CC BY
76
УДК 621
Канд. техн. наук В. Л. Чухлеб1, Е. С. Клемешов1, О. А. Ярошенко2,
Т. А. Халезова2, д-р техн. наук Х. Дыя3
1НМетАУ, г. Днепр, 2ООО «Днепропресс Сталь», г. Днепр, 3Политехника Ченстохова, г. Ченстохова, Польша
ИССЛЕДОВАНИЕ КОВКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ НА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРЕССАХ В УСЛОВИЯХ ООО «ДНЕПРОПРЕСС СТАЛЬ»
Рассмотрены технологические возможности ООО «Днепропресс Сталь» по ковке различных титановых сплавов и проведено исследование напряженно-деформированного состояния титановых сплавов по предложенной схеме деформации путем математического моделирования.
Ключевые слова: деформация, ковка, напряжения, сплав, исследование.
Постановка проблемы
Изготовление поковок из титановых сплавов свободной ковкой является одним из ответственных и дорогостоящих процессов обработки металлов давлением. Сами по себе титановые сплавы занимают значительную нишу при производстве наиболее ответственных деталей из них. При этом поковки из титановых сплавов также являются одними из дорогостоящих, что связано со стоимостью как исходной заготовки, так и сложностью самого передела ковки. В связи с этим все работы связанные с исследованием формоизменения заготовок из титановых сплавов, которые обеспечат производство титановых поковок с наименьшими технологическими затратами, являются актуальными.
Анализ последних исследований и публикаций
Исследование ковки титановых сплавов всегда имело повышенный интерес ввиду особых свойств этих сплавов и их применения в промышленности. Целый ряд исследователей занимались изучением как свойствами титановых сплавов и их изменением в различных условиях, так и процессами получения их различными видами обработки металлов давлением. При всем разнообразии процессов обработки металлов давлением процессу ковки слитков из титановых сплавов на гидравлических ковочных прессах уделено не так много внимания. Во многом это связано с тем, что процесс ковки титановых сплавов является довольно ресурсо-затратным, и при возможности исследователи пытались заменить его другим материалом. Также изделия из титановых сплавов во многом используются в оборонной промышленности, и исследования получения их ковкой носят закрытый характер. Однако некоторые вопросы ковки титановых сплавов довольно подробно освещены в коллективном труде [1], где особое внимание уделено термомеханическим режимам ковки и самому процессу ковки, а также применению титановых
сплавов. При этом в целом постановка задачи при проектировании процесса ковки остается неизменной и во многом базируется на стандартных подходах, которые и изложены, в частности, в [2]. Дополнительно должны быть учтены некоторые особенности ковки титановых сплавов в зависимости от используемого оборудования и в работе [3] рассмотрены вопросы ковки титановых сплавов на молотах в условиях ПАО «Днепроспец-сталь». Однако ковка на гидравлических ковочных прессах имеет свои особенности. Теоретические особенности формоизменения металлов и сплавов при их ковке в виде слитков отражены в монографии [4].
Постановка задачи
Формирование готового изделия и его качества во многом определяется оптимальностью выбранной технологии ковки, которая зависит от технологических возможностей и производственного опыта конкретного предприятия-изготовителя титановых поковок. Одним из ведущих предприятий по производству поковок из различных титановых сплавов является ООО «Днепропресс Сталь».
ООО «Днепропресс Сталь» - крупнейшее предприятие Украины. На предприятии разработана и функционирует система управления качеством, сертифицированная на соответствие требованиям международных стандартов ISO. Следует отметить, что стандарты ISO построены на принципах TQM (тотального или всеобщего управления качеством) [5], которые, в том числе, предписывают привлечение всех сотрудников для общей работы по улучшению качества (в нашем случае это технолог, кузнец, термист).
В кузнечно-термическом цехе ООО «Днепропресс Сталь» выполняются заказы как для внутренних потребностей предприятия, так и, в основном, заказы на экспорт. В настоящее время кузнечно-термический цех -современное подразделение с высоким уровнем тех-
© В. Л. Чухлеб, Е. С. Клемешов, О. А. Ярошенко, Т. А. Халезова, Х. Дыя, 2016 18
нологии и механизации производства поковок. Главной его задачей является обеспечение потребителей качественной продукцией. Кузнечно-термический цех характеризуется единичным и мелкосерийным типом производства. В цехе основным технологическим процессом является свободная ковка на прессах и молотах. На всех этапах технологического процесса осуществляется контроль нормируемых параметров. Политика ООО «Днепропресс Сталь» и, в частности, кузнечно-терми-ческого цеха в области качества определяется наиболее полным удовлетворением требований потребителей и направлена на обеспечение высокопроизводительной, слаженной работы подразделений цеха. В цехе определена, обеспечена и поддерживается необходимая для управления качеством инфраструктура.
Основная деятельность цеха нацелена на создание и внедрение новых технологий. Каждая идея рассматривается с точки зрения влияния на улучшение качества, увеличение производства и снижение материальных затрат. Областью для усовершенствования в вопросах технологии и качества производимой продукции является достижение показателей технологии и качества, соответствующих современным высоким требованиям. Для исследования процесса ковки титановых сплавов были рассмотрены технологические карты изготовления поковок в условиях цеха, где приведено описание технологического процесса, используемого оборудования, массы поковки и готового изделия, марка титанового сплава. Для анализа выбирались карты таких деталей, которые имеют цикличность производства, то есть периодически повторяются в заказах на изготовление.
Главной целью данной работы является определение влияния параметров процесса кузнечной вытяжки (протяжки) на напряженно-деформированное состояние поковки с целью улучшения механических свойств.
Для моделирования процесса свободной ковки в Forge 2008® были заданы параметры реального процесса ковки поковок из титановых сплавов ВТ1 и ВТ6.
Исходной заготовкой являлся титановый слиток диаметром 400 мм и длиной 600 мм. Конечным изделием является поковка диаметром 200 мм и длиной 2200 мм.
Также, согласно технологическому процессу, выбран оптимальный температурный интервал для данных сплавов титана. Температурный интервал ковки составляет 1150-850 °С для обоих сплавов титана. Согласно технологии ковки титана необходим подогрев инструмента для уменьшения тепловых затрат поковки. В данном случае, бойки подогреты до 300 °С. При моделировании используются комбинированные бойки - верхний плоский, а нижний вырезной. Развал выреза нижнего бойка составляет 450 мм, глубина выреза -160 мм, а ширина рабочей части составляет 440 мм.
Выбор оптимальной схемы кантовок опирается на исследования в [6], где описано исследование влияния различных схем кантовок на напряженно-деформиро-
ванное состояние. Некоторые схемы кантовок оказались не рациональны ввиду большой неравномерности деформаций и как следствие сильного искривления поковки. Поэтому наиболее оптимальной схемой была выбрана схема обжатий «по кольцу», состоящая из 16 обжатий за одну подачу. Углы кантовок при ковке равны 120 ° после первого обжатия и после второго, после третьего обжатия угол кантовки заменяется кантовкой на угол в 60 °. После четвертого и пятого обжатия угол кантовки также составляет 60 °, а после шестого обжатия заменяется углом в 15 °, который остается неизменным при последующих десяти обжатиях. Величина подачи составляет половину ширины бойка и равна 220 мм. Также, исходя из данных источника [6], степень деформации составляла 10 %.
Для анализа результатов моделирования были рассмотрены три равноудаленных поперечных сечения поковки: на середине длинны поковки и на обоих концах [6].
Распределение напряжений и деформаций в поперечных сечениях представлено на рис. 1-2.
б
Рис. 1. Распределения деформаций при протяжке заготовки из разных титановых сплавов: а - распределение деформаций по длине при ковке титанового сплава ВТ1; б - распределение деформаций по длине при ковке титанового сплава ВТ6
а
ISSN 1607-6885 Hoei MamepiaMU i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2016
19
ш
4»
б
Рис. 2. Распределения напряжений при протяжке заготовки из разных титановых сплавов: а - распределение напряжений по длине при ковке титанового сплава ВТ1; б - распределение напряжений по длине при ковке титанового сплава ВТ6
Равномерность распределения деформаций в металле определяется как можно меньшей разницей показателей деформации между собой в сечении.
Чтобы количественно оценить неравномерность распределения деформаций в поперечных сечениях, был рассчитан показатель неравномерности деформа-
ции Кн. Показатель неравномерности деформации может принимать значения не больше единицы, так как является отношением показателей эквивалентной деформации в контрольных точках сечения к максимальному значению эквивалентной деформации в сечении. После того как было найдено максимальное значение в сечении, относительно этой точки были построены 4 диагонали, которые расположены под углом 45 ° друг к другу. Далее на каждую диагональ было нанесено 6 контрольных точек симметрично к точке с максимальным значением и симметрично к центру сечения.
Более детальный анализ неравномерности распределения деформаций проведен с помощью построения графиков (рис. 3). На графиках изображены показатели неравномерности деформации в контрольных точках на диагоналях сечения.
Как видим, при ковке различных титановых сплавов возникает различная схема распределения деформаций в сечениях поковки (рис. 4). В первую очередь это зависит от структуры металла, так как титановый сплав ВТ1 имеет только а - фазный состав, а титановый сплав ВТ6
имеет а + в -фазный состав.
Однако величины коэффициента неравномерности деформаций, представленных на рис. 4, говорят о том, что эта разница в характере распределения не так существенна, так как минимальные величины коэффициента отличаются всего на несколько сотых.
Также, говоря о характере распределения деформаций, можно судить о том, какие слои поковки получают более интенсивную деформацию и, соответственно, где происходит более сильная проработка структуры. Исходя из данных математического моделирования и расчетов коэффициента неравномерности деформаций, можно сказать о том, что у сплава ВТ 1 происходит наиболее интенсивная деформация внешних слоев металла, в то время как у титанового сплава ВТ6 происходит наиболее интенсивная деформация внутренних слоев.
Помимо этого, также была проанализирована неравномерность распределения деформаций в продоль-
Рис. 4. Распределение коэффициента неравномерности деформации в поперечном сечении заготовки при ковке разных
титановых сплавов
а
ном сечении. Для этого было взято 17 точек, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Значение показателя неравномерности в точках приведены на рисунке 5.
Ковка при меньшей суммарной степени деформации создает меньшую неравномерность распределения деформаций по длине заготовки, как видно из рисунка 5.
Выводы проведенного исследования
На данном этапе развития кузнечно-штамповоч-ного производства ковка титановых сплавов является одним из основных приоритетных направлений. Одним из ведущих предприятий, которые специализиру-
ются на ковке титановых сплавов, является ООО «Днеп-ропресс Сталь». Авторами работы предложены оптимальные схемы технологических переходов ковки поковок валов из титановых сплавов с точки зрения минимальной неравномерности деформации. Ковку титановых заготовок необходимо осуществлять при меньших обжатиях для получения меньшей неравномерности распределения деформаций в металле, и как следствие - меньшей неравномерности распределения механических свойств в объеме металла. Результаты этих исследований применяются на производстве для разработки программ с целью автоматизации ковочных комплексов.
ВТ1
- Продольное сечение
7 Э 11 13
145точки в продольном сечении
15
17
ВТ6
•Продольное сечение
№точки в продольном сечении
б
Рис. 5. Распределение неравномерности деформации в продольном сечении заготовки при ковке титанового сплава ВТ1 (а) и
при ковке титанового сплава ВТ6 (б)
Список литературы
1. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов / [Л. А Никольский, С. З. Фиглин, В. В. Бойцов и др.] -М. : Машиностроение, 1975. - 285 с.
2. Технолопя кування / [Л. М. Соколов, I. С. Алieв, О. е. Марков, Л. I. Атева]. - Краматорськ : ДДМА, 2011. - 268 с.
а
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2016
21
3. Юдович С. З. Ковка на молотах заготовок из легированных сталей / Юдович С. З. - М. : Машиностроение, 1968. -215 с.
4. Тюрин В. А. Теория и процессы ковки слитков на пре-сах / Тюрин В. А. - М. : Машиностроение, 1979. - 240 с.
5. Должанський А. М. Системи управлшня яюстю / А. М. Должанський, Н. М. Очеретна, I. М. Ломов. -Дншропетровськ : «Свщлер», 2008. - 390с.
Чухлеб В. Л., Клемешов С.С., Ярошенко О.А., Халезова Т. А. Дослвдження кування титанових см. 1ав1в на rwpaR4i4Hrn мресах в умовах ТОВ «Дшмромрес Сталь»
Розглянуто технологгчнi можливостг ТОВ «Днтропрес Сталь» щодо кування р1зноман1тних титанових сплавгв та проведено до^дження напружено-деформованого стану титанових сплaвiв за запропонованою схемою деформацш через математичне моделювання.
Ключовi слова: дeфоpмaцiя, кування, напруження, сплав, до^дження.
Chuhleb V., Klemeshov E., Yaroshenko O., Halezova T. Study of forging titanium alloys on a hydraulic press in a LTD «Днемромресc Сталь»
Technological possibilities of LTD «Днепропресс Сталь» onforging of different titanium alloys are studied and tense-deformed state of titanium alloys is investigated on the proposed scheme of deformation using mathematical modelling are considered.
Key words: deformation, forging, stress, alloy, study.
6. Дослщження напружено-деформованого стану при про-тяжщ титанового сплаву з метою оптимiзацй параметрiв кування / [В. Л. Чухиб, С. С. Клемешов, В. О. Гринке-вич, Х. Дия // Вюник НТУ «ХП1». - 2015. - №24 (1133). -C. 159-166.
Одержано 09.12.2016
