Анализ разрушения заготовки при горячей прокатке с применением модели разрушения Кокрофта–Лэтэма (Cocroft–Latham)

Полный текст

Горячая прокатка металла является одним из самых популярных способов обработки металлов давлением. Прокатка является важным этапом в производстве металлических изделий, она используется для придания заготовки требуемой формы и размеров, применяется при производстве различных изделий, например таких как: рельсы, строительные балки, прутковый материал, трубы. В этой работе рассматривается только плоская горячая прокатка, при помощи которой получают плиты, рулоны и листы, востребованные в аэрокосмической промышленности, самолетостроении и машиностроении. 

Одной из проблем при производстве катаных полуфабрикатов является разрушение металла в процессе деформации. Накапливаемые при горячей прокатке деформации велики, поэтому материал заготовки, исчерпав свой ресурс пластичности, после, например, определенного числа проходов начинает разрушаться. Для прогнозирования разрушения при горячей прокатке используют различные критерии разрушения. Существует множество критериев разрушения [1]. В России наиболее популярные деформационные критерии Колмогорова В. Л., Огородникова В.А., Деля Г Д. [2-4], в зарубежных странах при расчёте вероятности разрушения используют такие критерия как: критерий разрушения Cocroft– Latham, критерий разрушения Johnson-Cook, критерий разрушения Wierzbicki [5-7]. Критерий Кокрофта–Лэтэма (Cocroft–Latham) относится к наиболее распространенным. Анализ публикаций в сети Интернет за последние 5 лет показал, что критерий Кокрофта–Лэтэма упоминается в научно-технической литературе более 2000 раз [8]. Основной причиной такого успеха является простота его использования и минимальное количество данных о свойствах материала, необходимых для расчетов.

Данная работа направлена на снижение вероятности разрушения с помощью оценки суммарного коэффициента разрушения по критерию Кокрофта–Лэтэма (Cocroft–Latham). Расчёт коэффициента производился с помощью моделирования процесса горячей прокатки, методом конечных элементов в программе DEFORM-2D.

Цель работы: исследование влияния величины обжатий на вероятность разрушения при процессе горячей прокатки плит с высоким очагом деформации с помощью МКЭ, с последующей корректировкой схемы обжатий. Для достижения цели выполнены следующие задачи: выбрана программа и проведено моделирование процесса горячей прокатки, основываясь на данных с промышленного производства определен предельный критерий разрушения Кокрофта-Лэтэма, определены величины обжатий, при которых величина критерия разрушения минимальна.

Условия и методы исследования

Для исследования был выбран сплав серии 5ххх - АМг5. Сплав АМг5 имеет среднюю прочность и пластичность и имеет химический состав, представленный в таблице №1 [9].

Химический состав АМг5 по ГОСТ 4784-97, вес. %                  Таблица 1

            В ходе работы было проведено моделирование процесса горячей прокатки плиты с начальной толщины слитка 460 мм и выходной толщины 40 мм при помощи программного комплекса DEFORM-2D. На (рис.1) прокатываемая плита задана как абсолютно пластичное тело длиной 1000 мм, рабочие валки диаметром 900 мм - абсолютно жесткие тела, скорость движения валков – 2 рад/сек, количество конечных элементов - 8000, использовался сплав – Амг-5, использовался толкатель - абсолютное твердое тело.

Рис.1. Моделирование горячей прокатки в программе DEFORM-2D

  Результаты теоретических расчетов были сопоставлены с эмпирическими данными. В качестве оцениваемого параметра был выбран критерий разрушения Кокрофта–Лэтэма (Cocroft–Latham), который является показателем предельной деформируемости материала, основанный на оценке полной работы деформации на единицу объема в точке разрушения и рассчитывается по формуле:

                                                                                     (1)

где ε – накопленная пластическая деформация, dε – приращение накопленной деформации, σ1 – максимальное главное растягивающее напряжение, σi – интенсивность напряжений. Разрушение материала наступает в момент, когда показатель поврежденности C_к-л достигает предельного значения C_пр [9].  

Данные моделирования были соотнесены с данными о разрушении слитков при горячей прокатке с СМЗ и найден предельный критерий разрушения Кокрофта–Лэтэма. Величина С_пред была взята равной 0,89, именно это расчетное значение получается при моделировании процесса прокатки по режимам принятыми на СМЗ (прокатка слитков из сплава АМг5), на проходе № 18 (h₀=110 мм_, h_к=85 мм), на котором чаще всего происходит разрушение заготовки.

Интуитивно для уменьшения напряжения при прокатке снижают обжатия при этом увеличивая количество шагов, для более “мягкой” прокатки. Было проведено моделирование схемы прокатки с обжатием 15 мм (другие параметры не менялись). Расчёты показывают, что коэффициент разрушения достигает предельных значений уже на 22 шаге при выходной толщине 130 мм. Опираясь на полученный результат моделируем схему прокатки с уже повышенными обжатиями равными 30 мм. При использовании этой схемы суммарный критерий на последнем проходе не достигает предельного (разрушение не начинается)  

Результаты и их обсуждение

Суммарные коэффициенты критерия Кокрофта–Лэтэма на последних шагах прокатки с выходной толщиной 40 представлены в Таблице 2.

Ввиду высокой нагрузки на двигатель при прокатке крупногабаритных слитков на первых проходах не принято давать большие обжатия, поэтому была разработана ещё одна схема прокатки с разными обжатиями (в начале прокатки 10 мм с повышением до 30 мм). Такая схема обжатий защитит оборудование от выхода из строя за счёт плавного распределения нагрузки и позволит проработать литую структуру слитков на первых проходах, расчёты показывают, что конечный критерий не превышает значения 0,88 (разрушение не происходит), количество шагов в рекомендованной схеме обжатий = 20.

Суммарные коэффициенты критерия Кокрофта-Лэтэма             Таблица 2

Для снижения риска разрушения операторы стана снижают величину абсолютного обжатия, считая, что ведут прокат по более «мягкой» схеме. Однако, проблема таким способом не решается и даже наоборот разрушение происходит на еще большой толщине. Моделирование прокатки с обжатиями 15 мм, показало, что C_к-л превышает предельно допустимые значения (0,89) на проходе № 22 при выходной толщине 130 мм. Это объясняется тем, что при уменьшении величины обжатий увеличивается неравномерность деформаций, а, следовательно, и неравномерность напряжений. Растягивающие напряжения в центре заготовке принимают значения выше предела прочности. Поэтому для снижения вероятности разрушения, необходимо увеличить равномерность деформаций по высоте сечения, это возможно за счет увеличения величины обжатия. Моделирование процесса прокатки при обжатиях равными 30 мм показывает, что критерий разрушения на протяжении всего цикла не достигает предельного значения. Схема прокатки с повышенными обжатиями позволяет значительно снизить количество брака и сократить число проходов, однако данные проходы будут осуществляться с повышенными нагрузками на приводе и на предельных величинах усилия прокатки, поэтому целесообразно комбинировать величины обжатий.  

            Предельный суммарный критерий для данных условий = 0,89. На Рисунке 2 изображён график с нанесением на него зависимости каждой из 4 схем обжатий, где видно, как менялся суммарный коэффициент с каждым шагом прокатки.

Рис.2. Значение Ск-л от выходной толщины в зависимости от схемы обжатий

Заключение

Расчетами показано, что при уменьшении обжатий до 15 мм за проход величина критерия Ск-л достигает предельных значений в районе толщины 130 мм, а при увеличении обжатий до 30 мм, критерий во время всего цикла не превышает величины 0,88. Можно сделать вывод, что при увеличении обжатий суммарный коэффициент уменьшается. Была создана и внедрена в производственный процесс рекомендованная схема проката, в результате чего брак по раскрытию заготовки на СМЗ во время горячей прокатки был снижен с 3% до 0,1%.                                                        

Об авторах

Егор Алексеевич Суздальцев

Автор, ответственный за переписку.
Email: 2021-00937@students.ssau.ru
Россия

Василий Владимирович Яшин

Email: Vasiliy.Yashin@samara-metallurg.ru

Дополнительные файлы