Точность аппроксимации в исследуемой области оценивалась дисперсией адекватности. При достаточной плотности исходных данных устойчивое решение получено путем аппроксимации поля скоростей перемещений полиномиальными моделями. В алгоритме решения полученных систем уравнений предусмотрено корректирование размера области аппроксимации и степени полинома [4].

Ввиду неравномерности деформации металлов в процессе прессования и, следовательно, неравномерной "плотности" экспериментной информации этот метод недостаточно пригоден для анализа деформированного состояния в зоне обжима. Для этой области использовалась другая методика (визиопластичности) в которой принимали продольные линии искаженной координатной сетки на каждом этапе деформирования за линии тока. Это допущение принято на основании постоянства положений линий сетки на рассматриваемом этапе прессования вблизи канала матрицы.

Из анализа кинематики течения материала заготовки в условиях СПАТ установлено образование вдоль всей боковой поверхности заготовки периферийного потока металла, опережающего осевые слои, и радиально направленного потока металла вдоль плоскости матрицы. Оба эти взаимосвязанных потока создают благоприятные условия при прохождении периферийных слоев металла, подвергающихся действию сил трения, которые устраняют образование трещин, пресс-утяжин всех видов и других дефектов. Отмечено, что ускоренное движение периферийных слоев заготовки в направлении матрицы приводит к значительному замедлению движения центральных слоев заготовки. Изменяя соотношения скоростей движения контейнера и пресс-штемпеля, можно управлять кинематикой течения металла и распределением структуры и свойств изделий [4].

Для оценки напряженно-деформированного состояния применяли методику совместного решения уравнений, описывающих механику процессов деформации (уравнений равновесия, пластичности, связи, теплопроводности) с использованием данных по искажению координатных сеток заготовок.

Из анализа напряженного состояния установлено важная закономерность, согласно которой при СПАТ преобладает осевая компонента напряжений сжатия вблизи контейнера по сравнению с осевой областью. Вначале отмечено постепенное нарастание осевого напряжения от прессшайбы, а затем, начиная от границы зоны обжима, его снижение. Однако в отличие от других исследователей было установлено, что на выходе из канала матрицы для СПАТ эти напряжения незначительно превышают нуль.

Такой характер распределения осевого напряжения вдоль оси позволяет создать условия, способствующие упрочнению металла заготовки в процессе прессования в направлении от прессшайбы к зоне обжима. В этой части заготовки напряжения возрастают до 25 раз, что в сочетании с действием сдвиговой деформации влияет на увеличение степени проработки структуры деформируемой заготовки. Это обстоятельство отличает СПАТ от прочих способов прессования.

По результатам комплексных исследований на лабораторных установках МИСиС и Ростовского института сельско-хозяйственного машиностроения (РИСХМ) и полупромышленного опробования на Белокалитвинском металлургическом заводе (БКМЗ) впервые в мире Коломенским заводом тяжелого машиностроения (КЗТС) был спроектирован и изготовлен специальный пресс для СПАТ и обратного прессования усилием 31,5 МН модели ПБ8745-1, введенный в действие на Ступинском металлургическом комбинате в 1980г.

В его пуске и освоение непосредственное активное участие приняло как руководство СМК Батурин А.И., Юшкин М.П., Миронов В.И., так и сотрудники технического отдела- Татарников Г.В., Захаров Н.П., Морозов А.П., Маркин М.Г., цеха №24 - Рынденков Ю.А., Панин Н.П., Ефименков А.И., Богатырев В.Г., Евланов А.И., Шелков С.А., Ксенофонтов А.М., Маковская О.Н., Асташкин Ю. П., Алпатов В.П., ЦЗЛ - Гусев А.В., патентного отдела -Кретов А.И., Жеребцов В.Г., Аристов В.И.

Пресс на последующий длительный период явился практически заводской лабораторией, на котором комплексно исследовали особенности СПАТ[5].

На этом прессе впервые были проведены исследования и отработка технологии полунепрерывного прессования прутков в условиях активного действия сил трения. Был предложен способ полунепрерывного прессования с подстуживанием в воде переднего торца заготовки, что обеспечило получение близкого к плоскому стыка пресс-изделий. Для расчета режимов подстуживания слитков разработали математическую модель, реализующую решение двухмерного нелинейного нестационарного уравнения теплопроводности совместно с конвективным и лучистым теплообменом. С целью практического применения способа разработана конструкция устройства для загрузки заготовок в ванну с жидкостью и извлечения её.

К сожалению, построенный пресс ПБ8745-1 по традиционной технологии с индивидуальными приводами на контейнере и прессштемпеле имел сложную систему управления, не позволяющую в полном объеме реализовать СПАТ-процесс. Кроме того, на начальной стадии прессования усилия не хватало на контейнере, поэтому начальная стадия проходила практически в обратном режиме. В конце процесса было недостаточно усилия на прессштемпеле, в результате чего приходилось снижать скорость прессования. Это приводило к тому, что мощность приводов пресса использовалась только на 60-80 %. На средней стадии процесса силовые параметры изменялись очень динамично и аппаратура не успевала отслеживать эти изменения, поэтому процесс шел как бы волнообразно. Это обстоятельство значительно усложняло поддержание необходимого кинематического режима прессования. В тоже время, на нем были выполнены комплексные исследования прессования профилей и прутков в разных кинематических условиях из труднодеформируемых алюминиевых сплавов в сопоставимых условиях с прямым и обратным способами прессования.

Значительным шагом вперед в прессостроении была разработка в МИСиС новой конструктивной схемы пресса с зависимой “жесткой” гидравлической связью между подвижными элементами пресса (рис.2) [6]. Такая связь достигнута установкой на прессующей траверсе 8 цилиндра подпора 21 и на задней поперечине цилиндров стабилизации утапливания плунжера подпора 15, связанных между собой трубопроводами 18. Наличие цилиндра подпора 21 обеспечивает не только опережающее движение контейнера 3 по отношению к прессштемпелю 4, но и автоматическое перераспределение усилий между ними в необходимом соотношении. Кроме того, установка цилиндров стабилизации 15 добавляет мощности пресса пропорционально их площади. При этом перемещение прессштемпеля и контейнера осуществляется одним главным рабочим приводом 13. Для холостых ходов и возврата контейнера устанавливается отдельный привод 26,27 на передней поперечине. Выполнение плунжера подпора с хвостовиком 69, размещенным в полости плунжера 14 главного цилиндра 13, позволяет значительно сократить габариты прессующей траверсы с цилиндром подпора [6].

Рис.2 Горизонтальный гидравлический пресс с «жесткой» гидравлической связью его подвижных элементов

для прессования с активным действием сил трения.

Для автоматического получения требуемой величины кинематического коэффициента (K_W=V_К/V_ПР) соотношения скоростей контейнера V_К и прессштемпеля V_ПР и надежной работы узлов пресса в процессе экструдирования необходимо выполнение различных конструктивных элементов пресса в строгом соответствии между собой [6].

На прессе может быть установлено несколько цилиндров стабилизации, включая и выключая их попарно можно ступенчато изменять кинематический коэффициент по ходу процесса, поддерживая его оптимальное значение. В качестве цилиндров стабилизации можно использовать форсирующие цилиндры 42 после завершения их основой функции -холостого хода. Они соединяются с цилиндром подпора трубопроводом 18 через устанавливаемый дополнительный клапан 50.

На основе этой конструктивной схемы в 1989 г. осуществлена реконструкция 35-МН пресса прямого действия модели П8546 на Красноярском металлургическом заводе (КРАМЗ) и перевод его на прессование с активным действием сил трения. Реконструкцию и пуск пресса удалось выполнить в короткий срок и на высоком техническом уровне благодаря активному участию руководства КрАМЗа - Кузнецова А.Н., Разумкина В.С., сотрудников отдела главного технолога - Алферова В.Н., Ворошилова С.Ф., Кучера А.А.,начальника ОКНИР- Кадышевой Г.И., отдела главного механика Свинарева А.К., Янисова Н.А., профильного и трубных цехов - Шпагина В.Я., Спичака М.Г., Киселева Л.А., Шиврина А.Г., Соболя С.В., Алферовой О.П., Иванова В.Г., Зеленского В.Я., Косенкова В.С. Алешина В.П., ЦЗЛ - Смирновой Л.А., Стойновой Т.В., Журавлевой Л.А., Баргаяновой О.П..

В результате реконструкцией на прессе установлена новая подвижная траверса с цилиндром подпора и прикрепленными к ней сверху и снизу двумя цилиндрами стабилизации. Проведено совершенствование приводов подвода — отвода контейнера (в связи с необходимостью увеличения хода контейнера), отделения прессостатка и изготовлено устройство для съема и установки матрицы. В связи с ограниченным пространством в поперечине выбранное соотношение размеров между цилиндром подпора цилиндрами стабилизации позволило получать кинематический коэффициент 1,15, позже за счет включения в систему стабилизации форсирующих цилиндров он увеличился до К_W=1,21. Центровка контейнера улучшена за счет монтажа дополнительных направляющих и размещения на передней поперечине полого шплинтона.

При реконструкции пресса удалось его полностью автоматизировать. Система управления прессом выполнена на основе программируемого контроллера типа ПК-128 из серии "Микродат" отечественного производства[7]. Проведенные мероприятия позволили уменьшить число вспомогательных операций, время их выполнения, сократить в три раза штат обслуживания пресса.

Опыт эксплуатации пресса показал высокую эффективность процесса: в 2...2,5 раза повысилась производительность, до 90-95% увеличился выход годного, получены изделия с высоким уровнем эксплуатационных свойств, однородной по длине и сечению структурой, с минимальной величиной крупнокристаллического ободка и заданным уровнем механических свойств. Это позволило широко использовать процесс для получения изделий, не требующих механической обработки поверхности[8].

Особое внимание в работах по СПАТ уделялось вопросам управления качеством прессизделий [5]. Задаваясь скоростями контейнера, прессштемпеля и сопоставляя распределения интенсивности скоростей деформации с показателями качества изделий и производительности, оптимизировали параметры прессования: температуру заготовки и контейнера, скорость прессования и кинематический коэффициент. Выбирая тот или иной режим прессования можно либо обеспечить максимальную производительность процесса, либо получить повышенные механические свойства (см. таблицу).

Табл. Рекомендуемые режимы прессования труднодеформируемых алюминиевых сплавов

*Градиентный нагрев заготовок

При освоении пресса столкнулись с серьезнейшей новой проблемой, которая могла привести к остановке работы пресса в СПАТ режиме. Особенностью обратного прессования и с активным действием сил трения является использование в инструментальной наладке полого пресс-штемпеля (шплинтона). До настоящего времени в отечественной практике широко использовались шплинтоны с одним сквозным отверстием, размеры которого определяют возможную номенклатуру изделий.

Исследования показали, что в случае одноканального прессования, т.е. при соблюдении геометрического подобия исходной заготовки и изделия, во всем диапазоне повышенных скоростей прессования СПАТ V_пр размеры изделия соответствуют требованиям ГОСТа. В случае же многоканального прессования существуют ограничения по возможности расположения каналов на зеркале матрицы, поэтому при использовании матрицы с 2…6 каналами при традиционных скоростях V_пр=1…3 мм/с овальность изделий находилась в пределах требований, предъявляемым к изделиям повышенной точности. Увеличение скорости прессования до предельно допустимых значений V_пр=4…9 мм/с приводило к нарушению геометрических размеров изделий [9].

Комплексные исследования на разъемных слитках с нанесенной координатной сеткой и макроструктурный анализ пресс-остатков позволили установить линии течения и границы раздела потока металла при различных случаях прессования (рис.3).

При увеличении числа каналов матрицы металла, поступающего из центральной зоны слитка, не хватает для получения прутка соответствующего объема, поэтому металл начинает поступать из других зон, что приводит к интенсивному тангенциальному течению вблизи канала матрицы (рис.3а). При небольших скоростях прессования металл до входа в канал успевает перераспределиться в необходимом количестве, а при высоких скоростях прессования (V_пр >=4…9 мм/с ) он не успевает полностью заполнить канал матрицы, поэтому на части прутка, обращенной к центру, наблюдается утяжка металла, что приводит к значительной овальности изделий.

Поэтому возникла необходимость в проведении комплексных исследований для изучения влияния геометрии канала матрицы, технологических параметров и различных конструкций матриц на овальность изделий [9]. Было разработано, изготовлено и опробовано несколько новых конструкций матриц.

Применение матриц с переменными поясками позволило уменьшить овальность на изделиях всего на 15...20 %, а увеличение рабочего пояска на части канала привело к уменьшению предельно допустимой скорости прессования на 30...40 % .

При изготовлении каналов овальной формы с направлением большой оси овала к центру матрицы предельную скорость истечения удалось увеличить на 20...25 %. Эффективность данного метода снижается из-за трудностей, возникающих как при расточке канала, так и в результате изменяющейся длине изделий овальности, которая существенно увеличивается от выходного конца к утяжинному.

Раздвижение центров каналов на 13,5 мм путем их разворота по отношению к оси матрицы (в случае применения шплинтона с одним центральным отверстием) позволило изменить характер течения металла вблизи матрицы. При этом овальность уменьшилась более чем в 2 раза.

Тем не менее, для кардинального решения проблемы, т.е. смещения каналов ближе к периферии, необходимо было изготовить универсальный шплинтон с несколькими сквозными отверстиями.

Проведенные расчеты позволили создать новую оригинальную универсальную конструкцию шплинтона, обеспечивающую без его смены прессование в матрицы с 2,3,4 и 6 каналами, т.е. охватывающую почти всю возможную номенклатуру изделий[10]. Специалистам КраМЗа удалось разработать достаточно простую технологию его изготовления.

Анализ характера течения металла (рис.3) с использованием такого шплинтона показывает, что скорости металла, входящего в канал с периферии и центра, примерно равны. Замеры овальности подтвердили эти выводы - геометрические размеры изделий во всем интервале скоростей удовлетворяли требованиям ГОСТа [9].

Температурно-скоростные условия прессования труднодеформируемых алюминиевых сплавов во многом определяют производительность процесса, уровень и распределение механических свойств по длине и сечению изделий. Известно, что деформационное тепловыделение при прессовании существенно изменяет первоначальное температурное поле в заготовках, при этом изменяются условия отвода тепла инструментом. В конце процесса при увеличении удельной поверхности заготовки последняя интенсивно охлаждается, что приводит к нежелательному изменению силовых и скоростных условий процесса, значительной неравномерности механических свойств по длине и сечению изделий. Компенсировать изменение температуры металла в пластической зоне при прессовании можно за счет регулирования температурного поля в слитках. Необходимое распределение температуры в слитках обеспечивается путем градиентного нагрева в специализированных нагревательных установках, а также путем подстуживания одного из торцов слитка после нагрева.

При прямом прессовании труднодеформируемых алюминиевых сплавов скорость прессования не превышает 2—3 мм/с, поэтому в результате длительного нахождения заготовки в контейнере (5—20 мин) ее температура выравнивается за счет теплопроводности и в результате теплообмена с инструментом. Средняя температура заготовки снижается по сравнению с обычным прессованием, поэтому мощности пресса недостаточно для прессования в оптимальных условиях и скорость прессования снижается. Такие условия процесса приводят не дают существенной прибавки скорости и приводит к значительной неравномерности свойств в изделиях.

Наиболее рационально использовать переменное температурное поле по длине заготовки при прессовании методом СПАТ. В этом случае скорость прессования возрастает до 7— 10 мм/с, а общее время нахождения заготовки в контейнере не превышает I—2 мин. Кроме того, в СПАТ процессе используются заготовки в 1,5—2,0 раза длиннее, чем при прямом прессовании, что позволяет создавать значительно большие перепады температуры по длине заготовки. Поэтому в исследованиях особое внимание уделялось использованию градиентного нагрева для СПАТ процесса. С этой целью прессовая установка была дооснащена двумя камерами, обеспечивающими градиентный нагрев как переднего торца заготовки, так и заднего (для обратного способа)[11].

Градиентный нагрев заготовки предусматривал два этапа. Первый нагрев осуществлялся в методическом индукторе (t_М), рассчитанном на пять-семь заготовок. Заготовки толкателем продвигается вдоль индуктора, попеременно попадая в различные температурные зоны нагрева. Это позволяет равномерно по сечению и длине нагревать заготовку. Второй нагрев происходил в индукционной камере градиентного нагрева, которая установлена в непосредственной близости к задатчику заготовок на ось пресса.

В экспериментах в методическом индукторе варьировали температуру нагрева (t_М), которая определяла конечную температуру задней и средней частей заготовки, а следовательно, границы возможного повышения скорости прессования.

В камерном индукторе необходимо обеспечить максимально возможную допустимую температуру передней части заготовки чтобы процесс прессования начался при высокой скорости. Причем это надо было осуществить за минимально короткое время, чтобы не успело пройти перераспределение температуры вдоль заготовки, но при этом не должно начаться оплавление и пережог металла угловой зоне на поверхности слитка. Для обеспечения этого условия варьировали мощность камерного индуктора от 100 до 300 кВт. В результате был подобран режим при котором за 30…40 секунд на слитках диаметром 300мм и длиной 600мм температуры повышалась на 100…170°С.

Необходимую ширину зоны повышенной температуры обеспечивали путем регулирования величины заглубления заготовки в индуктор (hзаг=180…300 мм) и подбора исходной температуры нагрева t_М.

В результате экспериментов было установлено, что при прессовании с постоянной скоростью не полностью реализуются возможности переменного температурного поля. Производительность пресса в этом случае увеличилась лишь на 15—20%. Возможности градиентного нагрева были существенно расширены за счет применения переменной по ходу прессования скорости. Для необходимого изменения скорости на прессе был установлен автоматический задатчик скорости прессования с шестью зонами регулировки, использующий в качестве исходных сигналов импульсы со стабилизатора скорости ЭРСП-5. В случае применения градиентного нагрева заготовок и регулирования скорости по ходу процесса производительность пресса удалось повысить на 30—35%[11].

Во все годы исследований помимо прессования сплошных прутков и профилей существенное внимание уделялось процессу прессования труб СПАТ способом.

Изделия из труднодеформируемых алюминиевых сплавов прессуются как правило на игле, при этом игла может стоять неподвижно или двигаться с различной скоростью относительно прессштемпеля и контейнера. Соотношение скоростей между прессштемпелем V_ПР и иглой V_И описывается кинематическим коэффициентом К_W2=V_И/V_ПР, а скоростей контейнера V_К. и иглы К_W3=V_И/V_К. Наибольшее внимание было уделено разработке процесса прессования труб в условиях двустороннего действия активных сил трения. Проведенные эксперименты в лабораторных условиях показали, что значительно меньшая контактная поверхность между иглой и заготовкой (по сравнению с контейнером и заготовкой) требует кинематических условий К_W2<К_W. Для получения высококачественных труб необходимо выдерживать оптимальное соотношение скоростей как между контейнером и прессштемпелем, так между контейнером и иглой.

При проведении исследований по прессованию труб особое внимание уделялось установлению влияния кинематики иглы на формирование геометрии, структуры и свойств полых изделий с учетом выбора температурно-скоростных и кинематических условий. Были сформулированы требования к режимам нагрева заготовок и инструмента, а также к конструкциям самих прессовых установок.

Результаты этих исследований и накопленный опыт успешной эксплуатации прутково-профильного пресса модели П8546 на КРАМЗе легли в основу технического задания на разработку трубного пресса. В конструктивную схему пресса была заложена успешно зарекомендовавшая себя система с “жесткой” гидравлической связью основных приводов пресса[12]. Для модернизации был выбран 16-МН пресс модели П1680 для изготовления труб.

На этом прессе сделан существенный шаг в технические возможности пресса была разработана и технически реализована принципиально новая конструкция автоматического дросселирующего устройства обеспечивающего выполнение любых заданных кинематических условий [6]

Принципиальная схема регулятора изображена на рис.4. Регулятор работает следующим образом. Жидкость из цилиндра подпора подходит одновременно к сливному каналу в золотнике и одновременно к плунжеру 2 на золотнике. С противоположной стороны от плунжера на золотник воздействует пружина 6.

Особенностью СПАТ является постоянный рост давления в цилиндре подпора. В результате этого золотник, сжимая пружину постоянно перемещаться вправо по рисунку. При этом постоянно меняется дросселирующее отверстие, образующееся между отверстием 9 в корпусе золотника и отверстием 5 в золотнике. Выполнив отверстие 5 в золотнике необходимой конфигурации можно добиться желаемого слива жидкости из цилиндра подпора, а тем самым обеспечить любой закон изменения кинематического коэффициента K_W.

Рис.4 Автоматический дросселирующий регулятор:

1-крышка-цилиндр; 2-плунжер; 3-корпус; 4-золотник; 5-канал в золотнике; 6-пружины 7-направляющая планка;

8-регулирующая крышка; 9-входное отверстие; 10-выходное отверстие

Также новые решения применили в приводе перемещения иглы. В конструкции пресса выбрана более простая внутренняя прошивная система, что позволяет осуществлять два кинематических режима. Первый режим обеспечивается, когда во время прессования рабочая жидкость заперта в цилиндре привода иглы. Это приводит к равным скоростям перемещения контейнера и иглы, следовательно равенство кинематических коэффициентов К_W2=К_W. Второй кинематический режим прессования получается, когда во время прессования открывается клапан и жидкость из цилиндра иглы начинает равномерно и точно дозировано перетекать в цилиндры стабилизации утапливания иглы. Для регламентированного утапливания иглы в этот период в ретурные цилиндры иглы подается жидкость высокого давления. Это условие обеспечивает требуемый оптимальный режим К_W2<К_W [12].

Монтаж пресса был завершен в 1993 г., а в 1994 г. на нем выполнены всесторонние исследования при прессовании труб 50x12,5 и 70x8 мм из сплава Д16. Комплексное изучение качественных показателей труб показало возможность получения высоко качественных изделий с регламентированной структурой, заданной геометрией и пониженной шероховатостью внутренней поверхности.

Возросшие скорости истечения при СПАТ позволяют существенно (в 2-3 раза) сократить время прессования. В тоже время рост производительности пресса сдерживается большой долей вспомогательного времени, составляющим примерно половину рабочего цикла пресса. Почти половина вспомогательного времени уходит на передачу матрицы через контейнер после операции отделения прессостатка. В противном случае, при протаскивания матрицы через контейнер (для возвращения её в исходное положение) рабочий поясок матрицы будет задевать за алюминиевую прессрубашку на контейнере, а это, в последующем, приведет к дефектам на изделиях. Анализ имеющихся данных показал, что для решения этой проблемы наиболее рациональным является применение конструкций инструмента с упругими элементами. Изготовление таких конструкций не требует больших материальных затрат и они могут быть установлены на любом существующем прессе.

Поэтому данному вопросу на протяжении многих лет также было уделено особое внимание. За этот период разработаны, изготовлены и опробованы более 15 принципиально новых вариантов конструкций матриц и прессшайб с упругими элементами [13]. Наиболее удачной и универсальной, является конструкция в которой упругий элемент выполнен в виде кольца со специальными проточками и шарообразными элементами для крепления его к матрице. Применение такой конструкции на прессах позволило уменьшить на 50% вспомогательное время[13].

На основе полученного опыта на АО КРАМЗ разработан проект реконструкции профильного 20-МН пресса. В этой конструкции решена задача стабилизация кинематического коэффициента на пяти уровнях и возможность дополнительного стравливания жидкости из цилиндра подпора по любому заданному закону.

В 70-90 годы в изучение процессов прессования приоритетным было комплексные исследования в промышленных условиях, то в настоящее время когда все заводы МАП практически простаивают несомненно актуальным становится поиск оптимальных и новых решений с помощью математических моделей для ЭВМ.

На нашей кафедре в течение последних нескольких лет аспирантом Данилиным А.В. проведены комплексные исследования с использованием пакета Qform 2D по моделированию прессования труднодеформируемых алюминиевых сплавов прямым, обратным способами и прессованием с активным действием сил трения (СПАТ) рис.5 [14, 15]

Несомненным преимуществом моделирования является возможность охватить не узкий диапазон изменения параметров, которые возможно использовать в промышленный условиях, а весь разумный диапазон и при этом использовать решения, которые в промышленности в настоящее время не могу быть реализованы.

Исследование проводилось с целью изучения влияния технологических параметров и способов прессования на температурные и скоростные поля, поля напряжений, оценивалось деформационное состояние в заготовке и изделии.

Равномерное распределение свойств по длине и сечению изделия можно обеспечить за счёт выравнивания скорости течения металла в канале матрицы. Проведенные исследования показали, что повышение скорости течения периферийных слоёв металла в направлении канала матрицы способствует одновременному уменьшению суммарной сдвиговой деформации в этой зоне и обеспечивает высокий уровень проработки структуры материала. Последнее объясняется тем, что в условиях периферийного подпирающего воздействия на осевую область заготовки происходит дополнительное обжатие металла в обжимающей части очага деформации, что положительно отражается на прочностных показателях прессованных изделии.

В результате исследования установлено, что на мощность периферийного потока металла (ППМ) существенное влияние оказывают t_З, t_К, V_ПР, реологические свойства материала и масштабный фактор. Увеличение К_W при неизменных прочих технологических параметров процесса приводит к нарастанию периферийного потока металла. В тоже время при выборе рациональных условий процесса (t_З, t_К, V_ПР) можно добиться более мощного периферийного потока при меньших значениях К_W. Кроме того показано, что изменяя соотношение начальных температур заготовки и контейнера можно управления распределением скоростей потоков металла в деформируемой заготовке при любых способах прессования.

Можно отметить, что возрастание отношения температур заготовки и контейнера создает более благоприятные условия теплоотвода из периферийных слоёв заготовки. При этом повышается сопротивление деформированию метала σ_S, что приводит к увеличению объёмного эффекта действия сил трения. Одновременное увеличение t_З и t_К усиливает это влияние и приводит к нарастанию ППМ (K_N>0,8). В случае нагрева контейнера выше температуры заготовки происходит снижение σ_S в приграничном слое, и он начинает играть роль смазочного материала. Проведенные модельные исследования подтвердили, что при определённых технологических режимах происходит проскальзывание между контейнером и заготовкой. Это приводит к снижению объема периферийного потока металла (величина K_N не превышает 0,5-0,6) и дополнительному износу контейнера. На основе этих исследований была разработана новая конструкция контейнера с «уступом»[16]. «Уступ» выполняется не на самом а контейнере, а за счёт других приспособлений, причём в процессе прессования элемент с уступом должен двигаться вместе с контейнером. Такое устройство не усложняет процесс удаления прессостатка.

Рис.6 Устройство для прессования с активным действием сил трения

На рисунке 7 показан общий вид устройства для прессования с активным действием сил трения в осевом разрезе в процессе экструзии. Составной прессштемпель 1, состоящий из сплошной цилиндрической части 2, закреплённой на плунжере цилиндра подпора 4, и полой цилиндрической втулки прессштемпеля 3, которая крепиться на крышке цилиндра подпора 5. Подвижная траверса 6, в которой размещён цилиндр подпора 8, взаимодействует с контейнером 7 через закреплённую на ней крышку цилиндра подпора. На задней поперечине пресса устанавливаются цилиндры стабилизации (на рис. 6 не показаны) полости которых соединены трубопроводом (на рис. 6 не показан) с полостью цилиндра подпора 8. Цилиндры стабилизации выполняют функцию дросселирующего устройства.

Данное устройство для экструдирования металла с активным действием сил трения позволяет создать за счёт полой втулки прессштемпеля дополнительный интенсивный периферийный поток металла, опережающий центральный поток, создаваемый сплошной частью прессштемпеля. Такая схема прессования в значительно меньшей степени зависит от условий взаимодействия контейнера с заготовкой а, следовательно, от величины реализации активного действия сил трения. Такие условия прессования позволяют с высокой эффективностью использовать слитки с градиентным нагревом по длине заготовки, а также устанавливать температуру заготовки и контейнера в значительно более широком диапазоне.

В результате модельных исследований выбраны оптимальные размеры конструктивных элементов установки. Анализ результатов моделирования показал, что предложенная схема прессования с «уступом» позволяет увеличить объём периферийного потока металла за счёт вовлечения слоёв находящихся на значительном расстоянии от поверхности контейнера при этом величина K_N>0,8. В итоге появляется возможность гибко управлять процессом экструдирования металла с целью получения изделий с равномерным распределением механических свойств по длине и сечению изделий, либо с заранее заданным распределением их по длине.

Варьируя скоростью движения контейнера, углом наклона конусного участка к оси прессования и величиной конусной части можно достичь желаемого распределения скорости металла в объёме заготовки, а, следовательно, и в канале матрицы.

Качество прессованных полуфабрикатов определяется структурой металла, уровнем и равномерностью распределения физико-механических свойств по длине и сечению изделия, а также количеством внутренних поверхностных дефектов. Структура прессизделий отличается большим разнообразием, поэтому одной из главных задач по управлению структурой является выявление основных закономерностей, позволяющих прогнозировать получение заданной структуры. Изменяя технологические режимы прессования можно получить широкую гамму структур в изделии: от полигонизованной до полностью рекристаллизованной. Известно, что формирование структуры и свойств прессизделий существенно зависит от температурно-скоростных режимов прессования поэтому в работе было уделено значительное внимание моделированию прессования в различных сочетаний этих параметров[15].

Зависимости, полученные при помощи математического моделирования, позволили более детально понять процессы, происходящие при прессовании. Представленные данные хорошо согласуются с экспериментальными результатами и дают возможность их теоретически обосновать.

Рис.7 – Температурные поля в заготовках при прессовании прямым способом (а, б, в) и СПАТ (г)

на установившейся стадии процесса при следующих начальных условиях:

а - Т_З = 300°С; Т_К = 450°С. б - Т_З = 450°С; Т_К = 300°С, в, г- Т_З = 380°C; Т_К = 380°С.

Из рис. 7, видно, что, изменяя соотношение начальных температур заготовки и контейнера и скорости прессования можно получить в значительной степени различающиеся поля в заготовке.

Имея в распоряжении температурные поля в объёме заготовки при различных технологических условиях можно предсказать степень прохождения процесса динамической и статической рекристаллизаций а, следовательно, и на структуру прессованных изделий. Для прогнозирования получаемой структуры можно дополнительно воспользоваться, например, имеющимися диаграммами структурного состояния, полученными Вайнбладом. Всё это позволяет подобрать такие технологические режимы прессования, при которых будет возможно получение необходимой регламентированной структуры по длине и сечению изделия.

В процессе эксплуатации реконструированных прессов на АО КРАМЗ проведеный комплекс опытно-исследовательских работ и моделирование процессов на ЭВМ, позволил отработать технологические параметры процессов прессования прутков диаметром от 14 до 95 мм, труб с наружным диаметром до 95 мм и толщиной стенки до 17,5 мм, особо сложных профилей с большим диаметром описанной окружности и тонкими периферийными элементами. Поставки прутков и профилей с повышенной точностью и регламентированной структурой в Германию, Южную Корею, Великобританию, Голландию, Венгрию, США и другие страны подтвердили высокую конкурентоспособность этой продукции на мировом рынке. Таким образом, на основе разработок ученых МИСиС совместно с сотрудниками АО КРАМЗ, КЗТС, АО СМК, ВИЛС, РИХСМ и другими организациями есть все необходимое для изготовления и использования специализированных прессов с зависимыми приводами для прессования СПАТ способом и технологии для его осуществления.

Библиографический список

1. Павлов И.М. Теория прокатки. М.;Металлургиздат,1953, 610с.

2. Охрименко Я.М. // Цветные металлы. 1980. №11.

3. Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И. Прессование с активным действием сил трения // М.:Металлургия.1988. 296с.

4. Охрименко Я.М., Щерба В.Н., Ефремов Д.Б., Данилин В.Н. //Анализ напряженно-деформированного состояния при прессовании с активным действием сил трения -Труды института МИСиС, 1983.с.67- 72

5. Щерба В.Н. Данилин В.Н. Высокопроизводительное прессовое оборудование и технология получения изделий на основе СПАТ //Сб. научных трудов. - Научные школы МИСиС - 75 лет МИСиС, 1997.

6. Патент № 2105621, Способ горячего экструдирования металла с активным действием сил трения и гидравлический экструзионный пресс для его осуществления // Щерба В.Н., Данилин В.Н., Разумкин В.С. и др.

7. Зеленский В.Я, Иванов В.Г., Щерба В.Н., Данилин В.Н. Система автоматического управления горизонтальными гидравлическими прессами // КШП,1990, № 9 27-29.

8. Данилин В.Н. Особенности проектирования и работы инструмента при прессовании с активным трением. //Труды научно-технической конференции. - Теория и технология процессов пластической деформации .,М. МИСИС, 1997. 584с

9. Данилин В.Н. Алферов В.Н., Щерба В.Н. и др. Особенности многоканального прессования на прессе, работающем в условиях активного действия сил трения Цветные металлы,1993, № 8, с.44-47.

10. Данилин В.Н., Ворошилов С.Ф., Шиврин А.Г.и др. Матричный узел для многоканального прессования Положит. решение по заявке № 494978327/053452, 1993.

11. Данилин В.Н., Ворошилов С.Ф., Шиврин А.Г. Исследование и применение градиентного нагрева слитков при скоростном прессовании с активным трением (СПАТ) // Кузнечно-штамповочное производство. 1995, № 9. С. 27-29.

12. Патент № 2108821, Способ горячего экструдирования полых изделий с активным действием сил трения и гидравлический экструзионный пресс для его осуществления// Щерба В.Н. Данилин В.Н., Разумкин В.С.и др.

13. Данилин В.Н. Нетрадиционные конструкции инструмента и условий его работы при прессовании с активным действием сил трения // Кузнечно-штамповочное производство. 1998, № 2. С. 33-39.

14. Данилин А.В Исследование напряженно-деформированного состояния и особенностей течения металла при прессовании прямым и СПАТ способами труднодеформируемых сплавов// Известия высших учебных заведений, Чёрная металлургия. 2004. №5.– с. 45.

15. Данилин В.Н., Данилин А.В. Моделирование течения металла и температурных полей при прессовании различными способами.// Кузн.-штампов. произв.и ОМД, 2005, № 5, c/29-38

16. Патент №2285570,Устройство для прессования с активным действием сил трения// Данилин В.Н, Данилин А.В., 2006г,7