Компьютерное исследование заковки внутренних трещин при ковке

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.735.011.573

Компьютерное исследование заковки внутренних трещин при ковке

А. Ф. Фомичев, С. Ю. Панин

Приведены результаты компьютерного исследования условий закрытия внутренних трещин в литых слитках при ковке. Исследованы операции протяжки и осадки. Установлена динамика заварки трещин, находящихся в различных зонах слитков.

Ключевые слова: программа Simufact Forming, модели внутренних трещин, операции протяжки и осадки.

Исследование заварки внутренних трещин в слитках при ковке. Исходными заготовками в ковочных цехах являются литые слитки, в которых содержится много внутренних дефектов. Наиболее распространенными дефектами в слитках из высоколегированных сталей являются внутренние трещины усадочного или термического происхождения [1]. Если стенки трещин не окислены, то в процессе ковки они могут сомкнуться и трещины исчезнут. Этот эффект называют заваркой трещин. Результаты исследования заварки трещин в промышленных условиях описаны в статьях [1—5]. Выявлены некоторые закономерности и предложены рекомендации, но они часто имеют частный характер. В каждом конкретном случае технолог принимает решение, опираясь на свой опыт. Проверить правильность решения можно, используя компьютерные программы для моделирования процессов обработки металлов давлением. Поясним это на примерах. Была использована одна из таких программ — Simufact Forming. Сначала заварку трещин исследовали на стадии протяжки слитков. Считается, что основным условием заварки трещин является схема всестороннего сжатия [1—5]. В статье [1] отмечено, что ковать слитки с конусностью свыше 10 % в вырезанных бойках затруднительно. Поэтому моделировалась протяжка плоскими бойками. Кроме того, ранее было установлено, что при больших единичных обжатиях внутренние трещины завариваются лучше [1].

Это возможно при использовании гидравлического пресса. Все вышеуказанные рекомендации [1-4] были учтены при компьютерном моделировании. Размеры моделей слитков соответствовали тем, на которых проводились натуральные исследования: диаметр 400 мм, высота 800 мм. В качестве материала был выбран жаропрочный сплав на никелевой основе ХН65МВТЮ. Его свойства введены в библиотеку материалов программы.

На первой стадии был исследован характер напряженного состояния в поковке при протяжке. Установлено следующее:

• очаг пластической деформации распространяется за пределы воздействия бойков, т. е. в недеформированный металл;

• все компоненты напряжений сжимающие.

Таким образом, вид напряженного состояния благоприятен для заварки трещин. Существует числовой критерий, оценивающий вид напряженного состояния, который представляет собой отношение среднего арифметического трех компонент напряжений к интенсивности нормальных напряжений. В зоне поковки, расположенной под бойками в конце их нажатий, значения указанного коэффициента находились в интервале -0,76 ... -1,1, что является хорошим условием для заварки трещин. В то же время в недеформированной еще части поковки в некоторых зонах, расположенных вблизи от бойков, было отмечено наличие растягивающих компонент напряжений. Правда, их значения сравнительно небольшие.

№ 6(90)/2015

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

МЕТ^

На второй стадии исследования изучали динамику заварки осевых трещин при протяжке. Моделями трещин были внутренние полости цилиндрической формы диаметрами 2 и 4 мм. Установлено, что полость диаметром 2 мм закрылась при осевом обжатии 79 %, а полость диаметром 4 мм — при обжатии 83 %.

После протяжки для отдельных групп поковок производят осадку. Иногда это делают исходя из технологических соображений, а в отдельных случаях для того, чтобы увеличить коэффициент укова металла и тем самым создать условия для заварки трещин. Результаты натурных исследований заварки трещин при операции осадки описаны в статье [1]. Для того чтобы проследить динамику заварки трещин на операции осадки использовали модели с такими же размерами, какие имели натуральные поковки в указанном выше исследовании: диаметр 150 мм, высота 225 мм. Материал модели — высоколегированная сталь. Моделями трещин были цилиндрические полости диаметром 2 мм, длиной 10 мм, расположенные одна посередине высоты поковки, другая на расстоянии 20 мм от торца (для краткости будем ее называть торцевой). Обе — по оси модели поковки (рис. 1). Известно, что в средней части поковки металл лучше проковывается, чем в зонах, прилегающих к торцам. Это сказалось на механизмах заварки моделей. Они были разными. Механизм заварки моделей трещины, расположенной в средней части модели поковки, представлял собой высотное сплющивание. То есть полость закрывалась в тот момент, когда соприкасались ее торцевые поверхности. Произошло это при высотной деформации 0,43. Торцевая же закрывалась в результате соприкосновения ее боковых стенок. Это произошло при высотной деформации 0,89. Коэффициенты напряженного состояния в момент закрытия полостей составляли: в зоне центральной полости -1,6, в торцевой зоне -1,9. Значения интенсивности нормальных на-

а) б)

Рис. 1. Расположение моделей трещин в модели поковки: а — в центре; б — ближе к торцу

пряжений в этих зонах были соответственно 198 и 78 МПа. Это объясняет тот факт, что торцевые полости закрываются при большем значении деформации.

В работе [2] описаны результаты осадки поковок из сплавов на никельхромовой основе в стальной капсуле (рис. 2). Этот прием позволяет путем воздействия на напряженное состояние повысить пластичность металла поковки. Чтобы оценить эффективность приема процесс был смоделирован. Размеры моделей поковки и капсулы соответствовали натуральным. Из библиотеки программы была выбрана высоколегированная сталь. Установлено, что при осадке в капсуле полости, расположенные в различных местах поковки, закрываются при меньших значениях деформации и уровень напряжений в зоне полостей был меньше. Кроме того, отмечено, что при осадке в капсуле торцы поковки становятся вогнутыми. Таким образом, эффект применения капсулы очевиден. При этом необходимо учитывать, что трудоемкость ковки повышается.

В работах [1-5] показано, что для заварки внутренних трещин в слитках из различных сталей требуются различные значения обжатий. Ускорить отработку режима ковки может компьютерное моделирование. Но необходимо иметь в виду, что точность полученных результатов зависит от корректности реологических свойств металла, вводимых в программу [6].

9220

& 27 0

Рис. 2. Схема поковки, помещенной в капсулу [2]

№ 6 (90)/2015

МЕТ^^^РАБОТК)»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Вывод

В результате компьютерного исседования установлены некоторые закономерности заварки внутренних трещин в слитках при их ковке.

Литература

1. Вахтанов Б. Ф., Охрименко Я. М. Условия заваривания внутренних трещин при ковке слитков высоколегированных сталей и сплавов // Кузнечно-штампо-вочное производство. 1964. № 9. С. 12-17.

2. Расстегаев М. В. О заварке дефектов в слитках жаропрочных сплавов при высокотемпературной осадке // Кузнечно-штамповочное производство. 1963. № 4. С. 19-21.

3. Расстегаев М. В. Исследование условий заварки дефектов в металле при осадке//Вестн. машиностроения. 1960. № 3. С. 10-14.

4. Казаринов Б. Н., Шабуров В. Е. Закрытие осевого дефекта при осадке // Кузнечно-штамповочное производство. 1964. № 4. С. 5-8.

5. Сегал В. М., Павлик Д. А. Анализ условий залечивания микродефектов при горячей деформации литого металла // Кузнечно-штамповочное производство. 1982. № 9. С. 6-9.

6. Кривицкий Б. А., Арсентьева К. С. Совершенствование методики определения реологических свойств материалов // КШП. ОМД. 2012. № 5. С. 15-17.

Уважаемые авторы!

Для полноценной работы ссылок в Научной Электронной Библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.

Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.

С уважением, редакция журнала «Металлообработка»

144

№ 6(90)/2015