Наукове обґрунтування і розробка методів розрахунку інструменту та режимів пресування спеціальних профілів високої якості з алюмінієвих і магнієвих сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ І РОЗРОБКА МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ІНСТРУМЕНТУ ТА РЕЖИМІВ ПРЕСУВАННЯ СПЕЦІАЛЬНИХ ПРОФІЛІВ ВИСОКОЇ ЯКОСТІ З АЛЮМІНІЄВИХ І МАГНІЄВИХ СПЛАВІВ

Спеціальність: Процеси та машини обробки тиском

Головко Олександр Миколайович

Дніпропетровськ, 2008 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Протягом останнього десятиріччя кількість пресових ліній для виробництва профілів з алюмінієвих сплавів зросла в Україні з 5 до 15. В останній час зростає потреба у виготовленні пресованих напівфабрикатів, що використовуються для виготовлення спеціальних виробів для транспортного машинобудування (залізничного і автомобільного), хімічної промисловості, холодильного устаткування та медицини. Прикладами таких напівфабрикатів із алюмінієвих сплавів є комбіновані суцільні і порожнисті теплоізолюючі профілі складного поперечного перерізу, довгомірні (понад 1 км.) тонкостінні труби малого діаметру в бухтах, товстостінні труби для гвинтового оребріння, з магнієвих сплавів - капілярні труби для стентів, що використовуються в судинній хірургії, порожнисті профілі для кісткових імплантатів, які розчиняються в біосередовищі, тонкостінні труби для гідроформовки, а також вироби великого поперечного перерізу з дрібнозернистою структурою для подальшої обробки тиском і різанням.

Такі прес-вироби можуть бути виготовлені на існуючих в Україні горизонтальних гідравлічних пресах з прямим витіканням металу. Вимога зниження ваги й ціни прес-виробів передбачає пресування профілів із зниженими товщинами стінок і в звуженому полі їх допустимих відхилень.

Для гарячого прямого пресування без змащення характерна велика нерівномірність деформації по об'єму металу, що пресується. Це може привести до порушення геометрії профілю внаслідок нерівномірного розподілу швидкостей по периметру каналу. Виготовлення перемінної по периметру каналу довжини калібруючого паска дозволяє компенсувати вказану особливість процесу, однак відомі формули для розрахунку довжини паска ґрунтуються лише на геометричних принципах і отримані для плоских матриць. В той же час сьогодні найбільш широко застосовується пресування алюмінієвих сплавів в режимі "заготовка за заготовкою" з великими коефіцієнтами витяжки та використанням форкамерних матриць і комбінованих матриць з плоским розсікачем. Відомі формули для визначення розмірів форкамери і зварювальної камери отримані у зв'язку з окремими параметрами конструкції матриці. До того ж існуючі методи розрахунку пресового інструменту не враховують комплексний вплив на точність профілів таких технологічних факторів, як переднє натяжіння, позаконтактна пластична деформація, пружна деформація інструменту, його знос та ін. Крім того, можливості розрахунку інструменту та сили пресування обмежені через відсутність відомостей про реологічні властивості сплавів системи Mg-Ca та їх недостатній об'єм в температурно-швидкісному діапазоні, характерному для пресування сплаву АА6060, що може привести до суттєвого зниження точності прес-виробів і продуктивності процесу. Споживачі ставлять високі вимоги до пластичності, якості та чистоти поверхні прес-виробів, регламентують глибину залягання грубокристалічного ободка, розмір зерна тощо. Відомі рекомендації дають дуже широкий температурно-швидкісний діапазон обробки вказаних виробів і без зв'язку з іншими важливими технологічними факторами й параметрами конструкції інструменту. Це потребує визначення раціональних деформаційних і температурно-швидкісних режимів пресування, які забезпечують досягнення високих показників якості спеціальних профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів. Таким чином, робота, яка спрямована на наукове обґрунтування й розробку методів розрахунку пресового інструменту та режимів гарячого прямого пресування спеціальних профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів на базі теоретичних і експериментальних досліджень комплексного впливу геометрії інструменту, деформаційних і температурно-швидкісних параметрів процесу на точність, механічні властивості та структуру металу, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язане з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ) (науково-дослідні роботи ДР №0100U000768, ДР №0103U003217, ДР №0106U002225 за пріоритетним напрямом розвитку "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" відповідно закону України "Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки" №2623-ІІІ від 11.07.2001 р.).

Автор був керівником і виконавцем цих робіт.

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є наукове обґрунтування і розробка методів розрахунку пресового інструменту та раціональних деформаційних і температурно-швидкісних режимів процесу гарячого прямого пресування спеціальних прес-виробів високої якості з алюмінієвих і магнієвих сплавів.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані та вирішені такі завдання:

- проаналізувати геометрію пресового інструменту, виділити основні безрозмірні параметри плоских форкамерних матриць і визначити їх вплив на формозміну і кінематику течії металу при гарячому прямому пресуванні;

- встановити характер позаконтактної пластичної деформації та її вплив на геометричні розміри і масу погонного метра прес-виробів з алюмінієвих сплавів в залежності від типу матриці, форми прес-виробу і натяжіння, що створюється тягнучим пристроєм, з метою призначення виконавчих розмірів каналу матриці для пресування у звуженому полі допуску на геометричні розміри;

- визначити залежності сили пресування, температури, механічних властивостей і структури металу прес-виробів з алюмінієвих сплавів АА6060, АА6082, АА1070 і магнієвого сплаву AZ31В від коефіцієнта витяжки і товщини стінки профілю, швидкості пресування, температури заготовки й контейнера з урахуванням впливу типу матриці при пресуванні суцільних профілів і труб;

- отримати експериментальні дані щодо залежності напруження текучості сплавів MgCa0,8, MgCa4,0 і АА6060 від температури, ступеня і швидкості деформації;

- розвинути методи розрахунку плоских форкамерних і комбінованих матриць з плоским розсікачем, розрахувати інструмент для пресування профілів і труб високої якості з алюмінієвих і магнієвих сплавів з урахуванням впливу геометричних, технологічних і експлуатаційних чинників на якість прес-виробів і застосувати його в промисловості;

- розрахувати пресовий інструмент і розробити технології виробництва алюмінієвих довгомірних тонкостінних труб малого діаметра у бухтах і товстостінних труб, а також технологій пресування порожнистих профілів і одержання капілярних труб зі сплавів системи Mg-Ca, пресування тонкостінних труб зі сплаву AZ31B, кутового пресування виробів великого поперечного перерізу з магнієвих сплавів та розробити технічні умови й параметри елементів технології виробництва рам алюмінієвих вікон з терморозв'язкою для вагонів рухомого складу.

Об'єкт дослідження. Технології гарячого пресування профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів на прутково-профільних пресах з прямим витіканням металу.

Предмет дослідження. Закономірності впливу геометрії інструменту і технологічних параметрів процесу пресування на точність, механічні властивості та структуру металу прес-виробів з алюмінієвих і магнієвих сплавів.

Методи дослідження.

Теоретичні дослідження базуються на положеннях теорії пластичності, теорії обробки металів тиском і теорії пресування. Лабораторні і промислові дослідження виконані з використанням сучасного устаткування та вимірювальної апаратури, що пройшла метрологічний контроль. При проведенні досліджень також було використано метод скінчених елементів, результати оброблено за допомогою методів математичної статистики.

Наукова новизна.

Наукову новизну мають наведені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень.

1. Отримало подальший розвиток теоретичне визначення розподілу швидкостей течії металу при гарячому прямому пресуванні алюмінієвих і магнієвих сплавів через плоскі форкамерні матриці.

Відмінність полягає в урахуванні залежностей розподілу швидкостей металу по перерізу прес-виробу від комплексу геометричних параметрів інструменту (зміщення форкамери щодо каналу матриці і відносної глибини форкамери, положення каналу на дзеркалі матриці.

А також кута між елементами профілю, зокрема, різної товщини) і коефіцієнта витяжки з використанням плоскої та об'ємної скінчено-елементних моделей течії металу. Використання цих залежностей дозволяє оптимізувати конструкцію плоских форкамерних матриць для пресування алюмінієвих і магнієвих сплавів.

2. Вперше експериментально встановлено характер позаконтактної пластичної деформації та її вплив на геометричні розміри і погонну масу профілів з алюмінієвих сплавів залежно від типу матриці, форми прес-виробу і параметрів процесу при великих коефіцієнтах витяжки.

Раніше відомості про можливість збільшення товщини профілю за виходом із калібруючого паска в разі пресування з великими коефіцієнтами витяжки через форкамерні матриці не були відомі. Отримані дані про зміну товщини стінки і маси одиниці довжини профілю внаслідок цього ефекту з урахуванням величини натяжіння, що створюється тягнучим пристроєм, дають можливість встановлювати виконавчі розміри каналу матриці для пресування у звуженому полі допуску на геометричні розміри профілю.

3. Одержали подальший розвиток на основі експериментальних досліджень наукові уявлення про вплив геометрії пресового інструменту та температурно-швидкісних параметрів процесу на температуру, силу пресування, механічні властивості й структуру металу прес-виробів з алюмінієвих і магнієвих сплавів.

Експериментальні результати відрізняються урахуванням впливу типу матриці (плоска або форкамерна при пресуванні суцільних профілів, а також конічна або плоско-ступінчаста форма дна зварювальної камери комбінованої матриці), коефіцієнта витяжки і товщини елемента профілю, температури заготовки й контейнера та швидкості пресування на температуру прес-виробу, силу пресування, механічні властивості і розподіл розміру зерна по перерізу виробу. Це дозволяє оптимізувати технологічні режими пресування спеціальних профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів.

4. Вперше отримані експериментальні залежності напруження текучості сплавів системи магній-кальцій від температури, ступеня і швидкості деформації.

Для сплавів MgCa0,8, MgCa4,0 вказані залежності були відсутні. Отримані залежності дозволяють збільшити точність теоретичних розрахунків кінематичних і силових параметрів пресування.

5. Отримали подальший розвиток методи розрахунку плоских форкамерних матриць і комбінованих матриць з плоским розсікачем для пресування профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів.

Розробка відрізняється комплексним урахуванням впливу геометричних параметрів інструменту, технологічних і експлуатаційних факторів на якість прес-виробів. Ці методи дають можливість оптимізувати параметри конструкції матриць, розробити пресовий інструмент.

6. Вперше експериментально встановлений вплив вмісту кальцію, температурних умов і коефіцієнта витяжки на силові параметри пресування, механічні властивості та структуру труб малого діаметра зі сплавів системи магній-кальцій.

Вказані залежності для сплавів із вмістом кальцію від 0,4 до 2% раніше відомі не були. Їх отримання дозволяє встановити раціональні значення технологічних параметрів процесу пресування, що забезпечують отримання труб малого діаметру із вказаних сплавів.

Практичне значення одержаних результатів. Виконані дослідження процесу прямого пресування виробів з алюмінієвих і магнієвих сплавів дозволили:

- науково обґрунтувати переваги застосування форкамерних матриць у порівнянні з плоскими з точки зору підвищення точності прес-виробів, рівномірності розподілу розміру зерна по його перерізу, а також спрощення регулювання витікання металу по периметру каналу, зокрема, при використанні ступінчастої форкамерної матриці;

- розраховувати на підставі експериментальних даних температуру профілів із сплаву АА6060 з товщиною стінки 2…6 мм. при коефіцієнтах витяжки 45…90 і труб зі сплаву АА1070 при коефіцієнтах витяжки 200…300, що дає можливість встановлювати технологічні параметри для отримання необхідних механічних властивостей;

- встановити раціональні температурно-швидкісні параметри пресування магнієвого сплаву AZ31B через форкамерні матриці, що дозволяє отримувати вироби з підвищеними пластичними властивостями, а також прогнозувати розмір зерна металу профілю;

- розробити методи розрахунку плоских форкамерних і камерних матриць з урахуванням даних про вплив технологічних факторів і геометрії пресового інструменту на кінематичні, силові та температурні параметри процесу;

- розробити конструкції комбінованих матриць для пресування спеціальних профілів і труб із магнієвих сплавів при коефіцієнтах витяжки до 50, що дозволяє підвищити точність, механічні властивості та якість поверхні труб;

- розробити спосіб отримання великогабаритних прес-виробів із сплавів системи Mg-Ca з дрібнозернистою структурою шляхом застосування матриць з прямим витіканням при багатократному повороті потоку металу.

Теоретичні і експериментальні результати розробок, наведені в дисертації, використані при проектуванні та виготовленні плоских, форкамерних, комбінованих матриць та іншого інструменту для пресування спеціальних профілів і труб з алюмінієвих і магнієвих сплавів, а також при призначенні раціональних параметрів пресування таких прес-виробів на підприємствах: ЗАТ "Дніпровський завод "АЛЮМАШ" (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 16.10.07 р.), ТОВ "ФРУНЗЕ-ПРОФІЛЬ" (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 07.11.07 р.), ПП "Профільні системи" (акт про використання результатів дисертаційної роботи від 19.04.06 р.), ПП "Інструмент" (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 12.05.05 р.), а також в Інституті матеріалознавства Ганноверського університету ім. Лейбниця (довідка про проведену роботу і використання отриманих результатів від 27.06.06 р.).

Використання отриманих результатів дозволило знизити вартість інструменту в порівнянні із закордонними аналогами на 25…35% та підвищити термін експлуатації матриць.

Результати лабораторних і промислових експериментів використані при розробці: конструкції комбінованого теплоізолюючого профілю, що згинається, та елементів технології виробництва рам вікон пасажирських вагонів і відповідних технічних умов "Вікна алюмінієві з терморозв'язкою для вагонів рухомого складу" (ТУ У 35.2-19151204-004:2006), технології виробництва алюмінієвих труб високої якості в бухтах і відповідних технічних умов "Труби пресовані круглі із алюмінію марки АД00 в бухтах" (ТУ У 27.4-8-78-2003), розробці технології отримання капілярних труб із магнієвих сплавів системи Mg-Ca з використанням процесів гарячого пресування і волочіння (довідка Ганноверського університету ім. Лейбниця від 27.06.06 р.). Розробки, які виконані в дисертації, використовуються в учбовому процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ (довідка від 09.10.07 р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів. Всі основні результати досліджень отримані й узагальнені автором самостійно. У теоретичних розробках автором виділені основні параметри конструкції пресового інструменту, узагальнені відомі дані, проведені розрахунки за допомогою скінчено-елементних програм та їх аналіз. Автором особисто здійснена постановка лабораторних і промислових експериментів, розроблений технологічний інструмент для їх проведення, оброблені й узагальнені результати досліджень. Автор брав безпосередню участь в організації і проведенні експериментів і впровадженні розробок у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: V Міжнародній науково-технічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (Дніпропетровськ, 2000 р.), науковій конференції, присвяченій 50-річчю Відділення металургії і матеріалознавства Ченстоховської політехніки "Nowe technologie i osi№gnкcia w metalurgii i inїenerii materiaіowej" (Польща, Ченстохова, 2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні" (Краматорськ, 2001, 2003, 2005, 2006, 2007 рр.), ІІ и IV Міжнародних конференціях "Прогресивна техніка і технологія" (Севастополь, 2001, 2003 рр.), ІІІ и VІ Міжнародних наукових конференціях "Nowe technologie i osi№gnкcia w metalurgii i inїenerii materiaіowej" (Польща, Ченстохова, 2002, 2005 рр.), V та VІІІ Міжнародних науково-технічних конференціях "Пластична деформація металів" (Дніпропетровськ, 2002, 2005 рр.), 45-й щорічній конференції металургів "Magnesium Technology in the Global Age" (Канада, Монреаль, 2006 р.), 7-й Міжнародній науковій конференції "Magnesium Alloys and their Applications" (ФРН, Дрезден, 2006 р.), Міжнародній науковій конференції "Advances in Metallurgical Processes and Materials" (Дніпропетровськ, 2007 р.), Міжнародній конференції "Tube Ukraine 2007 - Modern Production Trends for Tubes & Pipes - Welded, Seamless & Non-Ferrous" (Дніпропетровськ, 2007 р.), науковому семинарі Інституту матеріалознавства Ганноверського університету ім. Лейбниця (ФРН, Ганновер, 2003, 2004, 2005, 2006 і 2007 рр.), об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ і прокатних відділів ІЧМ НАНУ (Дніпропетровськ, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 рр.).

Публікації.

Основні матеріали дисертації викладені в 46 публікаціях. Серед них: 1 монографія, 29 статей у спеціалізованих виданнях згідно переліку ВАК України, 9 статей і 2 тези доповідей в інших виданнях, 1 навчальний посібник, 1 патент України і 3 деклараційних патенти України.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, 6 розділів, висновків і додатків. Дисертація викладена на 370 сторінці, містить 167 рисунків, 49 таблиць, список використаних джерел з 255 найменувань, 10 додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розвитку теорії і технології пресування з прямим витіканням металу присвячені роботи радянських учених М.С. Ґільденгорна, С.І. Губкіна, М.З. Єрманка, В.В. Жолобова, Г.І. Зверєва, І.Л. Перліна, Л.В. Прозорова,Б.О. Прудковського, Л.Х. Райтбарга, В.М. Щерби, а також зарубіжних дослідників - таких як R. Akeret, A. Ames, M. Bauser, K. Mьller, P.K. Saha, H. Valberg та ін. Усунення наслідків нерівномірності деформації, властивій процесу прямого пресування, можливе шляхом оптимізації конструкції пресового інструменту: розташування профілю на дзеркалі матриці, довжини і нахилу паска, розмірів форкамери, а також форми розсікача та зварювальної камери у разі використання комбінованих матриць.

Рекомендації з раціонального розташування профілю часто вступають у взаємну суперечність. Задовольнити треба, в першу чергу, ті, що обумовлені необхідністю збереження точності геометрії профілю та якості поверхні на виході з преса. Вирівнювання швидкостей витікання можливе шляхом призначення перемінної по периметру профілю довжини калібруючого паска - на ділянках з малим питомим периметром вона повинна бути збільшена. Відомий ряд формул і методів розрахунку довжини паска: Б.М. Матвєєва - Є.Б. Журавського, В.П. Альошина, К. Мюллера, А. Кастла, Кс. Чанга, Н. Майлза та ін.

Загальним недоліком вказаних формул і методів є те, що вони не враховують впливу деформації у форкамері, а також те, що в більшості випадків вони засновані на суто геометричних міркуваннях. Форкамера нарівні з калібруючим паском є засобом корегування розподілу витікання металу по периметру профілю, а також дозволяє вести процес пресування в режимі "заготовка за заготовкою". Формули для визначення розмірів форкамери враховують лише окремі конструктивні параметри (такі як ширину елементу каналу, довжину паска, відстань від центру матриці до елементу каналу, відстань від стінки форкамери до паска), часто не наведено числові значення коефіцієнтів та умови працездатності цих формул.

Математичному моделюванню пресування присвячені роботи таких вчених як Я.Ю. Бейгельзімер, О.Ю. Гридін, А.А. Міленін, К. Мюллер та ін. Для моделювання процесу пресування використовуються як комерційні пакети скінчено-елементних програм, так і оригінальні програми. У більшості робіт розглядається пресування конкретних профілів зі складною формою поперечного перерізу. Тому результати аналізу не можуть бути систематизовані й перенесені на прес-вироби іншої форми. Існують рішення, в яких на прикладі штаб з елементами різної товщини досліджено вплив ширини форкамери та відстані від центру матриці до центру ваги профілю. Проте, ці рішення отримані для малих коефіцієнтів витяжки та марок сплавів, що рідко використовуються при виробництві профілів. Відомі теоретичні залежності величини кривизни тонкостінних елементів профілів від параметрів конструкції форкамерної матриці, але вони не враховують особливостей об'ємного формозмінення металу.

Відомі рекомендації з пресування алюмінієвих і магнієвих сплавів обмежують температурно-швидкісний інтервал обробки в дуже широкому діапазоні. Вплив швидкості пресування, температури заготовки й контейнера на температуру, механічні властивості та структуру профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів низької та середньої міцності описується без зв'язку з параметрами конструкції інструменту та іншими важливими технологічними факторами. Відомо, що рівноканальне кутове пресування приводить до подрібнення структури металу і, часто, до поліпшення механічних властивостей. Проте, це питання не було вивчене стосовно сплавів системи MgCa. Тому виникає проблема наукового обґрунтування і розробки методів розрахунку пресового інструменту й режимів гарячого прямого пресування спеціальних профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів на базі теоретичних і експериментальних досліджень комплексного впливу геометрії інструменту, деформаційних і температурно-швидкісних параметрів процесу на точність, механічні властивості та структуру металу.

Дослідження спільного впливу геометричних параметрів інструмента на кінематику витікання металу при пресуванні через плоскі одноканальні матриці. Дослідження проведене за допомогою скінчено-елементної математичної моделі і розробленої на її основі програми розрахунку параметрів напружено-деформованого стану при пресуванні, створеної на кафедрі ОМТ НМетАУ. В основу математичної моделі покладені такі припущення: деформований стан при видавлюванні матеріалу з контейнера, у тому числі круглого, приймається плоским, процес прямого пресування вважається умовно сталим (квазістаціонарним) і ізотермічним, матеріал, що деформується, нелінійно-в'язкий і нестисливий, напруження текучості його залежить від ступеня, швидкості деформації й температури. Для дискретизації площини поперечного перерізу металу в контейнері, форкамері, зоні калібруючого паска та вільному кінці профілю використано прямокутний мультиплекс-елемент.

Задача пошуку полів дійсних швидкостей та напружень вирішується виходячи з умови стаціонарності функціонала варіаційного принципу Маркова, який для випадку плоскої деформації має вигляд:

Де:

Н - інтенсивність швидкості деформації зсуву;

F - площа поперечного перерізу тіла, що деформується;

V - швидкість ковзання металу по інструменту;

l - довжина поверхні контакту металу з інструментом.

Умовна в'язкість металу визначається за формулою:

Де:

Ts - інтенсивність напружень зсуву;

Т - температура.

В рамках моделі застосовується теорія пластичності Сен-Венана-Леві-Мізеса. Зв'язок між компонентами тензора швидкостей деформацій і тензора напружень ij у вигляді:

Для врахування нелінійності реологічних властивостей матеріалу використаний метод гідродинамічних наближень. На кожному кроці ітераційного процесу вирішується лінеарізована крайова задача, що відповідає течії лінійно-в'язкої рідини. Використана модель тертя, отримана з експериментальних досліджень О.М. Лєванова:

Де:

КП - константа поверхні, фізична характеристика поверхні контакту;

n - нормальне контактне напруження;

Т - напруження текучості металу на зсув.

Реологічні характеристики матеріалів, що були використані при моделюванні, описані або у вигляді полінома, отриманого на підставі апроксимації власних експериментальних даних, або за допомогою методу термомеханічних коефіцієнтів. Використана модель розрахунку параметрів процесу пресування, адаптована зокрема до випадку використання ступінчастих форкамерних матриць, дозволяє визначати розподіл по елементах скінчено-елементної сітки значень швидкостей деформацій, ступеней деформацій, а також компонент тензора напружень. В якості характерних параметрів зони деформації при використанні форкамерних матриць були виділені наступні розміри: діаметр (приведений поперечний розмір для двовимірної задачі) контейнера, D, відстань від осі контейнера до осі профілю, Е, глибина H і ширина B форкамери, зміщення осі форкамери щодо осі каналу е, товщина профілю (ширина каналу) s. Також для опису геометрії форкамери можуть бути використані: відстань від паска до стінки форкамери, зміщення осі форкамери щодо осі каналу, середня відстань між стінками паска і форкамери b і умовний кут форкамери Я:

Був проведений чисельний факторний експеримент і за його результатами отримана залежність кривизни штаби від розглянутих безрозмірних параметрів:

Для сплавів АА6060, АА6082 і AZ31 отримані коефіцієнти.

Показано, що нерівномірність швидкостей зростає зі збільшенням відношення D/s і зворотно куту Я. Останнє показує, що хоча метал і більше загальмовується при проходженні форкамери більшої глибини, це приводить до зменшення нерівномірності швидкостей по перерізу.

Встановлено, що у випадку застосування внутрішньої ступіні двохступінчастої форкамери з умовним кутом менше, ніж загальний її кут, внутрішня ступінь незначно впливає на кінематику витікання.

Математичне моделювання течії металу при об'ємному напружено-деформованому стані. Дослідження особливостей об'ємної течії металу при пресуванні через форкамерні матриці проведено з використанням пакета скінчено-елементних програм, створеного на кафедрі ОМТ НМетАУ. У цьому випадку задача пресування розглядається як стаціонарна у формулюванні Ейлера. Для одержання рішення використаний модифікований функціонал варіаційного принципу Маркова:

Де:

F - площа поверхні контакту металу з інструментом;

Kp - штрафний множник.

Нелінійність реологічних властивостей металу врахована за допомогою методу гідродинамічних наближень. Дискретизація об'єму металу, що деформується, і апроксимація поля швидкостей виконана за допомогою п'ятнадцативузлових трикутних призм.

Для апроксимації середнього напруження використовувались трикутні призми з 6 вузлами, які збігаються з кутовими вузлами елементів першого типу. При завданні граничних умов також використана модель тертя, отримана з експериментальних досліджень О.М. Лєванова. Реологічні характеристики металу описуються в такий же спосіб, як і у двовимірній моделі. Моделювання пресування рівнополкового куткового профілю, при варіюванні кута між полками (135, 90 и 45°) і умовного кута форкамери (75, 60 и 45°) при різній відстані від центра ваги профілю до центра матриці, дозволило визначити характерний вигляд розподілу швидкості витікання в напрямку осі контейнера й уздовж полки профілю й зв'язати кут нахилу епюри швидкостей з полярними координатами тупика і вершини полиць профілю.

Де:

WZ - різниця осьових швидкостей витікання у вершині та тупику полиці;

WZ.cp - середня швидкість витікання з елемента;

l - довжина полки;

Dк і Rк - діаметр і радіус контейнера;

k1 і k2 - коефіцієнти (для сплаву k1=5.9, k2=0.8).

Встановлено розподіл швидкостей при пресуванні профілю з різним кутом (45, 90, 135°) між полками різної товщини через матрицю з постійною довжиною паска.

На підставі форми епюр можна зробити висновок про можливість застосування формули Матвєєва-Журавського для розрахунку довжини паска, однак вона повинна бути скоректована з урахуванням того, що форкамера з кутом Я > 45° змінює перерозподіл потоків металу між елементами. Це може бути враховано коефіцієнтом:

Досліджено розподіл швидкостей витікання уздовж каналу при його радіальному й тангенціальному розташуванні щодо осі контейнера. На підставі отриманих епюр і результатів фізичного моделювання рекомендовано в тупику каналу зменшувати (у порівнянні з основною частиною) довжину паска на довжині, рівній товщині профілю, з переходом до основної частини на довжині, що залежить від співвідношення розмірів елемента профілю.

Пресування виробів зі сплаву системи MgAlZnMn через плоскі та форкамерні матриці. Експерименти проведені на горизонтальному гідравлічному пресі зусиллям 10 МН. Використовувалися литі гомогенізовані обточені заготовки зі сплаву AZ31В. Пресування штаб розміром 80Ч6 мм. здійснювалося через плоскі та форкамерні матриці з коефіцієнтом витяжки =25, а штаб розміром 60Ч2 мм., через форкамерні матриці в 4 і 2 канали з =25 і =50 відповідно. Процес вели без переднього натяжіння. Варіювали температуру заготовки (320 і 360°С) і швидкість пресування (1…8 мм./с). Встановлено, що пресування через плоску матрицю приводить до більшого відхилення розмірів штаби від номінальних (товщина зменшується), ніж при використанні форкамерної матриці з тими ж розмірами каналу. Збільшення швидкості пресування і зниження температури заготовки приводить до зменшення маси метра профілю й площі перерізу штаби, що пояснюється збільшенням пружної деформації матричного комплекту.

При пресуванні через форкамерну матрицю температура металу штаби на 7…26°С більша, ніж при використанні плоскої. Більші значення відповідають задньому кінцю штаби. З точки зору впливу на механічні властивості це приводить до незначного зниження границі текучості (на 3,5…5,5%) і відносного видовження після розриву (на 6…10%). Тому пресування через форкамерні матриці необхідно вести зі зниженою на 10…20°С температурою заготовки. Зміну температури по довжині для штаб різної товщини, випресованих при різних температурно-деформаційних умовах. При інших рівних температурно-швидкісних параметрах пресування й коефіцієнтах витяжки зменшення товщини профілю приводить до зменшення ймовірності появи тріщин і підвищення відносного видовження після розриву при випробуваннях на розтягування.

На відміну від алюмінієвих сплавів у товстих штабах (6 мм.) зі сплаву AZ31В спостерігається приповерхневий шар глибиною близько 0,3 мм. із більш дрібнозернистою структурою, ніж у центрі перерізу штаби. Середній розмір зерна в ньому 14…15 мкм, в основному металі 22…27 мкм. При однаковому коефіцієнті витяжки в основному (по перерізу штаби) металі зерно більш дрібне та рівномірне в тонких штабах, однак у приповерхневому шарі воно крупніше, ніж у товстих штабах. По довжині штаби від початку до кінця зерно подрібнюється і стає більш однорідним. Збільшення швидкості витікання від 1,5 до 18 м/хв. приводить до зросту середнього розміру зерна на 30%. Вплив умов пресування та геометрії комбінованих матриць на якість труб з магнієвого сплаву. Труби зі сплаву AZ31В розміром 40Ч2 мм. і менше піддаються наступному гідроформуванню і використовуються в автомобілебудуванні. Експериментальні дослідження на горизонтальному гідравлічному пресі зусиллям 10 МН дозволили визначити раціональні режими пресування таких труб з урахуванням геометрії комбінованих матриць із плоским розсікачем. Використовували традиційну матрицю з конічним дном і матрицю з виступами на дні зварювальної камери, осі яких розташовані під осями живильних каналів розсікача. Результати також порівнювали з даними, отриманими при пресуванні на довгій оправці. Варіювалася температура заготовки ТЗ і різниця між температурами заготовки ТЗ і контейнера ТК. Швидкість пресування 2 мм./с, коефіцієнт витяжки 50. Встановлено, що плоско-ступінчаста матриця забезпечує більш високу точність труб у порівнянні з конічною. При використанні обох типів матриць діаметр і товщина стінки труби зменшується від переднього до заднього кінця труби.

Аналіз мікроструктури поперечного перерізу труб показує, що біля зовнішньої і внутрішньої поверхонь труб є шари з більш дрібним зерном глибиною до 0,3 мм. Пресування при підвищеній температурі заготовки (400°С), але при "холодному" (340°С) контейнері забезпечує розмір зерна, більш близький до варіанта пресування з холодною заготовкою (360°С), ніж до варіанта з гарячою заготовкою і гарячим контейнером. Середній розмір зерна в основному тілі труби становить для різних режимів від 18 до 28 мкм. Поздовжній зварений шов виявлений тільки в мікрошліфах, відібраних з переднього кінця труб, відпресованих при великій температурі заготовки через матриці обох типів.

Аналіз стану якості поверхні показує, що:

1) передній кінець труби завжди менш окислений, ніж задній;

2) при більш низьких температурах нагріву заготовки внутрішня поверхня труби темніша за зовнішню, при більш високих - навпаки;

3) на зовнішній поверхні труби зварений шов, як правило, не видний;

4) шов на внутрішній поверхні рідко проявляється і ширина його менше при пресуванні через плоско-ступінчасту матрицю;

5) при більшій температурі металу, що пресується, шов ширший і має біло-сірий колір замість сірого (білий колір характерний для місць появи дрібних зморшок-шорсткостей);

6) при роздачі труби конусною оправкою чіткої закономірності в місці появи тріщини не виявлено, що свідчить про високу міцність шва. Пресування через плоско-ступінчасту матрицю при ТЗ=360°С і Vп=2 мм./с забезпечує високу якість поверхні, зокрема, відсутність видимого звареного шва, високу пластичність і міцність при випробуваннях на роздачу.

Дослідження процесу пресування тонкостінних труб малого діатру зі сплавів системи Mg-Ca на довгій оправці. Такі труби використовуються як заготовка при подальшому виробництві волочінням капілярних труб для судинної хірургії. Експериментальні дослідження проводилися на вертикальному пресі номінальним зусиллям 800 кН. Пресування вели через конічні матриці при варіюванні наступних параметрів: вміст кальцію (0,4…2,0%), номінальна товщина стінки труб (0,3…1 мм.), температура заготовки ТЗ (340...420°С), температура контейнера ТК (380, 410°С). Встановлено, що реалізація процесу при коефіцієнтах витяжки більше 80…100 і температурі заготовки менше 350°С практично неможлива - метал не витікає в зазор між оправкою і матрицею. Більші температури нагріву знижують силу пресування, але можуть привести до появи так званих "гарячих тріщин". Підвищення вмісту кальція призводить до росту міцності труб і зниженню їх пластичності. Механічні властивості труб задовільні: границя міцності становить 160…200 МПа, відносне видовження після розриву 10…18%, що суттєво при наступному волочінні. У поздовжньому і поперечному напрямку відмінностей у формі й розмірі зерна практично немає. Найбільший інтерес для використання в імплантантах становить сплав MgCa0,8. Для цього матеріалу виявлено, що при збільшенні температури заготовки границя текучості 0,2 і границя міцності в зменшуються, відносне видовження спочатку росте, а при температурах заготовки більше 400°С - зменшується. Збільшення температури заготовки і коефіцієнта витяжки приводить до росту зерна. В діапазоні ТЗ=340…370°С розмір зерна металу труб менший у порівнянні з початковою структурою пресованої заготовки.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичні узагальнення та нове рішення науково-технічної проблеми, що полягає в науковому обґрунтуванні й розробці методів розрахунку інструменту та режимів процесу гарячого прямого пресування на базі теоретичних і експериментальних досліджень комплексного впливу геометрії інструменту, деформаційних і температурно-швидкісних параметрів процесу на точність, механічні властивості та структуру металу спеціальних профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів з метою підвищення якості продукції:

1. Огляд літературних джерел показує, що сучасний стан методів розрахунку пресового інструменту і технології виробництва спеціальних профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів не задовольняє потреби пресової промисловості внаслідок недостатнього забезпечення показників якості продукції. Це обмежує можливості використання процесу гарячого прямого пресування й робить розглянуту в роботі проблему актуальною;

2. Отримало подальший розвиток теоретичне визначення розподілу швидкостей течії металу при прямому пресуванні алюмінієвих і магнієвих сплавів через плоскі форкамерні матриці. Математичне моделювання плоского напружено-деформованого стану з урахуванням реологічних властивостей алюмінієвих сплавів АА6060, АА6082 і магнієвого сплаву AZ31 при температурних умовах пресування дозволило провести аналіз розподілу швидкостей в зоні деформації. Визначено спільний вплив на нерівномірність швидкостей у вихідному перерізі та характеристики вигину штаби, що пресується, комплексу безрозмірних параметрів конструкції плоских форкамерних матриць, у тому числі ступінчастих: співвідношення розмірів форкамери, ексцентриситету каналу, зміщення осі форкамери щодо осі каналу, а також коефіцієнта витяжки. Використання скінчено-елементної програми розрахунку об'ємного напружено-деформованого стану дозволило визначити основні кінематичні характеристики складного формозмінення при пресуванні тонкостінних прес-виробів через форкамерні матриці. Встановлено вплив на розподіл швидкостей витікання положення каналу на дзеркалі матриці з урахуванням кута між елементами профілю, співвідношення товщин елементів і геометричних розмірів форкамери;

3. Вперше експериментально встановлено характер позаконтактної пластичної деформації та її вплив на геометричні розміри і погонну масу профілів з алюмінієвих сплавів залежно від типу матриці, форми прес-виробу і параметрів процесу. Встановлено, що для тонкостінних профілів, які пресуються через форкамерні матриці при великих (>30) коефіцієнтах витяжки, позаконтактна пластична деформація приводить до збільшення товщини прес-виробу в порівнянні з шириною каналу матриці. Отримано залежності геометричних розмірів прес-виробів і маси погонного метра при заданих розмірах каналу з урахуванням пружної деформації матричного комплекту й натяжіння, що створюється тягнучим пристроєм. Дослідження на товстостінних прес-виробах зі сплавів АА6060, АА6082 і AZ31B показали, що форкамерна матриця в порівнянні із плоскою забезпечує менше відхилення розмірів поперечного перерізу штаби від номінальних. При малих коефіцієнтах витяжки позаконтактна пластична деформація приводить до зменшення товщини штаби в разі використання плоских матриць, а для форкамерних - до її незначного збільшення. Підвищення швидкості пресування приводить до зменшення розмірів поперечного перерізу;

4. На основі експериментальних досліджень одержали подальший розвиток наукові уявлення про вплив геометрії пресового інструменту та температурно-швидкісних параметрів процесу на температуру, силу пресування, механічні властивості й структуру металу прес-виробів з алюмінієвих і магнієвих сплавів. Встановлено, що для сплаву АА6060 пресування через форкамерну матрицю приводить (у порівнянні із плоскою матрицею) до збільшення відносного видовження готового виробу на 20…30%, для АА6082 ця величина практично не змінюється, а для сплаву AZ31B - зменшується незначно (на 6…10%). При незмінному коефіцієнті витяжки збільшення товщини стінки приводить до зниження відносного видовження профілю, підвищення нерівномірності розміру зерна по перерізу, а у виробах з магнієвих сплавів до того ж підвищує ймовірность появи поверхневих тріщин. Для усунення негативного впливу підвищення температури від деформаційного розігріву рекомендовано вести пресування через форкамерні матриці при зниженій на 10…20°С температурі заготовки у порівнянні з плоскими матрицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У РОБОТАХ

технологічний алюмінієвий пресування

1. Данченко В.Н., Миленин А.А., Головко А.Н. Производство профилей из алюминиевых сплавов. Теория и технология. - Днепропетровск: "Системные технологии", 2002. - 448 с.

2. Головко А.Н. Проектирование матриц для прессования алюминиевых профилей с тонкостенными элементами // Современные проблемы металлургии. Сб. научн. тр. Вып. 7. - Днепропетровск: Системные технологии, 2004. - С. 125-132.

3. Головко А.Н. Разработка технологии производства капиллярных магниевых труб способами горячей деформации // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2006. - С. 288-294.

4. Головко А.Н. Влияние внеконтактной деформации на геометрию тонкостенных пресс-изделий // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - №3. - С. 46-50.

5. Головко А.Н. Сравнительный анализ влияния геометрии матрицы на качество пресс-изделий из алюминиевых сплавов // Теория и практика металлургии. - 2007. - №1. - С. 19-24.

6. Головко А.Н. Исследование неравномерности истечения при многоканальном прессовании через форкамерные матрицы // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - №4. - С. 49-51.

7. Головко А.Н. Влияние условий прессования и геометрии комбинированных матриц на качество труб из магниевого сплава // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - №5. - С. 73-78.

8. Данченко О.В., Головко А.Н. Проблемы украинских производителей алюминиевых профилей // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1999. - №4. - С. 84-87.

Размещено на Allbest.ru