Разработка высокоэффективной ресурсосберегающей технологии производства колец из жаропрочных сплавов на основе исследования процесса осадки заготовок

В настоящее время ужесточаются требования к повышению топливной экономичности летательных аппаратов. Активно разрабатывают и внедряют экономичные крупногабаритные двигатели нового поколения, в которых используют кольца диаметром до (3200−3600) мм и высотой до (800−1200) мм. В энергетическом и атомном машиностроении установлена общемировая тенденция перехода на сверхкритические параметры пара и применение новых материалов, для производства экономичных крупногабаритных кольцевых полуфабрикатов для паровых, газовых и гидравлических турбин. К подшипниковым узлам предъявляются все большие требования по прочности при высоких скоростях и высоких рабочих температурах, высокой износостойкости и способности выдерживать экстремальные нагрузки.

КМЗ ОАО «Русполимет» обладает самым современным по технико-технологическому уровню и самым мощным в России и на территории СНГ кольце-прокатным комплексом для изготовления колец диаметром до 6000 мм, высотой до 1200 мм и массой до 12 000 кг.

В настоящее время КМЗ бурно развивается. На заводе запустили в эксплуатацию установку вакуумно-дугового переплава (ВДП) и получают слитки ВДП. Однако, на заводе существуют определенные трудности при производстве колец. В условиях отсутствия ковочного участка для предварительной ковки слитков ВДП, завод ОАО «Русполимет» вынужден, при наличии своей установки ВДП, покупать цилиндрические кованые заготовки ВДП с других заводов. В сложившейся ситуации разработка технологии производства колец для изделий ответственного назначения, позволяющей не применять предварительную ковку слитков ВДП, даст ощутимый эффект в получении более мелкозернистой изотропной однородной микроструктуры (уменьшении балла с № 1 до № 4−5-6) металла колец и ресурсосбережение как экономия в среднем 26 104 руб. на транспортных расходах при перевозке 1 т штанг при отказе от услуг других заводов-изготовителей. За счет отказа от операций предварительной ковки слитков сэкономили примерно 50 кВт электроэнергии, потребляемой гидравлическим прессом и вспомогательным оборудованием, устранили расходы 105 140 кг топлива, необходимые ранее для нагрева и подогрева слитка, уменьшили потери металла с окалиной на 1% на 1 т продукции.

Целью диссертационной работы является разработка высокоэффективной ресурсосберегающей технологии производства колец из жаропрочных сплавов для изделий ответственного назначения.

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

— Исследовать технологию горячего деформирования и выяснить какая операция играет главную, ведущую роль. Для установленной операции выполнить исследование зонообразования и распределения местных деформаций в заготовках, а также предложить, обосновать технологические мероприятия по получению заданных формы, структуры и распространения зон деформации в заготовках, и заданного распределения местных деформаций.

— Разработать и спроектировать деформирующий инструмент (бойки) для реализации заданного распределения деформаций.

— Разработать методику расчета технологических факторов, обеспечивающих решение задачи регулирования полей деформации, расчетный инструмент в виде математической модели.

— Разработать компьютерные программы и графоаналитический инструмент расчета, позволяющие решить две задачи: прямую — по определению режимов деформирования и обратную — прогнозировать качество металла поковок колец по шести параметрам оптимизации в зависимости от конкретных значений четырех основных технологических факторов.

Последовательный план исследований.

В работе поставлена общая (основная) задача — исследовать процессы горячего деформирования при производстве колец, в рамках которой:

— Определить роли каждой операции в формировании макро-, микроструктуры и механических свойств металла колец.

— Провести исследование деформаций и температур для установленной основной операции и выяснить конфигурацию и структуру деформационных и тепловых зон в заготовке.

На основе полученных результатов исследования:

— Предложить технологические приемы регулирования зон деформаций и температур в заготовках при осадке.

— Сконструировать ковочный инструмент — конические бойки, рассчитать их характеристики (угол конуса при вершине, диаметр плоской рабочей площадки), оценить новизну конструкции путем патентных исследований и защитить новизну технического решения патентом на изобретение.

— Реализовать применение нового инструмента.

— Составить уравнения регрессии, создать компьютерные программы и графоаналитический инструмент для расчета осадки.

— Разработать высокоэффективную и ресурсосберегающую технологию производства колец из слитков ВДП жаропрочных сплавов.

— Выполнить промышленное опробование разработанной технологии.

— Исследовать качество металла колец, полученных по разработанной технологии.

— Оценить эффекты, достигнутые с применением разработанной технологии.

Научная новизна работы:

1. Расчленение монолитных полей сил трения с одновременным расчленением монолитных тепловых полей с последующим их чередованием в периферийной и центральной областях на контактных поверхностях заготовки при осадке позволило регулировать процессы локализации и рассредоточения макросдвиговых деформаций.

2. В результате математического планирования эксперимента при поиске оптимальных условий по шести параметрам при осадке комбинированным инструментом, предложен интегральный внешний параметр оптимизации: профиль бочки — пять разновидностей.

3. Созданный графоаналитический инструмент расчета позволил оперативно решать две технологические задачи:

— прямую — определять оптимальные технологические режимы деформирования коническими и плоскими бойками, выбирать соотношения геометрических размеров исходных заготовок, конструировать рабочий ковочный инструмент — конические бойки,.

— обратную — прогнозировать качество металла поковок колец по шести параметрам в зависимости от конкретных значений основных четырех технологических факторов устанавливаемых на заводе при производстве колец.

4. Теоретическими расчетами установлено и подтверждено экспериментально, что все стадии образования разновидностей профиля бочки реализуются при осадке заготовок с соотношением высоты к диаметру, равным 1,0 и обжатием на небольшую величину, равную 25%, с небольшим диаметром плоской рабочей площадки конического бойка, равным 0,4 от диаметра заготовки. Осадка заготовок с соотношением высоты к диаметру, равным 2,5, возможна без образования выпуклой одинарной бочки.

Практическая значимость работы:

Разработан, изготовлен и применяется на ОАО «Русполимет» кузнечный инструмент для осадки заготовок, даны рекомендации по углу при вершине конического бойка и диаметру плоской рабочей площадки. Эффективность применения осадки коническими и плоскими бойками по сравнению с осадкой только плоскими бойками доказана опробованием и применением разработанной технологии в промышленных условиях завода ОАО «Русполимет».

Результаты теоретических исследований реализованы при производстве трех партий колец в количестве 14 штук из жаропрочных сплавов ЭП693-ВД, ЭИ698-ВД, ЭП708-ВД, переданных Заказчику.

Разработан и запатентован «Способ производства кольцевых изделий» (патент РФ № 2 465 979).

Разработаны четыре компьютерных программы, шесть уравнений регрессии и графоаналитический инструмент расчета для определения оптимальных режимов деформирования и прогнозирования качества металла поковок колец. Программы, уравнения и графоаналитический инструмент расчета переданы и приняты Отделом Главного технолога на заводе ОАО «Русполимет».

Графоаналитический инструмент расчета применен при построении технологии получения поковок дисков из стали 07X16Н4Б.

Технологические рекомендации, содержащиеся в трех научно-технических отчетах, утверждены научно-техническим советом завода и применяются в повседневной работе технологов.

Результаты работы внедрены в процесс обучения студентов по направлению «Металлургия» и профилю «Обработка металлов давлением».

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Установлено, что основной формирующей качество колец — структуру и механические свойства металла операцией в технологическом цикле горячего деформирования является осадка заготовок.

2. С помощью разработанной методики расчета технологических факторов решена задача регулирования зонообразования и распределения местных деформаций при осадке заготовок комбинированным инструментом.

3. При осадке заготовок разработанным инструментом объем зон затрудненной деформации удалось уменьшить в два раза. Наилучшие результаты по уровню накопленной степени деформации получены при осадке коническими бойками с углом при вершине 120°.

4. На основе теоретических выводов исследования пластических потоков путем регулирования зонообразования и распределения местных деформаций в заготовках при осадке установлено минимальное значение суммарного коэффициента укова при производстве колец из жаропрочных сплавов вакуумно-дугового переплава, составляющее 4,7. Соответствующее уменьшение суммарного коэффициента укова в 3,0 — 7,0 раз для слитков ВДП производства ОАО «Русполимет» обеспечило значительное повышение эффективности и ресурсосбережения при изготовлении колец.

5. Разработанная технология получения колец из слитков ВДП собственного производства (ОАО «Русполимет») позволила отказаться от услуг других заводов-изготовителей и экономить в среднем 26 104 руб. на транспортных расходах при перевозке 1 т штанг. За счет отказа от операций предварительной ковки слитков экономить примерно 50 кВт электроэнергии, потребляемой гидравлическим прессом и вспомогательным оборудованием, устранить расходы 105 140 кг топлива, необходимые ранее для нагрева и подогрева слитка, уменьшить потери металла с окалиной на 1% на 1 т продукции.

6. Высокая эффективность новой технологии производства заключается в получении более мелкозернистой изотропной однородной микроструктуры (уменьшение балла с № 1 до № 4−5-6) металла колец, которая обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик и надежности изделий ответственного назначения.