CC BY
31
ки. М.: Наука, 1966. 664 с.
5. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М: Наука, 1969.
420 с.
V.M. Lyalin, O. V. Pantyukhin, N.A. Tarasova
THE INTENSE-DEFORMED CONDITION OF PROCESS TO THE SEMIHOT EXPRESSION WITH DISTRIBUTION OF SEMIFINISHED ITEMS OF SPECIAL PRODUCTS.
With attraction of the basic parities the axis of symmetric current of is rigid-is viscous-plastic environments and a method of local variations is analyzed the is intense-deformed condition of process to a semihot expression with distribution of semifinished items of special products, as key operation of progressive manufacturing techniques of special products from cylindrical preparations not enough carbonaceous steel.
Key words: intense-deformed condition, semihot expression, axis symmetric current, method of local variations.
Получено 20.07.12
УДК 623.455.1:669 178
В.М. Лялин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-54-38, tna-08@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
О.В. Пантюхин, канд. техн. наук, доц., директор издательства, (4872) 35-54-38, tna-08@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ), Н.А. Тарасова, асп., (4872) 35-54-38, tna-08@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ПОЛУГОРЯЧЕГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ЗАГОТОВКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТРЕБУЕМЫХ СВОЙСТВ ПОЛУФАБРИКАТОВ
На примере полугорячего выдавливания с раздачей полуфабрикатов специзделий из прутковых заготовок стали 18ЮА изложен метод расчета параметров режима термомеханической обработки в зависимости от требуемых механических свойств, в основу которого положены этапы термовоздействия от нагрева исходной заготовки до охлаждения выдавленного полуфабриката.
Ключевые слова: полугорячее выдавливание, параметры режима термомеханической обработки, термовоздействие.
Актуальной задачей применения полугорячей штамповки из прутковых заготовок в высокоэффективных технологиях производства элемен-
тов специзделий является определение оптимальных параметров режима обработки (температуры нагрева заготовки, степени, скорости и силы деформаций, геометрии инструмента, трения, условий охлаждения после деформации) в зависимости от требуемых механических свойств и геометрии элемента (полуфабриката). Для элементов специзделий в качестве обобщенной характеристики механических свойств применяется твердость, определяемая, например, по методу Виккерса [1]. Известные решения, определяющие режим полугорячего деформирования, не позволяют учесть полный цикл обработки и направлены в основном на расчет силы деформирования в зависимости от геометрии детали.
С целью управления технологическими параметрами полугорячей штамповки выдавливанием для получения требуемых механических свойств и геометрии детали разделим процесс на три последовательных этапа, на каждом из которых будем отслеживать изменение температурного поля заготовки полуфабриката:
- охлаждение нагретой прутковой заготовки при передаче в зону обработки;
- деформирование заготовки и получение требуемых геометрии и температурного поля полуфабриката;
- охлаждение полуфабриката для формирования заданных механических свойств.
В работе на примере обработки полугорячего выдавливания полуфабриката типа «стакан» с толстым дном из прутковой заготовки стали 18ЮА анализируется термомеханический цикл обработки (рис. 1).
^тр Тдеф Тохл
Рис. 1. Эскизы термомеханического цикла обработки
При этом основное внимание уделяется этапам термовоздействия, так как наряду со степенью и скоростью деформации основными параметрами, определяющими механические свойства полуфабриката после полугорячей обработки, являются температура окончания процесса деформирования и режим последующего охлаждения, которое может быть проводимо как операция термообработки в различных средах (воздух, селитра, масло, вода) и с различным временем выдержки [2]. Таким образом,
107
окончательный этап процесса можно рассматривать как термооперацию: закалку, отпуск или др. Определяющее значение для получения определяемых механических свойств (твердости) имеет температурное поле Тдеф, сформировавшееся в объеме полуфабриката непосредственно после выдавливания. Оно является конечным для этапа выдавливания и исходным для формирования твердости при остывании. Поэтому расчет температурных полей заготовки и полуфабриката необходимо проводить с учетом временной эволюции, которую можно описать следующими этапами:
- охлаждение заготовки, нагретой до Тнагр, за время транспортирования ттр для неоднородного температурного поля Ттр;
- деформирование заготовки в течении тдеф с тепловыделением и разогревом зоны деформации, что формирует температурное поле Тдеф;
- охлаждение полуфабриката за период тохл с понижением температуры от Тдеф до Тохл.
Таким образом, механические свойства (твердость) полуфабриката будут сформированы за счет проведения ряда термических переходов (нагревов и охлаждений) и, в частности, за счет охлаждения, полученного при выдавливании полуфабриката в соответствующей охлаждающей среде.
«Прямая» задача по определению поля твердости, получаемого после охлаждения полуфабриката, сводится к подбору ряда параметров к которым в данном случае относятся: начальное распределение температуры
по сечению полуфабриката Tо(/ j 0)°^; тип охлаждающей среды: рабочая
температура среды Тс00, остающаяся постоянной в процессе охлаждения.
При решении «обратной» задачи необходимо определить, в среду какого типа и с какой рабочей температурой нужно охлаждать полуфабрикат от некоторой температуры с целью получения твердости в заданной точке поля вполне определенного, задаваемого наперед, значения. При этом, для реальных условий последующего контроля удобнее задавать твердость (HRC) одной из поверхностей полуфабриката (торцевой или боковой), не учитывая так называемые краевые точки (точка Х, рис. 1).
Проанализируем механизм формирования твердости при охлаждении полуфабриката. Как следует из [3,4], нагрев стали до сверхкритических температур и образование тем самым аустенита, а затем последующее охлаждение с соответствующей скоростью, составляют сущность многих видов термической обработки. В связи с этим, зависимость превращения аустенита в другие структуры от скорости охлаждения и температуры протекания этих превращений (степени переохлаждения), оказывает основополагающее влияние на формирование механических свойств деталей после термической обработки.
Наиболее полные данные о зависимости структуры и твердости от температуры и времени термообработки отдельных марок стали дают кинетические диаграммы фазовых превращений [4] - это так называемые
диаграммы ВТП (время - температура - превращение), построенные двух видов: ВТП - для изотермических условий протекания превращений; ВТПс - для превращений при непрерывном охлаждении.
На рис. 2 представлена диаграмма ВТПс для стали с химическим составом, близким к стали 18ЮА [5]. Цифры в кружках - твердость HRC, получаемая при скорости охлаждения, описываемой соответствующей кривой. Практическое использование для прогнозирования структуры и твердости в сечении круглых прутков или других профилей требует определения скорости охлаждения в этом сечении.
05 1 V ю? ю' ю' Т.Г
Рис. 2. Диаграмма ВТПС для стали 18ЮА
Представим область пластической деформации полугорячего выдавливания полуфабриката как сплошной цилиндр и решая классическую задачу остывания ограниченного цилиндра [6] с известными показателями:
начальным распределением температуры по сечению Tо(/ / °)°С; рабочей
температурой среды Тс°С, остающейся постоянной в процессе охлаждения; размерами цилиндра - диаметром D=2R и высотой H=2R; вычислим значение температуры в каждой точке цилиндра (у) для к-го момента времени по формуле
Т(У,к) =То +^%/,С) -70Х (1)
где 0 - безразмерная температура.
Для определения поля твердости стенки полуфабриката решается более сложная задача охлаждения полого цилиндра [6], также не вызывающая затруднений.
Для каждой точки (1,]) температурного поля определим значение 0:
у соаГи„ Дг^о/)
Л /Л
п=1
V
Я
0= I Ан3о £ С08 ^ ГГ^»'/, (2)
т= 1
V
где .1 о - функция Бесселя первого рода нулевого порядка; \хп - корни ха-
Л)(М<и) 1 - т-
рактеристического уравнения -= —\1п; лг- - критерии Био; I - те-
•Л(Ии) Щ
кущий радиус цилиндра; /'о^ - число Фурье для неограниченного цилиндра; \хт - корни характеристического уравнения с1%(\\т) =—\хт ;
В1
] - текущая высота; /*о. - число Фурье для неограниченной пластины.
Найдем температурное поле Т^ j ^ для момента времени к£[1:оо],
учитывая, что при к=0 поле определилось как Т()(1 j о) • Выбрав достаточно
малое значение промежутков времени Ас и рассчитав с помощью ЭВМ для какого момента времени к температура в каждой точке поля Т^ j ^ будет
меньшей или равной температуре начала мартенситного превращения
(320° С для стали 18ЮА), определим для каждой точки поля время начала мартенситного превращения как т^п=к-А, с. Далее определяем с диаграммы ВТПс (рис.2) зависимость твердости от времени , т. е. для каждой нанесенной на диаграмме кривой скорости охлаждения определяем время начала мартенситного превращения и строим график зависимости НШ^^т^). Нанося на этот график расчетное время у для каждой
точки поля, находим распределение твердости по сечению цилиндра НЯСО )) [4] и, используя известную таблицу перевода чисел твердости, определяем значения НУ (по Виккерсу).
Сравнивая рассчитанное таким образом значение твердости в соответствии точки с изначально заданной твердостью в этой точке, определяем последующее действие. Если рассчитанные значения твердости совпадают с требуемым, параметры режима охлаждения (7"о(/ / 0)' тип сРеДы
Тс) принимаются в качестве технологических. Если рассчитанное значение совпадает с требуемым, то расчет повторяется, изменяя последовательно температурное поле полуфабриката То^ у о)' рабочую температуру закалочной среды тс, тип закалочной среды (рис.3).
КОНЕЦ
Рис. 3. Алгоритм программы для ЭВМ
Для уточнения отметим, что интервал изменения начальной температуры определяется верхним значением Т°тах, соответствующим температуре нагрева под закалку данной марке стали, и нижним значениям Т°т1П , определяющим критическое значение предела текучести материала,
при котором еще возможна реализация желаемой степени деформации (получение стенки полуфабриката заданной геометрии). Интервал рабочих температур закалочных сред, используемых в расчетах, также ограничивается верхним и нижним значениями (например, для воздуха 20...50 0С, для масла 20...3000С , для воды 30...1000С).
Перебрав, таким образом, все возможные варианты, определим один оптимальный, дающий после охлаждения требуемое значение твердости. Далее следует переходить к следующему этапу обратной задачи -расчету параметра процесса выдавливания с раздачей [2], учитывая при этом, что температурное поле окончания выдавливания должно в первом приближении соответствовать определенному выше начальному температурному полю полуфабриката по принятому варианту.
Задачу остывания ограниченного цилиндра по данному методу можно использовать и для расчета начального температурного поля остывающей при транспортировании заготовки. В этом случае начальными данными, кроме размеров заготовки, будут конечное температурное поле заготовки, соответствующее началу деформирования; тип среды (например, передать по воздуху); время транспортирования.
Для апробаций предложенного метода были проведены теоретические расчеты (с помощью ЭВМ) режима охлаждения полуфабриката полугорячего выдавливания из стали 18ЮА ГОСТ 15885-70 с диаметром дна D=0.03 м и толщиной дня Н=0,009 м (очаг пластической деформации в конечной стадии выдавливания). При этом в качестве технологических параметров этапа охлаждения были рассчитаны: температурное поле дня полуфабриката перед охлаждением; тип охлаждающей среды - воздух при
температуре То = 25 0С. Поле распределения твердости НУ в дне полуфабриката представлено на рис. 4.
Рис. 4. Поле распределения твердости НУ в дне полуфабриката
Универсальность метода подтверждается расчетно-
экспериментальным исследованием режима охлаждения цилиндрической заготовки из стали 45Х ГОСТ4548-71 диаметром 0,028 мм высотой 0,04 м. Для получения точки В (рис. 5) твердости НЮ/ 32.
Б (10:1)
о гф
16) 1 1С 17) 1« РЙ 1Т 17} ' 18 гнп 18 тг 20 21) 22 22 5) 23 ЙГ 2« (2А) 27 !й 27
щ 16 I Щ§ 17 П.5) 18 Ш ! 18 13 го 21) 22 2:2') 23 24 23) 25
'«Ы « I? 1« 173)' 18 18) ' 13 20 Г! ч 20 23 (22) 23 2i.lt 26 2?) 26 и<ч 28
т 1 18 I Я,5) ад' ж 2С ы>' 21 21) 22 22,5) 14 2J.il 25 т 21 25,3) 27 ¡27)
¡7.5) 1« 26 23 Щ ' 21 1» 22 ГО 24 23,5)' 2« ь> 2€ Ья 2? 26) га '27.5) 29
20,5)' 22 ЬЙ 22 22) 23 т. 24 26) 24) 25.8)' 27 26) 23 127) ' га 27,5)' 29 127.5) 30
Ьг» 1 и И 25 ге 2й 21) 27 27 (171 28 2«! ' 23 Ж ЗС ¡241 31
Ы) ' 27: т 27 ж 1 27 'гщ 2« '2Щ 28 28) 2« 2») 29 П) ЗС 2«, 5} 3« '2т 31 Р» 31
121) ' 28 Ьп 25 2Х) 1 29 2») 29 2X1 Зй т 30 29) ' 30 Щ 31 Ш 31 31 32 в
¡г» зс 2») ЗС 2Щ 30 :ч>) зс 31 т 31 20) 31 гад 32 Ы> 31) 31 !••:> 32
Щ "?29> зе зо Ьо} 30 Ьо) 30) 31 !"1 31 Ьи 32 т 32 32 щй 33
Рис. 5. Сравнительные результаты расчетного и экспериментального
значений твердости
В качестве технологических параметров охлаждения рассчитаны: начальная температур заготовки Т0 = 840 0С ; среда охлаждения - масло индустриальное и=40А ГОСТ26799-75; температура среды тс = 40 0С. Результаты расчета и замеров (значения в скобках) твердости приведены на рис.5.
Вывод. Разработанный метод позволяет рассчитывать технологические параметры режимов нагрева и охлаждения заготовок и деталей в зависимости от предельных механических свойств, что особенно важно при проектировании технологических процессов с применением полугорячей штамповки в производстве элементов специзделий.
Список литературы
1. Изготовлением заготовок и деталей пластическим деформированием / В. М. Авдеев, Л. Б. Аксенов, И. С. Алиев. Л: Политехника 1991.
351 с.
2. Лялин В. М., Петров В. М., Журавлев Г. М. / Основы технологии объемной и листовой полугорячей штамповки. М. - Тула: Машиностроение, 2002. 164 с.
3. Н.М. Золотухин. Нагрев и охлаждение металла. М.: Машиностроение, 1973. 192 с.
4. В. Люты. Закалочные среды: справочник. Челябинск: Металлургия, 1990. 192 с.
5. Atkins M. Atlas of Continuous Transformation Diagrams for Engineering Steels. Sheffild. British Steel Corporation. BSC Biller, 1977.
6. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Наука, 1970. 651 с.
V.M. Lyalin, O. V. Pantyukhin, N.A. Tarasova
METHOD OF CALCULATION PARAMETERS OF THE MODE TO THE SEMIHOT EXPRESSION OF PREPARATION DEPENDING ON DEMANDED PROPERTIES OF SEMIFINISHED ITEMS
On the example with distribution of semifinished items of special products from cylindrical preparations not enough carbonaceous steel is stated to a semihot expression a method of calculation of parameters of a mode of thermomechanical processing depending on demanded mechanical properties in which basis stages of thermal influence from heating initial preparation to cooling the squeezed out semifinished item are put.
Key words: semihot expression, parameters of a mode of thermomechanical processing, thermal influence.
Получено 20.07.12
