Сравнительное исследование процесса прошивки сверленной и сплошной заготовки

Трубы из нержавеющих марок стали находят все большее применение в различных отраслях промышленности. К ним, в частности, относятся объекты Госкорпорации «Росатом», заводы по производству сжиженного природного газа, пищевая индустрия и достаточно много других областей [1].

Увеличению объемов выпуска таких труб может способствовать освоение технологии их производства на ТПА с непрерывным раскатным станом. При этом первой операцией, связанной с пластической деформацией, является прошивка. В линиях ТПА с непрерывным станом в настоящее время в основном применяют станы винтовой прокатки. В то же время известно, что для этих станов существуют проблемы с качеством внутренней поверхности гильзы. Очевидно, что при прошивке заготовок из нержавеющих марок стали эти проблемы могут обостриться в связи с низкой пластичностью высоколегированных марок стали. Решения этих проблем могут быть получены за счет применения сверленных полых заготовок. Однако сравнительный анализ процесса прошивки сплошных и полых заготовок до сих пор не проводился.

В связи со сложностью экспериментального исследования процесса горячей прошивки, особенно в заводских условиях, подобный анализ может быть выполнен на основе компьютерного моделирования с помощью метода конечных элементов (МКЭ) [2].

Компьютерное моделирование было выполнено в среде Qform 3D, в результате которого определялись геометрические параметры получаемой гильзы, скорость деформации, показатель напряженного состояния в очаге деформации и температура гильзы.

На рис. 1 представлена гистограмма распределения толщины стенки по всей длине гильзы. На рис. 2 представлено изменение диаметра по длине гильзы.

В таблице представлены сводные данные по размерам гильз.

В соответствии с результатами, представленными на рис. 1 и 2, а также в таблице, можно сделать вывод о том, что при одной и той же настройке прошивного стана средние геометрические размеры полученных гильз (диаметры и толщины стенок) одинаковы для сплошной и полой заготовки. При этом распределение значений толщин стенки имеет больший разброс при использовании полой заготовки. Очевидно, это может быть объяснено тем, что при прошивке полых заготовок общая площадь свободного формоизменения больше и характер течения металла имеет больше степеней свободы.

Так как по результатам расчета геометрические параметры гильзы аналогичны для двух расчетов, то для детальной оценки необходимо проанализировать изменение степени использования пластичности. С этой целью прежде всего следует определить пластичность металла.

Анализ литературных данных показал, что в настоящее время имеется большое количество информации по пластичности металлов и сплавов в холодном состоянии [3–6], однако системные исследования пластичности в горячем состоянии отсутствуют. Среди немногих работ в направлении исследования пластичности металлов в горячем состоянии можно отметить работу, в которой проведено комплексное исследование зависимости пластичности металлов от температуры, показателя

Рис. 1. Распределение толщины стенки гильзы Fig. 1. Distribution of the thickness of the sleeve wall

Рис. 2. Изменение диаметра гильзы по ее длине

Fig. 2. Changing the diameter of the sleeve along its length

Параметры гильзы Sleeve parameters

Модель 1 2 Тип заготовки Полая (с отверстием) Сплошная Средняя толщина стенки гильзы, мм 37,2 37,65 Максимальная толщина стенки гильзы, мм 41,28 41,62 Минимальная толщина стенки гильзы, мм 23,65 20,09 Средний диаметр гильзы, мм 344,4 344,6 Максимальный диаметр гильзы, мм 345,2 346,11 Минимальный диаметр гильзы, мм 342,1 343,1 Минимальный внутренний диаметр гильзы, мм 265,2 268,9 Длина гильзы, мм 4921 5226 напряженного состояния и параметра Лоде [7]. Однако в этой работе отсутствуют уравнения, аппроксимирующие полученные эксперимен- тальные данные.

Поскольку для расчета степени использования ресурса пластичности металлов и сплавов необходимо иметь выражение, описы- вающее диаграмму пластичности, содержащее эмпирические коэффициенты, которые методически легко определить, была предложена зависимость вида [8]

σ

Л р ^Ш  М^),  (1)

где Λр – степень деформации сдвига, накоп- ленная металлом к моменту разрушения; а0,а1, а12, а2 - эмпирические коэффициенты; 0 - температура металла; - - показатель на пряженного состояния металла.

Так, для стали марки 08Х18Н10Т (непрерывнолитая заготовка) ранее было получено уравнение диаграммы пластичности [7]:

, @ х 5,73-2,02^

^Лр = ²,⁵⁵Ы      ^rexp(0.04 - ).

Для оценки степени исчерпания ресурса пластичности используют уравнение вида

• ^v = £ Л ^dzS1,

где И - интенсивность скоростей деформаций сдвига; z - длина очага деформации.

В то же время следует отметить, что процесс прошивки сопровождается знакопеременной деформацией. При знакопеременной деформации наблюдается меньшая, чем при монотонной деформации, интенсивность накопления поврежденности металла [9–11].

В ходе моделирования на заготовку наносились точки, относительно которых фиксировались значения показателя напряженного состояния, интенсивности скорости деформации и температуры, а также положение в каждый момент времени процесса прошивки. Точки наносились на внутреннюю поверхность (для полой заготовки), на оси заготовки (для сплошной заготовки), а также на некотором расстоянии от оси заготовки (для сплошной заготовки).

На рис. 3а представлено распределение показателя напряженного состояния, скорости

а)

Рис. 3. Распределение показателя напряженного состояния, скорости деформирования и температуры металла: а) центральная часть сплошной заготовки; b) внутренняя поверхность полой заготовки Fig. 3. Distribution of the stress state, deformation rate and metal temperature: a) the central part of the continuous workpiece; b) the inner surface of the hollow workpiece

b)

деформирования, температуры для внутренней поверхности полой заготовки, а на рис. 3b представлены аналогичные графики для осевой зоны сплошной заготовки.

На рис. 4 представлено распределение ресурса пластичности для центра сплошной заготовки и внутренней поверхности полой заготовки.

Как видно из рис. 4, степень исчерпания ресурса пластичности возрастает ступенчато, что характерно для процесса прошивки, так

(со стороны валков) сменяются растягивающими напряжениями (со стороны линеек).

Что характерно, для сплошной заготовки степень исчерпания ресурса пластичности в 2,7 раза превышает степень исчерпания ресурса пластичности для полой заготовки. Следовательно, сплошная заготовка более склонна к появлению внутренних дефектов в виде плен.

На рис. 5 представлено распределение максимального значения исчерпания ресурса как в этом процессе сжимающие напряжения пластичности по длине заготовки.

центр сплошной заготовки внутрення поверхность попой заготовки

Рис. 4. Распределение исчерпания ресурса пластичности по длине очага деформации

Fig. 4. Distribution of exhaustion of the plasticity resource along the length of the deformation focus

а)

b)

Рис. 5. Изменение ресурса пластичности заготовки относительно ее длины: а) сплошная заготовка; b) полая заготовка

Fig. 5. Change in the resource of plasticity of the workpiece relative to its length: a) continuous blank; b) hollow blank

Как видно из рис. 5а, при прошивке сплошной заготовки степень исчерпания ресурса пластичности распределена по объему очень неравномерно. Ближе к заднему концу почти по всей толщине поврежденность металла будет практически отсутствовать. Это хорошо коррелирует с изменением показателя напряженного состояния (см. рис. 3а), который на переднем конце может достигать значений 0,58, а на заднем конце он ниже нуля. Соответственно, на переднем конце степень исчерпания ресурса пластичности гораздо более значительная и в осевой зоне достигает максимального значения. Поэтому при неправильной настройке прошивного стана, наличии дефектов металлургического происхождения здесь возможно появление трещин с их последующей трансформацией во внутреннюю плену.

При прошивке полой заготовки (рис. 5b) поврежденность металла по объему распределена более равномерно. Но при этом степень исчерпания ресурса пластичности в среднем несколько выше, чем при прошивке сплошной заготовки. Это также хорошо коррелирует с характером изменения показателя напряженного состояния (см. рис. 3b), который на протяжении практически всего процесса прошивки периодически принимает положительные значения. Полученная информация должна приниматься во внимание при проектирова- нии дальнейшей технологии, включая раскатку и редуцирование. То есть в целом гильза, полученная из полой заготовки, имеет повре-жденность выше, чем гильза, полученная из сплошной заготовки. Также следует отметить, что максимальное исчерпание ресурса пластичности имеет место на переднем конце заготовки, но, в отличие от сплошной заготовки, максимальное значение степени исчерпания ресурса пластичности имеет место, близкое к наружной поверхности. Поэтому при некачественной непрерывно-литой заготовке здесь может происходить расслоение металла.

Для полой заготовки показатель исчерпания ресурса пластичности по всему объему заготовки практически одинаков.

Таким образом, при прошивке сплошной заготовки величина износа оправки выше, чем при прошивке полой заготовки, в 1,5 раза.

Для сплошной заготовки наблюдаются области с критическим значением напряженного состояния, что может привести к разрыву металла на внутренней поверхности гильзы.

Показатель исчерпания ресурса пластичности для сплошной заготовки незначительно выше, чем для полой заготовки (средние значения). Однако на переднем торце заготовки в осевой зоне показатель исчерпания ресурса пластичности больше в 2,7 раза, чем для переднего торца полой заготовки.