Актуальность работы. 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.
Работа выполнялась 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 «Каменск-Уральский металлургический завод» (пункт 19 «Разработка мероприятий, направленных на повышение точности, улучшение механических свойств и структуры прессованных труб из алюминиевых сплавов»).
Цель работы. Целью данного исследования является изучение силового и теплового взаимодействия игл и деформируемого материала при прессовании трубных заготовок из алюминиевых сплавов.
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.
Достоверность полученных результатов базируется на применении в исследованиях основных положений физики и механики деформации сплошных сред, современных программных комплексов (РАПИД-2О, Excel), реализующих фундаментальные математические методы (система дифференциальных уравнений теории пластичности и теплопроводности, метод конечных элементов, статистическая обработка данных). Результаты работы подтверждены проведением промышленных экспериментов на реальном промышленном оборудовании.
Практическая ценность. Практическую ценность представляют следующие результаты работы:
• 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;
• 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.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 10-ая научно-практическая конференция «Алюминий Урала - 2005», Краснотурьинск, 2005 г.; VII международная научно-техническая конференция «Пластична деформащя металхв», Днепропетровск, 2005 г.; II научно-техническая конференция молодых специалистов промышленных предприятий стран СНГ, Каменск-Уральский, 2005 г.; VII и VIII конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ УПИ, Екатеринбург, 2005 г.; международная научно-техническая конференция «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов», Санкт-Петербург, 2005 г.; IX конференция молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ УПИ, Екатеринбург, 2006 г.; международная научно-практическая конференция «Особенности обработки и применения изделий из тяжелых цветных металлов», Ревда, 2006 г.; международная научная школа для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов», Екатеринбург, 2010 г.; 5 международный научно-практический семинар «Уральская школа по обработке металлов давлением им. А.Ф. Головина. Модернизация и инновации в металлургии и машиностроении», Екатеринбург, 2011 г.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертационной работы, опубликованы в 15 печатных работах, из них 3 публикации в реферируемых изданиях из перечня ВАК, а также получены 3 патента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 57 иллюстраций, 13 таблиц, списка литературы из 102 наименований.
При выполнении исследования получены следующие результаты:
1. Установлено, что температурное поле крупных прессовых игл циклически изменяется в процессе прессования и это изменение значимым образом сказывается на точности прессованной продукции и механических свойствах.
2. С помощью аналитического решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности и постановкой промышленного эксперимента показано, что нагрев крупных прессовых игл за счет конвективного обмена от тепла контейнера является медленным и малоэффективным.
3. Сконструирована, изготовлена и опробована экспериментальная оснастка для измерения температурного поля прессовой иглы в промышленных условиях прессования. Получены опытные данные о распределении температур иглы в промышленных условиях, сравнение расчетных и опытных данных показало хорошую сходимость.
4. С помощью решения методом конечных элементов краевой задачи распрессовки, показано, что стенки полого слитка на этой стадии подвергаются деформациям изгиба, а поверхности могут не являться контактными по отношению к прессовому инструменту, что локально затрудняет теплоотвод и объясняет не монотонность изменения температур.
5. Определено температурное поле прессовой иглы при конвективном теплообмене во время выполнения вспомогательных операций, в результате чего установлено относительно малое влияние этого периода времени на изменение температурного поля.
6. Изучено влияние термоупругого изменения размеров иглы на точность размеров прессованной трубы, в результате чего показано, что колебания размеров значимы и соизмеримы с пределами допусков, задаваемыми нормативными документами на продукцию.
7. Уточнена методика оценки напряженного состояния иглы, при этом показано, что это уточнение приводит к достижению более высоких эквивалентных напряжений, это позволяет объяснить случаи обрыва игл во время прессования.
8. 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.
9. На основе решения методом конечных элементов задачи прессования установлено неравномерное распределение скоростей деформации между иглой и формообразующей поверхностью матрицы. Выявлено существование зоны повышенных скоростей деформации вблизи наружной поверхности готовой трубы.
10. 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, что объяснено эффектом повышения скорости деформации, снижением значения температуры начала рекристаллизации и частичной потере эффекта структурного упрочнения.
11. Предложена новая конструкция прессовой иглы, малочувствительная к изменению температуры. Выполнены расчеты методом конечных элементов, которые показали уменьшение колебания размеров иглы при ее термоциклировании.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
