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

нии прутков. При многоочковом прессовании скорость ниже, чем при прессовании в один канал.

В некоторых случаях скорость прессования ограни­ чена не только возможностью появления дефектов на изделии, но и рядом других факторов. Так, при обра­ ботке сплавов систем А1 — Mg — Si и Al — Mn, когда прессование идет с высокими скоростями истечения, ско­ рость процесса ограничена скоростью срабатывания ме­ ханизмов, осуществляющих уборку отпрессованной про­ дукции со стола пресса. При прессовании пустотелых профилей из сплавов АМгб, Д16, АД6, AB и др. ограни­ чение скорости прессования связано с необходимостью получения высококачественного сварного шва. При прес­ совании в комбинированные или так называемые язычко­ вые матрицы скорость прессования иногда снижают для того, чтобы обеспечить требуемую геометрию профилей, имеющих значительную разнотолщинность полок.

Инструмент для прессования алюминиевых сплавов

Точность и качество прессованной продукции зави­ сят от точности и качества инструмента, а также от ме­ ханических характеристик сталей и сплавов, из которых он изготовлен. Наиболее распространенные марки ста­ лей, применяемые для изготовления прессового инст­ румента, представлены в табл. 4.

Охлаждающей средой при закалке инструмента из сталей 5ХНМ, 5ХНВ и ЗХ2В8 является масло, осталь­ ные стали при закалке охлаждаются на воздухе.

До недавнего времени производство прессового инст­ румента базировалось в основном на использовании ста­ лей ЗХ2В8, 5ХНВ/1 и 5ХНМ. Однако эти стали имеют существенные недостатки и применение их не всегда возможно и эффективно. Так, стали 5ХНВ/1 и 5ХНМ быстро разупрочняются с повышением температуры, а из стали ЗХ2В8, которая обладает высокими механи­ ческими свойствами и жаропрочностью, нельзя изгото­ вить крупногабаритный прессовый инструмент, так как еще не освоено производство слитков из этой стали мас­ сой более 1 т.

Практические данные по эксплуатации инструмента для прессования алюминиевых сплавов позволяют реко­

мендовать следующие области применения инструмен­ тальных сталей:

20

21

1. Стали 5ХНВ/1 и 5ХНМ — иглы, матрицы, втулки контейнеров для прессования мягких алюминиевых

сплавов.

2. Сталь ЗХ2В8 — иглы, матрицы, прессшайбы для прессов усилием 34,3—5,9 МН (3500—600 тс), втулки контейнеров и прессштемпели для прессов усилием 14,7—5,9 МН (1500—600 тс).

3.Сталь ЗХ2Н2МВФ — иглы, прессштемпели, втулки контейнеров, матрицы, прессшайбы для прессов усили­ ем 196—49 МН (20000—5000 тс).

4.Сталь ЗХВ4СФ — прессовый инструмент для прес­

сов усилием 49—11,8 МН (5000—1200 тс).

5. Сталь 25Х2МФН — контейнеры для прессов уси­ лием 196—11,8 МН (20 000—1200 тс).

6. Сталь 34ХМЗМФА — иглы, матрицы, прессштемпе­ ли для прессования мягких алюминиевых сплавов.

При проектировании и изготовлении прессового ин­ струмента задача сводится к созданию инструмента, обеспечивающего точность поперечной и продольной гео­ метрии изделия, отсутствие прогиба, скручивания и гофр.

При назначении размеров инструмента учитываются термическая усадка изделия при остывании и допуски для готовой продукции. Используемые на практике со­ отношения между размерами инструмента и размерами горячепрессованных изделий представлены в табл. 5. По данным этой таблицы можно назначить размеры ин-

Т а б л и ц а 5

Размеры канала матрицы для горячепрессованных изделий

22

струмента для всех алюминиевых сплавов, кроме АМгб и АМг5. Последние имеют большую температурную усадку, чем остальные сплавы,- поэтому припуски на размеры инструмента для прессования изделий из спла­ вов АМгб и АМг5 обычно принимают в 1,5—2 раза боль­ шими.

При прессовании профилей сложной конфигурации точность геометрии изделия во многом зависит от кон­ струкции прессовой матрицы. На характер истечения из­ делия из канала матрицы оказывает влияние большое число факторов.

Расположение профиля на матрице должно обеспе­ чивать наиболее равномерное истечение элементов изде­ лия. Для этого профиль помещают таким образом отно­ сительно центра матрицы, чтобы более тонкие его эле­ менты были расположены ближе к центру. При этом общее смещение профиля к периферии выравнивает ско­ рости истечения отдельных элементов. Однако канал матрицы должен быть удален от поверхности контейне­ ра на расстояние, не меньшее чем 10% диаметра кон­ тейнера.

Рациональным расположением канала матрицы, как правило, полностью не удается выравнивать скорости ис­ течения элементов. Поэтому па практике профиль ориен­ тируют таким образом, чтобы плоскость предполагаемой саблевидное™ совпадала с вертикальной плоскостью, при этом саблевидность может устраниться под действи­ ем силы тяжести изделия. Для уменьшения скручивания профиля наиболее удлиненные части его ориентируют по горизонтальной плоскости.

Наиболее рациональным средством выравнивания скоростей истечения элементов профиля является под­ бор длин калибрующих поясков матрицы. Практика по­ казывает, что рабочие пояски эффективно работают, ес­ ли длина их не превышает 12 мм. При увеличении длины теряется контакт между поверхностью поясков и изде­ лием вследствие термической усадки и внеконтактной деформации последнего, а также из-за упругой деформа­ ции (прогиба) матрицы. Для увеличения поверхности контакта применяются углы торможения, величина кото­ рых изменяется в пределах от 1 до 6°. Наименьший раз­ мер поясков составляет 2—3 мм. Известны так называ­ емые беспоясковые матрицы, однако они быстро изна­ шиваются.

23

Обработка готовой продукции

Для получения требуемых физико-химических и ме­ ханических свойств прессованные полуфабрикаты под­ вергают термической обработке: отжигу, закалке, ста­ рению.

В процессе прессования структура изделия приобре­ тает неустойчивое состояние. При отжиге в результате рекристаллизации, полигонизации или возврата проис­ ходит выравнивание состава внутри зерен твердого рас­ твора, изменение их формы и размеров, устраняется упрочнение, структура переходит в более устойчивое, рав­ новесное состояние [5, 6]. У сплавов, упрочняемых тер­ мической обработкой, во время отжига происходят так­ же распад твердого раствора и коагуляция продуктов распада, сопровождающиеся разупрочнением металла.

В табл. 6 представлены режимы отжигов некоторых алюминиевых сплавов. Для повышения коррозионной стойкости спдавов АМг5 и АМгб их подвергают низкому отжигу. Мягкие сплавы типа АМг2, АМц, как правило, не отжигают.

Для закрепления структурных состояний сплавов, не­ свойственных им при пониженных температурах, приме­ няется процесс закалки.

При нагреве под закалку происходит процесс раство­ рения упрочняющих элементов и фаз в алюминии. Про­ должительность выдержки при нагреве под закалку обу-

24

словлпвастся в основном скоростью процессов растворе­ ния легирующих элементов и фаз. Режим прессования оказывает значительное влияние на процессы, происхо­ дящие в сплаве при нагреве под закалку. Чем меньше коэффициент вытяжки при прессовании, тем грубее структура и тем медленнее протекают процессы раство­ рения упрочняющих элементов и фаз.

В случае длительных выдержек при нагреве под за­ калку может произойти рост зерна, так как наряду с процессами растворения происходит и рекристаллиза­ ция, что вызывает снижение прочностных характери­ стик изделий.

Закалка является необходимым процессом и предше­ ствует старению полуфабрикатов.

Верхним пределом температуры нагрева под закалку является температура, выше которой может произойти пережог, т. е. местное оплавление границ зерен. Нижний предел температуры должен быть таким, чтобы обеспе­ чить требуемые механические и коррозионные свойства полуфабрикатов.

Ниже приведены допустимые интервалы температу­ ры нагрева под закалку, °С:

Продолжительность выдержки зависит от толщины

сыщенного твердого раство­ ра, полученного при закалке, и тем самым возвращение

кристаллической решетки основы сплава в более устой­ чивое состояние. Степень интенсивности этих процессов зависит как от температуры, так и от величины пере­

25

старении прочностные свойства прессованных полу­ фабрикатов значительно повышаются при одновремен­ ном снижении пластичности. В процессе старения изме­ няется удельный объем сплава и в связи с этим проис­ ходит изменение размеров, особенно длины, изделий. Старение закаленных полуфабрикатов может происхо­ дить при комнатной температуре — естественное старе­ ние и при повышенных температурах — искусственное старение. Изделия из сплавов Д16 и Д1 подвергают ес­ тественному старению в течение четырех суток, из спла­ вов АД31, АДЗЗ, AB, АК6, АК8 — естественному или ис­ кусственному старению, из сплавов АК4, АК4-1, В95 — только искусственному старению.

Для получения наилучшего сочетания механических свойств готовой продукции необходимо выдерживать определенное время между закалкой и старением. Ре­ жимы искусственного старения прессованных изделий с последующим охлаждением на воздухе даны в табл. 8.

После термообработки прессованные полуфабрикаты подвергают правке. Прессованные круглые прутки и тру­ бы правят в основном на косовалковых роликовых маши­ нах. Правку прессованных профилей производят на рас­ тяжных и роликовых машинах.

Т а б л и ц а 8

Режимы искусственного старения алюминиевых сплавов

* Ускоренйый режим.

** *

Создание комплексной математической модели про­ цессов прессования практически не осуществимо без при-

26

менеішя методов механики сплошных сред, а также без использования определенных разделов теорий функций комплексного переменного, элементов векторного и тен­ зорного анализа, вариационного исчисления и других разделов высшей математики.

В связи с этим в следующей главе приводится крат­ кое изложение математического аппарата, используемо­ го при построении математических моделей процессов прессования и реализации этих моделей на ЭВМ.

Г л а в а II

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ ЗАДАЧ ТЕОРИИ ПРЕССОВАНИЯ

1. ОСНОВНЫЕ ГИПОТЕЗЫ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД

Предмет механики сплошных сред

Механика сплошных сред является разделом меха­

движение, т. е. изменение с течением времени взаимного расположения тел или частей тела.

Исследуя общие закономерности этой формы движе­ ния, механика использует следующие абстрактные поня­

Под м а тер и а льной т о ч к о й подразумевается тело пренебрежимо малых размеров, но конечной мас­ сы. Роль материальной точки может играть центр инер­ ции системы материальных точек, в котором считается сосредоточенной масса всей системы.

Абсолютно твердое тело

Совокупность материальных точек, находящихся на неизменном расстоянии друг от друга, называется абсо­ лютно твердым телом. Понятие абсолютно твердого те­ ла допустимо в случае, если можно пренебречь дефор­

27

мацией этого тела под действием приложенных нагру­

зок.

Если допустить изменение взаимного расположения элементарных объемов, приходим к понятию с п л о ш ­

но й с р е д ы .

Кнаукам, успешно применяющим методы и резуль­ таты механики сплошных сред, можно отнести теорию обработки металлов давлением.

Материальная частица

В механике сплошных сред используется понятие м а- т е р и а л ь н о й ч а с т и ц ы — элемента объема прене­ брежимо малых размеров. Движение материальной ча­

тиц—-описывается соответствующими в е к т о р н ы м и п о л я м и — полем вектора перемещения, полем вектора скорости, полем вектора ускорения.

Основной мерой взаимодействия тел или частей тела

с п л о ш н о с т и . При этом реальные тела рассматрива­

частиц (атомов, молекул, и т. д.), из которых состоит то или иное физическое тело.

Введение гипотезы сплошности позволяет применять методы классического анализа, в частности рассматри­ вать бесконечно малые элементы объема.

Лемма

В качестве примера такого подхода приведем дока­ зательство леммы, результаты которой будем широко использовать в дальнейшем.

28

Пусть нам дана некоторая область D, ограниченная поверхностью S, заполненная сплошной средой (рис. 2).

Выделим внутри области D произвольный объем W. Предположим, что для функции ср выполняется соотно­ шение fff qdW — 0.

№

Т о г д а ф у н к ц и я ср в р а с с м а т р и в а е м о й о б ­

W

внуль интеграла по произвольному объему W.

2.НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ

ИЗ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА

Ортогональный базис

Выберем три взаимно ортогональных направления и

отложим на них три вектора единичной длины щ, е3, е3, для которых выполняются соотношения

равна единице и они попарно перпендикулярны. Будем говорить, что они образуют о р т о г о н а л ь н ы й б а ­ з и с в рассматриваемом трехмерном пространстве, при­

29