В работах [1,2,3,4] решалась задача математического моделирования ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовкой сложной вязкоупругой стержневой системой с распределенными параметрами, соударяющейся с препятствием. Для решения поставленной задачи использовался частотный метод, представляющий собой модификацию метода конечных элементов, основанного на точном интегрировании дифференциального уравнения для конечного элемента. Заготовки ковочного молота, испытывающие ударные нагрузки, моделировались в виде вязкоупругого тела Максвелла. Затем частотным методом получена оценка осадки заготовки при ковке, позволяющая назначать безопасные технологические режимы.
Применение предлагаемого подхода позволяет производить расчет напряженно-деформированного состояния в любом интересующем сечении рабочих частей молота, а также дает возможность проводить вариантные расчеты с целью совершенствования конструкции ковочных молотов. На основании проведенных расчетов в работе [5] предложена новая конструкция штока ковочного молота с отверстиями ступенчато-переменного сечения, позволяющая снизить нагрузки, возникающие в месте заделки штока в бабуна (18–20) % и направленная на повышение надежности штоков, что позволяет увеличить срок их эксплуатации и тем самым сократить материальные потери от замены штоков и от простоя оборудования в период их замены. Снижение напряжений достигается за счет перераспределения напряжений при ударном воздействии в различных сечениях штока. Эффект получен в результате частотного метода расчета ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовкой.
Для анализа напряженно-деформированного состояния элементов ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовкой создан программный пакет «Система», позволяющий осуществлять вариантные расчеты (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013617459).
Для проверки предлагаемого метода расчета ковочного молота была проведена серия экспериментальных исследований в основном производстве ЗАО «Авиастар-СП» (г. Ульяновск) на операциях свободной ковки на молоте модели М1345 (в 1999, 2011, 2012 гг.). Испытания проводились в условиях выполнения производственной программы. Ковка проводилась в соответствии с маршрутно-технологическим паспортом ковки завода. Режимы ковки устанавливали по результатам предварительных опытов в зависимости от условий и целей экспериментов с учетом технологических возможностей ковочного молота и рекомендаций [3]. Был выбран режим единичного удара, при котором баба совершает рабочий ход и останавливается. Регулировка удара и остановка бабы принудительные. Такие удары требуются при осадке, обжатии слитков и т.д.
Первая серия экспериментов, проведенная в 1999 г., проводилась с целью изучения взаимосвязей между напряжениями, возникающими в различных частях молота: штоке, бабе, нижнем и верхнем бойках, подушке и шаботе и физико-механическими свойствами материала заготовки, режимом работы молота (табл. 1).
Табл. 1. Экспериментальные образцы первой серии экспериментов
|
Марка материала |
Температура ковки, 0С |
Обозначение заготовки |
Размеры заготовки, мм |
Масса, кг. |
|
Алюминиевый сплав АК6 |
300 – 470 |
А1 |
Æ80´280 |
3,85 |
|
А2 |
Æ100´260 |
5,6 |
||
|
Титан ОТ4 |
850 – 900 |
Т1 |
Æ100´145 |
5,09 |
|
Сталь 45 |
950 – 1200 |
С1 |
Æ170´390 |
69,5 |
|
С2 |
Æ180´465 |
83 |
Критериями оценки процесса удара являлись:
– Напряжение 
, Па.
– Частота продольных колебаний f, Гц.
Рис. 1. Амплитуда напряжений s в месте заделки штока в бабу: а - сталь 45, V = 4 м/с; б - титановый сплав ОТ4, V = 6 м/с; в - алюминиевый сплав АК6, V = 6 м/с; 1, 2 - соответственно теоретическая и экспериментальная кривые
Результаты сравнения теоретических и экспериментальных результатов приведены в работе [4] и показали среднюю погрешность вычислений 14 % для частот собственных колебаний и 25 % для амплитуд колебаний (рис. 1).
Вторая серия экспериментов, проведенная в 2011 г., выполнена для проверки адекватности построенной математической модели ковочного молота (табл. 2).
Табл. 2. Результаты экспериментальных исследований второй серии
|
|
Материал заготовки |
Температура ковки, 0С |
Форма и размеры заготовки |
Ход бабы, мм |
Размеры заготовки после 1 удара |
|
1 |
30ХГСА |
1170 |
Æ 45´115 |
635 |
Æ 50´93 |
|
2 |
30 ХГСА |
1170 |
Æ 45´80 |
670 |
Æ 50´65 |
|
3 |
12Х18Н10Т |
1170 |
Æ 210´92 |
448 |
Æ 220´83 |
|
4 |
АК6 |
450 |
110´140´86 |
610 |
95´96´145 |
|
5 |
АК6 |
465 |
Æ 110´240 |
510 |
Æ 50´93 |
В результате численных расчетов, осуществленных с помощью программного комплекса MathCAD2001, получен переходный процесс в точке контакта верхнего бойка молота с заготовкой, представленный на рис. 2. Получено, что осадка заготовки после первого удара составляет 21 мм. Что согласуется с экспериментальными данными.
Рис. 2. Переходный процесс в точке контакта верхнего бойка молота с заготовкой
В работе [1] получили, что экспериментальные исследования хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Расхождения в среднем составляют 4,5 %.
Третья серия экспериментов (2012 г.) проводилась с целью определения напряжений в элементах ковочного молота, исследования осадки заготовки в процессе ударного взаимодействия с падающими частями ковочного молота при фиксированном ходе бабы, результаты представлены в табл. 3.
Табл. 3. Результаты экспериментальных исследований второй серии экспериментов
|
№ |
Материал заготовки |
Температура ковки, 0С |
Форма и размеры заготовки, мм |
Расстояние от заготовки до верхнего бойка до удара, мм |
Величина отскока, мм |
Размеры заготовки после удара, мм |
Осадка заготовки, мм |
|
1 |
АК6 |
470 |
Æ50´90 |
860 |
20 |
Æ54´75 |
15 |
|
2 |
АК6 |
470 |
Æ250´327 |
623 |
150 |
Æ254´317 |
10 |
|
3 |
12Х18Н10Т |
1180 |
Æ105´137 |
813 |
18 |
Æ108´130 |
7 |
|
4 |
30ХГСА |
1180 |
Æ50´70 |
880 |
20 |
Æ54´60 |
10 |
|
5 |
ВТ-22 |
950 |
Æ170´272 |
678 |
20 |
Æ174´260 |
12 |
|
6 |
ВТ-6 |
980 |
Æ70´120 |
830 |
50 |
Æ73´110 |
10 |
В результате численных расчетов, осуществленных с помощью программного комплекса MathCAD2001, получен график движения падающих частей ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовками (рис. 3), при исходных данных, представленных в табл. 3. Масса падающих частей ковочного молота М1345 равна 3150 кг, максимальная скорость соударения 7 м/с.
Рис. 3. Графики движения падающих частей ковочного молота, построенные в системе MathCAD2001 согласно частотному методу расчета [4]: 1, 2, 3, 4, 5, 6 – номера заготовок из табл. 3.
Результаты сравнения теоретических и экспериментальных результатов представлены в табл. 4.
Табл. 4. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов второй серии экспериментов
|
№ заготовки по табл.1. |
Материал заготовки |
Расчетная частота собственных колебаний, с-1 |
Осадка заготовки, мм |
Расхождение, % |
|
|
эксперимент |
расчет |
||||
|
1 |
АК6 |
120 |
15 |
19,1 |
27 |
|
2 |
АК6 |
313 |
10 |
7,2 |
28 |
|
3 |
12Х18Н10Т |
375 |
7 |
5,8 |
21 |
|
4 |
30ХГСА |
250 |
10 |
8,8 |
17 |
|
5 |
ВТ-22 |
325 |
12 |
7,9 |
34 |
|
6 |
ВТ-6 |
202 |
10 |
12,8 |
28 |
В среднем расхождение теоретических и экспериментальных значений составляет 25,8 %. Полученная погрешность обусловлена степенью адекватности построенной математической модели, взятым минимальным коэффициентом сопротивления γ, требующим уточнения для разных материалов и прочих факторов, средним значением скорости соударения. Расчетные частоты собственных колебаний соответствуют диапазону частот, полученному в работе [3], при динамическом анализе ковочного молота частотным методом.
По результатам экспериментальных исследований составлены и подписаны акт опытно-промышленных испытаний с представителями ОАО «Авиастар-СП» и УлГТУ.
Рецензенты:
Лебедев А.М., д.т.н., доцент, профессор Ульяновского высшего авиационного училища (института), г. Ульяновск.
Антонец И.В., д.т.н., профессор Ульяновского государственного технического университета, г. Ульяновск.