Основы проектирования процессов непрерывного прессования металлов
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 224
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7638-2768-2
Артикул: 620780.01.99
В монографии рассмотрены современные представления о теоретических и технологических основах расчета и моделирования температурно- скоростных и энергосиловых условий непрерывного прессования методом Конформ и режимов совмещенного процесса литья-прессования алюминиевых и медных сплавов. Приведены результаты теоретических и эксперимен- тальных исследований технологических параметров исследуемых процессов, а также информация о разработке технологии прессования методом Конформ, методике его проектирования и расчета с использованием ЭВМ. Представлены новые конструкции устройств для непрерывного прессования цветных металлов из прутковой заготовки, металлических гранул и порошков.
Для научных сотрудников, аспирантов и инженерно-технических работников, специализирующихся в области прессового производства.
Может также быть полезна студентами специальности «Обработка металлов давлением».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Ю.В. Горохов, В.Г. Шеркунов, Н.Н. Довженко, С.В. Беляев, И.Н. Довженко Монография Институт цветных металлов и материаловедения ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ В монографии рассмотрены современные представления теоретических и технологических основ расчета и моделирования темпепературно-скоростных и энергосиловых условий непрерывного прессования методом Конформ и режимов совмещенного процесса литья-прессования алюминиевых и медных сплавов. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических параметров данных процессов. Дана информация о разработке технологии прессования методом Конформ, методике его проектирования и расчета с использованием ЭВМ. Представлены новые конструкции устройств для непрерывного прессования цветных металлов из прутковой заготовки, металлических гранул и порошков. 9 785763 827682 ISBN 978-5-7638-2768-2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ Монография Красноярск СФУ 2013
УДК 621.777 ББК 34.623.4 О-753 Рецензенты: зав. кафедрой «Машиностроительные и металлургические технологии» Магнитогорского гос. техн. университета, д-р техн. наук, проф. М.В. Чукин; зав. кафедрой «Технология машиностроения» Южно-Уральского гос. университета, д-р техн. наук, проф. В.И. Гузеев Авторы: Ю.В. Горохов, В.Г. Шеркунов, Н.Н. Довженко, С.В. Беляев, И.Н. Довженко О-753 Основы проектирования процессов непрерывного прессования металлов : монография / Ю.В. Горохов, В.Г. Шеркунов, Н.Н. Довженко [и др.] – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. – 224 с. ISBN 978-5-7638-2768-2 В монографии рассмотрены современные представления о теоретических и технологических основах расчета и моделирования температурноскоростных и энергосиловых условий непрерывного прессования методом Конформ и режимов совмещенного процесса литья-прессования алюминиевых и медных сплавов. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических параметров исследуемых процессов, а также информация о разработке технологии прессования методом Конформ, методике его проектирования и расчета с использованием ЭВМ. Представлены новые конструкции устройств для непрерывного прессования цветных металлов из прутковой заготовки, металлических гранул и порошков. Для научных сотрудников, аспирантов и инженерно-технических работников, специализирующихся в области прессового производства. Может также быть полезна студентами специальности «Обработка металлов давлением». УДК 621.777 ББК 34.623.4 ISBN 978-5-7638-2768-2 © Сибирский федеральный университет, 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 5 Глава 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ ...................................................................................................... 8 1.1. Этапы развития и анализ технологических возможностей процесса прессования ..................................................................................... 9 1.2. Непрерывные процессы прессования металлов................................. 15 1.3. Прессование металлов способом Конформ ......................................... 24 1.4. Совмещенный процесс литья и непрерывного прессования металла способом Конформ ......................................................................... 31 Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ СПОСОБОМ КОНФОРМ ...................... 38 2.1. Анализ конструктивных и технологических параметров процесса Конформ ......................................................................................... 39 2.2. Математическое моделирование процесса Конформ ........................ 55 2.3. Анализ энергосиловых и температурно-скоростных параметров непрерывного прессования способом Конформ .................. 72 2.4. Влияние технологических режимов непрерывного прессования способом Конформ на структуру и свойства пресс-изделий ................................................................................................ 78 Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЕ-ПРЕССОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ ......................................................... 99 3.1. Анализ конструктивных и технологических параметров совмещенного процесса литье-прессование металлов (СПЛП) ............ 101 3.2. Исследование тепловых условий при формировании слитка в карусельном кристаллизаторе ................................................................. 113 3.3. Экспериментальное исследование технологических параметров процесса совмещенного литья и прессования .................... 124 Глава 4. КОНСТРУКТОРСКОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ СПОСОБОМ КОНФОРМ ....................................................................................................... 138 4.1. Системы автоматизированного проектирования и их применение в процессах обработки металлов ......................................... 138 4.2. Пакеты программ для инженерного анализа процессов ОМД ....... 141 4.3. Специализированные САПР технологии прессования ................... 147
4.4. Программа для оптимизации размеров инструмента при непрерывном прессовании Конформ ........................................................ 150 4.5. Программа для оптимизации угла между продольными осями контейнера и матрицы ..................................................................... 154 Глава 5. НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ СПОСОБОМ КОНФОРМ ..................................................... 168 5.1. Разработка и внедрение опытно-промышленных установок для непрерывного прессования профилей из прутковой заготовки ..... 168 5.2. Разработка и внедрение опытно-промышленных установок для непрерывного прессования некомпактных материалов .................. 178 5.3. Реализация совмещенного процесса непрерывного литьяпрессования на опытно-промышленных установках Конформ ............ 190 5.4. Условия работы инструмента в установках Конформ .................... 201 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 206 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................... 208
ПРЕДИСЛОВИЕ Одним из глобальных направлений в современной мировой металлургии является создание совмещенных технологий, затрагивающих несколько металлургических переделов или несколько различных операций, реализуемых в едином агрегате для производства требуемой продукции, что обеспечивает изготовление конкурентоспособной продукции с минимальными производственными затратами, т. е. повышение эффективности производства. Формы совмещения технологических операций в металлургическом производстве могут быть разнообразными. Наиболее эффективным является совмещение процессов литья и обработки металлов давлением [1]. Но для реализации этого метода необходимо, чтобы процесс обработки металлов давлением был непрерывным. Среди известных к настоящему времени способов непрерывного получения длинномерных профилей особое место занимает непрерывное прессование по методу Конформ, сочетающее высокую производительность, простоту осуществления и экономическую эффективность. Наибольшее применение этот способ получил при изготовлении алюминиевых пресс-изделий, но возможности освоения новых технологий на установках Конформ далеко не исчерпаны. Одним из направлений его развития является создание схемы интенсивной пластической деформации (ИПД) для освоения промышленной технологии получения наноструктурированных полуфабрикатов [2]. Совмещение непрерывного прессования Конформ с подачей расплава металла в прессовый инструмент дает возможность формирования алюминиевых и других сплавов в твердожидком состоянии с аномальными свойствами [3]. В последние годы работы отечественных специалистов, занимающихся теоретическими и технологическими проблемами обработки металлов давлением, уделяют все большее внимание исследованию и реализации инновационных процессов непрерывного прессования цветных металлов. Это внимание не случайно и объясняется не только тем, что освоение процессов непрерывного прессования соответствует прогрессивным направлениям развития металлообрабатывающих производств, но и тем, что эффективность этих процессов подтверждает накопленный опыт их исследования, разработки и промышленного применения за рубежом при изготовлении мелкосортных профилей, труб и проволоки из цветных металлов и сплавов.
Значительный вклад в теорию и практику этих процессов внесли не только зарубежные, но и отечественные ученые: В.Л. Бережной, А.А. Богатов, В.Н. Выдрин, М.С. Гильденгорн, Ю.А. Горбунов, Б.М. Готлиб, Г.С. Гун, М.З. Ерманок, В.З. Жилкин, В.В. Жолобов, А.В. Зиновьев, В.Л. Колмогоров, А.И. Колпашников, В.Н. Корнилов, В.Н. Перетятько, М.Г. Поляков, И.М. Павлов, И.Л. Перлин, Б.А. Прудковский, И.Н. Потапов, А.Х. Райтбарг, А.И. Рудской, С.Б. Сидельников, Л.Г. Степанский, В.А. Тюрин, А.И. Целиков, В.Н. Щерба, М.В. Чукин, С.С. Яковлев и др. Несмотря на достаточно большой зарубежный опыт промышленного использования метода Конформ в обработке цветных металлов, в отечественной промышленности он не находит достойного применения в силу недостаточной информативной и научно-технической базы. Результаты исследований процесса непрерывного прессования алюминия методом Конформ, представленные в монографии, легли в основу разработки действующих лабораторных установок и промышленных линий Конформ, внедренных на ряде заводов цветной металлургии, а мониторинг использования в производственных условиях этих линий позволил обобщить накопленный опыт. В данной работе изложено последовательное и полное решение задач по математическому моделированию с использованием фундаментальных положений теории ОМД по экспериментальной проверке теоретических зависимостей, программного обеспечения расчетов основных параметров процессов непрерывного прессования. На основе проведенного анализа были разработаны математические модели процесса Конформ с применением вариационных принципов механики сплошной среды, что позволило установить рациональные режимы непрерывного прессования металлов, обеспечивающих получение качественной продукции с минимальными энергозатратами. Путем изучения характера течения и распределения температуры металла при изменении геометрических параметров деформационной зоны было определено сочетание размеров и формы прессового инструмента, минимизирующих неравномерность деформации и уровень остаточных напряжений в пресс-изделиях. В результате изучения влияния режимов обработки на структуру и механические свойства прессовок из алюминиевых сплавов была достигнута возможность прогнозирования уровня прочностных показателей пресс-изделий в зависимости от заданных технологических параметров. На основе теории квазиравновесного двухфазного состояния рассчитывались температурные поля в переходной зоне твердожидкого расплава металла в канавке
карусельного кристаллизатора для определения интенсивности и времени охлаждения слитка до заданной температуры прессования. Результаты исследований были использованы при разработке комплекса научно-методического и программного обеспечения для технического и технологического проектирования процесса непрерывного литья-прессования цветных металлов и сплавов, а также при создании новых технических решений для непрерывного прессования методом Конформ, рассматриваемых в монографии. Монография рассчитана на научных сотрудников и инженернотехнических работников, специализирующихся в области прессового производства, а также может быть полезна преподавателям вузов при обучении студентов по направлению 150106.65 «Обработка металлов давлением» и аспирантов специальности 05.16.05 «Обработка металлов давлением». Авторы выражают благодарность за помощь, оказанную в работе над книгой в процессе ее подготовки к печати заведующему кафедрой «Обработка металлов давлением» д-ру техн. наук, проф. С.Б. Сидельникову, сотрудникам ИЦМиМ ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», канд. физ.-мат. наук, доц. А.Ш. Любановой, канд. техн. наук, ст. препод. И.Ю. Губанову и др. Авторы заинтересованы в дальнейшем совершенствовании исследований в этом направлении и признательны заведующему кафедрой «Машиностроительные и металлургические технологии» Магнитогорского государственного технического университета, д-ру техн. наук, проф. М.В. Чукину и заведующему кафедрой «Технология машиностроения» Южно-Уральского государственного университета, дру техн. наук, проф. В.И. Гузееву за ценные замечания и пожелания, высказанные ими при рецензировании монографии.
Глава 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ Процессы обработки цветных металлов и сплавов включают в основном такие основные металлургические переделы, как литье заготовки, пластическую деформацию и термообработку. Несмотря на высокий уровень механизации и автоматизации на каждом переделе, данным методам получения металлоизделий из слитков присущи значительные затраты энергии на нагрев слитков перед пластической деформацией, высокая металлоемкость прессового оборудования и мощных прокатных станов, необходимость наличия больших производственных площадей, обслуживающего персонала и т. д. Одной из основных тенденций развития металлургической отрасли является совмещение этих переделов в одну непрерывную технологическую линию, лишенную отмеченных недостатков. Эту проблему решали многие металлурги-обработчики, начиная с середины ХIХ в., прежде всего это относится к работам Г. Бессемера, Г. Александера, Д. Грина, Т. Авитцура, Д. Проперци. Специалистами таких ведущих отечественных организаций, как «Гипроцветметобработка», «ВНИИМетМаш», «ВИАМ» и др., разработаны и внедрены в промышленность агрегаты непрерывного литья и прокатки, бесслитковой прокатки ленты, что, несомненно, явилось значительным достижением отечественной металлургии. Но наряду с очевидной перспективностью применения процессов непрерывного литья и прокатки в настоящее время продолжаются исследовательские работы, направленные на разработку более эффективных и гибких технологических линий по совмещению непрерывного литья и обработки металлов давлением. Одно из этих направлений – непрерывное литье и прессование цветных металлов, позволяющее повысить технико-экономические показатели изготовления мелкосортной продукции по сравнению с традиционным прессованием на горизонтальных гидравлических прессах. Работу над решением этой проблемы стимулирует создание и широкое распространение в последние годы технологических линий непрерывного прессования цветных металлов.
1.1. Этапы развития и анализ технологических возможностей процесса прессования Процессы прессования металлов на заключительной стадии деформации позволяют получить прессованную продукцию как в виде полуфабриката, так и готовых изделий (сплошные профили, трубы, полые профили сложной конфигурации, панели, кольцевые профили и др.), которые широко применяются во многих отраслях промышленности. При этом базовым методом деформационной обработки выступает прессование – процесс выдавливания (экструдирования) пресс-изделия из заготовки, помещенной в разъемный или сплошной контейнер. Если проследить историю возникновения и развития техники прессования, можно выделить следующие этапы [5-7]: • с конца XVIII в. по конец XIX в. – реализация идей о способе изготовления свинцовых прутков и труб прессованием и создание вертикальных трубных прессов с гидравлическим приводом; • с 1895 по 1924 г. – становление и развитие технологии прямого прессования прутков, труб и профилей из медных и алюминиевых сплавов, создание горизонтальных трубопрофильных гидропрессов прямого действия, разработка конструкций и выбор материала прессового инструмента; • с 1924 по 1944 г. – разработка технологии и создание оборудования для обратного и комбинированного прессования цветных металлов. Дальнейшее развитие технологии прямого прессования и появление специализированных заводов; • с 1944 по 1956 г. – развитие технологии и расширение области применения прямого прессования для производства стальных пресс-изделий, создание крупных и скоростных гидропрессов, новых инструментальных жаропрочных сталей и технологических смазок на основе стекла; • с 1956 г. по 1980 г. – совершенствование и автоматизация традиционных и разработка новых способов прессования, освоение промышленного производства крупногабаритных профилей, панелей и полуфабрикатов, многослойных и специального назначения изделий; • с 1980 г. по настоящее время – наряду с совершенствованием традиционных способов на базе освоения прессования с натя
жением, использования форкамер с охлаждением жидким азотом, САПР инструмента и технологических процессов, применения активных сил трения, идет разработка и внедрение непрерывных способов прессования цветных металлов и инновационных процессов их совмещения с непрерывным литьем. В настоящее время существует много разновидностей процесса прессования, классифицирование которых представляет известный интерес и проводится по наиболее общим типовым признакам: по кинематическим признакам, т. е. по связи направлений рабочего перемещения исполнительного инструмента внутри контейнера и истечения материала; по направлению истечения материала и размещению канала матрицы относительно продольной оси прессования; по граничным условиям процесса; по кинематическим условиям процесса; по конструкции прессового инструмента; по температурным условиям процесса; по виду продукции – готовые изделия или полуфабрикаты; по характеру прессуемого материала; по геометрическим условиям истечения; по типу используемого оборудования. Большая часть указанных способов реализуется в дискретном режиме истечения, т. е. с пресс-остатком, который отделяется от изделия в конце цикла. Однако в последнее время появились способы полунепрерывного и непрерывного прессования прутков и труб [8-10]. Процесс придания обрабатываемому металлу заданной формы посредством выдавливания его из замкнутого объема через канал, образуемый прессовым инструментом, может происходить различными способами, основные из которых будут рассмотрены ниже. Несмотря на многообразие способов, основным видом напряженного состояния деформируемого прессованием металла в пластической зоне является всестороннее неравномерное сжатие. Наряду с этим некоторые участки обрабатываемого объема металла вследствие неравномерности деформации имеют другой вид напряженного состояния – с растягивающими главными нормальными напряжениями. Несмотря на это, при прессовании создаются более благоприятные условия для пластического деформирования, чем при других видах обработки металлов давлением. Силовое воздействие на прессуемую заготовку осуществляется главным образом непосредственно через прессовый инструмент. В соответствии с видом взаимного перемещения прессуемой заготовки и контейнера различают прессование [11] с прямым, боковым, обратным, совмещенным истечением металла, с опережающим движением контейнера.
Прямое прессование получило наибольшее распространение и применяется для получения всех видов продукции, которую можно получить прессованием вообще. Основная особенность этого способа – обязательное, явно выраженное перемещение металла заготовки относительно неподвижного контейнера [12]. Прессование с обратным истечением применяется при изготовлении как сплошных, так и полых профилей. Пресс-изделие во время прессования движется в направлении, обратном направлению движения пресс-штемпеля относительно контейнера. Основная особенность этого способа прессования – отсутствие явно выраженного перемещения заготовки относительно контейнера. Пресс-штемпель представляет собой полый цилиндр, через который проходит прессизделие. Метод прессования с совмещением прямого истечения с обратным может быть применен с целью увеличения скоростей истечения металла относительно процесса с прямым истечением, например, при прессовании труднодеформируемых алюминиевых сплавов. При этом увеличение скорости истечения становится возможным потому, что в начальный период прессование осуществляется с обратным истечением, и это позволяет при том же требуемом давлении снизить начальную температуру заготовки и избежать перехода пресс-изделия в температурную зону хрупкости. Многоканальное прессование сплошных крупных профилей разных диаметров методами прямого и обратного истечения применяется сравнительно редко, так как проще прессовать профили каждого размера в отдельности. Многоканальное прессование ведется через матрицы с числом каналов от 2 до 20, а иногда и более. Этот процесс находит применение в случаях, когда увеличение числа каналов сопровождается хотя бы не пропорциональным этому увеличению, но заметным ростом производительности; номинальное давление пресса меньше необходимого для прессования одного канала; в условиях, когда желательно ограничение роста температуры металла в пластической зоне в процессе прессования, а также при производстве несимметричных или с односторонней плоскостью симметрии профилей с целью уменьшения неравномерности деформации. Помимо указанных выше вариантов сочетания относительного перемещения заготовки и контейнера известны работы по прессованию с опережающим заготовку движением контейнера, известного, как прессование с активными силами трения [13-15]. В этом варианте контейнер движется в ту же сторону, что и пресс-штемпель, но с