CC BY
104
УДК 621.73.043
П.И. Золотухин, канд. техн. наук, доц., (4742) 32-81-90,
zolotyhinpi@rambler.ru (Россия, Липецк, ФГБОУ ВПО ЛГТУ),
И.М. Володин, д-р техн. наук, проректор по научн. работе,
(4742) 32-80-13, wim@stu.lipetsk.ru (Россия, Липецк, ФГБОУ ВПО ЛГТУ),
Е.П. Карпайтис, асп. (4742) 32-81-90, kaf-md@stu.lipetsk.ru
(Россия, Липецк, ФГБОУ ВПО ЛГТУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЯЧЕЙ ВАЛЬЦОВКИ ЗАГОТОВОК В ОВАЛЬНЫХ И КРУГЛЫХ КАЛИБРАХ
Приведены результаты моделирования горячей вальцовки заготовок в программе «QForm 3D» и исследования деформированного состояния (ДС) металла методом координатных сеток. Выполнено сравнение данных, полученных разными методами, при анализе вальцовки заготовок за два прохода по схеме круг-овал-круг.
Ключевые слова: сектора-штампы, калибры, формоизменение, компьютерное моделирование, контактная поверхность, сила деформирования.
Вальцовка заключается в получении заготовок в ручьях секторов -штампов, установленных на валках, вращающихся навстречу друг другу. По существу вальцовка является разновидностью продольной периодической прокатки и в основном применяется для предварительного фасонирования заготовок, используемых для последующей горячей объемной штамповки поковок.
При подготовке производства новых поковок важным фактором является точность проектирования технологии вальцовки и ручьев секторов-штампов. На отечественных предприятиях в основном применяют методику проектирования, разработанную В.К. Смирновым с сотрудниками [1]. Методика основана на использовании формул, которые были получены аппроксимацией результатов численного решения на ЭВМ теоретической задачи пластического деформирования металла. Задачу решали с применением вариационного принципа минимума полной мощности.
В последние годы созданы пакеты прикладных программ для компьютерного моделирования процессов пластического течения металла с использованием метода конечных элементов. Одной из таких программ является пакет «QForm 3D», позволяющий моделировать горячую объемную деформацию заготовок вращающимся инструментом [2].
В работе выполнено сравнение результатов расчета формоизменения заготовок и силы деформирования при вальцовке за два прохода по схеме круг-овал-круг (рис. 1) по методике В.К. Смирнова с результатами моделирования в программе «QForm 3D». Сравнивали также расчет характеристик ДС металла по формулам, полученным авторами, с результатами компьютерного моделирования.
Очаг деформации при вальцовке по схеме круг-овал-круг однозначно характеризуется следующими независимыми безразмерными параметрами [1]: Л = D /Hк приведенный диаметр валков; 1/п = Но/Н 1- коэффициент обжатия; ак = В^/Я^- отношение осей рассматриваемого калибра; ао = Но /Во - отношение сторон заготовки в предыдущем по ходу вальцовки калибре; 81 = В^Вк - степень заполнения металлом рассматриваемого калибра; 8о = Но/Но - степень заполнения металлом предыдущего по ходу вальцовки калибра.
Рис. 1 . Схемы вальцовки: а - круг-овал; б - овал-круг
Исследовали вальцовку заготовок по схеме круг-овал-круг на консольных ковочных вальцах модели С1334. Исходные данные для проектирования технологии: размеры вальцованной заготовки (рис. 2, второй переход); марка деформируемой стали - сталь 45; температура нагрева заготовок 12оо °С; расстояние между осями валков D0 = 25о мм; частота вращения валков 65 об/мин; степень заполнения овального калибра 81 = о,8; степень заполнения круглого калибра 81 = 1,о; значение показателя трения ш = о,75.
Рис. 2. Переходы вальцовки заготовок на вальцах модели С1334
По размерам заготовок (рис. 2) с учетом опережения металла и
116
пружинения валков рассчитывали поперечные и продольные размеры калибров. Объемные модели секторов - штампов и заготовок создавали с использованием графического пакета «КОМПАС 3D».
Модели инструмента и заготовок экспортировали в пакет «QForm 3D» и на их основе последовательно выполняли расчет формоизменения и характеристик ДС металла при вальцовке по схемам круг-овал (рис. 3) и овал-круг. Исходные данные для компьютерного моделирования были такими же, как и при расчетах по методике В.К. Смирнова.
На рис. 3 показано положение заготовки и инструмента на конечном этапе деформирования, т.е. когда заготовка вышла из калибров вращающихся секторов - штампов. Общая длина заготовки после первого прохода равна 186,8 мм. Таким образом, компьютерное моделирование предсказывает большую вытяжку, чем расчет по методике В.К. Смирнова (длина 180,5 мм на рис. 2). Относительное отклонение в длине заготовки после первого прохода составило 3,5 %.
Рис. 3. Компьютерное моделирования формоизменения и ДС металла при вальцовке по схеме круг - овал (1-й проход)
После второго прохода длина заготовки по результатам моделирования равна 251,2 мм, а длина по методике В.К. Смирнова - 242,0 мм (рис. 2). Относительное отклонение в длине заготовки после двух проходов составило 3,8 %.
С использованием пакета «QForm 3D» для рассматриваемой технологии (рис. 2) выполнен расчет локальной характеристики ДС металла -интенсивности деформаций £и. Определяли суммарную величину £и за два прохода для двух разных частиц, находящихся на поверхности заготовки в средней части по длине обжимаемого участка (здесь процесс вальцовки является установившимся). Первая частица в первом проходе находилась на линии симметрии контактной поверхности заготовки (левое верхнее окно на рис. 3). Интенсивность деформации этой частицы б^К — 0,72 (показана стрелкой на шкале на рис. 3). Перед вторым проходом заготовка кантуется на 90° вокруг своей оси и поэтому первая частица перейдет на линию симметрии свободной от действия инструмента боковой поверхности заготовки. Для этого прохода б'^^^ — 0,59. Суммарная деформация первой частицы 41}=+ -1,31.
Вторая частица также находилась на линии симметрии и перешла со свободной боковой поверхности в первом проходе (правое верхнее окно
на рис. 3; деформация Б*и2 — 0,42) на контактную поверхность во втором
(2)
проходе (деформация еик — 0,78). Суммарная деформация этой частицы
б(2) = б(2) (2) — 120 Би =£ис + Бик — 1,20.
Интенсивность деформаций Би в рассматриваемом процессе вальцовки определяли также по уравнениям регрессии из работы [3] (табл. 1) в зависимости от безразмерных параметров очага деформации. Уравнения получены путем аппроксимации результатов расчета характеристик ДС металла по исходной экспериментальной информации. Планируемый эксперимент по исследованию ДС методом координатных сеток на поверхности заготовок при стационарной вальцовке в калибрах выполнен в лабораторных условиях. В работе [3] использовали образцы, изготовленные из сплава свинца с сурьмой.
Приведенные в табл. 1 уравнения регрессии статистически значимы и имеют коэффициенты множественной корреляции достаточно близкие к единице ^ = 0,68 - 0,96).
Параметры очага деформации для схемы круг - овал и результаты расчета по уравнениям регрессии для первой и второй частиц металла в
первом проходе: А = 6,92; 1/п = 1,66; ак = 2,47 Б — 0,56; — 0,55. Параметры для схемы овал - круг и результаты расчета по уравнениям для тех же частиц во втором проходе: А = 5,82; 1/п = 1,70; а0 = 1,97 = 0,8;
Б;? — 0,58; б^С — 0,67. Суммарные деформации для первой и второй частиц: Б<и1) = 0,56 + 0,67 = 1,23; Б(и1) = 0,55 + 0,58 = 1,13.
Таким образом, относительное отклонение в расчете интенсивности
деформации £и за два прохода по уравнениям регрессии от компьютерного моделирования для первой частицы составило примерно 6,5 %, для второй - 6,2 %.
Таблица 1
Уравнения регрессии для расчета интенсивности деформаций Би на линиях симметрии свободной боковой ( £ис) и контактной ( еик )
поверхности заготовки [3]
Схема вальцовки Уравнения регрессии
Круг -овал 1 ПЛ* (л 14-0,134 / Л 4-0,802 п / 1Л1,482 £ис = 1,745 • (А - ^ • (ак - ^ • (1/П-^
1 Т7/г / л 1\-0,277 / 14-0,072 /1 / 1\0,722 £ик = 1,276 • (А - ^ • (ак - ^ • (1/П- ^
Овал - круг 1 плс / л 1\-0,252 / 14-0,154 /1 / 1\0,595 /о 4-0,108 £ис = 1,205 • (А - ^ • (а0 - 1) • (1/П- ^ • '
Л ПО/1 / л 14-0,243 ^ 14-0,324 / 1Л0,586 / о 4-0,253 £ик = 0,984 • ( А - ^ • (а0 - ^ • (1/П- ^ • '
Выполнено также сравнение параметров технологии вальцовки заготовок за два прохода по схеме круг-овал-круг на ковочных вальцах модели ARWS-2 (рис. 4), внедренной на кузнечном заводе ОАО «КАМАЗ-Металлургия», с результатами моделирования в программе «QForm 3D». Проектирование выполнено применительно к следующим условиям: номинальное межосевое расстояние валков - 560 мм; частота вращения валков - 52 об/мин; марка стали деформируемой заготовки - 40Х; температура нагрева - 1150 °С; величина паузы перед первым проходом и между проходами - 5 с.
По результатам моделирования общая длина заготовки после первого прохода равна 219,5 мм. Фактическая длина равна 206,5 мм (рис. 4), т.е. различие составляет 5,9 %.
Сравнение длин вальцованной заготовки после двух проходов показало отклонение в 5,1 % (длина при моделировании - 262,3 мм; фактическая длина - 248,8 мм (рис. 4)).
Опыт авторов показал, что различие в результатах моделирования формоизменения металла при вальцовке в овальных и круглых калибрах за два прохода и фактических длин заготовок составляет примерно 3-6 %.
Моделированием в программе «QForm 3D» определяли площадь контактной поверхности для первого прохода вальцовки (рис. 4). Это важный параметр, от которого во многом зависит расчет силы деформирова-
ния. Измерение полученной в «С^огт ЗБ» площади зоны контакта выполняли в программе «КОМПАС ЗБ». По результатам моделирования пло-
щадь контакта равна примерно 4950 мм". Расчет по методике В.К. Смирно-
2
ва дает площадь, равную 5300 мм , т.е. различие составляет 6,6 %.
2 переход
- М г Y 1
- 1
175 60- 8.9 ^ — 137.6
206.5'
Рис. 4. Переходы вальцовки заготовок на вальцах модели ARWS-2
В программе «QForm 3D» рассчитывали силу деформирования (Р) для первого прохода вальцовки по схеме круг-овал (рис. 4). Программа позволяет фиксировать график изменения Р в процессе вальцовки. Максимальная сила деформирования составила примерно 600 кН. Расчет по методике В.К. Смирнова дает Р ~ 780 кН, т.е. различие с моделированием составляет 23 %. В обоих случаях сопротивление деформации для стали марки 40Х определяли в зависимости от температуры, степени и скорости деформации по уравнению регрессии из работы [4].
Достаточно большое различие в значениях силы Р по результатам компьютерного моделирования и по методике В.К. Смирнова можно объяснить следующим образом. Известно [5], что расчет характеристик напряженного состояния металла (а именно по нормальным напряжениям на контактной поверхности определяется значение Р) при объемном течении металла является одной из наиболее сложных задач механики сплошных сред. Поэтому погрешность компьютерного моделирования в этом случае наибольшая (по сравнению с расчетом характеристик деформированного состояния и формоизменения металла).
Отметим, что методика В.К. Смирнова хорошо себя зарекомендовала при внедрении новых технологий вальцовки в производство.
Таким образом, опыт использования программы «QForm 3D» показал хорошее соответствие результатов компьютерного моделирования формоизменения металла при вальцовке за два прохода и результатов, полученных в производственных условиях. Хорошо согласуются также результаты моделирования характеристик ДС с данными, полученными с ис-
пользованием метода координатных сеток.
Различие в результатах определения силы деформирования составляет 20-30 %.
Список литературы
1. Смирнов В.К., Литвинов К.И., Харитонин С.В. Горячая вальцовка заготовок. М.: Машиностроение, 1980. 150 с.
2. Биба Н.В., А.И. Лишний, С.А. Стебунов. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 2001. № 5. С. 16-18.
3. Смирнов В.К., Смирнов М.В., Золотухин П.И. Оценка деформируемости металла на поверхности полосы при горячей прокатке в калибрах // Обработка металлов давлением. Вып. 9. Межвузовский сборник. Свердловск: Изд-во УПИ, 1982. С. 65-73.
4. Полухин П.И., Гунн Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: справочник. М.: Металлургия, 1983. 352 с.
5. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением: учебник для вузов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ (УПИ), 2001. 836 с.
P.I. Zolotukhin, I.M. Volodin, E.P. Karpaytis
THE MODELING HOT ROLL FORGING OF INGOTS IN GANGE
The results of modeling hot roll forging of ingots in "QForm 3D" and of investigating the deformed state of metal by the method of grids are given. A comparison of data obtained by different methods in analysis of hot roll forging of ingots at two steps following the "circle-oval-circle " scheme is performed.
Key words: shaping dies, gauge, metal forming, computer modeling, contact area,
stress.
Получено 28.09.12
