Совершенствование процессов свободной ковки крупногабаритных длиноосных поковок



Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

******

Кафедра ****

Научно – исследовательская работа

курсовая работа

на тему: «Совершенствование процессов свободной ковки

крупногабаритных длиноосных поковок»

  Выполнил: ст. гр. ***

  Проверил: ***

***

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития промышленности для изготовления ответственных и крупных уникальных валов ковка является единственным способом производства. Поэтому интенсификация процесса ковки и дальнейшее его совершенствование отвечает насущным требованиям высокоразвитой промышленности.За последние годы резко возросла доля процессов обработки металлов давлением (ОМД). Это связано с тем, что ОМД обеспечивает высокое качество металла заготовок, существенное снижение расхода металла и повышение производительности труда.

Придание металлу необходимой формы отвечающей конфигурации будущей детали и получаемой с наименьшими трудозатратами, исправление дефектов литой структуры, повышение качества металла преобразованием литой структуры в деформированную, распределение свойств металла в объеме поковки по закону удовлетворяющему эксплуатации данной детали на стадии изготовления пластическим деформированием и, наконец, сама возможность пластического деформирования пластичных и малопластичных сплавов – основные аргументы применения процессов обработки металлов давлением.

Улучшения качества металла достигают не только при его выплавке, разливке и последующей термической обработке, но и в процессе ОМД. Даже самые совершенные в настоящее время процессы плавки и электрошлаковый переплав металла, глубокое вакуумирование плавки и перед разливкой не обеспечивают наивысшего качества металла, полного ресурса его деформационных и прочностных характеристик. Вот почему такое большое внимание уделяется сейчас целенаправленному применению высокопроизводительных и экономичных процессов ОМД в технологии машиностроения.

Задачи изучения пластического течения металла, деформационной способности металлов занимает большое место как в теории ОМД, так и в научном обосновании протекающих и оснополагающих процессов ковки. При этом решение практических задач позволяет сочетать физические предпосылки с высокой математической точностью, особенно, когда, когда при пластическом деформировании заготовки встречаются множество разнохарактерных зон деформаций, и аналитические расчеты становятся громоздкими. В настоящее время метод линий скольжения – это единственный метод, позволяющий анализировать распределение напряжений по сечению тела.

Учитывая в дальнейшем влияние термозональных факторов при горячем деформировании и упрочнение металла, приближает этот метод к реальным условиям деформирования металла заготовок, что дает возможность наблюдения за динамическим поведением металла в очагах деформаций, оценивать напряженное и деформированное состояния металла, отыскивать наиболее оптимальные технологические параметры ковки и прогнозировать свойства деформированного металла.

Большое место в обработке металлов давлением занимает исследование деформационной способности металлов и прежде всего способности к обработке в горячем состоянии, разработка методов оценки предельной пластичности на основе напряженного состояния металла с учётом тепловых факторов деформирования заготовки в нагретом состоянии.

  1. Инновационные технологии ковки крупных поковок

Инновационные технологии ковки опережают традиционные технические решения аналогичного назначения в несколько раз. Разработанный метод макросдвигов позволяет управлять течением металла, принципиально по-новому воздействовать на металлы и сплавы при пластической деформации. В процессах ковки, основанных на принципах заданного воздействия на макроструктуру металла путём регулирования потоков пластического течения металла нашло воплощение осуществлять это регулирование, например, за счёт создания кузнечного трёхлепесткового слитка. В этом случае регулирование пластических потоков происходит благодаря изменению соотношения площадей свободных и контактных поверхностей, а также за счёт изменения конфигурации свободных поверхностей заготовки, влияющих на сопротивление вытеснению металла, в частности, формирование заданной формы промежуточной заготовки. При этом за счёт сдвиговых деформаций повышается эффект проработки литой структуры и происходит локализация и распределение макродеформаций в заданных зонах заготовки.

Применение трёхлепесткового слитка массой 7 т позволило исключить брак валков холодной прокатки, увеличить (до 40 %) местные деформации в осевой зоне поковки при укове всего 1,5. Вместе с тем, после производственных экспериментальных исследований было установлено, что если слитки трефообразного исходного сечения планируется использовать для получения поковок с малыми уковами (порядка 2), предназначенных для производства изделий ответственного назначения, то при выборе кузнечного инструмента и назначении режимов деформирования следует проявлять определённую осторожность в связи с возможной неоднородностью распределения степени деформации по сечению поковки. По нашему мнению вышеприведенное предостережение связано с тем, что в качестве заготовки использовался литой трефообразный слиток, которому во многом присущи недостатки литых заготовок. Кроме того, для отливки таких слитков требуются изложницы специальной формы, а это связано с дополнительными затратами.

На рис. 1.1 представлена конструкция профилированных комбинированных бойков для получения трёхлепестковой заготовки ковкой. При этом верхний плоский боёк имеет неподвижно закреплённую на нём вставку 2, выполненную в виде выпуклости. Нижний вырезной боёк (угол выреза . принят 120 °) имеет две неподвижные вставки 4, также выполненные в виде выпуклостей.

                    а – схема процесса                                           б – фото процесса

1 – боек верхний плоский, 2 – вставка выпуклая верхняя, 3 – боек вырезной нижний, 4 – две выпуклые вставки, 5 – заготовка

Рисунок 1.1 - Обжатие заготовки комбинированными профилированными бойками

На рис. 1.2 представлена конструкция профилированных вырезных бойков для получения четырёхлепестковой кованой заготовки. Исследованиями было установлено, что после начала деформации комбинированными профилированными бойками происходит локальное выпучивание материала заготовки вверх и в стороны вблизи зон контакта заготовки с выпуклыми профилями рабочих вставок, находящимися на верхнем и нижнем бойках. Выпучивание металла происходит в обе боковые стороны заготовки в равной степени. При этом образуются два верхних выпуклых лепестка заготовки. По направлению действующей силы пресса металл течёт в сторону нижнего вырезного бойка (выдавливается) и образует при этом третий выпуклый лепесток (см. рис. 1.1). После начала деформирования вырезными профилированными бойками (см. рис. 1.2) происходит локальное выпучивание (уширение) материала заготовки в горизонтальной плоскости в каждую сторону от вертикальной оси. По направлению действующей силы металл течёт (выдавливается) вверх и вниз между выпуклыми вставками.

      а – схема процесса                                        б – фото процесса

1 – боек вырезной верхний, 2 – боек вырезной нижний, 3 – четыре выпуклые вставки, 4 – заготовка

Рисунок 1.2 - Обжатие заготовки вырезными профилированными бойками

Эксперименты проводили на свинце и стали. Исходная заготовка, физически моделирующая кузнечный слиток, была выбрана диаметром d0=30 мм и длиной l0=30 мм; использовали относительную подачу d0/l0=1, т.е. обжатие производили по всей длине заготовки. Радиус выпуклостей бойков принимали равным Rб=15 мм, т.е. отношение Rб/Rз=15/15=1. В результате исследований было установлено, что для получения трёхлепестковой заготовки правильной формы (R1=R2=R3), а также четырёхлепестковой заготовки правильной формы (R1=R2=R3=R4) величина обжатия должна находиться в пределах ε = 23-25% (ε = ∆h/d0, где ∆h – ход пресса).

Конфигурация полученных кузнечных заготовок в данном случае выступает в роли фактора формы заготовок для реализации эффекта макросдвигов при последующей протяжке.

Полученный ковкой четырёхлепестковый слиток подавался под пресс, где установлены обычные вырезные бойки (φ12=120o). При первом обжатии (рис. 1.3) элементы 1, примыкающие к вырезным бойкам, принудительно перемещаются к центру слитка, образуя, как показали эксперименты, почти недеформированные объёмы. Аналогичные элементы 2, расположенные у свободной поверхности и не подверженные воздействию бойков, образуют также почти недеформированные объёмы 2 и перемещаются в поперечном направлении. В связи с тем, что объёмы 1 и 2 обладают равным сопротивлением деформации вдоль своих осей симметрии и не деформируются, область наибольших деформаций сосредотачивается в осевой зоне слитка 3.

1, 2, 3 – характерные объёмы очага деформации

Рисунок 1.3 - Обжатие четырехлепестковой заготовки вырезными бойками

После первого обжатия форма поперечного сечения сохраняет принципиальную структуру – чередующиеся элементы массированного сосредоточения металла и участки с пониженным сопротивлением деформации. После кантовки на 90о обжатие повторяют. Общий уков после этих двух обжатий четырёхлепестковой заготовки небольшой, но осевая зона, как показали эксперименты, оказывается хорошо прокованной. При дальнейшей протяжке для получения окончательной формы поковки проработка осевой зоны ещё более возрастает. Полученный ковкой трёхлепестковый слиток подавался под пресс, где установлены обычные комбинированные бойки (φ=120o). Течение металла в очаге деформации и поведение объёмов 1, 2, 3 (рис. 1.4) будет аналогичным. При этом также реализуется эффект макросдвигов.

Наряду с формоизменением важную роль при ковке крупных поковок играет качество поковок, которое определяется проработкой (проковкой) литой структуры. Под проковкой обычно понимается такая переработка материала, которая устраняет дефекты литья, измельчает структуру и повышает свойства металла до определённого уровня, соответствующего кованому состоянию. Определяющим фактором проковки является устранение объёмных дефектов усадочной природы, связанных с наличием пористости и других несплошностей в структуре литого металла. Как известно, усадочная раковина удаляется с прибыльной частью слитка, а осевая рыхлость и пористость остаются в теле поковки. Важно было установить характер распределения деформаций и как происходит закрытие осевого дефекта при ковке по предлагаемой и существующей (стандартной) технологии.

1, 2, 3 – характерные объёмы очага деформации

Рисунок 1.4 - Обжатие трехлепестковой заготовки комбинированными бойками

Экспериментальные исследования проводили на моделях с использованием метода координатных сеток. Специально изготовленным шаблоном сетка наносилась на торцы образцов. На плоскую поверхность полуцилиндров, которые затем спаивали сплавом Вуда, сетка размером 3,3 мм наносилась штангенрейсмусом. Для оценки основных показателей качества производили моделирование степени закрытия и заковки внутренних дефектов на свинцовых и стальных образцах. Был предложен новый метод исследования степени закрытия внутренних дефектов при ковке свинцовых образцов. Сущность его заключается в том, что в свинцовых образцах диаметром d0=30 мм и длиной l =30 мм выполняли сверлением сквозное отверстие диаметром d =2 мм (~7 % d0). С одной стороны в образец вставляли заглушку, а с другой с помощью штуцера крепили конец прозрачного гибкого шланга, второй конец которого крепился на вертикальной шкале. Отверстие образца заполнялось подкрашенной жидкостью, уровень которой строго фиксируется на вертикальной шкале. Заготовку устанавливали горизонтально в бойки и обжимали. На шкале фиксировался объём вытесненной из отверстия заготовки жидкости. Заковка осевой полости храктеризовалась величиной относительного уменьшения её исходного объёма:

Vз=(∆V/V0).100 %,

где ∆V - абсолютное уменьшение объёма полости;

     V0 – начальный объём полости.

Отверстие в стальных образцах заваривали по торцам (для предотвращения окисления при нагреве). После ковки стальные образцы разрезали поперёк оси на части, приготавливали микрошлифы, травили и изучали под микроскопом с увеличением в 100 раз. Были исследованы такие технологические варианты ковки круглых поковок.

Вариант 1. Из цилиндрической заготовки за одно обжатие ε = 23-25 % профилированными комбинированными бойками (φ  = 120o) получали кованую трёхлепестковую заготовку, которую затем протягивали на круг обычными комбинированными бойками (ψ = 0,5; ε =13-15 %) до укова 1,5.

Вариант 2. Из цилиндрической заготовки за одно обжатие ε =23-25 % профилированными вырезными бойками (φ12=120o) получали кованую четырёхлепестковую заготовку, которую затем протягивали на круг обычными вырезными бойками (ψ = 0,5; ε = 13-15 %) до укова 1,5.

Вариант 3. Цилиндрическую заготовку протягивали по стандартной технологии комбинированными бойками (ψ = 0,5; ε = 13-15 %) до укова 1,5.

Вариант 4. Цилиндрическую заготовку протягивали по стандартной технологии вырезными бойками (φ1= φ2= 120o, ψ =0,5; ε =13-15 %) до укова 1,5.

Все эксперименты проводились на гидравлическом прессе силой 0,63 МН. Нагрев в электропечи. Температурный интервал ковки 1150-900 .С. Анализ полученных результатов показал, что ковка по варианту 2 обеспечивает максимальную деформацию в осевой зоне и полную заварку внутренних дефектов при У =1,5. При ковке по варианту 1 деформация в осевой зоне на 15 % меньше, чем при ковке по варианту 2, но осевой дефект закрыт на 100 %. При ковке по варианту 3 и 4 дефект закрывается соответственно на 75 % и 85 %, а максимальная деформация в осевой зоне почти в двое меньше, чем при ковке по вариантам 1 и 2. При этом для дальнейших исследований, по нашему мнению, представляет интерес изучение влияния угла выреза бойков (φ), радиуса выпуклостей (Rб; Rб/Rз), углов последующей кантовки на поведение металла в очаге деформации.

Вывод

Разработанная конструкция профилированных комбинированных и вырезных бойков, позволяющих ковать из обычного кузнечного слитка трёхлепестковые и четырёхлепестковые профилированные заготовки. Это позволяет реализовывать эффекты макросдвигов при протяжке.

Определена величина обжатия, при которой получаются трёхлепестковые и четырёхлепестковые заготовки с обеспечением равенства выпуклых участков (лепестков). Предложен метод исследования закрытия внутренних дефектов при ковке слитков.

Установлено, что при ковке валов целесообразно проводить предварительное обжатие слитков профилированными вырезными бойками для получения четырёхлепестковой заготовки. Это обеспечивает достаточную проработку осевой зоны, заварку внутренних дефектов при минимальном укове 1,5. Значительная проработка металла осевой зоны снимает необходимость проведения операции осадки.

  1. Прогрессивная схема протяжки крупных валов из укороченных слитков

Получение высококачественных заготовок для изготовления деталей ответственного назначения - основная задача в тяжелом машиностроении. Для возможности обеспечен конкурентоспособности получаемой продукции необходимо обеспечить минимальные энерго-, материало- и трудозатраты. Особенно это относится к производству крупных поковок, которые изготавливаются ковкой слитков. Поэтому необходимо пересмотреть концепции разработки технологических процессов ковки слитков для исключения энергоёмких малоэффективных кузнечных операций. Это возможно за счёт оптимизации формы заготовки для ковки, которая бы обеспечивала при меньших коэффициентах укова получение поковки требуемой формы с высоким качеством. Около 90 % всех технологических процессов ковки предполагают применение энергоёмкой операции осадки, которая необходима для увеличения размеров заготовки для возможности получения требуемых размеров поковки и высоких коэффициентов укова. Однако при осадке в осевой зоне слитка возникает неблагоприятное напряженно-деформированное состояние, которое приводит к раскрытию осевой рыхлости слитка.

Основной дефект кузнечного слитка, который должен быть устранен операциями ковки - осевая рыхлость и пористость, образование которой в кузнечном слитке вызвано условиями кристаллизации металла. Эффективным способом заковывания осевых дефектовслитков является применение кузнечной операции протяжки, которая способствует интенсивному закрытию осевых дефектов, что не характерно для операции осадки. Исключениеоперации осадки без увеличения сечения слитка невозможно. Решитьэту задачу можно засчетприменения укороченных слитков, у которых высота меньше диаметра. Укороченные слитки, у которых соотношение высоты слитка к его диаметру H/D< 1,2, характеризуются меньшей ликвацией, протяженностью осевой рыхлости и более плотным строением. Применение для ковки крупных поковок укороченных слитков позволит повысить качествопоковок и снизить затраты на их производство. Ковка без вспомогательнойэнергоемкой операции осадки позволит повысить производительность процесса, снизить затратыэнергии на деформирование и исключить один подогрев заготовки, что позволит снизитьрасход природного газа.

Ковка укороченных слитков может производиться за счёт применения операции протяжки, которая обеспечивает более высокую проковку литого металла. При протяжке укороченных слитков необходимо обеспечить равномерное распределение деформаций по сечению заготовки. Это возможно за счёт применения специальной формы бойков для протяжки. Интенсивную вытяжку при протяжке и высокий показатель жесткости схемынапряженного состояния обеспечивает протяжка вырезными бойками (рис. 2.1, а), однако этот инструмент не является универсальным и требует частой замены для получения уступов вала илипри ковке поковок другой формы. Это снижает производительность процесса ковки, увеличивает трудоемкость, количество нагревов и смен инструмента. Более универсальным кузнечным инструментом являются плоские бойки, которые применимы для ковки различныхтипов поковок как по форме, так и по размерам без смены инструмента. Применимость их для ковки валов возможна при использовании схемы ковки через квадрат, восьмигранник накруг (рис. 2.1,б). Эта схема ковки обеспечивает высокую проработку центральных слоев слитка, получение высокой точности размеров поковки и исключение искривления поковки, как в случае применения комбинированных бойков.

Для исследования выбран метод конечных элементов. Материал заготовки 34ХНМ, диаметр 2000 мм, длина 1000мм. Температура начала ковки 1200оС. Осевая пористость слитка моделировалась осевым отверстием, которое составляло 10% от диаметра заготовки. Угол вырезных бойков - 135°. Ковка заготовок для двух схем деформирования производилась до диаметра 1265 мм, что обеспечивало уков 2,5 для возможности оценки влияния формы бойков на напряженно -деформированное состояние и заковывание осевого дефекта. По результатам моделирования определялся показатель жесткости схемы напряженного состояния(Пσ) в осевой зоне, неравномерность распределения деформаций по диаметру поковки (∆е = еmax -emin).

а

б

Рисунок 2.1 – Схема ковки валов протяжкой в вырезных бойках (а) и плоских бойках через квадрат и восьмигранник (б)

На рис. 2.2 представлены результаты распределения интенсивности логарифмических деформаций после обжатия на 20 % (рис. 2.2, а, б), после обжатия и кантовки на 900 (рис. 2.2, в, г) и после ковки до диаметра 1265 мм (рис. 2.2, д, е) для схем ковки вырезными и плоскими бойками. Полученные результаты показывают, что после обжатия на 20 % происходит неравномерное закрытие дефекта по

длине заготовки - в средней по длине зоне дефект закрылся на 90%, а ближе к прибыльной части на 10-15% (рис. 2.2, а, б). Это вызвано возникновением максимальных деформаций в осевой зоне на уровне середины ширины бойка. Напротив, зоны, которые контактируют с инструментом, остаются непродеформированными, что и обеспечивает в этом сечении максимальную неравномерность деформаций.

При этом для схемы ковки вырезными бойками неравномерность распределения деформаций выше, чем для плоских бойков, что подтверждается площадью очага деформации в продольном сечении с одинаковой величиной (≈ 0,4). Для схемы ковки плоскими бойками площадь очага деформации составляет ≈ 80 %, а для схемы ковки вырезными ≈ 20 % (рис. 2.2, б, а соответственно). Для рассматриваемых схем ковки общим является возникновение значительных деформаций в донной половине заготовки, чем в прибыльной части. Это объясняется тем, что обжатие прибыльной половины способствует закрытию дефекта, а не деформированию металла заготовки.

Дальнейшая ковка проходами с кантовкой на 90° (рис. 2.2, в, г) способствует полному закрытию дефекта на всей длине тела слитка, за исключением прибыльной части слитка, которая не деформируется. Схема ковки плоскими бойками (рис. 2.2, г) отличается более высокимуровнем деформаций в осевой зоне, что подтверждает большее выдавливание осевой лонной части слитка.

При этом ширина непродеформированной зоны, контактирующей с инструментом глубина больше, чем для схемы конки вырезными бойками. В целом площадь непродеформированной зоны в продольном сечении для двух схем ковки примерно одинакова, но при ковке плоскими бойками деформации возникают и в донной части слитка (рис. 2.2, г).

Данная тенденция сохраняется вплоть до последнего прохода (рис. 2.2, д, е). Важным отличием схемы ковки плоскими бойками - больше площадь продеформированного металла с высоким уровнем деформации (рис. 2.2, е). Полученные результаты позволяют констатировать тот факт, что схема ковки плоскими бойками обеспечивает более равномерное распределение деформаций высокого уровня в теле заготовки, чем схема ковки вырезными бойками. Количественная оценка распределения интенсивности накопленной деформации по диаметру (рис. 2.3, а) доказывает, что максимальные деформации возникают в осевой зоне заготовок для этих схем ковки, величина их примерно 4,1 единицы. Однако деформации на периферии поковки выше для схемы ковки плоскими бойками (примерно 1,8 единиц, линия 2), что обеспечивает получение в этом случае более равномерного распределения деформаций (рис. 2.3, а), чем для схемы ковки вырезными бойками (примерно 1,0, линия 1). Для схемыІковки вырезными бойками неравномерность деформаций ∆е ≈ 3,0, а для схемы ковки плоскими бойками ∆е ≈ 2,0. Это позволяет сделать вывод, что схема ковки плоскими бойками обеспечивает более высокий уровень накопления деформации в теле заготовки с меньшей неравномерностью. Что объясняется меньшей вытяжкой при протяжке за счет уширения металла при ковке плоскими бойками, а, следовательно, большим количеством проходов, обжатий и кантовок, что обеспечивает накопление деформаций в теле заготовки для получения требуемого сечения. При ковке плоскими бойками количество проходов примерно на 25-30% больше чем при ковке вырезными бойками для получения поковки одинакового сечения (рис. 2.3, б). На рис. 2.3, б представлено изменение показателя жесткости схемы напряженного состоянияПσ в зависимости от числа проходов. Схема ковки вырезными бойками обеспечивает более жесткую схему напряженного состояния в осевой зоне заготовки, чем протяжка плоскими бойками (рис. 2.3, б), что не противоречит известными в литературе данным. Однако знак показателяПσподтверждает тот факт, что и при протяжке плоскими бойками в осевой зоне также возникает состояние неравномерного всестороннего сжатия. Разница показателяПσдлядвух схем и обуславливает отставание степени закрытия осевого дефекта.

а                                                            б

в                                                              г

                                 д                                                              е

Рисунок 2.2 – Распределение интенсивности деформаций в продольном сечении заготовки при ковке вырезными (а,в,г) и плоскими бойками (б,д,е)

Рисунок 2.3 – Неравномерность распределения деформаций по диаметру заготовки (а) и показателя схемы напряженного состояния в осевой зоне (б)

На рис. 2.3, б представлено изменение показателя жесткости схемы напряженного состоянияПσ в зависимости от числа проходов. Схема ковки вырезными бойками обеспечивает более жесткую схему напряженного состояния в осевой зоне заготовки, чем протяжка плоскими бойками (рис. 2.3, б), что не противоречит известными в литературе данным. Однако знак показателяПσподтверждает тот факт, что и при протяжке плоскими бойками в осевой зоне также возникает состояние неравномерного всестороннего сжатия. Разница показателяПσ длядвух схем и обуславливает отставание степени закрытия осевого дефекта, которые для случая ковки плоскими бойками обеспечивает закрытие дефекта при обжатии на 5 % больше, чем для вырезных бойков (рис. 2.2, а и б). Снижение жесткости схемы напряженного состояния с увеличением числа проходов объясняется уменьшением степени обжатия на последующих проходах. Как отмечалось выше, чмсло проходов при ковке плоскими бойками будет больше (рис. 2.3, б), что снизит производительность, но снизит при этом усилие деформирования по сравнению с ковкой по закрытой схемев вырезных бойках. Повысить производительность процесса ковки плоскими бойками можно за счетвыбора