Благодаря уникальному набору свойств изделия из алюминиевых сплавов широко применяются в различных областях промышленности, при • этом значительная доля полуфабрикатов приходится на прессованную продукцию [1,2].
С середины 60-х годов число работ, посвященных разработке новых деформируемых алюминиевых сплавов, несколько сократилось, поскольку создание новых сплавов, заметно превосходящих по свойствам уже освоенные, стало весьма затруднительным. Поэтому весь прогресс в области прессовых производств связан, в основном, с развитием и совершенствованием технологической подготовки, обеспечивающей повышение механических свойств.
Фундаментальные исследования Фридляндера И. Н., Добаткина. В.И.', Вайнблата Ю. М., Ливанова В. А., Квасова Ф. И., Елагина В. И. и других ученых стали научной основой термомеханической обработки алюминиевых сплавов. Известно, что структура, а, следовательно, и свойства зависят от химического состава и условий прессования (температура, скорость и степень деформации), а также от вида последующей термической обработки [3, 4].
Большой практический интерес с точки зрения простоты-, обеспечения-заданных свойств и снижения себестоимости изделий представляет собой управление структурой путем регулирования изменения температурно-скоростных условий процесса, что позволяют достичь современные автоматические • линии прессования. Связь между температурно-скоростными режимами обработки давлением и образующейся структурой отражена в диаграммах структурных состояний (ДСС), разработанных специалистами ВИЛС под руководством Вайнблата Ю. М. [3,5].
Тем не менее, определение оптимальных температурно-скоростных режимов прессования представляет довольно трудную задачу, связанную со сложностью' получения данных о распределении температурно-скоростных характеристик процесса по сечению очага деформации прессуемой заготовки. Часто напредприятиях авиационной отрасли технологический процесс разрабатывают опираясь на большое число накопленных экспериментальных данных, поэтому подготовка выпуска нового изделия занимает продолжительный срок и требует больших материальных вложений.
На сегодняшний день аппаратные и программные средства позволяют не только определять температурно-скоростные поля в деформируемом полуфабрикате, но и спроектировать сам технологический процесс, представляя его как целостную систему [6], в отличие от аналитико-эмпирического подхода. Все это дает возможность многократно уменьшить затраты времени и труда. ¦
Внедрение комплексных систем проектирования и подготовки производства (CAD/CAM/CAE систем) в прессовом производстве ставит задачи не только по снижению брака выпускаемых изделий, снижению затрат на механическую обработку и экономию металла, но и по прогнозированию вероятности разрушения изделий, появления трещин, моделированию структуры и механических свойств, прочностного расчета и прогнозирования износа прессового инструмента.
Существуют различные подходы к объяснению закономерностей формирования структуры алюминиевых сплавов при прессовании, однако большинство из них позволяют дать лишь качественную оценку влияния различных факторов на формирующуюся структуру. В связи с этим разработка методики прогнозирования структурного состояния прессованных полуфабрикатов, обеспечивающей уменьшение затрат времени и материальных средств, является актуальной задачей.
Необходимо отметить, что реальная оценка • результатов автоматизированного проектирования возможна лишь при практическом апробировании технологического процесса, поэтому подтверждение разработанных подходов и методик обосновано. результатами опытно-промышленных исследований.
Научная новизна:
1. ¦ На основании экспериментальных исследований и результатов виртуального моделирования проведена адаптация диаграммы структурных' состояний сплава Д16 к процессу прессования прутка 0 90 мм и предложен комплексный подход к обоснованию закономерностей формирования структурного состояния в процессе прессования.
2. На основании совместного анализа процесса прессования прутка из сплава АК6 и результатов моделирования установлена взаимосвязь между величиной касательных напряжений на контактной поверхности и толщиной «крупнокристаллического ободка».
3. По данным компьютерного моделирования подобрана аппроксимирующая функция, характеризующая распределение величины интенсивности скоростей деформации по очагу деформации, позволяющая существенно упростить поиск локальных значений скоростных параметров.
Практическая значимость работы:
1. Разработана методика прогнозирования структурного состояния в. прессованных полуфабрикатах из алюминиевых сплавов, основанная на диаграммах структурных состояний и результатах компьютерного моделирования.
2. Разработана методика, позволяющая прогнозировать толщину «крупнокристаллического • ободка» в зависимости от технологических режимов прессования алюминиевых сплавов.
3. Проведено промышленное опробованиеразработанных методик на предприятии ОАО «Ступинская Металлургическая Компания» при производстве серийных изделий типа радиаторный профиль и пруток' методом прямого прессования из сплавов АДЗ1, АК6 и Д16.
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.
1. Диаграммы структурных состояний учитывают не все факторы, влияющие на протекание процессов разупрочнения, и нуждаются в адаптации к конкретному технологическому процессу с целью использования ДСС для прогнозирования структурного состояния.
2. На основании результатов двухступенчатого деформирования сплава Д16 установлено, что за формирование конечного структурного состояния, при прочих равных условиях, ответственен последний этап деформирования. Формирование структурного состояния в полуфабрикате, завершается при степени деформации не менее 0,3.
3. На основании результатов моделирования установлен характер распределения интенсивности скоростей деформации по сечению очага деформации в процессе прессования, для учета которого предлагается выделять области минимальной и максимальной интенсивности скоростей деформации.
4. По результатам расчета скоростных полей ряда модельных полуфабрикатов определена аппроксимирующая функция распределения интенсивности скоростей деформаций по очагу. Функция может быть использована для упрощенного поиска локальных значений интенсивности скоростей деформации в очаге деформации при прессовании, что позволяет определить требуемые параметры при любой геометрической форме изделия, даже в случае, когда программы моделирования этого не позволяют.
5. На основании совместного анализа результатов моделирования и диаграмм структурных состояний на примере процесса прессования сложного радиаторного профиля из сплава АД31 разработана методика прогнозирования структурного состояния в прессованных: полуфабрикатах.
Проведено промышленное опробование, подтверждающее правильность разработанной методики.
6. Прогнозирование структурного состояния, согласно разработанной методике, для термически упрочняемых алюминиевых сплавов с большим содержанием легирующих элементов при прессовании по режимам, соответствующим гетерофазной области, целесообразно проводить отдельно для центральных и потенциально ободочных зон.
7. На примере процесса прессования прутка из сплава АК6 с использованием результатов моделирования и анализа макроструктуры реальных полуфабрикатов, показано, что положение границы между центральной и ободочной зонами определяется условиями трения на контактной' поверхности. Разработана методика определения толщины «крупнокристаллического ободка» в зависимости от режимов прессования.
8. Проведена адаптация ДСС сплава Д16 применительно к процессу прессования. Прогнозирование структур с использованием уточненной диаграммы структурных состояний согласуется с результатами промышленного эксперимента.
9. На основании анализа влияния значений параметра Зиннера — Холомона (Z), на механические свойства прессованного прутка из сплава АК6 установлено, что в области полигонизованного структурного состояния с увеличением Z значения прочностных свойств повышаются.
