Остання редакція: 2016-06-16
Тези доповіді
УДК 621.735.3
Жбанков Я.Г.1, к.т.н., доц.
Грачев И.А.2, к.т.н., Чикота Я.М.2
1 – Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, Украина
2 – ПАО «НКМЗ», Краматорск, Украина
КОВКА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДИСКОВ ЛОКАЛЬНЫМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
При изготовлении поковок типа дисков в условиях производства, часто возникают проблемы с недостаточной мощностью оборудования для осуществления осадки. Эта проблема решается несколькими путями: осадкой с паузами (во время паузы происходит разупрочнение металла и снижается сила осадки) и осадкой узким бойком. Наиболее эффективным представляется осадка разгонкой узким бойком, т.к. в данном случае уменьшается и площадь контакта между инструментом и заготовкой и присутствует эффект разупрочнения металла. Кроме того предполагается уменьшение объема металла в застойных зонах заготовки. Данный способ позволяет расширить номенклатуру изделий получаемых ковкой на малых прессах.
Исследования процесса осадки узким бойком в известных исследованиях направлены на определение энергосиловых параметров. В процессе разгонки узким бойком цилиндрическая заготовка принимает овальную форму поперечного сечения и получаемое изделие нуждается в дополнительных припусках, что увеличивает металлоемкость детали. Разработка математических моделей позволяющих прогнозировать формоизменение заготовки и разработать рациональный режим ковки является актуальной задачей.
Для определения параметров НДС заготовки в процессе осадки использован метод конечных элементов (МКЭ). Моделировали осадку цилиндрической заготовки узким плоским бойком (рис. 1). Диаметр заготовки принимался равным D = 1000 мм, высота заготовки H = 750, 500, 250 мм. Ширина бойка принималась равной 400, 600 и 800 мм. Материал заготовки сталь 45, начальная температура заготовки 1100 0С, температура инструмента 2000С, количество конечных элементов 50000 шт. Коэффициент пластического трения Зибеля на контакте между инструментом и заготовкой 0,35, скорость движения инструмента 20 мм / с.
Получены данные о формоизменении заготовки, которые показывают, что в процессе осадки разгонкой узким бойком, ее поперечное сечение принимает овальную форму (рис. 2). Такое формоизменение объясняется тем, что в процессе обжатия бойком, металлу заготовки энергетически целесообразнее перемещаться поперек бойка.
Рис. 1. Схема процесса осадки заготовки узким плоским бойком
Рис. 2. Форма поперечного сечения заготовки после первого прохода плоским бойком
Исправить такое отклонение формы поперечного сечения возможно правкой боковой поверхности заготовки, что не всегда является возможным, либо используя специальный режим разгонки узким бойком с постоянной кантовкой заготовки вокруг своей оси на 900 между проходами и регулируя при этом обжатия.
Для разработки рационального режима разгонки, который бы обеспечил правильную форму поперечного сечения заготовки необходимо получить модели описывающие формоизменение заготовки при обжатии бойками различных размеров.
По результатам моделирования получены графические зависимости параметра D//D от геометрических параметров инструмента и режима процесса разгонки. Полученные результаты показывают, что на величину овальности поперечного сечения большое влияние оказывает относительная величина внедрения бойка. Так, например, при разгонке заготовки с = 1 бойком шириной = 0,5 величина овальности поперечного сечения заготовки увеличивается от 1,11 до 1,14 при увеличении относительного обжатия заготовки от 0,05 до 0,1.
Кроме того большое влияние на овальность оказывает и ширина бойка. При разгонке узким бойком овальность поперечного сечения заготовки больше, нежели при разгонке широким бойком.
При использовании бойка относительной шириной 0,3 овальность при обжатии 0,05 и относительной высоте заготовки равной 1,0 составляет 1,12, а при использовании бойка шириной 0,5 овальность составляет 1,11. Это объясняется тем, что при использовании бойка меньшей ширины металл более интенсивно течет в поперечном направлении из-под бойка во время обжатия, нежели в продольном.
Относительная высота заготовки также оказывает влияние на форму поперечного сечения в процессе разгонки. Заготовка меньшей высоты имеет меньшую склонность к искажению формы, т.е. минимальные отклонения формы поперечного сечения.
Таким образом, имея полученные зависимости, возможно, прогнозировать формоизменение заготовки в процессе разгонки и зная величину овальности поперечного сечения за один проход бойка при обжатии, возможно, подобрать величину обжатия для второго прохода после поворота заготовки на 900, чтобы компенсировать овальность.
Для проверки адекватности полученной математической модели, проведены экспериментальные исследования процесса осадки разгонкой. Исследования проведены на свинцовых образцах, диаметром 50 мм и высотой 37,5 м. Деформирование производилось узким бойком шириной 20 мм. В результате проведенного эксперимента получены данные по формоизменению заготовки в процессе разгонки. Полученные данные нанесены на график (рис. 3) и произведено сопоставление с теоретическими значениями параметра овальности поперечного сечения заготовки.
Анализ рис. 3 позволяет заключить, что теоретически полученная зависимость позволяет с высокой степенью точности описывать реальный процесс формоизменения заготовки в процессе разгонки узким бойком.
Рис. 3. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных овальности поперечного сечения заготовки в зависимости от величины обжатия
Рациональный режим разгонки выбирается следующим образом. Сначала на основании исходных данных в виде размеров заготовки и инструмента, рассчитывается величина овальности заготовки после первого обжатия. Далее необходимо подобрать величину обжатия следующего перехода так, чтобы появившаяся овальность компенсировала овальность предыдущего перехода. При этом исходными данными для расчета этого перехода служат размеры заготовки предыдущего перехода.
По запросу ОАО «Русполимет» проведено моделирование процесса ковки поковки «диск» диаметром 1800 мм и высотой 270 мм. Данная поковка планируется изготовляться на прессе номинальной силой 35МН следующим образом: биллетировка, вырубка блока, осадка плоскими плитами до минимально возможной по силе пресса высоты и разгонка узким бойком с поворотами заготовки на 900. Использоваться будет боек шириной 600 мм. Основной проблемой является отклонение от круглости формы поперечного сечения заготовки.
Для разработки технологии ковки данной поковки, на основании полученных регрессионных моделей подобрали режим обжатий и кантовок заготовки. Установили, что на прессе силой 35 МН возможно плоскими плитами осадить заготовку до высоты 630 мм (рис. 4).
На рис. 5 показаны переходы ковки в процессе разгонки узким бойком. Установлено, что после первого прохода обжатий узким бойком на величину 100 мм, овальность поперечного сечения заготовки будет равна 1,036. Для компенсации данной овальности необходимо на следующем переходе после кантовки заготовки на 90 градусов выполнить обжатие равное 70 мм. Как показало моделирование при этом поперечное сечение заготовки практически не будет иметь овальности.
Рис. 4. Схема процесса осадки заготовки плоскими плитами
Кантовка на 900
Кантовка на 900
Кантовка на 900
Обжатие 100 мм
Обжатие 70 мм
Обжатие 100 мм
Обжатие 90 мм
Рис. 5. Формоизменение заготовки в процессе разгонки заготвоки узким бойком
Следующее обжатие производилось величиной 100 мм, это привело к образованию овальности равной 1,055. Для компенсации овальности следующий проход плоским бойком необходимо было выполнить с обжатиями в 90 мм. Заготовка, полученная данным способом имеет максимально приближенные размеры и форму поперечного сечения к идеальным.
Полученные результаты переданы для промышленной апробации и внедрения. Основной проблемой реализации процесса осадки заготовки разгонкой узким бойком, является недостаточно информации по особенностям формоизменения поперечного сечения заготовки. По результатам математического моделирования получена регрессионная модель, позволяющая рассчитывать отклонение формы поперечного сечения заготовки в зависимости от геометрических параметров заготовки и инструмента и режима ковки.
Проведен промышленный эксперимент (рис. 6) по разгонке узким бойком заготовки, который показал адекватность полученных теоретических решений.
Рис. 6. Промышленный эксперимент по реализации процесса разгонки заготовки плоским бойком на ОАО «Русполимет»