл данных на жестком диске выбирали от 2,5 до 5 с. В зависимости от типа и размеров клинового и плоских бойков в файл данных записывали от 350 до 500 шагов. После окончания каждой стадии формоизменения процесс останавливали, в препроцессоре CAD системы производили замену геометрической модели верхнего бойка, а также ее позиционирование относительно заготовки и продолжали расчет со следующего шага. При необходимости уточнения и корректировки исходных данных или полученных результатов эксперименты повторяли для каждого варианта от 2 до 5 раз.

На рис. 5 показаны переходы и стадии формоизменения заготовки клиновыми и плоскими бойками.

Рисунок 5 - Стадии развертки: 1-2 клиновым, 3-5 продольным плоским, 6-8 поперечным плоским бойками трубной заготовки в плиту.

Как показали результаты компьютерного моделирования, основной особенностью процесса является отрыв центральной части заготовки от нижнего штампа на стадиях процесса развертки, предшествующих образованию плоских участков, и превышение усилия ковки на стадии обжима плоской части плиты номинального усилия ковочного пресса 150 МН. При этом средние значения накопленных логарифмических деформаций составили по плите 0,27-0,30, а эффективные напряжения не превышали 60 - 80 МПа. Очевидно, что полноразмерная развертка в плиту на заключительных стадиях по всей длине за один проход должна производиться либо при выдержке плиты под давлением на максимальном усилии пресса на время достаточное для окончательного формообразования поковки.

Полученные результаты позволили провести систематические вычислительные эксперименты по исследованию влияния основных технологический факторов и конструктивных параметров деформирующего инструмента на формоизменение и силовой режим процесса развертки полой заготовки в плиту.

Более детальное компьютерное моделирование процесса развертки полой заготовки в крупногабаритную прямоугольную толстую плиту проводили для натурных размеров заготовки и конечного изделия применительно к реальной технологии ковки на гидравлическом ковочном прессе усилием 150 МН. При этом использовали результаты физического моделирования и промышленного опробования процесса развертки, выполненные в процессе работы.

В качестве прототипа для построения объёмной геометрической модели процесса развертки использовали полую заготовку с максимально допустимыми для пресса 150 МН размерами. Установлено, что максимальные нагрузки на прессе возникают в момент, когда начинается формирование плоского участка поверхности заготовки под верхним бойком и ее деформация по толщине. Максимальное усилие для клиновых бойков наблюдается в начале развертки, при этом оно тем выше, чем больше величина угла клина. При увеличении угла клина с 450 до 1200 максимальная нагрузка увеличивается более чем в 10 раз. Величина хода траверсы до момента соприкосновения вершины угла клина с внутренней поверхностью разворачиваемой заготовки увеличивается с возрастанием угла клина.

Для плоского бойка характер изменения зависимости нагрузки на прессе от хода траверсы отличается от развертки клиновыми бойками. В начале развертки плоским бойком (после завершения свободного хода) до соприкосновения его боковых граней с внутренней поверхностью заготовки нагрузка на прессе непрерывно повышается. Резкое увеличение величины нагрузки на прессе в конце первой стадии формоизменения объясняется началом пережима заготовки по толщине. В любом случае нагрузка на прессе при развертке плоским бойком на 1,5 - 2,5 порядка больше, чем при развертке клиновыми бойками.

Обобщенные графики зависимости нагрузки на пресс при развертке трубной поковки клиновыми и плоским бойками от хода траверсы пресса на всех переходах показаны на рис. 6, а соответствующие им номера позиций стадий формоизменения на рис. 7.

Рисунок 6 - Зависимость нагрузки на прессе при развертке трубной поковки плоским (г) и клиновыми бойками с углом клина 450 - а, 900 - б, 1200 - в, 1800 - г от хода траверсы пресса (1…9-позиции стадий развертки)

Из анализа этих данных видно, что на первом переходе с увеличением угла клина ширина паза и самой полой заготовки также увеличивается (поз. 1-3). На втором переходе при развертывании плоским бойком его ширина должна быть пропорционально увеличена для более тупого клина (поз. 4-6). При этом для клина с углом 1200 в середине второго перехода (поз. 5) начинается отрыв наружной поверхности заготовки по середине ее ширины от нижней плиты. Эта стадия формоизменения обусловлена потерей устойчивости формы заготовки на продольный изгиб по образующей боковой поверхности под действием сжимающих напряжений. Дальнейшее обжатие этого волнового профиля до плоской плиты или пережим заготовки по толщине широким плоским бойком по всей дине заготовки приводит к значительному повышению нагрузки на прессе до величины, которая может превысить номинальное усилие пресса 150 МН.

Рисунок 7 - Стадии формоизменения развертываемой трубной поковки клиновыми и плоскими бойками

Таким образом, при разработке технологии производства крупногабаритных толстых плит из полой заготовки, выборе деформирующего инструмента и назначении технологических режимов ковки нужно учитывать выявленные в результате компьютерного моделирования особенности формоизменения и характер изменения нагрузки на прессе для разных переходов.

Разработка новых конструкций клинового инструмента для развертки. С целью повышения эффективности разведения кромок полой цилиндрической заготовки и улучшения качества продукции на основе результатов исследования и моделирования процесса развертки полой поковки в плиту разработали конструкцию клинового бойка, содержащего верхнее основание, выполненное с возможностью соединения с ползуном пресса, и прикрепленные к нему два клина, обращенные один к другому меньшими по высоте торцами. Угол между боковыми поверхностями каждого клина плавно изменяется от минимального значения 15-90° у одного торца, имеющего максимальную высоту, до 60-150° у другого, имеющего минимальную высоту. Разность этих значений не менее 30°, вершина клина наклонена на угол 7-60° к его основанию.

Для сокращения числа операций при развертке полой заготовки в плиту предложили конструкцию клинового инструмента, разработанную на основе клина с углом 1200, вершина которого была обрезана по горизонтальной плоскости, а также бойка с криволинейной образующей боковой поверхности. Особенность конструкции этих бойков состоит в том, что их боковые грани имеют переменный угол наклона к вертикальной плоскости, обеспечивающий углы раскрытия кромок прорезанного паза трубной заготовки при развертке от 90 до 160-1700 для увеличения ширины паза до максимального размера за один - два перехода.

Для проверки работоспособности предложенной конструкции бойка и сравнения с известным бойком, описанным выше, провели дополнительные исследования с помощью компьютерного моделирования процесса развертки (рис. 8).

Рисунок 8 - Модель развертки трубной поковки бойками с переменным углом наклона боковых рабочих граней (а) и с криволинейной образующей боковой рабочей поверхности (б)

Результаты сравнения формоизменения полой заготовки и силового режима деформирования, полученные при компьютерном моделировании процесса развертки этими бойками, представлены на рис. 9, 10.

Рисунок 9 - Стадии формоизменения развертываемой трубной поковки профильными бойками с прямолинейной (а) и криволинейной (б) боковой поверхностью

Рисунок 10- Зависимость нагрузки на верхний боек от хода пресса в соответствие с позициями (рис. 9)

Использование бойков с криволинейной боковой поверхностью по сравнению с бойками известной конструкции позволяет исключить из технологического передела развертки один передел, что дает возможность снизить расход металла на изготовление бойков, сократить расходы на нагрев трубной заготовки и ее деформацию, повысить производительность процесса развертки крупногабаритных заготовок в плоские плиты.

КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПЛИТ И ДНИЩ

Исследование структуры металла поковок. Для изучения влияния параметров процессов обработки металлов давлением и термической обработки на структуру и свойства металла из трубной поковки, а также из плиты вырезали 10 темплетов как со стороны прибыльной, так и донной частей исходного слитка (рис.11). Контрольные пробы «7-10» вырезали из полосы, полученной при подготовке трубной поковки к развертке. Размер вырезанных темплетов составлял 150x150x250 мм. Из каждого темплета вырезали по 8 пластин для изготовления стандартных образцов при испытаниях на растяжение и на ударную вязкость. Схема вырезки образцов позволяет изучить анизотропию механических свойств и изменение структуры металла, как по толщине плиты, так и в зависимости от направления вырезки (пластины "а" и "в" вырезали из внешней четверти плиты, пластины "б" и "г" - из внутренней четверти).

Вырезанные пробы металла подвергали пластическим и термическим операциям в соответствие с разработанной технологией:

-темплет 1 - металл трубной поковки в состоянии поставки, прибыльная часть;

-темплет 2 - металл трубной поковки в состоянии поставки, донная часть.

-темплет 3 - нагрев под развертку, развертка, нормализация при температуре 910 °С, отпуск при температуре 650 °С, донная часть;

-темплет 4 - то же, прибыльная часть;

-темплет 5 - нагрев под развертку, развертка, нормализация, отпуск, нагрев под штамповку, штамповка днища, отжиг при температуре 660 °С, прибыльная часть;

-темплет б - то же, донная часть;

-темплет 7 - то же, что 5 темплет + двойная закалка с отпуском, прибыльная часть;

-темплет 8 -то же, донная часть;

-темплет 9 - то же, что и 7 темплет + дополнительный отпуск по режиму (рис. 5.2), прибыльная часть;

-темплет I0 --то же, донная часть.

Механические свойства металла при растяжении определяли на цилиндрических образцах диаметром 10 мм, тип 111 (ГОСТ 1497-84), ударную вязкость - на образцах на ударный изгиб, тип 11 (ГОСТ9554-84). Определение работы развития трещины производили на ударных образцах с нанесенной на них инициированной трещины длиной 1,0-2,5 мм. Все механические испытания проводили на оборудовании фирмы «MFL».

Исследование микроструктуры металла осуществляли на микрошлифах при разном увеличении на микроскопе «MEF-2», анализ неметаллических включений - на нетравленых шлифах при увеличении х1000. Фрактографический анализ изломов ударных образцов проводили на стереомикроскопе МБС-9. Для характеристики карбидного состава металла осуществляли потенциостатический анализ образцов диаметром 10 мм в 40 % растворе NaOH. Для характеристики дислокационной структуры определяли физическое уширение линии (220). Съемку образцов осуществляли в излучении FeK с шагом сканирования 0,1 град с записью на цифропечать. Время сканирования в каждой точке составляло 40 сек. Вычисление результатов производили по специальной программе на ЭВМ.

Рисунок 11 - Схема отбора проб в заготовке для днища (а) и раскроя темплетов на пластины (б): I-6 - место отбора проб (темплетов); К - место отбора контрольных проб; П, Д - прибыльная и донная части слитка; а - г - номера пластин в темплете; вырезка образцов в пластинах «а» и «б» - продольная, в пластинах «з» и «г» -тангенциальная

Анализ макро - и микроструктуры металла в пробах, вырезанных из прибыльной и донной частей трубной поковки, не обнаружил наличия крупных растравов и ярко выраженной строчечности. Исследование серных отпечатков показало, что распределение серы по толщине поковки имеет равномерный характер, как в прибыльной, так и в донной части. Металлографический анализ нетравленых микрошлифов из прибыльной и донной частей показал, что загрязненность металла оксидными, сульфидными и силикатными включениями не превышает 1-го балла по ГОСТ 1778-86. При этом содержание сульфидных включений в донной части несколько выше, чем в прибыльной. Включения расположены равномерно в плоскости шлифа, иногда в виде цепочек. Крупных включений в металле трубных поковок не обнаружено. Исследование микроструктуры показало, что в состоянии поставки сталь имеет крупное аустенитное зерно (балл зерна - I-2) как в прибыльной, так и в донной части (рис. 12).

В состоянии поставки металл имеет двухфазную структуру - крупные бейнитные зерна окружены сеткой мелких зерен феррита при этом в донной части поковки количество феррита увеличено. Металл остальных проб имеет полностью бейнитную структуру. Поскольку размер зерна металла в состоянии поставки был большим, дополнительно в месте отбора темплетов 2 и 3 вырезали пластины размером 20x80x250 мм для испытания на загиб до полного разрушения. Как в состоянии поставки, так и после нагрева под развертку излом имеет смешанный вязко-хрупкий характер, при этом в зоне хрупкого разрушения признаков межзеренного (камневидного) излома не выявлено. В образце в состоянии поставки излом имеет крупнокристаллический характер (скол по плоскостям зерен), что свидетельствует об отсутствии пережога. В образце после нагрева под развертку доля вязкой составляющей в структуре металла выше, чем в структуре металла в состоянии поставки. В хрупкой части излом имеет также кристаллический характер, но более мелкозернистый.

Нагрев под развертку при температуре 1080 °С и последующая термическая обработка (нормализация при 920 °С + отпуск при 650 °С) способствуют измельчению аустенитного зерна до + I - +2 балла в темплете 3 (донная часть) и до +2 - +3 в темплете 4 (прибыльная часть). Размер зерна в металле поковки после развертки, нормализации с отпуском, нагрева под штамповку и последующего отжига при 660 °С достигает 1-го балла как со стороны прибыльной, так и донной частей. Это укрупнение зерен произошло в результате нагрева заготовки под штамповку днища.

Рисунок 12 - Микроструктура металла внешнего (а, б) и внутреннего (в, г) слоев трубной поковки, прибыльная часть (1) и донная часть (2) в состоянии поставки

Основная термическая обработка отштампованного днища (двойная закалка + отпуск) способствовала измельчению зерна в структуре стали до +4-+5 балла (рис. 13). При этом в прибыльной части во внутренних слоях днища размер аустенитных зерен несколько меньше, чем во внешних слоях.

Рисунок 13 - Микроструктура металла днища после основной термической обработки (двойная закалка + отпуск) - 1 и после дополнительного отжига -2:

а, б - прибыльная часть поковки; в, г - донная часть поковки

Механические характеристики и физические свойства металла поковок. Исследование влияния параметров пластических и термических обработок проводили на образцах, вырезанных из трубной поковки и плиты. Схема вырезки темплетов и образцов позволила изучить анизотропию свойств металла по толщине и длине плиты (прибыльная и донная части) на различных стадиях производства днищ. Изучение свойств проводили при различных температурах - 20, 350 и -10 °С. Так, в качестве примера в табл. 3 приведены механические свойства металла трубной поковки в состоянии поставки на продольных образцах.

Таблица 3 - Механические свойства трубной поковки (средние значения) из стали I5X2НМФА в состоянии поставки (продольные образцы)

ПП и ПВ - прибыльная часть, соответственно поверхностный и внутренний слои; ДП и ДВ - донная часть, соответственно поверхностный и внутренний слои; Ат - удельная работа развития трещины.

В работе представлены результаты исследования механических свойств образцов, вырезанных в поверхностных и внутренних слоях поковки на разных этапах технологического процесса изготовления днища, при этом каждая точка диаграммы представляет собой среднее значение испытаний для 4-х образцов на растяжение и б-ти образцов - на ударный изгиб, например, рис. 14.

Рисунок 14 - Изменение уВ стали 15Х2НМФА при 20 0С на разных стадиях технологии производства днищ:

I. металл трубной поковки в состоянии поставки; 2 - после нагрева под развертку, нормализации, отпуска; 3 - то же, что и 2 + нагрев под штамповку, отжиг; 4 - то же, что и 3 + двойная закалка, отпуск; 5 - то же, что и 4 + дополнительный отпуск. Место вырезки образца: ПП и ПВ - прибыльная часть, соответственно поверхностный и внутренний слои; ДП и ДВ - донная часть, соответственно поверхностный и внутренний слои; СР - средний показатель.

Результаты исследования механических свойств металла после пластических и термических обработок показали, что прочностные характеристики металла в состоянии поставки при температуре испытаний 350 °С ниже нормативных требований. Предел текучести металла некоторых образцов при испытаниях при 20 °С также не удовлетворяет требованиям технических условий. Для образцов, прошедших нагрев под развертку с последующей нормализацией и отпуском, только на одном образце (при 350 °С) механические свойства ниже требуемых.

После нагрева под штамповку днища и последующего отжига количество образцов с низкими прочностными характеристиками возросло до трех. Основная термическая обработка (двойная закалка с отпуском) приводит к измельчению зерна, а также к существенному повышению прочностных свойств металла. После дополнительного отпуска прочностные свойства несколько снижаются. Сравнение свойств металла у образцов, вырезанных в продольном и в тангенциальном направлениях, показало, что свойства лишь незначительно выше у образцов, вырезанных в продольном направлении. Отсутствие анизотропии механических свойств в металле поковки объясняется как всесторонней проковкой металла, так и малым содержанием сульфидных включений и отсутствием явно выраженной строчечности. Анализ образцов, испытанных на определение работы развития трещины, также подтверждает вышеприведенные закономерности. Следует отметить, что величина работы развития трещины во всех случаях имеет достаточно большие значения (выше 40 Дж/см ).

Определение физического уширения линии (220) методами рентгеноструктурного анализа показало, что наибольшие микроискажения (наибольшее физическое уширение) наблюдаются у образцов, прошедших основную термообработку. Дополнительный отпуск приводит к некоторому уменьшению микроискажений.

Одним из параметров, влияющих на механические свойства, является состав карбидной фазы, определяемый методом потенциостатического анализа. Потенциостатические кривые снимали для всех состояний металла, как для наружных, так и внутренних слоев поковки. Установлено, что на разных этапах изготовления поковки и днища состав карбидной фазы изменяется. Если после нормализации и отпуска высота пиков, соответствующих карбидам Ме23С6 и Ме7С3 приблизительно одинакова, то после закалки с отпуском преобладает пик Ме7С3. Этим можно объяснить некоторое повышение предела прочности и предела текучести металла поковки после проведения основной термообработки.

Дефектоскопический контроль методом ультразвуковой дефектоскопии после окончательных стадий изготовления днища показал, что дефектов, недопустимых по техническим условиям, в поковке и в готовом днище не наблюдается.

Таким образом, анализ макро- и микроструктуры, неметаллических включений в металле трубной поковки и в днище показал, что поковки содержат незначительное количество неметаллических включений, равномерно распределенных по сечению поковок. В днище не наблюдается ярко выраженной анизотропии свойств как по толщине поковки, так и по направлению вырезки образцов. На заключительном этапе технологии металл днища имеет мелкозернистую структуру (+4...+5 балл) и механические свойства, удовлетворяюшие требованиям технических условий. Результаты ультразвуковой дефектоскопии днища также удовлетворяют требованиям технических условий.