Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы в России широко развивается отрасль производства банок под напитки. Заводы-изготовители банок находятся под Москвой, Санкт-Петербургом, Челябинском и Новочеркасском. Всего в России пять предприятий с суммарным выпуском 5 миллиардов единиц тары в год. Баночная тара состоит из трех компонентов: корпус банки, крышка и ключик. И, если ленту для корпусов банок Самарский металлургический завод выпускает с начала 2000-х годов и на 95% обеспечивает потребности рынка, то выпуск «крышечной» ленты в России не был освоен, и 100% объемов закупалось за границей.
Это было связано с отсутствием необходимого оборудования для финишной обработки и нанесения лака на ленту. В 2009 году на Самарском металлургическом заводе начался первый этап освоения новой технологии производства тонких лент (S < 0,22 мм) из алюминиевого сплава 5182 для последующей штамповки крышек.
Особенностью детали «крышка» является то, что она обладает сложным геометрическим профилем и эксплуатируется под давлением. Следовательно, лента-заготовка должна обладать рядом взаимоисключающих требований, таких как высокая прочность при обеспечении достаточной пластичности. При этом, из-за неблагоприятной анизотропии свойств, обусловленной развитой текстурой прокатки, получение заданных механических свойств в каком-либо направлении не гарантирует пригодность ленты для листоштамповочных операций и последующей эксплуатации крышки. Вследствие этого, при начальных поставках ленты, полностью соответствующей стандартным требованиям спецификации по механическим свойствам, не прошла квалификацию из-за разрывов во время штамповки крышки, либо разрушения уже готовой крышки при испытаниях на выпучивание.
Таким образом, разработка термомеханических режимов прокатки тонких лент из сплава 5182, обеспечивающих повышение их параметров штампуемости и эксплуатационных свойств изделий, является весьма актуальной.
Целью диссертационного исследования является разработка механизмов и термомеханических режимов прокатки тонких лент из высокопрочного алюминиевого сплава 5182 с рациональным для комбинированной штамповки комплексом механических свойств и анизотропии.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
-
Провести теоретический анализ напряженно-деформированного состояния заготовок в процессе комбинированной штамповки тонких лент для определения требуемой пластичности и анизотропии.
-
Провести экспериментальные исследования по определению уровня прочностных свойств, необходимого для работы крышки под давлением.
-
Определить уровень требуемых механических свойств холоднокатаной ленты с учетом её последующего разупрочнения при нагреве в процессе сушки лакового покрытия.
-
Исследовать влияние напряженно-деформированного состояния и температурно-скоростных параметров горячей прокатки на формирование компонент текстуры и анизотропию свойств горячекатаных лент.
-
Разработать технологию прокатки, обеспечивающую получение лент с заданным комплексом механических свойств и анизотропии.
Область исследования. Закономерности пластического деформирования материалов и создание технологий производства заготовок высокого качества.
Объект исследования. Процессы прокатки и листовой штамповки тонких лент из высоколегированных алюминиевых сплавов.
Предмет исследования. Параметры штамповки и термомеханические режимы формирования уровня механических свойств и анизотропии при прокатке высокопрочных лент из алюминиевого сплава 5182.
Методы исследования.
В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ, экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях. Теоретический анализ первой и последующих операций комбинированной штамповки производился с помощью метода конечных элементов в программном комплексе РАМ-STAMP. Предельные возможности формоизменения оценивались с помощью критерия исчерпания запаса пластичности В.Л. Колмогорова.
Моделирование текстурообразования при горячей прокатке производилось на основе уравнения Аврами с учетом накопленной деформации и степени разупрочнения в каждой клети. В расчете температур и энергосиловых параметров стана применены инженерные методы теории пластичности и теплообмена.
При определении механических свойств, компонент текстуры и анизотропии ленты использовалось современное испытательное оборудование и регистрирующая аппаратура Центральной заводской лаборатории СМЗ, лаборатории кристалло-структурных исследований ИМЕТ РАН.
Окончательные экспериментальные исследования проводились в производственных условиях на действующем оборудовании. Обработка лабораторных и промышленных экспериментов производилась методами математической статистики.
Научная новизна.
-
Проведен анализ процесса комбинированной штамповки детали сложного профиля.
-
Установлен требуемый уровень механических свойств для повышения штампуемости ленты-заготовки.
-
Разработана математическая модель формирования компонент текстуры и анизотропии свойств при горячей прокатке в непрерывных группах стана.
-
Получена зависимость доли текстуры проката от накопленной деформации.
5. Определены формулы зависимости доли текстуры куба от температуры
металла в процессе горячей прокатки. Практическая ценность работы.
-
Уточнены параметры прочности, пластичности и анизотропии свойств, обеспечивающие устойчивый процесс формообразования крышки и отсутствие разрушений при выпучивании.
-
Предложена формула для определения минимального значения предела текучести, обеспечивающих устойчивую работу крышки под заданным давлением в уставленном диапазоне толщин ленты.
-
Определены требования к текстуре, обеспечивающей минимальный уровень фестонообразования в процессе штамповки тонких лент.
-
Разработана и внедрена в серийное производство технология горячей и холодной прокатки лент из сплава 5182, с рациональным комплексом механических свойств и анизотропии.
Положения, выносимые на защиту.
-
Результаты анализа напряженно-деформированного состояния в процессе формообразования крышки.
-
Расчет минимальных пластических свойств ленты для обеспечения процесса формообразования без разрушения с учетом накопленных деформаций на всех стадиях изготовления детали.
-
Математическая модель формирования текстуры при горячей прокатке в непрерывной группе стана с учетом степени рекристаллизации после каждого прохода.
-
Методика определения степени холодной деформации для обеспечения требуемого комплекса прочностных свойств.
-
Технология производства тонких лент из высоколегированного сплава 5182 с заданным комплексом механических свойств и параметров анизотропии.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих международных и российских научных конференциях и семинарах:
IX Международная научная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк 2012 г.)
XVI Международная заочная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике» (г. Новосибирск 2012 г.)
XIX Международная заочная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике» (г. Новосибирск 2013 г.)
ХХХХН Всероссийский симпозиум по механике и процессам управления (Миасс 2012г.)
Публикации. Основное содержание работ отражено в 4 печатных работах в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикации результатов диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка использованных источников, в количестве 103 наименований. Работа изложена на 144 страницах и содержит 77 рисунков и 18 таблиц.
