Введение

Основными и наиболее нагруженными элементами установки совмещенного литья и деформации являются бойки [1; 2], которые во время рабочего хода одновременно обжимают стенку стальной полой оболочки и перемещают ее по направлению литья. При этом во время рабочего хода в бойках возникают суммарные напряжения от усилия обжатия и температурной нагрузки [3 – 5]. Таким образом, актуальной задачей является обоснование выбора материала бойков, обеспечивающего способность противостоять циклическим нагрузкам при воздействии механических и термоупругих напряжений [6 – 8].

Для расчета напряженного состояния бойка установки сначала определено его температурное поле на основе решения уравнения нестационарной теплопроводности с соответствующими начальными и граничными условиями [9 – 11].

Наружный и внутренний диаметры полой заготовки из стали 09Г2С составляют 100 и 60 мм. Угловая скорость эксцентриковых валов принята равной 40 мин–1. При такой скорости время контакта бойка со стенкой полой заготовки при рабочем ходе составляет 0,375 с, а время паузы – 1,125 с. Температура полой заготовки в зоне входа в бойки равна 1200 °С [12 – 14].

Геометрия бойка с размерами приведена в работе [9]. Итерационными расчетами установлено, что для обеспечения температуры на контактной поверхности бойка на уровне 350 °С при значении коэффициента теплоотдачи 2000 Вт/(м2·К) величина плотности теплового потока составляет 4,6 МВт/м2 [15].

Установлено, что при воздействии теплового потока во время обжатия бойками стенки полой заготовки температура на контактной поверхности бойка находится в диапазоне 370 – 451 °С. Затем на холостом ходу при охлаждении бойков водой температура контактной поверхности бойка снижается и находится в диапазоне 289 – 370 °С.

По полученным температурным полям методом конечных элементов в пакете ΑΝSYS [16] определены термоупругие напряжения в бойках установки (использованы элементы методик расчетов, изложенные в работах [16 – 18]). Размеры конечного элемента в зонах очага деформации и калибрующих участков бойков приняты равными 1 мм. В силу симметрии расчет выполнялся для половины бойка, показанного на рис. 1 в работе [9]. Результаты расчета радиальных (SR), тангенциальных (Sθ), осевых (SZ) и эквивалентных (SEQV) термоупругих напряжений приведены только для характерных линий XZ_L2_S2, XYZ_L2_S2 и R_L2_S2 и точек сечения 2, связанных с контактной поверхностью бойка (рис. 1).

В таблице приведены значения термоупругих напряжений в точках характерных линий сечения 2 от воздействия на боек теплового потока (ТР) и охлаждения водой (ОХЛ).

На рис. 2 показаны закономерности распределения термоупругих напряжений в бойках по характерной линии R_L2_S2.

Рассмотрим распределение термоупругих напряжений в бойках по характерным линиям сечения 2 (рис. 1), где возникают наибольшие сжимающие напряжения при обжатии стенки стальной полой заготовки. Так, в точке 1_S2 линии XZ_L2_S2, которая проходит по оси симметрии калибра бойков, на контактной поверхности имеют место максимальные сжимающие осевые напряжения SZ величиной –703 МПа (рис. 2, таблица).

На холостом ходу при охлаждении бойков водой на контактной поверхности бойков в точке 1_S2 сжимающие термоупругие напряжения Sθ и SR имеют значительно меньшие величины и соответственно равны –58 и –191 МПа (рис. 2, таблица).

Следует отметить, что по линии XYZ_L2_S2 сжимающие термоупругие напряжения Sθ и SZ на контактной поверхности бойков при обжатии стенки полой заготовки достаточно высоки и в точке 4_S2 они соответственно равны –381 и –652 МПа (рис. 2, таблица).

На холостом ходу на контактной поверхности бойка в точке 4_S2 тангенциальные напряжения Sθ (растягивающие) с максимальной величиной 148 МПа, а осевые напряжения SZ (сжимающие) величиной –142 МПа. Однако по толщине бойка осевые напряжения сначала возрастают до значения –312 МПа, затем уменьшаются, меняют знак и становятся растягивающими с наибольшей величиной 141 МПа (см. таблицу).

Рассмотрим распределение термоупругих напряжений по радиусу контактной поверхности бойков (линия R_L2_S2, рис. 1).

При обжатии стенки полой заготовки в точке 1_S2 контактной поверхности бойка термоупругие напряжения Sθ и SZ сжимающие величиной –589 и –703 МПа соответственно, затем по радиусу они уменьшаются и в точке 4_S2 становятся равными –381 и –652 МПа, а в точке 7_S2 соответственно –59 и –63 МПа (рис. 2, таблица).

На холостом ходу в точке 1_S2 контактной поверхности бойка возникают сжимающие термоупругие напряжения Sθ и SZ соответственно величиной –58 и –191 МПа, затем они по радиусу контактной поверхности бойка в точке 7_S2 становятся растягивающими соответственно величиной 25 и 341 МПа (рис. 1, таблица).

В результате исследования установлено, что температура контактной поверхности бойков при обжатии стенки стальной полой заготовки может достигать 451 °С. При этой температуре величина сжимающих термоупругих напряжений на контактной поверхности бойков достигает 703 МПа.

Расчетные значения термоупругих напряжений хорошо коррелируют с результатами, полученными при выполнении аналогичных исследований с использованием программной системы анализа QForm [19].

С учетом вышеизложенного бойки установки совмещенного литья и деформации для получения стальных полых заготовок целесообразно изготавливать из стали 4Х4ВМФС. Это штамповая сталь с повышенными стойкостью к образованию трещин разгара и износостойкостью. Условный предел текучести стали при температуре 500 °С составляет 1309 МПа, что значительно превышает величину максимальных термоупругих напряжений от температурной нагрузки [20]. Сталь применяется, в том числе, для изготовления инструмента высокоскоростной машинной штамповки и высадки на горизонтально-ковочных машинах.

Выводы

Разработана методика расчета термоупругих напряжений в калиброванных бойках установки совмещенного литья и деформации при получении стальных полых трубных заготовок. Определены величины и закономерности распределения термоупругих напряжений в трех сечениях калиброванного бойка при получении стальных полых заготовок на установке совмещенного литья и деформации. Установлено, что максимальная величина сжимающих термоупругих напряжений на контактной поверхности бойков достигает 703 МПа. Предложено бойки установки совмещенного литья и деформации для получения стальных полых заготовок изготавливать из стали 4Х4ВМФС, предел текучести которой при температуре 500 °С составляет 1309 МПа.