Теоретические и экспериментальные исследования параметров осадки и протяжки с целью управления технологическими процессами изготовления поковок

Самые тяжелонагруженные и ответственные детали уникальных машин и установок получают с использованием процессов ковки слитков. Известно, что стальной слиток обладает структурной неравномерностью, неравномерностью механических свойств, химического состава, распределением неметаллических включений и целым рядом других дефектов. При этом, чем больше вес слитка, тем ярче выражена его неоднородность. В настоящие время кузнечной промышленности предстоит обрабатывать слитки массой более 600 т, дальнейшее распространение получают новые жаропрочныетугоплавкие и трудно деформируемые сплавытребующие обработки давлением. Существующие методы проектирования новой технологии ковки не обладают достаточными возможностями для удовлетворения возрастающих требований к качеству поковок. Это связано с большим количеством факторов, влияющих на процесс ковки и не учитываемых в полной мере в теоретических моделях. Поэтому актуальным является поиск и применение новых источников регулирования качества поковок и необходима разработка методики анализа технологических особенностей кузнечных операций.

Совершенствование режимов деформации, обеспечивающих получение поковок высокого качества, основано на знании количественных данных о распределении напряжений, деформаций, а также на точных количественных сведениях о ресурсе пластичности, который является сложной функцией термомеханических параметров деформирования, физико-химических свойств деформируемого металла и других факторов. Эти вопросы приобретают особенно большое значение при деформировании высоколегированных сталей и сплавовобладающих малым запасом пластичности.

В значительном мере качество металла зависит от геометрии инструмента, обжатия, подачи, температуры и способа кантовок. Разработка технологических режимов ковки наряду с учетом факторов, влияющих на пластичность, связана с выбором соответственных параметров процесса, обеспечивающих благоприятную схему напряженно-деформированного состояния металла.

Основой оптимизации режимов пластического формоизменения при заданных температурных условиях деформирования является количественный анализ напряженно-деформированного состояния металла при ковке в зависимости от геометрических, технологических и энергетических параметров процесса.

Для разработки и внедрения автоматизированных и оптимизированных систем проектирования процессов ковки необходимо располагать достоверной информацией о кинематике течения металла, его напряженно деформированном состоянии в процессе обработки, температурном поле и энергосиловых параметрах. Отсюда вытекает необходимость развития расчетных и экспериментальных методов исследования технологических процессов, которые особенно важны при разработке режимов деформирования дорогостоящих материалов, внедрении новых процессов, создании автоматизированных систем проектирования и управления процессом ковки. Актуальным является использование современных численных методов механики сплошных сред и создание на их основе математических моделей, процессов в виде комплексов программ для ЭВМ.

Основной целью работы является комплексный подход научно-обоснованного управления процессом ковки, позволяющим назначить конфигурацию кузнечных бойков и принадлежащих им режимов деформирования, обеспечивающих требуемое качество, точность размеров, высокую производительность и минимальные затраты энергосиловых параметров. Определение количественных и 1 V" данных о распределении локальной деформации, напряжении и скоростей деформации в фактическом очаге деформации позволит установит истинную геометрическую, механическую и физическую картину очага деформации и допустить возможность приближенного определения качества поковок на какой-либо стадии ковки. В работе подтверждена реальная возможность сделать процесс протяжки управляемым, позволяющим регулировать течение металла путем заданной схемы напряженно-деформированного состояния металла и обеспечивающим получение заданных механических свойств в определенном направлении. Путем последовательного изменения в процессе протяжки формы и геометрических параметров кузнечных бойков и основных технологических параметров можно управлять очагом деформации и достигать в заданном месте поковки либо максимального уровня проработки металла, либо наибольшей равномерности проработки металла по сечению. Управление заданной неравномерностью деформаций в отдельных зонах поковки, создание соответственных условий для оптимального распределения местных деформаций в объёме поковки имеет непосредственное влияние на прогнозирование структуры металла и качество получаемых поковок.

Для выполнения основных целей работы проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования для главных процессов ковки: осадки и протяжки. Предложена разработанная на основе метода конечных элементов комплексная, термомеханическая математическая модель процесса ковки, позволяющая рассчитывать напряженнодеформированное состояние, энергосиловые параметры и температуру с учётом реальных реологических свойств, условий трения и температурно-скоростных условий деформации при осадке и протяжке поковок. Предусмотрена возможность производить прогноз вероятного разрушения исходя из теории В. Л. Колмогорова.

Установлено, что достоверное теоретическое решение пластического течения при осадке и протяжке может быть получено путем сведения основных технологических параметров (форма кузнечного инструмента, обжатие и подача) и дополнительных: скорость деформационного упрочнения, температура, реология материала и трение. При построении теоретической модели для процессов ковки учтены разные варианты граничных условий. При определении граничных условий в площади контакта заготовки с инструментом использована зависимость сил трения от скорости скольжения металла относительно бойков. Для задания граничных условий на контакте металла с бойком используется итерационный алгоритм, позволяющий определять протяженность и расположение зон скольжения и прилипания исходя из заданного закона трения.

Методом математического моделирования исследовано влияние геометрии очага деформации, реологии среды, условий трения и температурного скоростного режима ковки на напряженно-деформированное состояние металла, энергосиловые параметры и температурное поле при осадке и протяжке в диапазоне технологических параметров, значительно превосходящих пределы их изменения, достигнутые в наиболее обширных экспериментальных исследованиях. Математическая модель реализована в виде комплекса программ для ЭВМ позволяет определить параметры оптимального процесса. В качестве критерия оптимизации принят коэффициент распределения равномерной деформации.

Исходной информацией для определения компонентов напряжений и деформаций аналитическим методом были экспериментальные данные. Сочетание теоретических и экспериментальных исследований следует признать наиболее результативным направлением определения оптимальных режимов пластического деформирования при ковке. Новая разработанная методика анализа технологических особенностей кузнечных операций, выходящая за рамки аппарата механики сплошных сред и теории пластичности будет способствовать дальнейшему развитию кузнечной науки.

Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию закономерностей качественного и количественного распределения напряжений и деформацией, энергосиловых параметров в заготовках при осадке и протяжке вырезными, комбинированными и плоскими бойками для получения обоснованных данных, необходимых для уточнения механических параметров осадки и протяжки и повышения качества поковок.

Представлены также результаты комплексных экспериментальных исследований касающихся деформированного состояния металла при осадке и протяжке, с варьированием в широких пределах параметров очага деформации и формы бойков.

Одна из основных проблем при ковке на прессах-это устранение внутренних дефектов усадочного происхождения осевой зоны слитков в процессе осадки и протяжки. Проведены экспериментальные исследования влияния формы кузнечных бойков, подачи и обжатия на заварку внутренних дефектов металлургического происхождения. Для осуществления операции протяжки наряду с плоскими использовались комбинированные (верхнийплоский, нижнийвырезной) и вырезные бойки (симметричные и несимметричные). Для разработки оптимальных режимов деформирования в этих бойках необходимо знать закономерности заковки дефектов в зависимости от условий протяжки.

Проведены исследования влияния формы кузнечных бойков, подачи, обжатия и схемы ковки на формоизменение при протяжке. Экспериментальный материал обработан математически и получены эмпирические уравнения для горячего формоизменения при протяжке. Исследованы основные технологические и математические закономерности в процессе отдельных и последовательных обжатий. Определен оптимальный режим интенсивной протяжки на прессах.

Проведены исследования влияния формы кузнечных бойков, подачи, обжатия и других геометрических параметров заготовок на энергосиловые параметры при протяжке отдельными и последовательными обжатиями с кантовкой. Применялись бойки плоские, комбинированные (угол 90°-135°), вырезные (угол 90°-150°), подачи 0,30−2,50, обжатия 0,05−0*50. Исследования проведены для трёх схем деформирования. Получен ряд практических рекомендаций направленных на повышение производительности и уменьшение энергетических затрат.

Настоящая работа направлена на изыскание возможных путей повышения технологической эффективности и научного обоснования закономерностей для основных процессов ковки. Сочетание теоретических и экспериментальных исследований позволило дать обоснованные рекомендации по выбору деформационных режимов ковки слитков и разработать наиболее рациональные и эффективные технологические процессы, которые прошли производственную проверку.

Работа дает возможность располагать достоверной информацией о кинематике течения металла (ряд математических зависимостей), его напряженнодеформированном состоянии в процессе обработки, температурном поле и энергосиловых параметрах.

Полученные результаты дают основы для разработки системы автоматизированного проектирования технологических процессов ковки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексные математические модели основных технологических процессов ковки (осадка, протяжка), позволяющие рассчитывать напряженно-деформированное состояние, энергосиловые параметры и температурное поле металла.

2. Усовершенствованная методика исследования напряженно-деформированного состояния в условиях обобщенной плоской деформации при протяжке с использованием экспериментально-теоретического подхода.

3. Результаты применения математических моделей к исследованию технологических процессов ковки.

4. Результаты экспериментального исследования деформированного состояния при протяжке в плоских, комбинированных, в вырезных различной конфигурации (симметричных и асимметричных) и в специальных бойках.

5. Результаты экспериментального исследования формоизменения и энергосиловых параметров при протяжке в плоских, комбинированных и вырезных бойках.

6. Результаты экспериментального исследования закономерностей закрытия внутренних дефектов слитка при осадке и протяжке.

7. Обобщенные в виде полей распределения, графиков и регрессионных моделей основные положения, выводы и рекомендации, заявленные и внедренные в промышленных условиях технико-технологические решения управления процессами изготовления поковок.

Принятые обозначения аварьируемый параметрА- работа деформацииау, ъ bij k, суд — коэффициенты функции формы;

В] -матрица производных от функции формы;

Bk, Lk — габаритные размеры бойка;

Bw, Hwширина и глубина выреза бойка;

Ср-теплоемкоеть;

D] - матрица упругости;

D0, Dkисходный и конечный диаметры заготовкиеу — компоненты девиатора скорости деформации;

F}0 — силы в узлах, обусловленные начальными деформациямиf — коэффициент тренияF — усилие;

Н0, Н — исходная и конечная высоты заготовки при осадкеh^h — исходная и конечная высоты заготовки при протяжке- [J] - матрица Якоби;

К] - матрица жесткости- [к] - матрица жесткости элемента;

Кяконстанта поверхности заготовки (по Леванову) — кт — коэффициент напряженного состояния;

10, li — исходная длина, конечная длина;

1р — подачаlw — относительная подачап — число узлов элементовр, рх, ру — удельное усилие, компоненты удельного усилия, {R} -узловые силы;

Ro, Rk — радиус начальный, радиус конечный, Rw — радиус выреза бойкаЯ2-радиус выреза радиусного бойкаrk — радиус закругления кромки бойкаs — отношение исходных габаритных размеров заготовки (Ho/Do);

S — площадь поверхности конечного элемента;

St — площадь контактной поверхности;

Sy — компоненты девиатора напряжений;

Т — температураTs — сила тренияt, At — время, приращение времениux, uy, uz — перемещения (вдоль осей координат) — vy kкомпоненты скорости перемещения узлаV, dV, Vu — объем, приращение объема, смещенный объемVj — компоненты скорости перемещенияv0 — скорость бойкаvr, уф, vz — компоненты поля скоростей;

X, У, Z, х, у, ъ — координаты точки прямоугольныег, г, ф — координаты точки цилиндрические- [X}, {У} - координаты для прямоугольного элементаа — угол выреза бойкауГ2, уху — компоненты скорости деформации сдвига;

— интенсивность деформаций сдвига- 8С — коэффициент неравномерности деформации- 8^ - символ Кронекера- 8 — относительное удлинение- {5} - перемещения узловых точек элементаФ, е^ - логарифмическая деформация, относительное обжатие- 8} - интенсивность конечных деформацийе2 — скорость деформации вдоль оси ъ 8ппах 5 8шип ~ максимальная и минимальная интенсивность деформацийсу — технический тензор конечных деформаций в Лагранжевом описанииу — компоненты тензора скоростей деформаций- ?1 — интенсивность скоростей деформаций- 0 -относительное изменение объема- 0 -скорость изменения объема;

X — множитель Лагранжа, коэффициент теплопроводностиц — коэффициент вязкости;

V — коэффициент Пуассона- - относительное поперечное сужениег), т^ - Нормализованные координаты, координаты точек интегрированияр, ав — плотность, предел прочностиат — предел текучести при растяжениио0, оу — гидростатическое давление, тензор напряжениясг^ - интенсивность напряженийар — сопротивление деформации при данной температуреТху, Ту2, Тгхкасательные напряженияХ[ - интенсивность касательных напряженийх^ - касательные поверхностные силы;

15. Основные результаты, выводы, предложенные зависимости и рекомендации обобщены в виде базы данных и использованы для разработки процесса протяжки по программе, которая позволяет с высокой точностью реализовать любой заданный, с учетом возможностей оборудования, режим ковки, обеспечивающий оптимальность заданных критериев (время ковки, качество поковок и энергосиловые параметры). Основные рациональные параметры управляемого процесса протяжки соответствуют оптимальным технологическим параметрам при протяжке единичными обжатиями.

16. Разработанные методики, программное обеспечение и разработанные технологии практически применены на ковочном комплексе гидропресс-манипулятор с программным управлением «ХСВ» Столова Воля. Разработан ряд технический решений, обеспечивающих повышение производительности и качества поковок за счёт рационализации и совершенствования режимов ковки и технологического инструмента. Полезность предложенных и внедренных технологических рекомендаций и технических решений подтверждена актом внедрения, который представлен в приложении.

17. Совокупность научных положений, выводов и обобщений, сформулированных и обоснованных в диссертации, является решением научной проблемы управления качеством металла поковок и повышения эффективности технологических процессов ковки, вносит важный вклад в практику оптимизации режимов обработки и управления процессом ковки.

Заключение

и основные выводы по работе.

В работе предложена математическая модель для осадки и протяжки, разработанная на основе метода конечных элементов, позволяющая рассчитывать напряженно-деформированное состояние, энергосиловые параметры с учётом различных реологических свойств, условий трения и температурноскоростных условий деформации поковок круглого сечения, деформируемых под плоскими, комбинированными и вырезными бойками. При построении теоретической модели для главных процессов ковки учтены разные варианты граничных условий. При определении граничных условий в площади контакта заготовки с инструментом использована зависимость сил трения от скорости скольжения металла относительно бойков. Математическая модель реализована в виде комплекса программ для ЭВМ, а позволяет определять распределение деформации, скоростей деформации, напряжений и температуры в очаге деформации.

Совершенствование режимов деформации, обеспечивающих получение поковок высокого качества, основано на знании количественных данных о распределении напряжений, деформаций и энергосиловых параметров.

С помощью метода математического моделирования исследовано влияние геометрии очага деформации, реологии среды, условий трения и температурно-скоростного режима ковки на напряженно-деформированное состояние металла, энергосиловые параметры и температурное поле при осадке и протяжке. В качестве критерия оптимизации принят коэффициент распределения равномерной деформации.

Во время осуществления процесса ковки поковка получает не только определённую форму, но и происходит улучшение структуры и повышение механических свойств обрабатываемого металла, тесно связанных с распределением напряжений, деформаций и температуры в объёме поковки. Эти проблемы приобретают особенно большое значение при деформировании высоколегированных сталей и сплавов. Поэтому для разработки рационального технологического процесса ковки необходимо располагать достоверной информацией о кинематике течения металла, его напряженнодеформированном состоянии, температурном поле и энергосиловых параметрах. Создание соответственных условий для получения оптимальных деформаций в определённых местах поперечного сечения деформируемого материала дает возможность прогнозировать структуру и механические свойства поковок. Можно также прогнозировать заковку дефектов металлургического происхождения во время процесса ковки.

Представленные данные теоретических расчётов по методу конечных элементов с данными лабораторных опытов свидетельствуют об эффективности моделирования технологических процессов ковки с использованием МКЭ.

Из результатов проведенных исследований видно, что напряжения и деформации распределены неравномерно. На торцах осаживаемой заготовки наблюдаются зоны скольжения и торможения. В центральной зоне скольжения не наблюдается, деформация невелика, касательные напряжения достигают максимальной величины. Неравномерность деформации при осадке вызывает накопление дополнительных напряжений, искажающих основную схему напряженного состояния и в некоторых областях тела могут появиться растягивающие напряжения, которые в некоторых случаях могут достигать значительной величины и вызывать на поверхности осаживаемого тела продольные трещины. Роль степени деформации при осадке высоких и низких заготовок неодинакова. Влияние величины отношения Н/Ц>на условия радиального смещения металла на контактной поверхности более сложно. Оно связано с величиной сил деформационного трения в реальных процессах осадки. При данной степени деформации смещение образца охватывает тем больший по площади участок, чем меньше силы трения. Переход боковой поверхности на контактную становится тем более интенсивным, чем больше силы трения. С увеличением степени деформации, как и с уменьшением сил трения радиальное смещение по контактной поверхности получает всё большее развитие, а участки прилипания сокращаются. Увеличение степени деформации приводит к увеличению неравномерности деформации только до некоторого предела, после чего неравномерность деформации уменьшается. Уменьшение сил трения всегда способствует уменьшению неравномерности деформации. Реальная деформация металла при осадке неравномерна не только в микро объемах, но и макро объемах. Неравномерность деформации при осадке, которая проявляется в виде бочкообразования, обычно нежелательна, приводит к затрате дополнительных времени и средств на выравнивание боковой поверхности поковки.

Исследования напряженного состояния при осадке показали, что оно изменяется от всестороннего сжатия до одноосного сжатия и двухосного растяжения. Параметрыкоторые уменьшают неравномерность деформации, характеризуются меньшим влиянием сжимающих напряжений в средней части поковки, и увеличивают растягивающие напряжения в боковой части поковки. Распределение деформаций по различным участкам объема поковки как итоговое, так и при отдельных операциях технологического процесса7 определяет деформационный эффект ковки. Исследования процесса осадки направлены были на поиск оптимального режима ковки для повышения качества получаемых поковок. На основе проведенных исследований можно получить оценку значения местной проработки структуры отдельных зон и достижения требуемых механических свойств. Процессом заковки дефектов можно управлять, варьируя качеством исходного металла или величиной местной деформации в различных зонах объёма металла посредством изменения формы очага деформации, внешнего трения, температурного поля металла в заготовке, схемы ковки и режима деформации. В процессе ковки свойства металла меняются под воздействием напряжений, деформаций и температуры.

Анализируя условия трещинообразования, можно сделать вывод, что опасными являются лишь растягивающие напряжения, но в условиях положительной деформации и отрицательных напряжений трещинообразование также в принципе возможно. Наиболее опасными условиями для трещинообразования являются те, при которых положительные деформации и напряжения совпадают. В этих случаях чем больше положительная деформация, тем вероятнее появление трещин в случае свободных деформаций.

В реальных процессах осадки на трещинообразование оказывает влияние неравномерность деформаций. Вследствие этого местная степень деформации может в 1,5−2,0 раза превысить среднюю величину деформации. При этом, опасность исчерпания запаса пластичности в некоторых местах объёма значительно возрастает. Воздействие неравномерности деформации связано с появлением значительных дополнительных напряжений при большой величине градиента неравномерности. При осадке образование трещин вследствие исчерпания пластических свойств наиболее вероятно на боковой поверхности. Большая часть трещин, встречающихся при ковке? возникает в результате исчерпания деформационной способности металла после относительно большой деформации по сравнению с той, которая характерна для естественной способности металла к пластической деформации.

Анализируя факт возникновения при пластической деформации напряжений вдоль осей, по которым отсутствуют прилагаемые силы, следует допустить возможность возникновения этих напряжений в результате деформаций вытеснения. Образование трещин и их дальнейшее раскрытие происходит под действием напряжений, возникающих вследствие неравномерности деформации или температурного поля.

Для правильного построения технологического процесса ковки необходима достоверная диагностика напряжений и деформаций. В работе ищется ответ на вопрос, как не допустить совпадения растягивающих напряжений. Для процесса осадки точно определены местные деформации и их неравномерность распределения в объёме поковки. Обнаружено, что опасность исчерпания деформационной способности в некоторых местах объёма значительно возрастает. Рассмотрены участки полей неравномерного течения металла, что помогает установить их связь с зонами деформации.

В работе показано, что осадка поковок с отношением Н0Д)0 = 0,5−1,0 и еь >0,20 должна ликвидировать дефекты металлургического происхождениянаходящиеся в середине высоты поковки в радиальном направлении. Для поковок с отношением Н0Д)0 >1,5 необходимы большие степени деформации для закрытия трещин (е^ > 0,50). Выявлено, что пластические свойства металла в наибольшей степени используются в осевой зоне заготовки и в углах поперечного сечения, а исчерпание пластических свойств наиболее вероятно на боковой поверхности, по месту середины бочкообразного профиля.

В работе большое внимание уделено тепловому воздействию и термическим условиям при ковке, потому что целью ковки металлов является не только формоизменение металла, но и получение оптимальной его структуры. Температура значительно влияет на механические свойства металла и определение распределения температуры в очаге деформации имеет важное значение. В работе применена термомеханическая модель для процессов ковки, которая дала возможность симулирования горячих процессов ковки.

Значительная неравномерность деформации при осадке ведёт к неравномерному генерированию теплоты и в конечном счёте повышает неравномерность механических характеристик изделий. В процессе деформирования температура заготовки может повышаться за счёт теплового эффекта деформации, причем, количество выделившегося тепла зависит от затрачиваемой на формоизменение работы и интенсивности теплоотвода от заготовки в окружающее пространство и теплоотдачи в инструмент.

Проведенный анализ показал, что при осадке заготовок плоскими бойками нельзя получить равномерную структуру заготовки из-за неравномерности термомеханических условий деформации. Для получения равномерной мелкозернистой структуры заготовки прежде всего надо искать пути гарантирования равномерности распределения деформации в объёме поковки. В работе обнаружено, что большая неравномерность деформации по поперечному сечению заготовки удовлетворительно согласуется со значительным температурным градиентом по её сечению. Максимальные значения интенсивности деформации обнаружены в центре заготовки,* там также встречаются и максимальные значения температур. В процессе деформирования температура центра заготовки может повышаться за счёт теплового эффекта деформации, причем количество выделившегося тепла зависит как от затрачиваемой на формоизменение работы, так и от интенсивности теплоотвода от заготовки в окружающее пространство. На поверхности контакта инструмента с заготовкой имеется большой градиент температуры, связанный с теплопроводностью вдоль оси заготовки. Повышение температуры в результате теплового эффекта деформации возрастает с увеличением местных деформаций и скоростей деформации. Поэтому при назначении термомеханического режима деформирования при осадке необходимо учитывать фактор повышения температуры заготовки в результате теплового эффекта пластической деформации и тепловыделения от сил трения на контактной поверхности.

В практике осаживание слитков реализуется при повышенных температурах и. при применении предельных деформаций для данной стали. Пластичность существенно зависит от температуры нагрева и от показателя жесткости напряженного состояния, поэтому определение температурного поля при ковке дает возможность управления течением металла в очаге деформации. В работе выявлено, что учёт изменения температуры в объёме поковки позволяет предсказывать эффективность различных вариантов процессов ковки с применением операции осадки.

Результаты расчётов величины теплового эффекта деформации при осадке подтверждены экспериментально, а полученные температуры для отдельных зон заготовки показали удовлетворительное совпадение расчётов и экспериментальных данных.

При протяжке наличие внешних зон вносит существенные изменения в напряженное и деформированное состояния тела. Неравномерность деформации при протяжке тоже связано с силами внешнего трения и отношениями геометрических размеров очага деформации. Наличие сил внешнего трения всегда увеличивает неравномерность деформации, а наличие внешних зон может либо уменьшать эту неравномерность, либо увеличивать её, в зависимости от формы и отношений геометрических размеров очага деформации и сил внешнего трения.

Формоизменение, плотность, структура и свойства металла при протяжке тесно связаны с изменением во времени и пространстве напряжений, деформаций и температуры металла. Проведенные исследования для процесса протяжки показали существенное влияние формы бойков, обжатия и относительной подачи на распределение деформации в объёме заготовки. Полученные в работе эпюры распределения интенсивности напряжений, интенсивности деформаций и скоростей деформации позволили установить качественную и количественную картину процесса протяжки в зависимости от конфигурации бойков, единичного обжатия, относительной подачи и других технологических параметров. Варьирование технологическими параметрами позволяет изменять схему напряженно-деформированного состояния металла, и таким образом управлять пластичностью материала.

Регулирование потоков металла по сечению заготовки за счёт изменения формы рабочей поверхности инструмента и технологических режимов протяжки позволяет сосредоточить деформацию во внутренних слоях и решить задачу устранения осевых несплошностей слитка. Сосредоточение деформаций в осевой зоне заготовки, для деформационной проработки зоны внецентренной ликвации являлось одной из важнейших задач, решаемой в данной работе. Сосредоточение деформаций позволяет исключить промежуточную осадку при ковке удлиненных поковок и добиться требуемого качества металла поковок по всему сечению.

Многочисленными исследованиями напряженно-деформированного состояния заготовок при протяжке вырезными (симметричными и асимметричными) бойками установлены основные закономерности изменения деформаций в фактическом очаге деформации при изменении формы и геометрических размеров кузнечных бойков. Установлена и подтверждена экспериментально реальная возможность управления очагом деформации и планирования места и уровня требуемой интенсивности проработки металла по сечению поковки путем строго последовательного изменения в процессе протяжки технологических параметров процесса протяжки.

Подтверждено, что путем последовательного изменения в процессе протяжки формы бойков, относительной подачи и величины единичного обжатия можно управлять очагом деформации и достигать в заданном месте сечения поковки либо максимального уровня проработки металла, либо наибольшей равномерности проработки по сечению.

При протяжке в плоских бойках максимальные деформации получены в центральной части заготовки, где максимальные значения щ достигают величины 2−2,5 В других частях поперечного сечения круглой заготовки деформация другая, причём неравномерность деформации довольно большая. Проковка центральных слоев поковки сильно отличается от проковки поверхностных слоев. Боковые части очага деформации находятся в очень неблагоприятном напряженном состоянии. Под влиянием боковых внешних зон появляются поперечные растягивающие напряжения. При такой схеме напряжений у боковых частей поперечного сечения увеличивается возможность нарушения сплошности металла и развития имевшихся в металле до деформации дефектов.

При протяжке в комбинированных бойках деформированное состояние характеризуется меньшей неравномерностью, по сравнению с протяжкой в плоских бойках. На основе проведенных исследований можно оценить кинематику течения металла в зависимости от формы нижнего бойка и применяемых технологических параметров. Анализ картин распределения деформаций показал существенное качественное и количественное изменение деформированного состояния заготовок в зависимости от формы нижнего бойка, единичного обжатия и относительной подачи. В качестве оптимальных рекомендуются значения углов развала нижнего бойка в пределах а= 105°-110°.

Анализ проведенных исследований показал существенное и количественное изменение деформированного и напряженного состояний заготовок при ковке вырезными бойками с различными углами выреза. Конфигурацию вырезных бойков необходимо выбирать исходя из пластичности конкретной марки стали, причем для ковки сталей с пониженной пластичностью рекомендуются бойки с углом развала а= 105°-110°. Эти бойки в начальный момент деформирования обеспечивают контакт по максимальной части периметра поперечного сечения заготовки, создают в основной части очага деформации благоприятные напряжения и способствуют качественной проработке металла в осевой зоне заготовки. Обнаружено, что при выборе конфигурации вырезных бойков необходимо учитывать радиус закругления вершины выреза бойков. Исследованиями установлено, что с увеличением отношения схема напряженного состояния для центральной части заготовки ухудшается, а интенсивность деформации повышается. При ковке с использованием ромбических бойков с углом развала а= 105°-110° и широкого диапазона соотношений 0,70−1,0 в центральной части заготовки реализуется благоприятная схема напряженного состояния при больших значениях интенсивности деформации.

Оптимальная относительная подача с точки зрения напряженно-деформированного состояния имеет значения.

0,50−0,70. Экспериментально установлено, что для того чтобы максимально уменьшить суммарную неравномерность деформированного состояния при наиболее благоприятной схеме напряженного состояния, рекомендуются для ковки сталей с повышенной пластичностью применять значения =0,25−0,30. Для ковки поковок из малопластичных марок стали надо устанавливать величину допустимого единичного обжатия эмпирически на основе экспериментальных данных. Для труднодеформируемых марок стали надо использовать индивидуальный подход и определить критическую степень деформации, при которой происходит образование на поверхности первой трещины.

Проведенные исследования показали, что оптимизация режимов ковки поковок из труднодеформируемых марок стали и сплавов наряду с учётом факторов, влияющих на пластичность, связана с выбором геометрических параметров процесса, обеспечивающих благоприятную схему напряженно-деформированного состояния металла.

При выборе формы инструмента можно подобрать такую геометрию, с помощью которой можно создать максимальные деформации в центральной зоне заготовки, при не совсем благоприятной схеме напряженного состояния или создать минимальные деформации в центре заготовки при наивыгоднейшей схеме напряженного состояния. На основании выполненных исследований установлено наиболее рациональное сопоставление углов развала асимметричного инструмента для осуществления процесса протяжки. Подтверждена реальная возможность управления очагом деформации и планирования места и уровня требуемой интенсивности проработки металла по поперечному сечению поковки, путем последовательного изменения в процессе протяжки конфигурации асимметричных бойков и технологических параметров.

Аналогично ромбическим бойкам с разными углами вырезов верхнего и нижнего бойков применяли и ромбические бойки с асимметричным вырезом верхнего и нижнего бойков.

Введение

двойной асимметричности в конструкцию ромбических бойков значительно изменяет течение металла по сравнению с ромбическими бойками.

Кроме ромбических асимметричных бойков применяли также комбинированные бойки с асимметричным.