Моделирование процесса штамповки корня «Острякового» рельса

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

УДК 621.73.001.57

Каргин Б.С.1 Мкртчян Е.А.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ КОРНЯ «ОСТРЯКОВОГО»

РЕЛЬСА

В статье рассмотрено моделирование процесса штамповки корня «острякового» рельса, дан анализ течения металла, напряженно деформированного и температурного состояния процесса.

Ключевые слова: напряжения, деформации, сила, штамповка, головка, подошва, шейка

Каргін Б. С., Мкртчян Є.А. Моделювання процесу штампування кореня «Остря-кової» рейки. У статті розглянуто моделювання процесу штампування кореня «Острякова» рейки, дано аналіз перебігу металу, напружено деформованого і температурного стану процесу.

Ключові слова: напруги, деформації, сила, штампування, головка, підошва, шийка.

B.S .Kargin, E.A. Mkrtchyan. Simulation of the forming root "Ostryakov" rail. In the

article the simulation offorming root "Ostryakov" rail, the analysis of metal flow, stress and temperature state of the process.

Key words: stress, strain, force, punching, head, foot, neck.

Постановка проблемы. Деталь «остряк» является основной деталью стрелочного перевода и служит для стыковки острякового рельса и железнодорожного (рис. 1). К ней предъявляется высокие прочностные требования, т.к. условия эксплуатации связаны с перевозкой пассажиров и грузов. Данная поковка относится к поковкам, удлинённым в плане, штампуемый материал сталь М73. В настоящее время поковка «остряк» изготавливается по следующей технологии [1]: нагрев концевой части острякового рельса длиной 670 мм. в камерной печи до температуры 1100 °С, затем происходит штамповка за два перехода на прессе силой 100 МН с последующей обрезкой облоя. Задержка между переходами составляет 10с.

Рис. 1- Рельс остряковый ОР50 с выпресованным корнем

1 канд. техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 аспирант, ассистент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

90

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

Штампы подогреваются до температуры 250°С, в качестве смазки применяется маслографитовая смазка ( 40% графита + 60% масла). Материал штампов - сталь 5ХНМ в состоянии поставки без термообработки. Стойкость штампов составляет 40-50 штамповок.

Анализ последних исследований и публикаций. Исследования процессов штамповки на гидравлических прессах показывают, что для получение изделий с тонким полотном необходимо приложить удельное усилие, в 30-40 раз превосходящее напряжение текучести материала при температуре обработке [2]. При этом резко снижается стойкость штампов и экономичность штампованных изделий.

В работе [3] представлены результаты компьютерного моделирования технологии штамповки П - образных изделий, удлиненных в плане с помощью конечно элементной системы DEFORM. Показаны распределения напряжений и интенсивности деформации в поковке.

Попытки решить вопрос повышения стойкости штампов при изготовлении поковки «остряк» были изложены в работе [4], где сообщается о предложении заменить заводскую маслографитовою ТС . Были испытаны 3 состава бездымных воднографитовых смазок с содержанием: 1) графита 10-12%; 2) графита 10-12% и 20% сульфидноспиртовой барды; 3) графита 10%, триполифосфата натрия 2%, триэтаноламина 0,2%, этноса 3%, сульфидно-спиртовой барды -10%. После изготовления 25 поковок штампы были сняты для изучения их состояния. Анализ показал, что при использовании ТС-2 и ТС-3 на нижней половинке штампа имеется налипание зольных остатков с частичками металла. При использовании ТС-1 наблюдается залипание поковок в верхнем штампе. В то же время дым, копоть, горение смазки полностью отсутствуют. На повышение стойкости штампов применение указанных ТС существенно не повлияло.

Недостатком существующей технологии производства поковки «остряк» является низкая стойкость штампов, низкая производительность и большая трудоёмкость процесса.

Цель работы. Целью работы является анализ напряженно деформированного и температурного состояния при штамповке поковки «остряк» для выработки мероприятий, повышающих стойкость штампов при их изготовления.

Изложение основного материала. В работе проводили анализ компьютерного моделирование процесса штамповки корня «острякового» рельса с выявлением формоизменения, температурного и напряженного состояния поковки.

1. Математическая модель и условия конечно-элементного моделирования. Компьютерное моделирование процесса штамповки корня острякового рельса проводили с использованием метода конечных элементов в программном комплексе Qform.

Исходными данными для моделирования являлись: действующая технология штамповки, параметры процесса, постоянные величины, конфигурация заготовки и ручья штампов, характеристики оборудования, данные о материале заготовки, штампа и смазки.

Ввиду сложной геометрической формы детали задачу решали в пространственной постановке. Конфигурация заготовки и ручья штампов были спроектированы в виде трехмерных твердотелых моделей в системе автоматизаций проектных работ SolidWorks 2010.

Свойства, материал заготовки были взяты из справочников. В основу выбора характеристик положена температура штамповки и скорость деформирования [5,6], сопротивление деформации стали М73 в интервале температур штамповки составляет: при t=12000C ав=55 МПа, t=11000C ав=80 МПа, t=1000°C ав=110 МПа, t=9000C ав=130 МПа

2. Штамповка первого перехода. Параметры первого перехода: начальная температура заготовки - 1100°С, время охлаждения заготовки на воздухе - 15с. и в инструменте - 10с. , температура окружающей среды - 20°С, температура штампов - 250°С, другие параметры задавали в соответствии с техническими инструкции на выпрессовку корня остряка ОР50, 1988г. инв. N 252.

Для исследования перемещения металла в процессе деформации заготовка была разбита координатной сеткой по 10 линий в каждом направлении. На рисунке 2-а представлена деформированная сетка в конце первого перехода в направлении XOZ. Анализ деформированной сетки показал, что наибольшая деформация приходится на шейку рельса, в частности в 7 слое сетки координат YOZ видна наибольшая деформация по высоте. Степень деформации шейки по высоте в этом участке более 50% ( рисунок 2-б).

Распределение температур первого перехода представлено на рисунке 3-а. Как видно из рисунка, наибольшая температура составила 1090°С. Наименьшая же температура составила

91

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

920°С на участке в зоне шейке рельса. Также следует отметить, что наиболее холодными деформированными частями рельса являются подошва и шейка, температура здесь на 50-70°С градусов ниже, чем в головке и на переходном участке.

В

Рис. 2 - Контур штамповки: а - первого перехода с нанесенной координатной сеткой в координатах XOZ; б- первого перехода с нанесенной координатной сеткой в 7 слое в направлении YOZ; в- второго перехода с нанесенной координатной сеткой в координатах XOZ

92

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

3. Штамповка второго перехода. Параметры второго перехода: начальной температурой заготовки является конечная температура первого перехода, с учётом времени охлаждения на воздухе - 10с. и в инструменте - 10с. , температура штампов - 250°С другие параметры задавали соответствии с техническими инструкции на выпрессовку корня остряка ОР50, 1988г. инв. N 252.

На рисунке 2-в представлен деформированный концевой участок острякового рельса с нанесенной координатной сеткой. Координатная сетка шейки рельса показывает, что на данном участке по оси Z наблюдается наибольшее сгущение сетки, а по оси Х наибольшие её растяжения. Это свидетельствует об интенсивном боковом течении металла от центра к периферии. Торцевая часть имеет не плоскую форму, а вытянутую в зоне шейке, что также свидетельствует об интенсивном течении метала в этой зоне по сравнению с головкой и подошвой «острякового» рельса. По техническим требованиям на изготовления поковки, торцевая часть может иметь произвольную форму на длине до 70 мм.

Распределение температур второго перехода представлено на рисунке 3-б. Как видно из рисунка наибольшая температура составила - 1050°С. Наименьшая же температура составила -817°С. Также видно, что температура подошвы рельса и прилегающая к ней часть шейки в среднем на 100°С ниже головки.

Необходимое усилие для деформирования данной поковки, по результатом моделирования, составило 38 МН. Удельное усилие в области шейки рельса превышает напряжение

6

Рис. 3 - Распределение температурного поля: а) - в конце первого перехода; б) - в конце второго перехода

93

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

текучести материала рельса при температуре обработке в 16 раз. Материалом для штампов, удовлетворяющим этим требованиям, является ДИ-42 (5Х2ГСВМ), прочностные характеристики которой выше базовой (5ХНМ) в полтора раза, что повысит стойкость штамповой оснастки в 3-5 раз по сравнению с базовым вариантом.

Распределение напряжений второго перехода представлены на рисунке 4. Напряжения, возникающие в данной поковке при деформации сжимающие, и растягивающиеся. Максимальные значения растягивающих напряжений достигает значения 713 МПа. Растягивающие напряжения в основном сконцентрированы в зоне шейки рельса, что подтверждается значительными растяжениями координатной сетки в этой зоне. Такая неоднородность и концентрация напряжений подтверждается практикой. На Керченском стрелочном заводе при штамповке поковки «остряк» авторы анализировали причины вывода штампов из строя и установили, что именно в этой зоне шейки корня возникают значительные разгарные трещины . Настоящие теоретические исследования позволили подтвердить тот факт, что использование штампов из стали 5ХНМ в сыром состоянии (без термообработки) не целесообразно.

Рис. 4 - Распределение напряжений в конце второго перехода. Вид сверху

Выводы

1. Установлено, что интенсивность течения метала по объему поковки неоднородна, максимальное течение наблюдается в зоне шейки корня «острякового» рельса.

2. Показано, что наибольшие напряжения наблюдаются также в зоне шейки рельса и достигают значения 713 МПа. Распределение температур неравномерно по всему сечению: в подошве рельса наблюдается снижение температуры на 100°С по сравнению с шейкой и головкой, что приводит к изменению значения сопротивления деформации по сечению поковки.

3. Результаты моделирования дают основание предположить, что для штампового инструмента необходимо применять сталь с более высокими показателями прочности, например сталь ДИ-42 (5Х2ГСВМ).

Список используемых источников:

1. Симон А.А. Современные стрелочные переводы. - М.: Транспорт, 1977. -510 с.

2. Белов А.Ф. Объемная штамповка на гидравлических пресах/ А.Ф. Белов, Б.В. Розанов, В.П. Линц - М.: Машиностроение, 1971.- 215 с.

3. Маковецкий А.В. Анализ напряженно-деформированного состояния поковок из титановых сплавов при горячей штамповки/ А. В. Маковецкий, В.В. Маковецкий // Вісник донбаської державної машинобудівної академії: Зб. наук. праць. -Краматорськ: ДДМА, 2007. - № 2Е(10). -

С. 121-128.

94

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

4. Каргин Б.С. Исследование эффективности технологических смазок при штамповке поковок «остряк» / Б.С. Каргин и др.// -ХІІІ региональная научно-техническая конференция: сб. тезисов докладов в 2 т. Мариуполь: ПГТУ, 2006-С.335.

5. Зуев М.И. Пластичность стали при высоких температурах/ М.И. Зуев, В.С. Култыгин, М.И. Винограл, А.В. Остапенко, М.А. Любинская и М.Я. Дзугутов - М.: Металлургиздат,1954. 457 с.

6. Банкетов А.Н. Кузнечно-штамповочное оборудование/ А.Н. Банкетов и др.-М.: Машиностроение, 1970.- 602 с.

Рецензент: В. И. Капланов д-р техн. наук, проф., ПГТУ

Статья поступила 26.11.2010

95