Разработка научных методов проектирования технологических процессов прессования алюминиевых сплавов с активным действием сил трения Мороз, Борис Степанович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Получение высококачественных изделий из труднодеформируемых алюминиевых сплавов с минимальной неравномерностью структуры и свойств, обеспечивающих более высокие эксплуатационные характеристики деталей и элементов конструкций при высокой производительности оборудования и минимальных затратах на их производство, является одной из наиболее важных проблем, стоящих перед современным машиностроением. Решение этой проблемы возможно при наличии научно обоснованных методов расчета и проектирования технологических процессов, использовании рациональных схем деформирования и оборудования.

К числу наиболее перспективных и принципиально новых технологических процессов относится прессование алюминиевых спигвов средней и высокой прочности с активным действием сил трения (AQCT). В настоящее время трудами отечественных ученых созданы некоторые научные и технологические основы интенсификации этого процесса, установлены его технологические возможности и области применение.

Однако несмотря на достигнутые успехи в развитии слгсоба, широкое внедрение его в промышленность сдерживается отсугствием. четких рекомендаций по выбору рациональной схемы оборудован:іл, силовых, кинематических и температурно-скоростных параметров процесса. Отсутствует методика проектирования технологии, обеспечиьающая возможность управления качеством процесса на стадии его проектирования. Это объясняется, в первую очередь, недостаточной разработкой теории процесса прессования с АДСГ.

Поэтому развитие теории процесса прессования с АДСГ, разработка на этой основе методики проектирования его технологии и обоснование выбора рациональной схемы оборудования, которые позволят эффективно управлять процессом и.использовать его возможности, являются актуальными научными задачами.

Работа выполнялась в соответствии с программами договоров с ОАО БКМПО, АО "Всесоюзный институт легких сплавов" (ВИЛС), заводом "Калитва", в рамках единого наряд-заказа Минобразования России "Разработка программного комплекса для расчета и оптимизации технологических процессов обработки металлов давлением" в 1993 - 1996 г.г. и в содружестве с исследовательским центром прессования Берлинского технического университета (1993 - 1999 г.г.).

Цель работы: развитие теории прессования алюминиевых сплавов с АДСГ, позволяющей на основе выявленных его деформационных, силовых, кинематических и температурно-скоростных закономерностей обосновать выбор рациональной схемы оборудования и управлять технологическими параметрами процесса и качеством изделия.

Для достижения указанной цели в настоящей работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. На основе изучения характера течения металла в контейнере и анализа влияния параметров процесса на его энергозатраты получить аналитические зависимости для расчета необходимых сил прессования с АДСГ сплошных и полых изделий.

2. Разработать методику оценки неравномерности течения металла в контейнере и на выходе из матрицы для обоснования кинематических параметров процесса, обеспечивающих наименьшую неравномерность деформаций в изделиях.

3. Установить закономерности изменения теплового состояния заготовки и изделия в зависимости от технологических параметров процесса и на этой основе создать методику их расчета.

4. Разработать методику проектирования технологического процесса прессования с АДСГ, позволяющую определять условия получения изделий с гарантированным качеством.

5. Исследовать'варианты проведения начальной стадии прессот вания и обосновать параметры распрессовки заготовок различной длины, обеспечивающие устойчивость начала процесса при АДСГ и проведения его в заданном кинематическом режиме.

6. Научно обосновать рациональную схему компоновки оборудования для прессования с АДСГ, предложить новые конструктивные решения.

7. Внедрить полученные результаты исследований в промышленность, исследовательскую практику и учебный процесс.

Методы исследований и достоверность результатов. Для достижения поставленной цели использованы положительно зарекомендовавшие себя экспериментальные методы координатной сетки, металлографического анализа, микротвердости, механических испытаний, определения остаточных напряжений, тензометрирования силовых параметров процесса, а также методы физического и математического моделирования процесса с привлечением методики планирования эксперимента.

При теоретическом анализе процесса использованы конечноэле-ментные пакеты программ Form-2D и QForm, метод баланса работ, метод характеристик, инженерный метод, энергетический метод верхней оценки, метод гидродинамической аналогии, разработанные программы SIMPL и APRESS.

При выполнении экспериментальных исследований использован метод комплексного анализа технологических параметров процесса с привлечением современных средств их регистрации и обработкой полученных данных на ЭВМ.

Достоверность .полученных результатов обеспечивается использованием при теоретическом анализе процесса закономерностей механи-

км сплошной среды, теории пластичности и обработки металлов давлением и подтверждается количественным и качественным согласованием результатов теоретических исследований и экспериментальных данных, полученных как автором, так и другими исследователями, а также использованием результатов работы в промышленности. Научная новизна заключается в следующем:

1. Получены расчетные зависимости и предложена методика оп
ределения необходимой силы прессования с АДСТ сплошных и полых
изделий.

2. Установлены закономерности формирования теплового состояния заготовки и изделия и разработана методика расчета темпера-турно-скоростных параметров процесса. Определены условия изотермического прессования. На основе численных методов расчета получены температурные поля о заготовке в начальной стадии процесса в зависимости от основных технологических параметров прессования с АДСТ.

3. Установлены закономерности распределения контактных напряжений на инструменте и сопротивления деформации и средних гидростатических давлений в заготовке.

4. Создана методика математического моделирования нестационарного течения металла графоаналитическим методом и разработаны программы для ЗВМ, позволяющие рассчитывать кинематические режимы прессования изделий с минимальной неравномерностью деформаций.

5. Установлены оптимальные условия распрессовки заготовок большой длины, обеспечивающие устойчивость начала процесса при АДСТ и ведение его в заданных кинематических режимах.

6. Предложены способ и устройства для прессования с АДСТ. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения и патентами РФ.

Практическая ценность и реализации результатов работы

1. Разработанная методика проектирования технологии прессования с АДСТ позволяет эффективно управлять процессом на стадии его проектирования.

2. Предложенные режимы проведения начальной стадии прессования заготовок большой длины гарантируют осуществление процесса с заданными кинематическими параметрами.

3. Внесенные в конечноэлементную программу QForm изменения позволяют моделировать различные способы прессования с учетом величины и направления сил трения.

4. Созданная установка для прессования прутков и труб в условиях АДСТ, оснащенная тензометрической аппаратурой, используется для прободения научных исследований и лабораторных работ.

5. На базе горизонтального трубопрофильного пресса номинальной силен 8,32/6,0 МН создана опытно-промышленная установка для

прессования с АДСТ, оснащенная комплексом тензометрической измерительной аппаратуры с регистрацией и обработкой результатов на ЭВМ.

6. Результаты проведенных исследований использованы при разработке технических заданий на специализированные гидропрессы номинальной силой 5 и 25 МН, нашли применение на ОАО БКМПО, заводе "Калитвэ" и в учебном процессе ДГТУ.

Общий экономический эффект от разработок, выполненных при участии и под руководством автора, превышает 300 тыс. руб. в ценах 1988 г. и 870 тыс. руб. в ценах 1999 г.

Апробация работы. Основные положения работы представлены на 26 научно-технических конференциях и семинарах.

Международные: "Tvarnenie vysokymi parametrami" Братислава (Чехословакия) - 1987; "Vortragsveranstaltung im Rahmen der Hochschlul-zusammenarbeit TU Berlin - TU St. Petersburg - DSTU Rostov am Don", Берлин (Германия) - 1994; "Надежность машин и технологического оборудования", Ростов-на-Дону - 1994; "Проблемы пластичности в технологии" Орел - .1995; "Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов", С-Петербург - 1995; "Высокие технологии в современном материаловедении", С-Петербург - 1997; "Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства", Тул? -1999.

Всесоюзные: Москва (НИИМаш) - 1975; Москва - Куйбышев -1981; Москва (МВТУ им. Н.Э. Баумана) - 1975, 1995; Ростов-на-Дону -1982.

Республиканские: Кишинев -1976, 1978, 1990; Чебоксары -1989,1990; Краматорск - Киев - 1990; Винница -1991.

Отраслевые: Тула -1981; Барнаул - 198Г.

Научно-технические семинары: Москва (МДНТП им. ФЗ. Дзержинского) -1980,1982,1987,1990; Ростов-на-Дону -1990.

Результаты работы по мере их готовности докладывались на научно-технических конференциях Донского государственного технического университета в 1975 - 2000 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 75 работ, в числе которых 2 учебных пособия (в соавторстве), 5 авторских свидетельств на изобретения и 2 патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 343 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков, 36 таблиц и списка литературы из 302 источников. Общий объем - 384 страницы.