Силовое и тепловое взаимодействие игл и деформируемого материала при прессовании трубных заготовок из алюминиевых сплавов

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 способомзакономерности стадии распрессовки с учетом неравномерного распределения деформаций и изменения температуры иглы в условиях теплообмена со слиткомзакономерности 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 прессао 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 методомконечных 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 охлажденииигла для экспериментального определения температуры при нагреве и охлажденииконструкция иглы для определения температуры при прессованиирезультаты промышленных измерений и исследований макроструктуры при проведении промышленных экспериментовакт внедрения изменения температурных режимов прессования труб.

Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях: 10-ая научно-практическая конференция «Алюминий Урала — 2005» (Краснотурьинск, 2005 г.) — VII международная научно-техническая конференция «Пластична деформащя метал1в» (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 У ПИ (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.).

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 № 1 200 704 103;

• 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»).