close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование технологии прессования крупногабаритных прутков ответственного назначения из труднодеформируемых алюминиевых сплавов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ДЕРЯБИН АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕССОВАНИЯ
КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРУТКОВ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
05.02.09 – Технологии и машины обработки давлением
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара – 2018
Работа выполнена
в федеральном государственном автономном
образовательном учреждении высшего образования «Самарский национальный
исследовательский университет имени академика С.П. Королева» на кафедре
обработки металлов давлением.
Научный руководитель: Каргин Владимир Родионович, доктор технических
наук, профессор
Официальные оппоненты:
Логинов Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор,
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
образования «Уральский федеральный университет имени первого президента России
Б.Н. Ельцина», кафедра обработки металлов давлением, профессор;
Почекуев Евгений Николаевич, кандидат технических наук, доцент,
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Тольяттинский государственный университет», кафедра «Сварка,
обработка материалов давлением и родственные процессы», доцент.
Ведущая организация: открытое акционерное общество «Всероссийский
институт лёгких сплавов» (г. Москва).
Защита состоится 8 июня в 12:00 часов на заседании диссертационного совета
Д 212.215.03 на базе федерального государственного автономного образовательного
учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский
университет имени академика С.П. Королева» по адресу: 443086, г. Самара,
Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика
С.П. Королева» и на сайте http://www.ssau.ru/resources/dis_protection/deryabin/.
Автореферат разослан __ апреля 2018 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент
Я. А. Ерисов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
темы
исследования.
Переход
на
прессование
крупногабаритных круглых прутков ответственного назначения в диапазоне
диаметров 200-600 мм с гарантированным (стандартным) уровнем механических
свойств из труднодеформируемых алюминиевых сплавов с коэффициентами вытяжки
менее десяти становится актуальной научно-технической задачей, исходя из
современной тенденции развития прессового производства, обусловленной
увеличением потребления качественных крупногабаритных цилиндрических прутков
из высокопрочных алюминиевых сплавов на внутреннем и внешнем рынках в
качестве заготовок и возникающими при этом проблемами создания новых более
мощных прессов усилием более 200 МН и качественных слитков с диаметрами более
1000 мм.
Степень разработанности темы определяется существующей теорией и
технологией прессования круглых прутков из труднодеформируемых алюминиевых
сплавов в диапазоне диаметров 20-200 мм с коэффициентами вытяжки более десяти.
Теория и технология прессования крупногабаритных круглых прутков из
труднодеформируемых алюминиевых сплавов с малыми коэффициентами вытяжки
имеет свои особенности в сравнении с технологий прессования мелко и
среднегабаритных круглых прутков с большими коэффициентами вытяжки и требует
дальнейшего её совершенствования в области выбора основных технологических
параметров процесса, обеспечивающих гарантированный уровень механических
свойств и выход годного.
Цель и задачи работы. Цель работы – получение гарантированного уровня
механических свойств и повышение выхода годного при
прессовании
крупногабаритных круглых прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов
при малых вытяжках.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1.Провести
численное
моделирование
напряженно-деформированного
состояния, регламентирующее технологические возможности прямого прессования
крупногабаритных круглых прутков при малых вытяжках с использованием
программного продукта DEFORM.
2.Показать дополнительные возможности применения моделирования с
использованием МКЭ при исследовании влияния температурного, скоростного и
деформационного режимов прессования, как в отдельности, так и в комплексе на
температурное поле заготовки для управления тепловыми условиями реализации
прессования крупногабаритных круглых прутков из труднодеформируемых
алюминиевых сплавов при малых вытяжках.
3.Дать комплексный анализ влияния различных факторов на образование
центральной пресс-утяжины в момент ее начала образования и обосновать выбор
размера пресс-остатка для
конкретных условий прямого прессования
крупногабаритных круглых прутков с малыми вытяжками на основе аналитических и
экспериментальных зависимостей, полученных при компьютерном моделировании
процесса.
4.Разработать технологические рекомендации по прессованию и термической
обработке в промышленных условиях крупногабаритных круглых прутков в
диапазоне диаметров от 200 до 600 мм из труднодеформируемых алюминиевых
3
сплавов с гарантированным уровнем механических свойств в условиях малой
вытяжки.
Объект исследования. Технология прессования крупногабаритных круглых
прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов.
Предмет исследования. Энергосиловые, деформационные и температурноскоростные режимы прямого прессования крупногабаритных круглых прутков при
малых вытяжках в основной и заключительной стадиях процесса.
Научная новизна:
1.Установлены закономерности распределения интенсивностей напряжений и
деформаций как в объеме очага деформации, так и на выходе из него при прессовании
крупногабаритных круглых прутков в интервале коэффициентов вытяжек 2,6 – 10,2.
2.Обнаружены новые закономерности изменения температурного поля
заготовки при прессовании крупногабаритных прутков из труднодеформируемых
алюминиевых сплавов при малых вытяжках.
3.Получены аналитические и численные формулы, связывающие высоту прессостатка, в зависимости от основных факторов процесса: условий контактного трения,
угла конуса матрицы и коэффициента вытяжки.
Теоретическая значимость работы определяется научным обоснованием
выбора основных технологических параметров горячего прямого прессования
крупногабаритных круглых прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов
при малых вытяжках, обеспечивающих требуемое качество изделий.
Практическая значимость. Показана возможность изготовления прямым
прессованием крупногабаритных круглых прутков из труднодеформируемых
алюминиевых сплавов при малых вытяжках в диапазоне диаметров 200-600 мм на
гарантированном уровне механических свойств, превосходящих требования
отечественных и зарубежных стандартов. Разработан стандарт предприятия и три
технических условия по производству прессованных прутков из алюминиевых
сплавов АМГ6, 7075, 1561, L168, ENAW2014, В95оч на прессах усилием 120 МН и
200 МН. Увеличен выход годного при производстве крупногабаритных прутков на
10%.
Методология и методы исследования.
В работе использована методология научных исследований, включающая
теоретический
и
экспериментальный
анализ,
методы
математического
многофакторного планирования эксперимента и математической статистики,
компьютерное моделирование процесса прессования с помощью метода конечных
элементов в программном комплексе DEFORM. При определении механических
свойств и макроструктуры крупногабаритных прутков использовалось современное
испытательное оборудование и регистрирующая аппаратура Центральной заводской
лаборатории АО «Арконик СМЗ»: универсальная машина ZWICK Z-250, программа
Minitab.
Положения, выносимые на защиту:
1.Результаты исследований энергосиловых, деформационных и температурноскоростных условий, напряженно-деформированного состояния, регламентирующие
технологические возможности прессования крупногабаритных прутков при малых
вытяжках.
2.Результаты
исследований
полей
скоростей
течения
металла,
гидростатического давления, нормальных и касательных напряжений на рабочей
4
поверхности пресс-шайбы на заключительной стадии прессования при малых
вытяжках в момент начала образования центральной пресс-утяжины.
3.Регрессионная модель и аналитические формулы для расчета размеров
высоты пресс-остатка в момент начала образования центральной пресс-утяжины.
4.Результаты
совершенствования
процесса
прямого
прессования
крупногабаритных круглых прутков ответственного назначения при малых вытяжках
из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, основанные на выборе
температурно-скоростных параметров процесса, размеров пресс-остатка и режимов
термообработки.
Степень достоверности и апробация результатов. В диссертационной работе
степень достоверности полученных результатов базируется на применении основных
положений механики сплошных сред и теории прессования, современного
программного
комплекса
Deform-2D,
реализующего
фундаментальные
математические методы. Результаты работы обоснованы использованием
сертифицированного исследовательского и промышленного оборудования,
современных методов исследования, планирования и статистической обработки
экспериментальных данных, публикацией результатов в реферируемых изданиях из
перечня ВАК. Апробация результатов проведена на АО «Арконик СМЗ».
Основные результаты диссертационной работы доложены на следующих
международных и российских научных конференциях и семинарах: Международная
научно-практическая конференция «Актуальные проблемы технических наук» (г.
Уфа, 2014 г.), 4-я Международная научно-техническая конференция «Металлофизика.
Механика материалов и процессов деформирования» (г. Самара, «Металлдеформ2015»), Международная конференция и выставка «Алюминий-21 / Качество
прессованных профилей» (г. Москва, 2016 г.), 1-й международный конгресс,
посвященный 75-летию деятельности СГАУ-Самарского университета. Процессы
пластического деформирования авиакосмических материалов. Наука, технология,
производство (г. Самара, «Металлдеформ-2017»).
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 9 работах, из
них 6 статей – в рецензируемых научных изданиях (в том числе 3 статьи в изданиях,
рекомендуемых ВАК Минобрнауки России; 1 статья - в издании, входящем в
международные реферативные базы данных и систем цитирования Scopus; 2 статьи в
рецензируемом журнале), 3 работы - в материалах международных научнопрактических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения и списка литературы в количестве 140
наименований. Основной текст работы изложен на 160 страницах печатного текста,
содержит 70 рисунков и 20 таблиц.
Основное содержание работы
Во введении показана актуальность темы диссертации, определена цель и
поставлены основные задачи работы, дана ее краткая характеристика, включающая
научную новизну, теоретическую и практическую значимость, основные положения,
выносимые на защиту.
В первой главе, посвященной литературному обзору, отмечено, что
экономичное и высокопроизводительное изготовление высококачественных
крупногабаритных круглых прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов
является одной из важнейших проблем современного прессового производства.
Анализ технических условий на поставку круглых прутков в качестве заготовок на
5
экспорт и внутренний рынок определил требуемый уровень механических свойств
круглых прутков в зависимости от их диаметров.
Проведен анализ работ по исследованию прессования крупногабаритных
прутков из алюминиевых сплавов с малыми коэффициентами вытяжки, выполненных
И.Л. Перлиным, Г.Я. Гуном, В.Н. Щерба, Ю.Н. Логиновым, В.Л. Бережновым, М.З.
Ерманком, А.Ф. Рыжовым, В.В. Жолобовым, В.Н. Лукашенко, Р.Д. Щербель, А.А.
Нагайцевым, В.М. Сегал, Ю.Л. Стерник и другими авторами. Выявлено, что в
известных ранее исследованиях анализ напряженно-деформированного состояния в
основном проводили при холодной деформации для плоско-деформированного
состояния либо методом муара, либо методом линий скольжения, для
осесимметричной деформации методом визиопластичности, для горячей деформации
методом координатной сетки. Вместе с тем, представляет практический интерес
дальнейшее изучение напряженно-деформированного состояния при прессовании
круглых прутков при малых вытяжках в условиях осесимметричной деформации
более оперативным конечно-элементным методом (МКЭ) компьютерного
моделирования. Как известно из теории и практики прессования в этом случае
деформации по сечению готовых прутков распределяются неравномерно и
необходимо иметь данные такого распределения. Уменьшение коэффициента
вытяжки при прессовании представляется одним из эффективных средств снижения
рабочих давлений на инструмент и энергетических затрат, повышения скорости
истечения металла, поскольку изменение температуры металла за счет теплового
эффекта деформации находится в прямой зависимости от коэффициента вытяжки. В
научно-технической литературе рассмотрено влияние различных факторов на
формирование высоты пресс-остатка только на качественном уровне. Отсутствует
комплексный анализ их влияния на условия образования пресс-утяжины для
обоснования выбора высоты пресс-остатка для конкретных условий прессования
крупногабаритных круглых прутков с малыми вытяжками. Основным фактором,
определяющим выбор высоты пресс-остатка, в настоящее время остается пока
диаметр контейнера. Отсутствует аналитическая формула для расчета высоты прессостатка в момент начала образования центральной пресс-утяжины.
Аналитический обзор позволил сформулировать актуальность темы
диссертации, степень ее разработанности, цель и задачи, подлежащие решению.
Во второй главе показана возможность применения компьютерного
моделирования с помощью МКЭ при исследовании влияния температурного,
скоростного и деформационного режимов прямого горячего прессования, как в
отдельности, так и в комплексе на напряженно-деформированное состояние и
температурное поле цилиндрической заготовки для реализации прессования
крупногабаритных круглых прутков из алюминиевых сплавов 7075 в промышленных
условиях.
В качестве интегральных характеристик напряжённо-деформированного
состояния в условиях осесимметричной деформации при прямом прессовании
цилиндрического прутка выбраны интенсивности напряжений  и деформаций  .
На рисунке 1 показаны графики распределения интенсивности деформации в
поперечных сечениях очага пластической деформации в зависимости от
безразмерного радиуса  =R/Rк при различных вытяжках, где Rк – радиус контейнера,
R – текущий радиус. Как видно из графиков в очаге деформации распределение
интенсивности деформаций в поперечных сечениях как функция  = �� в общем
6
случае неравномерное. Нетрудно видеть, что чем больше коэффициент вытяжки при
прессовании, тем выше значения интенсивности деформации, тем неоднороднее их
распределение как по сечениям, так и высоте очага пластической деформации.
Рисунок 1- Распределение интенсивности деформаций в поперечных сечениях I-IV
очага пластической деформации при вытяжках 1 - λ=10,2; 2 - λ=7,1; 3 - λ=5,2; 4 - λ=2,6
Анализ распределения интенсивности деформаций при входе в очаг
пластической деформации (сечение I-I) показывает, что более активно
деформируются периферийные слои металла заготовки, расположенные около стенок
контейнера из-за действия сил трения и центральные слои, в меньшей степени
средние слои, так как осевые скорости истечения в центральных слоях при
прессовании больше, чем в средних слоях. Характер изменения на графике кривых 
при различных коэффициентах вытяжки качественно одинаков и носит
параболический характер. По мере приближения к каналу матрицы (сечения II-II и IIIIII) распределение интенсивности деформации, как по сечениям, так и в продольном
направлении становится более неравномерными неоднородным, чем в сечении I-I.
Рост величины  около стенок контейнер начинает замедляться в связи с
образованием в области сопряжения контейнера с плоской матрицей упругой зоны
металла заготовки. Кроме того, у стенок контейнера при различных вытяжках
значения  в сечении III-III практически одинаковы. С другой стороны в центральных
слоях наблюдается рост  , зависящий от коэффициента вытяжки. Чем больше λ, тем
выше значение  .
В зоне угла канала плоской матрицы (сечение IV-IV) распределение 
свидетельствует о значительной неоднородности деформированного состояния в
очаге деформации. Наибольших экстремальных значений интенсивность деформаций
достигает при  =0,3125(λ=10,2),  =0,375 (λ=7,1),  =0,4375 (λ=5,2),  =0,625 (λ=2,6),
соответствующих размерам цилиндрических прутков. При  =0 и в среднем по
сечению интенсивности деформации при прессовании приближаются к интегральной
7
степени деформации ln 2,6 = 0,95, ln 5,2 = 1,64, ln 7,1 = 1,96, ln 10,2 = 2,3. При  =1 в
упругой зоне градиент изменения  минимален.
Неравномерность распределения накопленных деформаций в поперечных
сечениях цилиндрического прутка отражается на распределении механических
свойств.
Таблица 1 – Уровень механических свойств в среднем сечении готовых прутков в
зависимости от величины коэффициента вытяжки
Место отбора
темплетов
1/4R
Центр
1/4R
Центр
1/4R
Предел прочности σв,
МПа
Предел текучестиσ0,2,
МПа
Относительное
удлинениеδ, %
Коэффициент вытяжки λ
7,1
5,2
590
589
460
433
502
495
334
295
13
12,7
10,2
593
480
528
370
13,4
Центр
10,4
10,2
10,1
2,6
570
388
380
205
10,1
8,2
Проведено исследование совместного влияния температуры нагрева заготовки
(Х1), диаметра отпрессованного прутка (Х2) и скорости истечения металла (Х3) на
величину температуры Т, интенсивности напряжений σi , интенсивности скоростей
деформации Hi на кромке калибрующего канала матрицы в сечении III-III, а так же
усилия прессования Р и перепада температуры ∆T на основной стадии процесса.
Численные эксперименты проведены по плану полного факторного эксперимента 23
для интервалов варьирования параметров Х1= (350-450) °С, Х2= (250-350) мм, Х3=
(1-3) м/мин, таблица 2.
Таблица 2 – Матрица планирования полного факторного эксперимента 23
Факторы в натуральном
масштабе
Т,
D,
Vист,
мм
м/мин
°С
350
250
1
450
250
1
350
350
1
450
350
1
350
250
3
450
250
3
350
350
3
450
350
3
Номер
опыта
1
2
3
4
5
6
7
8
Выходные параметры
σi,
МПа
88
56
81
59
86
50
99
51
T,
°С
426
496
426
497
457
519
455
517
Hi,
1/сек
0,42
0,32
0,46
0,56
0,91
1,11
1,44
1,56
P,
МН
161,45
101,41
135,18
86,83
175,85
115,95
146,03
97,5
∆T,
°С
76
47
77
47
128
73
110
68
Получены математические модели, в которых исключены коэффициенты при
переменных с ошибкой в один процент от исходного значения основного уровня.
�1 + 12,9Х
�3
Т = 474,1 + 33,1Х
�
�2 − 3,75Х
�1 Х
�3 + 2,25Х
�2 Х
�3 – 2,75Х
�1 Х
�2 Х
�3
σi = 71,25 − 17,25Х1 + 1,25Х
�1 + 0,16Х
�2+0,41Х
�3 + 0,015Х
�1Х
�2+ 0,04Х
�1Х
�3 +0,088Х
�2Х
�3 –0,035Х
�1Х
�2Х
�3,
Hi = 0,85 +0,04Х
�1 – 11,14Х
�2 + 6,11Х
�3 + 2,9Х
�1Х
�2,
P = 127,53 – 27,10Х
�1 – 2,8Х
�2 + 16,5Х
�3 + 1,5Х
�1Х
�2– 4,8Х
�1Х
�3 - 3Х
�2Х
�3 + 1,8Х
�1Х
�2Х
�3,
∆T = 78,3 – 19,5Х
Х1 −400
Х2 −300
Х3 −2
�1=
�2=
�3=
где Х
,Х
,Х
.
50
50
1
8
Первая модель показывает, что в рассматриваемой области исследования на
кромке калибрующего пояска в значительной степени на изменение Т оказывает
температура нагрева заготовки (Х1) и в меньшей скорости истечения (Х3). На
интенсивность напряжений σi главное влияние оказывает температура нагрева
заготовки (Х1). Влияние остальных факторов (Х1, Х2, Х3) как по отдельности, так и
совместно не приводит к существенному изменению интенсивности напряжений и
составляют 1,7-5,3 % от исходного значения. На интенсивность скоростей
деформации значительную роль оказывает скорость истечения (Х3) и в меньшей мере
степень деформации (Х2). Влияние остальных факторов (Х1, Х2, Х3) как по
отдельности, так и совместно не приводит к существенному изменению
интенсивности скоростей деформации и составляют 4,7-10,3 % от исходного
значения. Усилие прессования прежде всего зависит от температуры нагрева
заготовки (Х1) и в меньшей степени от степени деформации (Х2). В тоже время,
изменение скорости истечения (Х3) приводит к увеличению давления, в большей
степени, чем совместное влияние температуры нагрева заготовки и давления (Х1Х2).
На перепад температуры по объёму заготовки ∆T прежде всего влияет температура
нагрева заготовки (Х1) и скорость истечения (Х3). Влияние остальных факторов (Х1,
Х2, Х3) как по отдельности, так и совместно не существенно и составляет 1,9-6,1 % от
исходного значения.
Полученные результаты исследований позволили назначить температуру
нагрева заготовок из сплава ENAW2014 в интервале (400-450) °С, выбрать скорость
истечения,
соответствующую
0,8-1,0
м/мин,
и
провести
прессование
крупногабаритных прутков диаметром 250-350 мм с уровнем механических свойств,
удовлетворяющих требованиям заказчика и превышающим уровень европейского
стандарта EN755-2.
В третьей главе приведен комплексный анализ различных технологических и
конструкционных факторов на физику образования центральной пресс-утяжины и
дано обоснование выбора высоты пресс-остатка для конкретных условий прессования
крупногабаритных круглых прутков с малыми вытяжками из алюминиевого сплава
7075 на основе аналитических и экспериментальных зависимостей, полученных при
компьютерном моделировании процесса.
Числовые расчёты прямого прессования на прессе усилием 200 МН
крупногабаритных прутков с диаметрами 188, 214, 252, 283, 326, 560 мм проведены
из контейнера с диаметром 800 мм при реальных промышленных условиях: размеры
цилиндрических заготовок D⋅L=785⋅1000 мм, температура нагрева заготовки 450 °С,
матрицы, контейнера и пресс-шайбы соответственно 450, 400, 350 °С, скорость
истечения из канала плоской или конической матрицы 1 м/мин, коэффициент трения
на контактных поверхностях пресс-шайбы, контейнера и матрицы принят по закону
Зибеля равным 0,5, коэффициент теплопередачи между заготовкой и инструментом –
11 кВт/(м2×град). Моделирование процесса прямого прессования реализовано с
учетом реологии деформируемого материала в зависимости от степени и скорости
деформации, температуры нагрева.
При постановке задачи компьютерного моделирования ее рассматривали как
осесимметричную. Высоту слоя металла, находящегося в контейнере пресса на
основной стадии процесса задавали равной половине диаметра контейнера,
перекрывающей высоту очага интенсивной пластической деформации, а на
заключительной стадии - моментом начала образования центральной пресс-утяжины.
9
В связи с тем, что при значительном приближении пресс-шайбы к матрице
изменяются скорости течения металла, особенно в поперечном направлении, то для
рассмотрения картины деформации проведен анализ распределения радиальных,
осевых и полных скоростей течения металла, а также среднего нормального
напряжения, нормальных и касательных напряжений, действующих на контактной
поверхности пресс-шайбы в зависимости от следующих технологических и
конструкционных параметров: величины контактного трения, угла конуса матрицы и
коэффициента вытяжки на основной и заключительной стадиях прессования.
На рисунках 2, 3 приведены графики распределения радиальной и осевой
скорости течения металла на рабочей поверхности пресс-шайбы в момент
образования центральной пресс-утяжины при коэффициентах вытяжки λ = 3 и λ = 6,
коэффициентах контактного трения µ = 0 и µ = 0,5 , углах конуса матрицы α = 80° и α
= 90°. В таблице 3 дана зависимость высоты пресс-остатка в момент образования
пресс-утяжины для конкретных условий прессования.
Рисунок 2 – Распределение радиальной скорости VR в момент начала образования
центральной пресс-утяжины, где 1 – λ=6, µ=0, α=90°, 2 – λ=6, µ=0,5, α=90°, 3 – λ=6, µ=0,
α=80°, 4 – λ=3, µ=0, α=90°
Из анализа кривых (рисунок 2) видно, что распределение VR на рабочей
поверхности пресс-шайбы в заключительной стадии прессования неравномерное.
Радиальная скорость течения металла минимальная у стенок контейнера и на оси
прессования. Компонента VR увеличивается от периферии к центру, достигая
экстремальных значений в области над кромкой калибрующего пояска, а далее
уменьшается при приближении к оси прессования.
Из сравнения результатов прессования при отсутствии контактного трения на
инструменте и его наличии (кривые 1 и 2) видно, что при прессовании с трением
наблюдается уменьшение экстремальных значений VR на 30 %.
Таким образом, трение на заключительной стадии прессования играет
отрицательную роль, заметно снижая радиальную скорость течения в поперечном
направлении от контейнера к каналу матрицы и уменьшая ее в обратном
направлении. Это приводит к более раннему началу образования центральной прессутяжины. Рост высоты пресс-остатка при ϻ = 0,5 по сравнению с ϻ = 0 составил 6,3 %
(таблица 3).
Из сравнения результатов при прессовании в плоскую и коническую матрицы
(кривые 1 и 3) видно, что максимальная радиальная компонента скорости на
заключительной стадии при прессовании в коническую матрицу по сравнению с
плоской матрицей выросла на 4 %.
10
Таблица 3 – Зависимость высоты пресс-остатка от коэффициента вытяжки,
коэффициента трения и угла конуса матрицы
№ численного
опыта
Вытяжка λ
Коэффициент
трения µ
Конус матрицы
α, °
Высота
прессостатка H,
мм
1
2
3
4
6
6
6
3
0
0,5
0
0
90
90
80
90
103
109,4
98,7
170,9
Таким образом, прессование в коническую матрицу играет положительную
роль, повышая радиальную скорость в поперечном направлении. Это приводит к
более позднему началу образования центральной пресс-утяжины. Уменьшение
высоты пресс-остатка при прессовании в коническую матрицу по сравнению с
плоской матрицей составило 4 %.
Из сравнения результатов моделирования на рисунке 2 при прессовании
прутков с коэффициентами вытяжки λ = 3 и λ = 6 (кривые 1 и 4) видно, что
максимальная радиальная скорость течения металла при прессовании с
коэффициентом вытяжки λ = 3 по сравнению с коэффициентом вытяжки λ = 6
уменьшилась на заключительной стадии на 64 %. Это говорит о том, что объем
металла, расположенный над матрицей при λ = 3 становится недостаточным для
питания объема металла, расположенного над каналом матрицы.
Таким образом, прессование изделий с пониженными коэффициентами вытяжки
играет отрицательную роль. Это приводит к более раннему началу образования
центральной пресс-утяжины и увеличению отходов. Увеличение высоты пресс-остатка
при прессовании с коэффициентом вытяжки λ = 3 по сравнению с коэффициентом
вытяжки λ = 6 составило 66 %.
Расчёты осевой скорости течения металла показали, что VZ на заключительной
стадии изменяется только в узком центральном слое, расположенном над каналом
матрицы (рисунок 3). Для первого опыта увеличение осевой скорости течения в
центральной зоне составило 67 %, второго-27 %, третьего-32 % и четвертого-11%.
Рисунок 3 – Распределение осевой скорости VZ в момент начала образования
центральной пресс-утяжины, где 1 – λ=6, µ=0, α=90°, 2 – λ=6, µ=0,5, α=90°, 3 – λ=6, µ=0,
α=80°, 4 – λ=3, µ=0, α=90°.
Проведено изучение совместного влияния коэффициента вытяжки (Х1),
коэффициента трения (Х2) и угла конуса матрицы (Х3) на высоту пресс-остатка Н в
11
момент образования центральной пресс-утяжины (таблица 4). Численные
эксперименты реализованы по плану полного факторного эксперимента 23 для
интервалов варьирования параметров Х1= (3-9), Х2= (0-0,5), Х3= (80-90).
Результатам численных экспериментов отвечает следующий полином:
у = в0 + в1 Х + в2 х2 + в3 х3 + в12 х1 х2 + в13 х1 х3 + в23 х2 х3 + в123 х1 х2 х3 ,
где в0, в1, в2, в3, в12, в13, в23, в123 расчетные коэффициенты; x1, x2, x3 кодированные
значения факторов
Х1 =
х1 − 6 ,
3
Х2 =
х2 − 0,25
0,25
,
Х3 =
х3 − 85
5
Таблица 4 – Матрица планирования полного факторного эксперимента 23
Номер
опыта
1
2
3
4
5
6
7
8
Факторы в натуральном масштабе
Выходной параметр
Коэффициент
вытяжки, λ
Коэффициент
трения, ϻ
Угол конуса
матрицы, α
Высота прессостатка Н, мм
3
9
3
9
3
9
3
9
0
0
0,5
0,5
0
0
0,5
0,5
80
80
80
80
90
90
90
90
174
82,4
170,4
88,4
170,9
80
174
90,2
Получена математическая модель, в которой исключены расчетные
коэффициенты, величина которых менее одного процента относительно исходного
значения коэффициента в0, определяющего центр эксперимента.
H = 128,8 - 43,54Х1+ 1,96Х2 + 2,09Х1Х2 + 1,36Х2Х3 .
В рассматриваемой области исследования в значительной степени на высоту
пресс-остатка Н оказывает влияние коэффициент вытяжки (Х1) и в меньшей степени
коэффициент трения (Х2), а также совместное влияние коэффициента вытяжки и
коэффициента трения (Х1Х2), коэффициента трения и угла конуса матрицы (Х2Х3).
При моделировании проведен расчет высот пресс-остатков Н в момент начала
образования пресс-утяжины для прессования крупногабаритных круглых прутков с
коэффициентами вытяжки 2, 3, 6, 8, 9 14, 18 в условиях реального производства и
подобрана с помощью метода наименьших квадратов аналитическая формула в виде
экспоненты (1), отображающая полученную зависимость.
H
= 0,302 − 0,03λ + 0,001λ2
(1)
Dk
Из равенства секундных объемов металла при входе и выходе из очага
деформации получена расчетная формула
H
3(λ − 1)
=
(2)
Dk
8λ√λ
Н = (0,22-0,25) Dк
На рисунке 4 дано сравнение относительной высоты пресс-остатка
Н/Dk от коэффициента вытяжки, рассчитанные по формулам 1-3.
12
(3)
Рисунок 4 – Зависимости относительной высоты пресс-остатка Н/Dk от коэффициента
вытяжки λ, рассчитанные по формулам 1 - 3
Из анализа полученных формул 1 и 2 и эмирической формулы (3), широко
используемой на практике при прямом прессовании, на рисунке 4 видно, что при
уменьшении λ при прессовании с малыми
вытяжками λ˂15 целесообразно
производить выбор размеров пресс-остатка в зависимости от заданного коэффициента
вытяжки, а не диаметра контейнера. Это позволило при прямом прессовании
крупногабаритных круглых прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов
увеличить выход годного на 5%.
В четвертой главе проведён анализ комплексного влияния химического
состава металла и технологических параметров прессования, термообработки на
качество крупногабаритных прутков из высокопрочных алюминиевых сплавов L168,
7075 на гарантированном уровне механических свойств.
По результатам лабораторных и промышленных экспериментов проведены
следующие мероприятия по совершенствованию процесса прессования круглых
прутков из сплава L168 системы Al-Cu-Mg-Si-Mn, обеспечивающие гарантированный
уровень механических свойств:
-корректировка химического состава сплава L168 в пределах допустимого
содержания основных легирующих элементов. В сплаве повышено минимальное
содержание меди с 3,9 до 4,4 %; кремния с 0,5 до 0,7 %; марганца с 0,4 до 0,7 %;
магния с 0,2 до 0,5 %. Это привело к повышению на готовых прутках предела
прочности на 7 МПа, а предела текучести на 9 МПа;
-рекомендован прямой метод прессования с пониженным коэффициентом
вытяжки 8 вместо 13, температуре слитка 410–460 °С и скорости прессования 0,1–0,2
м/мин, что позволило получить мелкозернистую структуру, достаточно равномерную
по всей длине и сечению, снизить энергозатраты и стоимость прессового
инструмента, повысить качество отпрессованных прутков;
-корректировка режимов термической обработки и процента остаточной
деформации при правке растяжением. Увеличение времени выдержки при закалке
повышает предел прочности на 18,4 МПа, а процент остаточной деформации при
правке растяжением до 2,5-3,0 % повышает предел текучести на 8,7 МПа. Время
выдержки при старении с 5 до 12 часов приводит к увеличению предела текучести на
21,5 МПа, но к снижению предела прочности на 2 МПа и относительного удлинения
на 0,7 %.
Интегральные значения критериев оценки предела прочности Ppk = 2,16,
предела текучести Ppk = 2,01, удлинения Ppk = 0,87 в программе Minitab указывают
на то, что процесс прямого прессования крупногабаритных прутков из
13
высокопрочного алюминиевого сплава L168 является устойчивым, стабильным и
управляемым (рисунок 5).
а)
б)
в)
Рисунок 5 – Стабильность предела прочности (а), предела текучести (б), удлинения (в)
На основе результатов опытно-промышленных экспериментов освоено
производство крупногабаритных горячепрессованных алюминиевых прутков
диаметром от 100 до 300 мм из высокопрочного сплава L168 с уровнем механических
свойств, превышающим уровень Британского стандарта. Осуществлен выход
прессованной продукции на мировой рынок.
При
отработке
опытно-промышленной
технологии
изготовления
крупногабаритных прутков из алюминиевого сплава 7075 путем корректировки
режимов термообработки удалось стабилизировать и повысить уровень механических
свойств отпрессованных прутков (рисунок 6).
Рисунок 6 – Изменение предела прочности после корректировки технологии
14
На основе результатов опытно-промышленных экспериментов освоено
производство крупногабаритных горячепрессованных алюминиевых прутков
диаметром от 100 до 300 мм из высокопрочного сплава L168 с уровнем механических
свойств, превышающим уровень Британского стандарта. Осуществлен выход
прессованной продукции на мировой рынок.
При
отработке
опытно-промышленной
технологии
изготовления
крупногабаритных прутков из алюминиевого сплава 7075 путем корректировки
режимов термообработки удалось стабилизировать и повысить уровень механических
свойств отпрессованных прутков (рисунок 6).
По результатам исследований разработаны: стандарт предприятия
«Производство конструкционных профилей и прутков авиационного назначения из
алюминиевых сплавов» и три технических условия: «Прутки прессованные из
алюминиевого сплава АМг6 диаметром 500-550 мм», «Прутки прессованные из
алюминиевых сплавов марки 1561 диаметром более 300 мм», «Прутки из
алюминиевых сплавов В95оч диаметром свыше 200 мм до 300 мм».
Заключение
1. Процесс прямого прессования крупногабаритных круглых прутков из
высокопрочных алюминиевых сплавов в интервале коэффициентов вытяжек 2,6 –
10,2 сопровождается значительными изменениями распределения интенсивностей
напряжений и деформаций, как в очаге пластической деформации, так и на выходе из
него при одинаковой скорости прессования и размеров заготовки. Чем больше
коэффициент вытяжки при прессовании, тем выше значения интенсивностей
напряжений и деформаций и неоднороднее их распределение, особенно в области
канала матрицы.
2. Температурное поле при прессовании крупногабаритных круглых прутков
при малых вытяжках в значительной степени зависит от температуры нагрева
заготовки и в меньшей степени от скорости истечения. Влияние коэффициента
вытяжки как отдельно, так и совместно с другими факторами несущественно и
составляет 1,9 – 6,1 % от исходного состояния.
3. Проведен анализ распределения радиальных, осевых и полных скоростей
течения металла, а также среднего нормального напряжения, нормальных и
касательных напряжений, действующих на контактной поверхности пресс-шайбы в
зависимости от величины контактного трения, угла конуса матрицы и коэффициента
вытяжки на основной и заключительной стадиях прессования крупногабаритных
круглых прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов в момент начала
образования центральной пресс-утяжины.
4. Получена математическая модель, связывающая высоту пресс-остатка, в
зависимости от основных факторов процесса: условий контактного трения, угла
конуса матрицы и коэффициента вытяжки. Среди рассмотренных факторов главное
влияние на формирование центральной пресс-утяжины в момент ее образования
оказывает коэффициент вытяжки и меньшей степени коэффициент трения, а также
совместное влияние коэффициентов трения и вытяжки, коэффициента трения и угла
конуса матрицы.
5. Предложена аналитическая формула как функция коэффициента вытяжки
для выбора толщины пресс-остатка для конкретных условий прессования
крупногабаритных круглых прутков с малыми вытяжками.
15
6. Разработаны технологические рекомендации по совершенствованию
прессования и термической обработки крупногабаритных прутков диаметром от 200
до 600 мм при малых вытяжках из труднодеформируемых алюминиевых сплавов с
гарантированным уровнем механических свойств в промышленных условиях.
7. Разработан стандарт предприятия и три технических условия на поставку
крупногабаритных прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов
диаметром до 600 мм.
Публикации по теме диссертации
в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Каргин, В.Р. Экспериментальная проверка возможности производства
крупногабаритных прутков из алюминиевого сплава L168 с использованием прямого
прессования на гарантируемом уровне их механических свойств / В.Р. Каргин, А.Ю. Дерябин
// Технология лёгких сплавов. – 2015. – №2. – С. 127-130.
2. Дерябин, А.Ю. Влияние метода прессования на структуру и свойства
крупногабаритных круглых прутков из сплава L168 / А.Ю. Дерябин, В.Р. Каргин //
Металлургия машиностроения. – 2016. – №4. – С. 48-49.
3. Дерябин, А.Ю. Моделирование заключительной стадии прессования
крупногабаритных прутков при малых вытяжках в момент образования центральной прессутяжины / А.Ю. Дерябин, В.Р. Каргин // Известия Самарского научного центра Российской
академии наук. – 2018. – Т.20, №1. С.25-28.
в издании, индексируемом базами данных Scopus, Web of Science:
4. Kargin, V.R. Characteristics of large bars extruding using small extrusion ratio / V.R.
Kargin, A.Y. Deryabin // Key Engineering Materials. ‒ 2015. ‒ V. 684. ‒ P. 211-217.
в других изданиях:
5. Каргин, В.Р. О конечно-элементном анализе напряженно-деформированного
состояния при прессовании крупногабаритных прутков с малыми вытяжками / В.Р. Каргин,
А.Ю. Дерябин // Технология лёгких сплавов. – 2016. – №3. – С. 62-68.
6. Каргин, В.Р. Моделирование температурного поля при прессовании
крупногабаритных прутков из труднодеформируемого алюминиевого сплава ENAW2014 с
использованием программы Deform-2D / В.Р. Каргин, А.Ю. Дерябин // Технология лёгких
сплавов. – 2016. – №4. – С. 61-67.
7. Дерябин, А.Ю. Освоение производства крупногабаритных прессованных изделий из
алюминиевого сплава L168 / А.Ю. Дерябин // Международная научно-практическая
конференция «Актуальные проблемы технических наук». – Уфа: Аэтерна. – 2014. – С. 23-25.
8. Дерябин, А.Ю. Улучшение качества крупногабаритных прессованных прутков за счёт
моделирования и анализа напряжённо-деформированного состояния / А.Ю. Дерябин //
Международная конференция «Алюминий-21 / Качество прессованных профилей». –
Москва, 2016. – С.9.
9. Дерябин, А.Ю. Моделирование температурного поля при прессовании
крупногабаритных прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов / А.Ю.
Дерябин, В.Р. Каргин, Р. Кавалла // 1-й международный конгресс, посвященный 75-летию
деятельности СГАУ-Самарского университета. Процессы пластического деформирования
авиакосмических материалов. Наука, технология, производство («Металлдеформ-2017»). –
Самара: Гринвич, 2017. – С.45-47.
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа