Как установлено выше, при ковке заготовок предлагаемым инструментом наряду с эксцентричностью приложения нагрузки возникает горизонтальная сила Т, что усложняет условия нагружения узлов кузнечного оборудования. Исходя из этого, проведен расчет колонн ковочного пресса, с учетом горизонтальной силы Т. Результаты расчета колонн пресса П-154 с номинальным усилием 12,5 МН показали, что при деформировании заготовок предлагаемым инструментом даже в наиболее неблагоприятных случаях нагружения будет исключен выход из строя колонн.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены методика и результаты экспериментальных исследовании в лабораторных условиях процесса деформирования и работы инструмента, реализующего интенсивные сдвиговые деформации.
Экспериментальные исследования в лабораторных условиях проводились с использованием образцов из свинцово-сурьмянистого сплава, при соблюдении положении теории подобия и моделирования. Образцы деформировались лабораторной моделью предлагаемого инструмента на гидравлическом прессе ПСУ-125. Результаты экспериментальных исследований, полученных в лабораторных условиях, использовали для количественной и качественной проверки результатов математического моделирования на ЭВМ процесса деформирования и работы инструмента.
В ходе экспериментов установлено, что экспериментальные значения соотношения vг/vв горизонтального и вертикального составляющих скорости рабочей вставки незначительно (4-8%) отличается от средних значений соотношения vг/vв, полученных в результате математического моделирования на ЭВМ.
Одним из подтверждений адекватности математических моделей является качественное совпадение формоизменения заготовки и конфигурации поля распределения деформации по сечению, полученные путем теоретических и экспериментальных исследований. Качественное сравнение формоизменения заготовок, полученных при лабораторном эксперименте и конечно-элементном моделировании, показывает их схожесть. Обработка экспериментальной информации, полученной по методу координатных сеток, позволил количественно оценить распределение степени интенсивности деформации сдвига Г по поперечному сечению образца. Установлено, что при лабораторном эксперименте также как и при конечно-элементном моделировании максимальные значения степени интенсивности деформации сдвига Г наблюдаются вблизи короткой диагонали параллелограмма, форму которого в ходе деформирования приняло сечение образца. Экспериментальные значения степени деформации сдвига незначительно отличаются (6-8%) от значений, полученных при конечно-элементном моделировании. Например, при деформировании образцов до eh=0,25 на инструменте с углом наклона a=30°, для которой соотношения vг/vв»2, максимальное экспериментальное значение степени интенсивности деформации сдвига составило Gmax=1,767, что близко к значению Gmax=1,783, полученной при конечно-элементном моделировании процесса деформирования с такой же высотной деформацией и соотношением vг/vв.
Результаты конечно-элементного моделирования, приведенные во второй главе, показали, что усилие деформирования при реализации интенсивных сдвиговых деформаций значительно ниже, чем при осадке. Для подтверждения этих результатов производили экспериментальное исследование энергосиловых параметров при деформировании заготовок предлагаемым инструментом и осадке плоскими бойками. Результаты, полученные в ходе эксперимента, показали, что при деформировании предлагаемым инструментом происходит значительное снижение Р, чем при осадке в плоских бойках. Например, для данного случая при высотной деформации равной eh=0,25 усилие деформирования при сдвиге заготовки предлагаемым инструментом почти в 2 раза ниже, чем при осадке в плоских бойках. Такие же результаты были получены при конечно-элементном моделировании процесса деформирования. Таким образом, качественное совпадение полученных закономерностей и близкие количественные результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что конечно-элементная и математическая модели адекватно описывают процесс деформирования заготовок предлагаемым инструментом.
Вместе с тем при деформировании предлагаемым инструментом для одинакового обжатия заготовки требуется больше хода траверсы пресса, чем при осадке плоскими бойками. Например, при высотной деформации равной eh=0,25 ход траверсы пресса составил: для плоских бойков – 8 мм, для инструментов с углами наклона 25º и 30º соответственно 15 мм и 17 мм. Это приводит к тому, что при деформировании предлагаемым инструментом, несмотря на снижение усилий деформирования, при одинаковых обжатиях заготовки энергосиловые параметры пресса изменяются незначительно по сравнению с осадкой в плоских бойках. Однако при одинаковых обжатиях деформирование предлагаемым инструментом приводит к более интенсивной проработке металла, чем осадка плоскими бойками. Например, работа пресса, соотнесенная к средней степени интенсивности деформации сдвига, составила: для плоских бойков – 1,75 кДж, для инструментов с углами наклона 25º и 30º соответственно 0,96кДж и 0,85 кДж.
Для исследования закрытия внутренних дефектов слитка инструментом, реализующего интенсивные сдвиговые деформации заготовок, производили деформирование образцов, в которых внутренние дефекты слитков моделировали сквозными цилиндрическими отверстиями, рассредоточенные по поперечному сечению образца. Качественный анализ закрытия искусственных дефектов в модельных образцах показывает, что при деформировании предлагаемым инструментом полное закрытие отверстий в осевой зоне и вдоль короткой диагонали параллелограмма, форму которого принимала сечение образцов, происходит при высотной деформации равной eh=0,25 . Кантовка образца на 90° и последующее деформирование его инструментом привели к полному закрытию остальных отверстий. Для сравнения модельные образцы подвергли осадке плоскими бойками, где полное закрытие аналогичных отверстий происходило при высотной деформации eh=0,45. Известно, что осевые зоны характеризуются пониженной прочностью вследствие объективных закономерностей кристаллизационных процессов. Отсюда следует вывод о том, что если ставится задача повышения качества поковок за счет активной проработки осевой зоны, то реализация интенсивных сдвиговых деформации предлагаемым инструментом будет достаточно эффективным способом устранения осевой усадочной рыхлости в заготовках.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты опытно-промышленного испытания предлагаемого инструмента, в условиях кузнечно-прессового цеха АО «Миттал Стил Темиртау».
Для проведения опытно-промышленного опробования предлагаемого способа деформирования и нового инструмента из стали 40Х изготовили шесть заготовок размерами 200х200х300 мм При ковке предлагаемым способом три заготовки были продеформированы с перемещением рабочей вставки в горизонтальном направлении соответственно на 80 мм, 100 мм и 120 мм. Затем выпрямляли заготовки, повернув их на 180°, и сдвигая в обратном направлении. При этом высотная деформация заготовок eh составили 30%, 35% и 37,5%, а уков составили соответственно 1,4; 1,5 и 1,6. Для получения сравнительных результатов оставшиеся заготовки деформировали по действующей технологии в плоских бойках с такими же высотными деформациями и уковами. Деформирование заготовок осуществляли на гидравлическом прессе П-154 с усилием 12,5 МН.
Результаты опытно-промышленного испытания показали, что при ковке заготовок предлагаемым инструментом улучшается все механические свойства металла поковок, чем при ковке плоскими бойками. Для полноценной и комплексной оценки качества поковок, используя методы квалиметрии, вычислили значения дифференциальных ki и комплексных К0 критериев качества поковок. Сравнение комплексных показателей качества показывает, что ковка заготовок предлагаемым инструментом обеспечивает лучшее качество поковок по сравнению с ковкой плоскими бойками. Например, для поковок из стали 40Х, откованных плоскими бойками, комплексный показатель составляет 0,663…0,717, а для поковок, изготовленных предлагаемым инструментом, составляет 0,728…0,817.
Металлографические исследования металла поковок из стали 40Х, показали, что при ковке в новым инструментом у образцов получаются более плотная макроструктура с мелкими следами дендритной ликвации и без внутренних несплошностей. Микроструктура зерен во всех направлениях соответствует 8 баллам, что на 1...2 балла выше, чем у поковок, откованных плоскими бойками, а также имеют заметную равноосность как в поверхностной, так и осевой зоне. Таким образом, результаты опытно-промышленных испытаний доказывают, что качество металла поковок, изготовленных новым инструментом заметно выше, чем качество поковок, полученных с применением плоских бойков.