CC BY
6
-Ф-
_ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.Л. Бережной
УДК 621.7
о научной формализации и использовании
определенных физических эффектов и состояний. часть ii. область модифицирования базовых способов горячего прессования*
В.Л. Бережной, докт. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: [email protected])
Определено, что для совершенствования прямого и обратного горячего прессования алюминиевых сплавов, основные недостатки которых выявлены, целесообразно дозированно видоизменять схемы напряженно-деформированного состояния посредством адекватных дополнительных кинематико-силовых воздействий на прессуемую заготовку извне и таким образом, чтобы вызвать требуемые позитивные изменения характера деформирования в рабочей полости контейнера и матрицы. Сформулированы основные идеи модифицирования этих базовых способов прессования с их научной формализацией перед разработкой вариантов дополнения традиционных экструзионных технологий для расширения их возможностей, что не требует больших капитальных вложений.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы; пресс-изделия; горячее прямое и обратное прессование, их недостатки; основные идеи модифицирования; варианты дополнения базовых технологий.
On Scientifical Formalization and Use of Defined Extrusion Phisical Effects and States. Part II. Field of Modificated Base Methods for Hot Extrusion. V.L. Berezhnoy.
Analysis of base direct and indirect extrusion for Al alloys are revealed theirs main disadvantages. For improvement of these methods will expediently partly to modify the tense-deformed state by means of adequate supplement kinematic-force influences on extruding billet in order to change positively the deformation characteristics in the container and die. Principal ideas of modification for the base methods of extrusion are formulated and theirs scientific formalization together with development of supplementary for the traditional extrusion technologies are discussed. Such extension of technologies possibilities can be realized with out big financial investments.
Key words: al alloys; extruded products; hot direct and indirect extrusion; theirs disadvantages; principal ideas of modification; variants of supplement for traditional extrusion technologies.
Некоторые опорные сведения
Организованное индустриальное развитие отличается поэтапностью и неуклонностью
* «Часть I. Область традиционного прессования» опубликована в журнале «Технология легких сплавов». 2015. № 4. С. 72-87.
научного и технического прогресса, следуя, в основном, схеме: [технико-экономическая оптимизация базовыхтехнологических процессов и оборудования] ^ [расширение их производственных возможностей и применения за счет разработки модифицированных (частичного видоизмененных) вариантов этих
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
процессов и оборудования] ^ [научно обоснованное замещение базовых компонентов производства инновационными]. Такой алгоритм наблюдается и в экструзионной индустрии мира с разнообразно востребованной продукцией для машиностроения, авиакосмоса, строительства, транспортных отраслей, сельского хозяйства и т. д., в том числе для ответственных применений в новой технике.
Заметим, что изменения финансово-экономического положения государств кардинально влияют на темпы и содержание этого прогресса. Например, судя по программам Международного семинара по технологии прессования ЕТ'16 в США [1] и других форумов, в настоящее время резко заторможено инновационное развитие экструзионной техники, что бывало и раньше, и наступил очередной этап оптимизации традиционного производства, по возможности дополняемого частными техническими решениями и новыми функциями в формате экономных моди-фикационных решений. Такие модификации подобны вариантам навесных орудий, придаваемых базовой машине. Некоторые современные примеры экструзионных «орудий»: варианты «умного контейнера» с регулированием параметров температурного поля; универсальные установки закалочного охлаждения прессуемых профилей воздухом, водой и «туманом»; многофункциональный инструмент для обратного прессования [2, 3]. Разумеется, имея обоснованное целевое назначение, такие модификации компонентов оборудования имеют сравнительно дозированное, но эффективное применение. При этом разработка модифицированных технологических процессов, оборудования и соответствующих устройств дополняет, но никогда не замещает их первоначальных, базовых предшественников, так как они не охватывают производственную номенклатуру пресс-изделий. Ценность модифицирования в том, что, как правило, достаточно экономно реализуются новые возможности улучшить качество, повысить производительность и добавить актуальную номенклатуру пресс-изделий.
Масштаб и многоотраслевой характер применения разнообразной продукции базового прямого прессования легких сплавов под-
тверждают целесообразность фокусировать и полнее использовать экономный формат модификаций для минимизации его родовых недостатков, подробно перечисленных ниже [2, 4, 5]:
1. Энергозатратность при чрезмерном пике технологического усилия прямого прессования «твердых» Al-сплавов [6], на преодоление которого требуется до 20% мощности привода гидропресса.
2. Постадийная нестационарностьтечения и деформации, которая ведет к неоднородности зеренной структуры и неравномерности механических свойств по длине пресс-изделий.
3. Поперечный градиент фронта течения металла, в том числе через радиально многоканальную матрицу, который ведет к браку по пресс-утяжинам и крупнокристаллическому ободку, а также формирует в пресс-изделиях неравномерное поперечное распределение механических свойств и зеренной структуры.
4. Пониженный уровень механических свойств в осевой зоне пресс-изделия.
5. Ограничения в предельных скоростях пластического истечения, что ведет иногда к экономически невыгодным показателям себестоимости и производительности, а также затрудняет поддержание экструдирования твердых Al-сплавов без трещинообразования.
6. Перепад технологического усилия от начала к концу процесса, иногда чрезмерный (до 40-50 %) для осуществления надежного программного регулирования скоростного и закалочного режимов.
Кроме того, необходимо особо отметить, что для такого базового прямого прессования стандартами вынужденно фиксируется уровень свойств и качества, зачастую как бы ограничивающий прогресс в машиностроении. При этом прямое прессование фактически непригодно для освоения производства ныне востребованных специальных изделий из алюминиевых сплавов с квазиизотропными и функционально градиентными свойствами, с повышенным уровнем прочности при технологически достаточной пластичности и т.д.
И так же приходится подчеркнуть, что в условиях базового горячего прямого прессования профилей для именно труднодеформи-руемых А1-сплавов (т. е. без технологической
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
смазки, в большинстве случаев не приемлемой) экструзионный процесс демонстрирует «выдающуюся» неравномерность (рис. 1, модели течения В1 и С) в сравнении с легкоде-формируемыми А1-сплавами (модель В) [7].
Изучив научные возможности позитивного воздействия на недостатки прямого прессования, а также рассмотрев варианты его допустимого замещения для решения особых задач производства специального сортамента пресс-изделий, автор определил методологию не только дальнейшего совершенствования этого базового процесса, вовлеченного
Обратное прессование
Рис. 1. Частная классификация характерных для промышленности моделей течения без смазки применительно к горячему прессованию «твердых» и «мягких» алюминиевых сплавов прямым и обратным способами [7]: Э, А1 и А - соответственно обратное прессование идеального сплава «без трения», «мягких» и «твердых» А1-сплавов; В и В1 и С - соответственно прямое прессование «мягких» и «твердых» А1-сплавов (без и с наличием перепада температур между заготовкой и контейнером)
6 7
Рис. 2. Типовая схема гидропресса для горячего прямого прессования:
1 - задняя поперечина; 2 - матричный узел; 3 - контейнер; 4 - пресс-штемпель с пресс-шайбой; 5 -прессующая траверса; 6 - главный цилиндр с плунжером; 7 - передняя поперечина
в 3/4 объема мировой экструзионной индустрии [2], но и поиска и реализацию на новых и реконструированных прессах некоторых инновационных способов прессования (см. например, [5-7]). При этом приняты во внимание соответствующие этому достоинства типового гидропресса прямого действия (рис. 2) [2] - сравнительная простота, надежность и преемственность целесообразных конструктивных изменений и дополнений [2, 5].
Что касается базового обратного прессования (впервые опробовано на специализированном горизонтальном гидропрессе в 1924-1925 гг. [2, 5]), то оно не может заместить прямое прессование, а лишь добавляет технологические возможности [2, 5] достижением долевой стабильности свойств полуфабрикатов при повышении вдвое производительности, дополняя общий список тремя другими недостатками:
7. Ухудшение качества поверхности прессованных полуфабрикатов в связи с возможностью перехода литейных дефектов и загрязнений с поверхности слитков - заготовок.
8. Технологически недостаточная интенсивность деформационной проработки литой зеренной структуры и, соответственно, пониженный уровень механических свойств, предопределенные пассивной схемой напряженно-деформированного состояния, содержащего некоторую сдвиговую составляющую только в ОЧПЗ*.
9. Резкое сужение номенклатуры конструкционных профилей по сравнению с прямым прессованием, чему причинами являются упрощение геометрии и ограничение фронта потока металла и проходного отверстия в трубчатом длинном шплинтоне - матрице-держателе, а также использование сравнительно примитивных малофункциональных матриц [3].
Если в отношении горячего процесса обратного прессования ранее фактически не принимались существенные технические решения по интенсификации сдвиго-деформа-ционной проработки зеренной структуры слитка, то в отношении горячего процесса
* ОЧПЗ - обжимающая часть пластической зоны. (см. рис. 1).
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
ств, МПа 400
350 300
250 -
200 -
5, % 25
20
15
- 10
150
Рис. 3. Изменение механических свойств в периферийном и осевом слоях прямо прессованных прутков из литого магниевого сплава (90 % Мд + 10% А)) в зависимости от степени обжатия (по Шмидту [10]): 1 - периферия; 2 - осевой слой
прямого прессования алюминиевых сплавов предлагались и рассматривались разные методы уменьшения его неравномерности [8, 9]. Большинство из них имели ограниченное действие и были малоэффективными, например: увеличение степени обжатия с увеличением диаметра контейнера (это следовало из известной закономерности (рис. 3); применение ультразвука и вибрации, а также антифрикционных покрытий рабочих поверхностей инструмента взамен технологических смазок. Последние, минимизирующие неравномерности экструзионного процесса, к сожалению, давно ограничивали в применении в связи с трудноустраняемыми вредными воздействиями на окружающую среду и нарушением пожаробезопасности [2, 10].
Научный подход к разработке основных идей модифицирования базовых способов прессования
Состояние наук и база данных исследований в области ОМД к середине 1960-х гг. вполне позволили автору сформулировать следующие новые положения:
А. Неравномерность течения и деформирования металла при горячем прямом прессовании без смазки (ПП) и деформирование слитка - заготовки с недостаточным проявлением макросдвиговой компоненты при го-
рячем обратном прессовании (ОП) [3, 6] должны быть ключевыми моментами аналитической разработки их модифицирования.
Б. Для совершенствования базовых способов прессования необходимы существенные изменения схем напряженно-деформированного состояния посредством определенных дополнительных кинематико-силовых воздействий (КСВ) на прессуемую заготовку извне и таким образом, чтобы вызвать требуемые позитивные изменения собственно характера деформирования в зоне контейнера и матрицы [5]. Возможностям воздействия металловедения здесь оставляются вторичные, зависимые позиции, например, при термическом изменении сопротивления деформированию для управления величиной позитивного фрикционно-силового воздействия и положением уровня механических свойств. Цели и назначения КСВ определяются для ПП и ОП в соответствии с пп . А и Б .
Из области используемых в 1960-х гг. модификаций способов традиционного прессования в рамки данной статьи вовлечены следующие.
- Близкое к изотермическому прямое прессование градиентно нагретой заготовки, осуществляемое тогда по заданию [10]:
At.
з/100 мм
= f(Hp, L3), иногда дополняемое tV* = f(Hp) для достижения t* ^ opt/const,
где At3/100 мм - заданное изменение температуры заготовки; L* - прессуемая длина заготовки; Нр - рабочий ход; tV* - заданная скорость пластического истечения профиля из матрицы; t* ^ opt - заданный для качественной пресс-закалки уровень выходной температуры профиля.
В настоящее время такая модификация базового ПП дополняется автоматическими системами и средствами градиентного нагрева заготовки в печи, обеспечением пирометрического контроля выходной температуры и адекватного изменения скорости истечения по ходу процесса.
Заметим, что этот модифицированный способ, постепенно улучшаемый, сущест-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Г
чччччч
Рис. 4. Аналитически разработанные схемы поперечно-углового прессования с использованием максимальных
касательных напряжений при истечении через матрицы с жестким наклоненным на 45 °каналом (а) и составные (б, в) каналы с компонентами в виде технологически активных валка (б)
ОИМ
или плиты (в) трения для (3):
1 - контейнер; 2 - наклоненный канал матрицы; 3 и 4 - валок и плита
с а
трения; тм и тм - сопротивляющееся и активное напряжения трения; w - направление истечения
венно повлиял на уменьшение проявлений недостатков 1, 2, 4-6 [2].
- Прямое прессование с истечением через боковую матрицу, осуществляемое на вертикальных гидропрессах фактически в традиционных режимах ПП, а также для определенных производственных задач, например, экструзионного покрытия кабелей оболочкой [11]. Новые элементы кинематики и характера деформирования заготовки в этих случаях тогда специально не изучались, хотя отмечались некоторые позитивы в отношении влияния на недостатки 1, 2, 3, 5, 6 [10].
Исходя теперь из этих и других научных положений и информационных данных, были аналитически разработаны для минимизации некоторых из указанных выше недостатков (1-9) базовых ПП и ОП следующие новые основные идеи их модифицирования (сокращенно ОИМ), которые рассмотрены и охарактеризованы ниже: ОИМ
лезное также для ОП и даже СПАТ* [5], может способствовать при его реализации снижению до 20 % энергозатрат и существенному выравниванию силовой загрузки гидропресса по ходу процесса ПП, что позитивно для борьбы с недостатками 1, 2, 4-6 и позволяет расширить номенклатуру и сортамент пресс-изделий;
ОИМ (2): уменьшение и поэтапная стабилизация в «установившейся» стадии ПП напряжения трения в контейнере по отношению к давлению на матрицу посредством поддержания тк/рм = ЦНр) ^ со^/т1п. Осуществляется, например, с помощью программного регулятора соответствующих граничных тем-пературно-скоростных условий [2, 5]. Разумеется, это надежнее реализуется при ПП после минимизации «пика» усилия соглас-ОИМ
но
ПП
(1) [6, рис. 3]. Как показано по-
зднее , технологические возможности такого аналитического решения, определенного в 1979-1980 гг. [5, 12], могут превосходить показатели изотермического прессования по эффекту в борьбе с недостатками
1-6, а в остальном первое, т. е. ОИМ (2)
требует более простых условий реализации в сравнении со вторым [2, 4, 12]; ОИМ
ПП
(3): комплексная интенсификация по-
(1): минимизация «пика» техноло-ПП, ОП
гического усилия посредством оптимизации в начальной стадии ПП температурного, скоростного, фрикционного и геометрического параметров, определяющих энергетически благоприятное деформационно-реологическое состояние прессуемой заготовки [6, рис. 3 и 4]. Это аналитическое решение, предложенное и проверенное, по-
зитивной компоненты пластического деформирования при ПП посредством смещения матрицы в угол контейнера с определенным наклоном ее канала и заменой типовой пластической зоны с соосным фронтом обжатия и сдвигорастяжения [4, 5] на увеличенный поперечно-угловой фронт обжатия с узкой зоной дополнительного
* СПАТ - скоростное прессование с технологически активным трением в контейнере (при КСВ ^ max) применительно к труднодеформируемым легким сплавам.
3
х
a
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
поперечного макросдвига и измельчения зеренной микроструктуры [5, 13]. Это аналитическое решение (определено в 1965-1967 гг.) [13] (рис. 4) может способствовать увеличению комплекса механических свойств (прочность, пластичность) и быть позитивным в борьбе с недостатками 1, 2, 4-6. Тогда же стала очевидной целесообразность организации для ответственных полуфабрикатов эффекта выравнивания течения вдоль поперечно-углового фронта, например, посредством зонального воздействия активных напряжений трения и сдвига от плиты или валка, ускоряющих периферийное течение [5, 13]; ОИМ
= 90'
Рис. 5. Схема выпуклой матрицы (с обратным конусом) для формирования компактной застойной зоны и интенсивного радиального течения с уплотнением периферийного слоя слитка
ОИМ
и выравниванием фронта течения для ■
(5):
ПП, ОП
а - характер течения свинца С1 при обратном прессовании через выпуклую матрицу (1967 г., [14]); б, в - схемы реологических механизмов для а > 90° и а = 90°; 1 - зона застоя; 2 - направление интенсивного течения; 3 - выравнивание фронтального течения
ПП
(4): интенсификация радиального те-
чения и обжатия в центральной зоне потока металла при снижении пика усилия ПП и осуществлении компактного сбора поверхностных загрязнений и дефектов слитка посредством замены типовой формы матрицы (плоской или конусной) на выпуклую (с обратным конусом) [5, 14] (рис. 5, а). Этот экструзионный эффект обнаружен автором на этапе поисковых исследований [5, 14] (см. рис. 5), а позднее он исследован полнее в Польше [15]. Суммируя результаты, можно аналитически определить целесооб-
ОИМ
разность проектирования
(4) для про-
ПП, ОП
изводства прессованных массивных полуфабрикатов с улучшенным качеством поверхности и повышенным уровнем деформационной проработки, а также как средство для существенного уменьшения недостатков 1, 3, 4, 6-8; ОИМ
ПП
(5): интенсификация ОЧПЗ при мно-
гократном снижении усилия ПП посредством дополнения ее периферийной зоной тангенциальных макросдвигов вокруг оси потока истечения через принудительно вращаемую матрицу, составленную из шаров или специальных роликов, изготовленных из инструментальной стали [5, 16] (рис. 6).
Впервые вращение обычной сплошной матрицы (волоки) для прессования (волочения) предложено Э. Зибелем [17] (рис. 6, а), который определил позитивность такого аналитического решения с переводом сопротивляющегося истечению трения на зеркале матрицы (волоки)в поперечно-тангенциальную плоскость. О пользе поперечного воздействия на поток раньше указывал Хилл [5]. А в данном случае ротационного прессования, сходного с радиальной ковкой, эффект такого аналитического решения неизмеримо больше [5, 16]
Рис. 6. Аналитические версии ПП для
ОИМ ПП
(5)
с интенсификацией ОЧПЗ тангенциальнымит{ (а) и ротационными х г (б) напряжениями и с приконтактными макросдвигами взамен напряжений сопротивляющегося трения при истечении через принудительно вращаемые типовую (а) [17] и шариковую (б) [16] матрицы; IV — направление скорости истечения
а
в
а
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
_
тз.к
\ Р L пш V
Рис. 7. Аналитические версии модификации ОП ОИМ
для
ОП
(6) с малым сдвиганием материала
заготовки в направлении истечения:
а и б - соответственно схемы ОП с малыми смещениями контейнера м и пресс- штемпеля ш; 1 - пресс-штемпель; 2 - контейнер; 3 - заготовка (слиток); 4 - матрицедержатель (шплинтон) с матрицей; 5 - гидропробка;
Рп.ш, Рк, Рм и ^п.ш, Ук, - силы и скорости, передаваемые пресс-штемпелю, контейнеру, матрице; тз.к -активное напряжение упругопластического сдвига в заготовке
12 3 4
[ г,- 1 1 F—Гм . -Li 1 / 1 j /
V—1
Рис. 8. Проектно -аналитическая схема для ОИМ (7)
составного шплинтона с профилированными вариантами (а, б) проходных отверстий и упругой закрепленной матрицей, обеспечивающая сохранение прочности на изгиб при обратном прессовании:
1 - узел матрицы; 2 - обойма; 3 - опорная плита; 4 -первый из 5-ти профилированных компонентов; 5 -регулируемый прижимной фланец; 6 - шплингтоно-держатель; 7 - проходное отверстие; 8 - упругое кольцо для очистки контейнера от пресс-рубашки
(рис. 6, б) за счет минимизации следующих недостатков базового прямого прессования круглых полуфабрикатов: 1 (достигнуто многократное снижение усилия), 2, 6. Однако при ПП модифицированием, согласно ОИМ/ПП (5), для легкодеформируемых (невязких) А1-сплавов недостатки 3, 4 и 5 должны усиливаться из-за неизбежной концентрации периферийных сдвигов близ зеркала и канала матрицы [16];
ОИМ
ОП
(6): организация при горячем обрат-
ном прессовании активного КСВ или напряженно-деформирующего воздействия на литую заготовку после распрессовки посредством ее периферийного упругопластического малого сдвигания (до 7-8 %) соосно контейнеру в направлении истечения [3, 5, 6] (рис. 7). Благодаря двум вариантам (а, б) этого нового аналитического решения с использованием технологически полезного малого сдвига достигается необходимый для ОП минимум деформационной обработки зеренной структуры при залечивании периферийных дефектов слитка даже вне ОЧПЗ [5], что логично должно повлиять на уменьшение недостатков 7 и 8 и на увеличение прессуемости труд-нодеформируемых А1-сплавов с повышением предельных скоростей истечения;
ОИМ
ОП
(7): аналитико-проектное решение
по осуществлению при обратном прессовании заданных конфигураций конструкционных пресс-изделий из слитков-заготовок повышенной длины (^з/Оз > 7) посредством замены типового трубчатого шплинтона - матрицедержателя на сборный, составленный в обойме из блоков с соответствующими наборами конфигурации проходного отверстия (например, а, б) и поперечными люфтами, предусмотренными для исключения разрушения шплинтона от продольного изгиба, при этом на шплинто-не размещается упругая матрица [3, 5] (рис. 8). Заметим, что эта аналитико-про-ектная разработка, имеющая существенные различия с техническим решением, появившимся раньше в США [18], может при
1
a
4
м
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
оснащении ее техническими средствами ОИМ
из
ОП
(6) и из работы [3] минимизиро-
вать все недостатки ОП - 5-7 (ноу-хау).
Рассмотрение предложенных вариантов модифицированных способов прямого и обратного прессования
Раздел подготовлен также с использованием методологии аналитической обработки публикаций автора, соответствующих каждому рисунку и сопутствующей информации.
Рассматриваемые ниже варианты модифицированных (частично видоизмененных) способов прессования (они могут дополнять базовые способы по аналогии с «навесными орудиями») предложены и разработаны с учетом основных идей модифицирования (ОИМ) и данных об определенных ранее автором особых экструзионных (физических) эффектах и деформационно-реологических состояниях (ЭЭ и ЭС), научно формализованных [6].
Соответственно проектной глубине разработки и имеющейся экспериментальной проверке вариантов, исходная база данных к этой работе содержит сведения и изобретения, в том числе ноу-хау, а также аналитические заключения о дополнительной оснастке, приборном обеспечении, технологических особенностях модифицированных способов, результатах их проверки или оценки и перспективах применения.
Предложены и здесь рассматриваются в качестве дополнений применительно к традиционным экструзионным технологиям ряд отобранных модификаций способов горячего прессования:
- (1) Вариант прямого прессования с минимизацией «пика» технологического усилия
до 4-9% от РПП(тах) для ОИМ (1) [6, 12].
Суть технического решения - ноу-хау.
Суммарный технологический эффект: обеспечение надежного применения на гидропрессе и в составе поточной линии программируемой системы регулирования и стабилизации скорости прессования; созда-
ние энергетического запаса до 15 % на гидропрессе для освоения дополнительного сортамента пресс-изделий при значительном повышении его производительности на освоенном ранее сортаменте [6, рис. 3, а, в]; минимизация ряда родовых недостатков ПП ОИМ
для
ПП
(1).
Необходимое приборное обеспечение ти -пового гидропресса для оптимизации режима начала ПП: термопары для зоны «матрица + контейнер»; измерители скорости и усилия прессования.
Части общего технического решения практически проверены в опытных исследованиях на БКМЗ и СМК с использованием заготовок из сплавов АМц2, АД31 и Д16 [5, 12]. Можно добавить, что смежное с этим техническое решение определено и разработано [19] для минимизации «пика» усилия холодного скоростного прессования ([6], рис. 12).
- (2) Вариант прямого прессования в изо-фрикционном и квазистационарном термо-
ОИМ
деформационном режимах для
ПП
(2)
[5,6, 12].
Суть технического решения - ноу-хау.
Суммарный технологический эффект: обеспечение по ходу Нр постадийного установившегося характера истечения, определяемого стабилизацией соотношения напряжений трения в контейнере к давлению на матрицу (тк/рм = f(^) ^ const), что ведет к снижению неравномерности механических свойств и уменьшению неоднородности зе-ренной структуры по длине пресс-изделий, а также минимизации дефектообразований; значительное повышение предельных скоростей истечения труднодеформируемых Al- и Mg-сплавов; нормализация перепада технологического усилия от начала к концу процесса ПП, особенно при использовании режима распрессовки по варианту (1); минимизация ряда родовых недостатков ПП для ОИМ
ПП
(2).
Дополнение к составу типового гидропресса для ПП: специальный контейнер с программируемым регулированием температуры и на-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 9. Проектно -функциональная схема контейнера с регулируемым температурным полем
по его длине [3, 5] для ОИМ (2)"'
1 и 2 - соосно расположенные кольцевые части рабочей втулки контейнера; 3 и 6 - терморегулирую-щие элементы; 7 - термопары; 4 - теплоизоляционные прикладки; 5 - проводники электротока; 8 - полости для жидкого охладителя
пряжения трения в его рабочей полости [5, 12] (рис. 9); инфракрасные пирометры для загружаемой в контейнер заготовки и выходящего из матрицы пресс-изделия, которые находятся в общей системе управления режимом изофрикционного процесса ПП; на пусковой стадии используется датчик усилия на матрице .
Части общего технического решения автором практически проверены в исследованиях на БКМЗ [5] и на предприятии компании LG Cable Aluminum Division [20].
- (3) Вариант прямого прессования через ОИМ
угловую матрицу для
ПП
(3) с комплексной
интенсификацией и выравниванием посредством активных напряжений трения поперечно-углового фронта течения и обжатия в ОЧПЗ [21] с дополнительной плоской зоной развития макро- и микроструктурных сдвигов
[22] (вариант УИП* - угловое интенсивное прессование).
Суммарный технологический эффект УИП*: повышенные уровни средней степени деформации и механических свойств (прочность, пластичность) благодаря геометрически увеличенному поперечному сечению смещенного ОЧПЗ близ матрицы и развитию в нем микросдвигов, измельчающих зеренную структуру [13, 22]; дополнительное повышение и стабилизация этого уровня за счет вовлечения активных напряжений трения в зону затрудненного течения [21] (см. рис. 4, б, в); повышение производительности; минимизация ряда родовых
ОИМ
недостатков ПП (см. выше описание
ПП
(3))
при изготовлении массивных прессованных полуфабрикатов или промежуточных заготовок.
Дополнение к составу типового гидропресса для ПП: специальная проставка к контейнеру, включающая узел угловой матрицы и, дополнительно, примыкающее к нему со стороны выхода из полости контейнера устройство, передающее через контакты с заготовкой и частью формируемого и прессуемого полуфабриката заторможенной зоне материала активное напряжение и скорость трения, заданно интенсифицирующих течение и пластическую деформацию материала (вариант УИП*) [5, 21] (см. рис. 4, б, в).
Это аналитико-проектное решение опирается, в основном, на данные физического моделирования варианта УИП в горячем режиме (заготовки из свинца С1 и алюминия А00) [5, 13] и более полные результаты аналитического исследования варианта УИП* - углового интенсивного прессования с обжатием и указанным выше фрикционным воздействием технологически активного трения на материал в глухой части ОЧПЗ [5, 22].
Начало практическому применению УИП* может быть осуществлено при изготовлении технологического модуля на базе выбранного автором гидропресса усилием 7,5 МН [23] (ноу-хау).
- (4) Вариант использования гидропресса прямого действия для равноканального углового деформирования с активным сдвигом (РКУД) в качестве улучшенной версии взамен РКУП [24].
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
РКУД (как и РКУП, без обжатия**) снабжено аналогично УИП* из технической версии по варианту (3) фрикционным устройством для выравнивания и интенсификации пластического течения в плоской зоне измельчения зеренной структуры. Это позволяет при РКУД устранить свойственную РКУП поперечную неравномерность распределения деформаций и, соответственно величин фрагментов зеренной структуры [22, 24], что может быть реализовано в опытно-промышленных условиях эксплуатации указанного выше модуля (см. вариант (3). Поскольку способ РКУП, получивший распространение по университетам и лабораториям мира как средство желаемого изменения характеристик сплавов, имеет крупные недостатки [22, 24], то логична его замена на способ РКУД с активным сдвигом.
Проект реализации варианта (4) привлекателен также тем, что с его помощью выстраивается новое направление развития базового прямого прессования за счет использования идеальной для ПП промежуточной заготовки из «твердых» А1-сплавов после ее преобразования в условиях рассмотренного здесь РКУД. «Идеальность» такой промежуточной заготовке придают ее новые свойства -достаточная однородность измельченной зе-ренной структуры и повышенная пластичность (даже сверхпластичность) [22, 24], исключающие чрезмерно неравномерный характер течения при базовом ПП (см. рис. 1, В1, С), а также создающие на последующем этапе технологической цепочки эффект качественной закалки на прочность в отношении пресс-изделия [22].
Заключение
Как известно, экструзионные гидропрессы весьма долговечны, поэтому логична общая рекомендация оснащать их дополнительными устройствами, модифицированными способами и системами управления для увеличения технологических функций и произ-
** РКУП - равноканальное угловое прессование -названо так автором этого способа В.М. Сегалом не вполне корректно, поскольку при РКУП не происходит экструзионного обжатия на выходе из контейнера в отсутствие матрицы.
водственных возможностей посредством освоения модифицированных базовых способов прямого и обратного прессования. Их удобно рассматривать в машиностроительном формате «навесных орудий» к базовой машине.
Предложенные здесь варианты (1-4) как модификации ПП и ОП целесообразны не только для несложного расширения функциональных возможностей базового оборудования и повышения его технико-экономических показателей, но и как средства минимизации родовых недостатков этих способов и решения специальных технологических задач освоения новых пресс-изделий.
Поскольку в настоящее время инновационная тенденция развития экструзионной индустрии временно уступила место продолжению проектов оптимизации и экономных усовершенствований базовых технологий и оборудования, то, по мнению автора, целесообразно вернуться к более внимательному рассмотрению технико-коммерческих возможностей вовлечения в действующее производство пресс-изделий из легких сплавов известных модификаций, не требующих больших капитальных затрат. Заметим, что в соответствующем списке аналитически и проектно разработанных модификаций для дополнения базовых способов прессования уже содержится не менее тридцати технических решений, включая десяток от автора с сотрудниками.
Между тем в промышленном применении числятся относительно немногие модификации, хорошо себя показавшие. В их числе автор хотел бы упомянуть известные специалистам частично видоизмененные способы прямого прессования: с изотермическим истечением; с градиентным нагревом заготовок; с обеспечением оптимального взаимодействия режимов экструдирования и пресс-закалки профилей; с предварительной прошивкой заготовки центрированной пресс-иглой; с задаванием программным регулятором величины снижения скорости ПП в начальной стадии; по схемам экономичного использования гидропрессов пониженной энергоемкости; с поддержанием режимов экструдирования сверхпластичных сплавов, оптимальных по факторам достигаемой минимизации некоторых родовых недостатков ПП.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Учитывая опрометчиво сдерживаемое в экструзионном мире инновационное развитие, можно предложить открыть ему дорогу в нашей
стране, имеющей изобилие соответствующих технических решений в форматах модификаций и новаторских предложений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
The 11th Int-l Alum. Extrusion Technology Seminar: Innovations for Tomorrow - Seminar Sessions Schedule (120 + technical presentations & Exposition-ET'16) // ET Foundation-Wauconda Illinois-60084, USA. May 2-6, 2016. Chicago.
2. Баузер М., Зауэр Г., Зиберт К. Прессование: Справ. пособие / Пер. с нем. под науч. ред. Бережного В.Л. - М.: Алюсил МВиТ, 2009. - 918 с.
3. Бережной В.Л. Расширение производственных возможностей обратного прессования на основе функционального развития инструмента // Технология легких сплавов. 2008. № 1. С. 72-82.
4. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. 2-е изд. - М.: Металлургия. 1975. -448 с.
5. Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И.
Прессование с активным действием сил трения. -М.: Металлургия. 1988. - 296 с.
6. Бережной В.Л. О научной формализации и использовании определенных физических эффектов и состояний.Часть I. Область традиционного прессования//Технология легких сплавов. 2015. № 4. С. 72-87.
7. Benedyk J.C. Review and Analysis of Emerging Process. Part II: The Evolving Rolle of Friction in Hot Extrusion // Light Metal Age. 2001. V. 59. № 9-10. P. 6-14.
8. Бережной В.Л. Анализ современных методов уменьшения неравномерности деформации при прессовании / В c6.: Формоизменение при обработке металлов давлением. - Ростов-на-Дону: Ин-тс.-х. машиностроения, 1970. С. 58-72.
9. Колпашников А.И., Вялов В.А. Гидропрессование металлов. - М.: Металлургия, 1973. - 296 с.
10. Перлин И.Л. Теория прессования металлов. -М.: Металлургия. 1964. - 344 с.
11. Мюллер Э. Гидравлические прессы и их приводы. Прессы для прессования легких и цветных металлов выдавливанием и кабельные прессы. -М.: Машгиз.1962. - 264 с.
12. Бережной В.Л. Прямое и обратное прессование с оптимизацией деформирующего воздействия трения // Технология легких сплавов. 1998. № 1. С.43-50.
13. Охрименко Я.М., Бережной В.Л. Особенности и возможности углового прессования с наклоненным каналом матрицы // Известия вузов. Черная металлургия. 1969. № 9. С. 125-127.
14. Охрименко Я.М., Бережной В.Л. Анализ результатов и перспективы процесса прессования с активным трением / В сб.: Обработка давлением металлов и сплавов. - М.: ВИЛС, 1971. С. 28-37.
15. Kazanowsky P., Libura W., Sliwa R. Effect of Convex Die Geometry on Process Parameters During Extrusion // Proc. 8th Int.-l Al. Extr. Technol. Seminar. May 18-21, 2004, Orlando, Fl., USA.V. II.P. 143-150.
16. Охрименко Я.М., Бережной В.Л., Батта А.А. Способ ротационного прессования через вращающуюся шариковую матрицу / Тезисы XXI На-учно-техн. конф. - М.: МИСиС. 1967. С. 27-28.
17. Зибель Э. Обработка металлов в пластическом состоянии / Пер. с нем. - М.-Л.-Свердловск: ОНТИ. 1934. - 200 с.
18. Pickens R. Indirect Extrusion and the Texas Press // Light Metal Age. 1978. V. 36. № 1-2. P. 6-8.
19. Бережной В.Л., Мороз Б.С. Совершенствование процессов холодного прессования: учеб. пособие. - М.: Машиностроение. 1991. - 46 с.
20. Berezhnoy V.L., Hahn K.-H. and Chang J.V. Extrusion Defects: Conditions of Formation and Metods of Prevention // Light Metal Age. 1999. № 3-4. P. 66-74.
21. А. с. 550194 СССР. Устройство для поперечно-углового прессования изделий / Бережной В.Л., Охрименко Я.М. Опубл. 1977. Бюл. № 10.
22. Berezhnoy V.L. Intensive Microshearing with Grain Refinement: A Scientific Proposal for Advancing Basic Extrusion Technology // Light Metal Age. 2007. April. № 3-4. P. 12-23.
23. Бережной В.Л. О развитии методов исследования трения для оптимизации прессования на базе экспериментально- промышленного модуля // Технология легких сплавов. 2009. № 4. С. 62-72.
24. Бережной В.Л., Казимов И.В. Подходы к решению проблем неравномерности деформирования и многоцикловости при РКУП // Технология легких сплавов. 2009. № 2. С. 91-100.
