Исследование влияния температуры деформирования на винтовом стане на формирование свойств по длине стальных сосудов при имитационном моделировании

Язык труда и переводы:
УДК:
621.7.04
Дата публикации:
11 мая 2022, 21:48
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Медведев Вадим Анатольевич
Московский политехнический университет
Шаталов Роман Львович
Московский политехнический университет
Аннотация:
Рассмотрены результаты компьютерного исследования влияния неконтролируемых параметров деформационного нагрева и охлаждения теплопередачей на распределение температуры по длине сосудов из стали 50 после прокатки и штамповки на прокатно-прессовой линии. Показано существенное влияние неравномерности температуры и скорости закалки на распределение твердости HV и временного сопротивления σв по длине изделий: донная часть около 740HV и 1700 МПа, а средняя и верхняя не более 540 HV и 1400 МПа и 460HV и 1050МПа соответственно.
Ключевые слова:
QForm-3Dсосуд, сосуд, сталь 50, твердость, температура, прочность композиционного материала
Основной текст труда

Введение

На машиностроительных заводах России в последнее время для производства горячедеформированных стальных сосудов используют прокатно-прессовые линии (ППЛ). Процесс производства зачастую связан с неконтролируемыми параметрами деформационного нагрева и охлаждения, что впоследствии влияет на распределение температуры и скорость закалки при формировании механических свойств по длине сосудов. Поэтому при совершенствовании технологии и настройки оборудования винтовой прокатки и штамповки важным является использование программных систем, в том числе QForm-3D, имитирующих цикл производства и качественные параметры проката на выходе ППЛ [1–3].

Цель работы — уточнение влияния распределения температуры деформирования на винтовом стане на формирование свойств по длине стальных сосудов.

Метод проведения эксперимента

В качестве входных параметров моделирования процесса винтовой прокатки с неполной прошивкой и последующей штамповкой стальных сосудов были приняты реальные настройки ППЛ машиностроительного предприятия АО «НПО «Прибор» [4]. Технология обработки сосудов включала: индукционный нагрев и выравнивающую выдержку при температуре 1160 °С, винтовую прокатку с неполной прошивкой со скоростью 5 м/с на трехвалковом винтовом стане 30–80 и последующую штамповку со скоростью 40 мм/с за 7,3 сек  на винтовом прессе усилием 500 кН.  

С использованием программного продукта QForm-3D проведен расчет неравномерности распределения температуры по длине полуфабрикатов на технологических этапах производства на прокатно-прессовой линии.

 

Результаты проведенного эксперимента

 

Равномерно нагретый до 1160 °С пруток-заготовка длинной 70 мм, поступал в область деформации валков прокатного стана, где происходило изменение его поперечного сечения с 40 до 33 мм, при этом происходил разогрев его центральной части на 10–15 °С от исходной температуры. Наружная поверхность заготовки в области контакта с валками постоянной температурой 40 °С охлаждалась до 1080–1100 °С. Прошивка прутка за 3,5 сек изменила поперечное сечение деформированного полуфабриката с 33 до 36 мм формируя при этом стенку толщиной 9 мм. Баланс температуры нарушался, при перемещении более нагретых областей чернового сосуда к его донной части. Вместе с тем происходил деформационный нагрев, но в тоже время и охлаждение стенок сосуда. Причина, по-видимому, связана, с массой и как следствие с низкой тепловой емкостью стенок неспособную компенсировать высокую теплопередачу нагревом деформацией от охлажденного инструмента во время прокатки и неполной прошивки.

Это подтверждается моделью распределения температуры чернового сосуда на выходе прокатного стана. Неравномерность нагрева сосуда от донной около 1160 °С к верхней около 980 °С части составляет 180 °С. Условия имитирующие транспортировку (выдержку) за 5,5 сек и подготовку к калиброванию не повлияли на внутреннее самовыравнивание температуры чернового сосуда.

Калибровка штамповкой охлаждаемым инструментом увеличила неравномерность температуры по длине чистового сосуда до 230 °С. В его донной части нагрев максимальный около 970 °С, а при смещении к центральной части температура снижается до 740 °С и далее меняется мало.

 Проведено моделирование охлаждение неравномерно нагретого по длине стального проката в масле. Установлено, что в донной более массивной части критическая скорость охлаждения 20,5 °С/с, что выше чем в средней и верхней областях около 15,8–17,2 °С/с соответственно. Разница в скорости закалки влияет на неравномерность фазовых превращений и распределение механических свойств по длине сосудов. [5]

Моделирование формирования механических свойств сосуда из стали 50 показало, что в донной части преобладают повышенные значения твердости около 740 HV и временного сопротивления σ в около 1700 МПа, а при смещении к центральной и верхней части эти показатели снижаются до 540 HV и 1400 МПа и 460HV и 1050МПа соответственно.

 

Заключение

С использованием программного продукта QForm-3D выявлено существенное влияние неконтролируемых переменных на неравномерность распределения температуры и механических свойств по длине сосудов из стали 50 после прокатки и штамповки. Установлено, что разница температуры по длине полуфабриката после прокатки 180 °С, а после штамповки перед закалкой составляет 230 °С, что влияет на скорость закалки частей сосуда в масле: донная — 20,5 °С/с, средняя — 15,8 °С/с, верхняя — 17,2 °С/с.

Установлены количественные закономерности влияния неравномерности температуры и скорости закалки на распределение твердости и временного сопротивления по длине изделий: донная часть около 740HV и 1700 МПа, а средняя и верхняя не более 540 HV и 1400 МПа и 460HV и 1050МПа соответственно.

Результаты проведенного исследования использованы температуры при управлении формированием свойств по длине сосудов на выходе прокатно-прессовой линии предприятия АО «НПО «Прибор».

 

Литература
  1. Romantsev B.A., Gamin Y.V., Goncharuk A.V., Aleshchenko A.S. Innovative equipment for producing cost-effective hollow billets for mechanical-engineering parts of small diameter. Metallurgist, 2017, vol. 61(3–4), c. 217–222. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0480-2
  2. Kabanov I.V., Sidorina T.N., Lisovskii A.V., Tokareva N.V., Logacheva A.I. Scheme for Producing Electrodes from a Granular KhN51KVMTYuB (EP741NP) Nickel Superalloy. Russian Metallurgy (Metally) this link is disabled, 2020, 2020 (12), с. 1355–1361. https://doi.org/10.1134/S0036029520120125
  3. Goncharuk A.V., Fadeev V.A., Kadach M.V. Seamless Pipes Manufacturing Process Improvement Using Mandrelin. Solid State Phenomena, 2021, vol. 316, pp. 402–407. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.316.402
  4. Shatalov R.L., Medvedev V.A. Regulation of the Rolling Temperature of Blanks of Steel Vessels in a Rolling-Press Line for the Stabilization of Mechanical Properties. Metallurgist, 2020, no. 1, pp. 1071–1076. https://doi.org/10.1007/S11015-020-00925-W
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.