книги из ГПНТБ / Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением

диаграммы деформируемости - позволяет резко сократить число экспериментов для определения предельной степени деформации и относительного сужения при различных исходных состояниях материала (исключение разных вариаций модификации, режимов исходной термической обработки и других предшествующих про­ цессов). В этом случае эксперимент сводится к получению для каждой температуры только одной точки зависимости £>пр(р) — ф. Эту точку можно определить в данном случае значительно точнее за счет уве­ личения общего количества испытуемых образцов при суммарном выигрыше во времени и объеме испытаний по сравнению с методом построения диаграммы, требующим 'нахождения не менее трех точек для каждой температуры.

§ 18

МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАРШРУТОВ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ ПО ДАННЫМ ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ

Расчет маршрута обработки давлением по данным диаграммы деформируемости основан на принципе максимального использования пластичности обрабатываемого металла. Методы расчета мощности и прочности оборудования, а также стойкости обрабатывающего инструмента, основанные на использовании показателей силовых параметров процесса и характеристик прочности обрабатываемого металла и инструмента, в достаточной степени исследованы и осве­

даря чему вполне возможно резкое интенсифицирование процессов деформации (увеличение обжатий и скоростей деформирования) без опасения поломок основных узлов оборудования и ускоренного износа инструмента. Но такая интенсификация процессов пластиче­ ской обработки без знания характеристик предельной пластичности может привести к возникновению брака изделий в виде надрывов и трещин и даже к их полному разрушению.

Создание методики технически обоснованного расчета маршру­ тов обработки давлением, исходя из пластичности обрабатываемого металла, позволит полностью использовать имеющиеся резервы прочности оборудования, сократить число трудоемких вспомога­ тельных и промежуточных операций, снизить брак вследствие нару­ шения сплошности обрабатываемого металла, а следовательно, повы­ сить производительность процесса обработки в целом.

123

Сформулируем основные положения методики расчета.

1.За универсальный показатель исходной пластичности обраба­ тываемого металла принимают полное относительное сужение ф, получаемое в результате проведения испытаний на разрыв при соот­ ветствующей температуре.

2.За показатель предельной пластичности принимают степень деформации, соответствующую появлению первой трещины, види­ мой невооруженным глазом, при испытаниях, имитирующих реальный процесс обработки.

Предельная пластичность определяется из диаграммы деформи­ руемости по значению универсального показателя пластичности или путем расчета по уравнениям регрессии с подстановкой мини­ мального значения ф, а также путем использования корреляцион­ ного коэффициента. В случае, если диаграмма деформируемости

предельной степени деформации и коэффициента здпаса 6дОП = К3Ьпр. Методика определения коэффициента запаса для процессов прокатки подробно описана в предыдущем разделе.

4. При расчете маршрута процесса деформации суммарную стёпень деформации, определяемую соотношением размеров и конфи­ гурацией исходной заготовки и готовой детали, разбивают на част­ ные величины степени деформации за проход и за цикл (степень деформации между двумя отжигами для холодной обработки или между нагревами для горячей обработки) так, чтобы значения этих ве­ личин были не больше значения допустимой степени деформации йдоп.

Расчет маршрутов обработки по методу максимального использозования пластичности металла имеет свою специфику для каждого из процессов, а также для каждого способа деформации при горячей, холодной или теплой обработке металла давлением. Эту специфику можно до некоторой степени осветить при рассмотрении конкретных примеров расчета. Однако прежде всего необходимо остановиться на вопросе выбора способа деформации температурного интервала

(холодная обработка) и 2) деформация с полным разупрочнением (горячая обработка), — зависит от целого ряда определяющих поло­ жений. В большинстве случаев такой выбор основывается на выпол­ нении требований не одного комплекса положений, а целого ряда их, в том числе требований по качеству поверхности, точности раз­ меров и конфигурации профиля сечения конечного изделия; по окон­ чательным свойствам и структуре металла, мощности и прочностным характеристикам имеющегося оборудования и инструмента; по исходному состоянию, прочностным и пластическим свойствам под­ лежащего обработке металла и т. д. -

Естественно, производными от указанных требований показа­ телями являются в конечном итоге экономическая эффективность и

124

производительность выбранного процесса обработки давлением. Все эти соображения достаточно широко освещены в технической литературе и не требуют подробного изложения. Сточки зрения пла­ стичности исходного металла, даже при равных конечных итогах и одинаковой экономической эффективности в случае выбора его для холодной обработки-, предпочтение должно быть отдано металлам, имеющим при комнатной температуре высокую пластичность (ф > >40%) . В противном случае низкое значение допустимой степени деформации между двумя операциями промежуточной термообра­ ботки настолько увеличит число этих операций, что время, затрачи­ ваемое на вспомогательные операции, намного перекроет машинное время обработки давлением. В результате способ холодной обра­ ботки давлением может оказаться вообще экономически нецелесооб­ разным.

Следует отметить, что практически со всех точек зрения нужно ориентироваться наспособ горячей деформации с введением опера­ ций холодной пластической обработки на конечных, отделочных стадиях производства полуфабрикатов и металлургических изделий в случае необходимости выполнения жестких требований по форме, размерам и качеству поверхности. В ряде случаев способы теплой обработки, сочетая в себе в той или иной степени положительные стороны холодной и горячей обработки, также могут быть с успехом использованы в производственной практике

В случае теплой или горячей обработки температурный интер­ вал деформации металла, исходя из условий максимального исполь­ зования пластичности, определяется на основании эксперименталь­ ной зависимости относительное сужение—температура (принцип максимального значения ф), а также по диаграмме деформируемости, причем последней следует отдать предпочтение (принцип максималь­ ной величины предельной степени деформации). Более подробно указанные положения будут освещены ниже при рассмотрении кон­ кретных примеров расчета маршрутов обработки металлов давле­ нием раздельно по способам холодной и горячей деформации.

П Р О Ц Е С С Ы Х О Л О Д Н О Й П Л А С Т И Ч Е С К О Й О Б Р А Б О Т К И

Расчет маршрута холодной прокатки листа. Универсальный показатель пла­ стичности по данным результатов испытаний на разрыв при комнатной температуре и оптимальном режиме предварительной термической обработки для стали 1X13 равен

125

H— h

H

К3 = Кг ( t f - j-Д/-/) — (/I — Д/і)

(/-/+ ДЯ)

в соответствии с допусками на горячекатаный подкат и холоднокатаный лист (готовое изделие). В данном случае/С3 = 0,65. Следовательно, 5Д0П = 0,656пр = 50,8% и соот­

с правкой, травлением и осмотром передельных листов. Для получения заданных ме­ ханических свойств и выполнения всего комплекса требований, предъявляемых к го­ товому листу, производится окончательная термическая обработка и проводятся все предусмотренные технологическим процессом отделочные операции.

Для сравнения можно привести принятый в настоящее время заводской режим прокатки листов из стали марки 1X13:

Расчетный и принятый в настоящее время в заводской практике маршруты в ос­ новном совпадают, однако режим обжатий по переделам согласно расчету, основан­ ному на максимальном использовании пластических свойств, получается очень жестким, что позволяет сократить число переделов и соответственно число промежу­ точных термообработок и других вспомогательных операций на единицу.

Рассчитанный по условиям предельной пластичности маршрут прокатки нужно проверить и в случае необходимости откорректировать, исходя из прочностных и энергетических характеристик оборудования, условий захвата и др. Методика прове­ дения этих поверочных расчетов разработана достаточно полно и освещена в техни­ ческой литературе [16 и др.].

Следует отметить, что такая корректировка рассчитанного маршрута не вызовет увеличения количества переделов, а может лишь потребовать увеличения числа про­ ходов внутри каждого передела (без термических обработок между проходами). Такое увеличение дробности деформации весьма-благоприятно для пластического по­ ведения обрабатываемого металла и, следовательно, является дополнительным резер­ вом надежности предлагаемого расчетного метода.

Расчет маршрутов холодной пилигримовой прокатки труб. Для примера расчета определим маршрут холодной прокатки труб применительно к изготовлению труб размером ЗОХ 3 мм из горячекатаной исходной трубной заготовки размером 89Х 9 мм. Материал заготовки — сталь марки 12ХМСФБ.

126

ходнотносительное сужение о]) при оптимальном режиме термической обработки исОго и передельного металла равно 76%.

Суммарная вытяжка

Предельная степень деформации 6пр, определенная из диаграммы деформируе­ мости (см. рис. 30), равна 80%, а предельная вытяжка ріпр, рассчитанная из соотно­ шений

Расчет коэффициента запаса произведем по выражению К3 = КіК3, где Кі принимаем равным 0,95;

трубы, а также значения допусков по диаметру и стенке (ГОСТ 8732—70 и 8734—70),

IgPs

1,63.

lg рдоп

Принимаем число переделов п = 2. Определение размеров трубы после первого передела (прохода) производится исходя из наличия соответствующих калибровок прокатного инструмента, обеспечивающих получение разовой вытяжки в пределах не более значения |тдоп.

Проверяя рассчитанный маршрут по допустимым энергетическим и прочностным характеристикам прокатных станов, следует соблюдать' правильное соотношение деформации редуцирования (уменьшения диаметра) и утонения стенки (обжатие по стенке). От этого фактора в значительной степени зависит качество готовых труб. Подробный анализ состояния вопроса приведен в работе автора [52 ]( в которой пред­ ложено уточненное расчетное выражение для определения соотношения коэффициен­ тов деформации по стенке и редуцирования по диаметру в суммарном процессе формо­ изменения цилиндрического полого тела:

І*с _ (А) — so) so (Pi — si)

з0 и Sj— толщина стенок (исходная и конечная).

Расчеты маршрутов других процессов холодной деформации (осадки, выдавлива­ ния, объемной холодной штамповки и др.) производятся аналогично приведенным с учетом специфики процессов и использованием диаграмм деформируемости, по­ строенных по результатам имитирующих конкретный процесс испытаний. Например, для холодной осадки и объемной штамповки целесообразно использовать метод осадки цилиндрических образцов на прессе или молоте в зависимости от скорости деформи­ рования, принятой для реального производственного процесса. Во всех случаях при расчете маршрутов деформационных процессов необходимо исходить из условия, чтобы максимальная степень деформации металла не превосходила допустимой вели­ чины, рассчитанной из условий максимального использования пластичности.

127

ПРОЦЕССЫ ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Как известно, при выборе температурного интервала деформирования для про­ цессов горячей обработки руководствуются тем, что необходимо получить металл с требуемыми свойствами и структурой и учесть прочностные и энергетические харак­ теристики оборудования, пластичность обрабатываемого металла, а также выполнить

требования по минимальному газонасыщению металла в процессе нагрева и деформа­ ции и др.

С точки зрения максимального использования пластичности обрабатываемого металла температурный интервал деформации устанавливают по максимуму на кри­ вой относительное сужение — температура с учетом, разумеется, всех предыдущих факторов. Например, так как с точки зрения сопротивления деформации (расход энергии и усилие на инструмент) наиболее рациональна обработка в области макси­ мальных температур, нужно сдвигать температурный режим деформации в правую сторону от максимума на кривой ф— t, если даже пластичность при сдвиге в обратном направлении (влево) снижается менее интенсивно. Однако следует учитывать, что в данном случае, повышая температуру, не надо приближать ее к температурам пере­ грева или пережога. Вопрос выбора температурного интервала при горячей дефор­ мации настолько широко освещен в технической литературе, что на нем не будем подробно останавливаться.

Рассмотрим пример расчета режима молотовой ковки стали марки ННЗБ (ОХ18Н5Г12АБ). Н. А. Голиковым совместно с автором данной работы были иссле­ дованы пластические характеристики этой стали при статических испытаниях на растяжение и определены значения предельной степени деформации методом осадки круглых образцов при скоростях деформации 3, 5, 600 и 1200 с -1 (табл. 7).

В данном случае нет необходимости дополнительно приводить диаграмму дефор­ мируемости, которая строится по данным, указанным в табл. 7. Принимая при моло­ товой ковке скорость деформации близкой к 5 с -1, имеем минимальное значение пре­ дельной степени деформации 6прдоо = 47,0% и максимальное значение &пр1200 = = 58,0%. Допустимые значения степени деформации в начальный период ковки, 'естественно, должны быть менее 58% и в конце — менее 47%.

При выборе коэффициентов запаса необходимо учитывать большое количество факторов, начиная от допусков на размеры поковок, размеров поковок, степени на­ грева, износа оборудования и кончая квалификацией рабочего — кузнеца. Сюда сле­ дует отнести не только различия в масштабном факторе, но и различия в деформируе­ мости круглого образца при осадке в торец и осадке вдоль образующей (в последнем случае деформируемость ниже на 15—30%).

На основании сопоставления данных по предельной степени деформации при осадке меди и ее сплавов, полученных С. И. Губкиным [14], с рекомендуемыми этим же автором значениями допустимой степени деформации за один удар при ковке в произ­ водственных условиях можно получить следующие значения коэффициента запаса:

128

Рис. 35. Пластичность и деформируемость (прокатка клиньев) железоникелевых сплавов [50].

1 —предел пластичности достигнут; 2 —предел пластичности не достигнут.

Ряс. 36. Пластичность и деформируемость (прокатка клиньев) железохромистых сплавов [50].

1 предел пластичности, достигнут; 2 — предел пластичности не достигнут.

130

Рис. 37. Пластичность и деформируемость (прокатка клиньев) меднонике­ левых сплавов [50].

1 — предел пластичности достигнут; 2 — предел пластичности не достигнут.

В настоящее время трудно дать рекомендации о едином методе подхода к число­ вому определению значений коэффициентов запаса, однако порядок величии, по на­ шему мнению, может быть охарактеризован диапазоном значений 0 5—0,7. В этом случае значения допустимых степеней деформации будут: 5доптах = (40~-29)%

в начале процесса ковки и 6ДОпт1п = (33ч-23)% — в конце.

Указанный примерный расчет является иллюстративным и, естественно, не пре­ тендует на то, чтобы рекомендовать его к конкретному использованию. Приведенный пример дает лишь отправные точки подхода к этому вопросу.

Для расчетов режимов горячей прокатки изделий листового и сортового сорта­ мента следует использовать данные определения предельной степени деформации, полученные при горячей прокатке клиновых образцов (или при прокатке на клин). Эти данные с достаточной степенью точности, по мнению автора, могут быть исполь­ зованы в расчетах маршрутов горячей продольной и пплигрнмовой прокатки труб (рис. 3 5 -3 7 ).

При расчетах маршрутов прессовой ковки лучше всего пользоваться данными испытаний на осадку, проводимыми при соответствующих низких скоростях деформи­ рования.

Для определения максимальных значений степеней деформации при объемной штамповке можно также пользоваться результатами испытаний деформируемости при скоростной осадке. Однако, учитывая более благоприятную схему деформации при штамповке, следует иметь в виду определенный резерв пластичности материала в ре­ альном процессе обработки.

. Таким образом, предлагаемый способ расчетов маршрутов дефор­ мации по методу максимального использования пластичности металла с применением данных опытных диаграмм деформируемости дает возможность обоснованно подойти к вопросу интенсификации про­ цессов обработки давлением без снижения качества металла полу­ фабрикатов (предотвращение нарушения целостности металла в про­ цессе деформирования).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в настоящей книге обобщенные данные по пластичности и дефор­ мируемости судостроительных сталей и сплавов, а также систематизация основных физико-химических факторов, определяющих изменение пластичности металлов при обработке их давлением, дают возможность непосредственно подойти к созданию методики расчета конкретных деформационных маршрутов. Эти расчеты выполняют по результатам простейших лабораторных испытаний исходя из принципа макси­ мального использования резервов пластичности обрабатываемого материала. Кроме того, накопление экспериментальных данных по построению диаграмм деформируе­ мости открывает дальнейшие перспективы, в частности, они могут помочь создать справочное пособие для заводских инженерно-технических работников. Обобщение этого материала позволяет также разработать теоретические расчетные методы опре­ деления показателей деформируемости и допустимых степеней деформации для метал­ лического материала любого заданного химического состава применительно к усло­ виям того или иного конкретного процесса пластической обработки.

132