The expansion of technological capabilities and advantages of convex inserts pre-forming in a hot die forging process of forged plates

Full Text

В настоящее время в отечественной промышленности большое внимание уделяется модернизации старых и разработке новых технологических процессов с внедрением энергоэкономичных и металлосберегающих технологий. Не исключением является и отрасль кузнечно-штамповочного производства, обладающая огромным потенциалом для реализации принципов повышения качества и конкурентоспособности производимой продукции. Перспективным направлением является также малозатратная, но высокоэффективная модернизация используемого оборудования и инструмента. Максимальное приближение формы заготовки к форме готового изделия, т.е. предварительное профилирование, позволяет значительно сократить потери материала в облой, снизить затраты на последующую механическую обработку, а также повысить стойкость штампового инструмента. Наиболее актуальными вопросы профилирования заготовок остаются для процессов горячей объёмной штамповки, в которых штампы, подвергаясь интенсивному ударно-абразивному износу, воздействию высоких температур и давлений, работают в весьма неблагоприятных условиях [1]. Исследование процесса предварительного профилирования перед последующей штамповкой проведены авторами в [2–4], в работах исследовано влияние формы деформируемого инструмента на напряжённо-деформированное состояние (НДС) и приведены значения макропоказателей формоизменения. Наиболее распространенными штампованными поковками являются такие, которые, в общем случае, относят к круглым или вытянутым в плане. Согласно ряду классификаций [5–8], на кривошипных прессах, в том числе в штампах с разъемными матрицами, штампуют также поковки с отростками, фланцами, развилинами, с изогнутой осью и др. При этом поковки типа пластин зачастую не находят своей классификационной принадлежности, считаясь малотехнологичными для условий штамповки на КГШП. Не упомянуты поковки типа пластин и пластин с отростками и в широкоизвестной классификации Е.И. Семенова [9], на основе которой проводят назначение переходов штамповки на КГШП. Целью работы является исследование расширения технологических возможностей и оценка преимуществ предварительного профилирования заготовок выпуклыми вставками в процессах горячей объёмной штамповки поковок пластин. Поковку «Пластина подвижная» (рисунок 1), являющуюся составной частью поглощающего аппарата типа Т2 для сцепки железнодорожных вагонов и цистерн, штампуют в условиях ЗАО «Азовэлектросталь» (г. Мариуполь) на кривошипном горячештамповочном прессе (КГШП) номинальной силой 40 МН. Базовая технология (рисунок 2, а) производства поковки «Пластина» (Материал – сталь 38ХС ГОСТ 4543-71, масса поковки без облоя – 3,77 кг) включает отрезку от прутка цилиндрической заготовки с размерами Æ90´110 мм (масса 5,49 кг), её индукционный нагрев до 1100 0С, вертикальную установку и осадку плоскими плитами на 10 % для сбива окалины, предварительную и окончательную штамповку в открытых ручьях с последующей обрезкой облоя в горячем состоянии на обрезном кривошипном прессе усилием 4,0 МН. Подача поковки с облоем от КГШП к обрезному прессу производится транспортером. Рисунок 1. Поковка «пластина подвижная» Технологический процесс сопровождался нестабильными окончательными размерами поковки в области отростка из-за недоштамповки до требуемых размеров. Это объясняется тем, что низкие поковки типа «пластина» с тонким полотном требуют больших удельных усилий (давлений) на гравюре для полного окончательного оформления размеров изделия, а отсутствие промежуточного приближения формы заготовки к конфигурации поковки приводит к неблагоприятному распределению давлений по её площади проекции. Большие степени обжатия и быстрое охлаждение полотна плоской поковки на штампе приводит к значительному росту сопротивления деформированию металла, что увеличивает долю упругой деформации станины пресса и приводит к недоштамповке и завышенной толщине облоя. Для локализации давлений в области оформления отростка, снижения упругой деформации станины пресса, улучшения заполнения гравюры штампа предложено выполнять вместо операции осадки заготовки плоскими плитами операцию осадки выпуклыми продолговатыми (радиусными) плитами с обеспечением эксцентриситета оси выпуклости плит к вертикальной оси заготовки. Подобное профилирование заготовки позволяет произвести вытяжку полуфабриката в направлении максимального габаритного размера, обеспечить распределение объёмов металла между областями формирования отростка и удлинение полотна поковки. а) б) Рисунок 2. Эскизы переходов штамповки поковки «Пластина подвижная»: а – заводская технология; б – новая технология; Для проверки и подтверждения результатов было выполнено конечно-элементное моделирование процесса штамповки детали типа «пластина». Моделирование проводили в программном пакете Deform 3D. Предварительно перед моделированием была создана твердотельная модель цилиндрической заготовки с высотой H0 = 97 мм и диаметром D0 = 88 мм (рисунок 2) и осажена до относительных степеней обжатия (рисунок 3), где = 70 мм. - величина хода инструмента (абсолютное обжатие), мм. Значение эксцентриситета при осадке, т.е. несовпадение оси заготовки и вертикальной оси осадочных плит, принимали е = 12,5 мм. Материал заготовки – сталь 45, при этом модель упрочнения, так же как и граничные условия, брали в соответствии с условиями, предложенными программой. Температурные условия принимали изотермическими, температура деформации 1100 °С. Заданное количество конечных элементов составляло 50000 шт. Коэффициент контактного трения при деформации, согласно рекомендациям источника [10], принимали = 0,3. а) б) Рисунок 3. Исходная заготовка с сеткой конечных элементов (а) и модель профилированного полуфабриката (б) Модели инструмента были построены в программном пакете КОМПАС – 3D. Особое внимание при моделировании уделяли участку образования отростка в поковке. Для изучения характера поведения металла в зоне отростка были выделены 5 точек (рисунок 4), по которым построены графики зависимости интенсивности деформаций (рисунок 5) и графики зависимости интенсивности напряжений (рису 6) от относительного перемещения. Рисунок 4. Схема исследуемых точек в зоне отростка а) б) Рисунок 5. Интенсивность деформаций в заданных точках: а – заводская технология; б – новая технология Анализ графиков показал, что применение новой технологии при производстве поковок типа «пластина» позволило сократить интенсивность напряжений в зоне формирования отростка на 10 %, а интенсивность деформации на 30 %. Новая технология характеризуется формированием неравномерности деформаций (рисунок 5, б) в профилированной заготовке, что является полезным с точки зрения заполнения окончательного штамповочного ручья. Из графиков распределения интенсивностей напряжения в заданных точках (рисунок 6) хорошо прослеживается резкое возрастание интенсивности напряжений при заводской технологии (рисунок 6, а), в зоне формирования отростка на начальных стадиях, что может привести к появлению нежелательных дефектов и остаточных напряжений. Предложенная технология также направлена на повышение стойкости штампа и контролируемости самого процесса штамповки. а) б) Рисунок 6. Интенсивность напряжений в заданных точках: а – заводская технология; б – новая технология По результатам моделирования построены графики зависимости силы штамповки от перемещения (рисунок 7), которые показывают уменьшение требуемой силы для штамповки детали типа «пластина подвижная» по новой технологии почти в 2 раза. а) б) Рисунок 7. График распределения силы необходимой для штамповки: а – заводская технология; б – новая технология Выводы Внедрение предварительного профилирования перед операцией штамповки приводит к снижению интенсивности напряжений в гравюре окончательного ручья до 15 % и позволит сократить отходы металла с облоем до 20 %, а также позволяет снизить силу, необходимую для штамповки почти в 2 раза.

About the authors

V. V Kuhar'

Azov State Technical University

Ph.D.

R. S Nikolenko

Azov State Technical University

R. V Suglobov

Azov State Technical University

References

Supplementary files