CC BY
72
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВДАВЛЕНИЕМ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.777: 621.777.22
АНАЛИЗ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ УСЛОВИЙ НЕПРЕРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ МЕТОДОМ CONFORM
Беляев С.В.1, Богданов Д.В.1, Губанов И.Ю.1, Горохов Ю.В.1,
Крохин А.Ю.2, Фролов В.Ф.2, Костин И В.1
1 Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия
2 ООО «РУСАЛ ИТЦ», Красноярск, Россия
Аннотация. Представлены аналитические зависимости расчета энергосиловых условий непрерывного прессования методом conform и проведен анализ влияния конструктивных параметров инструмента и технологических условий деформирования на энергосиловые показатели процесса conform. Впервые в статье для определения усилия прессования учитывались параметры очага деформации и реология деформируемого металла. С применением полученных зависимостей был разработан алгоритм расчета изменения энергосиловых условий непрерывного прессования методом conform, реализованный в программе Microsoft Exel, которая позволяет при дискретном вводе исходных данных определять энергосиловые условия во время прессования. Применение полученного решения на практике не требует специальной подготовки инженерно-технического персонала, делает возможным проведение анализа влияния основных параметров процесса на изменение энергосиловых условий непрерывного прессования методом conform для разработки оптимальной технологии производства профилей или создания АСУ ТП.
Ключевые слова: непрерывное прессование методом conform, анализ энергосиловых условий деформирования.
Введение
При разработке технологии, оборудования, проектировании инструмента для совмещенного процесса литья и непрерывного прессования методом conform, как и для любого другого вида ОМД, актуально проведение анализа энергосиловых условий процесса conform с целью создания математических моделей для расчета данных параметров с учетом особенностей формоизменения процесса и реологических свойств деформируемого металла.
В обобщающей работе [1] представлены современные представления теоретических и технологических основ расчета и моделирования температурно-скоростных и энергосиловых условий непрерывного прессования методом conform и совмещенного процесса литья и прессования цветных металлов и сплавов. Однако не учитывается протяженность зон деформации в башмаке, что снижает точность расчетов.
Методика определения энергосиловых условий непрерывного прессования методом conform
Во время деформирования металла методом conform, которое происходит в области ограниченной длиной башмака и его упором, перекрывающим в поперечном сечении кольцевую канавку карусельного кристаллизатора, объем деформируемого металла условно можно разбить на три характерные области (рис. 1):
1) входная область протяженностью LBX от входа в башмак и до конца участка наклонной поверхности башмака под углом аБ, где деформируемый металл полностью заполняет поперечное сечение и вступает в полный контакт со стенками канавки карусельного кристаллизатора и башмака - происходит распрессовка заготовки с уменьшением ее высоты до hK.
В данной области напряжение , возникающее в поперечном сечении деформируемого металла, будет равно
o' = aS
ф S
Ма
( 2 R Л — +1
ФА cosaE - фр С
hK cosaE
R + b- ]
2 J
p + a
SO’
(1)
44
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
Анализ энергосиловыхусловий...
Беляев С.В., БогдановД.В., Губанов И.Ю., Горохов Ю.В., Крохин А.Ю. и др.
где 0 < ф < фвх =
L
ъх
RK + Ьк/2
центральный
угол входной области; aS = -\]а:<0 'Osk ~ сРеДнее сопротивление деформации во входной области; dS0 « ст02 - условный предел текучести
металла на входе в башмак;
2) область основного активного трения протяженностью Lat от конца участка наклонной
поверхности башмака до поперечного сечения входа в очаг деформации, где в результате взаимодействия деформируемого металла с приводным вращающимся карусельным кристаллизатором в конце данной области создается напряжение аф в поперечном сечении на входе в очаг
деформации, необходимое для последующего выдавливания деформируемого металла через калибрующее отверстие матрицы;
3) очаг деформации (ОД) протяженностью
LД от поперечного сечения, где напряжение аф
достигло величины, достаточной для осуществления прессования и до поперечного сечения выхода профиля из рабочего канала матрицы.
сования - аф <апр. В то же время при значительной протяженности башмака могут возникать перегрузки на инструмент, неэффективно использоваться подводимая к установке мощность и снижаться эффективность процесса методом conform [2]. Поэтому расчет длины башмака LB, несомненно, представляет практический интерес.
Общая протяженность башмака будет равна:
LB LBX + LAT + Lfl
~ (фвх + Фат + Фд ) (Rk + bK /2) ,
(2)
где <рвх, фАТ, фд - центральные углы для соответствующих областей; RK - радиус удаления кольцевой канавки от оси вращения карусельного кристаллизатора; hK, bK - высота и ширина кольцевой канавки.
Длину входной области LBX можно определить с учетом условий захвата и устранения усадочной раковины:
L
_ hyp _ SL h3 + yjSL h3 + mwbK /4
BX
tgaL
tgaL
, (3)
где ССБ - угол наклона входной поверхности
башмака; hyp = s2Lh3 sBh23 + m2w b2Kj 4 -
глубины залегания усадочной раковины;
U -1
Zl =
д
l
•100% - коэффициент литейной
1 - заготовка; 2 - башмак с заходным углом аБ; 3 -
«мертвые» зоны в объеме деформируемого металла перед матрицей; 4 - матрица; 5 - пруток; 6 - канака карусельного кристаллизатора
Следует отметить, что протяженность данных зон определяет длину башмака LE, которая должна быть рациональной: при малой протя-
усадки; mw - отношение скоростей затвердевания сверху и с других поверхностей отливки; для открытых прибылей при литье стали и цветных металлов mw = 2, а для закрытых
прибылей mw = 1.
Для расчета длины LAT области основного активного трения выделим в деформируемом металле, находящимся в данной области, элементарное сечение и рассмотрим его равновесие под действием приложенных к нему сил:
- (а + da ) hKbK +ahKbK + тА (2RK + bK ) hR
женности башмака напряжение аф может ока- xdy + (тА — тр )
заться недостаточным для осуществления прес-
.2 Л
RK bK + '
dy = 0,
(4)
www.vestnik.magtu.ru
45
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВДАВЛЕНИЕМ
где тA — jJ.Aas - активные напряжения трения,
действующие на границе контакта кольцевой канавки вращающегося карусельного кристаллизатора и деформируемого металла; zP = jUPaS -реактивные напряжения трения, действующие на границе контакта неподвижного башмака и деформируемого металла; /ла и /лр - коэффициенты трения.
После некоторых преобразований получим:
da = ст„
2Ма , Ра Мр
V bK
у I dv.
(5)
Данное уравнение позволяет оценить изменение напряжений в области основного активного трения и, приравнивая = апр, найти протяженность данной области Lat = (Rk + Ьк/2) Фат :
Фат
2Ма , Да cos«g -цр bK hK cos аБ
Фвх
2 Да ^ Да Др
К к
(6)
Учитывая, что на практике jUA « цр, то выражение (6) можно упростить:
Фат
°прЪк
2»a°s
bK (1 - COSOg ) 2hK cosOg
Фвх ,
(7)
где опрм = —^----— - давление, необходимое
Ьк hK
для выдавливания прутка из рабочего канала матрицы; Рпр и Рм - силы прессования и трения на рабочем пояске матрицы.
Из известных опубликованных исследований силовых условий прессования наиболее обоснованной является инженерная формула Л.А. Шофмана [3]:
- для прямого (горизонтального Рпр = 0°) прессования
°ПР =Gs (0,8 +1,2 ln Хпр ); (8)
- для бокового ( Рпр
900)
прессования
апр =°S (0,8 +1,45 ln ЛПР ), (9)
где УР - вытяжка при прессовании.
Из формул (8) и (9) видно, что при увеличении угла ^пр от 0 до 90° давление прессования
°'пр увеличивается на 0,25. Поэтому можно предложить следующую формулу для оценки давления при угловом прессовании:
® ПР °S
0,8 + 1 1,2 +
Рпр
3600
ln К
'ПР
(10)
Протяженность очага пластической деформации Ьд при выдавливании в канал матрицы
обусловлена действием активных сил трения на деформируемый металл. Угол образующей упругой зоны аПР будет больше, чем при обычном прямом прессовании, что показано применительно к СПАТ в работе [4]: апр = 65 ^ 700, а в работе [5] апр определен для процесса conform из условия минимума мощности деформации и составил аПР = 700. Экспериментальное обоснование таких значений углов аПР дано в монографии [6]. Поэтому для горизонтального выдавливания принимаем значение угла
аПР = 700.
В своих работах И.Л. Перлин [4], М.З. Ерманок [7] указывали на то, что ОД при прессовании имеет довольно сложную форму, которая, как и размеры, зависит от множества факторов и не поддается точному математическому описанию. Понятие границы ОД в значительной степени условно, так как построить какую-то поверхность (в плоскости чертежа - линию), строго отделяющую зону пластического течения от зоны, находящейся преимущественно в упругом состоянии, невозможно. Особенно это касается задних и передних границ ОД. Вследствие невозможности их теоретического построения сделаем гипотетическое предположение, что при горизонтальном выдавливании
Рпр = 00 через одноканальную матрицу из прямоугольного калибра сечением FK = bKhK ОД представляет собой усеченный конус. При угле конусности матрицы ам > 700 (в том числе и для плоской матрицы) расчетный угол конуса принимается равным апр = 700, а при ам < 700 - равным действительному а пр = ам (рис. 2).
46
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
Анализэнергосиловыхусловий...
Беляев С.В., БогдановД.В., Губанов И.Ю., Горохов Ю.В., Крохин А.Ю. и др.
Рис. 2. Расчетная схема для горизонтального прессования (Рпр = О0) методом conform:
1 - заготовка; 2 - башмак с заходным углом аБ;
3 - канака карусельного кристаллизатора; 4 - пруток; 5 - матрица; 6 - «мертвые» зоны в объеме деформируемого металла перед матрицей
Тогда протяженность ОД будет равна
L,
DT
*ПР
2 ' пр
где DK =
4F
п
(11)
приведенный диаметр;
FK = bKhK - площадь поперечного сечения канала карусельного кристаллизатора, ограниченного башмаком, перед очагом деформации; dnp - диаметр прутка.
При вертикальном (угловом) выдавливании Рпр = 900 через одноканальную матрицу из прямоугольного калибра сечением FK = bKhK ОД будет иметь более
сложную форму (см. рис. 1). В работе предложено [1] в первом приближении протяженность ОД при угловом прессовании рассчитывать как
РПРБ °3ПРЬК
2д
= — - скоростьдеформации. (15)
Далее, если известно уравнение реологии деформируемого металла, то с помощью параметров (13)—(15) можно рассчитать сопротивление деформации aS деформируемого металла и определить такие важные энергосиловые параметры совмещенного процесса литья и непрерывного прессования методом conform, как усилие прижима башмака РПРБ к карусельному кристаллизатору и мощность привода установки Nyc.
При проектировании технологии совмещенного процесса литья и непрерывного прессования методом conform важно правильно выбрать усилие прижима башмака к карусельному кристаллизатору. При недостаточном усилии прижима деформируемый металл начнет вытекать в зазоры между башмаком и карусельным кристаллизатором, а при чрезмерном усилии прижима возможен повышенный абразивный износ инструмента, заклинивание и выход его из строя. Для оценки усилия прижима башмака к карусельному кристаллизатору воспользуемся выражением (5)
( и \
(9AT + ФвХ )Х
(16)
R + ^
2
'A Да
jup
Л
V ик
К
г
RK +
AT + ФвХ ) + 1
РД ~ 1У + dnp + 1м ,
(12)
При равенстве коэффициентов трения на поверхности контакта башмака и канавки карусельного кристаллизатора - juA = др и /лр выражение (16) примет следующий вид:
bL
f
где lM = 0,382bкtganp, т.е точка В делит отрезок АВ по правилу золотого сечения.
Зная геометрические размеры очага деформации, можно найти его объем Уод и такие параметры деформации, как:
P
ПРБ
°ЗПРЬК
\
RK
* 2 У
{Фат + Фвх )х
2Да
Л
b Lv ик 7 1^ V 2 Г
где &snp = VPs 0 °SK ,
(9AT + Фвх ) + 1
(17)
'S0 и uSK - сопротивления деформации в начале и конце области деформации.
Мощность привода установки Nyc, затрачиваемая на реализацию процесса conform, будет равна
1 д =
ОД
bKhK®K (RK + bJ2)
- времядеформации; (13)
8д = ln X др = ln
Г TCdnp
4bKhKУ
- степеньдеформации; (14)
www. vestnik.m agtu.ru
47
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВДАВЛЕНИЕМ
f
Nyc МПР®К
R +f J S P,
(18)
n
где ^ p — РТРБ + Рпр + PM + Род + РТРУ - сум-
i=1
ма сил трения на башмаке РТРБ, на наружной поверхности очага деформации Род, на контакте упора башмака и канавки карусельного кристаллизатора Ртру, на рабочем пояске матрицы Рм и силы прессования Рпр :
РТРБ Рв °SBX ЬК I RK + "
\{РлТ +Фвх ) , (19)
P = b h g
1 ПР uKriKuSnP
0_8 + f 1,2 + ^ ] in 4
(20)
- коэффициенты трения принимались равными цл = jUp = 0,5 ;
- коэффициент вытяжки изменялся в пределах Хпр - 2 -12;
- заготовка из свинца непрерывно заливалась в кольцевую канавку, остывала и на входе в
башмак имелатемпературу, равную Г10 = 200 C ;
- карусельный кристаллизатор вращался с постоянной скоростью nK = 2 об/мин.
Общая длина башмака определялась в каждом случае по формуле (2), что обеспечивало необходимое и достаточное усилие для реализации процесса СЛиК. Следует отметить, что если конструктивно задается длина башмака LKOH
большей длины, чем рассчитанной по формуле (2), то во время реализации процесса СЛиК возникает дополнительная сила трения на границе контакта заготовки и башмака, равная:
РМ Рм ® SMFM ,
(21)
РОД Рв °ВПР х
RK (2hK + bK ) + bKhK
r b > 1+-bK
V 2hK J
(22)
9од,
РТРУ Pb ^SnPlBV ( 2hK + bK ) ,
(23)
где cr - среднее значение сопротивления деформации в i-й зоне; FM - боковая поверхность рабочего пояска матрицы; д. - коэффициент трения i-й зоне; 1БУ - толщина упора башмака.
Полученные выражения вполне приемлемы для инженерных расчетов и позволяют провести анализ энергосиловых условий непрерывного прессования методом conform для следующих значениях параметров:
- радиус удаления кольцевой канавки от оси вращения карусельного кристаллизатора изменялся в пределах RK = 100 — 300 мм;
- высота и ширина кольцевой канавки были равны hK = bK = 10 мм;
Р =
РТБ
1 2
Рб ®SAT ЬкФрТБ
(
2R„
V bK
• +1
(24)
где
ФрТБ
LKOH РД LAT LBX
RK + bK/2
(25)
Кроме того, дополнительная протяженность башмака не только увеличивает энергозатраты, снижая коэффициент полезного действия процесса СЛИК, но и приводит к увеличению силы прижима башмака.
Результаты и их обсуждение
Использование представленных математических зависимостей на практике не требует специальной подготовки инженерно-технического персонала, делает возможным проведения анализа влияния основных параметров процесса на изменение энергосиловых условий непрерывного прессования методом conform для разработки оптимальной технологии производства профилей или создания АСУ ТП с учетом результатов работы [8].
Результаты исследований представлены на рис. 3-7.
48
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
Анализэнергосиловыхусловий...
Беляев С.В., БогдановД.В., Губанов И.Ю., Горохов Ю.В., Крохин А.Ю. и др.
Рис. 4. Изменение сил прижима башмака РПРБ и суммарной силы Ръ от коэффициента вытяжки Яяр
Рис. 5. Изменение коэффициента полезного действия процесса СЛИК I] от коэффициента вытяжки Лпр
www.vestnik.magtu.ru
49
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВДАВЛЕНИЕМ
Рис. 6. Изменение центрального угла башмака ¥Б от радиуса колеса RK и коэффициента вытяжки Хпр
Рис. 7. Изменение мощности процесса деформирования Nд от радиуса колеса RK
и коэффициента вытяжки Хпр
Выводы
Анализируя полученные результаты, можно отметить следующее:
1. Длина башмака в значительной мере зависит только от коэффициента вытяжки и возрастает с его увеличением, но при этом не изменяется от радиуса карусельного кристаллизатора.
2. Силы прижима башмака и суммарной силы при угловом выдавливании прутка методом conform определяются главным образом коэффициентом вытяжки и сопротивлением деформации обрабатываемого металла и увеличиваются с ростом их значений.
3. Центральный угол башмака возрастает с увеличением значений коэффициента вытяжки и уменьшением радиуса карусельного кристаллизатора.
4. Мощность процесса деформирования
возрастает с увеличением значений коэффициента вытяжки и радиуса карусельного кристаллизатора.
5. Коэффициент полезного действия процесса conform возрастает с увеличением значений коэффициента вытяжки при условии, что общая длина башмака определялась по формуле (2), что обеспечивало необходимое и достаточное усилие для реализации процесса СЛиК.
Список литературы
1. Основы проектирования процессов непрерывного прессования металлов: монография / Ю.В. Горохов, В.Г. Шерку-нов, Н.Н. Довженко [и др.]. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. 268 с.
2. Корнилов В.Н. Непрерывное прессование со сваркой алюминиевых сплавов. Красноярск: Изд-во пед. ин-та, 1993. 216 с.
3. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов.
50
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
Анализэнергосиловыхусловий...
Беляев С.В., БогдановД.В., Губанов И.Ю., Горохов Ю.В., Крохин А.Ю. и др.
M.: Металлургия, 1975. 448 с.
4. Щерба В.Н., Райтбарг Л.Х. Технология прессования металлов. М.: Металлургия, 1995. 336 с.
5. Расчет оптимальной геометрии инструмента при непрерывном прессовании / В.М. Сергеев, В.Г. Шеркунов, Ю.В. Горохов [и др.] // Металлы. 1990. № 4. С. 183-188.
6. Довженко Н.Н., Сидельников С.Б., Васина Г.И. Система автоматизированного проектирования технологии прессования металлов. Научное методическое обеспечение: монография.
Красноярск: ГАЦМиЗ, 2000. 196 с.
7. Ерманок М.З., Фейгин В.И., Сухоруков Н.А. Прессование профилей из апюминиевыхсплавов. M.: Металлургия, 1977. 264 с.
8. Автоматизация технологического процесса прессования профилей из сплавов алюминия и ее применение в производственных условиях / Н.Н. Довженко, С.Б. Сидельников, Пещанский А.С. [и др.] // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 2. С. 39-42.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
ANALYSIS OF POWER CONDITIONS OF CONTINUOUS EXTRUSION BY THE CONFORM PROCESS
Belyaev Sergey Vladimirovich - D.Sc. (Eng.), Associate Professor, Head of the Foundry Engineering Department, the Institute of Non-Ferrous Metals and Materials Science, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. Phone: +7 (391) 213-36-21. E-mail: [email protected].
Bogdanov Dmitry Vladimirovich - Postgraduate Student, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. Gubanov Ivan Yurievich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. Gorokhov Yuri Vasilievich - D.Sc. (Eng.), Professor, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia.
Krokhin Alexander Yurievich - Project Manager of LLC RUSAL R&D Centre, Krasnoyarsk, Russia.
Frolov Viktor Fedorovich - Project Manager of LLC RUSAL R&D Centre, Krasnoyarsk, Russia.
Kostin Igor Vladimirovich - Postgraduate Student, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia.
Abstract. This article presents analytical dependences of calculations of power conditions of continuous extrusion by the conform process and analyzes the influence of the design parameters of the tool and deformation process conditions on power parameters of the conform process. For the first time the article considers parameters of a deformation zone and rheology of deformed steel to determine the pressing force. By applying the calculated dependences, the authors developed an algorithm to calculate changes in power conditions of continuous extrusion by the conform process, which was implemented in Microsoft Exel, determining power conditions during extrusion for discrete input of source data. A practical appliction of the solution in practice requires no special training of technical personnel, makes it possible to analyze the influence of main process parameters on changes in power conditions of continuous extrusion by the conform process to develop an optimal production technology for steel sections or create a PCS.
Keywords: Continuous extrusion by the conform process, analysis of power conditions of deformation.
References
1. Gorokhov Yu.V., Sherkunov V.G., Dovzhenko N.N. et al. Osnovy proektirovaniya protsessov nepreryvnogo pressovaniya metallov: monografiya [Basics of designing processes of continuous extrusion of metals: a monograph]. Krasnoyarsk: Siberian Federal University, 2013, 268 p.
2. Kornilov V.N. Nepreryvnoe pressovanie so svarkoj alyuminievykh splavov [Continuous extrusion with welding of aluminum alloys]. Krasnoyarsk: Publishing House of the Pedagogical Institute, 1993, 216 p.
3. Perlin I.L., Raitbarg L.Kh. Teoriya pressovaniya metallov [Theory of metal pressing]. Moscow: Metallurgy, 1975, 448 p.
4. Shcherba V.N., Raitbarg L.Kh. Teoriya pressovaniya metallov [Technology of metal pressing]. Moscow: Metallurgy, 1995, 336 p.
5. Sergeyev V.M., Sherkunov V.G., Gorokhov Yu.V. et al. The calculation of the optimum geometry of the tool during continuous extrusion. Metally [Metals]. 1990, no. 4, pp. 183-188.
6. Dovzhenko N. N., Sidelnikov S.B., Vasina G.I. Sistema avtomatizirovannogo proektirovaniya tekhnologii pressovaniya metallov. Nauchnoe metodicheskoe obespechenie: monografiya [A computer-aided design of metal pressing technology. Scientific methodological support: a monograph]. Krasnoyarsk: GATsMiZ, 2000, 196 p.
7. Ermanok M.Z., Feigin V.I., Sukhorukov N.A. Pressovanie profilej iz alyuminievykh splavov [Extrusion of aluminum alloy sections]. Moscow: Metallurgy, 1977, 264 p.
8. Dovzhenko N.N., Sidelnikov S.B., Peshchansky A.S. et al. Automation of the aluminum alloy section extrusion process and its application in an industrial environment. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2011, no. 2, pp. 39-42.
Анализ энергосиловых условий непрерывного прессования методом conform / Беляев С.В., Богданов Д.В., Губанов И.Ю., Горохов Ю.В., Крохин А.Ю., Фролов В.Ф., Костин И.В. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №3. С. 44-51.
Belyaev S.V., Bogdanov D.V., Gubanov I.Yu., Gorokhov Yu.V., Krokhin A.Yu., Frolov V.F., Kostin I.V. Analysis of power conditions of continuous extrusion by the conform process. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 3, pp. 44-51.
www.vestnik.magtu.ru
51
