CC BY
46
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.983:539.974
С.П. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
B.И. Трегубов, д-р техн. наук, проф., 4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
C.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ ИЗ СТАЛИ 12ХЗГНМФБА ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ
Приведены результаты экспериментальных исследований изменения механических свойств горячекатаных труб из стали 12ХЗГНМФБА в зависимости от степени деформации и температуры отпуска после закалки заготовки при ротационной вытяжке.
Ключевые слова: механические характеристики, ротационная вытяжка, труба, степени деформации, температура отпуска, планирование эксперимента.
Многие ответственные детали машиностроения работают в тяжелых условиях эксплуатации (агрессивные среды, высокие статические и динамические нагрузки), поэтому к механическим свойствам этих изделий предъявляются специальные требования. Теоретические исследования процессов ротационной вытяжки не позволяют установить основные закономерности формирования механических свойств получаемых деталей от технологических параметров рассматриваемого процесса [1, 2]. В связи с этим большое значение приобретают экспериментальные исследования процессов формирования механических свойств получаемой детали, которые позволяют получать надежную информацию по этому вопросу применительно к конкретной группе деталей из обрабатываемых материалов.
Однако результаты экспериментальных исследований не позволяют получить в явном виде зависимости изменения исследуемых характеристик механических свойств материала детали при ротационной вытяжке от входных факторов, что является важным для разработки технологического
процесса, обеспечивающего заданные эксплуатационные характеристики материала детали. Поэтому представляется возможным использование программного комплекса планирования эксперимента (ПКПЭ) [3, 4] для построения математических моделей изменения условного предела текучести ад 2, временного сопротивления ав, относительного максимального
удлинения 85 образцов в направлении образующей трубных деталей при ротационной вытяжке на основе методов математической статистики и теории планирования эксперимента.
С помощью теории планирования эксперимента возможно получение полиномиальных зависимостей характеристик механических свойств трубных деталей от режимов предварительной термообработки заготовки и режимов ротационной вытяжки на основе обработки результатов натурного эксперимента, проведенного в отдельных точках факторного пространства, с помощью разработанного ПКПЭ.
В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли осесимметричные изделия, изготавливаемые ротационной вытяжкой из трубных заготовок из сталей типа 10ГНА, 12ГНДЮ и других [1, 2]. Однако перечисленные выше марки сталей не обеспечивают возможность изготовления изделий с временным сопротивлением а в свыше 1200 МПа.
В настоящее время для получения изделий с предело м прочно сги свыше 1200 МПа нашла применение многокомпонентная легированная сталь 12ХЗГНМФБА.
Ниже приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию предварительных режимов термообработки и степени деформации при ротационной вытяжке осесимметричных полуфабрикатов на изменение условного предела текучести ад 2, временного сопротивления ав
и относительного максимального удлинения 8 стали 12ХЗГНМФБА.
Анализ результатов предварительно проведенных опытов показал, что влияние выбранных входных факторов на формирование показателей качества цилиндрических деталей носит нелинейный характер, поэтому для достаточно адекватного описания этого процесса, выходные параметры которых являются сложными функциями большого числа факторов, в качестве приближенной математической модели можно воспользоваться полиномами высших степеней.
Для построения математических моделей, описывающих изменения характеристик механических свойств материала детали от режимов предварительной термической обработке заготовки и технологических параметров ротационной вытяжки, были отобраны следующие 2 фактора: температура отпуска трубных заготовок Тотп после закали и степень деформации е = (1 - ?/¿о) • 100 %. Здесь и ? - толщина стенки исходной заготовки и детали соответственно.
В качестве выходных факторов (функций отклика) выбраны следующие: условный предел текучести ад 2, временное сопротивление ав и
относительное максимальное удлинение 85 образца в направлении образующей трубных деталей.
Так как предварительные эксперименты и их анализ показали значительную нелинейность в характере зависимости выходных параметров процесса ротационной вытяжки от рассматриваемых входных факторов, был выбран композиционный план с варьированием исследуемых факторов: X - на 6 уровнях; X2 - на 4 уровнях, содержащий 24 опыта в матрице планирования факторного эксперимента (табл. 1).
В соответствии с композиционным планом (табл. 1) в табл. 2 приведены уровни и интервалы варьирования температуры отпуска трубных заготовок Тотп после закалки и степени деформации г, влияющие на исследуемые механические свойства стали 12ХЗГНМФБА, в натуральных значениях. Для каждой строки матрицы планирования (табл. 1) проводилось по шесть опытов для определения дисперсии воспроизводимости и оценки однородности опытов.
Таблица 1
______________Матрица планирования эксперимента__________________
№ опыта Кодированные значения факторов № опыта Кодированные значения факторов
Х1 х2 Х1 х2
1 +1,5 -1 13 0 -1
2 +1,5 0 14 0 +0,5
3 +1,5 0,5 15 0 +1
4 +1,5 +1 16 -0,5 -1
5 +1 -1 17 -0,5 0
6 +1 0 18 -0,5 +0,5
7 +1 0,5 19 -0,5 +1
8 +1 1 20 -1 -1
9 +0,5 -1 21 -1 0
10 +0,5 0 22 -1 +0,5
11 +0,5 0,5 23 -1 +1
12 +0,5 +1 24 0 0
При определении границ области эксперимента использованы значения факторов, установленные в предварительно проведённых экспериментальных исследованиях.
Связь натуральных и кодированных значений факторов осуществляется по следующим формулам:
Xi0 = (Xi max + Xi min ) / 2; AXi = (Xi max — Xi min ) / 2;
X = (Xi + Xio)/AXf, Xi = Xi • AXi + Xio, где Xi, Xio, AXi - значение фактора в натуральном масштабе, на основном уровне и интервал варьирования; Xi - значение фактора в кодированном масштабе.
Согласно данному плану эксперимента была проведена серия опытов, и после проверки значимости коэффициентов уравнений регрессии по t -критерию Стьюдента из этих зависимостей были исключены незначимые коэффициенты и произведен перерасчет моделей с последующей проверкой их адекватности по F -критерию Фишера при уровне значимости, равным 0,05 [5, 6].
Исследовались образцы от заготовок, полученных холодной пластической деформацией (ротационной вытяжкой) горячекатаных труб из стали марки 12ХЗГНМФБА.
Таблица 2
Уровни и интервалы варьирования технологических параметров ________________процесса ротационной вытяжки_______________________
Обозначение факторов Xi X 2
Температура отпуска T 0 C 1 отп э ^ Степень деформации s, %
Уровень +1,50 700 -
Уровень +1 650 80
Уровень +0,5 600 60
Уровень +0 550 40
Уровень -0,5 500 -
Уровень -1 450 0
Заготовки, вырезанные из горячекатаных труб, с геометрическими размерами 0130 х 0116х 450 мм после закалки при температуре Т =910 °С (выдержка 1 час) для получения различной исходной прочности материала подвергались отпуску при различных температурах: 450, 500, 550, 600, 650, 700 °С (выдержка 3 часа).
Ротационная вытяжка с разделением очага деформации между роликами осуществлялась на станке для ротационной вытяжки модели СХП-2. Станок оснащен 3-роликовой кареткой с гидравлическим приводом осевого перемещения.
В качестве давильных элементов использовались три ролика, расположенные по периметру окружности под углами 120° диаметрами Б =220
мм, радиусами закругления ролика г =3 мм, высотой калибрующего пояска Ь =3 мм, с рабочим углом первого ролика ар1 = 15°; второго и третьего -
а р 2 = а рз = 30°; с задними углами а з = 30° (см. рис. 1). Рабочий инструмент (ролики и оправка) изготавливался с твердостью 56...62 ИЯСэ.
Рис. 1. Типовая конструкция конических роликов с открытой калибровкой для ротационной вытяжки цилиндрических деталей
Разбивка деформации между роликами производилась согласно рекомендациям, изложенным в работе [7]. За первый проход реализовалась степень деформации е = 40 %, за второй - е = 60 % и за третий - е = 80 %.
Для обеспечения качественной поверхности и точности геометрических размеров полуфабриката режимы обработки назначались в следующих пределах: чистота вращения п = 125 мин-1, шаг подачи
/=1,0 мм/оборот.
После проведения ротационной вытяжки с различными степенями деформации заготовки подвергались низкотемпературному отжигу при Тотж = 400 °С для снятия внутренних напряжений.
Для определения механических характеристик материала трубных заготовок и полуфабрикатов при разных степенях деформации изготовлялись продольные пятикратные образцы размером 145х10 мм (головки 14 мм) в соответствии с ГОСТ 100(6-80. Количество образцов каждого типа равнялось шести.
Величины условных пределов текучести ^0 2, временного сопротивления авв, относительного максимального удлинения 85 образца в на-
правлении образующей трубных изделий вычислялись в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Растяжение образцов осуществлялось на универсальных испытательных машинах «RIEHLE» и «OLSEN» до разрушения с записью индикаторных диаграмм.
Проведенные экспериментальные исследования и соответствующая обработка опытных данных позволили получить математические модели для определения исследуемых механических свойств материала детали в зависимости от температуры отпуска трубных заготовок 7отп после закалки и степени деформации s при ротационной вытяжке заготовок из стали 12ХЗГНМФБА.
Приведем регрессионные зависимости для исследуемых параметров:
временное сопротивление (МПа)
5 в = 1423,3 — 569,43л! +130,23^2 — 82,23x^2 —193,59х2 — 51,52 х2 +
+17,72 х2 Х2 — 42,93хХ + 227,53х^ + 69,89х2 + 71,28 х2 х2 —
— 99,38Х1Х3 + 30,66xj3 Х2 — 24,08х4 , (1)
условный предел текучести (МПа)
5 о 2 = 969,92 — 605,86Xj + 127,21x2 — 245,65xjX2 + 384,29x2 —
—18,24 Х2 + 104,71x1x2 + 26,801X1X2 + 165,91x1 — 44,37 x^ +
+ 150,04x3 х2 — 170,32x4, (2)
относительное максимальное удлинение (%)
85 = 12,07 + 8,31x1 — 2,80Х2 +1,22 х2 — 1,51х2 Х2 — 2,76 Х1Х2 —
— 3,37 Х1 + 3,48x2 —1,08Х1Х2 + 4,34 Х1Х2 +1,54 Х1 . (3)
На рис. 2 - 4 приведены графические зависимости изменения временного сопротивления 5в, условного предела текучести 50 2 и относительного максимального удлинения 85 в виде поверхностей отклика и линий равного уровня от температуры отпуска трубных заготовок 7отп после закали и степени деформации s, построенные на основе выражений
(1) - (3).
Анализ графических зависимостей и экспериментальных исследований, представленных на рис. 2 - 4, показал, что холодная пластическая деформация стали 12ХЗГНМФБА после отпуска при температуре 600 °С и выше (при исходной величине предела прочности до 1000 МПа) в интервале степеней деформации 40.. .80 % ведется с незначительным упрочнением материала без практического уменьшения относительного удлинения 85.
Прирост временного сопротивления а в при 80-процентной степени деформации є составил 120.. .180 МПа, т.е. максимально на каждый процент деформации приходится 0,225 ед., что в 3 раза ниже прироста для сталей подобного класса.
Рис. 2. Графические зависимости изменения ав в виде поверхностей отклика (а) и линий равного уровня от Тотп и е (б)
Рис. 3. Графические зависимости изменения ^0 2 в виде
поверхностей отклика (а) и линий равного уровня от Тотп и е (б)
После отпуска материала при температуре Т = 550 °С и ниже (при исходной величине временного сопротивления более 1000 МПа) прирост временного сопротивления а в в зависимости от степени деформации е становится нормальным, т.е. в пределах 4,5...7,5 МПа на каждый процент деформации.
Приведенные результаты экспериментальных исследований зависимости механических свойств многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА от режимов предварительной термообработки и степени
деформации могут быть использованы при проектировании новых технологических процессов ротационной вытяжки осесимметричных изделий ответственного назначения с повышенными прочностными свойствами.
а
б
Рис. 4. Графические зависимости изменения 85 в виде поверхностей отклика (а) и линий равного уровня от Тотп и г (б)
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» и грантам РФФИ № 10-08-97526 и № 10-01-00085-а.
Список литературы
1. Баркая В.Ф., Рокотян С.Е., Рузанов Ф.И. Формоизменение листового металла. М.: Металлургия, 1976. 264 с.
2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение. 1983 192 с.
3 . Пустовгар А.С. Синтез точных Б-оптимальных планов эксперимента для некоторых полиномиальных моделей третьего и пятого порядка // Механика и прикладная математика. Тула: ТулПИ, 1988. С. 140-144.
4. Проскуряков Н.Е., Пустовгар А.С. Автоматизированная система экспериментатора / ТулГУ. 1997. Деп. в ВИНИТИ 13.04.98, № 1084-В98. 10 с.
5. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логические основания планирования эксперимента. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1980. 152 с.
6. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.
7. Белов E.A., Юдин Л.Г. Ротационная вытяжка на специализированном оборудовании // Ковка и штамповка: справочник. Т. 4. Листовая штамповка; под ред. А. Д. Матвеева. М.: Машиностроение, 1987. С. 234 - 257.
S. Yakovlev, V. Tregubov, S. Yakovlev
The changing of mechanical properties of hot-rolled pipes from steel 12hzgnmfba in the rotary drawing process
The results of theoretical investigations of the changing of mechanical properties of hot-rolled pipes from steel 12HZGNMFBA according to deformation level and steady temperature after piece tempering in the rotary drawing process are presented.
Keywords: mechanical properties, rotary drawing, pipe, deformation level, steady temperature, planning of experiments.
Получено 04.07.10
УДК 621.983.044.7.001.24
В.И. Желтков, д-р физ-мат. наук, проф., (4872)33-24-88, glob4361@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872)35-18-32, Vladimir.D.Kuchar@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Е. Киреева, канд. техн. наук, доц., (4872)35-18-32, kirealena@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ПРЯМОМ СТЕРЖНЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ
Представлены исследования стационарной теплопроводности коротком прямом стержне прямоугольного сечения при различных температурных условиях.
Ключевые слова: индуктор, математическая модель, заготовка, обжим.
Рассмотрим задачу теплопроводности в коротком прямом стержне прямоугольного сечения без источников тепла внутри него, которая математически эквивалентна задаче о скалярном потенциале
V 2Ф = 0;
V 2 A = ц о^
gmd (ф) + ^
(1)
