Разработка научных основ и оптимизация технологических режимов нового способа протяжки литых слитков

Важнейшей проблемой, стоящей перед отечественным машиностроением, является улучшение макро- и микроструктуры, повышение уровня механических свойств и эксплуатационной надежности металлопродукции. Применение непрерывнолитой заготовки (НЛЗ) по сравнению с горячекатаной заготовкой снижает себестоимость продукции, однако слитки, получаемые на МНЛЗ, имеют грубую литую структуру и внутренние дефекты (трещины и пористость) [1]. Одним из способов получения мелкозернистой структуры считают деформацию слитка без изменения формы поперечного сечения способом равноканального прессования [2]. Этот способ был разработан В.М. Сегалом [2] и заключался в многократном продавливании заготовки в специальной оснастке через два канала, пересекающихся обычно под углом 90°. Возможность получения ультразернистой структуры сталей и сплавов этим способом была установлена в работах [2–3]. Тем не менее, реализация идеи РКУ-прессования в промышленности до сих пор не получила широкого распространения, что объясняется сложностью изготовления оснастки и технологическими проблемами прессования. Известны способы интенсификации знакоперемен- ной деформации по всему объему деформируемого металла [4–13]. Знакопеременная деформация способствует увеличению накопленной деформации без изменения формы поперечного сечения заготовки, стимулирует образование полигонизо-ванной субзеренной структуры и повышению дисперсности зеренной структуры. Авторами работы поставлена задача изучить деформированное состояние при ковке непрерывно-литой заготовки в условиях знакопеременной деформации, поочередно обжимая заготовку в рельефных и гладких бойках таким образом, чтобы сохранилась первоначальная форма поперечного сечения.

МКЭ-моделирование процесса ковки заготовок в рельефных и гладких бойках в условиях плоской деформации

В работе представлены результаты анализа деформированного состояния металла при осадке в бойках с рельефной поверхностью, (рис. 1, а), а также в гладких бойках - на втором этапе деформирования (рис. 1, б). Длина поковки и бойков принята неограниченно большой, поэтому деформация заготовки в направлении длины отсутствует и выполняется условие плоской деформации. Для определения рациональной геометрии бойка варьи-

Рис. 1. Деформирование заготовки в бойках с рельефной поверхностью на первом этапе обжатия (а) и плоскими бойками на втором этапе (б): 1 и 2 – рельефный и плоский боек; 3 – заготовка; r – радиус окружности гравюры бойка; е – расстояние между центрами окружностей соседних гравюр (углубление и выступ) бойка; P1–P12 – траектории частиц металла в сечениях (I) и (II)

ровали параметрами очага деформации – e/r, r/h, Δh/h на трех уровнях, здесь r – радиус окружности гравюры бойка; е – расстояние между центрами окружностей соседних элементов гравюры (углубление и выступ); h – высота заготовки; Δh – обжатие по высоте заготовки. Заполнение металлом элементов гравюры бойка количественно оценива-h ли через коэффициент заполнения 5 = —100 % , угл где hме – высота элемента поковки, заполнившего гравюру бойка; hугл = r - 0,5e - высота углубления бойка. Матрица планирования вычислительного эксперимента представлена в таблице. С целью упрощения процедуры твердотельного моделирования инструмента варьирование параметра r/h осуществлялось изменением высоты заготовки: 250, 300, 350 мм, а значение радиуса осталось неизменным (r = 50 мм). Обжатие заготовки по высоте (Δh/h)·100 % было принято равным 10, 14 и 20 %. Для оценки неравномерности деформации по высоте слитка выполнен расчет накопленной степени деформации частицами εi в очаге деформации для шести точек по высоте в сечении углубления на бойке (сечение I): P1 – частица на наружной поверхности заготовки (y = h/2); P6 – частица на плоскости симметрии (y = 0). На втором этапе деформации также по шести точкам в сечении выступа бойка (сечение II): P7 – частица на наружной поверхности заготовки (y = h/2); P12 – частица на по плоскости симметрии (y = 0) (см. рис. 1).

Среднее значение накопленной степени деформации по высоте определяется по формуле 1 ⁿ

£ = ^ £ _i , где i - номер частицы, n = 5,5. Нерав- n i = 1

номерность деформации по высоте слитка оценивается с помощью коэффициента вариации S εср , где

5 =

1/2

1   JL

— Ё(^£ i ^{- £} cp )

. n ¹ i - 1                  _

- среднеквадратич-

ное отклонение. Накопленная степень деформации для конкретной частицы ε _i определяется из решения задачи с помощью программы Deform для плоско-деформированного состояния в изотермических условиях. Показатель трения (по Зибелю) между бойками и заготовкой принят равным ψ = 0,6. Для достоверности результатов расчетов минимальный размер элемента был принят равным 3 мм при высоте заготовки от 250 до 350 мм.

Результаты расчета формоизменения и накопленной степени деформации при обжатии в рельефных бойках (см. рис. 1, а) с отношением e/r = 0 (e = 0, r = 50 мм) показали, что заполнение металла в полость впадины штампа во всем диапазоне значений r/h, Δh/h не обеспечивается (коэффициент заполнения δ изменяется в пределах 28,7÷60,6 % (см. таблицу). Кроме того, при всех вариантах обжатия (10, 14 и 20 %) для всех значений толщины заготовки h (250, 300 и 350 мм) деформация практически не проникает в осевую зону заготовки, а значение накопленной степени деформации в центральной зоне очага деформации составляло ε6 = 0,001÷0,05 (сечение I) и ε12 = 0,084÷0,181 (сечение II). После обжатия плоскими бойками на втором этапе суммарная деформация £^ и £^2 не превышают 0,24 и 0,37 соответственно. Результаты решения задач при обжатии заготовки в бойках с отношением e/r = 1 (e = 50мм, r = 50 мм) показали, что коэффициент заполнения увеличивается и находится в пределах 44,5÷94,6 % (см. таблицу), а накопленная в осевой зоне деформация составляет

ε6 = 0,001÷0,055 и ε12=0,071÷0,256. Суммарные деформации после обжатия рельефными и плоскими бойками – εΣ6 и ε1Σ2 увеличиваются по сравнению с предыдущим вариантом и составляют 0,375 и 0,479 соответственно.

Иная картина наблюдается при деформировании заготовки в рельефных бойках с отношением e/r = 1,75 (e = 87,5 мм, r = 50 мм). Полное заполнение гравюры бойка происходит при минимальном обжатии по толщине – 10 % . На рис. 2 и 3 представлены графики, полученные по результатам исследования ковки заготовки в рельефных бойках с отношением e/r = 1,75 при обжатии Δh/h · 100 % = 10 %. На рис. 2, а, б показан характер распределения накопленной степени деформации после обжатия рельефными (на первом этапе – рис. 2, а) и плоскими бойками (на втором этапе – рис. 2, б) в сечении I, а на рис. 2, в, г – в сечении II. Из рис. 2 видно, что в точках Р1 и Р7 деформация незначительна (ε = 0,03÷0,12). В приконтактных слоях деформация минимальна, так как имеются зоны затрудненной деформации (зоны прилипания), протяженность которых по мере продвижения вглубь металла уменьшается; в начале пластической деформации возникает свободная поверхность – поверхность не находящейся под рабочим инструментом. По графикам можно заметить, что распределения ε как в сечении I, так и в сечении II неравномерно, но при этом деформация проникает в центральную зону заготовки. Результаты расчета ε, представленные на графиках (см. рис. 2), позволяют определить оптимальные размеры очага деформации (параметр r/h) с точки зрения проникновения деформации при минимальном обжатии по высоте 10 %. Относительная степень деформации ε наибольшая при r/h = 1/5 и достигает значений в центральной зоне заготовки: 0,204 (сечение I) и 0,214 (сечение II), после обжатия рельефными и плоскими бойками. На рис. 3 показано распределение коэффициента вариации S/εср в сечениях I (рис. 3, а) и II (рис. 3, б) в зависимости от параметра очага деформации r/h после обжатия на первом и втором этапах рельеф-

Рис. 2. Распределение степени деформации ε _i после первого (а) и второго этапа (б) деформации в сечении I (углубления бойка) и после первого (в) и второго этапа (г) деформации в сечении II (выступа бойка)

Рис. 3. Коэффициенты вариации S/ ε_ср в зависимости от параметра очага деформации r/h в сечениях I (а) и II (б)

ными и плоскими бойками. Наименьшее значение S/ ε_ср в очаге деформации с параметром r/h = 1/5 – S/ ε_ср = 0,62 и 0,20 – в сечении I после обжатия рельефными и плоскими бойками соответственно, и S/ ε = 0,25 и 0,15 – в сечении II.

ср

Выводы

Показано, что актуальной проблемой развития процессов обработки металлов давлением непрерывно-литых слитков является разработка нового способа ковки, обеспечивающего деформационную проработку без изменения формы поперечного сечения и знакопеременный характер деформации. Полученные результаты анализа формоизменения и деформированного состояния металла при обжатии в два этапа (в рельефных, а затем в гладких бойках) позволили найти оптимальную форму ковочного инструмента с точки зрения заполнения металла гравюры штампа, а также проникновения деформации по всему сечению литой заготовки. При обжатии заготовки бойками с e/r = 1,75 (e = 175 мм, r = 100 мм) металл полностью заполняет гравюру бойка (коэффициент заполнения δ = 100 %) при минимальном обжатии по толщине заготовки 10 %. Обеспечивается проникновение деформации к осевой зоне металла в очаге деформации при обжатии 10 % - накопленная степень деформации в осевой зоне заготовке в сечении углубления бойка εi6 = 0,02÷0,047 – на первом этапе обжатия рельефными бойками и 0,171÷0,204 – на втором этапе обжатия плоскими бойками, а в сечении выступа бойка ε i12 = 0,123÷0,181 – на первом этапе обжатия рельефными бойками и 0,203÷0,214 – на втором этапе обжатия плоскими бойками. При выравнивании заготовки плоскими бойками на втором этапе обжатия минимальные коэффициенты вариации S/εiср = 0,2 и 0,15 для сечения I и II соответственно были получены при использовании заготовки отношением r/h = 1/5 (r = 50 мм, h = 250 мм), обжатой на 10 % рельефными бойками на предыдущем этапе деформирования.