CC BY
16
УДК 621.735.3
ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛЫХ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
КОВКОЙ ИЗ СЛИТКОВ
И. С. Алиев, Я.Г. Жбанков, С.В. Мартынов
Проведен анализ процессов ковки полых сложнопрофилированных поковок. Установлено, что такие изделия возможно получать на основе применения раскатки заготовок со ступенчатой недружной поверхностью. Установлены дефекты возникающие при раскатке конических колец. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлены рациональные форма и размеры заготовки. Предложена методика расчета размеров исходной заготовки для раскатки конических колец традиционным кузнечным инструментом.
Ключевые слова: ковка, раскатка, моделирование, метод конечных элементов, конический, кольцо.
В условиях современного производства и рыночных отношений одной из основных задач является изготовление изделий с минимальной себестоимостью и высоким качеством, что обеспечивает конкурентоспособность продукции на внутреннем и мировом рынках.
Номенклатура современных машиностроительных предприятий достаточно разнообразна и включает в себя большое количество сложнопрофилированных изделий типа валов с фланцами, дисков и колец с уступами, цилиндров и т.д. Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик эти изделия изготавливаются из дорогостоящих легированных марок сталей. Одними из эффективных путей снижения себестоимости таких изделий являются снижение их металлоемкости и сокращение количества технологических переходов (как следствие снижение количества подогревов), а также снижения затрат на оснастку.
Одной из деталей данной номенклатуры является конический раструб, имеющий форму усеченного конуса с криволинейной боковой поверхностью. Традиционная технология изготовления таких деталей заключается в ковке полого цилиндра, а профиль детали получается механической обработкой. Коэффициент весовой точности (отношение массы детали к массе слитка) при этом составляет не более 30 %. Даже в случае единичного производства такой вариант изготовления детали не полностью оправдан.
В случае же изготовления большого количества деталей такая металлоемкость и вовсе не приемлема, и это требует определенных технологических решений.
Так, например, в работах [1 - 3] приведены технологии изготовления аналогичных или подобных поковок типа горловин (рис. 1). Данный способ получения изделий в первую очередь направлен на повышение коэффициента весовой точности. Увеличивается точность поковок за счет снижения припусков, себестоимость изделия снижается за счет уменьшения металлоемкости и трудоемкости дальнейшей механообработки.
121
Недостатками данного способа являются большая энергоемкость процесса и низкая стойкость инструмента.
В работе [4] приведена схема ковки разгонкой в специальном инструменте, которая позволяет на маломощном оборудовании получать крупногабаритные полые изделия сложных форм (рис. 2). Такие процессы ковки используются для получения изделий типа днищ и крупногабаритных дисков.
а б
Рис. 1. Изготовление поковок типа днищ и горловин в специальных штампах
Рис. 2. Схема разгонки в специальных штампах
Данный способ позволяет снизить энергосиловые параметры процесса изготовления деталей, однако предъявляет дополнительные требования к оборудованию - пресс должен оснащаться поворотным столом или подвижным инструментом.
В работах [5 - 7] представлены технологические процессы, применяемые на Ижорском заводе им. А.А. Жданова. Одной из поковок, получаемых с использованием штамповки, является крупногабаритное сферическое днище, диаметр которого составляет несколько метров. Штамповка таких днищ осуществлялась в специальных вытяжных штампах (рис. 3). Технология включает ковку цилиндра, его разрезку и развертку, а полученную заготовку подвергают вытяжке в специальном штампе. Таким образом, получают поковку высокой точности с минимальными припусками.
Подобная технология производства днищ применяется японскими предприятиями. В работах [8, 9] описана технология получения днища корпуса ядерного реактора, заключающаяся в предварительной ковке-штамповке профилированной заготовки и ее вытяжке в штампе (рис. 4).
Процесс вытяжки крупногабаритных изделий имеет определенные ограничения, связанные с дефектами формоизменения заготовки - возможно образование гофр, разностенности вплоть до разрушения заготовки.
122
Рис.3. Вытяжка крупногабаритной поковки в специальном штампе
Рис. 4. Схема получения поковки дна корпуса реактора вытяжкой в штампе
В зарубежном производстве есть примеры раскатки сложнопро-фильных конических колец. Способ раскатки профилированной заготовки профилированным кузнечным инструментом внедрен в Германии при изготовлении поковки переходного конического кольца (рис. 5) [10], а в работах [11, 12] описан способ раскатки конического кольца сложной ступенчатой формы специальным инструментом (рис. 6). Данный способ применим при ковке колец с большим внутренним диаметром. В случае ковки раструба с малым диаметром необходимо использовать соответствующий дорн, который может не выдержать нагрузок в процессе раскатки.
Рис. 5. Ковка конической обечайки Рис. 6. Раскатка
сложнопрофилированного кольца специальным инструментом
В работе [13] описана технология изготовления поковки типа конусного кольца, которая заключается в раскатке цилиндрического кольца со ступенчатой наружной поверхностью обычным кузнечным инструментом. Данный способ позволяет существенно повысить экономию металла и снизить долю механической обработки. Однако, несмотря на его очевидные преимущества, которые заключаются в использовании традиционного
123
кузнечного инструмента, высокой производительности и повышенной точности, остается недостаток, связанный с определением геометрических параметров исходной заготовки.
Целью данной работы являются исследование процесса раскатки конических колец и выработка методики расчета геометрических параметров исходной заготовки на основе метода конечных элементов.
Проведено физическое моделирование процесса ковки конусного бандажа на основе способа раскатки ступенчатой полой заготовки плоским бойком на цилиндрическом дорне. Моделирование проводилось на свинцовых образцах. Цилиндрическая полая ступенчатая заготовка одевалась на цилиндрический гладкий дорн диаметром 34 мм и раскатывалась до толщины стенки 11 мм. Величина обжатий составляла 15 % от толщины стенки. На рис. 7 представлена схема заготовки и процесса раскатки. Экспериментальные исследования проводились для оценки возможностей процесса раскатки и подтверждения теоретических данных.
Рис. 7. Схема ковки конического кольца из ступенчатой заготовки
Для анализа деформированного состояния заготовки в процессе раскатки использован метод конечных элементов. Размеры заготовки для моделирования были следующие: = 1500 мм, = 1250 мм, Бпр = 500 мм,
Н1 = 300 мм, Н1 = 690 мм. В качестве материала заготовки принималась сталь 35, заготовка нагревалась до температуры 1100 0С, деформирование производилось с постоянной скоростью, равной 10 мм/с.
На рис. 8 показаны поля распределения деформаций по сечению заготовки в процессе раскатки. Анализ полей распределения деформаций по сечению заготовки позволяет сделать следующие выводы. В начале обжатия ступенчатой заготовки верхним бойком деформируется ее часть с большим диаметром. Наибольшие деформации сосредотачиваются у бурта заготовки. Установлено, что у бурта заготовки образуется зажим. Это говорит о том, что необходимо усовершенствовать форму заготовки под раскатку. Часть заготовки с меньшим наружным диаметром деформируется менее интенсивно. Каждый нажим выполнялся величиной 100 мм. Видно, что уже после первого прохода по контуру заготовки верхним бойком образуется конусность. Это объясняется тем, что при обжатии основные деформации сосредотачиваются в области заготовки возле бурта. Такое деформирование и обусловливает интенсивную раздачу кольца с одной стороны.
В случае раскатки заготовки со ступенчатым наружным контуром без радиуса закругления может образоваться поверхностный зажим, что и подтвердило проведенное исследование. Установлено, что для рассматриваемого случая, начиная с 10-го нажима, при раскатке ступеньки начинает образовываться зажим на поверхности кольца.
Образование зажима при раскатке ступенчатой части кольца является нежелательным дефектом, так как это приведет к увеличению припусков, что повлечет за собой увеличения объема необходимого металла и соответственно стоимости изделия. Избежать появления такого дефекта можно, выполнив на наружной поверхности заготовки конический переход от бурта к меньшему диаметру или сформировав радиусное закругление в месте перехода.
в
Рис. 8. Поля распределения деформаций по сечению заготовки в процессе раскатки полой ступенчатой заготовки: а - 1-й нажим/ход 100 мм, 9-й нажим 100 мм; б - 9-й нажим/ход 100 мм; в - 26-й нажим
При исследовании влияния на зажим формы и размеров переходной поверхности было проведено математическое моделирование раскатки заготовок с различными переходами от бурта к меньшему диаметру. Размеры заготовки были выбраны такие же, как и при исследовании деформированного состояния заготовки. Результаты моделирования приведены на рис. 9, из которого видно, что при деформировании бурта заготовки без плавного перехода плоским бойком происходит формирование зажима на первых этапах обжатия. Формирование зажима начинается уже при ходе 10 мм с учетом того, что весь ход составлял 100 мм. В случае, когда угол перехода от бурта составил 25 зажим в процессе обжатия не сформировался. В случае применения заготовки с радиусным переходом образование зажима прекращается при деформировании заготовки с радиусом, равным 0,8.. .1 высоты бурта.
а
б
в
Рис. 9. Поля распределения интенсивности логарифмической деформации по ходу обжатия ступенчатой заготовки плоским бойком в зоне перехода ступеньки: а - угол наклона ступени 00; б -100; в - 250
На основе полученных рекомендаций подобрана соответствующая заготовка и проведен расчет раскатки конического кольца. Размеры заготовки: Б = 1120 мм, Ц = 1020 мм, Б0 = 520 мм, н = 550 мм, Н1 = 300 мм. В качестве материала заготовки принималась сталь 35, заготовка нагревалась до температуры 1200 0С, деформирование проводилось с постоянной скоростью, равной 10 мм/с. Наружная поверхность заготовки выполнена с фаской у бурта, угол которой равен 25 %.
На рис. 10 показаны поля распределения деформаций по сечению заготовки после раскатки, из которого видно, что поверхность заготовки не имеет дефектов.
Конические кольца различных размеров получены также и экспериментально, фотографии приведены на рис. 11.
Рис. 10. Поля распределения интенсивности деформаций после полной раскатки ступеньки
126
Сплав С1 Сплав ВТ6
Рис. 11. Фото полученных конических колец
Применяя профилированную заготовку ковкой, можно получать и более сложную конфигурацию изделий, такую, как цилиндр с раструбом. В этом случае необходимо применять также цилиндрическую полую заготовку со ступенчатым наружным контуром и раскатку нужно вести узким бойком. Бурт на заготовке в этом случае должен иметь малую длину, чтобы при раскатке оставалась жесткая недеформированная цилиндрическая часть заготовки.
На рис. 12 показаны результаты моделирования процесса раскатки ступенчатой цилиндрической заготовки на гладком дорне. Видно, что в процессе раскатки заготовка наклоняется под действием деформирующего инструмента и очевидно, что размер конусности получаемого раструба будет ограничен соотношением диаметра дорна и внутренним диаметром кольца. Так, в случае, когда диаметр дорна будет не на много отличаться от внутреннего диаметра кольца в процессе раскатки, заготовка, повернувшись вдоль дорна, упрется в него, что будет препятствовать увеличению конусности.
Моделирование показало, что очаг деформации по длине заготовки ограничен длиной исходного бурта, не на много превышая ее, что, однако, должно быть учтено при назначении припусков и напусков на деталь.
Определять размер бурта при раскатке для получения строго определенных размеров конечного изделия возможно, используя следующую методику, которая была разработана на основании работы [14].
1. Определим площадь поковки со стороны меньшего ее основания
/к - <ч).
2. Определим площадь поковки со стороны большего ее основания
р=1 Б - Б).
3. Задавшись внутренним диаметром заготовки для раскатки (исходя из особенностей технологического процесса, производственных условий и т.д.) Э0 и приняв, что площадь заготовки со стороны меньшего основания равна площади торца кольца с этой же стороны, определяем наружный диаметр заготовки Эь
/=1 (Б - Б);
д =4 ^ - 42 + Д2.
4. Аналогично определяем наружный диаметр со стороны большего основания заготовки:
б = 7 Д2 -Д + Д2.
5. Для определения длины исходной заготовки необходимо знать коэффициент ее уширения в процессе раскатки к, для чего можно воспользоваться данными работы [7], полученными экспериментально для определенных размеров кольца:
н = нк/к.
б
Рис. 12. Сложнопрофилированные цилиндрические поковки, полученные раскаткой на оправке из ступенчатой заготовки
6. Зная объем поковки V, которую необходимо получить, и пользуясь условием постоянства объема, определяем длину бурта заготовки
4 • V
н
р
н (12 - д2)
б 2 -д
Выводы. Проведены физическое и математическое моделирование процесса раскатки конических колец. Установлено, что в процессе раскатки может образовываться дефект формы поковки в виде зажима. Подобрана рациональная форма заготовки, позволяющая избежать появление данного дефекта. На основании физического моделирования получена модель, описывающая влияние параметров заготовки на конечное формоизменение. Установлено, что на величину конусности кольца оказывают влияние такие геометрические параметры полой ступенчатой заготовки, как длина бурта и его наружный диаметр. Так, при малой длине бурта и существен-
128
ной равной практически длине заготовки конусность получаемой заготовки незначительна. Установлено, что раскаткой заготовок со ступенчатой наружной поверхностью возможно получать поковки типа колец цилиндров с раструбами. Для определения размеров исходной заготовки предложена методика ее расчета.
Список литературы
1. Останин В.Г., Сидоров Н.Е. Новая технология ковки поковок типа днищ и горловин // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. №2. С. 7 - 8.
2. Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. доп. М.: Машиностроение, 1976. 560 с.
3. Kawaguchi S. Current forging technology for integrated type steel forg-ings for nuclear steam supply system components / S. Kawaguchi, H. Moritani, H. Tsukada, K. Suzuki, E. Mural, I. Sato // Nuclear Engineering and Design, 1984. №. 81 pp. 219 - 229
4. Current forging technology for integrated type steel forgings for nuclear steam supply system components / S. Kawaguchi, H. Moritani, H. Tsukada, K. Suzuki, E. Mural, I. Sato // Nuclear Engineering and Design, 1984. №. 81 Р.219 - 229
5. Ромашко Н.И., Токарев А.Г., Кобелев О. А. Разработка технологии изготовления крупногабаритных толстых плит и вытяжки бесшовных днищ большого диаметра // Кузнечно-штамповочное производство. 2008. №7. С. 22 - 26.
6. Кобелев О.А. Технология изготовления цельнокованых крупногабаритных плит и бесшовных днищ // Металлург. 2009. № 12. С. 55 - 58.
7. Обработка металлов давлением на Ижорском заводе им. А.А. Жданова / О.Ф. Данилевский, Б.А. Деревянко, Э.С. Каган, Б.А. Трифонов, Н.Т. Аристархов // Кузнечно-штамповочное производство. 1970 №4 С. 6 - 10.
8. Ikuo Sato, Suzuki Komei. Manufacturing and material properties of forgings for the reactor pressure vessel of the high temperature engineering test reactor // Nuclear Engineering and Design. 1997. № 171. Р. 45 - 56.
9. Qiu Ma, Zhong-qin Lin, Zhong-qi Yu Prediction of deformation behavior and microstructure evolution in heavy forging by FEM // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2009. № 40. Р. 253 - 260.
10. State of the art in the manufacture of heavy forgings for reactor components in the federal republic of germanym / M. Erve, F. Papouschek, K. Fischer, Ch. Maidorn // Nuclear Engineering and Design. 1988. №108. Р. 487 - 495.
11. Current steel forgings and their properties for steam generator of nuclear power plant / Suzuki Komei, Ikuo Sato, Mikio Kusuhash, Hisashi Tsukada // Nuclear Engineering and Design. 2000. №198. Р. 15 - 23.
12. Current forging technology for integrated type steel forgings for nuclear steam supply system components / S. Kawaguchi, H. Moritani, H. Tsuka-da, K. Suzuki, E. Mural // Nuclear Engineering and Design. 1984. №81. Р. 219 - 229.
13. Жбанков Я.Г., Таган Л.В., Шкира А.В. Ковка конических обечаек // Научный вестник ДГМА. №2(8Е). 2011. С. 8 - 14.
14. Опыт изготовления крупногабаритных конических обечаек ковкой / В. Д. Арефьев, А.В. Пакало, Г.С. Рябцев, А.И. Зубков, А.Ю. Петунин // Кузнечно-штамповочное производство. 1985. №1. С. 10 - 12.
Алиев Играмотдин Серажутдинович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, igramaliev@gmail. com, Украина, Краматорск, ДГМА,
Жбанков Ярослав Геннадьевич, д-р техн. наук, профессор, yzhbankov@,gmail. com, Украина, Краматорск, ДГМА,
Мартынов Сергей Владимирович, канд. техн. наук, нач. отдела, martynovdgma@gmail.com, Россия, Кулебаки, ПАО «Русполимет»
FORGING OF HOLLOW COMPLEX-SHAPED BILLETS BY RINGING THE INGOTS
I.S. Aliiev, I.G. Zhbankov, S.V. Martynov
The analysis of manufacturing hollow billets with complex shape by open die forging was done. Was determined that obtaining mentioned billets could be done by rolling the initial hollow billets with staged shape. The shape defects that are obtaining during the forging of staged billet were determined. Based on the theoretical and experimental research determined the rational shape and geometrical parameters of billet. Was proposed the methodology of billed geometry determination that will use in forging by traditional shape tools.
Key words: open die forging, ringing, simulation, finite element method, conical,
ring.
Aliyev Igramotdin Serazhutdinovich, doctor of technical sciences, professor, Head of Department, igramaliev@gmail. com, Ukraina, Kramatorsk, DGMA,
Zhbankov Yaroslav Gennad'yevich, doctor of technical sciences, professor, yzhbankov@,gmail. com, Ukraina, Kramatorsk, DGMA,
Martynov Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of department, martynovdgma@gmail.com, Russia, Kulebaki, PJSC "Ruspolymet"
