CC BY
80
Некоторые вопросы моделирования
процессов обработки металлов давлением
Г.Н. Кулик,
главный металлург ОАО «Дефорт»
kulik.georgnik@rambler.ru
В.А. Назарьян,
к. т. н.
И.Н. Панкратов,
к. т. н., доцент кафедры высокоэнергетических устройств автоматических систем Балтийского государственного технического университета (Военмех) им. Д. Ф. Устинова
р'ш. уоептесЬ@уапсИех. ги
Практика реализации технических проектов всегда предполагает, что имеется возможность их воспроизведения (моделирования) в том или ином масштабе. В кузнечном производстве это делается крайне редко. Некоторые же процессы требуют более пристального внимания, например протяжка заготовок для труб сверхвысокого давления. Поэтому, инженеру-технологу неплохо знать технологии моделирования процессов обработки металлов давлением и материалы, применяемые при этом, для использования этих знаний при технологической подготовке ковки.
Ключевые слова: кузнечное производство, протяжка, труба, моделирование, технологическая подготовка ковки.
Практика показывает, что современный инженер-технолог должен обладать навыками моделирования процессов ковки, причем особый интерес вызывают технологии моделирования, используемые для того или иного процесса обработки.
Изучение поведения металла при реальном процессе ковки не всегда целесообразно экономически: в реальных производственных условиях получить данные, достаточные для обобщения, достаточно тяжело. При этом экспериментальная отработка процессов на поковках в натуральную величину является процессом трудоемким и дорогостоящим, что приводит к непроизводительному использованию уникального оборудования.
Другой путь — использование различных аналогий ковки, и такие исследования обычно объединяются общим понятием — моделирование, детерминированное и стохастическое. Детерминированное моделирование отражает процессы, в которых однозначно определены причины и их следствия, а стохастическое отражает вероятностные события (например, процессы свободной ковки, которые моделируются только с какой-то степенью вероятности).
Основой моделирования является теория подобия: необходимо обеспечить геометрическое подобие и соблюсти подобие процесса деформации. Основные уравнения подобия обычно имеют вид: Рн = Рм Fн и Ан = Ам Vн / Vм где Р — сила; F — площадь; А — работа; V — объем; индексы «м» относятся к модели, «н» — к натурному образцу.
При моделировании интересующих нас процессов возможно применение физических и математических методов.
Физическое моделирование производится путем воспроизведения процесса на специальных установках, которые сохраняют его принципы, а параметры, получаемые при этом, являются подобными соответствующим параметрам натурного объекта. Расчетная модель получается путем статистической обработки результатов измерения входных и выходных параметров.
Математические модели разрабатывается для процессов, физическая сущность которых известна и записывается в виде системы интегральных, дифференциальных или алгебраических уравнений. Под математической моделью процесса обработки давлением
ИННОВАЦИИ № 02 (136), 2010
ИННОВАЦИИ № 02 (136), 2010
чаще всего понимается приближенное видение этого процесса, позволяющее определить оптимальные условия деформирования и рассчитать вероятность разрушения металла — на основании нахождения распределения скоростей, деформаций, температур, напряжений в области пластического течения.
Добавим, что при любом моделировании возможен пассивный и активный эксперименты, причем последний планируется заранее с целью получения всей необходимой информации об объекте, при минимальных затратах на его проведение и обработку результатов. При этом параметры представляются в комбинациях между собой, и некоторые из них являются критериями подобия — безразмерные величины, составленные из характерных постоянных параметров процесса, равенство которых для натуры и модели являются необходимым условием их подобия. Например, D0/D = f ^0/Нв), где D0 — диаметр исходной заготовки; D — заданный диаметр поковки; Нв — глубина выреза бойка.
В такой постановке можно решать, например, следующие задачи:
• имеются в наличии комбинированные бойки с углами выреза 90°, 108° и 120°, причем глубина выреза у всех бойков одинакова (Нв = 200 мм). Требуется определить, можно ли на указанных бойках протянуть заготовку D0 =600 мм на поковку D = 500 мм, и нужно ли при этом осуществлять протяжку на промежуточные размеры;
• требуется определить, какую минимальную глубину выреза должен иметь вырезной боек с а =120°, входящий в комплект комбинированных бойков, для того, чтобы без протяжки на промежуточный диаметр из заготовки D0 = 500 мм получить поковку D = 390 мм;
• в комбинированных бойках с а =120° и глубиной выреза Нв = 445 мм нужно протянуть осаженный блок с D0 = 2000 мм на поковку D = 800 мм. Необходимо определить ряд промежуточных диаметров, через которые должна проходить протяжка. Наиболее просто моделировать реальный процесс
в тех случаях, когда металл модели имеет одинаковые с металлом натуры пластичность и механические свойства. В этом случае проще всего обеспечивается физико-механическое подобие деформируемых тел. Однако применение для модели того же материала, что и для натуры не всегда возможно и к тому же не всегда действительно необходимо.
Существует определенная практика использования для моделирования материалов, отличающихся по своим свойствам от реально используемых.
Технологии моделирования при использовании свинцовых заготовок
Использование свинца в качестве материала для моделирования объясняется тем, что процессы упрочнения и разупрочнения во время деформирования свинца при комнатной температуре соответствуют
деформации стали при ковочных температурах. Кроме этого, деформирование при комнатной температуре резко упрощает манипулирование с заготовкой, а проведенные ранее исследования показывают, что для крупных поковок распределение деформаций качественно совпадает с результатами моделирования на свинцовых заготовках.
Модель свинцовой исследовательской заготовки выбирается, как правило, в масштабе 1/10 или 1/20 относительно натурной заготовки.
Пример такого моделирования — определение максимальной степени деформации при протяжке в зависимости от геометрических параметров комбинированных бойков, которое производилось на свинцовых заготовках диаметром от 38 до 62 мм (В.А. На-зарьян, 1974). Они обжимались до появления следа (зарубки) на образце от ребра выреза бойка, для чего эти ребра были сделаны острыми. Чтобы не дать образцу слишком большую степень деформации, обжатие регулировалось с помощью упоров, высота которых постепенно уменьшалась. При эксперименте также записывался контур поперечного сечения заготовки с помощью контурографа (рис. 1) после деформации в начале и середине второй подачи.
Рис. 1
Затем проводилась проверка возможности установки обжатой заготовки в комбинированных бойках, и определялось максимальное отношение первоначального и текущего диаметра при первом обжатии, которое позволяет производить дальнейшее обжатие после кантовки без опасности выворота заготовки и получения зажимов в месте перехода от большего поперечного сечения к меньшему
Другой пример — метод получения заготовок с «объемной координатной сеткой», который был разработан для определения деформированного состояния в очаге деформации при протяжке (И.Н. Панкратов, 1971). Метод предполагает расположение в объеме свинцовой заготовки, параллельно оси, стержней (медных проволочек) в определенном порядке. Медные проволочки в объеме свинцовой заготовки представляют собой цилиндрическую коор-
динатную сетку с шагом по радиусу 5 мм и углу 15°, а в поперечном сечении — радиальную сетку, расположенную в одной из четвертей (рис. 2). Проволочки позволяют выделить в заготовке элементарный объем, деформацию которого можно будет считать однородной.
Следует отметить, что свинец служит основным материалом при проведении лабораторных работ по обработке металлов давлением в учебном процессе ряда высших учебных заведений.
Впрочем, исследователи высказывает вполне справедливое мнение, что применение свинца, дающее преимущество с точки зрения небольших усилий, требуемых для его деформации, связано и с такими недостатками, как искажение получаемого профиля и необходимость применения очень чувствительных приборов для измерения усилий.
Рис. 2
Технология моделирования при использовании алюминия в качестве деформируемой заготовки
По мнению ряда исследователей, таких недостатков лишено применение в качестве моделирующего материала алюминия, который возможно деформировать как в холодном, так и горячем состоянии. При холодной деформации алюминий сравнительно мало наклепывается, а его механические свойства лучше удовлетворяют условиям моделирования. Так, в качестве модельного материала алюминий применен для выявления поля линий течения и картины распределения дислокаций в различных сечениях образцов при исследовании процесса поперечной прокатке (см. А.К. Григорьев, Б.В. Садовников, Ю.К. Лунева «Прокатка металлов», 1979).
После прокатки в холодном состоянии образцы разрезают в поперечном и продольном состоянии, электрополируют и травят. Электрополировку проводят в реактиве: 24 мл НСЮ4 (удельный вес 1.5) и 76 мл метилового спирта, травление — 50 г НС1, 47 г HNO3 и 3 г НЕ Полученный шлиф показан на рис. 3.
Для проверки действия травителей на поверхности шлифов наносят ямки на приборе микротвердости. При этом выявляются дислокации и линии скольжения, образовавшиеся в процессе пластической де-
формации от действия индентора. Поскольку на границах зерен дислокаций достаточно много, то данная методика позволяет изучать форму и направление вытянутости зерен, линии скольжения и, кроме этого, распределение дислокаций внутри зерна. Отметим, что воспользоваться данной методикой не всегда бывает, возможно, поскольку при ней применяются достаточно специфические травители.
Рис. 3
Технология применения пластилина
В литературе описано достаточно широкое применение в качестве моделирующих материалов пластилина, воска, парафина, сургуча, как в чистом виде, так и с наполнителями. Существуют исследования (например, выполненные в Ждановском металлургическом институте в 1984 году), связанные с соблюдением критериев подобия, поскольку все вышеперечисленные моделирующие материалы не отражают изменения механических свойств, которые испытывает горячая стальная заготовка при контакте с более холодным инструментом.
Пластилиновые образцы, для измерения деформаций и наблюдения за распределением перемещений, изготавливали слоистыми. После деформации и разрезки заготовки на темплеты, на них отчетливо видно течение вертикальных и горизонтальных слоев. Пластилиновый образец деформировали при температуре 18... 20 °С на предварительно охлажденном инструменте до 0. -10 °С. В качестве смазки использовались порошки графита или талька. В связи с тем, что теплопроводность пластилина ниже, чем у стали, при моделировании требуется меньшая скорость деформации, что удобно при моделировании на различных испытательных машинах, имеющих, как правило, небольшие скорости. Введением различного количества наполнителя возможно в широких пределах изменять механические свойства пластилина. Составляя слоистый образец из слоев с различным содержанием наполнителя можно получить изменение механических свойств по сечению образца, эквивалентный образцу, деформируемому при горячей деформации. В качестве наполнителя использовалась порошкообразная окись алюминия.
Добавим, что японская корпорация «Ничидаи» использует пластилин в качестве моделирующего материала при разработке процессов штамповки.
ИННОВАЦИИ № 02 (136), 2010
ИННОВАЦИИ № 02 (136), 2010
Впрочем, как справедливо замечают исследователи, универсальные программные комплексы общего назначения на основе метода конечных элементов действительно позволяют решать широкий круг задач, но их отличает высокая трудоемкость, поэтому практически ни один действующий инженер-технолог не в силах выделить в своем рабочем графике необходимое для моделирования время.
Одним из видов математического вполне можно считать геометрическое моделирование, для реализации которого могут использоваться самые различные инструменты. Отметим, что наша практика позволяет говорить о том, что наиболее удобно и качественно геометрическое моделирование реализуется с помощью САПР «КОМПАС 3D».
Мы постарались обобщить сведения о технологиях моделирования процесса протяжки заготовки в комбинированных бойках и проанализировать материалы, используемые при моделировании процессов обработки металлов давлением, указав их достоинства и недостатки. Читателей, заинтересовавшихся нашими исследованиями в этой области, мы отсылаем к нашей большой статье «Моделирование процессов обработки металлов давлением (материалы и технологии)», опубликованной в журнале «Военмех. Вестник Балтийского государственного технического университета», 2008, № 4.
Modeling for processing of metals by pressure (the technology and materials)
G.N. Kulik, Chief Metallurgist company «Defort»
V.A. Nazarian, Ph. D.
I.N. Pankratov, Ph. D., assistant professor of high-energy devices automatic systems of the Baltic State Technical University (Voenmech) them. Ustinov
The practice for realization of technical designs generally contemplates that there is possibility for their reproduction (modeling) in either scale. In the blacksmith’s production it’s made utterly seldom. But some processes require more intent attention, for example, broaching of intermediates for conduits of extremely high pressure. That’s why, it’s useful for a processing engineer to become acquainted with the technology of modeling for processing of metals by pressure and materials, applied in this case, for using these attainments at the technological preparation for forging.
Keywords: The blacksmith’s production, broaching, conduit, modeling, the technological preparation for forging.
Исследование моделей другой физической природы
Математические методы моделирования применяются достаточно широко. Так, математическое моделирование процесса протяжки заготовок в различных типах бойков представлено, например, в работе Рыбина Ю.И., Рудского А.И., Золотова А.М. «Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением» (СПб.: Наука, 2004). На рис. 4 дано графическое отображение результата расчета напряженно-деформированного состояния с применением метода конечных элементов, выполненного по методике, изложенной в этой работе.
Рис. 4
