Представляет интерес изучение влияния формы инструмента на распределение деформаций по сечению поковок, откованных из трех лепестковой заготовки. В качестве деформирующего инструмента широко применяют распространенные комбинированные бойки (с углом выреза 90, 110, 120 и 135°), плоские, а также вырезные (верхний с углом выреза 135° и нижний 110°). Заготовки обжимали со средней уковкой 1,2 различными бойками до получения круглого сечения. Как видно из графика распределения деформаций по сечению поковки, угол выреза нижнего бойка при ковке трех лепестковой заготовки комбинированными бойками не оказывает существенного влияния на деформацию в центральной зоне сечения. Так, при замене нижнего плоского бойка на вырезной логарифмический коэффициент уковки с 0,42 увеличился до 0,62 (боек с углом выреза 135°), что соответствует допускаемой среднеквадратичной ошибке при проведении эксперимента. Несколько лучшие результаты получены при использовании комбинированного бойка с плоской площадкой. Это объясняется тем, что при ковке в комбинированных бойках, когда один лепесток находится в вырезе нижнего бойка, а два других под плоским бойком, на лепестки кроме нормальных сил действует изгибающий момент. Если же два лепестка находятся в вырезном бойке с плоской площадкой, то наклонные грани бойка противодействуют изгибу, создавая на начальной стадии ковки благоприятное напряженное состояние всестороннего сжатия с сосредоточением деформации в осевой зоне. В процессе ковки, по мере уменьшения сечения заготовки, влияние наклонных граней снижается, вследствие чего боек работает как плоский. Применение такого инструмента ограничено размерами трех лепесткового слитка.
Как правило, для ковки трех лепестковой заготовки не требуется специальных бойков, а можно использовать оснастку, которая применяется для ковки обычных восьмигранных слитков.
Для заготовки был также отработан оптимальный режим единичных обжатий. В качестве деформирующего инструмента использовали комбинированные бойки с углом выреза нижнего бойка 135°. Единичное обжатие задавали от 5 до 15%. Рассматривая зависимость напряжений и распределения деформаций по объему поковки от формы инструмента, граничных условий и от величины единичного обжатия, можно отметить следующие обстоятельства. При ковке круглой заготовки с увеличением обжатия резко возрастают площади контакта заготовки с инструментом. При ковке трех лепестковой заготовки в комбинированных бойках, так же как при обжатии квадратной заготовки плоскими бойками, изменение площади контакта значительно меньше, чем при обжатии круглой заготовки. Поэтому увеличение единичного обжатия от 5 до 15 % при ковке трех лепестковой заготовки не приводит к заметным изменениям в распределении деформаций по сечению (рис. 2.7). Если при единичном обжатии 5—10 % поверхностные зажимы не образуются, то избежать их появления при единичном обжатии 15 % не удается. Уменьшение единичного обжатия при ковке трех лепестковой заготовки без изменения деформаций в осевой зоне особенно благоприятно для мало пластичных высокоуглеродистых и легированных сталей. Образование зажимов и качество поверхности поковок, а также распределение деформаций в сечении зависят не только от единичных обжатий, но и от суммарной уковки. В связи с этим серию заготовок обжимали с уковкой 1,2; 1,5; 2,0 в комбинированных бойках с углом выреза нижнего бойка 135°. Графики распределения деформаций, выраженных логарифмическим коэффициентом уковки (рис. 2.8), подтверждают преимущество трех лепестковой заготовки. Уже на заготовительной операции ковки (биллетировки), когда уковка по сечению не превышает 1,2, у трех лепестковой заготовки осевая зона получает деформацию большую, чем поверхностные слои, в то время как у восьмигранной заготовки деформации распространились в осевую зону меньше. Логарифмический коэффициент уковки в осевой зоне поковки, откованной из трех лепестковой заготовки (0,52), в 3 раза больше, чем у поковки, откованной из восьмигранной заготовки (0,17). Полученный эффект повышенной деформации осевой зоны у трех лепестковой заготовки по сравнению с восьмигранной сохраняется и на последующих стадиях ковки. Так, при средней уковке по сечению 1,5 осевая зона трех лепестковой заготовки может получить почти такую же деформацию, какую получает осевая зона восьмигранной заготовки при средней уковке по сечению, равной 2,0. При дальнейшем увеличении средней уковки разница в деформации осевой зоны, как показывает опыт, сглаживается.
Как следует из графиков рис. 2.8, применение трех лепестковой заготовки при изготовлении поковок типа валов позволяет в 1,5 раза снизить среднюю уковку по сравнению с ковкой из восьмигранной заготовки. Величина деформации в осевой зоне при этом сохраняется. При неизменной уковке деформация в осевой зоне возрастает в 1,5 раза по сравнению с деформацией в осевой зоне поковки, откованной из обычной восьмигранной заготовки.
Нетрудно заметить, что различные технологические параметры по-разному влияют на распределение деформаций в поковке, откованной из трех лепестковой заготовки. Поэтому выбирать оптимальные условия ковки удобно с помощью статистической модели процесса. В качестве параметра оптимизации у выбрана местная логарифмическая деформация в осевой зоне поковки: где S0 и SK — площади координатной ячейки в осевой зоне до и после деформации.
Этот показатель отвечает всем требованиям, предъявленным к параметру оптимизации, так как является количественным, однозначным и статически определимым. Характер деформированного состояния в сечении поковки в основном определяют три фактора
Х1 — единичное обжатие s — Ah/h (безразмерное);
Х2 — углы выреза бойка а (рад);
Х3 — показатель формы поперечного сечения заготовки, (безразмерный), здесь R — радиус больших вогнутых граней; а — ширина выступа-лепестка. Уравнение, связывающее параметр оптимизации у с факторами X, записывают в виде у = f (ХгХ2Х3).
Нижний предел фактора Х определяется производительностью ковки, а верхний — возможностью образования поверхностных зажимов (Х1 = 0,075 =*= 0,025); пределы фактора Х2 обусловлены конструкцией ковочного инструмента, угол выреза которого изменяется от зх/2 до я (Х2 = 2,355 0,785); нижний предел фактора Х3 определяется гарантированным отсутствием зажима, а верхний — максимальным приближением к равностороннему многоугольнику (Х3 = 0,785 = 0,25). Функция отклика выражена линейной моделью в виде полинома первой степени: а уравнение регрессии с вычисленными коэффициентами:
Статистический анализ уравнения регрессии показывает значимым только коэффициент В3. Следовательно, ни единичное обжатие, ни угол выреза нижнего бойка не оказывают влияния на распределение деформаций в поковке, откованной из трех лепестковой заготовки. В связи с этим уравнение регрессии можно заменить интерполяционной формулой: у = 0,402—0,148Х3, которая показывает, что наибольшее значение местной деформации в осевой зоне поковки соответствует нижнему пределу интервала варьирования показателя формы поперечного сечения заготовки.
Таким образом подтверждена правильность выбора формы трех лепестковой заготовки по рис. 2.3, при которой достигают максимального сосредоточения деформаций в осевой зоне и гарантируют отсутствие поверхностных зажимов в процессе ковки.
Нагрев металла и термический режим деформирования
