Содержание к диссертации
Введение
1. Описание технологии, литературный обзор проблем и методов их разрешения в области производства прессованных трубных заготовок из алюминиевых сплавов 8
1.1. Описание технологии прессования крупногабаритных труб из алюминиевых сплавов 8
1.2. Описание научных работ в области теоретического изучения процесса прессования труб из алюминиевых сплавов 17
1.3. Описание научных работ в области экспериментального изучения процесса прессования труб из алюминиевых сплавов 30
1.4. Особенности применения метода конечных элементов в теории прессования 35
1.5. Известные теоретические решения из области теплопередачи 39
1.6. Выводы и постановка задачи исследования 41
2. Изучение процесса термоциклирования прессовых игл и его влияния на параметры прессования 43
2.1. Определение температурного поля прессовой иглы, циклически изменяющегося в процессе прессования 43
2.2. Теоретическое определение температурного поля прессовой иглы при конвективном теплообмене 46
2.2.1. Методика расчета температурного поля прессовой иглы при нагреве 46
2.2.2. Методика расчета температурного поля прессовой иглы при естественном охлаждении 52
2.3. Определение температурного поля прессовой иглы во время конвективного теплообмена при нагреве от стенок контейнера 54
2.4. Измерение температуры иглы во время конвективного теплообмена 57
2.5. Выводы по разделу 65
3. Изучение взаимодействия прессовой иглы и деформируемого материала 66
3.1. Определение температурного поля прессовой иглы во время теплопередачи от деформируемой заготовки 66
3.2. Измерение температурного поля иглы во время деформации 69
3.3. Определение температурного поля прессовой иглы при конвективном теплообмене во время выполнения вспомогательных операций 84
3.4. Изучение влияния термоупругого изменения размеров иглы на точность размеров прессованной трубы 87
3.5. Выводы по разделу 92
4. Изучение влияния состояния иглы на формоизменение заготовки и свойства пресс-изделий 94
4.1. Описание напряженного состояния иглы при прессовании трубных заготовок 94
4.2. Оценка поведения смазки иглы при ее нанесении и прессовании 101
4.3. Влияние параметров работы иглы на свойства и структуру прессованных труб 107
4.4. Разработка конструкции прессовой иглы, малочувствительной к изменению температуры 115
4.5. Выводы по разделу 122
- Описание научных работ в области теоретического изучения процесса прессования труб из алюминиевых сплавов
- Методика расчета температурного поля прессовой иглы при естественном охлаждении
- Определение температурного поля прессовой иглы при конвективном теплообмене во время выполнения вспомогательных операций
- Описание напряженного состояния иглы при прессовании трубных заготовок
Введение к работе
В производстве крупногабаритных труб из алюминиевых сплавов широкое применение нашел способ горячего прессования полых слитков с использованием игл, позволяющий получить бесшовные трубы широкой номенклатуры, в том числе из труднодеформируемых сплавов, не подлежащих обработке другими способами. Качество труб оценивают по точности размеров, структуре, механическим свойствам, качеству поверхности и другим характеристикам в зависимости от назначения. Параметры качества изделий при прессовании зависят от качества исходного слитка, выбранных размеров инструмента, температурно-скоростных условий, условий контактного трения и силового взаимодействия инструмента и деформируемого материала. За формирование характеристик качества внутренней поверхности труб и приповерхностных слоев металла отвечает формообразующий инструмент - игла гидравлического пресса. Температурное поле прессовых игл циклически изменяется в процессе прессования, и это изменение влияет на точность размеров прессованных труб, структуру и механические свойства. Эти обстоятельства приводят к выводу об актуальности работы, направленной на изучение взаимодействия игл и деформируемого материала.
Целью данного исследования является описание деформационных и тепловых полей при прессовании методом решения задач теплопередачи, методом конечных элементов, экспериментальные исследования непосредственно на производственном оборудовании, а также изучение влияние термоупругого изменения размеров иглы на точность размеров прессованной трубы и влияние параметров иглы на напряженно- деформированное состояние заготовки и свойства прессизделий.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем: установлены закономерности изменения температуры иглы в условиях теплообмена с контейнером пресса при участии воздушной среды конвективным способом; закономерности стадии распрессовки с учетом неравномерного распределения деформаций и изменения температуры иглы в условиях теплообмена со слитком; закономерности влияния тепловых граничных условий иглы на размеры получаемых изделий, напряженно-деформированное состояние металла и уровень его механических характеристик.
Практическую ценность представляют следующие результаты работы: в алгоритм оценки влияния тепловых процессов в игле гидравлического пресса на параметры прессования; конструирование и изготовление опытной оснастки для измерения в промышленных условиях тепловых процессов в игле гидравлического пресса; о результаты измерения тепловых полей в игле прессовой установки в реальных производственных условиях; разработка на уровне изобретения новой конструкции прессовой иглы, малочувствительной к изменению температуры.
Разработанные положения и полученные результаты диссертации направлены на создание технологических режимов прессования, стабилизирующих условия проведения процесса и обеспечивающих выпуск продукции улучшенного качества.
Диссертационная работа состоит из четырех глав, заключения и 7 приложений.
В первой главе описана технология прессования крупногабаритных труб, выполнен литературный обзор проблем и методов их разрешения в области производства прессованных труб из алюминиевых сплавов. Выделены основные особенности и определены задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены проблемы процесса термоциклирования прессовых игл и его влияние на параметры прессования. С помощью аналитического решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности установлены темпы прогрева и охлаждения крупных прессовых игл. Показано, что нагрев крупных прессовых игл за счет конвективного обмена от тепла контейнера является медленным, малоэффективным и не приводит к полному выравниванию температур инструмента в реально допустимых временных интервалах. Полученные решения подтверждены постановкой и проведением промышленного эксперимента, где показано, что результатом недостаточного прогрева иглы на стадии подготовки инструмента являются колебания размеров трубной заготовки.
В третьей главе определены коэффициенты теплопередачи при прессовании с учетом влияния слоя смазки на контактной поверхности. Методом конечных элементов рассчитано температурное поле прессовой иглы во время теплопередачи от деформируемой заготовки. Описано получение опытных данных о распределении температур иглы в промышленных условиях. Методом конечных элементов решена задача распрессовки полого слитка. Определено температурное поле прессовой иглы при конвективном теплообмене во время выполнения вспомогательных операций. Изучено влияние термоупругого изменения размеров иглы на точность размеров прессованной трубы.
В четвертой главе уточнена методика оценки напряженного состояния иглы. На основе представлений о течении вязкой жидкости выполнена оценка поведения смазки при ее нанесении на иглу и при прессовании. Показана неоднородность распределения смазки на контактных поверхностях. На основе решения задачи прессования методом конечных элементов установлено неравномерное распределение скоростей деформации между иглой и формообразующей поверхностью матрицы. Выявлено существование зоны повышенных скоростей деформации вблизи наружной поверхности готовой трубы. Выполнены измерения механических свойств алюминиевого сплава внутреннего и внешнего контуров трубы, отпрессованной в промышленных условиях. Выполнена математическая обработка результатов измерений, которая показала статистически значимое снижение характеристик на наружном контуре. Предложена новая конструкция прессовой иглы, малочувствительная к изменению температуры. Выполнены расчеты методом- конечных элементов, которые показали уменьшение колебания размеров иглы при ее термоциклировании.
В заключении сделаны общие выводы по результатам работы.
В Приложении приведены: схема расположения точек замеров температур иглы при нагреве и охлаждении; игла для экспериментального определения температуры при нагреве и охлаждении; конструкция иглы для определения температуры при прессовании; результаты промышленных измерений и исследований макроструктуры при проведении промышленных экспериментов; акт внедрения изменения температурных режимов прессования труб.
Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях: 10-ая научно-практическая конференция «Алюминий Урала - 2005» (Краснотурьинск, 2005г.); VII международная научно-техническая конференция «Пластична деформащя метал1в» (Днепропетровск, 2005г.); II научно-техническая конференция молодых специалистов промышленных предприятий стран СНГ (Каменск-Уральский, 2005г.); VII и VIII конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ У ПИ (Екатеринбург, 2005г.); международная научно-техническая конференция «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2005г.); IX конференция молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ УПИ (Екатеринбург, 2006г.); международная научно-практическая конференция «Особенности обработки и применения изделий из тяжелых цветных металлов» (Ревда, 2006г.), международная научная школа для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов» (Екатеринбург, 2010г.), 5 международный научно-практический семинар «Уральская школа по обработке металлов давлением им. А.Ф.Головина. Модернизация и инновации в металлургии и машиностроении» (Екатеринбург, 2011г.).
Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие научные программы и контракты:
Федеральная целевая программа «Научные и педагогические кадры инновационной России», государственный контракт от 22 марта 2010 г. №02.740.11.0537, лот «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области физики конденсированных сред, физического материаловедения», шифр 2010-1.1-121.01;
Г/б НИР№ 1.2224.07 по заказу Министерства образования и науки РФ на уровне фундаментального научного исследования «Развитие механики обработки металлов давлением с целью создания научных основ прогнозирования физико-механического состояния металла и новых технологических процессов ковки, прокатки, прессования и волочения», госрегистрация № 01200704103; план мероприятий по совершенствованию технологии на ОАО «КУМЗ» (пункт 19 «Разработка мероприятий, направленных на повышение точности, улучшение механических свойств и структуры прессованных труб из алюминиевых сплавов»).
Описание научных работ в области теоретического изучения процесса прессования труб из алюминиевых сплавов
Бесшовные трубы из алюминиевых сплавов широко используются во всех отраслях промышленности. Трубы из алюминиевых сплавов классифицируются по конфигурации, количеству слоев металлов или сплавов, образующих трубу, и по назначению. Широкий сортамент прессованных труб из алюминиевых сплавов, многообразие их продольной и поперечной геометрии, различие требований, предъявляемых к трубам в условиях эксплуатации, а также стремление повысить производительность процесса и его технико-экономические показатели вызвали появление довольно большого количества способов прессования [1-7].
Промышленность выпускает прессованные трубы из алюминиевых сплавов диаметром от 7 до 600мм с толщиной стенки от 1,0 до 110мм.
Трубы прессуют либо из полой заготовки, внутрь которой вводится игла, либо из сплошной заготовки через камерный инструмент. Работы, посвященные исследованию процесса прессования труб и профилей через камерный инструмент [810], показали, что надежная сварка шва трубы получается при определенном коэффициенте вытяжки, который для каждого сплава является определенной величиной, и зависит от температуры в очаге деформации. При прессовании труб через камерный инструмент заготовка в процессе подпрессовки под давлением, передаваемым прессштемпелем через прессшайбу, рассекается гребнем (рассекателем) матрицы в зависимости от ее конструкции на два (или более) потока металла. Эти потоки при прессовании под действием высокого давления свариваются в карманах матрицы, охватывая сплошной массой иглу матрицы, выполненную за одно целое или скрепленную с рассекателем. Трубы, полученные данным методом прессования, в месте сварки потоков металла имеют диффузионные швы, поэтому камерный инструмент не используют для производства труб ответственного назначения. Однако трубные заготовки с диффузионными швами имеют более высокую точность размеров, чем трубы, отпрессованные с применением игл. Несмотря на это в современном производстве труб из алюминиевых сплавов широкое
применение нашел способ горячего прессования полых заготовок с помощью иглы, однако на повестке дня стоит задача повышения точности изделий, так как параметр точности продукции является одним из основных критериев качества.
В настоящей работе исследованию подвергался процесс горячего прессования гладкостенных труб из полых заготовок без смазки втулки контейнера с отделением прессостатка.
Для прессования алюминиевых труб без диффузионных швов используют полые заготовки. В связи с высокими требованиями к качеству поверхности изделий, для прессования труб используют заготовки с механической обработкой наружной и внутренней поверхностей. Заготовки перед механической обработкой в основном подвергаются термообработке. Слиткам в литом состоянии свойственна неравномерная структура, обусловленная тем, что скорость охлаждения сплавов при литье значительно превышает скорость охлаждения, необходимую для равновесной кристаллизации [11-13]. Из-за неравновесной структуры пластичность заготовок в литом состоянии пониженная. Неравновесная структура частично устраняется с помощью термической обработки. Для изготовления прессованных полуфабрикатов из сплавов АДОО, АДО и АМц используют заготовки в литом состоянии. Заготовки из сплавов АД31 и 6061 подвергают отжигу, из сплава 2007 - гетерогенизации, из сплавов АДЗЗ, АД35, 6063, 6082, АМг2, АМгЗ, АМг5, АМгб, 1561, 5083, 5086, Д1, Д16, Ак4, АК4-1, 2014, 2017, 2024, 1915, 1925, 1953, В95, 7075 - гомогенизации.
Заготовки перед прессованием чаще всего нагревают в индукционных печах промышленной частоты, также используются электрические печи сопротивления. Наиболее перспективными по производительности и автоматизации являются индукционные печи [8,14].
Нагрев заготовок в индукционных нагревательных установках осуществляется методическим способом, который заключается в последовательном нагреве заготовок до заданной температуры по мере прохождения их через индуктор. Продвижение заготовок через индуктор производится с помощью толкателя. За один ход толкателя одновременно проходит загрузка одной заготовки в индуктор, продвижение всех заготовок, находящихся в индукторе, на длину одной заготовки и выгрузка из индуктора нагретой заготовки. Для постоянного контроля температуры заготовки, находящейся на выходе из индуктора, печи снабжают контактными термопарами.
В целях создания необходимых термических условий процесса прессования контейнер перед началом работы подвергают нагреву. Температура нагрева контейнера для прессования алюминия и его сплавов находится в диапазоне 200 - 500С. В современных прессах электрический нагрев контейнеров осуществляется следующими способами: электронагревателями, встроенными в кожух контейнеродержателя; электронагревателями, расположенными в наружной части контейнера; индукторами, встроенными в наружную часть контейнера. Температура нагрева контейнера контролируется термопарами.
Для равномерного истечения металла и во избежание образования дефектов перед установкой технологического инструмента на пресс его рекомендуется нагреть до температуры 250-450С. Нагрев инструмента производят в электрических печах сопротивления. Однако инструмент для прессования крупногабаритных изделий имеет большие габариты и для его нагрева необходимы печи, занимающие огромные производственные площади. Также установка на пресс массивного горячего инструмента является очень трудоемкой и технически небезопасной операцией. В связи с этим инструмент для прессования крупногабаритных изделий нагревают после установки его на пресс.
На прессах, конструкция которых позволяет вмонтировать дополнительные устройства, устанавливают специальные индукционные нагреватели для игл. По заказу ОАО «КУМЗ» для обеспечения ускоренного нагрева игл ЗАО НПП «Электротехнология» спроектировало и изготовило установку для индукционного нагрева игл УИН 250-1 непосредственно на прессе. Данный индукционный нагреватель установлен в трубо-прессовом цехе ОАО «КУМЗ» на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 60МН. Пресс оснащен усиленной прошивной системой с самостоятельным приводом. Ход прошивной системы ограничен упорными винтами, установленными на подвижной траверсе, что гарантирует неизменное положение иглы и строгое ее перемещение на требуемую величину хода. Усилие прошивной системы при необходимости суммируют с основным усилием пресса. Данное устройство прошивной системы позволяет фиксировать иглу в определенном положении. Передняя и задняя поперечины пресса связаны двумя рамами. Прошивное устройство смонтировано на двух литых станинах. Цилиндровая поперечина прошивного устройства соединена четырьмя колоннами с главной поперечиной- пресса. Штанга проходит через заднюю поперечину и служит для передачи давления на иглу. Пресс оснащен устройством для подачи заготовки на ось пресса, механизмом для отделения прессостатка, а также снабжен накопителем.
Методика расчета температурного поля прессовой иглы при естественном охлаждении
Процесс прессования цветных металлов в настоящее время является доминирующим методом получения трубной, прутковой и профильной заготовки. Процесс прямого прессования отличается от других процессов обработки металлов давлением тем, что на разных этапах процесса напряженное состояние, картина течения, температура металла и усилия прессования различны.
Характер течения металла в начальной стадии прессования резко отличается от характера истечения в конце процесса. При теоретическом изучении процесса прессования научный интерес представляет выявление влияния на характер течения металлов и сплавов различных факторов. Характер истечения при прессовании труб из полых заготовок исследован во многих работах [1-6,8,20]. Результаты исследования кинематики пластического течения металла при прессовании труб свидетельствуют о том, что при этом соблюдаются основные закономерности течения, установленные при анализе процесса прессования прутков и профилей сплошного сечения.
Такие общие закономерности, как существенное изменение характера течения металла с изменением условий трения на контактных поверхностях металла с инструментом, прямая зависимость длины заторможенной зоны от угла входного конуса матрицы, влияние вытяжки и условий трения на неравномерность деформации металла наблюдаются как при прессовании сплошных профилей, так и при прессовании труб.
Прессование труб из алюминиевых сплавов с прямым истечением без смазки втулки контейнера имеет следующие кинематические и деформационные особенности: 1. Зона пластической деформации охватывает весь объем заготовки. Это обусловлено тем, что силы трения между заготовкой и контейнером затормаживают движение периферийных слоев металла при перемещении прессштемпеля. Эти слои осаживаются, укорачиваясь в продольном направлении и уширяясь в поперечном - к оси заготовки. Наибольшее уширение периферийных слоев наблюдается в части заготовки, прилегающей к прессшайбе, т.к. здесь действуют максимальные осевые напряжения трения, возрастающие по мере увеличения длины контакта заготовки с контейнером и значений напряжения трения. Это приводит к характерному пережиму внутренних слоев заготовки и образованию заторможенной (мертвой) зоны металла в углах сопряжения контейнера и матрицы. 2. Установившаяся стадия процесса отсутствует. Пластическая деформация периферийных и внутренних слоев происходит в течение всего процесса. Деформация и периферийных, и центральных слоев по ходу прессования постоянно нарастает. Градиент нарастания деформации в периферийных слоях более высок, поэтому по ходу прессования увеличивается неравномерность деформации. Это обуславливает различие механических свойств по сечению и по длине отпрессованного изделия. 3. При прямом прессовании труб из полой заготовки прессуемый металл опережает иглу и даже в тех случаях, когда она движется. Силы контактного трения по поверхности иглы оказывают влияние на течение металла в слоях, находящихся в непосредственной близости к игле, и вызывают в этих слоях дополнительные сдвиговые деформации. Степень влияния сил контактного трения по поверхности иглы на течение металла зависит от свойств применяемой смазки, характера движения иглы в процессе прессования, температуры иглы и соотношения ее диаметра и толщины стенки заготовки. Силы трения по игле уменьшают опережающее движение центральных слоев, а следовательно, и неоднородность деформации. 4. Большие силы трения на контакте заготовки с контейнером и металлом заторможенной зоны затрудняют истечение тонких периферийных слоев заготовки в канал матрицы, что способствует получению качественной поверхности прессизделий. 5. Значительная часть передней торцевой поверхности заготовки переходит на наружную поверхность переднего конца трубы, а значительная часть задней торцевой поверхности заготовки переходит на внутреннюю поверхность заднего конца трубы. Характер течения металла при прессовании труб оказывает значительное влияние на величину усилия прессования и качество прессизделия. Неоднородность структуры и механических свойств прессизделия в продольном и поперечном сечениях является следствием неравномерного характера истечения металла. В статье [21] проведен анализ течения металла слитка между стенкой контейнера и иглой и с использованием закономерности нелинейно-вязкой среды. В работе доказано, что характер течения металла заготовки зависит от скорости движения иглы. Наиболее равномерное истечение наблюдается при прессовании труб, если металл слитка движется с той же скоростью, что и игла. На характер течения влияние оказывает также коэффициент вытяжки. В книге И.Л.Перлина [4] приведены фотографии изменения координатных сеток и положения вкладышей при прессовании труб с неподвижной иглой через плоские и конические матрицы с разными вытяжками. По экспериментальным снимкам следует, что чем больше вытяжка, тем больше искривление центральных участков поперечных линий сеток и тем больше отставание слоев, примыкающих к игле. Температура является одним из самых важных параметров процесса прессования алюминиевых изделий. На изменение и распределение температуры металла в процессе прессования влияют следующие факторы [2,8,22-25]: 1) исходная температура заготовки; 2) напряжение текучести сплава при данных условиях, степень и скорость деформации; 3) трение на контакте заготовки и инструмента; 4) теплопередача между металлом и инструментом, между металлом и окружающей средой. К теплоте, полученной заготовкой в процессе нагрева перед прессованием, при деформации металла, которая проходит при высоком давлении и в очень небольшой промежуток времени, дополнительное тепло поступает тремя путями: 1) в результате трения о стенки втулки контейнера (при прямом прессовании); 2) вследствие большой работы пластической деформации, которая происходит в зоне деформации; 3) в результате трения о стенки канала матрицы и поверхности иглы. Пластическая деформация сопровождается интенсивным разогревом деформируемого металла, так как большая часть энергии деформации превращается в теплоту. Превращение в теплоту энергии деформации вызывает существенное повышение температуры металла в очаге деформации. Это может при известных условиях приводить к изменению физических свойств изделий и их структуры [22]. Одновременно с выделением- тепла происходят его потери вследствие теплопередачи инструменту и в окружающую среду. Наличие теплообмена между обрабатываемой заготовкой и инструментом, а также значительное тепловыделение за счет пластической деформации и сил трения на контактных поверхностях приводит к неравномерному распределению температур в объеме пластически деформируемого тела. Повышение температуры металла в очаге деформации при прессовании может привести к образованию трещин на изделиях или к пережогу. Чтобы избежать этого, необходимо знать насколько повышается температура в очаге деформации в зависимости от скорости прессования, степени деформации, начальной температуры заготовки и инструмента, свойств обрабатываемого металла, материала инструмента и смазки. Задача определения температурного поля заготовки в очаге деформации является весьма сложной. Такая задача требует совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и теплопроводности, термодинамического уравнения, а также уравнений, связывающих напряжения и деформации, и условия пластичности.
Определение температурного поля прессовой иглы при конвективном теплообмене во время выполнения вспомогательных операций
В современном производстве труб из алюминиевых сплавов широкое применение нашел способ горячего прессования полых заготовок на игле, позволяющих получать трубы широкой номенклатуры. Эффективность процесса прессования труб в значительной степени зависит от условий контактного трения, возникающего при взаимодействии прессуемого металла с инструментом, которые оказывают влияние на усилие прессования и качество поверхности прессизделий. Большинство экспериментальных работ в области изучения прессования труб направлены на изыскание способов повышения производительности процесса.
В экспериментальной работе [43] предлагается способ снижения коэффициента трения на границе металл-инструмент, заключающийся в применении покрытия инструмента веществом (дисульфид молибдена, нитрид бора), препятствующим прилипанию металла к инструменту и имеющим низкий коэффициент трения при условиях деформирования. В результате экспериментальных исследований авторы статьи получили данные, подтверждающие увеличение скорости истечения на 10% при прессовании труб на инструменте с покрытием дисульфидом молибдена, по сравнению с прессованием труб со смазкой на инструменте без покрытия. Причем трубы, отпрессованные с инструмента покрытого дисульфидом молибдена, имеют более хорошее качество внутренней поверхности труб.
При прессовании алюминиевых труб в качестве технологической смазки наибольшее распространение получили масла с наполнителями. Для прессования алюминиевых сплавов Всероссийский институт легких сплавов рекомендует применять смазку ВТС-63 [44,45], состоящую из графита, цилиндрового масла и свинцового сурика. Введение твердых наполнителей в технологическую смазку (графита и свинцового сурика) заметно повышает вязкость, которая оказывает решающее влияние на толщину слоя смазки, формирующегося в процессе деформации. Рациональное количество твердых наполнителей и состав жидкой фазы оказывают существенное влияние на несущую способность смазочного слоя и его термостабильность. Состав и количество вязкой фазы влияют на жидкотекучестъ смазочного слоя, что особенно важно для процесса пластического формоизменения при радиальном обжатии, осуществляемого со свободным вытеканием смазки. Толщина смазочного слоя в процессах пластического деформирования является функцией вязкости и скорости перемещения инструмента [45]. В ходе экспериментальных исследований [44] составов различных смазок, в том числе и смазки ВТС-63, установлено, что из 22 составов смазок наибольшая скорость истечения достигается при прессовании со смазкой ВТС-63. Антифрикционные свойства исследованных смазок при оценке их по силовым условиям достаточно близки между собой. При проведении работы были построены зависимости коэффициента трения от температуры испытания для различных смазок при удельном давлении в месте контакта поверхностей 211 МПа и скорости скольжения шарика 0,24мм/сек. По данным работы минимальные значения коэффициентов трения обеспечивает смазка ВТС-63. В работе [3] рекомендуется для прессования алюминиевых труб применять смазку такого же состава, как и ВТС-63, но с добавлением либо талька, либо дисульфида молибдена. Принцип действия таких смазок заключается в том, что выделившийся в результате химических реакций свинец при температуре прессования оказывается жидким и повышает прочность смазочной пленки, улучшает работу пластифицированного слоя [1].
В работах [46,47] отмечается высокая эффективность применения в сочетании с технологической смазкой подсмазочных покрытий. Принцип двухслойной смазки заключается в одновременном формировании прочного граничного слоя смазки и использовании мягких покрытий в качестве подслоя для регулирования истинной площади контакта и снижения контактных напряжений до уровня, при котором сдвиг происходит в полимолекулярном граничном слое. Авторы работ [46,47] разработали два вида покрытий для горячего деформирования алюминиевых сплавов: оксидное и силиконовое. При прессовании труб с использованием подсмазочных покрытий и полированного инструмента на прессизделиях получается «зеркальная» поверхность.
Способы нанесения смазок на прессовый инструмент далеки от совершенства. Как правило, при прессовании изделий из алюминиевых сплавов применяются жидкие технологические смазки, поэтому операцию нанесения смазки тяжело автоматизировать, и она заключается в обмазке поверхности инструмента, вручную при помощи специального помазка из хлопчатобумажных нитей. Как это часто бывает при осуществлении ручных операций, существует определенный произвол в количестве нанесенной смазки и равномерности ее нанесения. При прессовании на горизонтальных прессах ситуация особенно неблагоприятна, поскольку сила гравитации направлена ортогонально оси прессования, что ведет к стеканию смазки по цилиндрическим поверхностям, создавая заведомо несимметричную картину расположения слоев. Эта несимметричность создает впоследствии, при самом прессовании, различные контактные условия деформации, что касается и условий теплообмена и условий трения. Неравномерность сил трения металла об инструмент при прессовании тонкостенных труб из алюминиевых сплавов приводит к неравномерности скоростей истечения металла по сечению обжимающей части пластической зоны, что является причиной гофрообразования. Появление гофров при прессовании тонкостенных труб связано также с несоосностью прессового инструмента [48]. Несоосностъ прессового инструмента обусловлена неправильной центровкой узлов пресса и инструмента, деформацией инструмента, выработкой инструмента.
Несоосность прессового инструмента при прессовании труб, а также качество прессуемой заготовки (разностенность, косина реза) являются причиной их разностенности. В процессе прессования разностенность трубы в выходном конце, как правило, уменьшается по мере выхода трубы из канала матрицы. В работе [49] уменьшение разностенности от выходного конца трубы к утяжинному объясняется самоцентровкой инструмента. В процессе распрессовки заготовки в контейнере, вследствие неодинакового зазора между стенками контейнера и заготовкой, косины реза заготовки, ее разностенности, игла устанавливается относительно оси контейнера с величиной эксцентриситета е, что приводит к образованию на выходном конце прессуемых труб разностенности Т.е. Как отмечено в предыдущем разделе на колебание толщины стенки влияет распределение температуры [4]. Из-за неравномерности температуры и гетерогенности структуры прочностные свойства прессуемого металла неоднородны. При прессовании в участке обжимающей части пластической зоны создается повышенное радиальное давление, отводящее иглу в сторону участка с меньшей прочностью. Этому способствует консолеобразное крепление иглы, особенно при ее небольшом поперечном сечении в начале стадии ламинарного истечения, когда длина иглы максимальна. К концу процесса прессования длина иглы сокращается, поэтому увод иглы в сторону уменьшается.
Описание напряженного состояния иглы при прессовании трубных заготовок
Время от момента извлечения заготовки из печи до начала распрессовки составило 2,5мин. Время расспрессовки составило ЗОсек, скорость распрессовки 7,4 мм/с, максимальное усилие прессования - 26,46МН.
Анализ графиков показывает, что на этой стадии прессования температура поверхности иглы повысилась в среднем на 234,4С. Наиболее однородно распределение температуры по длине выявлено на боковой поверхности иглы (средняя температура по длине 371С при максимальном отклонении 14С). На верхней и нижней поверхности распределение оказывается неоднородным по длине (для верхней поверхности средняя температура по длине 349С при максимальном отклонении 54С, для нижней поверхности средняя температура по длине 364С при максимальном отклонении 28С). Этот факт приводит к выводу о том, что такая ситуация является следствием несимметричного расположения заготовки и ее деформации по вертикали, по горизонтали ее положение достаточно симметрично.
Несимметричный прогрев иглы на этом этапе прессования является следствием несимметричности процесса распрессовки, что более подробно рассмотрено авторами в статье [85]. Для проверки этого положения выполнили компьютерное моделирование процесса распрессовки с помощью системы автоматизированного расчета параметров напряженно-деформированного состояния «РАПИД-2Д», основанной на методе конечных элементов (Copyright Полищук Е.Г., Жиров Д.С. 2000-2004). На рис. 3.8 показаны стадии заполнения контейнера металлом при несимметричном расположении полой заготовки в контейнере, что обусловлено горизонтальным способом прессования. Заготовка с нанесенной прямоугольной координатной сеткой размещается в контейнере с опорой на верхнюю часть иглы, таким образом, в этом месте зазор отсутствует. Вся остальная поверхность заготовки размещается как относительно стенки контейнера, так и относительно поверхности иглы с зазором.
Поскольку система «РАПИД-2Д» ориентирована на решение задач пластического формоизменения в осесимметричной постановке, то пришлось решать отдельно краевую задачу для верхней и нижней части очага деформации. На рис. 3.8 эти решения совмещены, поэтому появилась возможность оценки не с иммметр ич но сти течения металла. Понятно, что имеется определенная некорректность постановки задачи, поскольку в осесиметричной постановке запрещены тангенциальные перемещения металла, что вполне возможно в реальном процессе.
Решение задачи показало, что последовательность формоизменения в этом случае следующая: - В нижней части заполняется внешний зазор между наружной поверхностью заготовки и стенкой контейнера. При этом происходит бочкообразование как на наружной боковой поверхности слитка, так и на внутренней, причем касание металлом стенки контейнера происходит на части поверхности, приближенной к прессшайбе. Ближе к матрице сохраняются воздушные зазоры. В связи с тем, что на поверхность иглы нанесен слой смазки, трение между иглой и заготовкой минимальное. В верхней части наблюдается течение металла наружу и увеличение внутреннего диаметра заготовки. — По мере выборки внешнего зазора начинается деформация металла, прилегающего к полости, вначале вблизи прессшайбы. В этот промежуток времени на большей части наружной поверхности зазор выбран, поэтому вступают в действие напряжения трения, которые препятствуют проникновению деформации по направлению к матрице. Вблизи матрицы металл деформирован слабо. — Раньше всего касание металла иглы происходит вблизи прессшайбы. В этот момент изменяется характер нагрева поверхности иглы: от конвективного нагрева происходит переход к нагреву способом теплопроводности, который при этой температуре обеспечивает более высокий темп теплопередачи. Этот участок иглы начинает интенсивно прогреваться. Поэтому к моменту завершения распрессовки и начала прессования участок иглы, примыкающий к прессшайбе, оказывается наиболее нагретым. При этом оказывается, что металл слитка, примыкающий к прессшайбе, наиболее долго находится в состоянии захолаживания, что может сказаться на распределении свойств по длине прессизделия. Повышенная неоднородность деформации при распрессовке объясняется самой схемой нагружения: ее можно представить как осадку высокой заготовки, имеющей большое отношение высоты к поперечному размеру, в данном случае к толщине стенки. Как известно из механики сплошной среды, такое тело легко подвергается изгибу и локализации деформации. Дополнительное усложнение картины течения происходит за счет следующих факторов: — несимметричного расположения заготовки; — наклонной поверхности матрицы; — неравенства температур нагрева матрицы, иглы, контейнера, прессшайбы; — неоднородного распределения температуры и механических свойств деформируемой заготовки; — подпирающего действия поверхностей иглы и стенки контейнера по мере их касания металлом; — напряжений трения.
