книги из ГПНТБ / Прессование алюминиевых сплавов. Математическое моделирование и оптимизация
.pdfПРЕССОВАНИЕ
АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ
ПРЕССОВАНИЕ
АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ
(МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ)
Под научной редакцией П. И. П о л у х и н а
М О С К В А «МЕТАЛЛУРГИЯ»
1974
УДК 621.77
Г. Я. ГУН, В. И. ЯКОВЛЕВ, Б. А. ПРУДКОВСКИЯ,
А.М. ГАЛКИН, А. Ф. РЫЖОВ, М. Ф. ГОЛОВИНОВ,
А.И. БРУНИЛИН
УДК |
621.77 |
|
Прессование алюминиевых сплавов (Математическое моделирование
и оптимизация). |
Г у н Г. Я., Я к о в л е в В. И., П р у д к о в с к и й |
|
Б. А., Г а л к и н |
А. М., Р ы ж о в |
А. Ф., Г о л о в и н о в М. Ф., Б р у |
ин л и II А. И. М., «Металлургия», |
1974, с. 336. |
|
Рассмотрены новые технологические схемы и режимы прессова ния профилей из алюминиевых сплавов, позволяющие получать из делия сложной формы для авиации, строительства, транспорта, коммунального хозяйства и других областей промышленности.
Приводятся результаты исследования механических свойств и температурно-скоростных условий прессования ряда деформируе мых алюминиевых сплавов. На основании разработанной математиче ской модели процесса прессования создана научно обоснованная ме тодика конструирования прессового инструмента.
Предназначена для научных сотрудников и инженеров, работаю щих в прессовых цехах, проектных и научно-исследовательских инсти тутах. Может быть полезна студентам и аспирантам металлургичес ких и машиностроительных вузов. Ил. 97. Список лит.: 81 назв.
(6)Издательство «Металлургия», 1974
3123—020 П 040(01) -74 97—74
ПРЕДИСЛОВИЕ
Алюминиевые сплавы находят все более широкое применение в различных областях народного хозяйст в а — авиации, транспорте, строительстве. Основным способом производства профилей из этих сплавов явля ется прессование.
Несмотря на то, что номенклатура уже освоенных профилей насчитывает несколько тысяч наименований, широким фронтом ведутся исследования по разработке новых, более эффективных технологических процессов прессования. В связи с этим возрастает роль теоретиче ских методов, позволяющих рассчитать оптимальные ус ловия процесса.
В течение последних лет в Московском институте ста ли и сплавов ведутся работы по созданию комплексной математической модели процессов прессования.
Разрабатываемая модель включает плоскую задачу теории прессования для материала, обладающего дефор мационным и скоростным упрочнением. Построение пло ской модели производится на основе уточнения так на зываемого опорного (потенциального) решения задачи прессования, которое было получено ранее.
Уточнение опорного решения предусматривает сня тие ограничения об отсутствии вихрей, которое было на ложено на кинематически возможное потенциальное по ле скоростей. Реализация модели в виде системы про грамм производится на ЭВМ «Минск-32».
С помощью плоской модели удается выяснить основ ные закономерности процесса прессования материалов, обладающих достаточно сложными реологическими свой ствами. Плоская модель также позволяет перейти к рас смотрению осесимметричной задачи.
3
Реологические свойства большинства деформируе мых алюминиевых сплавов были изучены с применением пластометра конструкции УЗТМИсследование свойств производилось в широком диапазоне изменения темпе ратурно-скоростных параметров. С помощью методов математической статистики произведена оценка точности и достоверности полученных результатов.
Теоретический анализ позволил найти оптимальные параметры процесса обратного прессования, который ус пешно внедряется на ряде заводов и дает возможность значительно улучшить свойства прутков и увеличить про изводительность процесса. Кроме того, исследование температурных условий прессования позволило разра ботать и внедрить в промышленность процессы прессо вания с водоохлаждаемой втулкой контейнера и гради ентным нагревом.
Как отмечалось, до сих пор конструирование прессо вых матриц на заводах производится на основании ин туиции и опыта конструкторов [7; 8].
Анализ скоростных условий процесса многоканаль ного прессования позволил разработать инженерную ме тодику конструирования прессовых матриц, которая бы ла реализована на ЭВМ «Минск-32». Предлагаемая ме тодика основана на теоретическом анализе процесса объемного прессования, расчетные формулы содержат ряд коэффициентов, полученных после обработки экспе риментальных данных по прессованию алюминиевых сплавов в производственных условиях с применением специальной матрицы с перемычками. Использование этих коэффициентов позволяет более точно учесть ре альные условия процесса.
Разработанная методика может быть использована для проектирования матриц и при прессовании других сплавов.
Тесное сотрудничество при проведении комплекса ис следований по теории и технологии прессования алюми ниевых сплавов между работниками Московского инсти тута стали и сплавов и металлургических заводов, позво лило провести эксперименты в промышленных условиях, обоснованно предложить новые технологические схемы, найти оптимальные параметры процессов, повысить про изводительность прессов и качество продукции,
4
Г л а в а I
ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ И ТИПОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРЕССОВАНИЯ
1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ
Алюминиевые деформируемые сплавы условно можно разделить на следующие группы [1, 2]:
1. Сплавы на основе системы алюминий — марга нец (АМц).
2.Сплавы на основе системы алюминий — магний — кремний (АД31, АДЗЗ, АД35, AB).
3.Сплавы на основе системы алюминий — медь — магний (Д1, Д16, В65, ВД17, Д18, Д19).
4.Сплавы на основе системы алюминий — магний — марганец (АМгІ, АМг2, АМгЗ, АМг5, АМгб).
5.Сплавы на основе системы алюминий — магний — -
цинк — медь (В93, В94, В95, В96).
6. Сплавы на основе системы алюминий — медь — маг ний— никель — железо (АК2, АК4, АК4-1).
7. Сплавы на основе системы алюминий — кремний — магний — медь (АК6, АК8).
Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов подверга ют закалке, старению и отжигу. Условия термической обработки определяются природой сплава. Сплавы си стем алюминий — марганец и алюминий — магний — мар ганец представляют собой группу термически неупрочняемых сплавов, остальные сплавы упрочняются в про цессе термической обработки.
Промышленные алюминиевые сплавы [1—3] широ ко используют в различных областях народного хозяй ства, как правило, в качестве конструкционного мате риала.
В промышленности различают термически неупроч няемые сплавы «мягкие» (АД, АДО, АД1, АМц, АМг, АМг2) и «твердые» (АМгЗ, АМг5, АМгб). '
Термически упрочняемые сплавы делят на «авиали» (AB, АД31, АДЗЗ), «дуралюмин» (Д1, Д16, АК6, АК8),
5
сплавы высокой прочности (В96, В95) и специальные сплавы для работы при повышенных температурах — жаропрочные (АК4, АК4-1, ВД17).
Чистый алюминий обладает низкой прочностью, вы сокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемо стью, высокой электропроводностью. Изделия из алюми ния широко применяют в электротехнической промыш ленности.
Сплавы АМц и АМг2 имеют более высокие по срав нению с алюминием прочностные свойства, высокую кор розионную стойкость и хорошую свариваемость. Их ис пользуют в узлах и деталях, не подвергающихся дейст вию высоких нагрузок.
Прессованные изделия из сплавов АМгЗ, АМг5, АМгб и 1561 имеют среднюю для алюминиевых сплавов прочность, обладают хорошей коррозионной стойкостью, хорошо свариваются. Эти сплавы применяют в лета тельных аппаратах и судостроении. При обработке дав лением сплавы АМг5, АМгб и 1561 обладают понижен ной технологичностью. При изготовлении прессованных полуфабрикатов из этих сплавов допуски на элементы профилей расширены в 1,5—2 раза по сравнению с до пусками для полуфабрикатов из остальных сплавов.
Авиали обладают высокой пластичностью, хорошо подвергаются обработке давлением, имеют хорошую кор розионную стойкость, удовлетворительно свариваются аргоно-дуговой, роликовой и точечной сваркой. Прессо ванные изделия из сплавов группы авиалей применяют
вавиастроении, в строительных конструкциях.
Вискусственно состаренном состоянии предел проч ности сварного шва этих сплавов составляет 60—70% от прочности основного материала. Дальнейшая закалка и старение сварных соединений позволяют восстановить прочность сварного шва до 90—95% прочности основно го материала. При сварке наблюдается повышенная склонность к образованию кристаллизационных трещин.
Изделия из этих сплавов хорошо полируются, имеют декоративный вид. Их можно использовать как в есте ственно, так и в искусственно состаренном состоянии.
Для получения мелкозернистой структуры сплавы " ( 4 8 0 ^ 5 0 0 ° пРессуют при высоких температурах
Сплавы Д 1, Д16, АК6, АК8 наиболее широко распро странены в машиностроении, Сплавы АК6 и АК8 в ос-
6
ііовном подвергают ковке и штамповке. Прессизделия из этих сплавов обладают довольно высокими механиче скими свойствами. Изделия из сплавов АК6 и АК8 при меняют в искусственно состаренном состоянии, а из сплавов Д1 и Д16 — в основном в естественно состарен ном состоянии. Для конструкций, работающих при тем пературах выше 150 С, необходимо применять прессизделия после искусственного старения. Изделия из сплавов Д1 и Д 16 достаточно хорошо свариваются то чечной сваркой. При газовой и аргоно-дуговой сварке эти сплавы склонны к образованию кристаллизацион ных трещин. Пластичность сварных швов понижена Со противление коррозии прессованных полуфабрикатов невысоко. Нагрев изделий выше 150° С вызывает склон ность к межкристаллитной коррозии. Полуфабрикаты из сплавов АК6 и АК8 обладают склонностью к коррозион ному растрескиванию под напряжением.
Сплав В93 предназначен для производства поковок и штамповок.
Прессованные изделия из этого сплава идут в основ ном на изготовление прутков для дальнейшей штампов ки или ковки. Полуфабрикаты из сплава В93 хорошо прокаливаются, по сравнению со сплавом В95 свойства их несколько ниже в продольном и выше в поперечном направлении. Сплав более технологичен при литье, чем сплав В95, что позволяет получать крупные слитки диа метром до 1100 мм и соответственно крупногабаритные
пок° ™ штамповки. Прессованные изделия из спла ва В93 обладают повышенной склонностью к образова нию крупнокристаллической структуры.
Сплав В95 применяют для изготовления прессован ных изделий, работающих при больших нагрузках (законцовочные профили, лонжероны и т. п.); из него изго тавливают также прутки для последующей штамповки. Полуфабрикаты из сплава В95 применяют в искусствен но состаренном состоянии. В естественно состаренном состоянии коррозионная стойкость этого сплава неудов летворительна. Готовые изделия имеют повышенную чувствительность к надрезу, поэтому их тщательно об рабатывают. Детали из сплава В95 хорошо свариваются точечной сваркой и очень плохо газовой.
Сплав В96 является самым высокопрочным из всех алюминиевых сплавов. По сравнению со сплавом В95 он обладает пониженной технологичностью. Прессован-
7
ііые полуфабрикаты из этого сплава обладают понижен ной коррозионной стойкостью, имеют небольшое относи тельное удлинение, плохо противостоят ударным нагруз кам, имеют высокую чувствительность к концентрациям напряжений.
Из жаропрочных сплавов АК4, АК4-1, ВД17, Д20 и Д21 в основном изготовляют прутки и полосы для по следующей штамповки. Изделия из этих сплавов исполь зуют при температурах 200—250° С.
Сплав АК4 обладает склонностью к коррозионно му растрескиванию под нагрузкой, удовлетворительно сваривается. Сплав АК.4-1 аналогичен сплаву АК.4, но имеет несколько более высокие механические свойства. По физическим свойствам от сплава АК4 практически не отличается сплав ВД17, однако при повышенных темпе ратурах его механические свойства выше, а чувстви тельность к надрезу ниже.
Испытания при повышенных температурах полуфаб рикатов из сплавов АК4-1, Д20, Д21, показали, что при выдержке 30 мин и более высокую прочность в интерва ле температур от 125 до 300° С имеет сплав Д21г свыше 300° С — сплав АК4-1. При выдержке 100 ч сплав Д21 имеет преимущество при температурах 125—250° С, вы ше 250° С — сплав Д20. Сплав АК4-1 при всех исследо ванных температурах имеет пониженную прочность по сравнению со сплавом Д21.
В последнее время для прессования профилей и труб начали применять сплавы 1915 и 1925, относящиеся к си стеме А1 — Zn — Mg. Профили, прутки и трубы из этих сплавов можно прессовать с высокими скоростями исте чения: в три-пять раз быстрее, чем такие же изделия из сплава АМгб, и в два-три раза быстрее, чем изделия из сплавов Д1 и Д16.
Изделия из сплава 1915 применяют вместо изделий из АМгб, идущих на различные конструкции, в том чис ле и сварные. Профили из сплава 1925 используют, как правило, в строительных конструкциях и машинострое нии. Сплавы 1915 и 1925 — самозакаливающиеся после прессования и имеют широкий интервал температуры за калки.
2. ТИПОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРЕССОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Номенклатура прессованных профилей
Широкое распространение прессования обусловлено рядом преимуществ этого процесса по сравнению с дру гими способами производства изделий из алюминиевых сплавов [4, 5].
Внастоящее время номенклатура выпускаемых про мышленностью профилей из алюминиевых сплавов до стигает нескольких тысяч наименований (рис. 1). Изде лия, получаемые прессованием, можно “разделить на две основные группы [4]: профили и прутки.
Площадь поперечных сечений профилей колеблется от 0,4 до 1500 см2, а габаритные размеры сечений впи сываются в окружности диаметрами от 10 до 1000 мм. Профили в свою очередь можно разделить на две боль шие группы: сплошные и полые. Поперечное сечение профилей может быть неодинаковым по длине (профили периодического сечения и профили с законцовками).
Взависимости от назначения к прессизделиям предъ являются различные требования. У профилей, работаю щих под действием больших нагрузок, проверяют меха нические свойства как в долевом, так и в поперечном направлениях. Структура таких профилей должна быть однородной, без рыхлостей и расслоений. Наличие ин терметаллических включений и крупнокристаллического ободка в этих изделиях недопустимо.
Втабл. 1 приведены механические свойства прессо ванных профилей, а в табл. 2 — допуски на размеры. До пуски зависят от номинальных размеров профиля и раз
мера описанной вокруг него окружности.
Жесткие требования предъявляются к изменениям размеров профилей по длине. Так, скручивание не долж но быть больше 2 град на 1 м, долевой прогиб — не более 2 мм на 1 м, а искажение угла допустимо в пределах 2 град. Для профилей ответственного назначения допу ски могут быть ужесточены.
Прутки, применяемые почти во всех отраслях народ ного хозяйства, выпускаются как готовая продукция с точностью геометрической формы до 9-го класса и как полуфабрикаты для дальнейшей обработки. Прутки, ко-
9