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

где

Условно индексом 1 обозначаются элементы с боль­ шей площадью, т. е. обязательно

Соотношения (VI1-2) выведены из условия совпаде­ ния координат центра матрицы с центром профиля при

fS

&

Рис. 69. Схема определения привязки центра окружности матрицы:

а — для профиля уголкового (прямоугольного) сечения; 6 — для профиля таврового сечения

«вырождении» уголкового профиля в полосу. Если про­ филь имеет более сложный вид, то он разбивается на простые элементы, и формулы (ѴІІ-2) используются для простых элементов (рис. 69,6).

Таким образом, в основе предлагаемой методики вы­ бора оптимального расположения канала матрицы ле­ жат чисто геометрические построения. Геометрические соображения лежат и в основе определения границ раз­ дела наклонных участков матриц (рис. 70).

Изложенная методика была проверена авторами ра­ боты [79] в производственных условиях и дала удовлет­ ворительные результаты, что позволило им изготовить матрицы для прессования ряда несложных профилей. Однако в работе [79] не даются рекомендации относи­ тельно длин рабочих поясков, что необходимо, так как

272

смещение канала матриц часто не может привести к не­ обходимому выравниванию скоростей истечения отдели* ных элементов. Изготовление же матриц с линиями раз­ дела не всегда целесообразно и экономически неоправдано.

Уменьшить неравномерность скоростей истечения от­ дельных участков некруглых профилей можно прессова­ нием в два или более каналов [5 . К сожалению, это не всегда возможно для достаточно сложных профилей по

Рис. 70. Схема определения границ раздела для профиля уголкового (а) и 2-образного сечения (б)

технологическим и конструктивным соображениям. Ино­ гда используют так называемые «холостые», или «пара­ зитные», отверстия, которые способствуют течению ме­ талла в менее массивные части профиля.

Данные ряда работ позволяют сделать вывод о том, что за рубежом также отсутствуют научно обоснованные методики конструирования прессовых матриц для изго­ товления изделий из алюминиевых сплавов.

В работе [4] рассмотрены определенные реко­ мендации по эксплуатации прессового инструмента в производственных условиях. В частности, отмечается, что износ инструмента, а также ухудшение качества поверхности при прессовании легких сплавов происходят в результате «налипания» прессуемого металла на ин­ струмент. Склонность к налипанию зависит от химичес­ кого состава прессуемого сплава, от степени деформа­ ции, температуры и скорости прессования, а также от состояния поверхности инструмента.

Стойкость прессовых матриц резко улучшается после обработки их в соляной ванне при температуре 570° С.

Таким образом, несмотря на довольно обширный анализ факторов, определяющих качество прессованных изделий, и наличие определенных рекомендаций по кон­ струированию инструмента и его эксплуатации, в рабо­ тах [4; 5; 6] также не дается каких-либо количествен­ ных зависимостей для оптимального конструирования.

Влияние скорости прессования, очевидно, связывает­ ся с так называемыми «вязкими» свойствами прессуемо­ го металла, которые также оказывают влияние на рас­ пределение скоростей.

Подводя итоги, можно отметить, что до настоящего времени не существует четко обоснованной методики конструирования прессовых матриц, которая была бы принята работниками заводов.

Прессование в многоканальные матрицы и подход к оптимальному конструированию

Для более глубокого анализа процесса прессования профилей, отличных от круглых и имеющих достаточно сложную форму поперечного сечения, целесообразно рас­

«ниток» (прессизделий), длина которых в общем случае

неодинакова и зависит, как уже отмечалось, от многих параметров.

На рис. 71 показаны пятиканальные матрицы для прессования свинцовых образцов. Один канал был рас­ положен в центре матрицы, а остальные находились на некотором одинаковом расстоянии от центра. Экспери-

274

Менты показали, что в том случае, когда расстояние ме­ жду центральным и периферийным отверстием было рав­ но 15 мм, центральный пруток оказался короче перифе­ рийных, а при 20 мм короче были периферийные прутки. В работе [5] утверждается, что при расстоянии между каналами 17—18 мм скорости истечения заметно вырав­ нялись бы. Однако экспериментальные исследования, выполненные нами, не подтвердили указанного поло­ жения.

Опыты проводились в заводских условиях на прессе усилием 12 МН (1200 тс). Прессовали слитки из спла­ вов Д16 и AB, нагретых до 400° С. Такую же температу­ ру имел контейнер, диаметр которого был равен 135 мм. Процесс осуществлялся прямым методом без смазки. Матрицы не имели рабочих поясков (рис. 72). Вытяжки были равны 20 и 30, а расстояние от центрального прут­ ка до периферийных колебалось в пределах от 16,5 до 45,5 мм. Распределение скоростей по каналам является неравномерным. При вытяжке, равной 20, скорости исте­ чения центрального прутка уменьшаются с уменьшением расстояния между прутками, однако не выравниваются до конца.

То же наблюдается и при большей вытяжке, но в этом случаё неравномерность истечения центрального и периферийного прутков уменьшается (см. рис. 73).

Различие между результатами данного исследования и работы [5] можно объяснить разными условиями про­ ведения экспериментов. В работе [5] не сказано, имели ли опытные матрицы рабочие пояски. При наличии по­ ясков распределение скорости может существенно отли­ чаться от описанного выше.

Тем не менее, на основании рассмотренных данных можно сделать вывод о том, что расстояние между эле­ ментами оказывает существенное влияние на распреде­ ление потоков металла в соответствующие каналы. Кро­ ме того, неравномерность скоростей зависит от суммар­ ной площади сечения каналов (вытяжек) и от механических свойств сплавов.

Вработе [5] описаны также опыты Б. И. Матвеева

иЕ. Б. Журавского по прессованию прутков диаметра­ ми 10 и 16 мм из дуралюмина при различных длинах рабочих поясков. Слиток имел диаметр 75 мм. При рав­ ной длине рабочих поясков скорость прутка диаметром 16 мм была значительно больше скорости прутка диа-

Рис. 73. Распределе­ ние скоростей истече­ ния при прессовании в пятиканальные м ат­ рицы слитков из спла­ ва Д16 при « “ 400° С

Номер элем ент а

276

метром 10 мм. Однако при увеличении длины рабочего пояска и введении так называемого конуса торможения скорость 16-мм прутка уменьшилась, что вызвало увели­ чение скорости 10-мм прутка. В конце прессования пру­ ток диаметром 10 мм имел даже большую скорость, чем пруток диаметром 16 мм. Расстояние между центрами каналов было равно в обоих случаях 30 мм и удаление центра меньшего канала от центра матрицы составляло

Рис. 74. Условное деление профиля на отдельные элементы

от центра матрицы, длина и угол наклона образующей рабочего пояска канала, удаление канала от соседних ка­ налов, стадия процесса, метод прессования, температура и скорость прессования, свойства сплава.

Очевидно, что формально совокупность каналов, рас­ положенных на поверхности какой-либо матрицы, мож­ но рассматривать как своеобразный сложный профиль. В то же время каждый сложный профиль представляет собой совокупность каналов, которые получаются после того, как этот профиль разделен достаточно тонкими перемычками на элементы (рис. 74). Задачей конструк­ тора является таким образом расположить профиль на матрице и подобрать пояски, чтобы скорости истечения металла из отдельных каналов или частей профиля, раз­

277

деленных перемычками, были одинаковыми или отлича­ лись бы на минимальную величину, которая обеспечи­ вает получение изделия высокого качества.

2. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ КОНСТРУИРОВАНИЯ МАТРИЦ

Экспериментальные исследования

Поставленную задачу можно решать как теоретиче­ ски, так и с помощью экспериментальных исследований. На первом этапе были проведены опыты по прессованию в специально сконструированные двухканальные матри­ цы и матрицы с перемычками [80].

Каналы матриц имели форму круга, прямоугольника и креста (рис. 75). При этом суммарная площадь попе­ речного сечения каналов и координаты их центров тя­ жести оставались постоянными. Изменялось соотноше­ ние площадей поперечных сечений каналов. Все каналы матриц не имели рабочих поясков '.

Эксперименты проводили в лабораторных условиях на вертикальном прессе усилием 5 МН (500 тс). Втулка контейнера имела диаметр 90 мм. Материалом для прес­ сования служил технически чистый свинец. Образцы по­ лучали отливкой и подпрессовкой на диаметр 89,6 мм. Длина образцов составляла 100—120 мм.

В процессе эксперимента регистрировалась скорость истечения металла в различные каналы и перемещение прессштемпеля. После прессования измеряли длины от­ прессованных изделий и высоту прессостатка.

Для измерения скоростей истечения металла было изготовлено специальное приспособление. Цилиндричес­ кий ролик, свободно вращающийся в опорах консольно закрепленной рамки, имел диаметр 12,72 мм и длину ок­ ружности 40 мм. На рамке с изолированной прокладкой был установлен пружинный контакт, касающийся ро­ лика.

Ролик был выполнен таким образом, что контакт за­ мыкался на его массу четыре раза за один оборот роли-

1 Экспериментальные исследования были выполнены Г. Г. Рутманом.

278

ка, т. е. через каждые 10 мм. На поверхности ролика бы­ ла нанесена насечка, которая уменьшала проскальзыва­ ние его по поверхности металла.

Рамка с роликом шарнирно соединялась с подвиж­ ной штангой и могла отклоняться вниз в вертикальной плоскости. Возвращение рамки с роликом в первона­ чальное положение обеспечивалось несколькими пружи­ нами. Подвижная штанга крепилась в горизонтальной рейке, что давало возможность перемещать все приспо­ собление в горизонтальной плоскости. При этом пружина, расположенная в отверстии рейки, удерживала под­ вижную штангу с роликом в крайнем выдвинутом поло­ жении. Положение приспособления можно было регули­ ровать также по высоте. Для доступа к прессуемым изделиям в прессовой наладке имелись вырезы («ок­ на»). Матрица располагалась таким образом, чтобы диа­ метр ее с двумя каналами находился против окон на­ ладки, в которые устанавливались приспособления для замера скоростей. Импульс записывался по безусилительной схеме на осциллографе Н-107.

На каждую точку было отпрессовано по три образца. Скорость прессования не превышала 11 мм/с, прессова­ ние велось без смазки.

Точность измерений скорости составляла примерно 2%. После усреднений значений скорости по длине прессизделия находили отношение скоростей изделия, вытекающего из отверстия с меньшей площадью попе­ речного сечения, к скорости течения из отверстия с боль­ шей площадью поперечного сечения.

Распределение потоков по различным каналам под­ считывали по формуле:

N N

где ѵн — скорость металла, вытекающего через k-тът ка­

ставлены на рис. 76, из которого следует, что форма про­ филя в данном случае незначительно влияет на распре­ деление скоростей истечения металла из отдельных ка­ налов, которое определяется в основном соотношением площадей каналов,

280

щ/ъ

'/ 2 J ü 5

Номер элемента

281