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 счетвыборавеличин обжатий и подач заготовки. Основное преимущество схемы ковки плоскими бойками - возможность накопления деформаций в теле заготовки без существенного изменения площади поперечного сечения, дальнейшие исследования необходимо направить на поиск эффективных термомеханических режимов ковки и повышения плошали очага продеформированного металла заготовки.

Вывод

Схемы ковки вырезными и плоскими бойками обеспечивают в осевой зоне состояние неравномерного всестороннего сжатия, которое обеспечивает закрытие осевого дефекта диаметром 10 % от диаметра заготовки при обжатии на 25 и 30 % соответственно плоскими бойками обеспечивает более равномерное распределение деформаций по сечению заготовки, чем ковка вырезными бойками. При этом уровень накопленных деформаций на периферийной зоне заготовки на 1 единицу выше, чем в случае протяжки вырезными бойками. Центральные слои имеют одинаковую степень накопленных деформаций, но для плоских бойков площадь продеформированного металла больше. Схема ковки плоскими бойками  обеспечивает возможность накопления деформаций в теле заготовки без значительного изменения плошали поперечного сечения. Проведенные исследования позволяют сделать вывод об эффективности схемы ковки валов плоскими бойками через квадрат и восьмигранник по отношению к схеме ковки вырезными бойками.

  1. Совершенствование термического режима нагрева

Наряду с совершенствованием технологии изготовления крупных поковок важную роль играет и термические режимы нагрева. А режимы нагрева напрямую зависят от состояния нагревательных печей. В результате обследования состояния нагревательных печей существующей конструкции, проектирование и строительство которых осуществлялось в конце 60-х годов прошлого столетия, был установлен ряд технических, конструкторских и технологических проблем, обуславливающих низкие эксплуатационные показатели печного оборудования. Так, для теплового ограждения применены шамотные огнеупорные материалы с общей толщиной стенки печей 1000—1300 мм. Использование горелочных устройств прямого смешивании газ — воздух с управлением качества горения в ручном режиме приводило к местному повышению температуры и образованию пережога металла слитков и поковок. Наличие неплотностей в футеровке и подсос холодного воздуха обуславливали значительную часть потерь энергоносителей. В связи с наличием большого количества кислорода в атмосфере печей процесс нагрева сопровождается образованием окалины толщиной до 16 мм. Точность ведения температурного режима в таких печах во многом зависела от субъективных факторов — опыта нагревальщика. Как результат, удельный расход топлива на нагрев под ковку составлял 315—355 кг у. т. на тонну поковок, а перепад температур по сечению садки достигал ±40 °С. Необходимость создания современных нагревательных печей продиктована не только стремлением к наиболее эффективному использованию энергоресурсов, снижению энергозатрат в процессе нагрева поковок в ходе их ковки, сокращению длительности режимов, но и к обеспечению температурной равномерности в каждой точке печного пространства ±10 °С в диапазоне температур 600...1250 °С. Последнее требование к эксплуатационным характеристикам нагревательных печей имеет немаловажное значение, т. к. ряд исследований показал пагубное влияние неоднородности распределения температур в объеме печи на качество металла поковок крупных сечений. Для проведения анализа был исследован опорный валок, изготовленный из слитка массой 82 тонны из стали 70Х3ГНМФ. При проведении ультрозвукового контроля в его бочке были обнаружены дефекты, превышающие требования технических условий. Более того, на отдельных участках скоплений выявленных дефектов наблюдалось экранирование донного сигнала, что свидетельствовало о наличии в этих зонах протяженных несплошностей металла. После разрушения валка в поперечном направлении в результате механического воздействия образовавшаяся поверхность посредством механической обработки была подготовлена для исследования макроструктуры методом серных отпечатков и травления. Серный отпечаток отразил различное распределение сернистых включений по сечению бочки валка (рис. 1). Поверхностная зона на глубину 100 мм характеризуется равномерным точечным распределением сернистых

включений (рис. 3.1,а). Далее по сечению сернистые включения образуют ликвационные образования, имеющие вид темных пятен протяженностью 3-5 мм (рис. 3.1,б). В осевой зоне сечения на диаметре 180 мм размеры ликвационных образований достигают величины30 мм (рис. 3.1,в).

Рисунок 3.1 -Фрагмент серного отпечатка снятого по сечению бочки валка из поверхностной зоны (а), зоны на 1/2 радиуса (б), осевой зоны (в)

Макроструктуру металла исследовали после травления 15 % раствором персульфата аммония с последующим «отбеливанием» 10 % раствором азотной кислоты. Металл после травления выявил неравномерную травимость. Во всех зонах сечения, за исключением кольцевой полосы у поверхности валка, на сером фоне основного металла выявлены ликвационные образования в виде светлых пятен (рис. 3.2). До глубины 300 мм ликваты имеют размеры 3 - 5 мм, далее от 300 до 600 мм размеры ликвационных образований увеличиваются до 10 - 15 мм и в осевой зоне сечения на размеры ликватов составляют 30 - 35 мм. Ликвационные образования в зоне на половине радиуса сечения и в осевой зоне сопровождаются разноориентированными нарушениями сплошности металла протяженностью  от 5 до 100 мм. С увеличением размеров ликвационных образований увеличиваются и размеры несплошностей металла, располагающихся в участках структурной неоднородности.

Рисунок 3.2 -Макроструктура поперечного сечения бочки исследуемого валка

По выявленным в макроструктуре ликвационным образованиям отобрали трепаны диаметром 25 мм длиной 170 мм с целью исследования характера распределения химических элементов в металле, изучения микроструктуры.

Химический состав металла, по месту расположения ликвационных образований и вне их расположения, определенный спектральным методом, приведен в табл. 3.1.

Существенное отличие в содержании химических элементов по ликватам и вне их расположения обусловлено зональной ликвацией в процессе кристаллизации слитков большой массы. Разница в химическом составе металла близрасположенных участков определяет различный уровень физико-механических свойств этих участков. Используя широко применяемые формулы расчета, определили температуры «солидус» и «ликвидус» для металла по ликвационным образованиям и вне их расположения.

Таблица 3.1 – Химический состав металла

Оказалось, что температура «солидус» для металла ликватов соответствует 1183 °С, а для металла свободного от структурной неоднородности — 1364 °С. Менее существенное различие в температурах «ликвидус»: по ликватам она соответствует 1435 °С, вне их расположения — 1467 °С. Макроструктура продольных трепанов представлена на рис. 3.3 – рис. 3.5. Ликваты в металле трепанов имеет форму пятен (рис. 3.3 и рис. 3.4) и полос (рис. 3.5) и сопровождаются нарушением сплошности. Наиболее представительные несплошности с целью изучения излома по дефектам были раскрыты под прессом. Излом по выявленным в ликвационных образованиях несплошностям имеет грубокристаллическое камневидное строение без температурного окисления. Подобное строение поверхности разрушения свидетельствует об образовании несплошностей при высоких температурах — периоде, характеризующимся крупным аустенитным зерном.

Рисунок  3.3 -Макроструктура трепана, отобранного в зоне на половине радиуса бочки валка

Прикладная физика и материаловедение и поковки на промежуточных операциях осуществлялся в нагревательных печах старой конструкции, характерной особенностью которых является температурная неоднородность по объему печей. В некоторых случаях при замере температуры на поверхности слитков (поковок) инфракрасным пирометром в процессе нагрева на операции ковки разница достигнутой температуры металла в зависимости от места нахождения поковки на подине нагревательной печи соответствовала 50-80 °С. По всей видимости, образование несплошностей в местах наличия ликватов происходит по следующему механизму.

Рисунок  3.4 -Макроструктура трепана, отобранного в центральной зоне сечения бочки валка

Обогащенные ликвирующими примесями отдельные участки в структуре металла имеют более низкую температуру плавления по сравнению со сталью вне их расположения (в нашем случае 1183 и 1364 °С соответственно). В процессе нагрева на заданную температуру ковки (1150 °С) из-за температурной неравномерности в рабочем пространстве печи металл поковок, находящихся в зонах с более высокой температурой (на 50...80 °С выше заданной), в участках ликвационных образований подплавляется и размягчается. Вследствие малой прочности этих участков при деформации в ходе ковки в местах ликватов образуются разрывы.

Эти разрывы при дальнейших операциях ковки могут завариваться, но в осевой зоне, характеризующейся малыми степенями деформации, эти нарушения сплошности сохраняются. Наличие несплошностей фиксируется при УЗК и существенно снижает эксплуатационные характеристики валков. Предложенный механизм образования разрывов при ковке валка подтверждается другими исследователями.

57

Рисунок  3.5 -Макроструктура трепана, отобранного в центральной зоне сечения бочки валка

Таким образом, отсутствие температурной однородности в рабочем пространстве нагревательной печи отрицательно сказывается на качестве заготовок, инициируя возникновение дефектов в процессе пластической деформации вследствие создания условий, обеспечивающих различный уровень физико-механических свойств металла соседних участков, содержащих и не содержащих в макроструктуре ликватов, по сечению крупногабаритных поковок. В доказательство приведенным выводам об образовании нарушений сплошности в сечении крупных поковок в процессе их отковки из-за температурной неоднородности по объему нагревательной печи подвергли разрезке макет валка из стали 70Х3ГНМФ, изготовленный из слитка 82 т, таких же размеров, что и исследованный ранее. Технология изготовления макета валка, учитывая одинаковые их размеры, не отличалась от технологии изготовления ранее исследованного валка ни по производству исходного слитка, ни по схеме и температурным параметрам ковки, ни по режимам предварительной термической обработки. Отличие состояло лишь в том, что нагрев слитка и поковки в процессе ковки макета был осуществлен в одной из нагревательных печей после ее коренной реконструкции и усовершенствования.

В результате проведенного ультразвукового контроля бочки макета в состоянии изотермического отжига внутренних дефектов, превышающих установленный уровень, не было обнаружено. В отдельных участках наблюдалось понижение донного сигнала ниже уровня фиксации, что было обусловлено крупнозернистым строением центральных зон сечения.

После разрезки бочки макета поверхность реза подготовили для исследования макроструктуры. Фрагменты серного отпечатка с поперечного сечения бочки приведены на рис. 3.6.

Характер распределения сернистых включений в металле макета был аналогичен характеру распределения сульфидов по сечению бочки исследованного валка. В поверхностной зоне сернистые включения распределены равномерно без видимых ликвационных образований (рис. 3.6,а). На половине радиуса сечения бочки макета проявляются ликваты сульфидов в виде пятен неправильной формы размером 3-5 мм (рис. 3.6,б). В осевой зоне сечения диаметром 200 мм ликваты имеют овальную форму и достигают размеров 8-30 мм (рис. 3.6,в). В макроструктуре металла макета, выявленной в результате травления 15 % раствором персульфата аммония с последующим «отбеливанием» 10 % раствором азотной кислоты, обнаружена структурная неоднородность в виде светлых пятен неправильной формы, разного размера, от- личающаяся по травимости от основного металла. Структурная неоднородность проявляется, в основном, в зоне на половине радиуса сечения и осевой зоне. Кольцевая полоса шириной 200 мм у поверхности бочки свободна от ликвационных образований, далее до глубины 600 мм от поверхности ликваты имеют размеры 3...5 мм.

В осевой зоне на диаметром 200 мм обнаружены отдельные ликвационные образования размером 20,8 мм, 15,7 мм, 10 - 12 мм (рис. 7). Следует отметить, что с приближе нием к центру сечения плотность распределения ликвационных участков возрастает. Ни в одном из ликвационных образований, исследованных на поперечном сечении бочки макета, нарушений сплошности не было обнаружено.

Рисунок 3.6 - Фрагмент серного отпечатка, снятого по сечению бочки макет валка: из поверхностной зоны (а), зоны на 1/2 радиуса (б), осевой зоны (в)

Рисунок 3.7 -Макроструктура поперечного сечения бочки макета исследуемого

валка

Для дальнейшего исследования в различных зонах сечения бочки макета по ликвационным образованиям и вне их расположения были отобраны трепаны  шириной 25 мм и длиной 170 мм в осевом направлении. В макроструктуре металла трепанов по подготовленным плоским площадкам после травления выявлены ликвационные образования в виде отдельных пятен (рис. 3.8) и полос (рис. 3.9). Как показало исследование макроструктуры металла трепанов ликвационные образования нарушением сплошности не сопровождаются.

Рисунок 3.8 -Макроструктура трепана из зоны на 1/2 радиуса сечения бочки макета

Как и при химическом анализе металла исследованного валка из стали 70Х3ГНМФ (табл. 3.1) в металле макета валка обнаружили существенное отличие в содержании химических элементов по участку ликвационных образований в сравнении с основным металлом, где в макроструктуре проявлений структурной неоднородности не наблюдалось. Из-за значительной разницы химического состава соседних объемов металла близрасположенные участки обладают различными свойствами. Температура «солидус» металла ликвационных образований, определенная расчетным методом, соответствует 1172 °С, основного металла — 1355 °С.

Рисунок 3.9 -Макроструктура трепана из осевой зоны сечения бочки макета

Вывод

Термический режим нагрева заготовки играет достаточно весомую роль в технологическом процесс изготовления изделия. После проведения сравнения обычной нагревательной печи и усовершенствованной печи  и исходя из полученного сравнительного анализа нагрева одного и того слитка, не меняя технологии термообработки, а совершенствую непосредственно конструкцию нагревательной печи, было выявлено, что в усовершенствованной нагревательной печи градиент температур по всему сечению нагреваемого слитка имеет небольшое значении по сравнению с нагревом в обычной печи. Исходя из этого можно видеть, что в структуре слитка меньше количество дефектов, которые вызваны нагревом. А уменьшение количества дефектов способствует лучшей проработке структуры слитка и уменьшению брака при ковке.  Поэтому совершенствованию нагревательных печей требуется также уделять внимание, как и совершенствованию технологических процессов.

  1. Инновационные технологии ковки с применением макросдвигов
  2. Понятие «инновационной технологии» до последнего времени определяли как «технологию послезавтрашнего дня». В 2001—2003 гг. это понятие конкретизировали по временным и технико-экономическим параметрам. В настоящее время инновационные технологии ковки опережают традиционные технические решения аналогичного назначения: по времени — на несколько десятилетий, по технико-экономическим показателям — в несколько раз.

    В последние несколько лет значительный интерес специалистов всего мира в области пластической деформации связан с необычными эффектами, возникающими в процессах деформации, реализуемых с наложением на обрабатываемую заготовку макросдвигов. В то же время, всех исследователей интересуют процессы пластического деформирования, когда сдвигу подвергают одну часть обрабатываемой заготовки относительно другой ее части, т.е. накладывают деформацию макросдвига.

    Необычность терминов «макросдвиги», «дополнительные макросдвиги», «макросдвиговые деформации», «ковка с макросдвигами» в начале 70-х годов вызывала не только интерес к этим понятиям, но и некоторое скептическое отношение к информационным материалам, содержащим перечисленные понятия, из-за недостаточно полного их объяснения. Поэтому уточним терминологию, предлагаемую для описания физических явлений, сопровождающих деформацию с макросдвигами.

    Естественные макросдвиги происходят по границам физического очага деформации. Естественные макросдвиги являются следствием локализации пластической деформации в области границ физического очага деформации: они сопровождают единичные нормальные обжатия заготовки. Дополнительные макросдвиги происходят по плоскостям (или поверхностям) сдвига одной части деформируемой заготовки относительно другой. Такой сдвиг осуществляется дополнительно к нормальному обжатию заготовки. Если заготовку деформируют только сдвигом (как, например, при отрезке), то происходит только макросдвиг одной части заготовки относительно другой. При макросдвиге, дополнительном к нормальному обжатию, действуют еще и естественные макросдвиги по границам очага деформации.

    В декартовой системе координат можно выделить три главные плоскости приложения макросдвигов (рис. 4.1). В каждой плоскости могут быть два направления макросдвига вдоль каждой из выделенных главных осей или поворот в плоскости сдвига одной части заготовки относительно другой ее части вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости. В каждой плоскости, по каждой оси можно чередовать макросдвиги со сменой знака перемещения, создавая знакопеременные макросдвиги.

    Рисунок  4.1 - Схемы деформирования заготовок с наложением макросдвигов в поперечной вертикальной (а, б), поперечной горизонтальной (в, г ) и продольной вертикальной (д, е) плоскостях очага деформации; а, в, д и б, г, е - заготовки до и после обжатия соответственно: α— угол макросдвига.

    В процессах ковки, основанных на принципах заданного воздействия на макроструктуру металла путем регулирования потоков пластического течении металла, нашли воплощение следующие технические решении:

    1. Увеличение количества потоков вытеснения металла в очаге деформации с целью ннгенсификации проработки металла в осевой зоне и по всему поперечному сечению слитка при ковке. Воздействие на потоки вытеснения металла является более гибким средством регулирования течения металла и обходится значительно дешевле, чем регулирование предписанных потоков, поскольку может осуществляться без специального дорогостоящего инструмента и без специальных устройств.
    2. Изменение направления потоков вытеснения металла относительно главных осей изделия, в частности, путем ковки с непрямолинейным фронтом подачи. Накопление эффектов изменения направления течения металла с целью регулирования анизотропии металла (как уменьшения, так и заданного увеличения), например, путем образования «закрученных» элементов макростроения металла поковки.
    3. Регулирование пластических потоков за счет изменения соотношения площадей свободных н контактных поверхностей, а также за счет изменения конфигурации свободных поверхностей заготовки, влияющих на сопротивление вытеснению металла, в частности, формирование заданной формы промежуточных заготовок. Предельный случай этого решения — создание кузнечного слитка специальной формы, обеспечивающей сосредоточение деформаций в заданных зонах, начиная от первых этапов ковки. Частные случаи — образование на заготовке специального профиля и вогнутых боковых поверхностей в начальной стадии процесса для достижения положительных эффектов при протяжке и при осадке.
    4. Диалектический подход к роли осадки в технологическом процессе ковки, обоснование ее положительных и отрицательных эффектов, необходимости применения и разработки режимов осадки.
    5. Изучение взаимосвязи и взаимовлияния различных факторов ковки и поиск оптимальных сочетаний этих факторов с целью достижения заданного распределения потоков металла. Один из важных факторов, регулирование которого не требует специальных затрат, — грамотное построение режима кантовок на основе чередования зон деформации и суммирования эффектов, возникающих при пластическом вытеснении металла; затем — усиление действия этого фактора путем оптимизации режимов обжатий и согласованной с ними сменой инструмента, в частности, изменение угла выреза бойков.
    6. Реализация дополнительных макросдвигов металла в очаге деформации; замена нормальных деформаций, инициируемых при больших степенях уковки, сдвиговыми деформациями, повышающими эффект проработки литой структуры металла. Локализация и распределение макродеформаций в заданных зонах заготовки.
      1. Макросдвиги в поперечной вертикальной плоскости

    Ковка - протяжка с макросдвигами по схеме, приведенной на рис. 2, а, б, почти не приводит к изменению площади поперечного сечения поковки, хотя внутренние перемещения слоев материала — значительные (рис. 4.1.1), Всего за четыре обжатия макросдвиг по всему сечению составил 45°. Достигнутые результаты оказались настолько убедительными, что лабораторных экспериментов было достаточно, чтобы перейти к ковке слитков большой массы.

    По данным литературных источников, высокое качество поковок ответственного назначения достигается при ковке в вырезных и комбинированных бойках при обшей степени уковки в процессе протяжки не менее 4.5. .5.

    Для исследования влияния макросдвигов в поперечной вертикальной плоскости на формирование структуры металла и распределение механических свойств в объеме крупной поковки в ОАО «Ижорские заводы» отковали два ступенчатых ротора из слитка массой 205 т (сталь 35ХНЭМФА).

    1, 2, 3, 4 - стадии обжатия заготовки

    Рисунок 4.1.1 - Перемещения разноцветных слоев в очаге деформации заготовки, обжатой с наложением макросдвигов (показаны поперечные сечения заготовки в середине очага деформации)

    Один ротор отковали с макросдвигами, а второй — по традиционной технологии. Диаметры ступенчатых поковок были заданы разными — для исследования качества металла поковок при различных степенях уковки: 1,95 - на бочке, 2,8...8,8  -на уступах и цапфах роторов.

    После ковки оба ротора подвергали только предварительной термической обработке, после чего оценивали качество металла поковок.

    Макроисследование металла темплетов (рис. 4.1.2), вырезанных из зон, расположенных на расстоянии 1/3 (а), 1/2 (б) и 2/3 (в) от поверхности по радиусу R поперечного сечения бочки ротора, откованного с макросдвигами, показало, что металл -  плотный, без наружных и внутренних дефектов. Развитие деформаций макросдвига при ковке обеспечило равномерную деформационную проработку металла и ориентацию элементов макроструктуры под углом 15 - 50° к продольной оси ротора с образованием особой, «закрученной по винтовой линии» структуры.

    Влияние макросдвигов на свойства металла оценивали по результатам испытаний продольных, тангенциальных и радиальных образцов. Образцы испытывали на растяжение (на испытательной машине «Instron») и на ударный изгиб (на маятниковом копре «1СА-30») при температуре 20 °С.

    Из анализа результатов испытаний (таблица) следует, что распределение механических свойств взаимосвязано с расположением образца в объеме поковки и с его ориентацией относительно элементов макроструктуры, которые удалось повернуть относительно продольной оси ротора и радиуса поперечного сечения на угол до 50°.

    Степень уковки практически не влияет на анизотропию прочностных свойств поковки ротора. При увеличении степени уковки от 1,95 (по бочке) до 8,8 (на цапфах) предел прочности и предел текучести незначительно изменяются в зависимости от ориентации образца и расположения его по глубине сечения. Коэффициенты анизотропии прочностных свойств находятся в пределах 0,96 - 1,03.

    Рисунок 4.1.2 - Ориентация элементов макростроения металла ротора, откованного с макросдвигами (диаметр ротора 1850 мм)

    Пластические характеристики поковки в продольном направлении при различных значениях степени уковки практически одинаковы. Переориентация элементов макроструктуры поковки ротора, откованной с макросдвигами, обусловила повышение пластических характеристик в тангенциальном направлении, что способствовало уменьшению их анизотропии. Результаты испытаний механических свойств ротора приведены в таблице 4.1.

    Микроисследование показало, что величина зерна по сечению бочки ротора различается незначительно и соответствует 6-8-му баллам первой шкалы по ГОСТ 5639 даже только после предварительной термической обработки. Зеренная структура по сечению поковки ротора характеризуется равноосностью в тангенциальном, радиальном и продольном направлениях, что обеспечивает получение высоких механических свойств.

    Положение образцов относительно поперечного сечения ротора

    Механические свойства

    σB,МПа

    Σ0,2, МПа

    δ, %

    Ψ, %

    KCU, кДж/м2

    KCV, кДж/м2

    Направление ориентации образцов

    тангенциальное

    радиальное

    продольное

    тангенциальное

    радиальное

    продольное

    тангенциальное

    радиальное

    продольное

    тангенциальное

    радиальное

    продольное

    тангенциальное

    радиальное

    продольное

    тангенциальное

    радиальное

    продольное

    У поверхности

    769

    772

    785

    615

    612

    612

    20

    14,8

    20,7

    51,3

    56,7

    65,3

    141

    112

    119

    540

    598

    582

    На 1/3 радиуса

    769

    769

    762

    598

    598

    582

    21

    17,7

    18

    62,7

    59,7

    64,7

    121

    117

    102

    406

    425

    504

    На 2/3 радиуса

    765

    765

    765

    598

    590

    576

    19

    19,2

    21,6

    55,7

    62,7

    64,5

    925

    19

    993

    491

    424

    433

    В осевой зоне

    764

    764

    766

    586

    586

    582

    19

    18,7

    20,2

    55,3

    55,3

    63,1

    754

    754

    966

    374

    374

    424

    Таблица 4.1.1 – Результаты испытаний механических свойств ротора

    Вывод

    Ковка с макросдвигами в поперечной вертикальной плоскости дает возможность существенно (до 50°) изменить ориентацию элементов макростроения металла поковки, получить однородную, равноосную и мелкозернистую структуру в сечении диаметром 1850 мм при степени уковки 1,95.

    1. Макросдвиги в поперечной горизонтальной плоскости

    Ковка-осадка с макросдвигами по схеме, приведенной на рис. 2, в, г, позволяет устранить зоны затрудненной деформации, уменьшить неравномерность распределения деформаций и обеспечить одинаковое закрытие моделируемых несплошностей (рис. 4.2.1).

    Для реализации этой схемы потребовалось применение специального инструмента с рельефом на контактной поверхности, а также специального устройства на прессе для движения бойков в горизонтальном направлении. В связи с этим

    Рисунок 4.2.1 -  Диаметральные гемплеты цилиндрических заготовок, осаженных плоскими бойками по традиционной технологии (а) и специальными бойками по технологии с макросдвигом в поперечной горизонтальной плоскости (б)

    можно заключить, что особенно ценными являются технические решения, обеспечивающие реализацию макросдвигов при использовании традиционного ковочного оборудования и инструмента.

    Вывод

    Ковка с макросдвигами в поперечной горизонтальной плоскости позволяет значительно уменьшить неравномерность деформаций вплоть до полного устранения зон затрудненной деформации.

    1. Макросдвиги в продольной горизонтальной плоскости

    Разработан способ ковки слитков и заготовок с макросдвигами, осуществляемый традиционными плоскими бойками на традиционном ковочном оборудовании — прессах и молотах.

    Отличительной особенностью этого способа является ориентация продольной оси заготовки под некоторым углом (неортогонально) по отношению к оси ковки. На первом проходе заготовку куют по всей длине единичными обжатиями с определенными подачами. После этого изменяют положение продольной оси заготовки на тот же угол симметрично относительно оси ковки и осуществляют второй проход единичными обжатиями по всей длине заготовки.

    В результате такого способа ковки в заготовке развиваются деформации макросдвигов в продольной горизонтальной плоскости.

    По сравнению с ковкой бойками с непрямолинейным фронтом подачи  и традиционной ковкойплоскими бойками величины деформаций сдвига значительно возросли, увеличилось распространение этих деформаций по очагу деформации. В двух проходах ковки плоскости локализованных макросдвигов скрещиваются, что повышает эффективность преобразования литой структуры в деформированную.

    Физическое моделирование данного процесса на образцах из разноцветного пластилина также подтвердило наличие значительных деформаций макросдвига по сравнению с традиционной ковкой плоскими бойками.

    Структурные изменения в металле при ковке новым способом исследовали в лабораторных условиях (в лаборатории Р. Коппа, Аахенский университет, Германия). В литейной лаборатории МГИСиС из алюминия отлили слитки размерами 200 х 30 х 30 мм в металлические изложницы, чтобы получить ярко выраженную дендритную структуру. Одни слитки нагревали до 450 °С и ковали за два прохода по всей длине с подачами 0,8 и единичными обжатиями 25 % (рис. 4.3.1), а также с кантовкой на 90° между двумя проходами. Другие слитки ковали по традиционной технологии.

    Исследование макроструктуры поковок показало, что при ковке с макросдвигами дробление дендритов весьма заметно уже после первых проходов (рис. 4.3.2, а, б). При ковке с кантовкой, даже при небольшой степени уковки (всего 2,35), макросдвиги полностью преобразовали литую структуру в деформированную (рис. 4.3.2, в), в то время как после традиционной ковки структура осталась дендритной (рис. 4.3.2, г).

    Рисунок 4.3.1 - Вид контактной поверхности поковки из алюминия, откованной за два прохода плоскими бойками по новой технологии

    а)                             б)

                                               в)                            г)

    Рисунок 4.3.2 -  Макроструктура в поперечных сечениях алюминиевых поковок, откованных плоскими бойками по новой (а, в) и традиционной (б, г) технологиям: а. б — обжатие на 50 % за два прохода по длине; в, г — обжатие за два прохода с кантовкой на 90° между ними

    Вывод

    Ковка с макросдвигами в продольной горизонтальной плоскости обеспечивает полное преобразование дендритной структуры поковки в деформированную при степени уковки не более 2,35.

    1. Пути оптимизации технологических процессов ковки удлиненных поковок из труднодеформируемых и малопластичных сталей

    Снижение технологических потерь дорогостоящих металлов и сплавов, уменьшение отходов передела в машиностроении и металлургии являются наиболее актуальными задачами при производстве разнообразных поковок из труднодеформируемых и малопластичных сталей. В настоящее время особое значение приобретает возможность производителя гибко реагировать на изменение коньюктуры рынка, что усугубляет данную проблему новыми требованиями. Все более остро ставится вопрос необходимости оперативного изготовления и отгрузки заказчикам качественной продукции широкого сортамента ограниченными партиями. Применительно к процессам ковки поковок различной массы решение этих проблем, в первую очередь, связано с проектированием и освоением новых эффективных технологических процессов. Опыт отечественных предприятий показывает, что ковка разнообразных поковок из труднодеформируемых и малопластичных сталей с применением традиционных приёмов и методов сопровождается значительными растягивающими напряжениями в очаге деформации, что приводит к образованию трещин, зажимов и другим видам брака в конечной продукции.

    Технология ковки легированных и высоколегированных сталей и сплавов должна обеспечить высокую производительность, минимальный расход металла, улучшение физико-механических свойств, отсутствие внутренних и наружных дефектов в металле. Общими особенностями данных сталей являются более резко выраженные неоднородность структуры слитков, прочность транскристаллитной зоны, осевая рыхлость, наличие избыточной фазы, загрязненность границ зёрен включениями. Все эти факторы снижают пластичность металла, кроме того, неоднородному по структуре металлу свойственна более низкая теплопроводность и более низкий интервал температур деформирования.

    Свойства металла, особенно высоколегированного, зависят от степени деформации. Литая сталь по пластичности и вязкости имеет незначительную анизотропию свойств, вследствие зернистой структуры. По мере деформации анизотропия механических свойств увеличивается и чем более крупное зерно имеет поковка, тем резче проявляется анизотропия. Влияние степени деформации взаимосвязано с температурой ковки. При постоянной температуре обработки зерно тем мельче, чем больше величина деформации. При постоянной степени деформации повышение температуры обработки ускоряет диффузионные процессы и ведёт к увеличению роста зерна.

    Показатели механических свойств изменяются при увеличении суммарной деформации (укова), а также при выборе оптимальных степеней деформации за один проход при разных температурах. Особенно важно избежать ковки при критических степенях деформации и добиться необходимого дробления зерна.

    Для получения качественных поковок из различных сталей с высокими механическими свойствами используют различные способы обработки давлением слитков. Каждому из них свойственны свои особые условия деформирования, свои преимущества и недостатки.

    На неравномерность деформации при ковке влияют факторы, которые связаны с физико-химическим состоянием металла и технологическими условиями протекания пластической деформации. Для снижения вероятности разрушения труднодеформируемых материалов путем усиления гидростатического давления на заготовку используют приемы осадки в оболочках простой и комбинированной конструкции, деформирование в пластичных прокладках. Однако, несмотря на положительные эффекты, данные способы малопригодны и технически не осуществимы для процессов ковки крупногабаритных поковок, оказывают влияние на термический режим деформации и требуют решения вопросов утилизации дорогостоящих оболочек, изготовление которых приобретает индивидуальный характер.

    При протяжке на прессе слитка плоскими бойками деформация первого рода наблюдается в плоскости вдоль оси тела и в плоскости нормальной к ней. При протяжке заготовок наибольшие знакопеременные скалывающие напряжения и деформации концентрируются в диагональных зонах и, как следствие, при ковке малопластичных сталей и сплавов эти зоны наиболее склоны к трещинообразованию. Разрушение металла в диагональных сечениях происходит в результате механизма среза. При ковке на молотах ударное приложение нагрузки приводит к повышению неравномерности деформации, и её локализации в зонах диагоналей. Таким образом, деформация малопластичных сталей и сплавов на высокоскоростном оборудовании приводит к значительному ускорению образования трещин. Одним из способов уменьшения вероятности нарушения сплошности в диагональных зонах является снижение степени деформации за единичное обжатие, однако при этом в поверхностной зоне деформируемого металла появляются осевые растягивающие напряжения, вследствие чего на поверхности заготовки образуются поперечные трещины с помощью механизма отрыва. Следующим недостатком ковки слитков с применением плоских бойков является значительная неравномерность деформации. В результате в некоторых зонах очага степень деформации превышает критическую. В дальнейшем это обуславливает получение после конечной термообработки зональной крупнозернистой структуры в готовых изделиях. Надёжное устранение такой неоднородной деформации при свободной ковке на молоте весьма затруднительно или невозможно.

    Для устранения вышеперечисленных недостатков предлагается использование для деформирования поковок прессов, работа которых характеризуется приложением статического внешнего напряжения, и позволяет уменьшить концентрацию скалывающих напряжений в диагоналях сечения заготовки. Также рекомендуется использование при протяжке угловых или круглых вырезных бойков, которые позволяют уменьшить величину растягивающих напряжений в очаге деформации и обеспечивают получение более плотной заготовки без внутренних трещин и с минимальным развитием поверхностных разрывов.

    Одним из наиболее перспективных направлений ковки малопластичных сталей является применение радиальной ковки на специально разработанных ротационно-обжимных машинах (РОМ), которые позволяют создать благоприятные условия напряжённо - деформированного состояния в очаге деформации. При деформировании заготовки усилием, приложенным одновременно несколькими радиально перемещающимися бойками, реализуется схема неравномерного всестороннего сжатия, при этом очаг деформации сосредоточен в областях поковки, находящихся непосредственно в зоне действия инструмента. Благодаря чередованию обжатий с кантовками металл подвергается циклическому формоизменению и в результате накопленная суммарная деформация может превысить среднюю деформацию, определяемую уковом. Кроме того, дробность деформации предопределяет лучшую деформационную проработку элементов исходной структуры металла. Однако применение РОМ экономически целесообразно при массовом производстве поковок с удлиненной осью из легированных сталей и сплавов. Эти машины относятся к узкоспециализированным машинам, предназначенным только для выполнений операций протяжки. В связи с этим их использование на машиностроительных заводах с широкой номенклатурой поковок не всегда экономически выгодно. Также необходимо учитывать, что использование РОМ требует значительных финансовых затрат на техническое перевооружение и реконструкцию, что не всегда является целесообразным.

    В настоящее время идёт активный поиск новых технических решений, позволяющих интенсифицировать процесс протяжки и улучшить качество изготовляемых поковок без замены основного оборудования, путём использования имеющегося. Одним из весьма перспективных направлений является применение четырехсторонней ковки слитков с применением специальных ковочных устройств, конструкция которых в общем виде приведена на рис. 5.1.

    Рисунок 5.1 - Специальное ковочное устройство для четырехсторонней ковки слитков

    Использование данного блока для ковки обычных углеродистых сталей и специальных трудно деформируемых сталей и сплавов, обеспечивает: глубокую проработку структуры металлов по всему сечению заготовки; отсутствие разрывов в сердцевине поковок; хорошее качество поверхности поковок; значительную экономию материалов из-за высокой размерной точности поковок и низких припусков на механическую обработку; гибкость в работе, достигаемую посредством регулировки величины хода бойков и подач; номинальное усилие ковки на всём ходу бойков; выполнение ковки за один нагрев заготовки и т.д. При этом сокращается машинное время ковки на 35-65 %, что позволяет увеличить объём производства поковок в 1,7 - 2,5 раза; получаются геометрически точные поковки круглого и квадратного (с острыми кромками) сечений с уменьшенными на 25-30 % допусками и припусками, а уменьшение припусков на 25-30 % позволяет экономить 40 - 70 кг металла на 1 т поковок диаметром 200 - 400 мм, поставляемых на экспорт после их обдирки на металлорежущих станках; сокращаются затраты энергии на единицу поковок не менее чем в 1,5 раза; обеспечивается высокое качество металла поковок.

    К недостаткам четырехбойковых ковочных устройств необходимо отнести высокую стоимость и сложность изготовления по сравнению с традиционным кузнечным инструментом, что не позволяет интенсивно внедрять данные устройства в производство.

    Применение нового кузнечного оборудования и специальных ковочных устройств является не единственным путём улучшения качества получаемых поковок и увеличения производительности. В настоящее время увеличилось количество исследований и прикладных технических решений, направленных на использование необычных эффектов, возникающих в процессе деформации, реализуемых с наложением на обрабатываемую заготовку макросдвигов, т.е. сдвигу подвергают одну часть заготовку относительно другой её части. Применение таких методов ковки позволяет получать поковки с качественной макроструктурой при значительно меньших степенях укова (не более 2) и более высокими механическими свойствами при равных степенях укова. Приводятся следующие обобщенные технические характеристики принципиальных способов воздействия на макроструктуру путём регулирования потоков пластического течения металла:

      - увеличение количества потоков вытеснения металла в очаге деформации с целью интенсификации проработки металла в осевой зоне и по всему поперечному сечению слитка при ковке;

      - изменение направления потоков вытеснения металла относительно главных осей изделия, в частности, путём ковки с непрямолинейным фронтом подачи;

      - накопление эффектов изменения направления течения металла с целью регулирования анизотропии металла;

      - регулирование пластических потоков за счёт изменения соотношения площадей свободных и контактных поверхностей, а также за счёт изменения конфигурации свободных поверхностей заготовки;

      - реализация дополнительных макросдвигов в очаге деформации.

    Ковка заготовок с применением макросдвигов активно внедряется на предприятиях. Так на заводе «Днепроспецсталь» разработан и внедрён способ радиального обжатия с увеличенными подачами из стали Р6М5К5, который позволил: увеличить производительность до 16%; улучшить проработку структуры металла; уменьшить коэффициент анизотропии механических свойств на 40 %.

    Также производится разработка кузнечной оснастки, применение которой позволит добиться эффекта «макросдвиговой деформации» на традиционном ковочном оборудовании. Разработаны и предлагаются к использованию специальные кузнечные бойки, применение которых позволяет получить макроструктуру металла со скрученными волокнами, что позволяет значительно увеличить механические свойства металла при изготовлении поковок (см. рис. 5.2). Учёными Московского института сталей и сплавов предложен ряд бойков, конфигурация которых обеспечивает в поковке дополнительные плоскости сдвига, что позволяет улучшить проработку структуры поковки и уменьшить анизотропию механических свойст в (см. рис. 5.3).

    Рисунок 5.2 - Инструмент для ковки

    Применение специальных У-образных бойков (рис 5.4.) для ковки плит предложено специалистами ДГМА. Использование такого инструмента позволило не только улучшить качество структуры металла поковок, но и увеличить производительность. Регулировка движения макропотоков при кузнечных операциях может осуществляться путём использования, как специального инструмента, так и специальной заготовки. Данный принцип реализован на Электростальском заводе тяжёлого машиностроения путём использования заготовок с тремя расположенными под углом 120° выступами (рис. 5.5).

    Рисунок 5.3 - Варианты исполнения кузнечных вырезных бойков

    Разработан также способ ковки путём изменения направления потоков вытеснения металла. Суть технологии заключается в следующем: обжатия ведут за два прохода; в первом проходе единичное обжатие каждой части заготовки производят с её ориентированием под углом к оси ковки; перед единичным обжатием каждой части заготовки во втором проходе изменяют положение оси заготовки путём её размещения симметрично положению в первом проходе относительно оси ковки.

    Рисунок 5.4 - Схема ковки в У-образных бойках

    Рисунок 5.5 - Трехлепестковый слиток и схема его ковки в комбинированных бойках

    Применение этого способа ковки позволяет повысить качества металла поковок, ускорить преобразование дендритной крупнозернистой структуры в мелкозернистую, получить минимальную анизотропию механических свойств при небольшом коэффициенте укова.

    Вывод

    В настоящее время перспективами кузнечно-прессового производства является развитие нескольких путей улучшения качества поковок из труднодеформируемых и малопластичных сталей и сплавов, выбор которых обусловлен конкретными условиями производства и экономической целесообразностью для отдельных предприятий. В качестве общих рекомендаций предлагается при массовом и крупносерийном производстве максимально внедрять РОМ и другие типы нового кузнечного оборудования. При мелкосерийном производстве максимальный экономический эффект достигается применением новой кузнечной оснастки и инструмента, а также использованием исходной заготовки специальной формы, получение которой возможно как способами литья, так и кузнечными операциями. Перспективным направлением представляется разработка новых приёмов и способов ковки, позволяющих улучшить качество поковок без привлечения дополнительных капитальных вложений.

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    Совершенствование технологических процессов ковки крупных удлиненных поковок является достаточно перспективным направлением проведения исследований. Одним из направлений совершенствования технологических процессов ковки осесимметричных прессовых поковок является обеспечение максимального приближения формы и размеров кованой заготовки к параметрам готовой детали.

    Другим важным направлением совершенствования технологии является: сокращение затрат на нагрев, оснастку, термическую обработку, снижение брака. Экономия металла достигается за счет совершенствования методов обработки металлов давлением. При отсутствии денежных средств на закупку и модернизацию оборудования большое значение приобретают технические решения, которые реализуются на уже имеющемся оборудовании. В этом случае затраты на внедрение новых процессов связаны только с разработкой технологий, проектированием и изготовлением оснастки.

    При создании нового производства за основу можно взять технологический процесс, обеспечивающий получение изделий заданного качества, и под этот процесс подобрать необходимое оборудование. При совершенствовании уже существующего производства технологические решения разрабатываются применительно к имеющемуся оборудованию. В обоих случаях технология является ключевым звеном производства.

    Для оптимизации процесса ковки была разработана конструкция профилированных комбинированных и вырезных бойков, позволяющих ковать из обычного кузнечного слитка трёхлепестковые и четырёхлепестковые профилированные заготовки для последующей протяжки с реализацией эффектов макросдвигов. Для этого процесса была 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. После проведения экспериментов было 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.

    Схемы ковки вырезными и плоскими бойками обеспечивают в осевой зоне состояние неравномерного всестороннего сжатия, которое обеспечивает закрытие осевого дефекта диаметром 10 % от диаметра заготовки при обжатии на 25 и 30 % соответственно плоскими бойками обеспечивает более равномерное распределение деформаций по сечению заготовки, чем ковка вырезными бойками. При этом уровень накопленных деформаций на периферийной зоне заготовки на 1 единицу выше, чем в случае протяжки вырезными бойками. Центральные слои имеют одинаковую степень накопленных деформаций, но для плоских бойков площадь продеформированного металла больше. Схема ковки плоскими бойками  обеспечивает возможность накопления деформаций в теле заготовки без значительного изменения плошали поперечного сечения. Проведенные исследования позволяют сделать вывод об эффективности схемы ковки валов плоскими бойками через квадрат и восьмигранник по отношению к схеме ковки вырезными бойками.

    Термический режим нагрева заготовки играет достаточно весомую роль в технологическом процесс изготовления изделия. После проведения сравнения обычной нагревательной печи и усовершенствованной печи  и исходя из полученного сравнительного анализа нагрева одного и того слитка, не меняя технологии термообработки, а совершенствую непосредственно конструкцию нагревательной печи, было выявлено, что в усовершенствованной нагревательной печи градиент температур по всему сечению нагреваемого слитка имеет небольшое значении по сравнению с нагревом в обычной печи. Исходя из этого можно видеть, что в структуре слитка меньше количество дефектов, которые вызваны нагревом. А уменьшение количества дефектов способствует лучшей проработке структуры слитка и уменьшению брака при ковке.  Поэтому совершенствованию нагревательных печей требуется также уделять внимание, как и совершенствованию технологических процессов.

    При процессах пластического деформирования, когда сдвигу подвергают одну часть обрабатываемой заготовки относительно другой ее части, т.е. накладывают деформацию макросдвига, нашли воплощение следующие виды макросдвигов: ковка с макросдвигами в поперечной вертикальной плоскости дает возможность существенно (до 50°) изменить ориентацию элементов макростроения металла поковки, получить однородную, равноосную и мелкозернистую структуру в сечении при степени уковки 1,95; ковка с макросдвигами в поперечной горизонтальной плоскости позволяет значительно уменьшить неравномерность деформаций вплоть до полного устранения зон затрудненной деформации; ковка с макросдвигами в продольной горизонтальной плоскости обеспечивает полное преобразование дендритной структуры поковки в деформированную при степени уковки не более 2,35.

    В настоящее время перспективами кузнечно-прессового производства является развитие нескольких путей улучшения качества поковок из труднодеформируемых и малопластичных сталей и сплавов, выбор которых обусловлен конкретными условиями производства и экономической целесообразностью для отдельных предприятий. В качестве общих рекомендаций предлагается при массовом и крупносерийном производстве максимально внедрять РОМ и другие типы нового кузнечного оборудования. При мелкосерийном производстве максимальный экономический эффект достигается применением новой кузнечной оснастки и инструмента, а также использованием исходной заготовки специальной формы, получение которой возможно как способами литья, так и кузнечными операциями. Перспективным направлением представляется разработка новых приёмов и способов ковки, позволяющих улучшить качество поковок без привлечения дополнительных капитальных вложений.

    СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

    1. Инновационные технологии ковки с применением макросдвигов /В.А. Тюрин //Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2007 . - № 11 ─ стр. 15-20.
    2. Камнев П.В.Совершенствование ковки крупных поковок /П.В. Камнев ─ Л.:Машиностроение ,1975. ─ 344с.
    3. О достоинствах технологии ковки слитков на четырехбойковом ковочном устройстве./А.М. Володин, В.А. Лазоркин./Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. М. - 2009. - № 11. – с. 17 – 26.
    4. Прогрессивная схема протяжки крупных валов из укороченных слитков /О.Е. Марков  и др.//Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2007 . - № 10 ─ стр. 295-298.
    5. Совершенствование процессов ковки валов /С.Б. Каргин //Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2012 . - №  2 ─ стр. 101-106.




Похожие работы, которые могут быть Вам интерестны.

1. От зоны свободной торговли СНГ к ЕАЭС: развитие интеграционных процессов на постсоветском пространстве

2. Совершенствование мотивационных процессов на основе оценки деятельности персонала в ПАО «Сбербанк»

3. Совершенствование существующих технологических процессов для создания функционально и эстетически оправданных

4. Соглашения Европейского Союза о свободной торговле

5. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ВАЛОВ ТИПОВОЙ МАРШРУТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛА

6. Английская классическая политическая экономия. Учения А. Смита, Д. Рикардо, Дж. С. Милля - первая обобщающая концепция экономики свободной конкуренции

7. Программирование разветвляющихся процессов

8. Продукты термических процессов ТГИ

9. Исследование вибрационных процессов

10. Развитие интеграционных процессов в ЛАГ