Moskva, Moscow, Russian Federation
UDK 621.7.011 Свойства материалов при обработке. Обрабатываемость. Деформируемость, напряжения, способность металла заполнять форму, течение материала и т.д.
The issues of high-temperature forming for the production of elliptical steel beaded bottoms, used in vessels and apparatuses with an internal diameter from 300 to 1800 mm, made of carbon, alloy and ply steels, are viewed. There is information that the authors have been studying this forming process of a workblank with no temperature pattern change. There is also data on examples of tests that allow reducing the thickness difference in the bottom plate from the standard 15 % of relative deformations to 12%. It is shown that the use of a variable temperature pattern will make it possible to increase the extraction coefficient by several times and obtain vessels consisting of two body parts. It is noted that the issue of the influence of changes in the hardening curve when heated on the stability of hot-temperature forming has not been viewed in technical publications yet. The possibility of using the QForm program for the analysis of the stress-strain state for high-temperature forming has been studied. The simulation of the heating of the billet in a gas furnace is carried out. As a result of the calculation, a temperature pattern and a distortion of the shape of the workblank were obtained. Comparison with the experiment revealed good convergence of the results in terms of temperatures and qualitative coincidence of the workblank shape. It is noted that QForm simulates the locations of the places of maximum relative deformations quite well, that is coincident with the results of experimental die forming and theoretical solutions for draw-forming of parts with a spherical bottom. Based on the results of the work, recommendations are given for obtaining bottom plates according to the first class of accuracy, when the maximum relative deformations in thickness should not exceed 4,0 %.
workblank, high-temperature forming, bottom plates
В химическом машиностроении предъявляются повышенные требования к надежности используемых деталей и узлов, что связано, в первую очередь, с хранением и использованием высокотоксичных веществ. Требования к детали, естественно, переносятся на заготовки, получаемые обработкой металла давлением.
Днища изготавливают по техническому регламенту ТР 84.402-34-2015, который распространяется на днища эллиптические отбортованные стальные по ГОСТ 6533 с толщиной стенки от 4,0 до 32 мм для сосудов и аппаратов с внутренним диаметром от 300 до 1800 мм из углеродистых, легированных и двухслойных сталей. В условиях серийного производства эллиптические днища изготавливаются, как правило, горячей листовой штамповкой на гидравлических прессах. В силу особенностей этого вида обработки давлением, днище получается с переменной толщиной стенки, а т. к. расчет на прочность ведётся по минимальной толщине изделия, то толщину заготовки увеличивают, как правило, на 15 %, где 15 % – относительная деформация по толщине. Это, естественно, приводит к существенному перерасходу металла и увеличению веса изделия.
В то же время сосуды, работающие под давлением, разделяются на группы с первой по пятую, где первая группа – это сосуды, работающие под большим давлением и соответственно эллиптическое днище должно иметь отклонения размеров по сечению толщины согласно ГОСТ 6533-78 до 4,0 %.
Исследованию горячей листовой штамповки днищ посвящено относительно небольшое количество работ. В первоначальных работах [1], в основном приводились результаты практической штамповки днищ и определение максимальной силы штамповки.
С появлением пакетов прикладных программ для расчета процессов горячей штамповки проведены исследования [2] изменения температурных полей в процессе переноса листовой заготовки от печи до пресса, а также в работах [3, 4] проведен анализ напряженно-деформированного состояния при горячей листовой штамповки днищ.
В работе [5] была поставлена задача, исследовать горячую толстолистовую штамповку материала, имеющего очень небольшой температурный интервал штамповки, всего 50 ºC. Поэтому на первом этапе расчета проанализирован нагрев заготовки в печи. Рассчитано время нагрева, при котором температура равномерно распределяется по толщине. Затем рассмотрели изменение температуры при переносе заготовки от печи до пресса и изменение температуры при штамповке.
В работе [6] проведено исследование методов нагрева заготовок для горячей листовой штамповки, а в работе [7] проведена оценка предельной степени вытяжки листовых изделий со сферическим дном в условиях горячей деформации.
Относительно недавно в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина был выполнен цикл работ [8 – 11] по горячей листовой штамповке днищ. Авторы поставили перед собой цель снизить металлоемкость эллиптических горячештампованных днищ за счет уменьшения технологического напуска. Достаточно подробно рассмотрены причины, по которым при штамповке происходит утонение исходной заготовки и даны пути уменьшения относительных деформаций по толщине. Получено типовое распределение деформаций по образующей, представленное на рис. 1 (значения изменение толщины указаны в относительных деформациях по толщине).
Как видно на рис. 1 максимальное утонение происходит в вершине эллипса и зоне действия изгибающих моментов. Как и положено при вытяжке, во фланце происходит увеличение толщины заготовки под действие тангенциальных сжимающих напряжений.
Поэтому нам необходимо в эллиптической части днища или уменьшить растягивающие напряжения или увеличить в этом месте напряжение текучести σs.
В результате моделирования в DEFORM-3D типового технологического процесса получено, что для аустенитных сталей технологическую прибавку для компенсации утонения стенки при штамповке допускается снизить c 15 % до 7,0 %, для днищ из углеродистых и низколегированных сталей – до 10 %. В тоже время не ясно, учитывалось в работе изменение начальной толщины заготовки. Например, для листа из стали 10, толщиной 10 мм допускается уменьшение толщины на 0,8 мм (8,0 %).
Таким образом, проблема существующей технологии состоит в том, что нельзя добиться постоянного соответствия требованиям по ГОСТ 6533-78 первой группы, чтобы относительное уменьшение толщины было
меньше 4,0 %.
Рассмотрим интенсификацию процесса штамповки днищ за счет нагрева фланца заготовки.
В случае, если учитываем влияния на процесс вытяжки только формоизменения, получаем предельный коэффициент вытяжки
= 2,7, где = R/r;
R – радиус заготовки; r – радиус детали.
Предположим, что мы нагрели фланец заготовки по экспоненте и уменьшили предел текучести 
в 2,0 раза, тогда:
где 
– максимальное напряжение в опасном сечении; 
– значение предела текучести при комнатной температуре.
Элементарные расчеты показывают, что
Если уменьшим в 4,0 раза, тогда получим:
Таким образом, теоретически, появляется возможность увеличить коэффициент вытяжки в 20 раз. На практике, конечно, такие величины недостижимы, однако мы можем получить изделия с очень высокими бортами или, при меньших значениях , существенно уменьшить растягивающие напряжения в эллиптической части днища.
Однако при нагревании заготовки должна возникнуть проблема, связанная с тем, что при повышении температуры кривая упрочнения начинает приближаться к идеально пластической. Например, кривая упрочнения для стали 10, построенная для температур 800 ℃, 900 ℃, 1000 ℃ и 1100 ℃ показана на рис. 2. Как известно, очень пластичные материалы, как свинец, пищевой алюминий и другие материалы, не имеющие упрочнения, не поддаются листовой штамповке из-за потери устойчивости при деформировании.
Для уточнения параметров горячей листовой штамповки днищ было проведено исследование изготовления эллиптического днища на одном из заводов Московской области. Изменения толщины в процессе вытяжки изучали при помощи моделирования в программном обеспечении QForm.
Для определенности была взята деталь, представленная на рис. 3.
Данная деталь используется в добывающей промышленности (как часть сосуда), так же в химической промышленности (сосуды высокого давления).
Расчет заготовки показал, что диаметр заготовки должен быть 𝐷 = 1270 мм. При этом коэффициент вытяжки всего 1,27.
Исходные данные для расчета:
– вид печи: камерная нагревательная печь;
– нагреваемый металл: Сталь 10;
– конечная температура поверхности металла, 1100 ℃;
– топливо: природный газ.
Анализ распределения деформаций, показывает, что наиболее опасные зоны с точки зрения разрушения располагаются на борту днища, в местах гофр, которые при прохождении через зазор между пуансоном и матрицей расправились. В зоне перехода от эллиптической к цилиндрической части днища по всему объему преобладают растягивающие напряжения. Так как мы нагреваем всю заготовку в газовой печи, то необходимо учесть, что после нагрева она изгибается вверх и это сильно влияет на процесс штамповки.
При нагреве заготовки в печи, края заготовки так же поднимаются, т. е. происходит изгиб заготовки, как при моделировании.
Вследствие изгиба, появляется необходимость прижимом сделать правку заготовки под последующую штамповку.
Моделирование в QForm показывает, что максимальные деформации находятся во фланце и в зоне изгиба по матрице, что подтверждается экспериментом. Поэтому необходимо уменьшить деформацию на участках перехода цилиндрической части к эллиптической.
Для проведения экспериментальной штамповки на производстве на заготовку была нанесена разметка по схеме
Сравнение результатов штамповки, представленных на рис. 1 и рис. 9, показывает, что достигнуты лучшие результаты за счет уменьшения коэффициента вытяжки, т. к. его уменьшение позволяет уменьшить растягивающие напряжения. Однако в зоне изгиба, при сходе металла с кромки матрицы, происходит резкое увеличение относительных деформаций по толщине (до 50 %). Такие же результаты получены при моделировании процесса (см. рис. 6).
Полученные результаты позволяют предположить, что охлаждение участков с максимальной деформацией и нагрев в местах, где деформации минимальные, позволит получить более равномерное распределение относительной деформации по толщине.
Выводы
- Традиционная технология, с равномерным нагревом всей заготовки, как правило, не позволяет получать днища по первой группе.
- Уменьшение коэффициента вытяжки улучшает равномерное распределение относительной деформации по толщине по образующей детали.
- Создание градиента температур по поверхности заготовки может:
– теоретически увеличить устойчивость вытяжки;
– получить более равномерное распределение относительной деформации по толщине.
1. Moshnin E.N. Technology of stamping of large-sized parts. Moscow: Mashinostroenie, 1973, 240 p.
2. Kargin B.S., Lipchansky A.A. Investigation of temperature limits in aworkblank for the «bottom» part during its transfer from the furnace to the press. Bulletin of the Azov State Technical University. Issue: Technical Sciences, 2013, No. 27, pp. 52-56.
3. Lipchansky A.A., Kargin B.S. Analysis of the stress-strain state during hot- temperature forming of bottom plates. Resource-saving technologies of production and pressure treatment of materials in mechanical engineering, 2014, No. 1 (15), pp. 71-76.
4. Stepanov-Boboev M.S., Kulikova T.K., Yelaeva N.K. Modeling of the process of hot- temperature of titanium parts in the QFORM environment. In the shot: Science, society, education in the context of digitalization and global changes. Proceedings of the IV-th International Scientific and Practical Conference. Penza, 2022, pp. 21-26.
5. Demin V.A. Hot sheet stamping of bottoms. Processing of materials by pressure, 2002, No. 8, pp. 16-19.
6. Galsanova E.Ts., Greshilov A.D., Kalinin Ya.V., Yakovlev A.A. Investigation of methods of heating blanks under high-temperature forming. Proceedings of the Volgograd State Technical University. 2021. No. 8 (255). pp. 57-60.
7. Galkin V.V., Kalinin A.B., Pachurin G.V., Ermakov D.Yu. Limiting degree of dome sheet products with spherical bottom in hot strain. Fundamental research, 2014, 5-5, pp. 939-944.
8. Kuznetsov A.F., Gorbunova Yu.D., Orlov G.A. The study of the wall thickness changing of thin-walled elliptical bottoms during stamping // Forging and Stamping Production. Material Working by Pressure, 2017, No. 3, pp. 19-23
9. Orlov G.A., Gorbunova Yu.D., Kotov V.V. Quality analysis of hot-temperature formed bottoms. In the shot: Aircraft engineering and transport of Siberia. Proceedings of the X-th International Scientific and Technical Conference, 2018, pp. 73-77.
10. Gorbunova Yu.D., Goryaev A.I., Kuznetsov A.F., Orlov G.A. Assessment of the quality of hot-stamped elliptical bottoms using complex indicators // Blank production in mechanical engineering (Forging, foundry and other productions). 2019, vol. 17, No. 1, pp. 41-47.
11. Gorbunova Yu.D., Orlov G.A. Simulation of hot stamping of elliptical steel bottoms. Ferrous metals, 2019, No. 10, pp. 58-62.
