Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние исследований технологических парметров штамповки металлов в твердожидком состоянии 12
1.1. Отличительные особенности технологий формообразования металлов в твердожидком состоянии (далее тиксоштамповки) 12
1.2. Выбор технологических режимов для тиксотехнологий 19
1.3. Процесс тиксоштамповки 23
1.4. Примеры практического применения технологий формообразования в твердожидком состоянии 26
1.5. Переменные и параметры процесса тиксоштамповки металлов 28
1.6. Выводы по главе 29
1.7. Цели задачи исследования 30
ГЛАВА 2. Особенности процесса тиксоштамповки алюминиевых сплавов (на примере а356) 31
2.1. Характеристики алюминиевого сплава А356 32
2.1.1. Механические характеристики сплава A356 34
2.2. Особенности процесса нагрева алюминиевого сплава А356 34
2.2.1. Выбор температуры нагрева 37
2.2.2. Контроль температуры нагрева 37
2.3. Особенности процесса тиксоштамповки алюминиевого сплава А356 38
2.4. Выводы по главе 39
ГЛАВА 3. Обоснование реологической модели металла в твердожидком состоянии и теоретическое исследование технологических параметров тиксоштамповки осесимметричных поковок из алюминиевых сплавов на основе компьютерного моделирования в программных комплексах q-form и petera 41
3.1. О подходе к моделированию тиксоштамповки 41
3.2. Однофазная модель 45
3.2. Двухфазная модель. Поведение твердожидких заготовок с большим содержанием твердой фазы при деформировании 50
3.3. Моделирование процесса тиксоштамповки в программном комплексе Q-Form '. 52
3.4. Составление модели тиксотропного материала из алюминиевого сплава А356 57
3.5. Результаты моделирования в программном комплексе Q-Form 59
3.6. Моделирование процесса тиксоштамповки в программном комплексе Petera 63
3.6.1. Характеристики течения 64
3.6.2. Двухфазная модель 65
3.6.3. Взаимосвязь температуры и энтальпии 67
3.6.4. Определение параметров модели '. 69
3.7. Результаты моделирования в программном комплексе Petera 71
3.7.1. Поковка № 4 (угол конусности фланца 0 , толщина стенки стакана 2 мм) 71
3.7.2. Поковка № 1 (угол конусности фланца 16 , толщина стенки стакана 2 мм) 78
3.7.3. Поковка № 3 (угол конусности фланца 0 , толщина стенки стакана 5 мм) 82
3.8. Результаты и выводы по главе: 86
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование температурно-скоростных параметров тиксоштамповки поковок типа "стакан с фланцем" массой 1+0,15 кг из алюминиевого сплава а 356 с глобулярной микроструктурой 89
4.1. Методика экспериментальных исследований 89
4.2. План проведения экспериментов по тиксоштамповке детали типа стакан с фланцем из алюминиевого сплава А356 91
4.3. Оборудование 96
4.3.1. Гидравлический пресс двойного действия с ЧПУ 96
4.3.2. Технологическая оснастка, штампы 96
4.4. Стратегия нагрева заготовок 0 76, высотой 90 мм из алюминиевого сплава А356 с глобулярной микроструктурой 100
4.5. Условия экспериментов по тиксоштамповке поковок типа 'стакан с фланцем' из алюминиевого сплава A356 на гидравлическом прессе двойного действия с ЧПУ 103
4.6. Результаты экспериментов по нагреву заготовок 0 76, высотой 90 мм из алюминиевого сплава А356 105
4.7. Результаты экспериментов по тиксоштамповке поковок типа 'стакан с фланцем' из алюминиевого сплава А356 107
4.8. Анализ микроструктуры 114
4.8.1. Микроструктура исходных заготовок до нагрева 114
4.8.2. Микроструктура заготовок после нагрева 115
4.8.3. Микроструктура готовых поковок 117
4.8.4. Микроструктура в зонах фланца с углом конусности 16 118
4.8.5. Микроструктура в зонах фланца с углом конусности 0 120
4.8.6. Микроструктура в зонах чашки с толщиной стенки 2 мм 122
4.8.7. Микроструктура в зонах чашки с толщиной стенки 5 мм 123
4.8.8. Микроструктура в зонах основания чашки и в нижней массивной части поковки 125
4.9. Химический анализ 127
4.9.1. Химический анализ материала исходных заготовок 128
4.9.2. Химический анализ материала поковбк 129
4.10. Исследование причины появления зон с повышенным содержанием эвтектики во фланцах с углом конусности 16 138
4.11. Результаты рентгеновского анализа поковок 145
4.12. Механические характеристики материала поковок 147
4.13. Результаты и выводы по главе 150
ГЛАВА 5. Разработка методики расчета параметров процесса тиксоштамповки осесимметричных поковок из алюминиевого сплава а 356 и рекомендации по выбору оборудования 156
5.1. Проверка качества глобулярной микроструктуры и химического состава материала в исходных заготовках из алюминиевого сплава А 356 в состоянии поставки до нагрева 156
5.2. Разработка режима нагрева заготовок из алюминиевого сплава А 356 157
5.3. Проверка качества микроструктуры и химического состава в исходных заготовках из алюминиевого сплава А 356 после нагрева 159
5.4. Разработка режима тиксоштамповки осесимметричных поковок из алюминиевого сплава А356; ". 159
5.5. Проверка качества микроструктуры и химического состава, рентгеновский анализ на отсутствие пор, механических характеристик поковок 161
5.5.1, Оценка степени ликвации 162
5.6. Рекомендации по выбору оборудования 165
5.7. Результаты, выводы по главе 169
Выводы по работе 171
Литература
- Выбор технологических режимов для тиксотехнологий
- Особенности процесса нагрева алюминиевого сплава А356
- Двухфазная модель. Поведение твердожидких заготовок с большим содержанием твердой фазы при деформировании
- План проведения экспериментов по тиксоштамповке детали типа стакан с фланцем из алюминиевого сплава А356
Введение к работе
Во всех индустриально развитых странах конец прошлого и начало нынешнего столетия характеризуется ростом интереса специалистов к технологиям формообразования фасонных заготовок, разработанных на стыке традиционных технологий литья и штамповки. К ним относятся технологии кристаллизации жидкого металла под давлением (жидкой штамповки), штамповки литой горячей заготовки (литье-штамповка), которые интенсивно разрабатывали в нашей стране в 1960 - 70 гг. В последнее десятилетие учеными и исследователями у нас и за рубежом разрабатываются технологии штамповки металлов в твердожидком состоянии (тиксоштамповка и реоштамповка). Эти технологии в разной степени обеспечивают повышение размерной точности поковок, коэффициента использования металла. Технология жидкой штамповки обеспечивает эти преимущества в основном за счет уменьшения пористости, воздействием давления на кристаллизующийся металл, но при этом сохраняется неоднородность химического состава (ликвация) остаточная микропористость и дендритная микроструктура. В технологии тиксо - и реоштамповки сохраняются и учитываются преимущества жидкой штамповки и устраняются её недостатки за счет существенного изменения микроструктуры металла: вместо дендритной формируется сфероидальная (глобулярная) микроструктура. Эта структура формируется специальным воздействием на кристаллизующийся металл, в процессе образования твердожидкой суспензии в температурном диапазоне между линиями ликвидус и солидус, то есть при температуре ниже линии расплава и выше линии затвердевания. Значительный интерес к новой технологии штамповки в твердожидком состоянии вызван открытием свойства тиксотропносте металлических суспензий с глобулярной микроструктурой (М.С. Flemings, 1978). Эффект тиксотропносте - способность металлических суспензий с глобулярной микроструктурой в твердожидком состоянии значительно
снижать сопротивление сдвиговым деформациям, что позволяет металлу заполнять сложные формы полости штампов при незначительной удельной силе. По оценкам экспертов, сущность таких технологий, получивших общее наименование «тиксотехнологии», определит развитие заготовительных производств в машиностроении в XXI веке, а их широкое освоение в массовом производстве индустриально развитых стран произойдет в ближайшие 5-Ю лет.
В России подобные технологии находятся в стадии исследования, начало которым положили ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана (кафедра СМ13): д.т.н, профессор Б.И. Семенов и к.т.н. К.М. Куштаров, МГТУ «Станкин»: д.т.н, профессор Ю.П. Кирдеев, д.т.н, профессор А.Э. Артес. Новизна разрабатываемых технологий состоит в том, что процессы формообразования осуществляются при твердожидком состоянии металла на заготовках, в которых предварительно подготовлена глобулярная микроструктура первично кристаллизующейся фазы.
Это требует разработки новых схем организации технологических процессов в заготовительных производствах. В них должно быть предусмотрено воздействие на металл, в процессе разливки различными средствами препятствующими образованию дендритной микроструктуры с последующей штамповкой (реоштамповка) или закалка (сохранение глобулярной микроструктуры), повторный нагрев до образования твердожидкой фазы (суспензии) и деформирование в штампах на гидропрессах с ЧПУ, или на специализированных гидроколенных прессах (тиксоштамповка). Тиксотехнологии характеризуются одновременным возрастанием прочности и пластичности материала поковок. А при охлаждении до температуры суспензии с содержанием твердой фазы более 90%, характеризуется пластичностью и сопротивлением деформированию подобными горячей объёмной штамповке. Отштампованные таким способом поковки обладают высоким качеством и повышенной надежностью,
существенно улучшенными критериями технологичности. В результате снижается масса детали, в несколько раз уменьшаются потери металла на механическую обработку, количество штамповрчных операций снижается до одной, а затраты энергии на формообразование снижаются многократно.
Страны Европейского Союза, США, Япония широко применяют тиксотехнологии в автомобилестроении для получения поковок из алюминиевых сплавов, обладающих повышенным комплексом механических свойств. В тиксотехнологиях применяют в основном литейные алюминиевые сплавы, например А356 и другие. Такие сплавы невозможно штамповать традиционной горячей объемной штамповкой (ГОШ), т.к. в области температур, характерных для ГОШ они обладают низкой пластичностью, но обладают благоприятными свойствами для тиксоштамповки.
Применение тиксотехнологии в России перспективно, так как Россия является одним из основных производителем алюминия для авиакосмической, автомобильной и других отраслей промышленности. Актуальным является подготовка условий для освоения технологий тиксоштамповки.
Исследования технологии тиксоштамповки металлов в настоящее время находятся на стадии разработки и параметры процесса еще недостаточно разработаны
В различных литературных источниках представлены исследования посвященные влиянию одного или нескольких входных параметров тиксоштамповки металлов на выходные показатели готовых деталей. Отсутствие сведений в литературе свидетельствует о том, что систематических исследований либо не проводилось, либо о них не сообщается.
Цель работы: Разработка технологических параметров штамповки осесимметричных поковок из алюминиевого сплава A3 56 в твердожидком состоянии
(тиксоштамповки), на основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований.
Научную новизну данной работы имеют следующие результаты:
Обоснование реологической модели материала для моделирования процесса тиксоштамповки осесимметричных поковок из алюминиевого сплава А356 в программном комплексе Q-Form;
Результаты математического моделирования A356 в программном комплексе Petera влияния скоростных параметров на качественные характеристики готовых поковок (степень ликвации вдоль сечения поковок), достоверность которых обоснована результатами экспериментальных исследований.
Практическую значимость имеют следующие результаты:
Экспериментально определенные температурные, скоростные и силовые параметры штамповки осесимметричных поковок типа «стакан с фланцем» массой 1±0,15 кг из алюминиевого сплава А356 с глобулярной микроструктурой;
Предложенные, на основании экспериментальных исследований, рекомендации к выбору стандартного оборудования, а так же входных параметров для проектирования специализированного оборудования для процесса тиксоштамповки осесимметричных поковок типа «стакан с фланцем» массой 1±0,15 кг из алюминиевого сплава A356 с глобулярной микроструктурой;
Методика моделирования процесса тиксоштамповки осесимметричных поковок из алюминиевого сплава А356 с глобулярной микроструктурой в программном комплексе Q-Form, позволяющая рассчитать величину и характер изменения деформирующей силы в конечной фазе деформирования при кристаллизации под давлением;
Рекомендации по модернизации программного комплекса Q-Form на
основе обоснованной реологической модели материала в диапазоне
температур лежащими между линиями солидус - ликвидус с целью
моделирования процесса тиксоштамповки.
На защиту выносятся следующие основные положения:
результаты экспериментальных исследований, по повторному нагреву и тиксоштамповке осесимметричных поковок типа «стакан с фланцем» массой 1+0,15 кг из алюминиевого сплава А356 с глобулярной микроструктурой показывающие, что основное влияние на процесс тиксоштамповки оказывает температура и равномерность нагрева заготовок с глобулярной микроструктурой;
методика расчета параметров процесса тиксоштамповки осесимметричных поковок из алюминиевого сплава A3 5 6 с глобулярной микроструктурой;
методика компьютерного моделирования тиксоштамповки осесимметричных поковок в программном комплексе QForm позволяющая рассчитать величину и характер изменения деформирующей силы в конечной фазе деформирования при кристаллизации под давлением;
методика компьютерного моделирования в программном комплексе Petera с целью получения степени ликвации вдоль сечения осесимметричной поковки из алюминиевого сплава А356 с глобулярной микроструктурой.
Выбор технологических режимов для тиксотехнологий
Примечание: ЛПД - литье под давлением, ГОШ - горячая объемная штамповка; «+» - благоприятно, увеличение, «-» - неблагоприятно, уменьшение показателей. Изменение условий формообразования и наследование глобулярной формы первичных кристаллов твердой фазы позволяет: повысить характеристики пластичности алюминиевых и магниевых сплавов в фасонных деталях, получаемых штамповкой; обеспечить высокую точность размеров сложных фасонных заготовок и деталей, превышающую нормы точности, принятые для ГОШ; сократить количество переходов штамповки (до одного) и нормы расхода металла, трудозатраты на обработку резанием при максимальном использовании имеющегося парка прессового оборудования с числовым программным управлением; существенно продвинуть работы по получению фасонных изделий из композиционных материалов на металлической основе с дисперсными керамическими наполнителями.
Тиксотехнологии можно поделить на два основных направления: тиксо- и рео- направления. Рео- направление основано на приготовлении непосредственно вблизи у пресса твердожидкой заготовки из сплава, находящегося в жидком состоянии, и последующей передаче твердожидкой заготовки на операцию формообразования. При этом брак и отходы возвращаются на переплавку.
В производственных условиях применяют технологию тиксоштамповки, состоящую из двух этапов: изготовление первичных заготовок с глобулярной микроструктурой на металлургическом производстве (предприятие, цех, участок) и подготовку мерной твердой заготовки нужного объёма и размеров на машиностроительном предприятии, последующий нагрев мерной заготовки до температуры твердожидкого состояния (суспензии) и формообразование штамповкой. Все отходы металла могут возвращаться для переплавки на металлургическое предприятие (цех, участок).
Таким образом, суть решаемой инженерной задачи состоит в том, чтобы до начала формообразования превратить металл в твердожидкую суспензию с глобулярной структурой твердых частиц, обладающую высокими тиксотропными свойствами. Для наглядности можно считать, что металлу нужно придать свойства слегка нагретого при комнатной температуре мороженого (металл в этом состоянии легко режется даже столовым ножом (тест на сохранение свойства тиксотропносте (см. рис. 1.3).
Идеальную суспензию для тиксотехнологий сегодня представляют как жидкость, содержащую требуемую долю твердых частиц (fs=40..90%) достаточно малого размера (менее 100 мкм), имеющих сферическую морфологию и равномерно распределенных в объеме жидкой фазы [20]. Процесс преобразования расплавленного металла в твердожидкую суспензию может осуществляться на основе управления процессом кристаллизации, осуществляемым в специальных устройствах, за счет создания различных условий фазового превращения: от самопроизвольного возникновения большого числа зародышей кристаллов и смывания их потоком метала, чтобы не допустить возникновения дендритных форм до выращивания кристаллов дендритной формы с последующим их разрушением в местах ветвления путем интенсивного теплового или силового (механического), электромагнитного или ультразвукового воздействия или в результате перемешивания двух расплавов металлов, имеющих различный состав и находящихся при различных температурах.
В большинстве случаев, нагретую порционную твердожидкую заготовку можно транспортировать как квазитвердое тело. При формообразовании такой заготовки под действием сдвиговых деформаций благодаря сфероидальной форме кристаллов твердой фазы (рис. 1.2 б) и в присутствии даже незначительного объема жидкой фазы сопротивление сдвиговым деформациям снижается, металл в этом состоянии приобретает свойства жидкости (эффект тиксотропии) и заполняет формообразующую полость. В результате в готовом изделии значительно повышаются механические свойства сплава, уменьшается пористость, повышается размерная точность детали.
Глобулярная (недендритная) форма кристаллов первичной твердой фазы (рис. 1.2 б) - обязательное условие для осуществления тиксоштамповки. В этом состоянии металла обеспечивается возможность в течение малого промежутка времени и в узком температурном интервале плавного течения суспензии как вязкой жидкости. Сила, требуемая для осуществления формообразования в этих условиях, значительно снижается (см. на пример возможности резки нагретой заготовки ножом рис. 1.3).
При выборе режимов для технологий формообразования в твердожидком состоянии фасонных деталей из конкретного промышленного сплава пользуются экспериментальными калориметрическими зависимостями, фиксирующими изменение теплоемкости сплава в окрестности интервала «ликвидус - солидус» (рис. 1.4). Такие зависимости используют для того, чтобы определить оптимальные условия проведения формообразующего этапа процесса, то есть интервал температур, наиболее пригодный для заполнения полости штампа твердожидкой суспензией, и температуру начала штамповки. Они позволяют установить точное значение интервала «е - d» затвердевания реального сплава, долю жидкой фазы в суспензии для каждой конкретной температуры внутри этого интервала, положение экстремумов тепловыделения или теплопоглощения при фазовых превращениях (точки g, f, h), скорость выделения твердой фазы dfs(T)/dT, то есть определить теплофизические характеристики системы, но не могут содержать информации о реологических свойствах, то есть о текучести суспензии, сопротивлении сдвиговым деформациям.
Особенности процесса нагрева алюминиевого сплава А356
В таблице 4 представлено сравнение напряжения текучести поковок и отливок из алюминиевого сплава A3 5 6 (без термообработки) при различных способах формоизменения. По напряжению текучести тиксоштамповка занимает промежуточное положение между литьем под высоким давлением и штамповкой. После термообработки (см. таблицу 5) механические характеристики сплава значительно повышаются.
Процесс повторного нагрева сплава до температур твердожидкого состоянии является важным этапом в процессе тиксоштамповки. Цель нагрева - получение равномерной по всему сечению заготовки конкретной температуры, лежащей в пределах между линиями солидуса и ликвидуса. От правильности выбора этой температуры, равномерности ее распределения по сечению заготовки, а так же общего времени нагрева зависит состояние микроструктуры заготовки перед штамповкой, то есть степень проявления эффекта тиксотропносте.
При слишком высокой выбранной температуре нагрева (причем лежащей в диапазоне температур между линиями солидуса и ликвидуса) заготовка теряет устойчивость.
При недостаточной температуре нагрева процент расплавленной эвтектики в заготовке слишком низок, а за время транспортировки от нагревающего устройства к штампу заготовка успевает остыть до твердого состояния, в результате процесс тиксоштамповки становиться невозможным.
Если после нагрева температура в сечении заготовки неравномерна то разные области заготовки находятся в разных состояниях (от твердого до практически жидкого) что приводит к неравномерности фронта течения материала, зажимам, незаполнению некоторых участков штампа.
При слишком длительном времени нагрева зерна ос-фазы успевают вырасти в размерах, а также возникают области из нескольких слившихся воедино зерен. Все это ведет к ухудшению свойств тиксотропносте материала и трудностям в процессе штамповки (ухудшается заполнение штампа, возрастает сила деформирования). В международной практике принято, что средний размер зерна а-фазы для алюминиевых сплавов должен быть менее 100 мкм. При превышении этого размера микроструктура уже не считается тиксотропной.
Если время нагрева недостаточно, то в некоторых участках заготовки не успевает произойти процесс расплавления эвтектики, а распределение температуры по сечению заготовки недостаточно равномерно. Из всего вышесказанного становиться ясно, что процесс нагрева заготовки до температур между линиями солидуса и ликвидуса должен быть точно контролируемым.
В мировой практике наиболее часто применяют индукционный нагрев в индукторе с ЧПУ. Это позволяет осуществлять воспроизводимый нагрев заготовок до выбранной температуры и с достаточной равномерностью распределения температуры по сечению заготовки (градиент температуры для А356 менее 5 С).
По результатам предварительных опытов при нагреве заготовок из A356 в вертикальном индукторе происходит неизбежная сепарация жидкой и твердой фазы (даже если содержание жидкой фазы в конце нагрева 10 %). Под действием силы тяжести жидкая фаза собирается в нижней части заготовки, а при выключении индуктора она вытекает из заготовки. Допустимым считается потеря массы заготовкой до 15% при нагреве в результате сепарации жидкой фазы. Нагрев заготовок в горизонтальном положении не решает эту проблему. Так как этого явления не удается избежать, следует предусмотреть систему защиты от жидких брызг металла, а расчет массы заготовок производить с учетом потерь (15%) на сепарацию жидкой фазы.
Заготовки из А356 чувствительны к колебаниям температуры воды в охлаждающей системе индуктора. Для получения воспроизводимого нагрева заготовок следует соблюдать по возможности равные промежутки времени между нагревом заготовок. При проведении экспериментов или в техпроцессе следует учесть, что нагрев первых 3-х заготовок является не воспроизводимым (в случае проведения экспериментов) и не приемлемым для проведения тиксоштамповки (в случае производства). Для определения готовности заготовки к тиксоштамповке необходимо использовать тест на тиксотропность. Непосредственно после нагрева заготовку разрезают ножом и фиксируют время в течении которого заготовка без особых усилий подвергается этой процедуре. По времени теста на тиксотропность можно установить степень, «готовности» заготовки, в течении этого времени заготовку можно транспортировать от нагревательного устройства к штампу. Для заготовок 0 76 х 90 мм из А356 это время составляет 7.. 10 с.
Двухфазная модель. Поведение твердожидких заготовок с большим содержанием твердой фазы при деформировании
Несмотря на важность понимания поведения таких твердожидких заготовок, наиболее перспективных для переработки на прессах ОМД при тиксоштамповке, из-за сложности теоретических и экспериментальных исследований моделирование течения таких сред началось относительно недавно [15]. Тверд ожидкие металлические заготовки с большим содержанием твердой фазы характеризуются наличием твердого «скелета», который мог образоваться при частичном затвердевании жидкого металла или сохраниться при частичном расплавлении первоначально твердой заготовки.
Использовались различные методы для оценки характеристик течения заготовок в твердожидком состоянии с большим содержанием твердой фазы. Наиболее часто используется метод осадки заготовки [8]. Этот метод относительно прост в осуществлении, но скорость деформации в основном ограничена 1 с 1. Для устранения этого недостатка разработаны реометры с высокой скоростью деформирования (до 1500 с"1). Экспериментальные исследования выявили следующие характерные особенности процесса деформирования [15]: Существование большого напряжения течения; Возможность разрушения твердой фазы и сепарации жидкой фазы.
Формирование скелета из частиц твердой фазы приводит к возникновению гидростатического давления в микрообъемах при перегруппировке твердых зерен или при небольшой пластической деформации в зоне контакта твердых зерен [8]. Уменьшение пространственного объема приводит к развитию гидростатического давления в жидкой фазе. Наличие пространственного градиента гидростатического давления в жидкой фазе приводит к сепарации фаз. Условия, способствующие сегрегации, включают в себя: Низкую степень деформации; Большие градиенты давления, например, при заполнении узких или длинных каналов; Большое содержание твердой фазы; Крупные, несферические зерна.
Твердожидкая заготовка с большим содержанием твердой фазы обычно рассматривается как двухфазная система, в которой твердый скелет окружен неньютоновской жидкостью [9]. Эти модели нацелены на предсказание поведения среды при деформировании твердых скелетов и течении жидкости через рассматриваемые твердые скелеты, позволяя тем самым понять, почему жидкая фаза сегрегирует во время процесса тиксоштамповки.
Существуют модели, на основе которых пытаются решить проблему двухфазности, введя движение жидкой фазы относительно твердой, но при этом не учитывают сопротивление давлению со стороны твердой фазы [17]. В этом случае игнорируется зависимость давления от вязкости, следовательно, адекватность модели ограничена низким содержанием твердой фазы.
В программном комплексе Q-Form [18] не предусмотрены фазовые превращения, поэтому возможно только приблизительное моделирование процесса тиксоштамповки путем изменения свойств моделируемой среды (т.е. изменения модели поведения).
В БД деформируемых материалов, помимо сопротивления деформации содержатся и другие физические свойства материалов, необходимые для проведения расчета по программе, например: Плотность, кг/мЛ3; Теплопроводность, Вт/м К; Теплоемкость, Дж/кг К; Температуру плавления, С.
В программе для расчетов используется зависимость сопротивления деформирования от трех параметров: температуры, степени и скорости деформации. В некоторых случаях может быть использована зависимость от двух и даже одного из параметров. Общая зависимость сопротивления деформации от названных параметров может быть представлена как: Где а, є, є , Т соответственно сопротивление деформации, интенсивность деформаций, скоростей деформаций, температура Т. Для всех теплофизических величин, кроме температуры плавления, предусмотрен ввод данных, как в виде константы, так и в виде зависимости от температуры. Перед заданием материала для моделирования необходимо выбрать способ ввода информации в БД: формулой; через импорт данных из набора текстовых файлов; ввод таблиц данных вручную.
Для каждого из параметров зависимости (7) (температуры, степени и скорости деформации) в таблице указаны пределы их изменения. По умолчанию они указаны следующие: Деформация (0.02...5), Скорость деформации (0.001... 1000), 1/с Температура (20... 1200), С.
В технической литературе опубликовано достаточно много формул для аппроксимации зависимости сопротивления деформации деформируемых материалов в зависимости от степени, скорости деформации и температуры. В программном комплексе Q-Form имеется возможность задавать сопротивление деформации, используя формулу Хензеля и Шпиттеля: где A, mi, ni2, m3, m4 - эмпирические коэффициенты; Т - температура, С є - степень деформации є - скорость деформации, 1/с.
Приведенное уравнение имеет общий характер и предназначено для аппроксимации сопротивления деформации металлов и сплавов в условиях горячей деформации.
Задавая численные значения коэффициентов, получаем упрощенную формулу. Так как при деформировании в твердожидком состоянии упрочнения отсутствуют, то коэффициенты ІГІ2 и т4 будут равны «0».
План проведения экспериментов по тиксоштамповке детали типа стакан с фланцем из алюминиевого сплава А356
Целью нагрева заготовок является достижение равномерной по всему сечению заготовки температуры в области между линиями солидуса и ликвидуса в наикротчайшее время. На микроструктуру заготовки влияют температура и время нагрева. Температура и время стабилизационной выдержки являются критическими параметрами, влияющими на микроструктуру заготовки и таким образом на тиксотропность нагретой заготовки. При индукционном нагреве заготовка имеет градиент распределения температуры с самой низкой температурой в центре заготовки. Равномерное распределение температуры возможно достичь только через теплопроводность заготовки.
Используя индуктор с ЧПУ можно достичь желаемой равномерной по сечению заготовки температуры многоступенчатым методом, применяя различные сочетания мощности индуктора и времени нагрева на каждой ступени нагрева. Если после первой ступени нагрева температура заготовки слишком высокая, то возникает опасность потери устойчивости заготовки. Для достижения равномерной по сечению заготовки температуры нагрева на основе предварительных опытов принято использовать следующую 4-х ступенчатая стратегия нагрева:
Первая ступень нагрева должна проводиться при максимальной допустимой мощности индуктора и минимальном времени до достижения желаемой температуры заготовки (измеренной вблизи поверхности заготовки);
Последующие 3 ступени необходимы для достижения равномерного распределения температуры заготовки по сечению путем теплопроводности, а их целью является поддержание достигнутой температуры поверхности заготовки. Общее время этих трех ступеней приблизительно равно времени нагрева на первой ступени. Градиент температуры в конце нагрева заготовки не должен превышать 5 С.
Выбраны следующие значения параметров при нагреве заготовок 076, высотой 90 мм из алюминиевого сплава А356 в индукторе мощностью 50 кВт с ЧПУ, производства компании EFU GmbH: 1. Температура заготовки после нагрева 575..585 С (выбрана на основании графика зависимости содержания жидкой фазы от температуры, рис. 2.1); 2. Градиент температуры по сечению заготовки после нагрева менее 5 С; 3. Продолжительность теста на тиксотропность 7..10 с (см. рис. 4.7); 4. Высота твердого дна (твердое дно - это нижняя часть заготовки, не поддающаяся тесту на тиксотропность) 10-15 мм; 5. Заготовка не должна терять устойчивость.
Во время предварительного опыта по нагреву заготовка находилась в вертикальном положении, как показано на рис. 4.8. В ходе опытов обнаружилось, что во время нагрева заготовка в нижней части меняет форму (эффект слоновьей ноги ) и одновременно, часть заготовки контактирующая с керамическим поддерживающим стержнем имеет более низкую температуру относительно остальной массы заготовки. Для более равномерного нагрева заготовка была помещена на 30 мм выше центра индуктора, рис. 4.8. Температура заготовки измерялась двумя термопарами, в центре и на периферии заготовки, как показано на рис. 4.8.
Тиксоштамповку необходимо проводить через минимальный промежуток времени (до 10 с) после нагрева заготовки из-за узкого температурного интервала ( 12 С) при котором можно осуществить тиксоштамповку из алюминиевого сплава А356 для заготовки массой 1 кг. Следовательно, скорость холостого хода приближения должна быть максимальной. Особенности процесса тиксоштамповки требуют точного контроля холостого и рабочего хода пресса, силы нагружения, который можно осуществить при помощи верно составленной программы для ЧПУ пресса.
Программа для управления двумя цилиндрами пресса состоит из двух подпрограмм: главного и вспомогательного модуля, которые могут выполняться как по отдельности, так и совместно. При совместном выполнении модулей главный модуль определяется как Master , а вспомогательный как Slave . Главный модуль контролирует движение основного цилиндра пресса, который приводит зажимной ползун, а вспомогательный - дополнительного, который используется в качестве деформирующего. При совместной работе модулей они всегда реализуются одновременно, начиная с (Model 0 + Slave 0) и до последнего (Model і + Slave Параметры для управления движением главного цилиндра включают: скорость холостого хода приближения и возвратного хода (мм/с), ход (с точностью ±0,1 мм), максимальная сила нагружения (кН), время выдержки (с). Параметры для управления движением вспомогательного цилиндра включают: скорость (мм/с), ход (с точностью ± 0,1 мм), максимальная сила нагружения (кН), время выдержки (с). За исключением скорости все эти параметры можно использовать в качестве условия окончания деформирования.
Программа управления прессом в процессе тиксоштамповки деталей типа стакан с фланцем из алюминиевого сплава А356 представлена в таблице 20.
Система нагрева штампов состоит из 32 электрических нагревательных стержней (по 16 в каждом штампе) и системы ЧПУ для поддержания постоянной температуры штампов. Система охлаждения отсутствует.
В ходе экспериментов по тиксоштамповке использовано 2 вида смазки: распыление BN (нитрат бора) и распыление графита. При использовании распыления BN в предварительных опытах поковку невозможно было изъять из полости штампа, поэтому в дальнейшем использовано распыление графита.
