Разработка режимов ковки с учетом закономерностей разрушения для повышения деформируемости заготовок

В соответствии с выработанным ХХУ и ХХУ1 съездами КПСС курсом на интенсификацию общественного производства к числу важнейших задач, поставленных в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 года» относится создание и внедрение в производство прогрессивных технологических процессов.

В современном тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении, судостроении и некоторых других отраслях ковка на гидравлических прессах является одним из основных способов изготовления поковок.

Опыт передовых кузнечных цехов показывает, что основной задачей развития современной технологии ковки является автоматизация и оптимизация процесса, направленные на повышение точности и качества выпускаемых поковок, снижение расхода металла и трудоемкости их изготовления, увеличение производительности труда, совершенствование организации кузнечного производства. Осуществление указанных направлений неразрывно связано с задачей улучшения деформируемости заготовок, т. е. их способностью изменять свою форму при обработке давлением без нарушения сплошности. Стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами: жаропрочные, антикоррозионные, магнитные, жаростойкие и др. обладают, как правило, пониженной пластичностью и деформируемостью, что требует изыскания режимов пластического деформирования, обеспечивающих наиболее полное использование ресурса пластичности заготовок. Однако задача установления влияния режимов деформирования на качество поковок является не только чрезвычайно важной, но и крайне сложной и может быть решена только на базе фундаментальных теоретических исследований с постановкой широких экспериментов.

Исследованию проблемы деформируемости металлов и разрушения заготовок в процессах ковки посвящены работы С. И. Губкина, Г. А.Смирнова-Аляева, Л. Д. Соколова, В. Л. Колмогорова, Л. В. Прозорова, Е. П. Унксова, М. Я. Дзугутова, Г. Д. Деля, В.А.Ого-родникова, Д. И. Бережковского, М. А. Зайкова, В. Н. Перетятько, Я. М. Охрименко, А. А. Коставы, Е. М. Макушка, А. А. Богатова, В. С. Смирнова, Ю. М. Чижикова и др.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал по определению пластичности металлов в зависимости от термомеханических условий деформирования, развиты представления о разрушении заготовок в процессах ковки. Эффективность дальнейших исследований в этом направлении будет максимальной при создании теории деформируемости, описывающей известные закономерности разрушения и позволяющей на основе моделирования процессов дефектообразования в заготовках создавать новые и совершенствовать известные технологические процессы и способы ковки поковок.

Остро проблема трещинообразования в заготовках стоит в процессе протяжки, который обязан удовлетворять двум взаимно-противоречащим требованиям. С одной стороны, для обеспечения проковки структуры слитка требуется осуществление деформации определенной величины, возрастающей с увеличением степени легирования обрабатываемого металла. С другой стороны, протяжка высоколегированных сталей и сплавов сопровождается образованием в заготовках дефектов деформационного происхождения, что приводит к снижению качества, а иногда и к браку поковки. Указанное противоречие может быть устранено регламентацией и строгим учетом режимов деформирования.

Особую актуальность приобретает разработка научно обоснованных режимов деформирования в связи с оснащением кузнеч-но-прессовых цехов на заводах страны автоматизированными ковочными комплексами (АКК). Высокая точность отработки комплексом величин обжатий, подач и углов кантовки позволяет существенно повысить эффективность воздействия пластического деформирования на качество поковок. В свою очередь, наибольший эффект АКК позволяют получить при выполнении программной ковки, оптимизированной по критериям производительности процесса и качества поковок. В настоящее время в НПО ЦНИИ1МАШ в соответствии с приказами Минэнергомаш № 323 от 16.II.77 г., № 198 от 12.07.77 г. и № 403 от 30.11.82 г. проводятся исследования и разработка режимов протяжки, обеспечивающих высокую производительность оборудования и качество поковок применительно к АКК. Программы оптимизации должны включать алгоритмы и модели, позволяющие рассчитывать уровень дефектообразования в заготовках на разных стадиях технологического процесса ковки.

Работа посвящена исследованию закономерностей разрушения при немонотонном деформ1фовании и разработке на этой основе режимов технологических процессов ковки, обеспечивающих повышение деформируемости заготовок. Для решения этой задачи необходимо :

— разработать критерий разрушения для моделирования процессов немонотонного деформирования ;

— провести анализ совместного влияния режимов технологического процесса ковки и свойств обрабатываемого металла на деформируемость заготовки;

— разработать методики расчета предельных единичных обжатий при основных операциях ковки.

При выполнении диссертационной работы проведено следующее:

— разработан критерий разрушения, базирующийся на предложенной в работе тензорно-нелинейной модели накопления микроповреждений ;

— получено аналитическое решение задач определения предельных деформаций в процессах двух-, многоэтапного и циклического деформирования;

— получены зависимости деформируемости заготовок от технологических факторов и пластических свойств обрабатываемого металла;

— исследовано напряженно-деформированное состояние на свободной боковой поверхности заготовки при протяжке плоскими бойками по схемам «прямоугольник-прямоугольник» и «круг-пластина» ;

— разработаны методики определения предельных единичных обжатий при протяжке и осадке, учитывающие изменение механических свойств с понижением температуры металла заготовки, схему деформирования и тип бойков.

Разработанные рекомендации по выбору предельных единичных обжатий при протяжке заготовок из сталей и сплавов различных марок приняты для внедрения на АКК 60 МН ПО «Ижорский завод» и АКК 100 МН ПО НКМЗ.

На базе проведенных исследований разработаны режимы обжатий, позволившие снизить поверхностное трещинообразование в заготовках при протяжке поковок брам на АКК 60 МН ПО «Ижор-ский завод» .

Полученные рекомендации использованы для усовершенствования технологического процесса ковки в условиях завода «Большевик» на прессе 20 МН вала из труднодеформируемой стали. Экономическая эффективность от внедрения выполненных работ в промышленность составила 81 тыс.рублей.

Результаты работы обеспечат наибольший экономический эффект при использовании их в программах оптимизации режимов протяжки применительно к ковке на АКК в автоматическом режиме.

I. ОБЗОР. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В тех случаях, когда процессы ковки поковок сопровозда-ются трещинообразованием в заготовках, происходит потеря производительности труда из-за использования заниженных единичных обжатий и необходимости удаления трещин, образовавшихся на поверхности заготовки. В некоторых случаях количество выносов, назначаемых для удаления трещин, в полтора-два раза увеличивает общее количество выносов, предусмотренное технологическим процессом, что приводит к увеличению энергозатрат и трудоемкости изготовления поковок, усложняет организацию и планирование производства в кузнечных цехах. Иногда трещины достигают размеров, превышающих величину припуска на механическую обработку, либо приводящих к разделению заготовки на отдельные части. И то и другое приводит к браку поковок из дорогостоящих высоколегированных сталей и сплавов.

Дефектообразование в виде нарушения сплошности металла заготовки можно устранить или уменьшить за счет рационального выбора термомеханических условий деформирования. Разрушение металлов в результате пластического деформирования является сложным процессом, зависящим от большого числа факторов. Поэтому изыскание рациональных режимов технологического процесса на основе исключительно только производственного опыта является не только неэкономичным, поскольку требует огромных затрат материальных и трудовых ресурсов, но и бесперспективным, так как при замене обрабатываемой стали, номенклатуры выпускаемой продукции, обновлении кузнечно-прессового оборудования всю работу необходимо проводить вновь. Гораздо более эффективен путь, при котором режимы технологического процесса ковки назначаются на основе экспериментально-теоретических исследований, а затем корректируются в производственных условиях. Для этого требуются математические модели отражающие влияние основных параметров технологических процессов на деформируемость заготовок. Отыскание таких функциональных связей и их аналитических аппроксимаций является одной из фундаментальных задач совершенствования теории обработки давлением /83,87/.

Попытки разработать аппарат прогнозирования разрушения металлов при обработке давлением содержатся в многочисленных исследованиях [7−9,18,23,31,32,48,73,77,97J.

В настоящее время всеобщее признание у научной общественности страны получила, интенсивно разрабатываемая за последние десятилетия, феноменологическая теория пластичности и деформируемости /II, 26,42,44,67,98,99,105J.

Достаточно сказать, что около половины докладов, представленных на симпозиуме «Проблемы и перспективы развития процессов обработки металлов давлением», проведенном НТО Маш-пром в 1981 г. в г. Риге, содержали освещение вопросов деформируемости с позиций феноменологической теории разрушения. Данная теория не свободна от недостатков и еще не стала по-настоящему научной основой проектирования и совершенствования технологических процессов [83/. Однако уже на сегодняшний день развитая теория оказывает эффективное воздействие на совершенствование технологических процессов обработки давлением /" 26,42,67,105/.

Перейдем к рассмотрению феноменологической теории разрушения по существу.

Пластичность, т. е. способность материалов воспринимать пластическую деформацию без нарушения сплошности удобно характеризовать величиной деформации до разрушения. В качестве меры деформации используется накопленная пластическая деформация z.

I.I) о где <£и интенсивность скоростей деформаций — d.

St- - девиатор скоростей деформаций — о.

Т — время.

Известно, что величина предельной деформации до разрушения для одного и того же материала не одинакова при различных видах испытаний. Каждый вид испытаний характеризуется определенным напряженно-деформированным состоянием. С. И. Губкин предложил идею построения диаграмм пластичности, отражающих зависимость пластичности данного материала от показателя, характеризующего напряженное состояние. Достаточно подробный анализ предложенных показателей приведен в работах /26,677.

Впервые диаграммы пластичности в координатах? -&-и были построены Г. А.Смирновым-Аляевым. В качестве показателя напряженного состояния было принято выражение, которое предложил В. А. Бабичков где — €>ll — первый инвариант тензора напряжений ;

7Z (&er)=0,?S, J 5(увторой инвариант девиатора напряже-° * - с .

НИИ DcJ — о — среднее напряжение ;

6^- интенсивность напряжений.

Впоследствии в ряде работ /II, 19,67/ было указано на недостаточность для характеристики напряженного состояния одного лишь показателя?. Результаты испытаний в камере высокого давления свидетельствуют о влиянии на пластичность третьего инварианта тензора напряжений. Однако единого мнения в интерпретации экспериментальных результатов еще не достигнуто /II, I9,67j.

Следует отметить, что диаграммы пластичности отражают зависимость пластичности от схемы напряженного состояния только при фиксированных значениях температуры, скорости деформации и показателя напряженного состояния. Однако термомеханическое состояние материала в процессе обработки давлением изменяется. Поэтому для прогнозирования разрушения необходимо создание моделей, учитывающих историю деформирования.

I.I. Скалярные модели накопления микроповреждений.

Согласно фундаментальным экспериментальным исследованиям /10б/ разрушение в результате пластической деформации рассматривается как процесс, состоящий из нескольких стадий. Первые же акты пластической деформации сопровождаются возникновением и развитием субмикрои микроповревдений в виде трещин и пор. По достижению уровня накопленных микроповреждений некоторого критического уровня происходит лавинообразное, спонтанное их объединение, т. е. появление макротрещины, что и является признаком разрушения. В работах ?53,62,66,90J введен скалярный параметр 0 ^ V ^ I, характеризующий уровень поврежденности макрочастицы. Поврежденность можно оценивать изменением плотности металла [бб], числом и размером образовавшихся микротрещин [44] и др. Достаточно подробный обзор физических основ процесса разрушения содержится в работе /*44j.

Применительно к процессам обработки металлов давлением начало феноменологической теории накопления повреждений было положено В. Л. Колмогоровым, предложившим критерий разрушения в виде функционала где F в свою очередь является функционалом, отражающим начальные свойства металла и учитывающим как самозалечивание дефектов при высоких температурах, так и историю деформирования.

В.Л.Колмогоров, основываясь на гипотезе о существовании линейной зависимости между приращениями поврежденности и накопленной деформации, предложил для практического использования где диаграмма пластичности.

Если в процессе деформации = const, то.

Sjf*.

В дальнейшем представление о функции повреждаемости получило существенное развитие. В работе /67/ предложена нелинейная модель, содержащая неизвестный параметр

F-n^J-, (1,6) и был разработан подход к определению данного параметра (.

Применительно к знакопеременной деформации в работах.

СII-I3,44j предложена обобщенная модель J где п — количество этапов, в пределах которых отсутствует дискретное изменение направления главных деформаций (монотонное деформирование) — а са).

— величина накопленной деформации на каждом этапе ;

— коэффициент, учитывающий способность к залечиванию дефектов при немонотонном деформировании.

Модель (1.7) отражает уменьшение интенсивности накопления микроповреждений при изменении направления деформирования.

Все модели накопления микроповреждений, базирующиеся на скалярном описании повременности макрочастицы предполагают изотропный характер накопления микроповреждений.

Естественно, подобные модели не в состоянии описать деформационную анизотропию пластичности и связанные с ней закономерности разрушения. Под деформационной анизотропией пластичности будем понимать различие величин предельной деформации в разных направлениях, приобретенное в результате пластической деформации.

Рассмотрим пример. Пусть куб, изображенный на рис. I. I, изотропен в начальном состоянии, т. е. предельная деформация при данном напряженном состоянии одинакова во всех направлениях. Предельная деформация на сжатие для исходного материала равна, например, £х 1,4. Если осадить куб в направлении оси 2 в условиях равномерной деформации на величину 0,8, то пластичность образованного параллелепипеда на сжатие в направлении оси Z станет равной 0,6. Это очевидно. Однако как изменилась пластичность на сжатие в направлении двух других осей X и У. Согласно имеющимся скалярным моделям пластичность в направлении всех осей изменяется одинаково, что, однако, противоречит экспериментальным данным /4−6,25,27,29,55J. Или поставим, на первый взгляд, еще более сложный вопрос: как изменилась пластичность на растяжение или на кручение в направлении всех трех осей? Достаточно полный ответ на затронутый круг вопросов можно получить лишь на основе тензорного описания поврежденности макрочастицы.

ВЫВОДЫ.

1.-Обобщением результатов теоретических и экспериментальных исследований выявлена возможность повышения деформируемости заготовок за счет управления схемами напряженно-деформированного состояния металла с помощью выбора режимов ковки.

2. Решены следующие задачи: определение, при многоэтапном деформировании, предельных деформаций в произвольном направлении в зависимости от исходной пластичности металла и. распределения по этапам показателя напряженного состояния, направлений главных деформаций и величин накопленной деформации — получение аналитической зависимости между амплитудой деформации и количеством этапов до разрушения при циклическом деформировании с произвольным сочетанием видов деформации в цикле — определение остаточной пластичности в произвольном направлении после воздействия на металл циклическим деформированием. Решение указанных задач позволило выполнить аналитическое исследование закономерностей разрушения при немонотонном деформировании.

3. Разработана тензорно-нелинейная модель накопления микроповреждений, позволяющая описать закономерности разрушения, не укладывающиеся в рамки тензорно-линейной модели. Проведена экспериментальная проверка критерия разрушения, разработанного на основе предложенной модели.

4. Моделирование процессов разрушения, возникающих при основных операциях ковки, позволило разработать рекомендации к расчету режимов технологических процессов ковки поковок из малопластичных сталей и сплавов.

5. Исследовано напряженно-деформированное состояние на свободной боковой поверхности заготовки в зависимости от обжатия, подачи и формы поперечного сечения заготовки при протяжке плоскими бойками по схемам «прямоугольник-прямоугольник» и «круг-пластина». Получены аппроксимационные зависимости величины накопленной деформации и показателя напряженного состояния в опасной области свободной поверхности, которые используются для определения предельных единичных обжатий.

6. Разработаны методики расчета предельных единичных обжатий основных операций ковки, учитывающие температуру и механические свойства металла заготовки, а также интенсивность бочкообразования при осадке, тип бойков, форму поперечного сечения заготовки и относительную подачу при протяжке.

7. Опытно-промышленное опробование и внедрение в производство разработанных, применительно к AftK-60 МН, режимов протяжки пластин, а также предложенных режимов ковки поковок валов из труднодеформируемой стали подтвердило на практике правильность и достоверность полученных обобщений закономерностей разрушения и разработанных рекомендаций, обеспечивающих снижение трещинообразования в заготовках.

Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы в промышленность составляет 81 тыс.рублей.