CC BY
76
УДК 621.771
А.Б. Найзабеков, С.Н. Лежнев
РГП «Карагандинский государственный индустриальный университет», г. Темиртау, Республика Казахстан М.В. Чукин
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (МГТУ), г. Магнитогорск
РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА «ПРОКАТКА-ПРЕССОВАНИЕ», ПОЗВОЛЯЮЩЕГО ПОЛУЧАТЬ МЕТАЛЛ С СУБУЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ
Получение высококачественных изделий из металла остается одной из актуальных задач современного материаловедения. Получение новых свойств металлов возможно не только управлением структурами на мезоуровне зерна материала, но и уменьшением самого зерна, т.е. получением металла с ультрамелким зерном.
Одним из перспективных способов получения ультрамелкозернистой структуры и одним из таких способов является технология получения наноструктурных материалов обработкой давлением, а, в частности, интенсивной пластической деформацией, реализуемой во всем объеме деформируемой заготовки.
В последние годы разработан ряд новых процессов обработки металлов давлением, направленных на получение металла с субультрамел-козернистой структурой. Одним из самых перспективных, превосходящих ранее известные способы обработки металлов давлением, является совмещенный процесс «прокатка-прессование» с использованием калиброванных валков и равноканальной ступенчатой матрицы для прессования (рис. 1), который был разработан на кафедре «ОМД» Карагандинского государственного индустриального университета [1]. Преимущество способа заключается в том, что при реализации данного совмещенного процесса обеспечивается непрерывность процесса и снимаются ограничения по размерам исходных заготовок.
Суть предлагаемого способа деформирования заключается в следующем. Предварительно нагретая до температуры начала деформирования заготовка подается к прокатным валкам, которые за счет сил контактного трения захватывают её в зев валков, а на выходе из него проталкивают через каналы равноканальной ступенчатой матрицы. После того, как заготовка полностью выйдет из каналов матрицы, она захватывается
второй парой валков, которые также за счет контактных сил трении захватывают заготовку в зев второй пары валков и полностью вытягивают заготовку из каналов матрицы. В данном случае процесс прессования заготовок в равноканальной ступенчатой матрице реализуется за счет использования контактных сил трения, возникающих на поверхности контакта металла с вращающимися валками.
В работах [1-2] были проведены теоретические исследования данного процесса. Сравнительный анализ использования гладких и калиброванных валков в данном процессе выявил, что использование калиброванных валков более целесообразно, так как использование их при аналогичных исходных данных позволяет осуществить процесс «прокатка-прессование» с меньшим углом стыка в равноканальной ступенчатой матрице при значительно меньшем обжатии. Еще одним несомненным преимуществом использования калиброванных валков вместо гладких является возможность контролирования уширения заготовки при ее деформировании в калиброванных валках. Также были получены теоретические зависимости для определения сил подпора в равноканальной ступенчатой матрице при проталкивании заготовки в нее за счет активных сил трения, создаваемых валками. На основании этих исследований была создана программа, которая позволяет определять рациональные геометрические и технологические параметры этого процесса для осуществления деформирования заготовок квадратного и прямоугольного попереч-
Рис. 1. Совмещенный процесс «прокатка-прессование»
ного сечения любых размеров. Если деформирование какого-либо про-филеразмера невозможно, то программа выдает сообщение об этом.
Помимо этого, было проведено моделирование процесса «прокатка-прессование» с использованием калиброванных валков и равнока-нальной ступенчатой матрицы [3]. Моделирование процесса «прокатка-прессование» проводили в программном комплексе ББРОКМ-ЗБ. После окончания расчета и просмотра результатов модель считалась удачной, если заготовка захватывалась и прокатывалась в первой паре валков, затем с их помощью проталкивалась через все каналы матрицы, а при выходе из нее захватывалась второй парой валков и полностью вытягивалась из матрицы (рис. 2).
Рис. 2. Моделирование процесса «прокатка-прессование» в программном комплексе ББРОКМ-ЗБ
Анализ влияния различных факторов на условие протекания данного процесса показал, что такие факторы как угол стыка каналов матрицы, коэффициент трения, температура, протяженность каналов матрицы оказывают существенное влияние на возможность осуществления совмещенного процесса «прокатка-прессование». И только выбор рациональных режимов деформирования для заданного профилеразмера заго-
товки и учет всех факторов позволит осуществить этот сложный процесс. Для этого были составлены таблицы рациональных геометрических и технологических параметров для различных поперечных сечений заготовок. Данные таблицы позволяют точно подобрать значения всех необходимых параметров для осуществления процесса «прокатка-прессование» с использованием калиброванных валков и равноканальной ступенчатой матрицы.
После получения успешной модели было выполнено исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) деформируемой заготовки при реализации совмещенного процесса «прокатка-прессование». Это связано с тем, что исследования напряженного состояния позволяют изучить распределение напряжений во всем объеме заготовки при деформировании, а также выявить те зоны, которые в большей мере подвержены образованию дефектов, вследствие возникновения в них больших растягивающих напряжений. Это дает возможность внести необходимые коррективы для снижения интенсивности действия растягивающих напряжений и, как следствие, предотвратить образование дефектов. А исследования деформированного состояния позволяет изучить распределение накопленной деформации во всем объеме заготовки при деформировании и выявить те зоны, которые в большей мере подвержены деформации. На основе этого можно определить рациональные как геометрические, так и технологические параметры деформирования.
При исследовании НДС при совмещенном процессе деформирования заготовок «прокатка-прессование» были проанализированы следующие этапы данного процесса:
1) заготовка только прокатывается в первой паре валков;
2) заготовка прокатывается в первой паре валков и проходит через каналы матрицы;
3) заготовка прокатывается в первой паре валков, проходит через каналы матрицы и затем прокатывается во второй паре валков.
Для анализа НДС на данных этапах были исследованы следующие параметры (рис. 3):
- эквивалентная деформация еэкв;
- эквивалентное напряжение сэкв;
- главные напряжения сь с2, о3.
Исследование НДС металла при реализации совмещенного процесса «прокатка-прессование» с использованием равноканальной ступенчатой матрицы и калиброванных валков производили с помощью программы DEFORM 3D (США).
1-ый этап
При анализе НДС первого этапа реализации процесса было выявлено, что распределение эквивалентных деформаций по всему объему
деформируемой заготовки носит равномерный характер (рис. 3). Среднее значение эквивалентных накопленных деформаций примерно равно 0,7...0,8. Исключение составляет передний конец заготовки, где значение еэкв равно 0,2.0,3, что связано со сделанными выточками при построении модели, которые были сделаны для того, чтобы облегчить захват заготовки прокатными валками.
Рис. 3. Эквивалентные деформация еэкв и напряжение сэкв, полученные в результате прокатки заготовки в первой паре валков
Анализ эквивалентных напряжений производили в очаге деформации только в данный момент времени, т.е. не учитывалось накопление напряжений, как при исследовании эквивалентной деформации. Эквивалентное напряжение сэкв при прокатке заготовки в валках достигает значения 384 МПа. При этом наибольшие значения эквивалентных напряжений возникают в местах контакта заготовки с валками.
Анализ распределения главных напряжений показывает, что в очаге деформации в основном преобладают сжимающие напряжения (с: = -261 МПа, с2 =-344 МПа, с3 =-460 МПа). Схема всестороннего сжатия гарантирует отсутствие макро- и микротрещин в металле и благоприятствует максимальной степени пластичности деформируемой заготовки.
2-ой этап
На втором этапе реализации процесса заготовка одновременно прокатывается в валках и передним концом проходит через каналы рав-ноканальной ступенчатой матрицы (рис. 4). Это приводит к возникновению двух очагов концентрации напряжений. Здесь эквивалентное напряжение сэкв по прежнему имеет максимальное значение в очаге деформации при прокатке заготовки в валках - 386 МПа, а в зоне стыка каналов матрицы оно лежит в интервале 150... 170 МПа.
Рис. 4. Эквивалентные деформация еэкв и напряжение сэкв, полученные в результате прокатки заготовки в первой паре валков и ее прохождения через каналы матрицы
Анализ главных напряжений показал, что на данном этапе во всем объеме заготовки преобладают сжимающие напряжения, значения которых увеличиваются (© = -811 МПа, с2 = -844 МПа, с3 = -1090 МПа). Это объясняется тем, что заготовка при прохождении зоны стыка каналов испытывает большое сопротивление со стороны матрицы, которое препятствует движению заготовки, что создает значительные сжимающие напряжения по всем трем главным направлениям.
Анализ же распределения эквивалентных деформаций на втором этапе носит тот же характер, что и на первом этапе. Но в зоне стыка ка-
налов матрицы возникают дополнительные сдвиговые деформации, что приводит к накоплению еэкв с 0,7 до 1.
3-ий этап
На третьем этапе реализации процесса передний конец заготовки прокатывается во второй паре валков, в то время как задний конец еще находится в очаге деформации первой пары валков (рис. 5). Таким образом, образуется три зоны локальных концентраций напряжений. Здесь эквивалентное напряжение сэкв достигает максимальных значений (648 МПа) в очагах деформации при прокатке в валках, а в зоне стыка каналов оно равно примерно 170...200 МПа.
Рис. 5. Эквивалентные деформация еэкв и напряжение сэкв, полученные для случая, когда заготовка прокатывается в первой паре валков, проходит через каналы матрицы и прокатывается во второй паре валков
Анализ главных напряжений показывает, что на данном этапе во всем объеме заготовки преобладают сжимающие напряжения, однако их концентрации сосредоточены в очагах деформации обеих пар валков и в зоне стыка каналов (© = -886 МПа, с2 = -1100 МПа, с3 = -1540 МПа).. На участке от зоны стыка до очага деформации второй пары валков имеют
место растягивающие напряжения (орастяг = 182 МПа) из-за создаваемого натяжения заготовки вторыми валками.
Эквивалентные деформации до зоны стыка каналов равномерно распределяются по всему объему (еэкв = 0,7). После прохождения зоны стыка каналов возникают дополнительные сдвиговые деформации, что приводит к накоплению эквивалентных деформаций (еэкв = 0,7.1). При прокатке во второй паре калиброванных валков значение еэкв достигает 2.
Таким образом, анализ НДС заготовок при деформировании их с помощью совмещенного процесса «прокатка - прессование» показал, что при реализации данного процесса реализуется благоприятное НДС для получения металла с субультромелкозернистой структурой.
Также, помимо НДС, были исследованы температурные условия протекания данного совмещенного процесса [5]. После окончания расчета на заготовке в зоне выхода из второй пары валков делался поперечный разрез и проводилось исследование распределения температуры по сечению. Выбор зоны изучения температуры был обусловлен тем, что именно на выходе из второй пары валков заготовка будет иметь наименьшую температуру, и поэтому в этих валках условия деформирования более жесткие, чем в первой паре или в матрице. Была получена следующая картина распределения температуры по сечению заготовки (рис. 6).
Анализ полученных результатов моделирования показал, что распределение температуры по сечению заготовки носит неравномерный характер (см. рис. 6, б).
Большая разность температур (до 40 градусов) может привести к неоднородности физических свойств. Поэтому для выравнивания разности температуры по сечению рекомендуется осуществлять предварительный подогрев матрицы.
Также при использовании программного комплекса DEFORM 2D/3D были изучены энергосиловые параметры данного процесса. Помимо этого, при помощи приложения Microstructure программного комплекса DEFORM 2D/3D было проведено исследование эволюции микроструктуры, которое показало, что реализация совмещенного процесса «прокатка-прессование» с использованием равноканальной ступенчатой матрицы создает благоприятные условия для формирования субультра-мелкозернистой структуры после шести проходов.
Проведенные теоретические исследования новой технологии деформирования - совмещенного процесса «прокатка-прессование» с использованием равноканальной ступенчатой матрицы при помощи компьютерного моделирования в программном комплексе DEFORM 2D/3D позволило всесторонне изучить данный процесс, определить оптимальные параметры деформирования, знание которых является необходимым
условием для проектирования опытно-промышленных установок на базе данной технологии.
0.000 7.98 16.0 23.9 31.9 39.9
Р^апсе
б
Рис. 6. Распределение температуры по сечению заготовки Библиографический список
1. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Панин Е.А. Теоретические исследования совмещенного процесса «прокатка-прессование» с использованием равноканальной ступенчатой матрицы.// Изв. вузов. Черная металлургия. М., 2008, № 6. С. 22-26.
2. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Панин Е.А. Кинематический расчет совмещенного процесса «прокатка-прессование», осуществляемого с использованием калиброванных валков и равноканальной ступенчатой матрицы // Технология производства металлов и вторичных материалов. Темиртау. 2008. № 1. С. 66-70.
3. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Панин Е.А. Моделирование совмещенного процесса «прокатка-прессование» с использованием калиброванных валков и равноканальной ступенчатой матрицы // Технология производства металлов и вторичных материалов. Темиртау. 2008. № 1. С. 145-154.
4. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Панин Е.А. Температурные условия протекания совмещенного процесса «прокатка-прессование».// Научно-технический прогресс в металлургии: Труды междунар. науч.-практ. конф.: Сб. науч. трудов. Темиртау. 2009. С. 328-335.
УДК 621.771
Харитонов В.А., Таранин И.В.
ФГБОУВПО «МГТУ», г. Магнитогорск
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПРОКАТКЕ КАТАНКИ
Тенденции развития металлургической промышленности в области производства катанки показывают, что требования к катанке постоянно ужесточаются по мере развития технологий в целом. Производитель должен обеспечить выпуск конкурентоспособной продукции, востребованной на рынке. Катанка должна иметь не только требуемый уровень геометрических характеристик профиля и механических свойств, но и эффективную технологичность при переработке на последующем метизном переделе. Процесс волочения катанки должен быть стабилен и эффективен при определенных скоростях и технологических режимах, а также осуществим без дополнительных затрат на термообработку, снятие окалины химическими или другими дорогостоящими способами и т.д.
На сегодняшний день определены основные требования к катанке, обеспечивающие требуемую технологичность при волочении, а также основные факторы, оказывающие влияние на вышеуказанные показатели. Известны эффективные методы контроля и управления технологическим процессом. Однако недостаточно изучено влияние на конечные свойства катанки напряженного состоянияв в очаге деформации, особенно при высокоскоростной прокатке, характерной для последних проходов при прокатке в современных высокоскоростных чистовых блоках.
Из теории пластичности [1] известно, что схема напряженного состояния, а также его неравномерность при деформации оказывает существенное влияние на пластичность, сопротивление деформированию и полное усилие обработки давлением. Чем выше в деформируемом метал-
