ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ ИЗ СТАЛИ 12ХЗГНМФБА ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ

3

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.983:539.974 С.П. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), В.И. Трегубов, д-р техн. наук, проф., 4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected]

Однако результаты экспериментальных исследований не позволяют получить в явном виде зависимости изменения исследуемых характери-стик механических свойств материала детали при ротационной вытяжке от входных факторов, что является важным для разработки технологического

(Россия, Тула, ТулГУ)

ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ ИЗ СТАЛИ 12ХЗГНМФБА ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ

Приведены результаты экспериментальных исследований изменения механи-

ческих свойств горячекатаных труб из стали 12ХЗГНМФБА в зависимости от степе-ни деформации и температуры отпуска после закалки заготовки при ротационной вытяжке.

Ключевые слова: механические характеристики, ротационная вытяжка, тру-ба, степени деформации, температура отпуска, планирование эксперимента.

Многие ответственные детали машиностроения работают в тяже-

лых условиях эксплуатации (агрессивные среды, высокие статические и динамические нагрузки), поэтому к механическим свойствам этих изделий предъявляются специальные требования. Теоретические исследования процессов ротационной вытяжки не позволяют установить основные зако-номерности формирования механических свойств получаемых деталей от технологических параметров рассматриваемого процесса [1, 2]. В связи с этим большое значение приобретают экспериментальные исследования процессов формирования механических свойств получаемой детали, кото-рые позволяют получать надежную информацию по этому вопросу приме-нительно к конкретной группе деталей из обрабатываемых материалов.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 2. Ч. 2

4

процесса, обеспечивающего заданные эксплуатационные характеристики материала детали. Поэтому представляется возможным использование программного комплекса планирования эксперимента (ПКПЭ) [3, 4] для построения математических моделей изменения условного предела текуче-сти 2,0σ , временного сопротивления вσ , относительного максимального удлинения 5δ образцов в направлении образующей трубных деталей при ротационной вытяжке на основе методов математической статистики и теории планирования эксперимента.

С помощью теории планирования эксперимента возможно получе-ние полиномиальных зависимостей характеристик механических свойств трубных деталей от режимов предварительной термообработки заготовки и режимов ротационной вытяжки на основе обработки результатов натур-ного эксперимента, проведенного в отдельных точках факторного про-странства, с помощью разработанного ПКПЭ.

В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли осесимметричные изделия, изготавливаемые ротационной вытяж-кой из трубных заготовок из сталей типа 10ГНА, 12ГНДЮ и других [1, 2]. Однако перечисленные выше марки сталей не обеспечивают возможность изготовления изделий с временным сопротивлением Bσ свыше 1200 МПа.

В настоящее время для получения изделий с предело м прочно сти свыше 1200 МПа нашла применение многокомпонентная легированная сталь 12ХЗГНМФБА.

Ниже приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию предварительных режимов термообработки и степени деформа-ции при ротационной вытяжке осесимметричных полуфабрикатов на из-менение условного предела текучести 2,0σ , временного сопротивления вσ и относительного максимального удлинения δ стали 12ХЗГНМФБА.

Анализ результатов предварительно проведенных опытов показал, что влияние выбранных входных факторов на формирование показателей качества цилиндрических деталей носит нелинейный характер, поэтому для достаточно адекватного описания этого процесса, выходные парамет-ры которых являются сложными функциями большого числа факторов, в качестве приближенной математической модели можно воспользоваться полиномами высших степеней.

Для построения математических моделей, описывающих изменения характеристик механических свойств материала детали от режимов пред-варительной термической обработке заготовки и технологических пара-метров ротационной вытяжки, были отобраны следующие 2 фактора: тем-пература отпуска трубных заготовок отпT после закали и степень деформации 100)/1( 0 ⋅−=ε tt %. Здесь 0t и t – толщина стенки исходной заготовки и детали соответственно.

Технологии и оборудование обработки металлов давлением

5

В качестве выходных факторов (функций отклика) выбраны сле-дующие: условный предел текучести 2,0σ , временное сопротивление вσ и относительное максимальное удлинение 5δ образца в направлении обра-зующей трубных деталей.

Так как предварительные эксперименты и их анализ показали зна-чительную нелинейность в характере зависимости выходных параметров процесса ротационной вытяжки от рассматриваемых входных факторов, был выбран композиционный план с варьированием исследуемых факто-ров: 1X – на 6 уровнях; 2X – на 4 уровнях, содержащий 24 опыта в матри-це планирования факторного эксперимента (табл. 1).

В соответствии с композиционным планом (табл. 1) в табл. 2 при-ведены уровни и интервалы варьирования температуры отпуска трубных заготовок отпT после закалки и степени деформации ε , влияющие на ис-следуемые механические свойства стали 12ХЗГНМФБА, в натуральных значениях. Для каждой строки матрицы планирования (табл. 1) проводи-лось по шесть опытов для определения дисперсии воспроизводимости и оценки однородности опытов.

Таблица 1

Матрица планирования эксперимента

№ опыта

Кодированные значения факторов

№ опыта

Кодированные значения факторов

1x 2x 1x 2x 1 +1,5 -1 13 0 -1 2 +1,5 0 14 0 +0,5 3 +1,5 0,5 15 0 +1 4 +1,5 +1 16 -0,5 -1 5 +1 -1 17 -0,5 0 6 +1 0 18 -0,5 +0,5 7 +1 0,5 19 -0,5 +1 8 +1 1 20 -1 -1 9 +0,5 -1 21 -1 0 10 +0,5 0 22 -1 +0,5 11 +0,5 0,5 23 -1 +1 12 +0,5 +1 24 0 0 При определении границ области эксперимента использованы зна-

чения факторов, установленные в предварительно проведённых экспери-ментальных исследованиях.


6

Связь натуральных и кодированных значений факторов осуществ-ляется по следующим формулам:

;2/)( minmax0 iii XXX += ;2/)( minmax iii XXX −=∆ ;/)( 0 iiii XXXx ∆+= ,0iiii XXxX +∆⋅=

где iX , 0iX , iX∆ – значение фактора в натуральном масштабе, на основ-ном уровне и интервал варьирования; ix – значение фактора в кодирован-ном масштабе.

Согласно данному плану эксперимента была проведена серия опы-тов, и после проверки значимости коэффициентов уравнений регрессии по t -критерию Стьюдента из этих зависимостей были исключены незначимые коэффициенты и произведен перерасчет моделей с последующей провер-кой их адекватности по F -критерию Фишера при уровне значимости, рав-ным 0,05 [5, 6].

Исследовались образцы от заготовок, полученных холодной пла-стической деформацией (ротационной вытяжкой) горячекатаных труб из стали марки 12ХЗГНМФБА.

Таблица 2

Уровни и интервалы варьирования технологических параметров процесса ротационной вытяжки

Обозначение факторов 1X 2X

Температура отпуска отпT , 0 C

Степень деформации ε , %

Уровень +1,50 700 - Уровень +1 650 80 Уровень +0,5 600 60 Уровень +0 550 40 Уровень -0,5 500 - Уровень -1 450 0

Заготовки, вырезанные из горячекатаных труб, с геометрическими

размерами Ø130 ×Ø116×450 мм после закалки при температуре T =910 °С (выдержка 1 час) для получения различной исходной прочности материала подвергались отпуску при различных температурах: 450, 500, 550, 600, 650, 700 °С (выдержка 3 часа).

Ротационная вытяжка с разделением очага деформации между ро-ликами осуществлялась на станке для ротационной вытяжки модели СХП-2. Станок оснащен 3-роликовой кареткой с гидравлическим приводом осе-вого перемещения.

В качестве давильных элементов использовались три ролика, распо-ложенные по периметру окружности под углами 120 диаметрами D =220


7

мм, радиусами закругления ролика r =3 мм, высотой калибрующего пояска b=3 мм, с рабочим углом первого ролика 151 =α p ; второго и третьего –

3032 =α=α pp ; с задними углами 30=α з (см. рис. 1). Рабочий инстру-мент (ролики и оправка) изготавливался с твердостью 56...62 эHRC .

Рис. 1. Типовая конструкция конических роликов с открытой

калибровкой для ротационной вытяжки цилиндрических деталей Разбивка деформации между роликами производилась согласно ре-

комендациям, изложенным в работе [7]. За первый проход реализовалась степень деформации %40=ε , за второй – %60=ε и за третий – %80=ε .

Для обеспечения качественной поверхности и точности геометри-ческих размеров полуфабриката режимы обработки назначались в сле-дующих пределах: чистота вращения 125=n мин-1

f, шаг подачи

=1,0 мм/оборот. После проведения ротационной вытяжки с различными степенями

деформации заготовки подвергались низкотемпературному отжигу при отжT = 400 °С для снятия внутренних напряжений.

Для определения механических характеристик материала трубных заготовок и полуфабрикатов при разных степенях деформации изготовля-лись продольные пятикратные образцы размером 145х10 мм (головки 14 мм) в соответствии с ГОСТ 10006-80. Количество образцов каждого типа равнялось шести.

Величины условных пределов текучести 2,0σ , временного сопро-тивления ввσ , относительного максимального удлинения 5δ образца в на-


8

правлении образующей трубных изделий вычислялись в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Растяжение образцов осуществлялось на универсальных испыта-тельных машинах «RIEHLE» и «OLSEN» до разрушения с записью инди-каторных диаграмм.

Проведенные экспериментальные исследования и соответствующая обработка опытных данных позволили получить математические модели для определения исследуемых механических свойств материала детали в зависимости от температуры отпуска трубных заготовок отпT после закал-ки и степени деформации ε при ротационной вытяжке заготовок из стали 12ХЗГНМФБА.

Приведем регрессионные зависимости для исследуемых парамет-ров:

временное сопротивление (МПа) +−−−+−=σ 2

2212121 52,5159,19323,8223,13043,5693,1423 xxxxxxв

−+++−+ 22

21

32

31

2212

21 28,7189,6953,22793,4272,17 xxxxxxxx

231

321 66,3038,99 xxxx +− 4

108,24 x− , (1) условный предел текучести (МПа)

−+−+−=σ 2121212,0 29,38465,24521,12786,60592,969 xxxxx

+−+++− 22

31

2212

21

22 37,4491,165801,2671,10424,18 xxxxxxx

412

31 32,17004,150 xxx −+ , (2)

относительное максимальное удлинение (%) −−−+−+=δ 2

21221

22215 76,251,122,180,231,807,12 xxxxxxx

41

3212

31

32

31 54,134,408,148,337,3 xxxxxxx ++−+− . (3)

На рис. 2 – 4 приведены графические зависимости изменения вре-

менного сопротивления Bσ , условного предела текучести 2,0σ и относи-тельного максимального удлинения 5δ в виде поверхностей отклика и ли-ний равного уровня от температуры отпуска трубных заготовок отпT после закали и степени деформации ε , построенные на основе выражений (1) – (3).

Анализ графических зависимостей и экспериментальных исследо-ваний, представленных на рис. 2 – 4, показал, что холодная пластическая деформация стали 12ХЗГНМФБА после отпуска при температуре 600 °С и выше (при исходной величине предела прочности до 1000 МПа) в интерва-ле степеней деформации 40…80 % ведется с незначительным упрочнением материала без практического уменьшения относительного удлинения 5δ .


9

Прирост временного сопротивления Bσ при 80-процентной степени де-формации ε составил 120…180 МПа, т.е. максимально на каждый процент деформации приходится 0 ,225 ед., что в 3 раза ниже прироста для сталей подобного класса.

а

б

Рис. 2. Графические зависимости изменения вσ в виде поверхностей

отклика (а) и линий равного уровня от отпT и ε (б)

Рис. 3. Графические зависимости изменения 2,0σ в виде

поверхностей отклика (а) и линий равного уровня от отпT и ε (б)

После отпуска материала при температуре =T 550 °С и ниже (при исходной величине временного сопротивления более 1000 МПа) прирост временного сопротивления Bσ в зависимости от степени деформации ε становится нормальным, т.е. в пределах 4,5…7,5 МПа на каждый процент деформации.

Приведенные результаты экспериментальных исследований зависи-мости механических свойств многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА от режимов предварительной термообработки и степени


10

деформации могут быть использованы при проектировании новых техно-логических процессов ротационной вытяжки осесимметричных изделий ответственного назначения с повышенными прочностными свойствами.

а

б

Рис. 4. Графические зависимости изменения 5δ в виде поверхностей отклика (а) и линий равного уровня от отпT и ε (б)

Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие

научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» и грантам РФФИ № 10-08-97526 и № 10-01-00085-а.

Список литературы

1. Баркая В.Ф., Рокотян С.Е., Рузанов Ф.И. Формоизменение листо-вого металла. М.: Металлургия, 1976. 264 с.

2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение. 1983 192 с.

3 . Пустовгар А.С. Синтез точных D-оптимальных планов экспери-мента для некоторых полиномиальных моделей третьего и пятого порядка // Механика и прикладная математика. Тула: ТулПИ, 1988. С. 140-144.


11

4. Проскуряков Н.Е., Пустовгар А.С. Автоматизированная система экспериментатора / ТулГУ. 1997. Деп. в ВИНИТИ 13.04.98, № 1084-В98. 10 с.

5. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логические основания планирова-ния эксперимента. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1980. 152 с.

6. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии ме-таллов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; Со-фия: Техника, 1980. 304 с.

7. Белов Е.A., Юдин Л.Г. Ротационная вытяжка на специализирован-ном оборудовании // Ковка и штамповка: справочник. Т. 4. Листовая штам-повка; под ред. А.Д. Матвеева. М.: Машиностроение, 1987. С. 234 – 257.

S. Yakovlev, V. Tregubov, S. Yakovlev The changing of mechanical properties of hot-rolled pipes from steel 12hzgnmfba in

the rotary drawing process The results of theoretical investigations of the changing of mechanical properties of

hot-rolled pipes from steel 12HZGNMFBA according to deformation level and steady tem-perature after piece tempering in the rotary drawing process are presented.

Keywords: mechanical properties, rotary drawing, pipe, deformation level, steady temperature, planning of experiments.

Получено 04.07.10

УДК 621.983.044.7.001.24 В.И. Желтков, д-р физ-мат. наук, проф., (4872)33-24-88, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), В.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872)35-18-32, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), А.Е. Киреева, канд. техн. наук, доц., (4872)35-18-32, [email protected]

( )

∂∂

+ϕλµ=∇

=ϕ∇

tgrad AA 0

2

2 ;0

(Россия, Тула, ТулГУ)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ПРЯМОМ СТЕРЖНЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

Представлены исследования стационарной теплопроводности коротком пря-

мом стержне прямоугольного сечения при различных температурных условиях. Ключевые слова: индуктор, математическая модель, заготовка, обжим. Рассмотрим задачу теплопроводности в коротком прямом стержне

прямоугольного сечения без источников тепла внутри него, которая мате-матически эквивалентна задаче о скалярном потенциале

. (1)

Documents

ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ ИЗ СТАЛИ 12ХЗГНМФБА ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ