CC BY
73
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.777
Свдельников С.Б., Довженко Н.Н., Соколов Р.Е., Беляев С.В.,
Лопатина Е.С., Барков Н.А., Ворошилов Д.С.
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ СОВМЕЩЕННОЙ ОБРАБОТКИ
Существующие технологии производства пресс-изделий малого поперечного сечения на горизонтальных гидравлических прессах имеют ряд недостатков, основные из которых связанны с дискретностью (прерывностью) и вьеокой энергоемкостью процесса. С другой стороны, существует ряд способов непрерывного прессования, таких как Конформ, Лайнекс и Экстроллинг, которые характеризуются вьеоким выходом годного, низкими энергозатратами в сравнении с традиционными методами прессования и возможностью деформации непрерывно-лигой заготовки за один цикл обработки. Одним из таких способов является процесс совмещенной прокатки-прессования (СИП), применение которого позволяет расширить технологические возможности процесса при получении длинномерных пресс-изделий из цветных металлов и сплавов. Вместе с тем применение СПП для получения прессованных полуфабрикатов малого поперечного сечения из тру дно деформируемых алюминиевых сплавов, таких как АК5 и АК12, изучено мало и требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
В ряде научных работ для получения данной продукции предлагается использовать технологию, состоящую из следующих этапов: на первом этапе производится повышение пластических свойств литых заготовок за счет применения комплексного легирования алюминиево-кремниевых сплавов в сочетании с повышенными скоростями охлаждения при литье; на втором этапе полученные литые заготовки подвергаются прессованию на гидравлических прессах. Однако такой способ технологически выгоден при больших объемах производства продукции и достаточно трудоемок, так как включает большое количество металлургических переделов с использованием многочисленных операций деформации и термообработки.
В то же время современный уровень развития технологий литья с использованием электромагнитного кристаллизатора (ЭМК) позволяет получать заготовки небольших размеров с повышенными пластическими свойствами, идеально подходящими для процесса совмещенной обработки труднодеформируемых сплавов.
Проведены исследования геометрии очага деформации при условии, что процесс прокатки-прессования
осуществляется на валках разного диаметра, причем валок с выступом имеет больший диаметр, чем валок с ручьем (рис. 1). Очаг деформации разбит на зоны захвата металла при прокатке (зона 1), прокатки (зона 2), распрессовки (зона 3) и прессования (зона 4).
Для анализа процесса СПП с учетом асимметрии рассмотрены условия равновесия всего очага деформации, находящегося под действием контактных нагрузок и силы прессования, при следующих допущениях: деформируемый металл - идеальное жесткопластическое тело; продольные нормальные напряжения ах и контактные давления р являются главными и зависят от сопротивления деформации металла поэтому можно применить условие пластичности для плоской дефор -мации р —<зх = 2ая; напряжения постоянны по высоте
полосы; принимается закон трения по Зибелю.
После интегрирования, выполнения некоторых преобразований системы уравнений равновесия очага
деформации и нахождения а 1, а2, р2а_ получили статически определимую систему из трех уравнений с тре-
мя неизвестными:
1 +
2У „ (1 + У2 Л )2 Ь т2
«2 + Ко®2
„ + „ П + \Хк і 2 + C0S +
1 Я2х 2 21 2Ьх 2К а
+Ка cos 8^(^1602 - )■
Л1Т1 (а1 + К а91)
4 Л * 2
2 Р2аа2 )■
+-(а 2 + К„02) +
4К 2 а 2) 2Ьх2 2 0
+ к ар2с^ ^е)-
р
± пресс
4^2 Т2
- Л ( Р,еЄ1 + ЛЛ) +
ЛЛ
+Л, (р2002 + Р2„а,) +
(К Ж -а?) +
2 («2 -К.0;) +
+(1 + А/2 Лг )[(<* г^а- К „02 ¥„)-
-Ї2 (^а-К„¥„)] = 0;
2\х і (1 + А/2 Л)
Ь т„
Л1І1 (1 + Л2 ) 1
У1---------^--------------- +У 2
Л2^ 2
Рпресс (1 + ^1 / 2Л2 )
1 +
4ЬЛ2 т2
Л1Б іЛ2 т2
Р1а«1
Л1Т111 + Л2 ) 4Л2 Т 2
Рис. 2. Фактическиеразмеры очагадеформации при СПП
Здесь приняты следующие обозначения:
О = Л1 + Л2 + к1; Л1, Л2 - катающие радиусы верхнего (индекс 1) и нижнего (индекс 2) валковсоответственно; к1 - зазор ме^ду валками при прокатке; Бка, 5кр - площади контакта боковой поверхности калибра с деформируемым металлом в зонах прокатки (индекс а) и прессования (индекс 9) до входа в обжимаюшую часть пластической зоны (ОЧПЗ) перед матрицей (индекс Р); 5Ку - площадь поверхности реактивного трения (индекс у) боковой поверхности калибра (индекс к); Ь - ширина калибра; ф - текущий угол; а,, 9„ у, - центральные углы захвата, положения матрицы, поверхности реактивного трения на валках; тг - касательные контактные напряжения на контактных поверхностях валков, калибра и деформируемого металла; Рга, Ріав - нормальные контактные напряжения на валках в зоне прокатки и прес -сования; Рпресс - усилие выдавливания профиля через
матрицу, Кп = а, стХа и стхе - сопротивление деформации деформируемого металла в зонах прокатки и прессования; Та, Те - центральные углы центра масс площадей калибра (- 5Ь1),(5К0 5к у ) •
В результате решения данной системы уравнений численным методом получили массивы данных рас -четных параметров во всем диапазоне варьируемых факторов. Например, для случая прокатки-прессования на установке СІ II1-200. геометрический очаг деформации которого показан на рис. 2, эти па. раметры составили: у1=і°55', ДА1/2=1,39 мм,
Р16®1 ) + Аа=17,89 мм; у2=16°05', ДЬг/2=2,6і мм, ^=19,09 мм.
Сравнение расчетных и экспериментальных значений показало, что полученную аналитическую модель можно рекомендовать для выполнения практических расчетов параметров процесса СПП.
С использованием полученной модели путем решения одномерной краевой задачи теплопроводности при граничных условиях второго и четвертого рода получены зависимости для расчета изменения температуры металла и инструмента при различных ус -ловиях прокатки-прессования сплавов АК5 и АК12 без учета и с учетом охлаждения инструмента. Результаты расчетов по длине очага деформации, определяемой отношением длины каждой характерной зоны Ь, к его общей протяженности Ь, представлены на рис. 3.
Анализ приведенных графиков подтвердил закономерности изменения температурных условий, характерных для СПП и отмеченных другими авторами, и позволил выявить оптимальный интервал температур подогрева инструмента (до 150°С) и охла-
ждения матрицы (на 20-50°С), при котором процесс деформации будет иметь устойчивый характер.
Экспериментальные исследования проводились на литых заготовках, полученных в электромагнитном кристаллизаторе, из сплавов марок АК5 и АК12. В ходе исследований варьируемыми факторами явля-
560
500
440
320
260
/
ь, /ь
Т3=480°С; %=0,74 с-1 Т3=550°С; ^=0,74 с-1
-»-Т3=480°С; |=1,49 с-1 -*-Т3=550°С; |=1,49 с-1
Рис. 3. Зависимость расчетной температуры сплава АК12 от относительной длины очага деформации Ь,/Ь и скорости деформации при температурахзаготовки 7>480 и 550°С
Вытяжка, [і
-Тз=480 °С, %= °>74 С"1 -Тз=480 °С, £г 1,49 с-1
Вытяжка, и
-Тз=550 °С» £= 0,74 с-1 -Тз-550°С,^= 1,49 с-1
б
Вытяжка, ц
—Ф—Тз=480 °С, 4= 0,74 с-1 —ІНТ3=480 °С, £= 1,49 с-1
Вытяжка, [і
-Тз=550 °С, %= 0,74 с-1 -Тз~550°С, £= 1,49 с-1
в г
Рис. 4. Зависимость энергосиловых параметров процессаСПП от вытяжки (н), температуры нагревазаготовки (Т3) и скорости деформации (§) для сплавовАК5 (а, б) и АК12 (в, г)
лись: температура (Т), скорость деформации (£) и коэффициент вытяжки (ц), рассчитываемый как
^заг/^изд , ГДе ^заг И Ризд ~ СООТВЄТСТВЄННО ПЛОщадь поперечного сечения заготовки и прессованного полуфабриката. С целью получения комплекса экспериментальных данных для дальнейшего регрессионного анализа результатов теоретических исследований и моделирования процес -с а СПП каждый из этих факторов варьировался в широком диапазоне значений. Температура изменялась от 480 до 550°С, скорость деформации от 0,74 до 1,49 с-1, вытяжка от 4,4 до 14,3. Замеряемыми параметрами являлись усилия, действующие на матрицу и на валки в процессе деформации металла.
Ме то дика экс периме нталь ных ис -следований заключалась в следующем. На первом этапе исследований при помощи ЭМК получали литые заготовки из сплавов АК5 и АК12 диаметром 15 мм. Анализ их микроструктуры при различном увеличении показал, что эвтектика имеет тонко дифференцированное строение, а частицы кремния в ней настолько дисперсные, что не различимы даже при увеличении 1500 крат. Таким образом, слитки, полученные с помощью ЭМК, обладают повышенными пластическими свойствами и могут подвергаться обработке давлением при дос-таточно больших степенях деформации. На полученных литых заготовках проводили замеры микро твердости и определяли механические свойства, данные по которым представлены ниже.
На втором этапе для экспериментальных исследований и моделирования процессов совмещенной обработки ис -пользовалась установка СПП-200, в составе которой имелся электродвигатель переменного тока мощностью 40 кВт со скоростью вращения 900 об/мин, коробка передач, двухступенчатый редуктор с передаточным числом /=40 и максимальным моментом на выходном валу 10 кН*м, шестеренная и прокатная клети. Установка была оснащена тензомет-рической аппаратурой и обеспечила проведение ряда экспериментов по изучению влияния варьируемых параметров на силовые условия процесса.
Экспериментальные данные по энергосиловым параметрам процесса СПП приведены на рис. 4. В результате анализа экспериментальных данных были сделаны выводы, подтверждающие общеизвестные положения теории обработки металлов давлением и результаты исследований, выполненных
620
380
0
0,2
0,4
0,6
0,8
ранее другими авторами, а именно: с увеличением температуры заготовки снижаются усилия на матрицу и валки; увеличение степени деформации при прессовании ведет к росту энергосиловых параметров процесса СПП; увеличение скорости деформации металла ведет к снижению усилия на валках и на матрице.
В результате последующей обработки массива экспериментальных данных получены регресс ионные зависимости для определения энергосиловых параметров процесса СПП сплавов АК5 и АК12, имеющие вид:
Р = а0 + а1
Т - 515
35
+ ап
С ІИЦ - 2,07 \
1,18
+а.
1,115
0,75
+ а.
( Т - 515 35
Ґ
іп[і - 2,07 1,18
(іпц-2,07^ (£-1,115'
( £-1,115
0,75 )
где Т - температура нагрева заготовки; % - скорость деформации; ц - коэффициент вытяжки; а0, а 1, а2, а3, а 12, а23, я31, Я123 - коэффициенты регрессии, значения
Значения коэффициентов регрессии для расчета энергосиловых параметров процесса СПП сплавов АК5 и АК12
Усилие Значения коэффициентов регрессии
а 0 а 1 а 2 а 3 а 12 «23 «31 «123
для сплава АКБ
На валках 333,45 7,375 42,25 1,775 -20,85 -15,6 19,3 -19,43
На матрице 236,29 -13,7 51,6 21,3 -5,5 1,9 1,1 -0,5
длясплаваАК12
На валках 391,79 12,463 38,44 -13,71 -7,44 -9,26 16,81 -12,39
На матрице 259,85 -1,9 33,2 -32,3 5,8 -7,7 -0,8 -0,5
которых представлены в табл. 1.
Полученные уравнения прошли проверку на адекватность экспериментальным данным с использованием критерия Фишера и могут быть рекомендованы для расчета энергосиловых параметров процесса СПП для сплавов АК5 и АК12 при проектировании технологий и устройств совмещенной прокатки-прессования силуминов.
На третьем этапе исследований полученный после СПП пруток подвергали волочению по режиму с изменением диаметров 7 - 5,5 - 4 - 3 - 2,7 - 2,4 - 2,2 - 2 (мм) без промежуточных отжигов и обрывов и изготовили проволоку диаметром 2 мм. Для получения проволоки меньшего поперечного сечения (1,4 мм) проводили отжиг по следующему режиму: температура нагрева Т=400°С, время выдержки 1,5 ч. На рис. 5 приведены микроструктуры полученных полуфабрикатов, из которых видно, что структура мелкозернистая, а твердый раствор алюминия и эвтектика располагаются равномерно, при этом наблюдается ориентировка зерен вдоль оси деформации и отсутствуют дефекты Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что горячая обработка литой заготовки из ЭМК методом совмещенной прокатки-прессования и последующее волочение дало возможность получать проволоку с высоким уровнем механических свойств и мелкозернистой структурой при реализации многократных деформаций без применения промежуточных отжигов.
Новые технические решения по конструкции оборудования и инструмента и технологические решения по получению сварочной проволоки из силуминов на базе применения методов совмещенной обработки алюминиевых сплавов защищены патентами РФ. Например, установка для непрерывного лигья, прокатки и прессования металла (пат. 67492 РФ), включающая печь-миксер, электромагнитный кристаллизатор, правильно-зада-ющее устройство, деформирующий узел, устройство охлаждения и устройство намотки, является базовым техническим решением для разработки новой технологии получения проволоки из силуминов. Для процес -
Таблица 1
Рис. 5. Микроструктуры полуфабрикатов из сплава АК12 (х1500): а - прессованный пруток после СПП диаметром 7 мм; б - проволока продольного сечения после волочения диаметром 2 мм; в - проволока продольного сечения после отжига и волочения диаметром 1,4 мм
сов, когда заготовка с требуемым для обработки уровнем пластических свойств не может быть получена с помощью кристаллизатора, предлагается использовать установку для непрерывного лигья, прокатки и прессования (пат. 73245 РФ), которая включает печь-миксер наклонного типа с регулятором подачи расплава в калйэр валков, валок с ручьем и валок с выступом, расположенные в станине, имеющие полости для охлаждения и образующие закрытый калибр, перекрытый на выходе матрицей с клинэввдными полостями для охлаждения.
С целью автоматизации процессов проектирования оснастки и оборудования для применяемых методов совмещенной обработки, а также технологических рас -четов, с использованием среды объектно-ориентированного программирования Бе1рЫ 7.0 создано программное обеспечение. Оно включает имитационные модели установок совмещенной обработки, модели аналитического определения реализуемости процесса СПП и расчета энергосиловых параметров, а также блоки проектирования прессового и валкового инструмента. Технические решения и разработанное программное обеспечение внедрены в учебный процесс в ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и используются при обучении студентов специальности 150106 «Обработка металлов давлением».
На базе новых технических решений была разработана технология получения сварочной проволоки Св. АК12, которая состояла из следующих технологических переделов. На первом этапе при помощи ЭМК получали литую заготовку диаметром 15 мм с повышенными пластическими свойствами. Далее полученные заготовки нагревали до температуры 550°С и обрабатывали на установке СПП-200 со скоростью деформации £=0,74 с- и вытяжкой ц=7,3. На последнем этапе полученный пруток диаметром 7 мм подвергали холодной обработке методом волочения для получения проволоки диаметром 2 мм. Результаты механических испытаний на каждом из этапов технологической обработки представлены в табл. 2, при этом следует отметить, что пластические и прочностные свойства полученных литых заготовок значительно превышают требования ГОСТ Р 50511-93, что позволяет получить деформируемые полуфабрикаты
Таблица 2
Механические свойства полуфабрикатов из силуминов
Марка спла- ва Вид изделия М еханические свойства
ст в, М Па 5, %
АКБ Литая заготовкадиаметром 15,0 мм 270,0 15,0
Пруток диаметром 7,0 мм 280,3 9,0
Проволокадиаметром 3,0 мм 382,0 4,8
Проволокадиаметром 2,6 мм 376,7 4,0
Проволокадиаметром 2,0 мм 413,8 2,8
АК12 Литая заготовкадиаметром 15 мм 290,8 14,8
Пруток диаметром 7,0 мм 201,1 20,2
Проволокадиаметром 3,0 мм 402,2 4,0
Проволокадиаметром 2,5 мм 425,1 3,0
Проволокадиаметром 2,0 мм 445,7 1,5
заданных размеров.
На базе проведенных исследований были получены и переданы на ФГУП «НПО ПМ» (г. Железногорск) опытные партии сварочной проволоки СЪ. АК12, предназначенной для пайки волноводных трактов, применяемых в космической и авиационной технике. В результате испытаний было установлено, что проволока марки Св. АК12, полученная по предлагаемой технологии, соответствует требованиям ТУ 1-808-274-2003 и может быть использована в производстве, что подтверждено актом опытно-промышленной апробации и актом внедрения.
Таким образом, в результате проведенных исследований была разработана и внедрена новая технология производства сварочной проволоки из силуминов на основе применения совмещенных методов обработки. Использование данной технологии позволило существенно снизить себестоимость производства продукции за счет минимизации количества операций и получить качественные изделия малого поперечного сечения из труднодеформируемых алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов).
УДК 621.778.1.073 Славин B.C.
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ, ОБРАЗОВАННОГО ПРОИЗВОЛЬНЫМ КОЛИЧЕСТВОМ РОЛИКОВ
Развитие волочения в волоках с многороликовым калибром связано с преимуществами, обусловленными снижением сил трения и более благоприятной схемой напряженно-деформированного состояния металла в калибре. В настоящее время известны калибры, образованные от двух до восьми роликов, при этом их число может быть как четным, так и нечетным.
Традиционно для описания геометрии очага деформации применяют три основных параметра: размер ка-
либра, диаметр рабочей поверхности валков и межосевое расстояние рабочих валков. Однако возникают сложности при описании калибров, образованных нечетным количеством роликов. Поэтому для формализации очага деформации целесообразно использовать наиболее общий параметр, характеризующий все возможные варианты построения многороликовых калибров.
В дальнейшем будем использовать базовую точку - геометрический центр калибра (ГЦК) [1]. За ГЦК
