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

ностных свойств, поэтому из нее можно изготавливать инструмент для прессования алюминиевых сплавов при температуре до 350° С и давлениях до 1400 МН/м2 (140 кгс/мм2). Для температур отпуска 500—600°С проч­ ность стали 40ХСН2МВФ снижается незначительно, и эта сталь может быть использована при рабочих темпе­ ратурах прессования 420—500° С и давлениях до 1100 МН/м2 (110 кгс/мм2).

Эта сталь в настоящее время выпускается в промыш­ ленном масштабе, размер поковок не ограничивается, следовательно, инструмент из нее можно делать для прессов любой мощности. Сейчас разработан инструмент (прессштемпели, втулки контейнеров, прессшайбы и мат­

метром 115 и 140 мм соответственно. В табл. 39 приведе­ ны условия опытов и величины скоростей истечения, при которых поверхность изделий удовлетворяла необходи­ мым требованиям.

В результате экспериментов установлено, что скоро­ сти истечения при снижении температуры слитка и кон­ тейнера до 280—300° С резко возрастают и превышают обычные в два-четыре раза (обычная скорость истечения для этих изделий не более 2 м/мин). Наибольшие скоро­ сти истечения соответствуют большей вытяжке.

При низкотемпературном прессовании твердых спла­

(1200 тс) и давлении 1220 МН/мм2 (122 кгс/мм2) темпе­ ратуры 280—320° С являются предельными.

Механические свойства профилей из сплава Д16, от­ прессованных при пониженных температурах, приведены в табл. 40.

Макроструктуру профилей исследовали с выходного и утяжного концов. Скорость истечения при одинаковой исходной температуре слитка практически не сказывает­ ся на структуре выходных концов. На структуру профи­ лей с утяжного донца повышение скорости истечения

262

оказывает влияние в том же направлении, что и повы­ шение исходной температуры слитка вследствие значи­ тельного теплового эффекта прессования.

С увеличением скорости истечения при прессовании сплавов Д1 и Д16 утяжные концы сохраняют частично нерекристаллизованную структуру при полностью рекристаллизованном выходном конце. Соответственно этому изменяются и механические свойства. Свойства утяжныхконцов, как правило, выше свойств выходных.

Полосы из сплава AB имеют рекристаллизованную структуру с обоих концов (скорость истечения была не очень высокой и тепловой эффект оказался недостаточ­ ным для получения нерекристаллизованной структуры).

263

264

Изделия из сплава В95 труднее поддаются процессу рекристаллизации — даже при низких температурах вы­ ходной конец имеет в основном текстуру деформации.

После получения предварительных положительных результатов низкотемпературное прессование было внед­ рено серийно в промышленном масштабе. Анализ меха­ нических свойств и структуры изделий серийных партий (табл. 41) дал аналогичные с опытными результаты.

Т а б л и ц а 41

Механические свойства и структура профилей из сплава Д16 при низкотемпературном прессовании на прессе усилием 20 МН (2000 тс)

ВМесто вырезки

При низкотемпературном промышленном прессова­ нии производительность увеличивается в 1,5—2 раза, ме­ ханические свойства удовлетворяют требованиям техни­ ческих условий. При низкотемпературном прессовании возможно получать полуфабрикаты с полностью рекри­ сталлизованной структурой и равномерными по длине механическими свойствами. Для этого необходимо прес­

265

совать изделия не на повышенных скоростях, а обычных, применяемых при горячем прессовании, во избежание значительного теплового эффекта и изменения структу­ ры металла.

Низкотемпературное прессование с обратным истечением

Как уже отмечалось, в случае прессования с обрат­ ным истечением усилие значительно снижается, так как отсутствуют непроизводительные затраты энергии, свя­ занные с перемещением заготовки в контейнере. При оп­ ределенных условиях разница в усилии прессования для процессов с прямым и обратным истечением может до­ стигать 40%. Таким образом, использование обратного прессования позволяет повысить к. п.д. гидропрессовых установок, осуществлять процесс с более низкой началь­ ной температурой заготовки и, следовательно, повысить скорость прессования.

Проведенными экспериментами было установлено, что первоначальная температура заготовки перед прес­ сованием при переходе на обратное прессование может быть снижена на 100—120 град.

Однако, прежде чем рекомендовать обратное прессо­ вание со значительно более низкими температурами заго­ товки, чем при прямом прессовании, нужно убедиться в том, что качество прессованных изделий при этом будет высоким, так как многочисленными исследованиями до­ казано, что структура, механические и физические свой­ ства последних зависят от температуры деформирования [5, 6]. Данные некоторых работ по изучению особенно­ стей структуры и механических свойств прутков, прессу­ емых при низких температурах, были получены при пря­ мом прессовании со смазкой контейнера, причем прес­ совались прутки небольших диаметров (до 30 мм). По­ этому для установления возможности широкого промыш­ ленного использования «теплого» прессования с обрат­ ным истечением необходимо было провести специальное исследование, которое позволило бы установить зависи­ мость структуры и свойств изделий из алюминиевых сплавов от температурных режимов прессования, опреде­ лить оптимальные температурные интервалы прессова­ ния и допустимые скорости истечения, а также сорта­ мент изделий, для которых возможно использование та­ ких режимов прессования.

266

В первую очередь были испытаны изделия из сплава AB. Этот сплав обладает повышенной чувствительностью к температурным режимам обработки и из него трудно получить профили с устойчивыми механическими свойст­ вами.

Прутки диаметром 30, 40 и 90 мм были отпрессованы из негомогенизированных слитков с коэффициентами вы­ тяжки 15,7; 8,8 и 16,9 при температурах слитка от 310 до 530° С и температуре контейнера 380° С.

В прутках, отпрессованных при 310° С, трансрекри­ сталлизация заканчивается полностью в первые минуты нагрева под закалку. В этом случае структура по всему сечению темплета равномерная, мелкозернистая, без крупнокристаллического ободка. Это объясняется тем, что начальная стадия рекристаллизации прошла в про­ цессе прессования с образованием большого числа цент­ ров рекристаллизации. Следует отметить, что даже пос­ ле 5 ч нагрева под закалку при 530° С собирательной ре­ кристаллизации не происходит и величина зерна остает­ ся такой же, как и после 30-мин выдержки.

Высокой термической устойчивостью обладают также прутки, отпрессованные при 530° С. Крупнокристалличе­ ский ободок в этих прутках отсутствует, и следов ре­ кристаллизации по сечению темплета не наблюдается.

Использование низкотемпературного прессования с обратным истечением (при температуре слитка 280— 320° С) позволяет получать изделия из сплава AB с ме­ ханическими свойствами, удовлетворяющими требовани­ ям технических условий. Структура изделий получается мелкозернистая, рекристаллизованная с величиной зер­ на в поперечном сечении 400—700 мкм.

Для более детального сопоставления различных меха­ нических свойств были проведены сравнительные испы­ тания образцов, вырезанных из прутков диаметром 100 мм одной плавки сплава AB в рекристаллизованном (температура прессования 300° С) и нерекристаллизованном (температура прессования 510° С) состояниях.

Механические свойства определяли при статическом растяжении образцов, вырезанных в долевом и попереч­ ном направлениях. Результаты испытаний, обработанные с использованием методов математической статистики, представлены в табл. 42.

Подобные исследования были проведены и на других алюминиевых сплавах. Они показали, что для болыпин-

267

зованное

ства из них использование теплого прессования позволя­ ет так же, как и для сплава AB, получать прутки с мелкозернистой рекристаллизованной структурой, равно­ мерной по всему сечению без крупнокристаллического

ободка.

При использовании заготовок без гомогенизирующего отжига такой режим прессования позволяет получать прутки из сплавов Д 1, АК6 и АК4 с более мелким зер­ ном. Рекристаллизация в данном случае обычным мак­ роконтролем не обнаруживается. Наличие ее можно оп­ ределить только рентгеноструктурным анализом. Меха­ нические свойства прутков, имеющих такую структуру, выше, чем прутков с большей величиной зерна, которая получается при теплом прессовании гомогенизированных заготовок. Практически они имеют тот же уровень, что и прутки с текстурованной структурой, прессуемые при обычных температурных режимах.

Для высокопрочного сплава В95 температура в иссле­ дованных пределах не оказала влияния на качество структуры. Снижение температуры слитка до 300° С не привело, как у других сплавов, к процессу рекристалли­ зации. Механические свойства данного сплава не зави­ сят от температуры прессования и времени выдержки при нагреве под закалку, что указывает на высокую ус­ тойчивость полученной структуры против процессов ре­ кристаллизации.

Прутки большинства сплавов имеют достаточно высо­ кие механические свойства в долевом направлении, удов­

268

летворяющие всем действующим стандартам. Кроме то­ го, прутки имеют равномерные свойства по сечению и длине, а также высокую изотропность свойств в долевом и поперечном направлениях. Их структура отличается однородностью по всему сечению, крупнокристалличес­ кий ободок в них полностью отсутствует.

Г л а в а УІІ

ОПТИМАЛЬНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРЕССОВЫХ МАТРИЦ

1.СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПОДХОДЫ

ККОНСТРУИРОВАНИЮ МАТРИЦ

Методы конструирования прессовых матриц и их недостатки

Большую часть профилей, получаемых прессованием из алюминиевых сплавов, составляют сплошные профи­ ли, имеющие форму поперечного сечения, отличную от круга. Эти профили прессуют на установках с усилием от 6 до 200 МН (600—20000 тс) прямым методом без смазки в плоскую матрицу. В последнее время для полу­ чения ряда изделий в промышленности используют об­ ратный метод (см. главу V), а также прессование со смазкой [78, 79].

Некруглые сплошные профили имеют весьма разно­ образные формы поперечного сечения, число которых превышает несколько десятков тысяч. Такие профили прессуют из круглого или плоского слитков, что объяс­ няется в основном стремлением к унификации контейне­ ров и трудностями при отливке заготовок различной кон­ фигурации.

Нарушение геометрического подобия между сечением заготовки (как правило, круг, прямоугольник) и сечени­ ем прессуемого профиля приводит к тому, что при прес­ совании происходит неравномерное истечение различных частей некруглого профиля. При этом более массивные части имеют большую скорость истечения. В результате неравномерности скоростей истечения отдельных частей профиля возникают различного рода дефекты: геометри­ ческие размеры более тонких частей не соблюдаются,

269

появляются расслоения по поверхности соединения от­ дельных частей, гофры, а также большие остаточные на­ пряжения, которые ухудшают механические свойства прессуемых изделий, а иногда приводят к короблению или разрушению профиля.

При прессовании в несколько каналов они должны быть расположены на поверхности матрицы таким об­ разом, чтобы длины всех прессуемых изделий как можно меньше отличались друг от друга. Практика показывает, что чем ближе канал к центру матрицы, тем больше ско­ рость истечения металла из этого канала при всех рав­ ных других условиях.

Если прессование производится в один канал, то наи­ более тонкую часть профиля необходимо расположить ближе к центру матрицы [4—6]. Однако одним смещени­ ем канала по поверхности матрицы не всегда удается выровнять скорости истечения.

На практике для уменьшения неравномерности скоро­ стей истечения частей некруглого профиля изготовляют матрицы с так называемыми заходными конусами и ра­ бочими, или калибрующими, поясками, длина которых па различных частях профиля неодинакова [4—6], для массивных частей профиля, она больше, в результате че­ го повышаются потери мощности при истечении этих ча­ стей и увеличиваются скорости истечения металла в ме­ нее массивные участки профиля. Однако, как показывает опыт, имеется какая-то предельная длина пояска, при увеличении которой не происходит дальнейшего перерас­ пределения скоростей истечения металла в различные участки профиля. В связи с этим достаточно длинные ра­ бочие пояски состоят из двух участков: на первом угол наклона образующей пояска к оси прессования состав­ ляет 3—6°, на втором он равен нулю.

При конструировании необходимо учитывать также возможность деформации (прогиба) матрицы в процессе прессования и термическую усадку прессуемого сечения.

Следует отметить, что существующие методики носят как правило, рецептурный характер, основаны на интуи­ тивных соображениях и на качественном анализе про­ цесса прессования.

В работе [5] отмечается, что для уменьшения нерав­ номерности скоростей истечения отдельных частей про­ филя следует использовать два мероприятия. Во-первых, необходимо по возможности приближать форму попереч­

270

ного сечения профиля к форме поперечного сечения кон­ тейнера. Так, профили, которые вписываются в «вытяну­ тый прямоугольник», нужно прессовать из плоского кон­ тейнера. Во-вторых, равновеликие по своему поперечно­ му сечению участки прессуемого профиля должны пи­ таться равными объемами прессуемой заготовки, или, иначе говоря, все «поучастковые условные вытяжки»...

должны быть равны между собой. Отсюда следует, как уже отмечалось, что канал необходимо располагать на матрице определенным, рациональным образом.

Однако никаких количественных рекомендаций по смещению центра тяжести профиля от центра матрицы в работе не приводится.

Для расчета эффективных длин рабочих поясков су­

т- и n-ных частей профиля; П„ и Пт — периметры участ­ ков п и m; Fm и Fn — площади участков т и п ; Пут и Пуп — удельные периметры участков т и п .

Если задаться пояском на участке п, а профиль раз­ бить на k участков, то по этой формуле, очевидно, мож­ но определить длину поясков для k—2 участков. Однако как справедливо отмечается в работе [5], формулу (ѴІІ-1) нельзя считать точной, хотя бы лишь потому,

матриц для прессования алюминиевых сплавов со смаз­ кой. Проектирование состоит из двух этапов: на первом определяется оптимальное расположение канала на по­ верхности матрицы и на втором устанавливаются грани­ цы раздела наклонных участков конуса матрицы.

Рассмотрим в качестве примера определение опти­ мального расположения профиля уголкового типа (рис. 69, а). Положение центра окружности матрицы от­ носительно осей Х\ и х2 предлагается вычислять по сле­ дующим соотношениям:

(VI1-2)

271