Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы 6
1.1 Анализ технологии производства бесшовных труб 6
1.2 Обзор исследований в области получения полых заготовок прошивкой 11
1.3 Программы компьютерного моделирования и их применение для решения задач обработки металлов давлением 55
1.4 Выводы по главе 1 60
Глава 2. Методика исследования схем прошивки 63
2.1 Алгоритм исследования и анализа схем прошивки 63
2.2 Применяемые на этапах исследования программные средства 64
2.3 Выводы по главе 2 76
Глава 3. Компьютерное моделирование процессов прошивки 77
3.1 Моделирование в среде DeForm 3D 77
3.2 Моделирование в среде QForm 2D 87
3.3 Расход металла и энергии при прошивке 89
3.4 Выводы по главе 3 91
Глава 4. Экспериментальное исследование процессов прошивки на прессе 92
4.1 Установка и инструмент для проведения экспериментальных исследований 92
4.2 Результаты экспериментальных исследований 98
4.3 Выводы по главе 4 103
Глава 5. Математическое моделирование процесса прошивки методом жестких блоков и оценка устойчивости прошивного инструмента 104
5.1 Методика расчета усилия прошивки на прессе 104
5.2 Результаты математического моделирования процессов прошивки с помощью метода жестких блоков 115
5.3 Сравнение результатов моделирования прошивки свинцовых заготовок 117
5.4 Оценка устойчивости пуансонов при прошивке на прессе 118
5.5 Экспериментальное исследование процесса прошивки заготовок полой оправкой на двухвалковом стане поперечно - винтовой прокатки 123
5.6 Выводы по главе 5 128
Основные результаты и выводы по работе 129
Список использованных источников 131
Приложение 137
- Программы компьютерного моделирования и их применение для решения задач обработки металлов давлением
- Применяемые на этапах исследования программные средства
- Сравнение результатов моделирования прошивки свинцовых заготовок
- Экспериментальное исследование процесса прошивки заготовок полой оправкой на двухвалковом стане поперечно - винтовой прокатки
Введение к работе
Важнейшей задачей при изготовлении бесшовных труб является получение прошивкой из исходной сплошной заготовки высококачественной гильзы, обеспечивающей в дальнейшем качество готовой продукции по точности геометрических размеров, в том числе разностенности, а также определяет необходимость применения вспомогательных операций таких как зачистка дефектов, сверление, зацентровка и других, которые ведут к повышенному расходу металла и увеличению затрат на производство, в том числе энергетических.
В настоящее время развитие технологий производства бесшовных труб связано с применением исходной непрерывнолитой заготовки. Преимуществом таких технологий является сокращение числа операций обработки по сравнению с производством из слитков и связанного с этим уменьшения затрат. Однако наличие центральной дефектной зоны непрерывнолитой заготовки требует ее удаления для обеспечения качества получаемых труб. Удаление центральной дефектной зоны может осуществляться различными способами.
По одной из применяемых в настоящее время схем производства бесшовных труб исходная непрерывнолитая заготовка обтачивается, сверлится, нагревается, экспандируется и прессуется. При этом операция сверления, посредством которой удаляется дефектная зона, является трудоемкой, осуществляется на специальных станках и ведет к повышенному расходу металла. Одним из направлений совершенствования технологии производства является замена операций сверления и экспандирования операцией прошивки.
Поэтому исследование процессов прошивки заготовок является актуальной научно-технической задачей. Разнообразие применяемых и возможных способов прошивки заготовок предопределяет использование для
их исследования методов физического и математического моделирования, современных вычислительных систем.
В работе исследуется процесс прошивки трубных заготовок полым пуансоном. Показано что усилие прошивки полым пуансоном по сравнению со сплошным ниже (в условиях проведенных экспериментов на 8-Ю %). Устойчивость полого пуансона выше по сравнению с традиционно используемым сплошным пуансоном, что способствует уменьшению разностенности получаемых гильз. Отходы при прошивке могут быть использованы для дальнейшей обработки давлением. Внутрь пуансона затекает центральная зона. При прошивке непрерывнолитой заготовка, имеющей центральную пористость и загрязнения, эти дефекты будут удалены.
Программы компьютерного моделирования и их применение для решения задач обработки металлов давлением
В настоящее время для решения различных задач в области обработки металлов давлением широко применяются программы компьютерного моделирования. Программы компьютерного моделирования, в основе которых заложен тот или иной метод решения задач ОМД, являются мощным вычислительным средством, позволяющим рассчитывать широкий перечень различных параметров исследуемого процесса.
Все современные методы решения краевых задач обработки металлов давлением (ОМД) можно разделить на следующие большие группы: методы, основанные на некоторых физических законах сохранения; методы, в основе которых лежат вариационные принципы; методы, опирающиеся на иные принципы.
К первой группе относятся подходы, построенные на законе сохранения количества движения (равновесия), законе сохранения вещества (условии несжимаемости), законе сохранения энергии (в т.ч. тепловой), законе сохранения момента количества движения и др.
Вторая группа методов основывается на некоторых вариационных принципах механики и теплофизики. При этом решение задачи получается из условия стационарности функционала, соответствующего выбранному вариационному принципу. При решении краевых задач ОМД наиболее часто применяются формулировки на основе функционала Лагранжа или функционала Маркова (Германна).
К третьей группе можно отнести методы, основывающиеся не на физических, а на некоторых математических принципах. К ним можно отнести: различные формулировки метода взвешенных невязок (метод подобластей, точечной коллокации, Галеркина), метод функций тока и метод наименьших квадратов (который в некотором смысле относится как к вариационному методу, так и к методу взвешенных невязок) и др. Основным фактором, влияющим на достоверность (точность) результатов, является практическая реализация - аналитическая или численная.
В табл. 8 представлено сопоставление аналитического и основных численных подходов: метода конечных элементов (МКЭ), метода граничных элементов (МГЭ), метод сеток (конечных разностей - МКР). В качестве критериев сопоставления были выбраны: точность, простота реализации, скорость получения результатов, требования к вычислительным ресурсам. Критерий «требуемые параметры» характеризует применимость каждого из подходов в том числе, для управления технологическими процессами ОМД.
В методе конечных разностей используют сеточные схемы и соответствующие конечно - разностные аналоги дифференциальных уравнений. МКР - первый численный метод, примененный к задачам гидродинамики, теплопроводности и др. Значительные ограничения метода связаны с трудностями учета граничных условий, необходимостью использования мелких сеток, неустойчивость вычислительного процесса.
Появление метода конечных элементов вызвано задачами строительной механики. К преимуществам метода относят свободный выбор узловых точек, произвольную форму области и граничных условий, простоту обобщения на различные модели тел и задачи любой мерности, естественный учет неоднородности свойств и других локальных эффектов.
Метод граничных элементов в последнее время привлекает внимание благодаря снижению числа переменных и времени счета по сравнению с МКЭ (примерно в 5-Ю раз). При этом решение строится только на границе области, а в любой внутренней точке оно находится точным интегрированием от границ.
В работе [42] рассматривается возможность применения программы QFORM 2D/3D для разработки малоотходной технологии штамповки. Эффективность применения моделирования штамповки основывается на возможности практического решения широкого круга технических проблем, встречающихся при разработке и оптимизации технологии.
В 2001 году ЗАО «Квантор - Софт» выпустил новую версию программы моделирования штамповки QFORM, которая используется на промышленных предприятиях в России и заграницей. Новая версия программы получила название QFORM 2D/3D, поскольку принципиально отличается возможностью моделирования трехмерного течения металла.
QFORM 2D/3D объединяет двумерное и трехмерное моделирование в одной программе. С точки зрения пользователя это огромное преимущество. Программа полностью сохранила простой интерфейс своей двумерной предшественницы. Для перехода к трехмерному моделированию необходимо лишь выбрать в качестве исходной геометрической информации не двумерные контуры поперечных сечений, а твердотельные модели штампов и заготовки.
Технический прогресс в современной металлургии явился причиной возникновения большого количества разнообразных способов ОМД. Такое разнообразие технологических процессов приводит к тому, что при выборе способа производства конкретного изделия проектировщик сталкивается с проблемой оптимальности той или иной технологической схемы в различных условиях производства. Данная задача усложняется еще и тем, что часто отсутствует вся необходимая информация о процессах, происходящих в очаге деформирования и особенно в случае сложного нагружения. Это приводит зачастую к интуитивному принятию решения, которое, естественно, далеко не всегда является оптимальным.
Задача оптимизации существующего технологического процесса или процесса принятия ответственного технического решения может быть значительно упрощена применением для этих целей математического моделирования технологии сложного деформирования на основе метода конечных элементов.
Применяемые на этапах исследования программные средства
Существует несколько различных методов математического моделирования процессов ОМД, и каждый обладает своими достоинствами и недостатками.
В современных публикациях, посвященных расчетам процессов обработки металлов давлением, преимущественно используют метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий найти перемещения, деформации и напряжения во всех узлах элементов, на которые разбита рассматриваемая среда. Широта использования данного метода связана с тем, что он обладает универсальностью и позволяет решать достаточно сложные задачи [44].
Метод конечных разностей обладает отличной вычислительной эффективностью (положительно определенные, симметричные, ленточные системы линейных алгебраических уравнений). Со своей стороны, проекционные методы хорошо учитывают области с границами сложной формы, очень просто учитывают граничные условия по Нейману. И сеточные и проекционные методы позволяют решать физически нелинейные задачи, задачи с анизотропией среды, нестационарные во времени.
Но при всех своих достоинствах, им присущи и "фундаментальные" недостатки. Так, для повышения точности решения методом конечных разностей необходимо либо резко сгущать сетку в интересующих областях, либо применять более точные (а значит, и более сложные) разностные схемы. В первом случае резко возрастает время счета на ЭВМ; во втором - к тому же возрастет время составления и отладки программы. Выбор координатных и весовых функций в случае применения проекционных методов также является иногда непростой задачей (более того, при переходе от одного класса задач к другому, ее, по сути, приходится решать заново). Кроме того, часто "удобные" в физическом смысле весовые и координатные функции становятся "неудобными" при численном решении разрешающих систем уравнений.
В связи с этим, весьма привлекательным было бы использование такого численного метода, который, с одной стороны, обладал бы всеми достоинствами сеточных и проекционных методов; с другой - по возможности был бы лишен их "фундаментальных" недостатков. Иными словами, технологу, решающему задачи пластического деформирования металлов, необходим удобный, эффективный и достаточно легкий для восприятия численный аппарат, который в сочетании с вариационно-энергетическим подходом, позволил бы учитывать при решении определенные физические и геометрические особенности.
К проекционно-сеточным методам можно отнести три наиболее известных: вариационно-разностный, метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных интегральных уравнений и основанный на нем метод граничных элементов (ГИУ-МГЭ).
Необходимо отметить, что дальнейшее развитие этой группы методов применительно к краевым задачам теории пластичности (теории ОМД), по-видимому, имеет наибольшие перспективы в сочетании с современными сеточными методами - прежде всего МКЭ и МГЭ [45].
В последние годы для анализа различных процессов обработки давлением широко применяются математические модели, основанные на методах конечных и граничных элементов, в которых учитываются нелинейные свойства материала и нелинейные граничные условия. Созданы программы на базе конечно-элементных моделей, которые используются для анализа процесса прессования: Deform, Forge, Finel, Press Form, Splen-S (Press), Auto Forge и др. [46—52]. Но из-за сложности этого процесса моделирование ограничивается изучением отдельных его стадий, проводится на коротких заготовках, рассматривается, главным образом, прямое прессование с введением допущения о неизменности размеров очага пластической деформации [50]. В опубликованной литературе практически отсутствуют данные о моделировании всего процесса.
Наиболее перспективным решением в этой области является использование профессиональных проблемно-ориентированных пакетов, состоящих из универсальных блоков и модулей, которые не требуют больших вычислительных ресурсов ЭВМ, а также могут быть быстро адаптированы для решения различных конструкторских и технологических задач без дополнительных затрат [52].
Основой такого пакета становится математический аппарат, описывающий поставленную перед разработчиком задачу и носящий уникальный характер.
Блоки, выполняющие сервисные функции, такие как разбиение области, на конечные элементы, выполнение процедур перекладки заготовки из штампа в штамп, представление результатов и многие другие, выбираются из уже написанных и отлаженных библиотек. Очевидно, что эффективность при использовании такого программного продукта и надежность результатов значительно выше, а трудоемкость существенно ниже, чем в случае применения традиционных конструкторско-технологических методов разработки новых технологий ОМД.
Программа автоматически, с учетом геометрии инструмента, генерирует сетку конечных элементов, которую также автоматически пересматривает на каждом шаге деформирования. Графический постпроцессор позволяет анализировать формоизменение металла в течение всего процесса деформирования, включая: - векторное поле течения металла; - поля скоростей, напряжений, деформаций, скоростей деформаций и температуры в заготовке; - распределение контактных давлений на поверхности инструмента; - графики деформирующей силы и ее составляющих, работы деформирования; - геометрические размеры заготовки и инструмента; - лагранжеву сетку. Постпроцессор обеспечивает просмотр всей информации на каждом из заданных этапов деформирования. Он позволяет также делать твердые копии результатов, отражаемых на мониторе, и просматривать расчетную информацию в режиме мультипликации. Завершающий этап проектирования инструмента состоит в выборе математической модели и определения способа её реализации.
Сравнение результатов моделирования прошивки свинцовых заготовок
В ходе выполнения исследований в работе применялось физическое и математическое моделирование прошивки свинцовых заготовок полым пуансоном. Результаты компьютерного моделирования в средах DeForm 3D, QForm 2D, математического моделирования с помощью метода жестких блоков и экспериментов по прошивке свинцовых заготовок представлены на рис. 40. Отличие расчетных и экспериментальных данных составляет: QForm - 16 -18%, DeForm - 14 - 16%, метод жестких блоков - 10 - 12%.
Устойчивость деформирующего инструмента при прошивке на прессах и станах поперечно - винтовой прокатки непосредственно влияет на разностенность получаемых гильз, которая напрямую связана с разностенностью готовых труб. Значения коэффициентов приведения длины и критических сил для некоторых случаев закрепления стержня представлены на рис. 41.
Формула Эйлера применима при условии, что критическое напряжение не превышает предела пропорциональности материала стержня Обычно условие применимости формулы Эйлера выражают через гибкость стержня:
В процессе прошивки проанализировали устойчивость пуансона и ее изменение по стадиям. Выделили три стадии: касания, незначительного внедрения и установившегося процесса. При этом приняли, что схема закрепления на этом этапе анализа не зависит от того полый ли пуансон или сплошной. Исходя из возможных вариантов закрепления (рис. 41), на стадии касания пуансном заготовки приняли схему с коэффициентом приведения длины \i= 2, на стадии незначительного внедрения - схема с коэффициентом \i= 0,7, на установившейся стадии ц=0.5.
При рассмотрении схемы заделки пуансона на установившейся стадии для полого и сплошного пуансона было предложено рассмотреть различие в характере их закрепления.
Отклонение пуансонов от продольной оси можно охарактеризовать углом ф. Предположили, что по причине интенсивного затекания металла в отверстие полого пуансона на установившейся стадии угол ф полого пуансона будет несколько меньше (табл.. 13).
С целью более подробного рассмотрения количественных и качественных различий устойчивости сплошного и полого пуансонов с помощью программы COSMOSWORKS исследовали сплошной и полый пуансоны на продольный изгиб. Этапы расчета полого и сплошного пуансона на продольный изгиб и результаты расчета представлены в табл. 12.
Установлено, что изменение формы при продольном изгибе сплошного и полого пуансонов отличается тем, что максимальное смещение полого пуансона происходит в центральной части по его длине, а у сплошного -ближе к рабочему торцу, поэтому смещение рабочего торца полого пуансона меньше по сравнению со сплошным, что приводит к снижению разностенности получаемой заготовки (табл. 14).
Экспериментальное исследование процесса прошивки заготовок полой оправкой на двухвалковом стане поперечно - винтовой прокатки
Учитывая более высокую устойчивость полого инструмента при прошивке на прессе, исследовали возможность применения полой оправки при прошивке в двухвалковом стане.
Эксперименты проводились на двухвалковом стане винтовой прокатки МИСиС-ІЗОД. Размеры используемых оправок приведены в табл. 15. Прошиваемые заготовки из Ст 3 имели диаметр 60 мм, длину 150 мм и температуру 1160С.
Расстояние между валками в пережиме 52 мм, расстояние между направляющими линейками 60,5 мм, угол подачи рабочих валков - 14. Используемые оправки, а также полученные в результате эксперимента гильзы и выдры представлены на рис. 42.
Проведенные эксперименты показали, что процесс прошивки на полой оправке протекает стабильно. При этом, как и при прошивке полым пуансоном, помимо получаемой гильзы в виде отхода получили выдры, диаметр которых был равен диаметру осевого отверстия d0 полой оправки.
Глубина затекания или длина выдры составляла 1,5...3,0 d0. После прошивки выдра свободно извлекалась из оправки. Внутренняя поверхность полученных гильз имела гладкую ровную поверхность.
Осевое усилие металла на полую оправку, зафиксированное с помощью месдозы, установленной в упорной головке, составило около 20 кН, и уменьшилось по сравнению с усилием на оправку со сферической рабочей частью примерно пропорционально изменению площади поперечного сечения.
При прошивке в двухвалковых станах в осевой зоне заготовки неизбежно возникают поперечные растягивающие напряжения, которые являются причиной нарушения сплошности металла и образования перед оправкой полости с неровной рваной поверхностью. Этот недостаток двухвалковых прошивных станов является наиболее серьезным. Благодаря применению принудительного осевого подпора заготовки его значение можно существенно уменьшить. Однако указанный недостаток полностью устранить в двухвалковых станах не представляется возможным даже при подпоре заготовки. Чтобы совсем избавиться от него, необходимо создать условия, полностью исключающие возникновение в осевой зоне заготовки поперечных растягивающих напряжений.
Такие условия могут быть созданы, если применить для прошивки трехвалковый стан винтовой прокатки. В этом стане все три валка являются приводными и расположены вокруг обрабатываемого тела на одинаковом относительно друг друга расстоянии. Анализ процесса винтовой прокатки привел к заключению, что отрицательное отношение к вопросу о возможности или целесообразности прошивки в станах с тремя валками не является достаточно обоснованным. В результате был предложен прошивной трехвалковый стан [62].
В двухвалковых прошивных станах для удержания обрабатываемого тела по оси прошивки и для ограничения истечения металла в тангенциальном направлении необходимо иметь направляющий инструмент - линейки или ролики. Линейки оказывают значительно препятствие вращению обрабатываемого тела. Ролики оказывают большое сопротивление осевому перемещению металла. Сопротивление линеек и роликов приводит к увеличению осевого скольжения металла относительно валков и к излишнему расходу энергии при прошивке.
В трехвалковых станах, где валки образуют замкнутый калибр и где направляющий инструмент отсутствует все недостатки существующих прошивных станов устраняются.
Если в двухвалковом стане увеличение обжатия перед оправкой ограничивается опасностью разрушения металла в сердцевине заготовки, то в трехвалковом стане этой опасности нет. Увеличение обжатия в трехвалковом стане может способствовать уплотнению металла и заварке дефектов в центре заготовки, что способствует улучшению качества гильз.
Одним из важнейших показателей, характеризующих силовые условия процесса прошивки в стане, является отношение осевого усилия оправки к суммарному давлению металла на валки. Чем меньше это отношение, тем меньше осевое скольжение металла относительно валков и тем более благоприятным следует признать силовые условия процесса. В трехвалковом стане это отношение меньше, чем в двухвалковом стане. Следовательно, по этому показателю силовых условий трехвалковый стан является более совершенным.
Качество наружной поверхности гильз, прошитых в трехвалковом стане, также лучше качества гильз, прошитых в двухвалковом стане. При прошивке в двухвалковом стане линейки оставляют на наружной поверхности гильз винтовые порезки и риски, которые раскатываются в плены. В трехвалковом стане вся деформация осуществляется инструментом качения, благодаря чему наружная поверхность получается чистой и гладкой. Благоприятные условия деформации при прошивке в трехвалковом стане и, в частности, отсутствие инструмента скольжения позволяют использовать этот процесс для получения труб из материалов, отличительной особенностью которых является повышенная склонность к налипанию на инструмент наряду с весьма низкой пластичностью.
Учитывая вышеизложенное, процесс прошивки в стане винтовой прокатки на полой оправке целесообразно использовать для трехвалковой схемы. В этом случае будет реализовываться эффект самоцентрирования оправки в очаге деформации благодаря действию растягивающих напряжений в кольцевой зоне поперечного сечения заготовки. При этом диаметр торцевой части полой оправки должен соответствовать диаметральным размерам этой зоны. По результатам проведенных исследований предложены две схемы прошивки трубных заготовок: полым пуансоном на прессе и полой оправкой в трехвалковом стане (рис. 43).
