12.04.2018

Анализ температурных полей рабочих деталей штампов


При определении циклических температурных кривых величина теплового потока от поковки к инструменту во время контакта для каждого цикла определяется формулой:
где q* — плотность теплового потока от поковки к инструменту при исходной температуре инструмента Ти(нач) = 293 К; Tз - температура заготовки; Ти(i-1) — температура инструмента в конце предыдущего (i-1)-го цикла.

В табл. 4.14 приведены значения тепловых потоков при исходной температуре инструмента Ти(нач) = 293 К. Значения получены в результате обработки экспериментальных данных.

Во время паузы между рабочими ходами происходит конвективный теплообмен нагретого инструмента с окружающей средой, теплофизические свойства которой оказывают влияние на интенсивность охлаждения рабочей части инструмента.
В таблице 4.15 приведены значения коэффициентов конвективного теплообмена при охлаждении на воздухе. Если в качестве охлаждающей среды использовать водно-графитовую смазку, то значение коэффициента конвективного теплообмена увеличивается в 2...2,5 раза, а при внутреннем охлаждении водой увеличивается в 4...5 раз. Это обстоятельство также принималось во внимание при расчете тепловых полей инструмента.
На рис. 4.35 показаны конечноэлементные модели пуансона и матрицы со схемами тепловых нагрузок. На поверхностях контакта заданы тепловые потоки, действующие на соответствующие грани элементов.

При рассмотрении распределения температур в объеме матрицы были приняты следующие допущения:

- на рабочей поверхности полости матрицы происходит контакт с нагретой заготовкой;

- на поверхностях контакта с бандажом и на опорных торцевых поверхностях заданы условия контактного теплообмена со средой, имеющей неизменную температуру;

- матрица имеет равномерно распределенную по объему исходную температуру.
Нагрев заготовок для полугорячей штамповки в производственных условиях осуществляется, главным образом, в индукционных нагревателях. Важнейшим требованием, предъявляемым к операции нагрева, является стабильность температуры нагрева заготовок, колебание которой обусловлено изменением продолжительности нагрева, массы заготовок, подводимой к индуктору электрической мощности, а также потерями тепла при транспортировке заготовки к штампу.

Поскольку в момент установки заготовок в штамп существует перепад температуры между поверхностью и центром заготовки, то о величине и стабильности температуры заготовки целесообразно судить по ее средней массовой температуре, которую определяли калориметрированием. Для проведения экспериментов был сконструирован и изготовлен водяной калориметр, устройство которого показано на рис. 4.36.

Калориметр состоит из калориметрического сосуда 1, изготовленного из жести толщиной 0,3 мм. Калориметрический сосуд снаружи защищен несколькими слоями термоизолирующего материала 2. Крышка 3, с приклеенным к ней слоем мягкой резины 4, предназначена для герметизации внутренней полости калориметра. Крышка установлена на трех шпильках и фиксируется специальными гайками 5. Проводники термобатареи б закреплены в крышке калориметра с помощью резиновой пробки 7. В крышке также имеется отверстие для опускания поковок 8, которое закрывается пробкой 9. Колориметрический сосуд наполнен водой 10, а на его дне установлена подставка 11, которая обеспечивает равномерный разогрев воды и стенок калориметрического сосуда в процессе опыта.

Рабочие спаи термобатареи б служат для измерения средней температуры воды в калориметрическом сосуде 1, а свободные спаи находятся в термостате 12, наполненном тающим льдом. Показания термобатереи измерялись с помощью милливольтметра 13. Точность измерения средней по объему температуры воды в калориметре составляла ±0,05 К.

Для определения разницы средних массовых температур отштампованной поковки и заготовки использована калориметрическая система, состоящая из двух калориметрических сосудов и термопар, рабочие спаи которых связаны между собой с помощью милливольтметра (рис. 4.36, а).

Количество теплоты, выделившейся в калориметрической системе, определялось из равенства:
где H - тепловой эквивалент калориметрической системы, Дж/К; Тк, Tн - конечная и начальная температура воды в калориметре, К; At - температурная поправка на теплообмен, К.

Значение теплового эквивалента определялось сравнением расчетных и экспериментальных данных, которые отличались не более чем на 1%. При объеме воды в калориметре, равном 0,7 литра, значение теплового эквивалента составило 2,92 кДж/К. Поправка на теплообмен At калориметра с окружающей средой не превышала 0,3 % от наблюдаемой в опыте разности температур AT и в расчетах не учитывалась.

Значение удельной энтальпии калориметрированных заготовок, кДж/кг, рассчитывали по формуле:
где Tк - температура воды в конце калориметрического опыта, К; сср - средняя удельная теплоемкость металла поковки в интервале температур от 273 К до Тк, Дж/кг*К; Q - количество теплоты, выделившейся в калориметрической системе, Дж; m — масса заготовки, кг.

Статистическая обработка полученных в результате эксперимента данных (проведено 100 измерений) показывает, что рассеяние погрешности удельной энтальпии нагретых заготовок близко к нормальному закону. Колебание удельной энтальпии по отношению к минимальному значению составляет 6,3 %. Некоторые известные и полученные зависимости удельной энтальпии от температуры для различных материалов представлены на рис. 4.37.

По значению удельной энтальпии назначают соответствующую ей температуру, которая в данном случае принимается за среднюю массовую температуру заготовки.
Определены температурные поля и напряженно-деформированные состояния (НДС) инструмента с учетом изменения теплофизических величин материала, из которого он изготовлен.

Для установления рационального режима предварительного подогрева инструмента проведен численный эксперимент при следующих начальных температурах матрицы: 293, 373, 473, 572 К.

Температура рабочей поверхности матрицы без предварительного подогрева при первых ударах достигает 576 К, падая после снятия нагрузки до 320 К. Амплитуда колебаний температуры на рабочей поверхности составляет в период разогрева матрицы 256 К. При отсутствии предварительного подогрева инструмента, возможен теплоотвод в глубинные слои со скоростью, близкой к скорости охлаждения при закалке штамповых сталей. Вследствие этого происходит локальное повышении твердости поверхностного слоя.

Многократное локальное и неравномерное повышение твердости способствует возникновению напряжений в этом слое и, соответственно, образованию трещин термической усталости. С другой стороны, отсутствие подогрева инструмента обуславливает высокий температурный напор AT = Tз - Ти, порядка 780 К.

Температурный режим штамповки определяется количеством тепла, перешедшим в инструмент за один цикл, и длительностью активного теплового воздействия на инструмент.

Количество тепла при контактном взаимодействии с учетом термического сопротивления пограничного слоя можно определить, используя зависимость:
Ограничение влияния циклического температурного воздействия со стороны деформируемого металла на инструмент может быть достигнуто за счет:

— уменьшения времени контакта;

— уменьшения температурного напора;

— нанесения теплоизоляционных прослоек в виде смазок.

Возможность изменения времени контакта ограничена, так как эта

составляющая времени цикла определяется спецификой штамповочной операции, кинематическими особенностями и скоростными параметрами применяемого оборудования.

Снизить величину температурного напора AT можно либо уменьшением температуры нагрева заготовок, что в условиях ПГОШ неприемлемо, либо обеспечением подогрева рабочих деталей штампа. Однако повышенная температура предварительного подогрева инструмента (573 К и более) хотя и снижает температурный напор AT, но ведет к резкому увеличению температуры рабочей поверхности (только за один цикл 876 К и более), что также является недопустимым из-за ограничений по теплостойкости штамповых сталей. Это обстоятельство приводит к усилению изнашивания рабочей поверхности, а при интенсификации ее охлаждения, способствует разгарообразованию. Проведенные численные эксперименты показали, что наиболее благоприятным является интервал температур предварительного подогрева инструмента 423....573 К. В этом случае AT составляет соответственно 650....600 К (рис. 4.38).
Что касается смазочных материалов, то они достаточно широко используются в промышленности и их теплофизические характеристики изучены.

На рис. 4.39 показаны температурные кривые в теле матрицы с начальной температурой 473 К за один цикл нагружения с указанием характерных этапов теплопередачи. Время, в течении которого расчитывается один температурный цикл матрицы, составило 6330,770 с. Первый период а соответствует началу деформации, когда контакт заготовки с матрицей идет по малым площадкам и преодолевается термическое сопротивление пограничного слоя.
Необходимо отметить, что на графике передача тепла инструменту, соответствующая установке заготовки в штамп, проявляется слабо, поскольку при этом повышение температуры поверхности составляет всего 5...10 К, что показывает незначительное влияние теплопередачи за счет излучения. Период б соответствует контакту рабочей поверхности инструмента с поковкой под давлением, инструменту передается основное количество тепла и наблюдается резкий рост температуры. Температурный напор максимален при малом сопротивлении пограничного слоя. С уменьшением температурного напора интенсивность роста температуры уменьшается (период в). Ввиду малого времени контакта структурные изменения не успевают произойти, вследствие некоторой инерционности процесса отпуска. Условием протекания отпуска является необходимость сквозного прогрева поверхностного слоя инструмента толщиной не менее 2...4 мм. Период г соответствует охлаждению матрицы в паузе между рабочими ходами.

Расчет показал, что глубина проникновения температурной волны за время деформации поковки не превышает 1...2 мм. Интенсивность теплового стока в глубинные слои инструмента, а также градиент температуры по сечению матрицы определяется коэффициентами тепло- и температуропроводности штамповой стали. Следует отметить, что с повышением температуры теплопроводность штамповых сталей уменьшается.

Температурные поля матрицы могут быть получены для любого момента времени цикла. На рис. 4.40, а, б, в соответственно показаны изотермы в объеме матрицы в момент времени t = 1,0; 2,0; 5,0 с.
По данным проведенных численных экспериментов определено распределение температур по глубине стенки матрицы в зависимости от времени. На рис. 4.40, г показана эта зависимость. Кривые 1 и 2 соответствуют периоду контакта заготовки с поверхностью матрицы (t = 0,5 с и t = 1,0 с). Здесь проявляется наибольший градиент температур в поверхностных слоях, равный 72,80 град/мм. При охлаждении матрицы (кривые 3 и 4) в моменты времени, равные 1,5...5 с, градиент температур в слоях, близких к поверхности, уменьшается почти в 10 раз, до величины 7,72 град/мм. Это происходит за счет роста температуры в глубинных слоях матрицы. На расстоянии 20 мм от поверхности контакта температура в течение всего цикла остается практически неизменной.
Рис. 4.41 иллюстрирует температурные кривые узлов, расположенных на различном расстоянии от поверхности контакта матрицы, полученных для автоматического режима работы пресса при числе ходов n = 12 мин-1 при условии подачи заготовок на каждый рабочий ход. Время контакта составляет 1 с, а время охлаждения 4 с для каждого цикла штамповки. Матрица имеет начальную температуру 473 К, а заготовка нагрета до температуры 1053 К. Анализ температурных полей проведен для общего времени работы оборудования 60 с. Следует отметить, что время, в течении которого проводился численный эксперимент, составило 50669,320 с. Как видно из представленного графика, на первых ходах пресса температура поверхности матрицы достигает 776 К. Через 10...12 ходов инструмент переходит в квазистационарный режим работы, при котором максимальная температура поверхности находится в пределах 875...905 К.

Оценено влияние режима работы оборудования (см. табл. 4.12) на температурный режим матрицы. Задача решена для автоматического режима работы пресса с различным числом ходов. Температурные кривые узлов матрицы, находящихся на поверхности контакта, для различных режимов работы приведены на рис. 4.42.
Проанализируем температурные поля в теле пуансона, возникающие при его эксплуатации. При обратном выдавливании полости поковки рабочая часть пуансона охватывается нагретым металлом по большой площади. Распространяющиеся навстречу друг другу тепловые волны затрудняют теплоотвод в глубинные слои, что вызывает быстрый прогрев концевой части пуансона и приводит к деформации поверхностных слоев рабочей части. В связи с этим проблема отвода тепла решается подводом охлаждающей жидкости. В конструкции пуансона предусмотрен центральный канал для циркуляции охлаждающей жидкости, в качестве которой используется вода с температурой 333...343 К. В принятой модели начальная температура инструмента принималась равной 473 К. Тепловая нагрузка задавалась распределенным по рабочей поверхности потоком согласно схеме, приведенной на рис. 4.35.

На внутренней поверхности канала под охлаждающую жидкость реализованы условия конвективного теплообмена со средой, имеющей температуру 343 К. На опорной поверхности и участке, контактирующем с пуансонодержателем, заданы условия конвективного теплообмена со средой, имеющей температуру 473 К, которая остается постоянной в течение всего цикла нагружения.
Температурные кривые некоторых узлов за один цикл нагружения (см. табл. 4.13) показаны на рис. 4.43. Время расчета по данной модели составило 18018,04 с. По результатам расчетов проведен анализ распределения температур по сечению пуансона в фиксированные моменты времени цикла. Полученные зависимости представлены на рис. 4.44. Нагрев пуансона неравномерен.

Он увеличивается от оси к наружной поверхности, кроме того, температура пуансона изменяется в пределах одного рабочего цикла. Это обстоятельство является причиной переменных термических напряжений и появления трещин. Период неустановившегося режима и переход на квазистационарный режим работы пуансона иллюстрируется рис. 4.45. В указанном численном эксперименте время работы пуансона задавалось равным 60 с. Как видно из графика, температура пуансона сначала увеличивается с ростом числа отштампованных поковок, а затем стабилизируется.

Квазистационарный режим работы наступает уже через 10...12 циклов. Время расчета тепловых полей по приведенной модели составило 97253,3 с. Тепловые поля, соответствующие моментам времени 1,0; 5,0; 20,0 и 60,0 с, представлены на рис. 4.46.
Внутреннее охлаждение по своей динамичности воздействия на температуру поверхности инструмента является более слабой по сравнению с внешним охлаждением. Несмотря на это, его применение оправдано, так как оно способно обеспечить необходимое термическое регулирование и выгодно отличается в техническом и экологическом отношениях и не отвлекает рабочий персонал. Наиболее рациональным при регулировании температурного режима является сочетание способов внешнего и внутреннего охлаждения.
Рассчитанный тепловой режим следует рассматривать как один из возможных, который может незначительно изменяться, в силу вероятностного характера свойств пограничного слоя и рассеяния физических свойств материала инструмента, а также возможных отклонений технологического режима штамповки.

Наиболее распространенным и точным методом измерения температуры инструмента в процессе его работы является использование термопар, вмонтированных в тело инструмента в нужных точках сечения.

Проблемы, связанные с применением этого метода в производственных условиях, отмечены нами выше.

Для измерения температуры поковок и инструмента использовались электронно-цифровые пирометры (рис. 4.47, а), которые предназначены для бесконтактного измерения температур тел по их тепловому излучению. Приборы работают в инфракрасной части спектра излучения нагретого тела, поскольку в пределах температур нагрева инструмента видимая часть спектра излучения не проявляется.

Пирометр состоит (рис. 4.47, б) из блока оптико-электронного пирометрического преобразователя 1 и блока обработки и индикации 2. Оптико-электронный преобразователь жестко крепится перед контролируемым объектом. Он состоит из корпуса 3 и световода 4. В корпусе смонтированы оптическая система, фотоприемник и усилитель.

Световод представляет собой оптический канал, по которому благодаря многократным отражениям от его стенок распространяется излучение от объекта. Световод выполнен в виде трубки из нержавеющей стали диаметром 16 мм и длиной 120 мм. В верхней части световода находится защитное стекло, через которое ведется визирование пирометра на объект.

Блок обработки и индикации конструктивно выполнен в виде настольного прибора. Соединение двух блоков пирометра осуществляется гибким экранированным кабелем с разъемом.

Тарировка приборов проводилась в лабораторных условиях следующим образом. Нагрев заготовок до температур 773...1173 К осуществлялся в электрической камерной печи сопротивления марки CHOЛ-1,6.2,5.1/9-М2У4.2. Точность автоматического регулирования номинальной рабочей температуры составляла ±10 К.
В изготовленную модель заготовки были вмонтированы спаи термопар, один из которых размещался в центре заготовки, другой - на ее поверхности, остальные равномерно распределены по сечению заготовки. Термопары соединялись с регистрационным блоком самописца. Для загрузки и выгрузки заготовки из рабочей камеры печи, она смонтирована на специальной державке (рис. 4.48). Данные термопары тарировались, в свою очередь, по эталонной термопаре. Нагрев осуществлялся до температуры 1073 К и производилась выдержка заготовки в печи до выравнивания температуры центра и поверхности. Затем заготовка выносилась из печи и проводилась одновременная регистрация температуры поверхности заготовки в процессе остывания с помощью показаний пирометра и запись значений температуры по показаниям термопар. Данные экспериментов свидетельствуют о достаточно точном совпадении температур, полученных при разных методах измерения, максимальное расхождение составило 4,8 % при температуре поверхности заготовки 873 К, которая относится к нижнему пределу допустимых значений для данного типа пирометра.

Таким образом, использование современных методов контроля позволяет определить экспериментально температурный режим работы деформирующего инструмента.

В производственных условиях измерение температуры с помощью пирометра проводилось для пуансона во время пауз между рабочими ходами пресса. Сравнение данных, полученных в результате численных экспериментов и производственных экспериментов, свидетельствует об их достаточной сходимости (рис. 4.49).
В качестве обобщения полученных расчетных данных по тепловым полям пуансона построен график зависимости безразмерного перепада температур от значений критериев Био и Фурье, представленный на рис. 4.50. Согласно принципам теории подобия данные могут быть использованы для других типоразмеров водоохлаждаемых пуансонов подобной геометрической формы.

Получив в результате проведенных численных экспериментов данные о нестационарных тепловых полях в теле инструмента, можно рассчитать деформации и напряжения, возникающие в процессе эксплуатации штампа. Их величины определяются на основе решения задач теории упругости.





Яндекс.Метрика