Содержание к диссертации
Введение
Глава I Современное состояние технологии ковки крупногабаритных плит 18
1.1 Производство крупногабаритных плит с применением прокатки и сварки 20
1.2 Технологические процессы ковки широких плит на прессах 23
1.3 Способы производства толстостенных трубных поковок большого диаметра 36
1.4 Способы производства крупногабаритных плит с применением развертки трубных поковок 46
1.5 Цель и задачи исследования 49
Глава 2 Исследование и разработка технологии прошивки предельно высоких заготовок в неоднородном температурном поле 51
2.1 Исследование влияния параметров осадки перед прошивкой заготовок на качество металла 51
2.2 Физическое моделирование и компьютерный расчет процесса прошивки заготовок с созданием неоднородного поля температур 56
2.3 Расчеты процессов ковки с неравномерным нагревом и охлаждением металла 67
2.4 Методика расчета температурных полей крупных кузнечных заготовок из слитков массой 15-420т 70
2.5 Методика решения задач деформирования крупных кузнечных заготовок в условиях неоднородного температурного поля 80
2.5.1 Современное состояние теории неизотермической деформации нелинейной вязко пластической среды 80
2.5.2 Методика решения задач деформирования неравномерно нагретой заготовки 86
2.6 Определение рациональных температурных параметров процесса прошивки предельно высоких заготовок 94
2.7 Разработка технологической схемы прошивки предельно высоких заготовок 101
2.8 Выводы по главе 107
Глава 3 Протяжка и раскатка на оправке крупногабаритных полых поковок 109
3.1 Анализ процессов протяжки и раскатки на оправке полых поковок 109
3.2 Исследование, разработка способов и инструмента для протяжки на оправке крупногабаритных трубных поковок 118
3.3 Промышленное опробование способов протяжки и раскатки на оправке крупногабаритных трубных поковок 124
3.4 Выводы по главе 125
Глава 4 Развертка крупногабаритных трубных поковок 126
4.1 Физическое моделирование процесса развертки плоским инструментом 126
4.2Разработка технологии развертки плоским инструментом 128
4.3 Моделирование процесса развертки клиновым инструментом 130
4.4 Физическое и математическое моделирование комплексного процесса развертки трубной поковки 138
4.5 Разработка новых конструкций клинового инструмента для развертки 150
4.6 Выводы по главе 158
Глава 5 Качество металла крупногабаритных плит и днищ 159
5.1 Исследование структуры металла поковок 159
5.2 Физические и механические свойства металла поковок 168
5.3 Выводы по главе 186
Глава 6 Технология производства крупногабаритных плит и днищ 187
6.1 Технология ковки крупногабаритных трубных поковок 187
6.2 Технология изготовления широких толстых плит 199
6.3 Технология изготовления крупногабаритных бесшовных днищ большого диаметра 203
6.4 Перспективная технология производства моноблочных плит размерами 7600x7600x360 мм 208
6.5 Выводы по главе 215
Заключение и выводы по работе 216
Библиографический список 220
Приложения 235
- Способы производства крупногабаритных плит с применением развертки трубных поковок
- Физическое моделирование и компьютерный расчет процесса прошивки заготовок с созданием неоднородного поля температур
- Исследование, разработка способов и инструмента для протяжки на оправке крупногабаритных трубных поковок
- Физическое и математическое моделирование комплексного процесса развертки трубной поковки
Введение к работе
Актуальность работы. Одна из тенденций развития современного тяжелого, энергетического, химического, судостроительного и специального машиностроения - рост мощностей в одном агрегате, что требует проектирования и изготовления крупногабаритных поковок ответственного назначения. К ним можно отнести поковки массой 50-300 т, получаемые ковкой из слитков массой 70-420 т, например, поковки для изготовления элементов корпусов атомных реакторных установок, корпусов циркуляционных насосов, АЗУ и др. Эти поковки, помимо весовых характеристик, объединяет высокий уровень требований к качеству металла и служебным свойствам, а также малая серийность производства, практически предельное использование силовых и конструкционных возможностей существующего технологического оборудования (сталеплавильного, кузнечно-прессового, нагревательного, термического, подъемно-транспортного). В последнее время возрастает потребность в крупных поковках, в том числе поковках типа толстых плит, удельный объем которых в кузнечно - прессовом производстве непрерывно растет. Так, изготовление корпусов современных энергетических атомных установок требует для штамповки днищ корпусов плиты толщиной 250-350 мм и более с размерами в плане от 5500x5500 до 8500x8500 мм.
Современное прокатное оборудование (блюминги, слябинги) не позволяет получить в настоящее время качественные плиты таких размеров. Известные способы получения крупногабаритных плит методами сварки двух или нескольких катаных или кованых заготовок характеризуются значительной трудоемкостью, малым коэффициентом использования металла, не обеспечивают высокую надежность изделий, т.к. при изготовлении корпусов неизбежно получение пересекающихся сварных швов, что недопустимо при производстве узлов энергетических установок.
Использование для производства плит толстостенных трубных заготовок, получаемых способами прессования, пилигримовой прокатки, ковки на ротационно-обжимных машинах и др., не дает возможности изготавливать плиты требуемых размеров. Анализ многочисленных схем ковки широких плит с осадкой или без осадки слитка показывает, что существенным их недостатком является низкое качество металла, поскольку при использовании этих процессов дефектный металл осевой зоны слитка остается в теле поковки. Кроме того, ширина готовой плиты в этих способах ограничена расстоянием между колоннами ковочного пресса. Получение толстостенных трубных поковок, предназначенных для их последующего развертывания тем или иным способом в плиту, традиционными способами ковки, включающими операции осадки, прошивки, протяжки и раскатки на оправке, встречает серьезные затруднения, вызванные как силовыми, так и конструкционными параметрами действующего кузнечно-прессового и подъемно-транспортного оборудования.
Поэтому разработка и освоение новых эффективных технологических схем производства крупногабаритных моноблочных (изготовленных из одного слитка) плит, предназначенных для изготовления из них изделий ответственного назначения и обеспечивающих снижение трудоемкости, сбережение материальных и энергетических ресурсов, повышение надежности изделий, является важной народнохозяйственной проблемой.
Исследования проводили в соответствии с Постановлениями Правительства РФ №705 от 20.09.2008г. « О программе деятельности ГК по атомной энергии «Росатом» на долгосрочный период (2009-2015 годы)»; изначально работа проводилась в соответствии с «Программой развития атомной энергетики РФ на период до 2010 года», а также с планом работ по проекту 3081.2 Международного научно-технического центра.
Цель и задачи работы. Цель работы – исследование, разработка и освоение новых эффективных комплексных технологических процессов производства крупногабаритных моноблочных плит, предназначенных для изготовления из них изделий ответственного назначения и обеспечивающих снижение трудоемкости, сбережение материальных и энергетических ресурсов, повышение надежности изделий.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
-обоснование на основе анализа современных тенденций развития технологий получения крупногабаритных толстых плит выбора новых вариантов и технологических схем их получения;
-создание и внедрение в производство технических и технологических решений, обеспечивающих разработку новых и совершенствование существующих технологий, сокращение трудовых, материальных и энергетических затрат;
-разработка на основе результатов лабораторных исследований, физического и компьютерного моделирования, опытно-промышленного опробования новых схем и конструкций кузнечного инструмента для прошивки слитков (заготовок), протяжки и раскатки на оправке крупногабаритных полых поковок, развертки их в плоские плиты;
-разработка методики расчетов температурных полей применительно к операции прошивки предельно высоких заготовок (H/D 1,5-2,0) с неравномерным температурным полем для обеспечения контролируемого изменения сопротивления деформации по сечению и высоте поковки;
-разработка методики расчетов ковки крупных поковок в условиях неоднородного температурного поля на основе теории неизотермической деформации нелинейной вязко-пластической среды с деформационным и скоростным упрочнением, зависящим от температуры и структурных параметров;
-разработка и внедрение эффективных и экономичных процессов производства крупногабаритных моноблочных плит размером 5500х5500х280 мм, предназначенных для получения из них изделий ответственного назначения с повышенной надежностью, высокими служебными и эксплуатационными характеристиками;
-исследование структуры, механических и физических свойств стали 15Х2НМФА на разных стадиях производства крупногабаритных моноблочных плит и бесшовных днищ большого диаметра;
-разработка на основе анализа современных возможностей сталеплавильного, кузнечно-прессового, нагревательного, подъемно-транспортного оборудования ведущих предприятий Российской Федерации технологической схемы производства плит размером 7600х7600х360 мм и более для изготовления их них днищ корпусов реакторов нового поколения.
Научная новизна состоит в создании научно обоснованных технических и технологических решений в области ковки крупных поковок и разработке принципиально новых подходов к проектированию технологических процессов производства широких (шириной 5500 мм и более) толстых моноблочных плит.
Разработана на основе общей теории теплопередачи и теплопроводности методика расчета температурных полей крупных кузнечных слитков для обеспечения требуемого изменения сопротивления деформации в теле поковки. Рассчитаны температурные поля кузнечных заготовок из слитков массой 15-420 т диаметром 900-3500 мм при их охлаждении на воздухе и продолжительность охлаждения кузнечных заготовок перед прошивкой для обеспечения требуемого градиента температур по сечению; установлен экспериментально характер изменения температуры по сечению слитка массой 39 т диаметром 1350 мм при его охлаждении на воздухе. Предложена методика моделирования и реализации неоднородных температурных полей в высоких заготовках (H/D 2,0-2,5) для их последующей прошивки.
Разработана на основе общей теории деформации нелинейной вязкопластической среды с деформационным и скоростным упрочнением методика расчетов операций ковки крупных поковок с неоднородным температурным полем, учитывающая различный характер тепловых процессов и формируемых температурных полей на разных этапах технологического процесса. Установлено влияние степени деформации, конфигурации осадочных плит, наличия в них осевых отверстий на степень закрытия дефектов в осевой зоне при осадке перед последующей прошивкой. Предложены на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований и подтвержденные в промышленных условиях новые технические решения по прошивке крупных высоких заготовок; протяжке и раскатке на оправке полых заготовок с внутренним диаметром свыше 1500 мм и длиной более 5500 мм; развертке толстостенных трубных поковок в плоские плиты, позволяющие осуществление этих операций на действующем кузнечно - прессовом оборудовании.
Установлено на основе результатов физического и компьютерного моделирования влияние конфигурации и параметров плоского и клинового инструмента, технологических параметров процесса на эффективность развертки крупных полых поковок. Выявлены закономерности влияния режимов пластических и термических обработок на разных стадиях производства плит и днищ из них на структуру, физико–механические и технологические свойства изделий. Разработаны научные основы проектирования эффективных комплексных технологических процессов производства крупногабаритных плит и бесшовных днищ большого диаметра.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны на основе результатов данной работы, внедрены и используются на практике новые технические и технологические решения по изготовлению крупногабаритных толстых плит и бесшовных днищ большого диаметра, которые затруднительно или невозможно получить традиционными методами обработки металлов давлением. Предложены новые технологические схемы прошивки сверхвысоких промышленных заготовок и разработаны новые конструкции полых прошивней, обеспечивающие снижение отходов металла за счет изменения формы удаляемого осевого отхода и устранения образования торцевого заусенца на нижнем торце заготовки. Разработаны и внедрены новые способы протяжки с применением новой конструкции оправок ступенчатой формы в моноблочном и сборном исполнениях, позволяющие на универсальном прессовом оборудовании получать толстостенные поковки длиной 5500-8000 мм и внутренним диаметром свыше 1500 мм. Разработаны и внедрены в условиях ЗАО «Атоммаш» конструкции плоского инструмента для развертки толстостенных трубных поковок в плоские плиты. Разработаны и прошли опытно-промышленное опробование новые конструкции клинового инструмента конической и криволинейной формы, позволяющие уменьшить число переходов при развертке и повысить коэффициент использования металла на 10-15 % по сравнению с использованием плоского инструмента. Разработана и внедрена в ОАО «Энергомашспецсталь» и ЗАО «Атоммаш» комплексная технология производства крупногабаритных моноблочных плит из стали 15Х2НМФА с размерами 5500х5500х280 мм, позволившая снизить трудоемкость изготовления изделий в 1,6 раза, расход металла – на 10-15 %, существенно повысить надежность работы корпусов атомных реакторов по сравнению со сварным вариантом получения плит. В условиях ЗАО «Атоммаш» изготовлено восемь днищ корпусов реакторов ВВЭР-1000, удовлетворяющих по своим качественным показателям требованиям технических условий. Разработана на основе анализа возможностей металлургического производства ведущих предприятий Российской Федерации технология производства моноблочных плит с размерами 7600х7600х360 мм для штамповки днищ корпуса реактора ВПБЭР-600, предусматривающая минимальный объем реконструкции производств ОАО «Ижорские заводы» и ЗАО «Атоммаш».
Работа награждена медалями ВДНХ.
Результаты работы используются при проектировании новых технологий обработки металлов давлением в ГНЦ РФ НПО «ЦНИИТМАШ», а также в учебном процессе преподавателями, аспирантами и студентами по специальности «Обработка металлов давлением» в НИТУ «МИСиС» и МГВМИ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании математических и компьютерных методов моделирования, планирования и анализа результатов проведенных исследований; применении современных приборов и методик, их метрологического обеспечения; комплексе экспериментальных исследований, в том числе на уникальном кузнечно - прессовом оборудовании; результатах механических, технологических, металлографических, структурных и других исследований; внедрении разработанных режимов и технологий; на выпуске промышленных партий изделий и результатах контроля их качества.
Личный вклад автора. В представленных работах автором определены основные идеи и направления проводимых исследований [3, 4, 11], предложены и обоснованы новые методы исследования процессов [14, 21, 27-29, 31-33], новые технические решения [5, 6, 10, 13,15-20, 22-25,30,37-41], проанализированы, обобщены и систематизированы результаты собственных исследований, а также других ученых и специалистов в области ковки крупных поковок [1, 8, 26]. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, автором определены идеология и постановка научных задач, разработаны расчетные методики и предложены основные идеи технических и технологических решений, выполнен анализ и обобщение лабораторных и промышленных экспериментов. Под руководством и при личном участии автора выполнены промышленные испытания и внедрение результатов работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Материалы и технологии в машиностроении» (г. Москва,1989 г.); научно-технических советах НПО ЦНИИТМАШ (г. Москва,1988-1990, 2010 г.г.); научно-технических секциях АО «Атоммаш» (г. Волгодонск,1990-1995 г.г.); АО «Энергомашспецсталь» (г. Краматорск, 1989-1992 г.г.); Седьмом конгрессе прокатчиков (г. Москва, 2007 г.); У111, 1Х, Х Miedzynarodowa Konferencja Naukova. Nowe technologie i osiagniecia w metalurgii I inzynierii materialowey. Czestochowa, 2007, 2008, 2009 г.; Metal Quality Studies in Manufacturing of Wide Forged Plates European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes “EUROMAT 2007”. Nurnberg, Germany, 2007; X111 Conference of Socidade Portuguesa de Materials “Materiais 2007”, Porto, Portugal, 2007; 1 International Conference on New Materials for Extreme Environmets, San Sebastian (Spain), 2008; научно-технической конференции «Экология, ресурсосбережение, материаловедение в производстве высококачественных металлов» (г. Москва,2008 г.); У Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании (г. Варна, Болгария, 2009 г.); Международной Юбилейной школе-конференции «Прогрессивные технологии пластической деформации» (г. Москва, 2009); научных семинарах кафедр ТиОТП и ПДСС МИСиС (г. Москва, 1988- 2010 г.г.), секции ОМД МГВМИ (г. Москва, 2010г.), секции ОМД ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН (г. Москва, 2010г.). Результаты работы экспонировались на ВДНХ (г. Москва, 1987-1990 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в монографии, 35 статьях, из них - 16 в журналах из перечня ВАК РФ, получено 5 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, библиографического списка из 145 наименований, выводов и приложений; содержит: 235 страниц машинописного текста, 129 иллюстраций, 9 таблиц.
Способы производства крупногабаритных плит с применением развертки трубных поковок
Известные способы ковки моноблочных широких плит основаны на проведении осадки исходного слитка вдоль его оси. Например, в ОАО "Ижор-ские заводы" разработали и внедрили технологию ковки цельнокованой плиты с размерами в плане 4500x5500 мм, предназначенную для вырезки из нее заготовки для штамповки крышки эллипсоида корпуса реактора диаметром 4500 мм. Ковку производили на прессе усилием 120 МН из слитка массой 114,9 т [6] . Осадку для обеспечения требуемой ширины производили вдоль оси слитка, последующей ковкой осуществляли проработку литой структуры. Производство крышки эллипсоида из цельнокованой плиты позволило по сравнению с катано-сварным вариантом сократить цикл изготовления крышки на 120 суток, снизить трудоемкость изготовления на 2345 нормо-час, исключить электрошлаковый шов длиной 4000 мм. Несмотря на очевидные преимущества данного способа, к сожалению, на гидравлических ковочных прессах этим способом невозможно получить моноблочные плиты шириной 5000 мм и более.
Там же при изготовлении цельнокованой заготовки для днища реактора шириной до 5400 мм и толщиной 380 мм использовали обычные слитки массой 124 и 142 т с отношением длины годной части к среднему диаметру, близким к единице (рис. 1.2). Однако к недостаткам разработанной технологии следует отнести низкое качество металла плиты вследствие того, что некачественный металл осевой зоны выплавленного слитка остается в теле плиты.
Отечественный и мировой опыт ковки крупных поковок показал целесообразность проектирования технологических процессов ковки плит с исключением операции осадки, что позволяет повысить производительность работ на 10-20 % с одновременным снижением материальных и энергетических затрат. При этом необходимо обеспечить последовательную проработку литой структуры слитка сначала в осевой зоне, затем - в промежуточной и поверхностной зонах. В настоящее время для производства поковок типа широких плит без применения операции осадки слитка (заготовки) разработаны различные схемы ковки, обусловленные функциональным назначением получаемых поковок, требованиями технических условий [8-21].
Способы ковки, обеспечивающие получение максимального уширения, основаны на положениях теории предписанных потоков и потоков вытеснения металла [22-25]. При этом потоки вытеснения формируются за счет изменения формы, конфигурации и размеров рабочей поверхности инструмента; чередования и периодичности рабочих элементов; несимметричности геометрии рабочих поверхностей нижнего и верхнего бойков и других факторов [26].
Для обеспечения максимального уширения эффективна поперечная разгонка заготовки узким бойком (рис. 1.3, а). При этом ковку ведут с малыми подачами при поперечном перемещении заготовки, что не позволяет получать крупногабаритные плиты. Другие способы ковки (рис. 1.3,6) основаны на использовании бойков с непрямолинейным фронтом подачи [22, 27], которые не только интенсифицируют поперечное течение металла, но и обеспечивают достаточную проработку литой структуры. Их недостаток - сравнительно небольшое уширение заготовок в процессе ковки плит.
Разработаны схемы ковки и конструкции инструментов, обеспечивающие принудительное течение металла в ширину, когда естественные поперечные потоки вытеснения дополняются предписанными поперечными потоками [22, 28-30]. При этом в начале процесса осуществляют прожим средней по ширине части слитка бойками специальной формы - плоскими, Т-образными, трапециевидными и др. (рис. 1.3, в). Несмотря на многие положительные моменты использования этих схем ковки, например, преимущественная деформация металла осевой зоны слитка, они не обеспечивают достаточного уширения заготовки. Кроме того, они трудоемки, поскольку требуют смены инструмента в процессе ковки. Изменение соотношения поперечных и осевых потоков вытеснения применением исходных заготовок специальной формы (прямоугольного или крестообразного поперечных сечений) также не решает проблемы получения максимального уширения, т. к. при этом в процессе ковки наблюдается значительная вытяжка металла в осевом направлении [10, 16, 31]. Интенсификацию поперечных деформаций при ковке плит достигают также изменением контактных условий на границе металл - инструмент. Для этого между заготовкой и плоскими бойками параллельно оси заготовки располагают подвижные прокладки полуцилиндрической формы, выпуклые поверхности которых являются рабочими, а плоские - опорными [32, 33]. Для нейтрализации сил трения скольжения опорные поверхности бойков и прокладок в некоторых случаях выполняют наклонными (рис. 1.3, г). Аналогичным эффектом обладают бойки с волнистой поверхностью, причем для большего уширения заготовки необходимо, чтобы с одной стороны бойка выступы и впадины были смещены влево, а с другой - вправо. Однако эти схемы ковки обладают тем недостатком, что кузнечный инструмент достаточно сложен в изготовлении и в эксплуатации.
В процессе ковки широких плит необходимо также обеспечить заданный уровень деформационной проработки структуры слитка [17, 18, 21-27]. При этом для проработки металла осевой зоны создают преимущественные условия для локализации деформаций в этой зоне путем прожима заготовки узкими бойками [8, 27], используют несимметричные бойки или бойки, рабочие поверхности которых сдвинуты относительно друг друга [34-36], придают заготовке специальную, например, крестообразную форму [18, 37, 38], применяют эффект подстуживания [37]. Для преимущественного деформирования литого металла поверхностных слоев используют разгонку узким бойком [22, 39], применяют бойки с профильной, например, волнистой рабочей поверхностью [40-44].
Физическое моделирование и компьютерный расчет процесса прошивки заготовок с созданием неоднородного поля температур
Моделирование температурной неоднородности проводили на заготовках высотой 80 мм и диаметром 60 мм. В качестве материала заготовок использовали свинец, а также сплав ПОС-61 (61 % олова и 39 % свинца). Исследование процессов упрочнения-разупрочнения свинца и сплава ПОС-61 показало, что сопротивление деформации свинца при комнатной температуре соответствует сопротивлению деформации стали при 1200 С, а сплава ПОС-61 при тех же условиях испытания - сопротивлению деформации стали при 900 С. Характер кривых упрочнения - разупрочнения модельных материалов и стали подобны друг другу.
Поэтому однородное температурное поле при прошивке моделировали на заготовках из свинца, а неоднородное - на составных заготовках (наружный слой из сплава ПОС-61, внутренний - из свинца). Относительная толщина "жесткого" слоя составляла 60 % от диаметра заготовки.
Прошивку заготовок проводили на подкладном кольце полым прошивнем с размерами: Дн=22 мм; Двн=16 мм; Н=25 мм. Сопоставление результатов прошивки (величина отклонения оси прошитого отверстия на нижнем торце заготовки от ее оси) по двум вариантам показало, что при прошивке составной заготовки отклонение осей практически отсутствовало (0-0,5 мм), а при прошивке однородного образца отклонение осей составляло 2,5-3,5 мм.
Кроме того, моделирование процесса прошивки провели на заготовках из стали 45 диаметром 250 мм и высотой 500 мм (Н/Д=2,0). Фиксацию температуры заготовки осуществляли в пяти точках сечения, расположенных в центре, на поверхности и на расстоянии 20, 40 и 80 мм от оси заготовки (рис. 2.1). В качестве датчиков использовали гибкие хромель-алюмелевые термопары диаметром 1,5 мм в фарфоровых бусах. Закрепленные в теле заготовки термопары собирали в жгуты и выводили под крышку камерной электропечи. В качестве защиты термоэлектродов применяли специальную обмазку и стальные трубы. Контроль термопар и оценку погрешностей показаний проводили сравнением результатов с показанием эталонных платино-платинородиевых термопар. Запись температуры осуществляли прибором КСП-4. Охлаждение нагретых заготовок проводили на воздухе, в воде и комбинированным способом. Сравнение показаний примененных термопар с контрольными показали их удовлетворительную сходимость.
Основную трудность в проведении экспериментов на стальных заготовках представляло создание температурного поля по сечению заготовки, адекватного распределению поля температур в крупных поковках. Опыты по охлаждению нагретой заготовки на воздухе показали, что достичь этого не удается. Для получения требуемого температурного поля в заготовке необходимо увеличить скорость охлаждения модели с поверхности, т.е. использовать среду охлаждения с коэффициентом теплопроводности большим, чем у воздуха. Комбинированное охлаждение заготовки сначала в воде, а затем на воздухе позволило получить температурный перепад между осевой зоной и поверхностью в пределах 300-350 С, что дает возможность с достаточной точностью моделировать неравномерное температурное поле в заготовке (рис. 2.2).
Прошивку предельно высокой стальной заготовки с неравномерным температурным полем осуществляли на прессе усилием 15 МН полым прошивнем с размерами: Дн=80 мм; Двн=40 мм; Н=80 мм. Изучение прошитых заготовок, охлажденных комбинированным способом, показало совпадение оси прошитого отверстия с осью заготовки, что подтверждает необходимость прошивки предельно высоких заготовок с неравномерным температурным полем.
Экспериментальные исследования процесса прошивки сплошным и полым прошивнем при физическом моделировании проводили с использованием свинцовых и пластилиновых заготовок. Результаты физического моделирования прошивки полым прошивнем показали, что деформируемый материал затекает в отверстие прошивня на глубину, превышающую в отдельных случаях высоту прошиваемой заготовки. По сравнению с прошивкой сплошным прошивнем выдра - отход, получаемый после прошивки, имеет значительно меньшую высоту, чем прошиваемый полуфабрикат, и искаженную форму. Полый прошивень позволяет не только полностью удалить дефектную осевую зону исходного полуфабриката слитка, но и использовать получившийся отход в виде прутка для дальнейшей обработки и получения качественной продукции с помощью дальнейших операций протяжки или прокатки.
В процессе экспериментальных исследований установили, что при соотношениях наружного диаметра прошивня к диаметру заготовки, равных 1/2,5 - 1/3, и внутреннего диаметра прошивня к наружному, равного 2/3, цен тральная зона практически полностью затекает в отверстие полого прошивня, а применение полого прошивня с уменьшением диаметра внутреннего отверстия по высоте обеспечивает дополнительную проработку металла осевой дефектной зоны.
Для компьютерных расчетов использовали вычислительную систему конечно-элементного трехмерного моделирования процессов ОМД. Для обоснования преимущества применения при прошивке полого прошивня по сравнению со сплошным рассмотрели два варианта формы сплошного прошивня -цилиндрического с плоским рабочим торцом и цилиндрического со сферическим рабочим торцом.
Исследование, разработка способов и инструмента для протяжки на оправке крупногабаритных трубных поковок
Получение толстостенных поковок большого диаметра для последующего изготовления крупногабаритных плит осуществляют, в основном, раскаткой прошитых заготовок и их протяжкой на оправке в комбинированных или вырезных бойках. Независимо от технических требований, технологический процесс ковки таких поковок состоит из типовых кузнечных операций -биллетировки, рубки, осадки, прошивки, раскатки и протяжки на оправке в различных вариантах порядка и исполнения этих операций [7, 108-112]. Недостаточная изученность применяемых при изготовлении крупногабаритных трубных поковок технологических операций в комплексе, их взаимовлияния на параметры ковки и качество металла, особенно при выполнении их на оборудовании, обладающем ограниченными технологическими возможностями, как показал производственный опыт, являются причиной получения поковок с большой разностенностью, торцовыми дефектами типа заусенцев и "бахромы", исправление которых связано с большими трудовыми и материальными затратами.
В зависимости от целевого назначения и соотношения геометрических размеров полых поковок (наружного диаметра Дн, внутреннего диаметра Дш„ высоты Нп) в технологии используют различные схемы ковки (рис. 3.8). При соотношениях Дн/Двн 2,5 и Нп/Дн-Двн 1,0 кольцевую поковку получают путем прошивки отверстия после предварительной осадки. При соотношениях Дн/Двн 155 и Нп/ Дн-Двн 1,0 поковку изготавливают осадкой, прошивкой и последующей раскаткой на оправке. При соотношениях Дн/Двн 1,5 и Нп/Д„-Двн 1,5 поковку получают прошивкой, предварительной протяжкой на оправке и окончательной раскаткой.
Только с помощью раскатки на оправке изготавливают поковки, относительные размеры которых соответствуют следующим соотношениям: Поскольку толстостенные трубные поковки, предназначенные для изготовления плит, имеют длину 5000 мм и более, протяжка на оправке является одной из определяющей в технологии ковки этих поковок. Большинство опубликованных работ посвящено протяжке сплошных поковок [101, 112-119], значительно меньше работ по протяжке и раскатке на оправке. Анализ работ [119-129] показывает, что формоизменение в процессе протяжки на оправке зависит от многих параметров, в том числе от степени деформации, величины относительной подачи, формы исходного сечения заготовки, угла выреза бойков, угла кантовки, направления фронта подачи, толщины стенки и др. В работах [120-125] исследован очаг деформации при протяжке и раскатке на оправке, рассмотрены причины образования складок и зажимов, предложены меры по их устранению, в том числе ковкой бойками с непрямолинейным фронтом подачи. Показано, что величина уширения в значительной мере зависит от соотношения размеров исходных заготовок и размеров оправки, и незначительно меняется при изменении степени обжатия. Результаты исследований позволили установить, что применение деформирующего инструмента различной формы (оправок с разным углом конусности образующей; ступенчатых оправок; бойков, развернутых относительно продольной оси оправки на определенный угол) дает возможность регулировать течение металла в очаге деформации и тем самым управлять процессом протяжки на оправке.
В работах [119, 120, 127-129] по оптимизации кузнечной раскатки в качестве основных критериев оптимизации принимали производительность и экономию металла. Показано, что производительность процесса может быть увеличена при проектировании режимов ковки на максимальных степенях деформации, использовании автоматизированных ковочных комплексов и специализированного инструмента. Экономия металла достигается использованием рациональных методик расчета заготовки.
Анализ технологических схем и деформационных режимов ковки полых осесимметричных поковок на оправке приводит к выводу, что существующие технологии не позволяют получать трубные поковки с внутренним диаметром, превышающим 1100 мм и длиной, превышающей продольные габариты стола пресса. Использование традиционных способов протяжки на оправке таких поковок потребовало бы использование оправки массой, которая превышает возможности подъемно-транспортных средств, установленных на участках самых мощных ковочных прессов. Поэтому актуальной является задача по разработке новых способов протяжки и раскатки на оправке, созданию специализированного инструмента, которые позволяют получать трубные поковки с размерами, обеспечивающими изготовление из них толстых плит с размерами в плане 5500x5500 мм и более.
Исследование, разработка способов и инструмента для протяжки на оправке крупногабаритных трубных поковок На основе анализа данных по теории и технологии протяжки, производственного опыта разработали новый способ ковки крупногабаритных трубных поковок, сущность которого заключается в том, что протяжку осуществляют на справке оригинальной конструкции [130]. Основное отличие этой оправки от существующих конструкций (рис. 3.9) заключается в отсутствии бурта, прилегающего к рабочему участку, что обеспечивает возможность свободного перемещения заготовки на оправке. Оправка (рис. 3.10) имеет рабочий, промежуточный и вспомогательный участки. Длина рабочего участка с известной конусностью зависит от длины протягиваемой трубной поковки и составляет 1,0-2,0 максимального диаметра оправки. Вспомогательный участок предназначен для удерживания оправки кантователем или манипулятором в процессе ковки. Основное назначение промежуточного участка - удержание полой заготовки. Исходя из обеспечения устойчивого положения заготовки, протяженность этого участка составляет 0,25-0,5 длины заготовки под протяжку. Экспериментальные исследования процесса протяжки заготовок на оправках с разным углом конусности промежуточного участка (3; 5; 7; 10 и 15) показали, что конусность этого участка должна быть в пределах 1,5-7,5. При меньшем угле конуса затруднен процесс снятия заготовки с оправки (вплоть до заклинивания), при большем угле вспомогательный участок, примыкающий к меньшему основанию промежуточного конуса, не обеспечивает требуемой жесткости оправки при ковке заготовок большой массы.
Физическое и математическое моделирование комплексного процесса развертки трубной поковки
С целью повышения эффективности разведения кромок полой цилиндрической заготовки и улучшения качества продукции на основе результатов исследования и моделирования процесса развертки полой поковки в плиту спроектировали инструмент для разведения кромок заготовки, предварительно разрезанной по образующей, включающий верхний боек и ншішее плоское основание (подкладная плита) для размещения заготовки.
Конструкция клинового бойка (рис. 4.22) содержит верхнее основание, выполненное с возмолшостью соединения с ползуном пресса, и прикрепленные к нему два клина, обращенные один к другому меньшими по высоте торцами. Угол между боковыми поверхностями каждого клина плавно изменяется от минимального значения 15-90 у одного торца, имеющего максимальную высоту, до 60-150 у другого, имеющего минимальную высоту. Разность этих значений не менее 30. Вершина клина наклонена на угол 7-60 к его основанию.
Нагретую и предварительно разрезанную по образующей полую цилиндрическую заготовку устанавливают на нижнее основание с плоской поверхностью. При движении ползуна пресса вниз опорный элемент с клиньями перемещается к основанию , клинья своими периферийными частями заходят в разрез заготовки и благодаря тому, что вершина клина наклонена к плоскости его основания на угол 7-60 , жестко фиксируют полую цилиндрическую заготовку в плоскости приложения усилия. При дальнейшем движении с пуансоном вниз за счет клиньев с изменяющимся у каждого из них углом между рабочими боковыми поверхностями от р, равного 15-90, до а, равного 60-150, причем максимальный угол а должен быть больше минимального (3 не менее чём на 30, происходит плавное, без резких перепадов разведение кромок, что приводит к повышению качества разводимых кромок, а также предохраняет от возможного смятия трубной заготовки за счет того, что усилие прикладывают по стадиям, начиная с концов трубной заготовки, к равным поверхностям на кромках трубной заготовки.
Раскрытие заканчивается после взаимодействия с кромками заготовки рабочих поверхностей у торца с максимальным углом. Часть заготовки с инструментом не взаимодействует, так как возможно выполнение инструмента таким образом, что существует свободное пространство между симметрично расположенными на опорном элементе клиньями, причем это расстояние не должно быть больше длины клина.. Выполнение геометрии инструмента зависит от отношения толщины стенки трубной заготовки Ah к ее внешнему диаметру D„ , а также от материала заготовки, поэтому для заготовок из малопластичных материалов и тонкостенных (Ah / D н 0,07) используют малые углы при разведении кромок, (3 30 , а 90 ). Выполнение клина с углом у передней поверхности менее 15 ведет к неэффективному использованию инструмента, так как при разведении кромок инструментом с клином угол при вершине у передней поверхности которого ниже указанного, ведет к получению изделия, которое требует дополнительной обработки, т.е. дополнительного разведения кромок заготовки инструментом с клином с большим углом при вершине, чем указанный. При увеличении угла более 90 существует возможность смятия периферийных частей полой заготовки, что снижает качество получаемого изделия. Выполнение угла а менее 60 приводит к неэффективному использованию инструмента, так как при разведении кромок инструментом с углом при вершине у передней поверхности менее указанного ведет к получению изделия, которое требует дополнительной обработки, т.е. дополнительного разведения кромок заготовки инструментом с клином с большим углом при вершине, чем указанный, если же угол будет более 150, то при работе происходит смятие полой цилиндрической заготовки, или же необходимо значительно увеличить длину бойка, что ведет к невозможности его применения. Угол наклона вершины клина к плоскости его основания, равный 7-60 , обеспечивает стабильный процесс разведения кромок полой цилиндрической заготовки. Если угол менее 7, это может привести к смятию кромок полой цилиндрической заготовки, или же необходимо значительно увеличить протяженность бойка. При угле 60 значительно возрастает высота устройства, что ведет к снижению эффективности его применения или же к невозможности его работы.
Для сокращения числа операций при развертке полой заготовки в плиту предложили конструкцию клинового инструмента, разработанную на основе клина с углом 120, вершина которого была обрезана по горизонтальной плоскости (рис. 4.23,а), а также бойка с криволинейной образующей боковой поверхности (рис. 4.23,6). Особенность конструкции этих бойков состоит в том, что их боковые грани имеют переменный угол наклона к вертикальной плоскости, обеспечивающий углы раскрытия кромок прорезанного паза трубной заготовки при развертке от 90 до 160-170 для увеличения ширины паза до максимального размера за один - два перехода. Такое техническое решения для конструкций клиновых бойков разработали на основе анализа результатов компьютерного моделирования.
Для проверки работоспособности предложенной конструкции бойка и сравнения с известным бойком, описанным выше, провели дополнительные исследования с помощью компьютерного моделирования процесса развертки. С этой целью разработали ЗЭ-модели для обоих вариантов клинового бойка.
Общий вид профиля запатентованной конструкции клинового инструмента с переменным углом наклона рабочей поверхности для разведения кромок полых цилиндрических предварительно разрезанных по образующей заготовок [131], т. е. развёртки в виде трехмерной ЗЭ-модели, показан на рис. 4.24 а, б, а 3D- модель упрощенной конструкции этого бойка в сборе - на рис. 4.24, в, г.
