Горячая раскатка. Изготовление высокоточных металлических поковок «Тела вращения». СпецИзделия. Оборудование для предприятий общественного питания учеб. пособие

Предназначена для изготовления осесимметричных в плане поковок с элементами тонких полотен методом горячей торцовой раскатки (ГТР) из углеродистых и легированных сталей.

Комплекс может использоваться в кузнечных цехах машиностроительных предприятий, связанных с изготовлением деталей типа дисков, фланцев, колец и т.д.

Модернизированный комплекс на базе серийно выпускаемого гидравлического пресса мод. ДЕ2432 дооснащен установкой для ГТР и имеет единую систему управления.

Установка для (ГТР) включает в себя два шпинделя со сменными инструментами: верхним неприводным и нижним приводным, установленными соответственно на ползуне и на столе пресса.

Нижний шпиндель с нижним раскатным инструментом приводится во вращение от индивидуального электродвигателя через клиноременную и две малошумные зубчатые передачи. Верхний шпиндель с верхним раскатным инструментом снабжен механизмом регулирования угла наклона относительно вертикальной оси вращения.

При раскатке вращательное движение от нижнего шпинделя за счет сил трения передается через деформируемую заготовку верхнему шпинделю.

Преимущества оборудования:

• установка снабжена системой циркуляционного смазывания-охлаждения подшипников;
• привод установки оснащен муфтой-тормозом;
• единая система управления установкой позволяет работать в наладочном и полуавтоматическом режимах;
• ползун пресса, выталкиватель и привод вращения нижнего шпинделя включаются электрической педалью.

Имеется возможность комплектации установки средствами загрузки-выгрузки заготовок (полуфабрикатов).

Технологический процесс получения поковок методом ГТР за счет обжатия металла в локальном контакте позволяет уменьшить усилие раскатки в 5-10 раз и более по сравнению с усилием деформирования на КГШП или ПВШМ.

Главной особенностью предлагаемого процесса является возможность получения изделий с тонкими полотнами при соотношении высоты к диаметру до 0,03, что практически недостижимо на традиционном КПО. При торцовой раскатке этих изделий уменьшается расход металла до 15%, снижается трудоемкость механообработки до 25%.

Применение новой технологии дает возможность уменьшить массу поковки, сократить объем механической обработки и, самое главное, - снизить силу за счет локального деформирования, что позволяет заменить такими установками более мощное штамповочное оборудование. Предлагаемые комплексы для изготовления упомянутых типов поковок с успехом заменят традиционное оборудование: КГШП усилием 630-1000 тс и частично 1600 тс, а также ПВШМ с МПЧ 630-1000 кг и частично 2000 кг, обладая безударным характером работы, меньшими габаритными размерами, массой и стоимостью.

В производственных условиях комплекс эксплуатируется совместно со средствами нагрева. При необходимости в состав участка может быть включен пресс для осадки полуфабриката для последующей раскатки.

Гибку на ГГМ применяют для изготовления поковок, требующих значительного штамповочного пространства и большого хода ползуна. Для того чтобы гибка заканчивалась в нижнем пределе штамповочных температур (800—850°С), заготовки нагревают до 900—1000°С (более высокие температуры нагрева нежелательны, так как в местах изгиба увеличиваются отклонения размеров поковки от заданных). Длинную заготовку нагревают не по всей длине, а лишь участки, находящиеся в зоне изгиба и смежные с этой зоной. Гибку в штампах заканчивают правкой, а иногда калибровкой.

Вальцовка выполняется на ковочных вальцах для фасонирования заготовок под последующую штамповку на других штамповочных агрегатах. В процессе вальцовки поперечное сечение заготовки уменьшается (но оно не должно быть меньше максимального поперечного сечения изделия), а ее длина увеличивается; при этом получают изделие с различными сечениями по длине.

В зависимости от сложности формы вальцовка может быть одно- или многопереходной. Соответственно этому валки могут иметь одно- или многоручьевые вставки, устанавливаемые в одноклетевых вальцах. Штамповка в них может выполняться без кантовки или с кантовкой на 90° после каждого перехода. В много клетевых вальцах вальцовка выполняется без кантовки на проход. Так, на Волжском автозаводе подготовку предварительно нагретых в индукторе заготовок полуосей перед штамповкой на ГКМ выполняют на девятиклетевых вальцах, работающих в автоматическом режиме. Вальцовку успешно применяют также для штамповки поковок от прутка с образованием облоя. Поковки, выходящие из вальцов, соединены между собой общим облоем. При последующей обрезке облоя происходит разделение поковок.

Рис. 7.6.

Для горячей раскатки , выполняемой на кольцераскатных машинах (рис. 7.6), используют заготовки кольцеобразной формы. Заготовка 1 раскатывается между нажимным 4 и центральным 3 валками. Валок 4 является приводным и нажимает на заготовку, благодаря чему она приобретает требуемые форму сечения и диаметр. Валок 5 является направляющим, а валок 2 — контрольным. При соприкосновении раскатываемой поковки с валком 2 последний начинает вращаться, нажимный валок отходит в исходное положение и раскатка заканчивается. Форма поперечного сечения стенки раскатываемого кольца может быть разнообразной и определяется профилем валков.

Рис. 7.7.

Методом горячего накатывания зубьев изготовляют зубчатые колеса из предварительно обработанной заготовки, которую нагревают в индукторе на требуемую глубину и до требуемой температуры. При штучной обработке колес (рис. 7.7) нагретую заготовку 2 зажимают на оправке кольцами 3 и подводят к ней вращающиеся валки 1 и 4 с зубьями: в результате заготовка начинает вращаться, и на ней образуются зубья. Валки 1 и 4 снабжены с торцов буртами 5, ограничивающими перемещение металла вдоль зуба. Производительность накатки при лучшем качестве зубчатых колес примерно в 50 раз выше, чем производительность чернового зубонарезания.

Для высокоскоростной горячей объемной штамповки в закрытых штампах применяют высокоскоростные молоты со скоростью деформирования 18—20 м/с, при которой уменьшаются силы контактного трения, снижается время контакта заготовки с инструментом, вследствие чего теплота, выделяющаяся в процессе пластической деформации (тепловой эффект), не рассеивается, а остается в заготовке и повышает ее температуру. Эти факторы способствуют увеличению пластичности металла, в результате чего на высокоскоростных молотах удается обрабатывать малопластичные металлы и сплавы, например вольфрам,: быстро режущие стали, титановые сплавы и др.

Рис. 7.8. Схема изотермической штамповки с укладкой заготовок стопкой : а - до штамповки, б - после штамповки; 1, 4, 7, 10 - матрицы, 2, 5, 8, 11 - заготовки, 3, 6, 9, 12 - пуансоны, 13 - ползун пресса, 14 - контейнер, 15 - нагреватель, 16 - теплоизолирующий материал, 17 - кожух

Изотермическая штамповка (рис. 7.8) выполняется при практически постоянной температуре специальных сталей и сплавов, обладающих узким температурным интервалом обработки (например, 30-50°С для некоторых жаропрочных сплавов). Штамп для такой штамповки изготовлен из жаропрочных материалов и установлен в индукционном нагревателе или нагревателе сопротивления, обеспечивающем одинаковую температуру заготовки и штамповых вставок.

В изотермических условиях появляется возможность использования эффекта "сверхпластичности", т. е. способности некоторых металлов и сплавов к резкому снижению сопротивления деформированию и повышению пластичности при уменьшении скорости деформирования.

Большие перспективы имеет внедрение в машиностроительную промышленность и, в частности, в кузнечно-штамповочное производство метода поперечно-клиновой прокатки ступенчатых заготовок Ø 10—250 мм и длиной до 2500 мм, предназначенных для последующей горячей объемной штамповки, например, поковок шатуна автомобильного двигателя, при которой отпадает необходимость в выполнении заготовительных переходов.

Для прокатки используют прутки из углеродистых, инструментальных сталей, а также ряда жаропрочных и цветных сплавов. Поперечно-клиновая прокатка хорошо поддается полной автоматизации, в 5—10 раз увеличивает производительность труда по сравнению с ковкой и точением на токарных автоматах, на 20-30% снижает расход металла и уменьшает себестоимость изделий.

Рис. 7.9. Схемы поперечно-клиновой прокатки с использованием валкового (а), плоского (б) и валково-сегментного(в)инструментов

В процессе поперечно-клиновой прокатки круглая заготовка, диаметр которой равен или больше максимального диаметра изделия, деформируется со степенью обжатия 1,1-3 двумя валками или плитами с клиновыми элементами на поверхности (рис. 7.9).

В процессе прокатки на двухвалковых станах заготовка удерживается в зоне деформации с помощью направляющих линеек, расположенных вдоль межвалкового пространства, или втулок, находящихся у торцов валков. У станков с плоским инструментом вместо вращающихся валков имеются плоские плиты с выступающими клиньями. На валково-сегментных станах формоизменение заготовок производится путем перемещения навстречу друг другу выпуклого и вогнутого клинового инструмента. Выпуклый инструмент установлен на вращающемся валке, вогнутый — на неподвижном сегменте.

Союз Советских

Социалистических

Республик

В 21 Н 1/Об с присоединением заявки11о—

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Л.H.Äóáðoâèí, В.Л.Сницаренко и И.С.Щенев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ РАСКАТКИ КОЛЕЦ

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при горячей раскатке колец, применяемых, например, в тракторостроении, сельхоз- 5 машиностроении, автомобилестроении и при производстве колец подшипников, венцовых шестерен, бандажей, различных обечаек и т.д.

Известно устройство для горячей 10 раскатки колец, содержащее установленные в станине привод, приводной и неприводной шпиндели с раскатным инструментом и узел опорных роликов (1 1. 15

В указанном устройстве с целью обеспечения беэзазорной посадки цилиндрических поверхностей инструмента и точной фиксации его в осевом направлении, крепление неприводного валка к элементам станины осуществлено посредством шлицевой гайки с размещенными в ее пазах лепестками цанги.

Однако, в указанном устройстве 25 приводной наружный валок (инструмент) вместе с шпинделем быть целиком изготовлен иэ дорогостоящей жаропрочной инструментальной стали, что повышает стоимость устройства 30 и выпускаемой продукции. Инструмент, выполненный составным (бандажированным), не оправдывает себя при горячей раскатке, так как не обеспечивает постоянства натяга бандажа, зазора и стабильности процесса раскатки и качества колец и требует дополнительного технологического припуска на последующую механообработку.

Целью изобретения является повышение точности колец путем компенсации теплового расширения инструмента и обеспечения стабильности процесса раскатки.

Цель достигается тем, что устройство для горячей раскатки колец снабжено компенсирующим устройством, выполненным в виде установленной между шпинделем и инструментом подвижной в осевом направлении конической.разрезной втулки и мембраны, предварительно упруго поджатой в направлении основания конуса шпинделя.

На фиг., 1 схематически изображено устройство, общий вид; на фиг. 2раскатной инструмент с компенсирующим устройством; на фиг. 3 — узел опорных роликов.

Устройство для горячей раскатки колец состоит из станины 1, на которой смонтированы приводной шпиндель 2 с раскатным инструментом 3, неподвижно установленным относительно станины, и неприводной шпиндель

4 с раскатным инструментом 5, перемещаемым относительно станинй гидроцилиндром 6 во время раскатки кольцевой поковки 7. Кольцевая поковка удерживается узлом опорных роликов, состоящим из роликов 8 и 9, кинема- I0 тически связанных межцу собой рычажной схемой 10, управляемой гидроцилиндром 11, неподвижно закрепленным на станине. В полости гидроцилиндра имеется поршень 12, соединенный с 15 верхним штоком 13 и нижним штоком

Вращение приводного шпинделя с раскатным инструментом осуществляется посредством механизма 15 приво-. да. Устройство снабжено компенсирующим устройством, выполненным в виде конической разрезной втулки 16, угол конуса которой больше суммы углов трения по ее внутренним поверхностям

17 и наружным поверхностям 18, установленной между инструментом и шпинделем, и мембраны 19, упруго поджатой в направлении основания 20 конуса шпинделя с усилием, меньшим усилия ее выталкивания при остывании 30 раскатного инструмента.

Устройство работает следующим образом.

Кольцевые штампованные поковки меньшего диаметра и простой формы 35 в нагретом состоянии устанавливают между приводными 2 и неприводными

4 шпинделями раскатными инструментами 3 и 5, и производят раскатку. В процессе раскатки поковки, увеличива- @ ясь в диаметре, отжимают поддерживающие ролики Я, поджатые гидроцилиндром, которые обеспечивают центрацию заготовки и уменьшают при этом вибрацию поковки. В процессе раскатки предварительно нагретые поковки 7 45 постепенно нагревают и раскатной инструмент, в результате чего между приводным шпинделем и инструментом образуется зазор, однако компенсирующее устройство постоянно следит за 50 отсутствием зазора между рабочим инструментом и шпинделем и при его появлении разрезная втулка 16, установленная между раскатным инструментом 3 и приводным шпинделем 2, перемещается под действием мембраны

19, упруго поджатой в направлении основания 20, выбирая зазор между шпинделем и рабочим раскатным инструментом. Угол конусности разрезной втулки 16 подбирается таким, что он несколько превышает угол самоторможения и позволяет плавно компенсировать образование тепловых радиальных зазоров, а при остывании инструмента возвращаться в исходное состояние, сохраняя при этом постоянный натяг между раскатным инструментом

3 и приводным шпинделем 2 под действием упруго поджатой мембраны 19 с усилием, меньшим усилия выталкивания конической разрезной втулки 16 при остывании раскатного инструмента, поскольку угол конуса втулки больше суммы углов трения по ее внутренним и наружным поверхностям.

Предложенное устройство позволяет повысить стабильность процесса раскатки и точность колец, снизить технологический припуск на последующую механообработку, стоимость рабочего инструмента и требования к точности его изготовления, а также снизить простои оборудования. формула изобретения устройство для горячей раскатки колец, содержащее установленные в станине привод, приводной и неприводной шпиндели с раскатным инструментом и узел опорных роликов, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности колец путем кбмпенсации теплового расширения инструмента и обеспечения стабильности процесса раскатки, оно снабжено компенсирующим устройством, выполненным в виде установленной между шпинделем и инструментом подвижной в осевом направлении конической разрезной втулки и мембраны, предварительно упруго поджатой в направлении основания конуса шпинделя.

Единый тарифно-квалификационный справочник работ и профессий рабочих (ЕТКС), 2019
Часть №1 выпуска №2 ЕТКС
Выпуск утвержден Постановлением Минтруда РФ от 15.11.1999 N 45
(в редакции Приказа Минздравсоцразвития РФ от 13.11.2008 N 645)

Раскатчик

§ 72. Раскатчик 3-го разряда

Характеристика работ . Горячая раскатка заготовок колец для подшипников диаметром до 250 мм на раскаточных машинах с соблюдением установленных размеров. Проверка размеров измерительным инструментом. Подналадка машин.

Должен знать: устройство и способы подналадки обслуживаемых раскаточных машин и электронагревательного устройства; марки сталей, применяемых для колец шарикоподшипников; назначение и условия применения контрольно-измерительных инструментов.

§ 73. Раскатчик 4-го разряда

Характеристика работ . Горячая раскатка заготовок колец для подшипников диаметром свыше 250 до 350 мм на раскаточных машинах и заготовок в конический диск для колес автомобилей на дискораскатном стане. Наладка стана. Горячая раскатка заготовок колец для подшипников диаметром свыше 350 мм на раскаточных машинах совместно с раскатчиком более высокой квалификации.

Должен знать: устройство дискораскатного стана и кинематические схемы обслуживаемых раскаточных машин; марки сталей, применяемые для раскатки заготовок дисков колес машин; температуру и режим нагрева заготовок; устройство контрольно-измерительных инструментов.

§ 74. Раскатчик 5-го разряда

Характеристика работ . Горячая раскатка заготовок колец подшипников диаметром свыше 350 мм, профильных колец и сферических оболочек переменной толщины из жаропрочных и титановых сплавов авиационных двигателей диаметром до 1500 мм на раскаточных машинах. Насадка раскаточных машин на кольца.

Должен знать: кинематические схемы различных раскаточных машин, дискораскатного стана и нагревательных устройств, применяемых для раскатки колец и сферических оболочек; оптимальные режимы нагрева заготовок; припуски и допуски при обработке; зависимость степени радиального обжатия от толщины в различных точках заготовки; способы наладки раскаточных машин.

§ 75. Раскатчик 6-го разряда

Характеристика работ . Горячая раскатка, правка, калибровка профильных колец и сферических оболочек переменной толщины из жаропрочных и титановых сплавов авиационных двигателей диаметром свыше 1500 мм на раскаточных машинах. Раскатка тонкостенных деталей из коррозиестойких сталей и молибденовых сплавов.

Должен знать: технологический процесс раскатки крупногабаритных и тонкостенных деталей; конструкцию кинематических, гидравлических и нагревательных устройств и способы их наладки; способы достижения установленной точности обработки; правила расчетов параболических оболочек, связанных с выполнением различных работ.

УДК 621.73

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ВЕЛИЧИНЫ НАКОПЛЕННОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ГОРЯЧЕЙ РАСКАТКИ КОЛЕЦ

© 2009 Ф.В. Гречников1, Е.В. Арышенский1, Э.Д. Беглов2

1 Самарский государственный аэрокосмический университет 2 ОАО "Самарский металлургический завод"

Поступила в редакцию 13.02.2009

Разработана, конечно-элементная модель расчета степени накопленной деформации на различных этапах деформирования кольцевой заготовки. Сопоставление результатов моделирования и экспериментальных зависимостей подтверждает адекватность модели.

Ключевые слова: раскатка колец, макроструктура, рекристаллизация, накопленная деформация, метод конечных элементов, модель, матрица жесткости, равнопрочные вставки.

В практике производства ГТД широко используются кольцевые детали, имеющие многофункциональное назначение. К этим деталям предъявляются высокие требования по структуре и уровню механических свойств. Основным способом получения кольцевых деталей является горячая раскатка (рис.1). Особенностью этого процесса является наличие многократных актов локальной деформации заготовки в момент её нахождения в валках и сопутствующая многократная частичная рекристаллизация в междеформационных, паузах затрудняющая расчет общей (накопленной) деформации за процесс.

Это приводит к тому, что по сечению заготовки могут одновременно присутствовать различные по величине, в том числе, и критические степени деформации. В свою очередь, критические степени деформации способствуют образованию крупного зерна при окончательном рекристаллизационном отжиге. В тоже время в местах, где деформация превысила критические значения, будет образовываться мелкозернистая структура. Таким образом, неоднородность деформации приводит к разнозернистости, т.е структурной неоднородности по сечению деталей и снижению уровня механических свойств. Чтобы избежать этого, необходимо знать на каждом этапе величину накопленной деформации, полученной металлом как на каждом локальном этапе деформирования, так и за весь период раскатки в целом. В связи с этим целью данной статьи является построение математической модели, позволяющей определять напряженно-де-

Гречников Федор Васильевич, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, проректор по учебной работе. E-mail: [email protected]. Арышенский Евгений Владимирович, аспирант. E-mail: [email protected].

Беглов Эркин Джавдатович, кандидат технических наук, ведущий инженер. E-mail: [email protected].

формированное состояние и величину степени накопленной деформации.

При разработке конечно-элементной модели учтено, что, благодаря симметрии, структура и свойства раскатанного кольца идентичны для всех сечений по окружности. Учитывая это обстоятельство, модель была построена не для всего кольца, а для сегмента, равного 6-ти длинам очага деформации. Сегмент разбивается на треугольные конечные элементы, как показано на рис. 2.

Угол р, определяющий положение элемента в области решения, находим по следующей формуле .

12 1 ■ Кг

(2ЯН + 2ЯВ) , (1)

где ЯН, ЯВ - наружный и внутренний радиусы кольца;

К - средний радиус кольца в 1 обороте.

Ь - длинна дуги контакта с любым из валков. Для её определения применена формула

Ь 1(2) АН, (2)

Рис. 1. Схема процесса горячей раскатки колец: 1 - заготовка, 2 -внутренний неприводной валок (дорн), 3 - внешний приводной валок, 4, 5 -направляющие ролики, 6 - конечный выключатель (контроль диаметра)

где Я2 - радиусы приводного и не приводного валков

А Ь - абсолютное обжатие Предварительно разбиваем область решения на четырехугольные секторы, каждый из которых соответствует двум соседним треугольным элементам. Имеется N рядов секторов по радиальному направлению и М - в тангенциальном направлении. Имеется 2 ■ N ■ М треугольных элементов и (М + 1) ■ (N + 1) узлов. Нумерация узлов показана на рис. 2. Координаты 1-го узла по осям 1 и 2 обозначим как хц, X"2

ЧМ)] НМММ)| ;<3>

1 ЕВн.+Дн-Дн то!± ^тоД

В процессе расчета координаты узлов в любой точке области расчета будут меняться на пе-

ремещения узлов йп, 2 . Для нахождения йп, 2 воспользуемся энергетическим методом . Рассмотрим отдельный треугольный элемент 1 с узлами 1, 2, 3 на рис 3.

Предположим, что элемент вначале не напряжен,_ узловые силы равны 0. Затем силы А, У, /3 прикладываются к соответствующим узлам элемента. Новая конфи-

ция узлов будет иметь смещение й 11, й"12, й, й22, й^, й32 . Верхний индекс относится к элементу, в дальнейшем его опускаем. Первый нижний индекс относится к узлу, а второй - к координате. Потенциальная энергия I новой конфигурации по отношению к исходной представляет собой разницу между энергией напряженного состояния, накопленной в элементе и и работой совершенной силами /2,/3 на векторе перемещений ё, .

I=и-Ж=2 |(п + ст22£22+^^ Уь-А 1й11 -

Рис 3. Задание граничных условий в задаче о деформировании сегмента

где ё12.......- перемещения в узлах элемента

по направлениям 1,2 соответственно;

/п...... /32 - силы, под действием которых

происходит смещение узлов в направлении 1,2 соответственно;

е11 е22 - нормальные, а е12 - касательный компоненты тензора деформации;

у11у22 - нормальные, у12 - касательный компоненты тензора напряжений.

Интегрирование проводится по объему ^ (в рассматриваемом случае плоской деформации -по площади элемента dF). Для удобства дальнейшего решения представим уравнение (5) в матричной форме.

I = - |а -е-ёГ-ё 2

Г = 2\еТЩеГ - =

Значения компонент вектора ё = |ё„ ■■■ ё32|| должны быть такими, чтобы потенциальная энергия I имела минимальное значение:

■- = 0 ; Н1...3, . (7)

После дифференцирования, в векторной форме получим:

И -ИНг)-ё = f. (8)

Чтобы понять обозначения, ||в||, и ||и|| еще раз рассмотрим отдельный элемент, представленный на рис.3.

Если он треугольный как в нашем случае, и напряжения в нем меняются линейно, то в рекомендуется связывать значения перемещения узлов элемента и его деформацию следующей формулой.

Х22 Х-32 Х11 Х31 Х32 Х12 Х21 Х11

21 Хц 12 22

В матричной форме выражение (9) запишем следующим образом:

е = \\Б\\ - ё. (9 а)

Как видно из (9) ||в|| выражает изменения координат узлов треугольного элемента при сохранении его площади и связывает перемещение в его узлах с накопленной деформацией.

В свою очередь ||и|| выражает связь между тензором деформации и тензором напряжений. Его значения различны для упругого и пластического состояния. Вывод ||И|| для обоих состо-

яний можно найти в . Здесь приведены его значения, причем только для плоской деформации и энергетического подхода. Упругая деформация:

1 + V 1- - 2v 1 - 2v

Пластическое состояние:

)- ёе = |И| - ёе, (12)

для упругой части деформации, для пластической части деформации.

а11 а11 а11 0 22 ^ а11 012

а22 а11" 0 22 0 22 0 22 а12

а12 а11 а12 0 22 а12 012

где модуль сдвига О =

8 - характеристический параметр упруго-пластического состояния

Данный параметр позволяет учесть зависимости напряжений от деформации и других параметров процесса, которые выражены через соотношение вида

0 = 0(е,е, Т, а в с), (17)

где е -накопленная деформация при одноосном сжатии (растяжении);

е - скорость деформации; Т - температура;

аоа а,в,с - эмпирически определяемые соотношения. Поиску таких соотношений посвяще-

но большое количество исследований. Нами использованы результаты для сплавов, используемых при раскатки колец ГТД.

Вернемся к формуле (8), которая, как теперь понятно, выражает связь между усилием в элементе, с одной стороны, и напряжением, деформацией и перемещением - с другой. Исключив из формулы (8) перемещения, обозначим её левую часть следующим образом.

Щ = М-|И-B-dF- (18)

Щ - это матрица жесткости. В ней учтены все параметры деформации, приведенные выше. Если данная матрица приведена для одного треугольного элемента - она называется локальной. Глобальная матрица будет представлять собой матрицу правой части системы (M ++1) уравнений, формируемую как алгебраическая сумма локальных матриц каждого элемента.

Надо отметить, что нам уже известно напряжение

Для неприводного валка в первой половине дуги захвата силы направлены против направления движения металла, во второй - по направлению движения (рис. 3, б). Для каждого узла в контакте с валком направление действия сил известно. P - нормальное давление, т = juP -сила трения, j - коэффициент трения.

Рассмотрим уравнение (19), которое в развернутом виде для узла 9 запишется следующим образом (рис. 3,б).

k17,17 d91 + k17,18 d 92 + k17,19 d101 + k17,20 d102 +

K17,21 d111 + k17,22 d112 = f91 =

JP cos (p3 - P sin (p3, (20)

k18,17 d91 + k18,18 d92 + k18,19 d101 + k18,20 d102 +

K18,21 d111 + k18,22d112 = f92 =

P sin (p3 + /uP cos (p3. (21)

При решении уравнений (20) методом Гаусса, учтем условие непроникновения материала заготовки в неприводной валок:

d91 ■ sin (р3 = d92 ■ cos^3. (22)

Это условие позволит исключить из системы уравнений (19) d92 Данноепреобразование проделываем для всех уравнений, содержащих узлы, лежащие на поверхности неприводного валка.

На приводном валке известна скорость вращения, но неизвестно взаимное смещение поверхностей металла и валка. Применим следующий прием .

Введем фиктивный слой элементов. Покажем его на примере элемента, с узлами 7, 6 (рис 3а). Эти узлы движутся как жестко связанные с валком. Узлы контактного слоя металла 5 (рис. 3 а) движутся по поверхности валка. Матрица жесткости элемента K модифицируется с помощью показателя трения m. Элементы матрицы жесткости умножаются на m/m - ц. При

m, стремящемся к 0, элемент делается более жестким, моделируя низкое трение. При m ^ 1 моделируется "прилипание" материала к валкам. Элементы не моделируют слой смазки, но моделируют действие смазки. Каждый элемент фиктивного слоя создается на момент построения соответствующего реального элемента. Матрицы реального и фиктивного элементов могут быть сопоставлены и совместно, решены в уравнении (8). Перемещения фиктивных узлов известны, т.е они движутся как жестко связанные с валком.

Уравнения (19) для узла 5 (рис. 3 а) будут иметь следующий вид.

k9 3d 23 + k 9,4d 22 + k9,7 d41 + k9,8 d42 + k9,9 d51 + + k 9,10 d52 + k 9,15 d 81 + k9,16 d82 + k 9,13 d71 + + k 9,14d 72 + k 9,11 d61 + k 9,12 d62 = f51 , (23)

k10,3 d 21 + k10,4d 22 + k10,7 d41 + k10,8 d42 + k10,9 d51 + + k10,10 d 52 + k10,15 d 81 + k10,16 d 82 + k10,13 d71 + + k10,14d72 + k10,11 d61 + k10,12d62 = f52 . (24)

Так как усилие в узле 5 нормально к поверхности валка, то имеем:

f2Cos^2 = fs1sin (Р2, (25)

Условие непроникновения поверхности валка ds1 cos^2 = ds2 sin (p2, (26)

При составлении глобальной матрицы жесткости, преобразуя уравнения (23, 24) с учетом (25,

Рис. 4. Схема расположения равнопрочных вставок в очаге деформации при раскатке. Н0 - толщина заготовки до попадания в валки; у, х - значения координат вставки;

а0,Ь0 и ах,Ьх

начальные и конечные размеры вставок соответственно

52, йЪ1, также можно восполь-

26), исключая /51, /5 зоваться при решении системы (19) методом Га-уссового исключения. В ходе решения находятся значения накопленной деформации, напряжений и перемещений, т.е напряженно деформированное состояние в очаге деформации.

Проверка адекватности модели осуществляется на основе экспериментальных исследований раскатки колец, приведенных в работе . В данной работе был исследован очаг деформации кольца из алюминиевого сплава АМг6, в котором по-

слойно сверлились отверстия и заполнялись вставками из того же металла (рис 4). Раскатка колец с внешним диаметром 400 мм, внутренним 340 мм и толщиной 30 мм осуществлялась на кольцераскат-ном стане модели РМ1200 с диаметрами рабочих валков: верхнего приводного - 550 мм и нижнего неприводного - 200 мм; максимальная скорость подачи нажимного устройства составляла 16 мм/ сек.; скорость прокатки, предусмотренная конструкцией стана, соответствовала 1,5 м/сек. По результатам измерения вставок находились значения

"ч Т| /) / [>

___^ С.ГЧС1 ИГ I /1^1111.1С

¿■¡и нт I а

V №|ен.нч I данные

5веп;рскс т;

анспсро-."а та

СгУ 1 ,и инмь ь?

С:ч:"ини 2 ^ I члк МЗДСЛ.-фЭБаМН!

■И л -I л и и е. 2 т.я 11 и. 7ВДШ1 V ■ДЙМ [-1

Рис. 5. Распределение интенсивности деформации по высоте очага деформации при раскатке кольцевого образца из сплава АМг6: е1 - степень накопленной деформации, у - координаты точки по оси у (причем Но /2 соответствует на оси ординат 1)

деформаций и напряжений, которые представлены на рис. 5. Представленные экспериментальные данные по раскатке кольца из сплава АМг6 были введены в разработанную конечно-элементную модель. На рис. 5 сопоставлены результаты моделирования и экспериментальные данные.

Как видно из графика, результаты эксперимента и моделирования практически идентичны (сходимость около 15 %).

1. Для формирования в кольцевых деталях ГТД однородной макроструктуры и требуемого уровня механических свойств необходимо контролировать величину накопленной степени деформации на каждом этапе горячей раскатки заготовки.

2. Разработана, конечно-элементная, модель рас-

чета степени накопленной деформации на различных этапах деформирования кольцевых заготовок.

3. Сопоставление результатов моделирования и экспериментальных зависимостей подтверждает адекватность модели.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Металловедение. М.: Машиностроение, 1980. 493 с.

3. Целиков А.И. Теория расчета усилия в прокатных станах. - М.: Металлугргиздат, 1962.

2. Finite-element plasticity and metalforming analysis / G.W. Rove., C.E.N. Sturgess, P. Hartly., Cambridge University Press, 2005. 296 c.

4 П.И. Полухин, Г.Я Гун, А.М. Галкин Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. , М. Металлургия, 1983, стр. 353

5 Костышев В.А., Шитарев И.Л. Раскатка колец. -Самара: СГАУ, 2000. С. 206.

THE FINAL-ELEMENT MODEL CALCULATION SIZE SAVED DEFORMATION IN THE PROCESS OF HOT ROLLING RINGS

© 2009 F.V. Grechnikov1, E.V. Aryshensky1, E.D. Beglov2

It is developed, is final-element model of calculation degree the saved up deformation at various stages of deformation of ring preparation. Comparison of results of modelling and experimental dependences confirms adequacy of model.

Key words: rolling rings, macrostructure, recrystallization, the saved up deformation, method of final elements, model, a rigidity matrix, full-strength inserts.

Fedor Grechnikov, Doctor of Technics, Professor, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Vice Rector for Academic Affairs. E-mail: [email protected]. Evgenie Aryshensky, Graduate Student. E-mail: [email protected].

Erkin Beglov, Candidate of Technics, Leading Engineer. E-mail: [email protected]