книги из ГПНТБ / Прессование алюминиевых сплавов. Математическое моделирование и оптимизация

Метод основан па аналогии уравнении, описывающих распределение температур, и уравнений распределе­ ния электрического потенциала в электропроводных те­ лах.

Однако измерение потенциалов в сплошных объемных проводниках представляет не меньшую трудность, чем замер температур внутри сплошного тела. Вместо сплош­ ного электрического проводника можно использовать ряд дискретных сопротивлений, так чтобы сопротивление между двумя любыми узлами было равно сопротивлению между двумя точками на непрерывном проводнике. Ме­ тод решения задач теории поля с помощью сеток сопро­ тивлений был предложен Либманом [76]. Методика ре­ шения задачи состоит из следующих этапов: 1) из оми­ ческих сопротивлений составляется дискретный элемент исследуемого поля, причем каждое сопротивление моде­ лирует определенный параметр исходного поля; 2) ис­ точники (положительные или отрицательные) моделиру­ ются токами, подведенными к соответствующим узловым точкам сетки; 3) напряжения, измеряемые в узлах сетки, соответствуют потенциалам (температурам) идентичных точек моделируемого поля; 4) эквипотенциальные линии (изотермы) строятся путем интерполяции. Однако такой метод не может быть использован, если среда начинает перемещаться. При этом распространение тепла обуслов­ ливается не только градиентом температур, но и скоро­ стью перемещения частиц среды. Решение таких задач было получено А. В. Темниковым [77]. Предложенный им метод относится к итерационным (квазианалоговым).

Исследование описанных модификаций метода ЭТА позволило найти распределение температурных полей в слитке, изделии и в инструменте [76], что дало возмож­ ность в свою очередь определить оптимальные условия процесса и предложить варианты регулирования темпе­ ратурного поля градиентным нагревом слитков и други­ ми методами.

Для исследования градиентного нагрева слитков бы­ ла изготовлена специальная индукционная установка для пресса усилием 20 МН (2000 тс) с внутренним диа­ метром 185 мм и длиной индуктора 500 мм. Установка позволяла совместно с обычной печью сопротивления производить градиентный нагрев слитков.

Исследованию подвергали прутки диаметром 20; 24;

252

35 и 30 мм из сплавов Д 1, Д16; диаметр контейнера со­ ставлял 170 мм.

Температура контейнера была постоянной и колеба­ лась в пределах от 370 до 380° С. Температура наиболее нагретого конца слитка при градиентном нагреве состав­ ляла 390—400; 420—430; 440—460° С. При этих условиях на длине слитков 450 и 550 мм был достигнут градиент

Рис. 65. Влияние градиентного нагрева на температуру металла и ско­ рость истечения (сплав Д 1):

I — область образования трещин; / / — область получения качественных изделий; перепад температуры по длине заготовки, град:

/ — Au=2Q0; 2-—Д« = 150; Аи=120; 4 — Аи~0

температур: 1) 90—100°С; 2) 120—130° С; 3) 150— 160° С; 4) 180—200° С.

Прессование вели с постоянным увеличением скоро­ сти истечения до появления трещин. Температуру в очке матрицы измеряли при прессовании прутков диаметром 24 мм сплава Д1. Одновременно изучали свойства и структуру прутков.

По уровню механических свойств все прутки удовлет­ воряли требованиям ГОСТа. Существенной разницы в механических свойствах между прутками, отпрессован­ ными с градиентным нагревом и без него, не наблюдалось. Макроструктура изделий, отпрессованных с градиентным нагревом, практически не отличалась от обычной при ис­ пользовании равномерного нагрева. Влияние градиент-

253

нош нагрева на температуру металла в очаге деформа­ ции показано на рис. 65.

Опытная установка послужила прототипом промыш­ ленной установки градиентного нагрева слитков на прес­ се усилием 20МН (2000 тс), которая в настоящее время находится в стадии изготовления.

Влияние градиентного нагрева на распределение тем­ ператур изучали электромоделированием нестационар­ ных температурных полей для случая прессования прут­ ков диаметром 24 мм из сплава Д16 при следующих зна­

чениях температурного перепада по длине слитка: 300— 400 и 340—440° С при скоростях истечения аист= 2,7 и 5,4 м/мин. Согласно полученным данным, наиболее пред­ почтительным является градиентный нагрев до 300— 400° С, так как он позволяет повысить скорость прессо­ вания в два раза. Температурное поле, полученное элект­ ромоделированием при градиенте 100 град, показано на рис. 66.

254

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ИНСТРУМЕНТА С ОТВОДОМ ТЕПЛА ИЗ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ

Водоохлаждаемые матрицы не нашли широкого при­ менения в промышленности, так как их конструкция зна­ чительно сложнее обычных, а уменьшение теплового эф­ фекта незначительно. В связи с этим было разработано

Рис. 67. Водоохлаждаемый контейнер, охлаждение втулки:

а — с внешней стороны; б — с внутренней стороны

несколько вариантов конструкций охлаждаемого инстру­ мента — контейнера и матрицедержателя. Работоспо­ собными в промышленных условиях оказались наладки, показанные на рис. 67. Обе наладки позволяют охлаж­ дать часть втулки контейнера, прилегающую к матрице, т. е. зону максимального повышения температуры метал­ ла в процессе прессования.

Прессование с втулкой по варианту, показанному на рис. 67,ö, изучали на прессе усилием 12 МН (1200 тс). Использование водоохлаждаемой втулки позволило прес­

255

совать любые изделия, так как отпала необходимость в каких-либо изменениях мундштука и матричного узла. Для подвода и отвода охлаждающей воды служили .гиб­ кие шланги минимальной длины, закрепленные на прессе

втечение всего срока работы втулки.

Впроцессе прессования алюминиевых сплавов необ­ ходимо было обеспечить прочность контейнера при

обычного прессования — без охлаждения и для режима охлаждения, когда резкое понижение температуры ох­ лаждаемой зоны вызывало не только значительные тем­ пературные напряжения, но и изменений величины натя­ гов сопрягаемых деталей контейнера.

Зона охлаждения была расположена на переднем конце втулки и имела длину 70 мм. Каналы охлаждения представляли собой прямоугольные кольцевые выточки, которые выполнены на проточке втулки и прикрыты сверху кольцом. В кольце имеются отверстия для подво­ да и отвода воды, поступающей по трубам из водопро­ водной сети. Так как это кольцо ослаблено отверстиями, на него сверху надели бандажное кольцо. Таким обра­ зом, в зоне охлаждения контейнер состоял из четырех слоев.

Уплотнение между кольцами производили при их сборке путем чеканки стыков отожженной медной поло­ сой, так как практика показала, что горячие посадки не обеспечивают герметизации каналов охлаждения при давлении более 50 кН/м2 (0,5 атм).

По слоям контейнера выбиралась минимальная вели­ чина натягов, обеспечивающая его прочность при макси­ мальном перепаде температур.

Водоохлаждаемая втулка контейнера выдержала бо­ лее 1000 циклов прессования при различных режимах охлаждения. Такой вариант охлаждения наиболее при­ емлем в промышленных условиях, так как он не связан с частой сменой инструмента при прессовании.

Охлаждение втулки контейнера и матрицы по вари­ анту, показанному на рис. 67, б, еще более упрощает кон­ струкцию инструмента.

Для охлаждения следует применять умягченную во­ ду, чтобы каналы не засорялись солями.

Режимы прессования с охлаждением втулки контей­ нера определяли на прутках и профилях из сплавов Д16

256

и АМгб (>.= 25 и 35) обычного серийного химического состава, гомогенизированных по принятому производст­ венному режиму.

Охлаждающая система контейнера была оборудова­ на манометром, показывающим давление на входе воды, расходомером типа РВ-30 и термопарой, фиксирующей температуру выходящей воды.

Контрольные термопары встраивали в охлаждаемую часть втулки и в рабочий поясок матрицы. Матрицы для прессования профилей имели также термопару, встроен­ ную в торец. Показания всех термопар, а также давле­ ние в главном цилиндре пресса записывали на ленте прибора ЭПП-09М.

Контейнер был установлен на автоматизированном прессе усилием 12 МН (1200 тс) с автоматическим регу­ лятором скорости прессования.

Результаты экспериментов по определению макси­ мально возможных постоянных скоростей прессования при различных режимах охлаждения приведены в табл. 38. Режимы охлаждения изменяли регулированием давления подаваемой воды от 0 до 400—500 кН/м2 (4— 5 атм). Как следует из данных табл. 38, охлаждение пе­ редней части втулки позволяет в 1,5—2,0 раза увеличить скорость прессования изделий при ?і= 25-Р35.

Прессование при всех режимах охлаждения удава­ лось осуществить только при периодическом включении воды, т. е. включении охлаждения через 5—10 с после начала прессования и выключении его за 10—15 с до окончания процесса. В противном случае температура втулки настолько понижалась, что прессование последу­ ющей заготовки становилось невозможным.

Было установлено, что при данной конструкции водо­ охлаждаемой втулки, коэффициентах вытяжки 25—35 и давлении воды 35 кН/м2 (0,35 атм) возможно примене­ ние стационарного режима охлаждения, позволяющего вести прессование в данном темпе, не выключая охлаж­ дение.

При периодическом режиме охлаждения с увеличени­ ем длины прессуемой заготовки охлаждение становится более эффективным и скорость прессования можно зна­ чительно увеличить (в проведенных экспериментах на 20—35%). При стационарном режиме охлаждения влия­ ние длины заготовки практически незаметно.

Изделия, отпрессованные при различных режимах

258

охлаждения, по структуре и свойствам совершенно ана­ логичны изделиям, прессуемым без охлаждения.

Исследование показало, что для создания полностью изотермического прессования, т. е. прессования с посто­ янной температурой металла в очаге деформации, необ­ ходим переменный график скорости прессования (боль­ шая скорость прессования в начале процесса).

Рис. 68, Изменение температуры ме­ талла в канале матрицы при прес­ совании прутков сплава Д16 из водоохлаждаемого контейнера:

і —'О ист=2 м/мин без охлаждения контейнера; 2 — уист= 2,8 м/мин без охлаждения контейнера; 3 — оист=

=2 м/мин с охлаждением контейне­ ра; 4 — ^ист“ 2’8 м/мин с охлажде­

На рис. 68 показано изменение температуры металла при различных скоростях прессования. Температура за­ готовки составляла 420° С, температура контейнера 400°С, давление воды 200 кН/м2 (2 атм), расход воды 12,6 л/мин.

Наиболее полно условиям изотермического прессова­ ния должен соответствовать процесс прессования с пе­ ременной скоростью.

Максимально возможная скорость прессования через водоохлаждаемую втулку определяется только режимом охлаждения и не изменяется при увеличении интенсивно­ сти охлаждения. Это может быть объяснено следую­ щим. Превращение работы деформации в тепло происхо­ дит неравномерно по объему очага деформации. Основное количество тепла выделяется в центре очага дефор­ мации. С повышением скорости прессования неравномер­ ность распределения температуры по объему очага де­ формации все более увеличивается, а время прессования сокращается.

Процесс теплопередачи зависит не только от перепа­ да температур, но и от теплопроводности прессуемого

металла. Как бы ни была она велика для алюминиевых сплавов, очевидно, существует такая скорость прессова­ ния, при которой тепло, выделяющееся в центре, не ус­ певает распространиться по всему объему и температу­ ра в центре очага деформации быстро повышается и до­ стигает критической.

Однако температура водоохлаждаемой втулки не может быть очень низкой. Так, во время экспериментов при температуре втулки ниже 100—120° С неизбежно происходила «посадка» заготовки. Очевидно, при такой температуре втулки передний конец заготовки успевал охладиться в период распрессовки и начала процесса прессования.

Таким образом, ограничения в отводе тепла из очага деформации, вызываемые недостаточной теплопроводно­ стью прессуемого металла и минимально возможной тем­ пературой втулки, обусловливают определенную крити­ ческую скорость истечения, при превышении которой на прессуемом изделии появляются термические трещины. Данная критическая скорость в какой-то степени зави­ сит от конструкции водоохлаждаемой втулки и ее пара­ метров: протяженности зоны охлаждения, удаления ее от внутренней поверхности втулки и др. Исследование этих параметров представляет определенный интерес и дает возможность найти такое конструктивное решение водоохлаждаемой втулки, при котором можно было бы увеличить скорость прессования труднодеформируемых алюминиевых сплавов.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ВНЕДРЕНИЯ ПРОЦЕССА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО (ТЕПЛОГО) ПРЕССОВАНИЯ

Инструмент для низкотемпературного прессования

Снижение температуры контейнера и слитка перед прессованием позволяет значительно уменьшить тепло­ вой эффект деформации и резко увеличить скорость ис­ течения металла. Однако низкотемпературное прессова­ ние в промышленности практически не применялось, так как снижение температуры слитка и контейнера ведет к

260

80 кгс/мм2), и инструмент, изготовленный из сталей ма­ рок 5ХНВ, 5ХН1М, выдерживает такие нагрузки. Сталь ЗХ2В8 может выдерживать давления до 1200 МН/м2 (120 кгс/мм2) при температурах прессования, однако она выпускается в ограниченном количестве.

В связи с этим на практике в течение длительного времени при прессовании алюминиевых сплавов приме­ няются температуры нагрева слитков в пределах от 400

до 500° С и контейнера — от 350 до 450° С.

Сталь, из которой изготавливают инструмент для прессования алюминиевых сплавов, при пониженных температурах должна обеспечивать следующий уровень механических свойств: 0о,2=15ОО МН/м2 (150 кгс/мм2), сгв =1800 МН/м2 (180 кгс/мм2), 6 = 8%, ан= 200 кДж/м2 (2 кгс-м/см2). Кроме того, такая сталь должна обладать высокой прокаливаемостью и стойкостью против износа истиранием при рабочих температурах.

Была проведена специальная работа по изысканию высокопрочной инструментальной стали. Для определе­ ния оптимального химического состава в индукционной печи емкостью 60 кг выплавляли сталь со следующими интервалами варьирования элементов, %:

Сопоставление механических свойств сталей различ­ ных композиций, определенных на стационарных разры­ вах и ударных образцах при температурах испытания 20; 200; 300; 400; 500 и 550° С, позволило выбрать за ос­ нову для дальнейших исследований сталь 40ХСН2МВФ следующего состава, %:

Эта сталь обладает высокой твердостью после закал­ ки при температуре 900—1000° С, когда происходит ин­ тенсивное растворение карбидов цементитного типа, со­ держащих хром и марганец. После отпуска при 300 400° С сталь 40ХСН2МВФ имеет высокий уровень проч­

261