Разработка высокоэффективной ресурсосберегающей технологии производства колец из жаропрочных сплавов на основе исследования процесса осадки заготовок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Батяев, Даниил Владимирович

• Батяев, Даниил Владимирович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Батяев, Даниил Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Разновидности, назначение и способы производства

кольцевых изделий

1.2 Характеристика основных операций производства колец

1.2.1 Осадка заготовок

1.2.2 Прошивка заготовок

1.2.3 Раскатка кольцевых заготовок

1.3 Характеристика основных методов исследования местных деформаций при горячем деформировании заготовок

1.4 Характеристика объектов деформирования

Выводы по аналитическому обзору литературы

Глава 2 Исследование основных технологических параметров

при горячем деформировании заготовок

2.1 Исследование деформированного состояния заготовок

при осадке

2.2 Влияние диаметра прошивня на распределение местных деформаций в заготовке при прошивке

2.3 Исследование теплового состояния заготовок при осадке

и прошивке

2.4 Расчет усредненных показателей деформации (коэффициентов укова) при раскатке колец

2.5 Разработка конструкции бойков для управления занообразованием при осадке заготовок

2.6 Правовая защита разработанного инструмента

Выводы по Главе 2

Глава 3 Планирование полного факторного эксперимента при поиске оптимальных условий осадки заготовок комбинированным

инструментом

3.1 Установление параметров оптимизации процесса

осадки

3.2 Подбор технологических факторов

3.3 Составление матрицы планирования эксперимента

3.4 Результаты планирования и эксперимента на ЭВМ

3.5 Составление уравнений регрессии

3.6 Обоснование интегрального параметра оптимизации

3.7 Интерполяция результатов расчета параметров оптимизации

3.8 Поиск области оптимума процесса осадки при производстве

колец

3.9 Разработка программ и графоаналитического инструмента для расчета технологических факторов процесса осадки

заготовок

Выводы по Главе 3

Глава 4 Разработка промышленной технологии горячего

деформирования колец

4.1 Изучение технического состояния производства колец

на ОАО «Русполимет»

4.2 Построение и последовательный план промышленного эксперимента

4.3 Обоснование, разработка и реализация новой технологии

горячего деформирования заготовок

Выводы по Главе 4

Глава 5 Оценка эффективности и ресурсосбережения разработанной

технологии горячего деформирования заготовок

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Код и порядок работы с программой

«Математические модели»

Приложение Б. Код и порядок работы с программой

«Вид бочки у заготовки»

Приложение В. Код и порядок работы с программой

«Производство колец»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка высокоэффективной ресурсосберегающей технологии производства колец из жаропрочных сплавов на основе исследования процесса осадки заготовок»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ужесточаются требования к повышению топливной экономичности летательных аппаратов. Активно разрабатывают и внедряют экономичные крупногабаритные двигатели нового поколения, в которых используют кольца диаметром до (3200-3600) мм и высотой до (800-1200) мм. В энергетическом и атомном машиностроении установлена общемировая тенденция перехода на сверхкритические параметры пара и применение новых материалов, для производства экономичных крупногабаритных кольцевых полуфабрикатов для паровых, газовых и гидравлических турбин. К подшипниковым узлам предъявляются все большие требования по прочности при высоких скоростях и высоких рабочих температурах, высокой износостойкости и способности выдерживать экстремальные нагрузки.

КМЗ ОАО «Русполимет» обладает самым современным по технико-технологическому уровню и самым мощным в России и на территории СНГ кольце-прокатным комплексом для изготовления колец диаметром до 6000 мм, высотой до 1200 мм и массой до 12000 кг.

В настоящее время КМЗ бурно развивается. На заводе запустили в эксплуатацию установку вакуумно-дугового переплава (ВДП) и получают слитки ВДП. Однако, на заводе существуют определенные трудности при производстве колец. В условиях отсутствия ковочного участка для предварительной ковки слитков ВДП, завод ОАО «Русполимет» вынужден, при наличии своей установки ВДП, покупать цилиндрические кованые заготовки ВДП с других заводов. В сложившейся ситуации разработка технологии производства колец для изделий ответственного назначения, позволяющей не применять предварительную ковку слитков ВДП, даст ощутимый эффект в получении более мелкозернистой изотропной однородной микроструктуры (уменьшении балла с №1 до №4-5-6) металла колец и ресурсосбережение как экономия в среднем 26104 руб. на транспортных расходах при перевозке 1 т штанг при отказе от услуг других заводов-изготовителей. За счет отказа от

операций предварительной ковки слитков сэкономили примерно 50 кВт электроэнергии, потребляемой гидравлическим прессом и вспомогательным оборудованием, устранили расходы 105 140 кг топлива, необходимые ранее для нагрева и подогрева слитка, уменьшили потери металла с окалиной на 1 % на 1 т продукции.

Целью диссертационной работы является разработка высокоэффективной ресурсосберегающей технологии производства колец из жаропрочных сплавов для изделий ответственного назначения.

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

- Исследовать технологию горячего деформирования и выяснить какая операция играет главную, ведущую роль. Для установленной операции выполнить исследование зонообразования и распределения местных деформаций в заготовках, а также предложить, обосновать технологические мероприятия по получению заданных формы, структуры и распространения зон деформации в заготовках, и заданного распределения местных деформаций.

- Разработать и спроектировать деформирующий инструмент (бойки) для реализации заданного распределения деформаций.

- Разработать методику расчета технологических факторов, обеспечивающих решение задачи регулирования полей деформации, расчетный инструмент в виде математической модели.

- Разработать компьютерные программы и графоаналитический инструмент расчета, позволяющие решить две задачи: прямую - по определению режимов деформирования и обратную - прогнозировать качество металла поковок колец по шести параметрам оптимизации в зависимости от конкретных значений четырех основных технологических факторов.

Последовательный план исследований.

В работе поставлена общая (основная) задача - исследовать процессы горячего деформирования при производстве колец, в рамках которой:

- Определить роли каждой операции в формировании макро-, микроструктуры и механических свойств металла колец.

- Провести исследование деформаций и температур для установленной основной операции и выяснить конфигурацию и структуру деформационных и тепловых зон в заготовке.

На основе полученных результатов исследования:

- Предложить технологические приемы регулирования зон деформаций и температур в заготовках при осадке.

- Сконструировать ковочный инструмент - конические бойки, рассчитать их характеристики (угол конуса при вершине, диаметр плоской рабочей площадки), оценить новизну конструкции путем патентных исследований и защитить новизну технического решения патентом на изобретение.

- Реализовать применение нового инструмента.

- Составить уравнения регрессии, создать компьютерные программы и графоаналитический инструмент для расчета осадки.

- Разработать высокоэффективную и ресурсосберегающую технологию производства колец из слитков ВДП жаропрочных сплавов.

- Выполнить промышленное опробование разработанной технологии.

- Исследовать качество металла колец, полученных по разработанной технологии.

- Оценить эффекты, достигнутые с применением разработанной технологии.

Научная новизна работы:

1. Расчленение монолитных полей сил трения с одновременным расчленением монолитных тепловых полей с последующим их чередованием в периферийной и центральной областях на контактных поверхностях заготовки при осадке позволило регулировать процессы локализации и рассредоточения макросдвиговых деформаций.

2. В результате математического планирования эксперимента при поиске оптимальных условий по шести параметрам при осадке комбинированным инструментом, предложен интегральный внешний параметр оптимизации: профиль бочки - пять разновидностей.

3. Созданный графоаналитический инструмент расчета позволил оперативно решать две технологические задачи:

- прямую - определять оптимальные технологические режимы деформирования коническими и плоскими бойками, выбирать соотношения геометрических размеров исходных заготовок, конструировать рабочий ковочный инструмент - конические бойки,

- обратную - прогнозировать качество металла поковок колец по шести параметрам в зависимости от конкретных значений основных четырех технологических факторов устанавливаемых на заводе при производстве колец.

4. Теоретическими расчетами установлено и подтверждено экспериментально, что все стадии образования разновидностей профиля бочки реализуются при осадке заготовок с соотношением высоты к диаметру, равным 1,0 и обжатием на небольшую величину, равную 25 %, с небольшим диаметром плоской рабочей площадки конического бойка, равным 0,4 от диаметра заготовки. Осадка заготовок с соотношением высоты к диаметру, равным 2,5, возможна без образования выпуклой одинарной бочки.

Практическая значимость работы:

Разработан, изготовлен и применяется на ОАО «Русполимет» кузнечный инструмент для осадки заготовок, даны рекомендации по углу при вершине конического бойка и диаметру плоской рабочей площадки. Эффективность применения осадки коническими и плоскими бойками по сравнению с осадкой только плоскими бойками доказана опробованием и применением разработанной технологии в промышленных условиях завода ОАО «Русполимет».

Результаты теоретических исследований реализованы при производстве трех партий колец в количестве 14 штук из жаропрочных сплавов ЭП693-ВД, ЭИ698-ВД, ЭП708-ВД, переданных Заказчику.

Разработан и запатентован «Способ производства кольцевых изделий» (патент РФ №2465979).

Разработаны четыре компьютерных программы, шесть уравнений регрессии и графоаналитический инструмент расчета для определения оптимальных режимов деформирования и прогнозирования качества металла поковок колец. Программы, уравнения и графоаналитический инструмент расчета переданы и приняты Отделом Главного технолога на заводе ОАО «Русполимет».

Графоаналитический инструмент расчета применен при построении технологии получения поковок дисков из стали 07X16Н4Б.

Технологические рекомендации, содержащиеся в трех научно-технических отчетах, утверждены научно-техническим советом завода и применяются в повседневной работе технологов.

Результаты работы внедрены в процесс обучения студентов по направлению «Металлургия» и профилю «Обработка металлов давлением».

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Батяев, Даниил Владимирович

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Установлено, что основной формирующей качество колец - структуру и механические свойства металла операцией в технологическом цикле горячего деформирования является осадка заготовок.

2. С помощью разработанной методики расчета технологических факторов решена задача регулирования зонообразования и распределения местных деформаций при осадке заготовок комбинированным инструментом.

3. При осадке заготовок разработанным инструментом объем зон затрудненной деформации удалось уменьшить в два раза. Наилучшие результаты по уровню накопленной степени деформации получены при осадке коническими бойками с углом при вершине 120°.

4. На основе теоретических выводов исследования пластических потоков путем регулирования зонообразования и распределения местных деформаций в заготовках при осадке установлено минимальное значение суммарного коэффициента укова при производстве колец из жаропрочных сплавов вакуумно-дугового переплава, составляющее 4,7. Соответствующее уменьшение суммарного коэффициента укова в 3,0 - 7,0 раз для слитков ВДП производства ОАО «Русполимет» обеспечило значительное повышение эффективности и ресурсосбережения при изготовлении колец.

5. Разработанная технология получения колец из слитков ВДП собственного производства (ОАО «Русполимет») позволила отказаться от услуг других заводов-изготовителей и экономить в среднем 26104 руб. на транспортных расходах при перевозке 1 т штанг. За счет отказа от операций предварительной ковки слитков экономить примерно 50 кВт электроэнергии, потребляемой гидравлическим прессом и вспомогательным оборудованием, устранить расходы 105 140 кг топлива, необходимые ранее для нагрева и подогрева слитка, уменьшить потери металла с окалиной на 1 % на 1 т продукции.

6. Высокая эффективность новой технологии производства заключается в получении более мелкозернистой изотропной однородной микроструктуры (уменьшение балла с №1 до №4-5-6) металла колец, которая обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик и надежности изделий ответственного назначения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Батяев, Даниил Владимирович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Патон Б.Е., Медовар Б.И. Горячая раскатка стальных колец и обечаек. - К.:

«Наукова думка», 1993. - 240 с.

2 Ильин М.М. Производство стальных цельнокатаных колец - заготовок. - М.:

«Гос. изд. обор, пром.», 1957. - 127 с.

3 Костышев В.А., Шитарев И.Л. Раскатка колец. - Самара, 2000. - 208 с.

4 Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства.

Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: «Машиностроение», 1976.-560 с.

5 Соколов Л.Н., Золотухин Н.М., Ефимов В.Н. Ковка слитков на прессах. К.:

«Техшка», 1984. - 127 с.

6 Исаченков Е.И. Технология и оборудование кузнечно-штамповочного

производства. Экспресс-информация, № 9, 1980, С. 1-9.

7 Тюрин В.А., Мохов А.М. Теория обработки металлов давлением: Учебник для

вузов. - Волгоград: ВолгГТУ, 2000. - 416 с.

8 Охрименко Я.М., Тюрин В.А. Теория процессов ковки. Учебное пособие для

вузов. - М.: «Высш. школа», 1977. - 295 с.

9 Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. - М.: «Металлургия»,

1967.-312 с.

10 Дзугутов М.Я. Пластическая деформация высоколегированных сталей и

сплавов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: «Металлургия», 1977. - 480 с.

11 Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. Том II. Физико-

химическая теория пластичности. - М.: «Металлургиздат», 1961. - 416 с.

12 3ибельЭ. Обработка металлов в пластическом состоянии. Теоретическое

обоснование процессов обработки металлов давлением. Учебник для металлург, втузов. Пер. П.С. Наумова и Пчеличенко. - М.: «Металлургиздат», 1934. - 199 с.

13 Тюрин В.А. Теория и процессы ковки слитков на прессах. - М.:

Машиностроение, 1979. - 240 с.

14 Тюрин В.А., Янин B.B. Теория и технология процессов ковки и прессования.

Учебное пособие. - М., 2000. - 68 с.

15 Полухин П.И., Тюрин В.А., Давидков П.И., Витанов Д.Н. Обработка

металлов давлением в машиностроении. - М.: «Машиностроение»; София: «Техника», 1983. - 279 с.

16 Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. Изд. 2-е перераб. и доп.

-М.: Металлургия, 1978. - 360 с.

17 Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник

для вузов. Изд. 4-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.

18 Остроушкин Г.П., Чиркин Д.П. Прогрессивные способы раскатки заготовок

колец подшипников. - М., 1978. - 86 с. 19Евстифеев В.В. Технология и оснастка специальных способов обработки металлов давлением. Учебное пособие.- Новосибирск, 1977. - 88 с.

20 Унксов Е.П., Джонсон У., Колмогоров B.J1. Теория ковки и штамповки:

Учеб. пособие для студентов машиностроительных и металлургических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: «Машиностроение», 1992.-720 с.

21 Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов

давлением. Учебное пособие для вузов. - М.: «Металлургия», 1983. -352 с.

22 Колмогоров В.Д., Паршаков С.И., Буркин С.П. Решение технологических

задач ОМД на микро-ЭВМ. Учебное пособие для вузов. - М.: «Металлургия», 1993. - 320 с.

23 Лисицын А.И., Остренко В.Я. Моделирование процессов обработки

металлов давлением (оптические методы). - К.: «Техшка», 1976. - 208 с.

24 Д.В. Батяев, В.А.Тюрин // Известия ВУЗов. Черная металлургия.- 2010.-

№ 5.- С. 68.

25 Альперович М.Е. Вакуумный дуговой переплав и его экономическая

эффективность. - М.: «Металлургия», 1978. - 168 с.

26 ТУ 14-1-1531-75. Поковки-штанги круглого сечения из высоколегированных

сталей и сплавов. - М.: Изд-во стандартов. 1975.

27 Швед Ф.И. Слиток вакуумно-дугового переплава. - Челябинск, 2009. - 428 с.

28 В.А. Тюрин, Д.В. Батяев // Кузнечно-штамповочное производство.

Обработка материалов давлением. - 2012. - № 10. - С. 40 - 44. 29Балясный И.М. // Кузнечно-штамповочное производство. - 1960. - №4.-С. 19-23.

ЗОБалясный И.М. // Кузнечно-штамповочное производство. - 1961. - №2.— С. 8-15.

31 Балясный И.М. // Кузнечно-штамповочное производство. - 1967. - №5,-

С. 11-13.

32 Тюрин В.А., Батяев Д.В. Расчет усредненных показателей деформации при

раскатке колец. // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Инновационные технологии обработки металлов давлением», посвященной 100-летию со дня рождения проф. д.т.н., академика АН КазССР, Героя Социалистического Труда П.И. Полухина. -М.: Изд. Дом МИСиС, 2011. - С. 487 - 491.

33 Березкин В.Г. Формоизменение при обработки металлов давлением. - М.:

«Машиностроение», 1973. - 152 с.

34 Патент РФ №2028860, В21Н 1/06. Способ изготовления стальных кольцевых

изделий. / А.Г. Береснев.

35 Патент РФ №2342215, В21Н 1/06. Способ изготовления раскатных

кольцевых заготовок из высоколегированных никелевых сплавов. / A.B. Конюхов, О.Н. Кутепов, Ю.В. Процив.

36 Патент РФ №2198760, В21Н 1/06. Способ изготовления раскатных

кольцевых заготовок из высоколегированных никелевых сплавов. / Н.М. Рябыкин, Ю.В. Процив.

37 Патент РФ №2192328, В21Н 1/06. Способ изготовления раскатных

кольцевых заготовок из высоколегированных никелевых сплавов. / Н.М. Рябыкин, Ю.В. Процив.

38 Авторское свидетельство №1569065, В21Н 1/06. Способ изготовления

кольцевых изделий. / В.И. Хейфец, JI.A. Левицкий, П.П. Быков и др.

39 Авторское свидетельство №1687343, B21D 53/16. Способ изготовления

плоских колец из листового металла. / В.И. Ларин.

40 Патент РФ №2332276, В21К 1/38. Способ изготовления кольцевой детали. /

С.Т. Басюк, В.М. Грешилов, А.П. Соловьев и др.

41 Патент GB №1571446, В21К 1/28. Improvements in or relating to the forging of

wheel shaped workpieces. / Hoesch Werke Aktiengesellschaft.

42 Патент JP №2001129636 А 20010515, B21K 21/06. Method of manufacturing

for deformed ring. / Tagawa Akira, Asahi Shigemitsu.

43 Патент РФ №2465979, B21K 1/28, B21J 1/06. Способ производства

кольцевых изделий. Бюлл. №31, 2012. / В.А. Тюрин, Д.В. Батяев, Ю.В. Луканин, А.Л. Сапунов.

44 Тюрин В.А. Методы планирования эксперимента. Раздел: Математическое

планирование и обработка эксперимента первого порядка. Курс лекций. -Москва: МИСиС., 1979. - 78 с.

45 Спиридонов A.A., Васильев Н.Г. Планирование эксперимента при

исследовании и оптимизации технологических процессов. Учебное пособие. Свердловск, изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1975, с. 140.

46 В.А. Тюрин, Д.В. Батяев // Известия ВУЗов. Черная металлургия.- 2013.-

№3.- С. 8-10.

47 В.А. Тюрин, И.В. Ларионов, Д.В. Батяев // Известия ВУЗов. Черная

металлургия.- 2013.- № 7.- С. 49 - 51.

48 ТУ 14-1-1530-75. Поковки из сталей и сплавов для деталей машин. - М.: Изд-

во стандартов. 1976.

49 ОСТ 1 90396-91. Кольца цельнокатаные точные из легированных,

коррозионностойких, жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов. Общие технические условия. - М.: Изд-во стандартов. 1992.

50 В.А. Тюрин, Д.В. Батяев, Ю.В. Луканин, А.Л. Сапунов, A.C. Волков,

В.А. Чицварин // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2013. - № 6. - С. 23 - 28.

51 ТУ 1-1018-98. Прутки из жаропрочного сплава марки ХН62ВМЮТ-ВД

(ЭП708-ВД). - М.: Изд-во стандартов. 1998.

52 Захаров С.Н. Справочник экономических терминов. Учебное пособие. - М.:

«МИСиС», 2000. - 197 с.

53 Коноплицкий В, Филина А. Это - бизнес. Толковый словарь экономических

терминов. - М.: «Альтерпресс», 1996. - 256 с.

54 Автотрейдинг транспортно-экспедиционное предприятие // Тарифы и сроки.

Расчет стоимости отправки. - URL: http://www.ae5000.ru/rates/calculate (дата обращения 28.04.2013).

55 Ковка и штамповка. Справочник. В 4-х т. / Ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и

др. - М.: «Машиностроение», 1985 - Т.1. Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / Под ред. Е.И. Семенова, 1985. - 568 с.

56 Разработка экономических и организационных вопросов при курсовом и

дипломном проектировании: Учеб.-метод. Пособие / О.В. Юзов, А.М. Седых, Ф.И. Щепилов, Т.М. Петракова. - М.: «МИСиС», 2001. -132 с.

57 Сорокин В.Г., Гервасьев М.А. Стали и сплавы. Марочник: Справ, изд. - М.:

«Интермет Инжиниринг», 2001. - 608 с. 58Масленков С.Б. Жаропрочные стали и сплавы. Справ, изд. - М.: Металлургия, 1983. - 192 с.