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

; (21)

, (22)

де a0 = 130,1; a1 = 9,93; а2 = 11,3; а3 = -0,197 у формулі (21); a0 = 114,4; a1 = 95,5; а2 = 25,7; а3 = -0,167; а4 = 53,5; а5 = 0,347; а6 = -0,17; а7 = 0,092 у (22).

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ ОТРИМАННЯ ПРЕС-ВИРОБІВ З МАГНІЄВИХ СПЛАВІВ

Пресування виробів зі сплаву системи Mg-Al-Zn-Mn 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, наведено на рис. 6. 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 (рис. 7), 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 (рис. 8), 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.

Для розглянутих умов пресування істотного впливу типу матриці на силу пресування не виявлено. Збільшення температури в процесі пресування магнієвих труб при коефіцієнті витяжки =50 істотне й становить 130...160 С. Основна зміна температури (близько 90%) припадає на передню частину труби, довжина якої відповідає ходу прес-штемпеля, приблизно рівному діаметру контейнера (рис. 9). При пресуванні через матрицю із плоско-ступінчастим дном температура труби на кілька градусів вище. Границя текучості металу готових труб при різних умовах пресування відрізняється незначно - у межах 2,5%. Пресування при розглянутих температурно-швидкісних режимах забезпечує одержання труб, що мають відносне видовження після розриву при розтягуванні на 60…120% вище вимог ASTM B 107.

Аналіз мікроструктури поперечного перерізу труб показує, що біля зовнішньої і внутрішньої поверхонь труб є шари з більш дрібним зерном глибиною до 0,3 мм (рис. 10). 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 350С 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.

З метою отримання пресованої труби-заготовки для подальшого волочіння може бути рекомендовано вести пресування труб 5...6 мм при =70...80, ТЗ=ТК=360...380С.

Кутове, в тому числі рівноканальне, пресування магнієвих сплавів. Досліджувалися можливості поліпшення якості прес-виробів магнієвих сплавів з використанням принципу рівноканального кутового пресування (РККП). Сконструйовано інструмент, у якому потік металу повертається 4 рази (рис. 11) і забезпечується пряме витікання металу. Пресування з його використанням на пресі зусиллям 10 МН дозволило за два проходи зменшити розмір зерна в заготовці 100 мм зі сплаву MgCa0,8 від 0,2…1 мм до 12…14 мкм.

З метою поліпшення пророблення структури виробів з великою площею поперечного перерізу сконструйований інструмент, наведений на рис. 12. У ньому здійснюється спільне обтиснення і поворот потоку металу чотири рази на 90. Комбінований процес кутового і прямого пресування (КПП) дозволяє значно знизити кількість непродеформованих зерен і одержати за один прохід досить рівномірну по перерізу дрібнозернисту (з розміром зерна 6…7 мкм) структуру прес-виробу при коефіцієнтах витяжки до 20.

Визначення напруження текучості сплавів системи Mg-Ca при температурах гарячої деформації. Вперше були проведені пластометричні випробування сплавів MgCa0,8 і MgCa4,0 на одноосьове стиснення. Варіювалися наступні параметри: температура 300…450С з кроком 50С, швидкість деформації 0,1; 1,0; 10,0 с-1, логарифмічна деформація - до 2,0. Типова форма кривих напруження текучості наведена на рис. 13. Після статистичної обробки експериментальних даних отримані рівняння залежності напруження текучості від параметрів деформації.

Розвиток МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ПРЕСОВОГО ІНСТРУМЕНТА

Узагальнення результатів, отриманих за допомогою плоскої та об'ємної скінчено-елементних моделей, формозмінення при пресуванні, розрахунків інструменту на міцність і пружню деформацію, а також експериментальних досліджень процесу дозволили розробити вдосконалені науково обґрунтовані методи розрахунку пресового інструменту.

Метод розрахунку плоских форкамерних матриць. Розрахунок параметрів конструкції плоских форкамерних матриць з перемінною довжиною робочого паска включає наступні етапи: визначення габаритних розмірів інструмента; визначення кількості каналів; розміщення каналів на дзеркалі матриці; розрахунок виконавчих розмірів каналу; розбивка каналу і дзеркала матриці на елементи; визначення розмірів форкамери; розрахунок довжини паска; призначення розмірів розпушки. Визначення габаритних розмірів інструмента. Діаметр матриці приймаємо рівним (1,25...1,5)Dк. Товщина матриці дорівнює 0,15...0,3 її діаметра. Визначення кількості каналів проводиться виходячи з припустимої сили пресування, кількості поперечних зварених швів, габаритів опорних кілець і рекомендованого коефіцієнта витяжки: 70…120 для сплаву АА6060, 40...80 для АА6082, до 200 і більше для АА1050 та АА1070 і 20…40 для AZ31В. Розміщення каналів на дзеркалі матриці. Наступні вимоги треба задовольнити в першу чергу: профіль має стійко розташовувався на вихідному столі преса й захоплювався пулером; прес-вироби профілі повинні укладатися один на другий для зручності транспортування; положення профілю, що виходить з матриці, має зменшувати ймовірність скручування і вигину його при охолодженні; лицьова поверхня не повинна пошкоджуватись при контакті з вихідним столом преса або іншими профілями.

Розрахунок виконавчих розмірів каналу. При їхньому визначенні враховується: зміна розмірів через термічне розширення або усадку матриці і профілю; пружна деформація інструмента, позаконтактна пластична деформація прес-виробу, натяжіння пулера, виправлення розтягуванням, а також знос при експлуатації (від тертя при пресуванні та від зачищення при коректуваннях).

Лінійний розмір каналу матриці Ам, який треба виконати для одержання розміру профілю Ап:

Ам = Ап (1+ kT + kР + kStr - km), (23)

де Ап - лінійний розмір профілю; kT - термічний коефіцієнт; kР - коефіцієнт натяжіння пулера; kStr - коефіцієнт виправлення розтягуванням; km - коефіцієнт зносу.

Коефіцієнти, що враховують зміну товщини стінки kP.s і довжини полки kP.l внаслідок позаконтактної пластичної деформації з урахуванням натяжіння пулера, а також при виправленні розтягуванням kStr і внаслідок зносу km, визначаються за результатами проведених експериментальних досліджень.

Розбивка каналу і дзеркала матриці на елементи. Як елементи каналу виділяємо окремі стінки і тупикові елементи стінок довжиною, рівною товщині стінки (ширині каналу) s. Дзеркало матриці розбивається на живильні зони. Живильна зона може бути обмежена лініями розділу течії за способом, запропонованим Ю.П. Глєбовим для рельєфних матриць. У випадку тонкостінних профілів цей спосіб спрощується: для сусідніх елементів профілю границею розділу течії вважаємо пряму лінію, що ділить внутрішній кут між ними прямо пропорційно до їх товщин.

Визначення розмірів форкамери. Як базовий вибираємо елемент профілю з мінімальною товщиною стінки s. Для нього ширину форкамери призначаємо рівною (5...9)s, а глибину такою, щоб умовний кут форкамери був Б=45-60. Глибина форкамери H постійна по периметру каналу. Для базового елемента коефіцієнт kгальм, що характеризує гальмування периферійних шарів металлу, визначається за формулою:

kгальм.Б= 0 + 1Б - 2/Б, (24)

де 0, 1 і 2 - коефіцієнти, що складають відповідно для сплавів: АА6060 - 1,16; 0,032 і 83,3; АА6082 - 1,11; 0,031 і 79,8; АZ31 - 1,21; 0,027 і 73,1; =D/s (D - приведений поперечний розмір живильної зони).

Далі визначаємо величину i і відстань від паска до стінки форкамери bi інших елементів форкамери:

i = 2/(0+1Б-kгальм.Б); (25) bi = H / tg i. (26)

Якщо розрахункове відношення b/s<2, необхідно збільшити bi, поділивши отримане раніше значення на коефіцієнт kbs, що враховуе вплив локального коефіцієнта витяжки в форкамері:

kbs = 0,17(b/s) +0,63. (27)

Наступним кроком є визначення величини зміщення осі форкамери щодо осі каналу е, що досягається дорівнюванням у рівнянні (10) до нуля з метою звести до мінімуму викривлення елемента профілю. Величину Е визначаємо як відстань від центра ваги зони дзеркала матриці, що живить елемент каналу до його осі. Визначивши відношення e/b для кожного елемента, знаходимо відстані від каналу до кожної зі стінок форкамери а і с (рис. 14).

Біля тупиків елементів відступ форкамери призначається рівним Н/(1,2...1,7). Ширину форкамери можна визначати також за спрощеною формулою:

В = СВ/s + s, (28)

де СВ - коефіцієнт, рівний 0,05...0,1 діаметра контейнера.

При проектуванні складних системних профілів часто виникає ситуація, коли контур форкамери не може бути подібний до контуру каналу (рис. 15). У цьому випадку канал розбивається осьовою лінією, що проходить посередині плоскої частини. Половини каналу характеризуються своїми приведеними значеннями s, П і F. Тоді розміри форкамери визначаються відповідно до описаного вище метода.

Розрахунок довжини паска. Довжину паска обчислюємо за допомогою модифікованої формули Матвєєва-Журавського:

, (29)

де hі і h0 - довжина паска на ділянці i-го та базового елемента відповідно; F і - площа і полярна координата центру ваги елемента каналу; П - довжина контакту металу з паском ("периметр" елементу); Dк - діаметр контейнера; k?=0,7.

Якщо в профілі стикуються дві полки різної товщини під кутом ?>90, потрібно зменшити довжину паска "товстої" полки, помноживши розрахункове значення на коефіцієнт k? (див. формулу (12)). Розгортка паска повинна бути виконана з кутом, розрахованим за формулою (11). Позитивне значення tg означає, що довжина паска збільшується в напрямку вершини. Якщо розрахункова довжина паска перевищує 10 мм, канал виконується таким, що звужується під кутом 1...5, з розрахунку 1 на 5 мм довжини паска.

Призначення розмірів розпушки проводиться за традиційною методикою.

Розрахунок матриць зі ступінчастою форкамерою і постійною довжиною паска подібний описаному вище з використанням формул (23)-(28). Далі, знаючи величину bi для кожного елемента, визначаємо ширину форкамери В в ньому. Елемент із найбільшою шириною В вважаємо базовим. Потім визначаємо розміри внутрішньої ступіні форкамери, призначаючи постійну ширину внутрішньої ступіні B1 або постійну величину b1:

B1 = (0,3...0,5)B0; (30) b1 = (0,2…0,4)b0. (31)

За формулами (25) і (27) знаходимо i і kbs, коригуємо i і за відомим i визначаємо глибину другої ступені форкамери H1. У ділянках тупикових елементів зменшуємо глибину другої ступіні, так щоб 30. Товщину паска приймаємо рівною (1…2)smin. Приклад розрахованої в такий спосіб конструкції матриці наведено на рис. 16.

Метод розрахунку комбінованої матриці із плоским розсікачем

Алгоритм розрахнку складається з таких основні кроків: 1) визначення габаритних розмірів інструмента та визначення кількості каналів;
2) розміщення каналів матриці та містків розсікача; 3) визначення площі живильних каналів розсікача; 4) призначення форми і розмірів оправки та містків; 5) визначення глибини зварювальної камери та її форми; 6) розрахунок виконавчих розмірів каналу; 7) визначення розмірів форкамери; 8) розрахунок довжини паска; 9) призначення розмірів розпушки; 10) визначення сили пресування і перевірка міцності розсікача і матриці. Етапи 1, 6-9 подібні наведеним вище для плоскої форкамерної матриці.

Площі живильних каналів (вікон) розсікача повинні бути такими, щоб коефіцієнт витяжки на розсікачі складав р = 4…5. Відношення площі вікон до площі живильного елемента каналу повинне бути приблизно однаковим для різних вікон. Площу вікон коригуємо відносно базового елементу за формулою:

. (32)

Використовуємо містки прямокутно-клиновидної форми перерізу, які звужуються до виходу під кутом 30…40. Ширина містків розсікача в основі дорівнює 0,1...0,15 діаметра контейнера, довжина містків - не більше за 2 ширини. Співвідношення між площею поверхні розсікача, що сприймає тиск пресування, та площею поперечного перерізу містка - не більше 0,75.

Глибина зварювальної камери обмежена конструктивно і становить не більше 0,25…0,4 товщини матриці. Мінімальна глибина зварювальної камери визначається як добуток мінімального часу контакту потоків металу tк та їх середньої швидкості. Прийнявши як критерій величину відносного числа зв'язків на контакті, наприклад, 0,9…0,95, знаючи температуру заготовки та розігрів під час деформації, можна визначити необхідний час tк з використанням рівняння:

, (33)

де N - число атомів, що прореагували за час tк; N0 - число атомів на поверхні контакту; - частота власних коливань атомів (1013 с-1 ); Ea - енергія активації утворення хімічних зв'язків; Тконт - температура контакту; k - стала Больцмана.

Особливістю призначення довжини паска порожнистої частини профілю є те, що біля стінок розсікача й під містками він має бути в 1,3…1,5 рази меншим, ніж у середині вікна. Для компенсації впливу тертя об бічну поверхню містка доцільно виконувати пасок у матриці на 20…25% більшої довжини, ніж на оправці.

РЕАЛІЗАЦІЯ РОЗРОБОК У ПРОМИСЛОВОСТІ

Розробка пресового інструменту

Розрахунок параметрів конструкції матриць, проведено з використанням методів, наведених вище, і відомостей про вплив конструкції матриці та технологічних параметрів на структуру металу й силу пресування (розділи 3 і 4). Матриці використані на різних лініях з горизонтальними гідравлічними пресами зусиллям від 3,2 до 13,5 МН.

З використанням указаних методів розрахунку були розроблені 12 матричних комплектів для ЗАТ "Дніпровського заводу "АЛЮМАШ" (Акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 16.10.07); 9 матричних комплектів для пресування на горизонтальному гідравлічному пресі зусиллям 3,2 МН ПП "Профільні системи" (Акт про використання результатів від 19.04.06). Методи розрахунку матриць і рекомендації по призначенню раціональних температурно-швидкісних параметрів пресування використані при виробництві профілів і труб з алюмінієвих сплавів на ТОВ "ФРУНЗЕ-ПРОФІЛЬ" (акт впровадження від 07.11.07). Розроблено інструмент для пресів зусиллям 10 МН і 800 кН Інституту матеріалознавства Ганноверського університету ім. Лейбниця (довідка від 27.06.06). Розраховані та виготовлені: комбінована матриця для дослідження процесу зварювання при пресуванні, комбіновані матриці й конічна матриця з довгою оправкою для пресування магнієвих труб 40Ч2 мм, матриці для пресування прутків 5...50 мм і штаб 80Ч6, 60Ч2 мм зі сплавів систем Mg-Al-Zn-Mn, Mg-Zn-Zr, Mg-Li. Для преса зусиллям 800 кН розроблено контейнер у зборі, конічні й довгі оправки, а також комбіновані матриці з плоским розсікачем для пресування гладких труб 6Ч0,4...1,0 мм, чотиригранних труб і труб з ребрами - заготовок для кісткових імплантантів (рис. 17).

Розробка технічних умов і технології виробництва пресованих алюмінієвих труб у бухтах. Проведені експериментальні дослідження й модернізація пресової лінії "Дніпровського заводу "АЛЮМАШ" дозволили вперше в Україні освоїти виробництво алюмінієвих труб розмірами 8Ч1 мм, 8Ч1,25 і 9Ч1 мм у бухтах у вузькому полі відхилення геометричних розмірів. Для кожного з розмірів труб визначені раціональні температурно-швидкісні умови багатоканального пресування труб, що дало можливість збільшити швидкість пресування та продуктивність процесу, визначити оптимальні режими пресування, що забеспечують високу точність і механічні властивості труб.

Розробка параметрів елементів технології виробництва рам вагонних алюмінієвих вікон з терморозв'язкою. Розробка конструкції комбінованого профілю (рис. 18) з термовставками, що робить можливою гибку з малими радіусами, а також розробка конструкції та елементів технології виробництва вікон, з урахуванням впливу процесів закатки термовставки, гибки й нагріву при полімеризації порошкової фарби на міцність конструкції профілю дозволили вперше в Україні освоїти виробництво алюмінієвих теплоізолюючих вікон рухомого складу. Розробки захищені патентами України.

Розробка технології виробництва капілярних труб зі сплавів системи Mg-Ca з використанням процесів пресування та гарячого волочіння. У рамках співпраці з Ганноверським університетом ім. Лейбниця запропонована технологічна схема, відповідно до якої одержують трубу-заготовку з магнієвого сплаву способом гарячого пресування зі зливка або гярячопресованої заготовки, потім відбувається гаряче волочіння (безоправочне і оправочне) і в останньому одному-двох проходах - волочіння в холодному стані для збільшення міцності труб і поліпшення якості поверхні. Встановлена можливість одержання капілярних труб зі сплаву системи магній-кальцій з мінімальним розміром до 1,8Ч0,2 мм способами гарячого пресування та гарячого волочіння; показана можливість і достатність використання для нагріву труб, які піддаються волочінню, тепла, що відходить від волокоутримувача, що нагрівається; визначені основні закономірності зміни товщини стінки труби при гарячому волочінні магнієвих труб. Визначено раціональні значення температурно-швидкісних параметрів гарячого пресування та волочіння труб, а також механічні властивості й структуру металу на різних етапах технологічного процесу і в готових виробах. Виробництво таких капілярних труб може бути впроваджено на українських підприємствах.

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 коеффіцієнтах 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.

Встановлено, що для сплавів 6ххх-й серії пресування через форкамерну матрицю приводить до зменшення глибини залягання грубокристалічного ободка в порівнянні з використанням плоскої матриці. 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 становить 14…15 мкм, в основному металі 22…27 мкм.

Проведені в промислових умовах експерименти дозволили одержати залежності зміни температури при прямому пресуванні профілів зі сплаву АА6060 із товщиною стінки 2…6 мм через форкамерні матриці при різних температурно-швидкісних режимах процесу й високих значеннях коефіцієнта витяжки (45…90). Проведено аналіз спільного впливу температури тонкостінних прес-виробів зі сплаву АА6060 на виході із преса й природного або штучного старіння на механічні властивості виробів зі сплаву АА6060. Вищевказане дозволяє встановлювати необхідні для отримання заданих властивостей профілів режими пресування. Встановлена залежність температури труб малого діаметра (до 10 мм) на виході з матриці зі сплаву АА1070 від температури нагріву заготовки та швидкості пресування при коефіцієнтах витяжки 200...300, що в комплексі з даними про взаємний вплив температурно-швидкісних параметрів на машинний час дозволяє оптимізувати технологічні режими пресування труб малого діаметра в бухтах.

Експериментальне дослідження нерівномірності деформації при багатоканальному пресуванні із різною температурою нагріву заготовки показало, що співвідношення швидкостей витікання тонкостінних профілів через матриці з форкамерами різної глибини може бути визначено як квадратична функція відстані від центра ваги каналу до осі матриці.

Розроблено конструкцію комбінованої матриці з плоским розсікачем і виступами на дні зварювальної камери, осі яких паралельні осям вікон розсікача. Пресування труб розміром 40Ч2 мм із магнієвого сплаву AZ31В показало, що така конструкція забезпечує більш високу точність труб у порівнянні з традиційною конічною формою дна зварювальної камери. Проведено кількісний аналіз зміни діаметра, товщини стінки та температури труби при використанні обох типів матриць. Визначено вплив температури заготовки й типу матриці на розмір зерна та його розподіл по перерізу труби, а також виявлення на поверхні труби звареного шва як дефекту. Встановлено температурно-швидкісні режими, що забезпечують одержання труб, які мають відносне видовження після розриву при розтягуванні в 2 рази вище за вимоги ASTM B 107 і високу якість поверхні.

5. Вперше отримані нові експериментальні залежності напруження текучості магнієвих сплавів системи Mg-Ca від температури, ступеня і швидкості деформації. Пластометричні випробування нових магнієвих сплавів MgCa0,8 і MgCa4,0, а також алюмінієвого сплаву АА6060 дозволили одержати криві деформаційного зміцнення в температурно-швидкісному діапазоні, характерному для пресування, й запропонувати математичні залежності для розрахунку напруження текучості.

6. Отримали подальший розвиток методи розрахунку плоских форкамерних матриць і комбінованих матриць з плоским розсікачем для пресування профілів з алюмінієвих і магнієвих сплавів. Удосконалено методи проектування плоских форкамерних, у тому числі ступінчастих, і комбінованих матриць з плоским розсікачем із урахуванням отриманих теоретичних і експериментальних даних про вплив геометрії пресового інструмента й технологічних параметрів процесу на кінематичні, силові та температурні параметри, а також механічні властивості й структуру металу штаб.

7. Вперше експериментально встановлено вплив вмісту кальцію, температурних умов і коефіцієнта витяжки на силові параметри пресування, механічні властивості та структуру труб малого діаметра зі сплавів системи магній-кальцій. Встановлено фактори, що обмежують проведення процесу пресування труб діаметром 6 мм і більше з товщиною стінки 0,4…0,7 мм зі сплавів системи Mg-Ca на довгій оправці й визначені максимально припустимі значення коефіцієнта витяжки. Визначено залежності механічних властивостей труб малого діаметра зі сплавів із вмістом кальцію від 0,4 до 2,0% від коефіцієнту витяжки і температури заготовки та контейнеру. Збільшення коефіцієнта витяжки й швидкості витікання приводить до зниження характеристик міцності і пластичності готової труби. Відносне видовження отриманих труб у кілька разів вище, ніж металу заготовки.

Застосування рівноканального кутового пресування через матрицю з поворотом потоку металу 45-90-90-45 дозволило за два проходи зменшити розмір зерна в заготовці 100 мм зі сплаву MgCa0,8 від 0,2…1 мм до 12…14 мкм. Запропоновано комбінований процес кутового й прямого пресування. Процес дозволяє при малих коефіцієнтах витяжки значно знизити кількість непродеформованих зерен і одержати досить рівномірну по перерізу дрібнозернисту (з розміром зерна 6…7 мкм) структуру прес-виробів.

8. Результати роботи використані при проектуванні та виготовленні плоских, форкамерних, комбінованих матриць і іншого інструменту для пресування спеціальних профілів і труб з алюмінієвих і магнієвих сплавів, а також призначенні раціональних параметрів пресування вказаних 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 отриманних результатів дозволило знизити вартість інструменту в порівнянні із закордонними аналогами на 25…35% та підвищити термін експлуатації матриць.

Розроблено технологію виробництва рам вікон пасажирських вагонів і технічні умови "Вікна алюмінієві з терморозв'язкою для вагонів рухомого складу" (ТУ В 35.2-19151204-004:2006), технологію виробництва алюмінієвих труб у бухтах і технічні умови "Труби пресовані круглі з алюмінію марок АД0 і АД00 у бухтах" (ТУ В 27.4-8-78-2003); технологію одержання капілярних труб зі сплавів системи Mg-Ca з мінімальним розміром до 1,8Ч0,2 мм. Розробки, виконані в дисертації, використовуються в учбовому процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при читанні курсу "Виробництво металовиробів, пресованих і гнутих профілів", "Моделювання процесів трубного виробництва", "Технологія обробки металів", а також при виконанні дипломних проектів і випускних магістерських робіт (довідка від 09.10.07 р.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У РОБОТАХ

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.

9. Миленин А.А., Головко А.Н. Определение с помощью компьютерного моделирования рациональных технологических размеров матрицы для прессования алюминиевого профиля // Удосконалення процессів та обладнання обробки тиском у металлургії та машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2000. - С. 88-91.

10. Гридин А.Ю., Головко А.Н. Влияние упругой деформации матрицы на пластическое течение металла при прессовании // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2001. - С. 369-371.

11. Бобух К.А., Головко А.Н. Комплексное влияние режимов прессования и последующей термообработки на механические свойства профилей из сплава Al-Mg-Si // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2001. - № 4. - С. 48-50.

12. Бобух К.А., Головко А.Н. Влияние усилия натяжения пуллера на геометрию алюминиевых труб при многониточном прессовании // Теория и практика металлургии. - 2001. - № 5. - С. 29-31.

13. Головко О.М., Гридін О.Ю. Комплексний вплив пружного формозмінення матриці консольного типу та переднього натягання на геометрію прес-виробу // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут": Машинобудування. - К.: НТУУ "КПІ", 2001. - Вип. 40. - С. 72-76.

14. Гридин А.Ю., Головко А.Н., Чернов С.А. Влияние переднего натяжения на геометрические размеры полузамкнутого прессованного профиля // Теория и практика металлургии. - 2002. - № 1. - С. 40-44.

15. Milenin A.A., Golovko A.N., Mamuziж I. The application of Three Dimensional Computer Simulation when Developing Dies for Extrusion of Aluminium Shapes // Metаlurgija. - 2002. - Vol. 41. - № 1. - Р. 53-55.

16. Данченко В.М., Головко О.М., Гридін О.Ю. Дослідження впливу конструкції плоської матриці на прямолінійність витікання металлу при пресуванні // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут": Машинобудування. - К.: НТУУ "КПІ", 2002. - Вып. 43. - С. 51-53.

17. Аналіз якості литих стовпів і пресованих профілів з алюмінієвого сплаву системи AlMgSi / Ю.В. Данченко, А.Й. Черненко, О.М. Головко, Ю.Т. Верховський, О.Ю. Гридін // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. - № 8-9. - С. 566-570.

18. Данченко В.Н., Головко А.Н., Гридин А.Ю. Математическое моделирование формоизменения при прессовании тонкостенных алюминиевых профилей // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 5. Пластична деформація металів. - Дніпропетровськ: "Системні технології", 2002. - С. 278-282.

19. Гридин А. Ю., Головко А. Н. Исследование формоизменения металла при прессовании тонкостенных алюминиевых профилей через форкамерные матрицы // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2003. - С. 370-375.

20. Данченко В.Н., Гридин А.Ю., Головко А.Н. Экспериментальное исследование течения металла при асимметричном прессовании через плоскую форкамерную матрицу // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2003. - № 4. - С. 64-66.

21. Головко А.Н., Гридин А.Ю., Данченко В.Н.. Методика проектирования плоских форкамерных матриц для прессования профилей с тонкостенными элементами из алюминиевых сплавов // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2004. - № 1. - С. 79-84.

22. Головко О.М., Гридін О.Ю., Данченко В.М. Аналіз впливу довжини калібруючого пояска на формозмінення металу при пресуванні через плоскі форкамерні матриці // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут": Машинобудування. - К.: НТУУ "КПІ", 2003. - Вип. 44. - С.54-56.

23. Головко А.Н., Эсаулов А.И., Чернов С.А. Анализ влияния формоизменения на структуру металла при прессовании алюминиевых труб через комбинированные матрицы с плоским рассекателем // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - С. 314-320.

24. Бах Ф.-В., Головко А.Н., Хассель Т. Особенности прессования труб из сплава системы Mg-Ca на вертикальном гидравлическом прессе // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005. - № 1. - С. 48-52.

25. Коюда В.А., Головко О.М, Гридін О.Ю., Шпак Ю.Ж. Дослідження формозміни матеріалу в зонах тупіків і кутів робочого каналу пресових матриць // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - C. 324-328.

26. Bach Fr.-W., Hassel T., Golovko A.N. The Influece of the Chemical Composition and Extrusion Parameters on the Mechanical Properties of Thin-Walled Tubes Made of Magnesium-Calcium Alloys // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 8. Пластична деформація металів. - Дніпропетровськ: "Системні технології", 2005. - C. 379-384.

27. Определение реологических свойств алюминиевого сплава АД31 при горячей деформации / А.Н. Головко, А.А. Миленин, А.Ю Гридин, В.А. Коюда // Металл и литье Украины. - 2005. - № 6. - C. 50-52.

28. Golovko O., Mamusiж I., Grydin O. Method for Pocket Die Design on the Basis of Numerical Investigations of Aluminium Extrusion Process // Metаlurgija. - 2006. - Vol. 45. - № 3. - Р. 155-161.

29. Влияние параметров процесса прямого прессования на температуру профилей из алюминиевого сплава АА6060 / А.Ю. Гридин, М. Новак, А.Н. Головко, А.О. Данченко // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - № 6. - С. 39-42.

30. Производство алюминиевых труб малого диаметра прессованием / А.Н. Головко, А.О. Данченко, В.Н. Василенко, С.В. Артеменко, В.П. Метелин // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2007. - С. 253-257.

31. Додатково наукові результати відображені в публикаціях:

32. Головко А.Н., Миленин А.А., Данченко Ю.В. Анализ методик проектирования плоских матриц для прессования алюминия // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2000. - № 8-9. - С. 381-385.

33. Головко О.М., Бобух К.О., Гридін О.Ю. Проблеми продуктивності та якості при виробництві алюмінієвих профілів // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2000. - № 8-9. - С. 417-420.

34. Вопросы проектирования плоских матриц для прессования алюминиевых сплавов / А.Н. Головко, А.Ю Гридин, Х. Дыя, Л.Н. Лесик // Nowe technologie i osi№gnкcia w metalurgii i inїenerii materiaіowej. Seria: Metalurgia. - Czкnstohova, 2000. - Nr. 15. - P. 16-21.

35. Danchenko V.N., Golovko A.N., Gridin A.Yu. Research of Influence of Prechamber Depth on Rectylineality of Metal Outflow at Extrusion by Mathematical Modelling // Nowe technologie i osi№gnкcia w metalurgii i inїenerii materiaіowej. Seria: Metalurgia. - Czкnstohova, 2002. - Nr. 25. - P. 118-121.

36. Grydin O.Yu., Golovko O.M., Danchenko V.M. Features of Extrusion of Thin-Walled Solid and Semihollow Shapes from Alumunium Alloys // Nowe technologie i osi№gnкcia w metalurgii i inїenerii materiaіowej. Seria: Metalurgia. - Czestohova, 2005. - Nr. 48. - P. 255-259.

37. Resorbierbare Implantante aus Magnesium durch Mikrolegieren mit Calcium, dren Verarbeitung und Eigenschaften / Fr.-W. Bach, Th. Hassel, A. Golovko, Ch. Hackenbroich, A. Meyer-Lindenberg // Biomaterialen, 6 Jahrgang, Heft 3, 2005. - S. 163.

38. Investigation of the Mechanical Properties and the Corrosion Behavior of Low-Alloyed Magnesium-Calcium Alloys for Use as Absorbable Biomaterial in the Implant Technique / Th. Hassel, Fr.-W. Bach, A. Golovko, Ch. Krause // Magnesium Technology in the Global Age. 45th Annual Conference of Metallurgists of CIM. - Montreal, Canada, 2006. - P. 359-370.

39. Hassel Th., Bach Fr.-W., Golovko A.N. Production and Properties of Small Tubes Made from MgCa0,8 for Application as Stent in Biomedical Science // Magnesium. Proceedings of the 7th International Conference on Magnesium Alloys and their Applications. - Dresden: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006. - P. 432-437.

40. Using the Hot Extrusion and Drawing Processes for Producing the Tubes of Magnesium-Calcium Alloys for Medicine / Th. Hassel, A. Golovko, Ch. Krause, Fr.-W. Bach // Proc. of International Conference "Advances in Metallurgical Processes and Materials". - Dnipropetrovsk: Porogy, 2007. - P. 260-271.

41. Manufacture of Small Diameter Magnesium Tubes with the Hot Extrusion and Drawing Processes / A. Golovko, Ch. Krause, Th. Hassel, Fr.-W. Bach // Proc. of Int. Conference "Tube Ukraine 2007 - Modern Production Trends for Tubes & Pipes - Welded, Seamless & Non-Ferrous", International Tube Association. - 2007. - P. 280-290.

42. Подольский С.Е., Данченко В.Н., Головко А.Н. Новые алюминиевые вагонные окна с терморазвязкой // Залізничний транспорт України. - 2005. - Спец. випуск 3/1. - С. 190.

43. Деклар. пат. 60591А Україна, МПК7 В21С25/02. Матриця для багатоканального пресування профілів / В.М. Данченко, О.М. Головко, О.Ю. Гридін (Україна). - №2003010187; Заявл. 08.01.2003; Опубл. 15.10.2003, Бюл. №10. - 4 с.

44. Деклар. пат. 60655А Україна, МПК7 В21С25/02. Матриця для пресування вигнутих профілів / В.М. Данченко, А.А. Міленін, О.М. Головко, О.Ю. Гридін (Україна). - №2003010643; Заявл. 24.01.2003; Опубл. 15.10.2003, Бюл. № 10. - 4 с.

45. Деклар. пат. 69610А Україна, МПК7 Е06В3/26. Комбінований теплоізолюючий профіль, що згинається / В.М. Данченко, С.Є. Подольський, М.В. Фролов, О.А. Коротков, О.М. Головко (Україна). - №2003108911; Заявл. 02.10.2003; Опубл. 15.09.2004, Бюл. №9. - 3 с.

46. Патент 80653 Україна, МПК (2006) Е06В 3/04. Спосіб виготовлення теплоізолювальної віконної рами / В.М. Данченко, С.Є. Подольський, О.М. Головко. - №200609247; Заявл. 22.08.2006; Опубл. 10.10.2007, Бюл. №16. - 11 с.

47. Левченко Л.Н., Головко О.М., Гридін О.Ю. Пресування металів і сплавів: Навч. посібник. - Дніпропетровськ: НМетАУ, 2005. - 48 с.

Размещено на Allbest.ru