CC BY
53
ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.777
Горохов Ю.В., Солопко И.В.
СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ПРЕССОВАНИИ МЕТАЛЛА СПОСОБОМ КОНФОРМ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ИНСТРУМЕНТА
При проектировании технологических режимов обработки металлов давлением оптимизация конструкции и формы инструмента путем изучения и анализа характера течения металла в деформационной зоне является одной из задач, решение которой способствует повышению качества изделий и минимизации энергозатрат на деформирование заготовки.
В способе непрерывного прессования Конформ выдавливание металла в отверстие матрицы осуществляется силами контактного трения по поверхности кольцевого ручья приводного колеса с подаваемой в него прутковой заготовкой. В связи с этим величина контактной площади заготовки с инструментом во многом определяет давление прессования, крутящий момент на валу колеса и мощность электропривода установки, т.е.
э нер го сило вые пар ам етры деф ор м ир ования м еталл а. При захвате тремя сторонами прямоугольного ручья вращающегося колеса прутковой заготовки происходит ее незначительное обжатие и продвижение вдоль контейнера, образованного путем сопряжения ручья и неподвижного кольцевого сегмента с установленной в нем матрицей. Сегмент заканчивается выступом, перекрывающим поперечное сечение контейнера, в который упирается передний торец заготовки и ее продольное перемещение прекращается. После этого происждит распрессовка заготовки с заполнением металлом всего поперечного сечения контейнера и нарастанием площади контакта между ними до момента достижения сил активного трения величины, достаточной для выдавливания металла в канал матрицы.
Таким образом, контейнер по длине разделяется на две зоны: первая - зона неполного контакта метал-
ла с боковой поверхностью контейнера при небольшом обжатии заготовки после подачи ее в ручей колеса; вторая - зона полного контакта металла по сечению контейнера в результате распрессовки заготовки осаживанием (рис. 1).
Зона неполного контакта должна обеспечивать давление, необждимое на распрессовку заготовки по сечению контейнера в зоне полного контакта до момента создания давления для экструдирования металла. Зона неполного контакта непрерывно подпитывает зону полного контакта металлом, скорость продольного движения которого к матрице относительно скорости вращения колеса определяется соотношением
ипр =^
(1)
Рис. 1. Зоны неполного (А-А) и полного (Б-Б) контакта заготовки с поверхностью контейнера
где и - скорость прессования, м/с; ик - скорость вращения колеса, м/с; 53, - соответственно площадь по-
перечного сечения заготовки и контейнера, мм2.
Поперечное сечение контейнера - обычно прямоугольной или квадратной формы [1]. Три стороны ручья колеса за счет контактного трения в зоне полного контакта подают металл к матрице, преодолевая силу трения по четвертой, неподвижной стороне кольцевого сегмента, что приводит не только к неравномерности продольного движения металла по высоте сечения контейнера, но и к образованию «жесткой» области в приконтактном к сегменту слое, т.е. «зоны прилипания». Для исключения возникновения этого явления необждимо определить оптимальное соотношение между шириной и высотой поперечного сечения контейнера с использованием элементов вариационного исчисления.
Результаты экспериментов [2] показывают, что на силовые условия процесса непрерывного прессования металла существенное влияние оказывает величина вждного угла матрицы. Это связано с тем, что размеры поперечного сечения контейнера в установках Конформ гораздо меньше по величине его размеров при традиционном прессовании, что обусловливает большее влияние контактного трения во входной зоне пресс-матрицы при непрерывном прессовании металла на силовые параметры процесса.
Исждя из вышеизложенного оптимизация разме-
ров и формы деформирующего инструмента для осуществления прессования металлов способом Конформ проводится в следующей последовательности:
• определяется соотношение высоты и ширины прямоугольного сечения контейнера, при котором поверхность неподвижной его части является границей пластической области по высоте заготовки, движущейся вдоль контейнера к матрице;
• рассчитывается значение вждного угла пресс-матрицы, обеспечивающее минимальную вели -чину удельной силы прессования;
• при заданных размерах стенок контейнера вы -числяется протяженность зоны полного контакта с ним материала заготовки для создания сил контактного трения на осуществление процесса прессования и определяется длина зоны неполного контакта.
Распределение и величина жестких зон в выдавливаемом из контейнера прямоугольного сечения металле во многом зависит от соотношения размеров сторон поперечного сечения контейнера. При оптимизации этого соотношения поперечное сечение рас-прессованной в зоне полного контакта заготовки будет полностью охвачено сдвиговыми деформациями.
Путем решения трансцендентного уравнения, приведенного в работе [3], получены оптимальные значения отношения высоты поперечного сечения контейнера И к его ширине Ь при различных величинах коэффициента трения, представленные в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что при /1 = 0,5 оптимальная форма поперечного сечения контейнера представляет квадрат, т.е. Я1 - Я = И= Ь .
Значение входного угла матрицы Р (рис. 2), при котором достигается минимум удельной энергии на формоизменение металла при прессовании Ыф и преодоление трения по боковой поверхности матричного конуса N, определяется из выражения (без учета затрат энергии на трение по калибрующему пояску):
N 0 = Nф + N
(2)
при условии равенства нулю первой производной функционала энергии по входному углу
N
др
= 0.
(3)
В результате решения выражения (3) получена формула суммарной мощности в очаге деформации при непрерывном прессовании металла
Таблица 1
Результаты расчетов оптимального соотношения ЫЬ от величины коэффициента трения/
/ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
]=ЫЪ 4,49 2,49 1,66 1,25 1 0,83 0,71 0,62 0,55 0,49
Ыо = 2 ^оЬ 1П1 -
Я \ ( 2/2
1
(12 + 2 -122
яп2£ 27!§2у0
з
(4)
1)
где Б0 - площадь основания вждного конуса матрицы, 00 = ж Я2, мм2; и0 - продольная составляющая
скорости на входе в деформационную зону, ЬИ .
и =и ------, м/с; г„ - среднее касательное напряже-
0 45 кЯ2 0
Сто
ние, г8 = —=, МПа; о8 - предел текучести металла в ^3
деформационной зоне, МПа; /2 - коэффициент трения по боковым поверхностям входного конуса матрицы; Я - радиус основания входного конуса матрицы, мм; г - радиус калибрующего отверстия матрицы, мм.
В силу трансцендентности выражения (4), задачу отыскания оптимального значения входного угла Р можно решить численно. Результаты расчетов на ЭВМ в программном приложении МаШСаё оптимального значения Р при г = 1,5 мм; Я = 3 мм, и = 0,15 м/с, = 70 МПа и различных коэффициен-
тах трения /2 приведены в табл. 2. Эти значения соответствуют минимальному значению мощности Ы0.
Из таблицы видно, что при /2 = 0,5, Р = 1268 рад, Р= 72,7°.
Протяженность зоны полного контакта прутковой заготовки со стенками контейнера рассчитывается по уравнению баланса мощностей сил активного трения по поверхности ручья колеса, необходимых на формоизменение металла и преодоление реактивных сил терния по неподвижному инструменту.
N = N + N
А 1УТ ^ Сп
(5)
где Ыо - мощность, подводимая в очаг деформации, Вт; Ыт - мощность сил трения по кольцевому сегменту, Вт.
(6)
где Опк - площадь поверхности ручья колеса в зоне полного контакта, мм2.
Таблица 2
/ / Результаты расчетов
/ і /2 Щ, кВт Р, Рад
/л 0,1 1,304 0,923
/ ^ 0,2 1,655 1,079
Т С/ 0,3 2,044 1,167
Г,| 1 ■М / 0,4 2,467 1,225
/ 0,5 2,937 1,268
/ / 0,6 3,448 1,301
/ / Т 0,7 3,997 1,327
0,8 4,582 1,348
0,9 5,219 1,366
Рис. 2. Входной конус матрицы 1 5,89 1,381
°пк =( 2И + Ь )
где щ - центральный угол, отвечающий дуге полного контакта металла с ручьем, рад.
Ыт =а5/2ипрЬЯ1^1. (7)
Подставив в уравнение (5) выражения (4), (6) и (7), при условии / = /2 = / решим его относительно щ, определяющим протяженность зоны полного контакта: 2ЬИ [ * )
Щ = ^—/------------------------—-тх
-Ц/ (( 2И+Ь) Яг - ЬЯ.) (8)
( 9 / 1 ( 3 3 ЛЛ
X —+-------------- — I (12 + 91§2^)2 -122 .
^ ял 20 21\<£ $ V ))
Основная функция зоны неполного контакта заготовки с поверхностью контейнера - развитие давления, необходимого для заполнения металлом сечения ручья колеса в зоне полного контакта перед матрицей. От протяженности зоны неполного контакта зависит центральный угол охвата кольцевым сегментом ручья колеса, оказывающего влияние на энергосиловые параметры процесса непрерывного прессования.
Для оценки протяженности зоны неполного контакта при подаче в контейнер квадратного сечения круглого прутка в работе [2] предложена формула,
и
Рис. 3. Схема экспериментальной установки для непрерывного прессования методом Конформ:
1 - приводное колесо с калибром; 2 - кольцевая вставка;
3 - заготовка; 4 - упор; 5 - месдоза момента; 6 - матрица; 7 - месдоза давления; 8 - пресс-изделие; 9 - упорная гайка; 10 - термопара; 11 - усилитель; 12 - осциллограф
полученная с использованием метода тонких сечений и аппроксимации экспериментальных данных.
1 + 3,65 ((ё/Ь)2 -1) Ь
^2 = -----------------------------------/. ч2 Ч ' , (9)
7,3 ((ё/Ь) -1)Як/
где ё- диаметр прутковой заготовки, мм.
Суммируя углы щ и ^2, находим угол охвата кольцевым сегментом ручья приводного колеса <£> а протяженность контейнера определится выражением
4оНТ = Як (^ + % ) = Як^. (10)
Проверка правильности полученных теоретических зависимостей осуществлена серией опытов на лабораторной установке Конформ (рис. 3).
В первом опыте по определению оптимальной
в
Рис. 4. Координатная сетка образцов, отпрессованных из заготовки высотой:
а - 9 мм; б - 8,5 мм; в - 8 мм
высоты сечения контейнера использовались три составных свинцовых образа высотой 9; 8,5 и 8 мм длиной 150 мм, состоящих из двух половин шириной
4 мм. На внутреннюю сторону одной из половин образца наносили с помощью инструментального микроскопа координатную сетку с шагом 2 мм. При прессовании образцов высота контейнера составляла соответственно 9; 8,5 и 8 мм, применялась плоская разъемная матрица с отверстием диаметром 3 мм.
На рис. 4 показаны темплеты половин отпрессованных образцов после их разъединения. Искажение поперечных линий координатной сетки показывает, что жесткие зоны в приграничном с неподвижной стороной контейнера слое полностью отсутствуют при прессовании образца высотой 8 мм, что соответствует расчетным значениям для квадратного сечения контейнера при коэффициенте трения/= 0,5 (см. табл. 1).
Значению минимальной протяженности зоны полного контакта, необходимой для выдавливания металла в матрицу, соответствует длина пресс-остатка, оставшегося в ручье колеса после полной отпрессовки аналогичных предыдущему опыту образцов из контейнера сечением 8x8 мм, через плоские матрицы.
Проверка достоверности значений, рассчитанных по формуле (8), проводилось прессованием алюминиевых образцов диаметром 8,2 мм и длиной 10 мм через плоские матрицы из контейнера сечением 8x8 мм. После прекращения истечения металла в матрицу замеряли длину пресс-остатка в ручье колеса. В случае применения плоских матриц величина угла Р принимается равной 45° [2]. Коэффициент трения/во всехопытах - равным 0,5.
Расчетные и экспериментальные значения минимальной длины зоны полного контакта металла с контейнером сведены в табл. 3.
Таблица 3
Значения минимальной длины зоны пресс-остатка
Диаметр Диаметр Коэффи- Длина зоны
заготовки, проволо- циент пресс-остатка, мм
мм ки, мм вытяжки Эксперимент Расчет
8,2 1,54 27,0 37,5 39,9
8,2 1,86 18,5 32,2 33,67
8,2 2,58 9,6 27,4 24,26
8,2 3,28 5,9 20,0 17,36
Анализ этих данных показывает удовлетворительную сходимость практических и теоретических
результатов.
Список литературы
1. Непрерывное лит ье-прессование цвет ных мегаллов / Сергеев В.М., Горохов Ю.В., Соболев В.В., Нестеров Н.А. М.: Металлургия, 1990. 85 с.
2. Корнилов В.Н. Непрерывное прессование со сваркой алюми-ниевых сплавов. Красноярск: Изд-вопед. ин-та, 1993. 216 с.
3. Расчет параметров деформационной зоны при непрерывном прессовании способом Конформ / Ю.В. Горохов, Н.Н. Загиров, И.Ю. Губанов // Металлы. 2004. № 4. С. 113-116.
List of literature
1. Continuous transfer molding of non-ferrous metals / Sergeyev V.M., Gorokhov Yu. V., Sobolev V.V., Nesterov N.A. M.: Metallurgy, 1990. 85 p.
2. Kornilov V.N. Straight-through extrusion with aluminum alloys welding. Krasnoyarsk: teachers training university press, 1993. 216 p.
3. The calculation of deformation zone characteristics when applying straight-through extrusion by Conform method / Yu.V. Gorokhov, N.N. Zagirov, I.Yu Gubanov // Metals. 2004. № 4. P. 113-116.
УДК 621.383.8
Вдовин КН., Дубский Г.А., Егорова Л.Г., Созонов С.О.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДОЗЫ ПОРОШКА, ВЫСТРЕЛИВАЕМОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ПУШКОЙ*
Для повышения технологических и производственных показателей работы кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок, до их включения в рабочий режим, как правило, модифицируют, т.е. на рабочие стенки наносят необходимые технологические покрытия с заданными физико-механическими свойствами. В настоящее время наибольший интерес представляет газодетонационный способ нанесения покрытий, относящийся к газотермическому методу.
При газодетонационном способе получения покрытий на их эксплуатационные качества оказывает влияние очень большое число внешних и внутренних
* Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по науке иинновапииРФ (шсконтракт № G1.740.11.G5G9).
факторов. Так, для достижения высокой адгезии (окд> 100 МПа) покрытия с подложкой (стенкой кристаллизатора) основными факторами являются температура в контактной зоне (частица-подложка) Тк и кинетическая энергия налетающих частиц Е* или их скорость V (при выполнении всех других технологи-ческихусловий).
В работе [1] предлагается уравнение для расчета активности то по химической реакции, протекающей в зоне контакта частица-подложка при формировании покрытия. Она имеет следующий вид:
ёЫ , ч Г -Е ]
— = (Ы0 - Ы)уехр \ ^\ , (1)
& [«1кТк +а2 Ек \
