автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка теории и технологии изготовления тонкостенных оболочек из сплавов алюминия

На правах рукописи

Скоробогатов Александр Олегович

РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

л, ОЛА, 003472991

Москва - 200^>

003472991

Работа выполнена в ЗАО «ПРОЧНОСТЬ».

Официальные оппоненты:

Профессор, доктор технических наук Профессор, доктор технических наук Профессор, доктор технических наук

Ведущая организация:

ОАО «Московский завод по обработке цветных металлов»

Защита состоится 23 сентября 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.060.02 при Учреждении Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН (Москва, Ленинский проспект, дом 49).

Отзыв на реферат, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.49

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН (Москва, Ленинский проспект, дом 49).

Автореферат разослан 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

профессор, доктор технических наук А.Е.Шелест

Кохан Лев Соломонович. Кривонос Георгий Александрович. Смирнов Олег Михайлович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Постановка и актуальность разработки теории и технологии изготовления тонкостенных оболочек из сплавов алюминия определяются снижением потребления алюминиевых сплавов в авиационной, ракетокосмической и других областях техники, а также необходимостью поиска таких отраслей народного хозяйства, которые могли бы стать альтернативными потребителями алюминиевых сплавов для обеспечения необходимого объема производства и получения прибыли.

Одним из перспективных направлений развития алюминиевой отрасли является производство оболочек с целью дальнейшего их использования в пищевой и парфюмерной промышленности в качестве упаковочного материала. В настоящее время потребление алюминия для производства упаковки под напитки составляет в среднем не менее 73 - 89 тысяч тонн в год из общего объема производства алюминиевых сплавов 123 тысячи тонн.

Создание экономически эффективного производства оболочек глубокой вытяжкой, возможно либо через дополнительную подготовку производства, либо через качественное изменение всего технологического процесса. Оба пути неразрывно связаны с существующими и хорошо зарекомендовавшими себя в промышленности теорией и технологией операций листовой штамповки. Однако получение тонкостенных оболочек имеет серьезные отличия вследствие малой толщины листового материала (не более 200 мкм), что требует новых подходов в решении поставленной задачи. Известные теории оболочек, основанные на гипотезе Кирхгофа — Лява, позволяют решать только задачи теории упругости и мало пригодны для исследования общих закономерностей стационарной и нестационарной вытяжки.

Разработка теоретических основ и методов экспериментального исследования процессов обработки металлов давлением применяемых для производства тонкостенных оболочек, позволяет создать предпосылки для дальнейшего совершенствования технологических процессов и, как следствие, снижения объема материально-технических затрат вкладываемых в производства и в значительной степени уменьшении срока окупаемости.

Таким образом, в сложившихся экономических условиях и с учетом известной консервативности процессов обработки металлов давлением, разработка теории и технологии вытяжки тонкостенных оболочек из сплавов алюминия с целью создания нового типа производства является наиболее предпочтительным путем сохранения и развития алюминиевой отрасли, подтверждает актуальность исследований в указанном направлении. Целью данной работы является разработка теоретических основ технологии изготовления глубокой вытяжкой тонкостенных оболочек различных форм из алюминиевых сплавов для максимального вовлечения в производство имеющегося научно-технического потенциала алюминиевой отрасли.

Для достижения указанной цели были поставленные и решены следующие задачи:

1. Анализ состояния производства с обобщением проблем существующих технологий получения заготовки и тонкостенных оболочек.

2. Разработка теории и создание расчетно-аналитического алгоритма процессов холодной и горячей прокатки и операций вытяжки с учетом изменения структуры, напряженно-деформированного состояния, выбранного варианта технологии и требуемых показателей качества продукции.

3. Разработка технологических режимов горячей и холодной прокатки лент для обеспечения условий их бездефектного деформирования в операциях вытяжки.

4. Определение рациональных свойств холоднокатаной ленты, параметров технологии листовой штамповки и оборудования для осуществления операций глубокой вытяжки.

5. Создание и промышленное освоение нового технологического оборудования и инструмента для изготовления тонкостенных оболочек из сплавов алюминия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. С использованием аппарата функции комплексного переменного (функции Бергмана) установлены закономерности изменения топологии структуры поликристаллических материалов в процессе вытяжки. Выполнен анализ общего (макроструктура) и частного (микроструктура) протекания процессов деформации поликристаллических материалов в процессах вытяжки.

2. Разработан аналитический метод исследования процесса вытяжки путем решения вариационных уравнений контакта инструмента и заготовки.

3. Обоснованы развивающие теорию вытяжки методики определения геометрических, кинематических, деформационных и энергосиловых параметров операций вытяжки на горизонтальном кривошипном прессе с несколькими ползунами.

4. Предложены анизотропная и изотропная модели поведения тонкой полосы при глубокой вытяжке, а также новая методика и оборудование для определения свойств алюминиевых сплавов идущих на вытяжку тонкостенных оболочек, заключающаяся в комплексной оценке свойств алюминиевых сплавов по данным одновременного испытания на изгиб и растяжение.

5. Количественно установлено влияние основных технологических параметров операций вытяжки (толщины и анизотропии свойств плоской заготовки, скорости деформации, степени вытяжки, подготовки поверхности заготовки и инструмента) и базовых параметров оборудования при осуществлении операций вытяжки на качество тонкостенных оболочек.

6. Выявлены закономерности влияния схемы напряженно-деформированного состояния и геометрии очага деформации при оформлении днища оболочки. Установлено что эффект Баушингера позволяет бездефектное оформление сложного фасонного днища оболочки.

7. Обнаружены и исследованы причины возникновения разрушения матриц, что позволило разработать и внедрить эффективные технологии их изготовления.

8. Предложен метод аналитического описания и получено экспериментальное подтверждение определения оптимальных параметров операций втяжки с учетом контуров текучести и диаграмм упрочнения.

Практическая ценность работы:

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены в практику новые технологические режимы и оборудование для осуществления операций глубокой вытяжки тонкостенных оболочек из алюминиевых сплавов.

1. Разработан, спроектирован и с 2003 года используется в промышленности (ОАО Дмитровский опытный завод алюминиевой консервной ленты) горизонтальный кривошипный пресс номинальным усилием 12 кН.

2. Внедрена ресурсосберегающая технология изготовления вытяжкой тонкостенных оболочек из алюминиевых сплавов серий 3000 и 5000, с коэффициентом выхода годного до 98,7%; обеспечено производство оболочек с требуемыми механическими свойствами, микроструктурой и качеством поверхности. Совокупная прибыль от внедрения по п.п. 1 и 2 определена в 2765002 рубля.

3. Осуществлена реконструкция стана холодной прокатки 1350 ОАО «ДОЗАКЛ».

4. Разработан и используется в массовом производстве инструментальный магазин с последовательно установленными в нем матрицами, позволяющий осуществлять операцию вытяжки тонкостенных оболочек различного объема, экономическая эффективность от внедрения определена в 3237871 рубль.

5. Разработана и используется в линии стана холодной прокатки 1350 система оптического выявления дефектов ленты, используемой при вытяжке тонкостенных оболочек; разработан и внедрен каталог дефектов плоского проката отделанного и неотделанного. Личный вклад соискателя При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, диссертантом определены идеология и постановка научных задач, лично разработаны методики расчета, предложены основные идеи технических и технологических решений, выполнен анализ и обобщение лабораторных и промышленных экспериментов. Эксперименты, промышленные испытания и внедрение выполнены под руководством и при личном участии диссертанта. Апробация работы Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на научных семинарах лаборатории пластической деформации металлических материалов Института металлургии им. Байкова, РАН, 20052007 гг;

- на научных семинарах кафедры «Обработки металлов давлением и металлургического оборудования» Московского государственного вечернего металлургического института, 1997-2007 гг;

- на научно-технических советах Дмитровского опытного завода алюминиевой консервной ленты, 2000-2004 гг;

- на научно-технических советах Самарского металлургического комбината, 2000-2004 гг;

- на научно-технических советах Белокаливитнского металлургического комбината, 2000-2004 гг;

на семинаре фирмы National Instruments, «Оборудование и методы неразрушаемого контроля в металлургии», Хьюстон, США, 2002, 2004 гг;

на техническом совещании фирм «SEQUA» и «GOLDCO» «Оборудование и технология для производства упаковки», 2006 г;

на международной научно-технической конференции «Пути реконструкции предприятий металлургической промышленности», Оттава, Канада, 2005 г;

на международной научно технической конференции «Новые технологии в производстве упаковки», г. Дублин, Ирландия, 2001 г. Публикации Основные положения диссертации опубликованы в 19 научных статьях.

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (175 наименований). Работа содержит 296 страниц машинописного текста, 44 таблицы, 187 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложены цель и задачи исследований, освещены научные и практические результаты, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Обоснование перспективности разработки теории и технологии производства тонкостенных оболочек из сплавов алюминия», обобщены материалы, отражающие основные этапы развития научно-технического прогресса при изготовлении тонкостенных оболочек из сплавов алюминия.

Анализ литературы, отражающей развитие научно-технической мысли, мирового и отечественного практического опыта производства тонкостенных оболочек из сплавов алюминия, создания новых производств, позволил укрупнено обозначить следующие группы вопросов, исследованию которых посвящена данная работа. Их решение в ходе выполнения работы способствовало совершенствованию действующей технологии, разработке новых технологических процессов, созданию нового оборудования, повышению технико-экономических показателей цехового производства, линий и агрегатов, определению реконструктивных мероприятий.

К первой группе относятся вопросы теории процессов изготовления вытяжкой тонких оболочек. Тот факт, что приложенное усилие пуансона, передается через относительно недеформированное днище заготовки имеет важное практическое значение. Так для малых деформаций, величины: показателя деформационного упрочнения, усредненные механические свойства, упрочнение с одновременным уменьшением сечения зон разрушения и деформации не характеризуют способность материала к вытяжке. При этом единственным параметром оценки способности материала к вытяжке является наибольший диаметр заготовки, точное определение которого возможно только экспериментально, что делает развитие теории вытяжки тонкостенных оболочек весьма актуальным.

Ко второй группе относятся вопросы технологии. Вид обработки, особенности применяемого оборудования, типоразмеры тонкостенных оболочек, производительность и другие влияют на выбор параметров технологии, способы регулирования и контроля технологических параметров, что в конечном итоге определяет их эффективность, а значит и качество продукции при производстве тонкостенных оболочек вытяжкой.

Третью группу вопросов составляют вопросы совершенствования методов расчетов, характеризующих процессы прокатки и операций вытяжки. Получение новых надежных данных о взаимовлиянии условий протекания процессов, операций и технологического оборудования необходимо для совершенствования известных способов и методов управления, а также для разработки новых.

Решение четвертой группы вопросов основывается на успешном решении задач второй и третьей групп. Это разработка математического обеспечения современных систем управления для работы алгоритмов и программ в реальном времени. Это также вопросы создания математических моделей и компьютерных систем для использования в

исследовательских целях, проектировании технологии, выборе состава и количества оборудования.

Пятую группу вопросов определяют несоответствия точности топологии изготовляемой по металлургическим переделам продукции. Возникновение несоответствий возможно даже при высокой культуре производства и степени автоматизации. На современном этапе результаты исследований целесообразно направить на прогнозирование появления несоответствий и поиск возможностей их исправления.

Шестая группа вопросов связана с совершенствованием имеющегося и созданием нового технологического оборудования на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов и операций ОМД, что позволяет выполнить самые высокие требования технологии производимой продукции. Высокая эффективность комплекса технологического оборудования будущего немыслима без создания интегрированной автоматизированной системы управления производством, в которой должен быть положен накопленный научно-технический потенциал. Во второй главе «Разработка теоретических основ процесса вытяжки тонкостенных оболочек из алюминиевых сплавов» приведены результаты решения задач изменения геометрии микроструктуры поликристаллических материалов в процессе вытяжки, влияния макроскопической нагрузки на деформацию зерна в микро и макроструктурах и исследования формообразования и условий контакта при глубокой вытяжке. Вариационные уравнения исследовательских методов выведены из энергетического равновесия деформируемой системы, которое зависит от напряженности и кривизны границы зерна, величины энергии деформации по каждому зерну, плотности энергии деформации вдоль границы зерна и величины работы внешних сил.

ВАРИАЦИОННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ

СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ ВЫТЯЖКИ

Область микроструктуры с внешней границей Г, состоит из зерен, разделенных межзеренной границей Г ь. Сообщив элементарной

ячейке внешнюю нагрузку, (см. рис. 1) последовательно нашли: соотношения между напряженностью поверхности и кривизной межзеренной границы с виртуальной энергией, диссипацию (рассеяние) энергии, величину энергии деформации для каждого зерна, изменение плотности энергии деформации по периметру межзеренной границы, работу внешних сил.

По схеме, (см. рис. 1, б) нашли перемещения межзеренной границы, а также нормальную 5и„ и касательную 5ц, к межзеренной границе скорости:

5о.

до. Л ___(- до,

да у

X СОБ(10 - и, +

и„+--(Ь хеш (10 , (1)

дБ

Рисунок 1: а - микроструктура элементарной ячейки под действием внешних сил; б -сегмент межзёренной границы

Местную кривизну межзёренной границы выразили в виде:

= (2) R ds

где R - радиус кривизны межзёренной границы.

Величина работы внешних сил, созданная напряженностью сечения элементарной ячейки:

8W,= JY5èsds = YJ& + ^k (3)

rgb rgbV es к ;

где y - поверхностное натяжение.

Величину диссипации энергии получили из значения вязкостного сопротивления перемещению межзеренной границы по время вытяжки:

SW2= |fn8ûnds, (4)

rgb

где f„ - внешняя сила, соотносящаяся с нормальной скоростью через кинетический закон:

»„=Hfn, (5)

где ц - подвижность межзеренной границы.

Соответствующее нормальной скорости 8v5„ перемещения межзеренной границы выражение для виртуальной энергии имеет вид:

SW3 = J 1(ст+ : s+ - о" : e"Kdr > (6)

г8ь 2

где ст+,е+ - напряжение и деформация зерна площадью 8û„dr в единицу времени;

- напряжение и деформация зерна за пределами межзеренной границы.

Анизотропный закон ползучести для каждого зерна в структуре:

®и = СиА > (?)

где - скорость деформации, ёч

до, ди, —!- + —-

Эх, дх;

\ > 1У

, - скорость материала

зерна.

Исходное вариационное уравнение (свободная энергия Гиббса)

имеет вид:

|5ё:стсЮ-

¡У

& + Я

г 8и„ _ [15+ [ --«„(Ь

г8ь И

+ - |(ст+ :Е+ -а~ :е~)>опс1Г- |8ух1К1Г-|8УХЬ(Ю = О

2 геЬ гь а

(8)

В ответ на приложение внешней нагрузки структура перемещается и деформируется, при этом рост амплитуды перемещения зависит от минимизации совокупного значения свободной энергии Гиббса относительно работы всех внешних сил приложенных к межзеренной границе.

ЖХЛЛ41

Рисунок 2. Топологические преобразования межзёренной границы: а - Т, (коммутация межзёренных границ по ближайшим двум тройным точкам); б - Т2 (сжатие трехстороннего зерна в точку); в - Т3 (аппроксимация зерен единой границей, для случая геометрической неопределенности преобразования Т,)

В процессе перемещения, межзёренная граница испытывает следующие топологические изменения, (см. рис. 2), причем правила топологической реконструкции перемещения межзеренной границы подчиняются следующему уравнению Эйлера:

N + ¥-£ = 1, (9)

где N - число зерен в исследуемой структуре;

V - количество сходящихся точек (сходящихся вершин межзеренных границ);

Е - количество межзеренных границ.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ДЕФОРМАЦИЮ ЗЕРНА В МИКРО И МАКРОСТРУКТУРАХ

На рис. 3, показана иерархия структуры материала для металлографического исследования.

Хз Уз"

Рисунок 3. Иерархическая структура металлографического анализа

Если х - координата в макроструктуре, тогда отображение элементарной ячейки областью П с границей Г на микроструктуру обозначим элементарной ячейкой областью С2У с границей Гу и координатой у. Отношение координат макро и микроструктуры обозначим через коэффициент X,:

ау,^, (Ю)

где К - наименьшее вещественное число.

Обозначив силу поверхностного сцепления, действующую по границе Гь элементарной ячейки на поверхности микроструктуры через Ь, а межзёренную границу как Г?ь, получили вариационные уравнения,

выражающие изменение геометрии зерна после деформации для макроструктуры:

5П(у,у) = 5Пе(у) + 8П8Ь(у,у) = 0,

5Пе(у) = /-б(ст:ё)сЮ- |5у х ЬС1Г- |8У Х bdQ,

п2 гь п

Г8ЪV.

5П8Ь(у,у)= } 1(ст+:в+-а :Е-)5упаГ+ \ у

Г8ь

г8ь 2

& И

(1Г + | ^-^Г

'гь

(11)

где 5Пе - энергия деформации зерна, 5П?Ь - движущая сила, действующая на границе, V - скорость перемещения материала зерна, V - скорость перемещения границы, у„ - нормальная скорость, направленная от центра кривизны границы, у5 - тангенциальная скорость, направленная вдоль границы, в - координата вдоль границы, у - поверхностное натяжение (граничная энергия на единицу площади), Я - радиус кривизны поверхности, (I - подвижность (направление возможного перемещения) границы, И -

поверхностное сцепление по границе Гь, Ь - массовая сила, ст+,е+ -

напряжение и деформация зерна в области 5упс1Г , (зерно А), о~,е~ -напряжение и деформация зерна, за пределами межзёренной границы (зерно Б), (см. рис. 4).

Рисунок 4. Изменение энергии деформации после перемещения межзеренной границы

Отношение между напряжением и деформацией дадим в виде анизотропного закона ползучести:

®и=Сцыёи. (12)

Найденные уравнения деформации зерен и соответствующих им перемещений межзёренных границ на поверхности макро и микроструктур суммируем в табл. 1.

Таблица 1

Наимен. Результирующие уравнения

Скорость деформации зерна • уравнения связи: V1,;1 = «кт„(у)Е[^(х); |Р,тл,С1]к|Пк1тп(1П = -}р1тп)с^,пп(]0 ; О' £}' 1 [да-,тл да,™"] 1к1тл /ч ^ Ч ду1 ау, • уравнения макроструктуры: 1 ^СдабИлп-/*,Ь,€1Г-/«Г.ь.лг = 0; сЦтп =1 |сЦк1(1к|тп +г1ияя)лп. п' 1 г; а' з

Скорость перемещения межзёренной границы • уравнение макроструктуры: 1 ^Г'Г - ко|чг -1 - / *,мг=о. о-/ г; ^ 08 к ) и • уравнение микроструктуры: I ткЧ" +еðà -«¡Г < { = 0 . ¡у г; И

Исследовали сплав АА 3104 со следующими параметрами: сечение элементарной ячейки ^О^хХ.О"6 м, подвижность - ц = 0.08м/Нхс, поверхностное натяжение -

уь = 0.37Н/м, модуль Юнга - Е1 =Е2 = 0.69х105 МН/м2, поверхностное сцепление по границе - Ь = 7.42 Н/м2. Процесс деформации - холодная прокатка. Уравнения деформации зерна и перемещений межзёренной границы - эллиптические. Построение межзеренной границы показано на рис. 5. Для зерна менее чем с шестью гранями наблюдается уменьшение размеров сечения, а временами и вовсе полное его исчезновение, в то время как для зерна с более чем шестью гранями наблюдали растяжение сечения.

1 X

Рисунок 6. Геометрическая интерпретация контакта двух поверхностей

Рисунок 5. Положение межзеренных границ в алюминиевом сплаве 3104 после деформации: а - результаты вычисления; б - морфологическая обработка; в - локальное построение

топологии границы

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И УСЛОВИЙ КОНТАКТА ПРИ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКЕ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

В основу исследования условий трения на контакте заготовки и инструмента положили закон трения Кулона и обозначили: поверхность

заготовки как Г* , а поверхность инструмента как Г^1, (см. рис. 6).

Г5

1 х

Зазор gn, для каждой точки х е Г^ определили из соотношения:

g„=(x~xc)i\ (13)

где хс - проекция ближайшей точки х на Г^1, или ||х - хс| = min |х - х*||: х* е Г™1;

п - единичный вектор нормали от поверхности Г^1 в точке хс. Тогда, закон Кулона для двух поверхностей находящихся в контакте:

[если |h,pn|h„| g( =o,тогда прилипание

1 iiii ' ^ ^

[иначе, |h,| = ц|Ьп| скольжение

где h, - тангенциальная сила, направленная в противоположную сторону относительно перемещения; ц - коэффициент трения;

gt - приращение модуля тангенциальных перемещений за счет увеличения величины нагрузки.

Для определения условий контакта двух поверхностей использовали формулу Лагранжа:

8П(и) = Jrc (X„5g„ + Xt5g,)ar = 0, Гх = Гх п Гхм, (15)

где 5П(и) - действительная работа;

=-<»ngn; (16)

, _í-ffl.g. если |Qt8t|-|^o| прилипание

— 1 „ / \ > U

[- sgn(gt) скольжение

где ш, и о, ■ фактические значения коэффициента трения, а уравнение (16)

- исходная форма закона Кулона.

Контакт заготовки и инструмента исследовали, выполнив декомпозицию поверхностей в виде двух множеств точек, (см. рис. 7).

Хм1 ХСТ Хс Хм2

| поверностъ инструмента

Рисунок 7. Дискретизация поверхностей находящихся в контакте

Результаты теоретических исследований применили для вычисления усилия вытяжки оболочки в четырех поледовательно установленных матрицах, (см. рис. 8) для следующих констант: толщина стенки 11 = 0.221 мм и диаметр чашки Са =92.075 мм, диаметр пуансона

=66.12 мм, радиус скругления заходного очка матрицы И,, =0.15 мм.

Механические свойства материала: модуль Юнга 69 ГПа, коэффициент Пуассона 0,37, константа изотропного упрочнения

^ = 589^10~4 +£Р^ МПа. Значение коэффициента трения приравняли

0.02. Количество итераций в пределах рабочего хода пуансона равного 115.62 мм ограничили 50.

Для выяснения погрешности вычислений на график (см. рис. 8, а) наложили величины истинных усилий полученных с датчиков установленных на прессе. Из результатов

видно, что изменение вычисленных величин усилия вытяжки и изменение экспериментальных величин усилия вытяжки имеют очень хорошую сходимость. На рис. 8, б построены графики продольной деформации, в месте контакта деформируемой заготовки с матрицей на различных стадиях смещения пуансона в точку заднего выстоя. Результат суммарного распределения деформации по длине симметричной оболочки показан на рис. 8, в.

£ 0.30 I

/

1.0.32

I

а

I

6 0.01

л

1

_ _ — -л

.......

! 1 1

20 40 60 80 Величине хода пуансона, мл

а

10 20 30 40 50 Расстаяшв от центра пуансоаи. мм

б

Рисунок 8. Распределение при вытяжке цилиндрической тонкостенной оболочки: а -усилий; б - величин истинных продольных деформаций; в - эквивалентной деформации

В третьей главе «Исследование технологических процессов изготовления тонкостенной оболочки», исследовано напряженно-деформированного состояния метала заготовки при приложении циклической нагрузки. При этом в части определения упрочнения изотропного металла для случая существования подобия кривых прямой и реверсивной нагрузок модель дополнена стандартными испытаниями на растяжение. Введенная в работе нелинейная кинематическая модель упрочнения анизотропного металла позволила повысить достоверность результатов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССАХ ПРОКАТКИ И

ВЫТЯЖКИ

Рассмотрели кинематическую модель упрочнения анизотропного материала и сравнили предлагаемую модель с предыдущими исследованиями по трем критериям, определяющим устойчивость процесса деформирования, (см. табл. 2).

Таблица 2

Устойчивость процессов листовой обработки металлов давлением

Модель исследуемого материала Уменьшение предела упругости во время реверсивного деформирования Циклическая нелинейность напряженно-деформационного цикла Долговременное разупрочнение

Линейная модель кинематического упрочнения Да Нет Да

Нелинейная модель кинематического упрочнения Да Да Нет

Кинематическая модель упрочнения анизотропного материала Да Да Да

Достоверность полученных результатов проверили численными экспериментами и испытаниями на растяжение-сжатие алюминиевых сплавов АА 3104 и АА 6206 идущих на вытяжку цилиндрических оболочек, (см. рис. 9).

О 0.04 0.08 0.12 0.16 Эквивалентная пласмвсхая дефолиация

0.12 0.16 дефс^мацш

Рисунок 9. Сравнение кривых изотропной и анизотропной моделей алюминиевых сплавов: а - АА 3104; б - АА 6206 с экспериментальной кривой построенной в ходе проведения испытаний на растяжение-сжатие

Из найденных данных видно, что вычисление по методике изотропной модели дает заниженные значения предела текучести материала при приложении реверсивной нагрузки, (см. рис. 9, а и б). Для анизотропной модели упрочнения характерно точное воспроизведение экспериментальных данных, включая величину постоянного смещения.

Исходные уравнения анизотропной модели имеют вид:

г„а = г? + 6° + ХСа + АА.С

Г да -АХС

—ст

13ст )

г. = г„ + а -

ДА.(о - а)ст0--ДА.(ст - а) = 0 ; (19)

а

1"п = Г0 + атст + ата - А^,

(20)

где п,о - подстрочные индексы, обозначающие последующее и предыдущее значения напряжений, ст - измененное значение напряжения относительно стД - измененное значение степени пластической деформации относительно ДА,.

Используя исходные уравнения, определили истинное напряжение:

ст =

С-

1*2аат

атЯа

а1 + а2у

б = Серё

(21)

На рис. 10 показан план экспериментальной вытяжки с прижимом. Во время эксперимента зазор повышали вплоть до образования в процессе вытяжки одного из дефектов: складкообразования или разрушения заготовки чашки.

Рисунок 10. Геометрия и размеры процесса реверсивной вытяжки с прижимом цилиндрической полой чашки: а - первый переход; б - второй переход

Эксперимент продублировали численным моделированием с использованием данных анизотропной модели. На рис. 11 показаны результаты вытяжки цилиндрической оболочки на различных стадиях деформирования, а результаты математического моделирования на рис. 12. Как видно, результаты эксперимента и математического моделирования во многом совпадают. На рис. 13 проведено сравнение (по переходам) толщины заготовки измеренной вдоль линии, проведенной под углом 450 к линии направления прокатки. Вследствие доминирования при деформации компоненты удлинения, во всех трех случаях (изотропная, анизотропная модели и значения эксперимента) получены достаточно схожие результаты распределения толщины.

Рисунок 11. Вытяжка оболочки из сплава АА 3104: а - первый переход; б - второй переход при длине хода пуансона 20 мм ; в - стадия окончательного оформления в конце второго

перехода

а б в

Рисунок 12. Результат моделирования вытяжки оболочки из сплава АА 3104: а - первый переход; б - второй переход при длине хода пуансона 25 ММ ; в -стадия окончательного оформления в конце второго перехода

; о.117

Г

У

19.14 19.16 19.18 19.20 19.21

31.25 31.27 31,29 31.31 31.3:

Рисунок 13. Распределение толщины металла сплава АА 3104 вдоль линии проведенной под углом 450 к линии направления прокатки в процессе вытяжки: а - первый переход; б-

второй переход

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ПРОЦЕСОВ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ

На рис. 14 показана схема испытательного стенда, для осуществления эксперимента на изгиб по трем точкам.

гмыи

силы г

Рисунок 14. Схема испытательного стенда для осуществления эксперимента на перегиб по

трем точкам

Для испытаний по указанному методу подготовили 6 образцов, и после калибровки приборной части провели серию экспериментов, при этом погрешность измеренных величин в сигналах были: усилие гибки - 2%, угол вращения - 1.5%, степень деформации - 3%.

70 0

-70

Рисунок 15. Сравнение результатов моделирования с экспериментами: а - перегиб потрем точкам; б - зависимость деформаций от напряжений; в - распределение главных напряжений на предельной поверхности пластической деформации при проведении испытаний на

перегиб

Сравнение расчетных величин с экспериментом представлено на рис. 15. Найденные параметры для сплава АА 3104 свели в табл. 3, зависимость деформаций от напряжений и график растягивающих напряжений, (см. рис. 16), а распространение напряжений на предельной поверхности пластической деформации (см. рис. 17).

Таблица 3

Сравнение идентифицированных параметров сплава А А 3104

Экспериментальный параметр <2, МПа Ь С, МПа У г «о. МПа Е, ГПа

Гибка 143.6 7.151 70.43 119.49 1 155.80 65.47

Растяжение Нет нет нет нет 0.75 170.31 68.24

АНАЛИЗ РА: ¡РУШЕН ИИ ИНСТРУМЕНТА ПРИМЕНЯ ЕМОГО В

ПРОЦЕССЕ ВЫТЯЖКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И КОРОБЧАТЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

На рис. 16 показана схема вытяжки с прижимом. На схеме отмечены: степень деформации БЯ (отношение диаметра О0 листовой заготовки к диаметру пуансона), зазор С между пуансоном и матрицей, радиусы скругления пуансона Яр и матрицы , механические свойства листа, толщина листа, давление рь прижима, трение и смазка на разделе контактных поверхностей пуансон - матрица - заготовка, и скорость ур

пуансона.площадью края кратера в 10,1*10"9 м2 и площадью базового параллелограмма 35,6х10"9 м2. Процент площади параллелограмма закрытой

—

т { )

1 А Л %

{ *

-70 0 70 140

а

б

в

. а 1 *>

Г

1/ 1

1

у 1

Рисунок 16. Схема вытяжки с прижимом По результатам математического моделирования, (см. рис. 17 а, б) сделан вывод, что первое главное напряжение возникает в процессе втягивания заготовки в полость матрицы на поверхности скругления матрицы по линии наибольшей кривизны, на 7.24 секунде. Третье главное напряжение возникает на 6.01 секунде, в области расположенной немного выше линии скругления заходного очка матрицы. При чем, абсолютная величина (о3)гаах

примерно в 5 раз выше величины (о,)тах, а направление (о,^ периферическим.

(а, 1=26.39 мп;

совпадает с

Рисунок 17. Распределение напряжений в матрице используемой в процессе вытяжки цилиндрической полой чашки: а - (ст1 )тах (7.24 с); б - (о3)тях (6.01 с)

Процесс разрушения матриц в процессе вытяжки тонкостенной оболочки изучали на примере тонкостенного цилиндра нагруженного внутренним давлением. При вытяжке было установлено, что вначале процесса наблюдается рост усилия вплоть до достижения им пикового значения, после чего его величина начинает снижаться, пока не достигает значения, при котором наступает разрыв матрицы. На рис. 18 показано положение системы пуансон - заготовка - матрица, полученное аналитическим расчетом процесса вытяжки цилиндрической оболочки в момент разрушения матрицы после прохождения точки, в которой максимальное усилие вытяжки достигает своего максимума. Было установлено, что величины: усилия разрушения матрицы и максимальное усилие не совпадают.

а б

Рисунок 18. Положение системы пуансон - заготовка - матрица: а - положение в момент достижения максимального усилия вытяжки; б - положение в момент разрушения матрицы

С целью исследования влияния зазора между матрицей и пуансоном и толщины стенки матрицы на процесс разрушения матриц изготовили матрицы разных геометрических размеров, при этом значения зазора между матрицей и пуансоном и толщина стенки матрицы установили экспериментально.

По кривым (см. рис. 19, а) видно, что величина максимального усилия возрастает с ростом толщины стеки матрицы. Была найдена толщина стенки матрицы \¥г =10.207 мм, при которой единожды (при осуществлении трех попыток) произошло разрушение матрицы, из этого был сделан вывод о существовании критической величины стенки матрицы, ниже которой разрыв будет происходить при любой толщине стенки матрицы.

I 10

■ А № I Чч. --10.20У им --Я',-14.429им -19.794мм

/ | / и VI

П»рвмвщеми» пуансона, мм Перемещение пуансона, мм

а б

Рисунок 19. Влияние толщины стенки матрицы на процесс вытяжки оболочек: а- (1.04)1о ,

б-(1.Ю>0

На рис. 20 показаны три вида разрушения матриц имевших место в процессе вытяжки тонкостенной оболочки. Установлено, что с уменьшением толщины стенки матрицы, количество трещин возрастает. Малая толщина стенки матрицы в радиальном направлении, является причиной снижения величины сопротивления растягивающим напряжениям под нагрузкой. Таким образом, большее количество материала, будет иметь склонность к трещинообразованию, и дальнейшему их быстрому распространению.

Рисунок 20. Виды разрушения матриц: а - образование одной трещины; б - образование двух трещин; в - образование трех трещин

Развитие износа в течение эксперимента и соответствующее ему состояние системы инструмент - заготовка показано на рис. 21. На фотоматериале видно, что вследствие складкообразования и что подтверждается состоянием контактной поверхности матриц, имеет

место износ. Место образования складок соответствует местоположению материала заготовки находящегося вне контакта с поверхностью матрицы. Степень складкообразования увеличивается, с увеличением числа операций вытяжки.

а б в г

Рисунок 21. Износ матриц после вытяжки: а - 1006 заготовок; б - 1035 заготовок; в - 1509

заготовок; г - 1787 заготовок

Исследование пластической деформации пуансона и возникающего вследствие этого эффекта также представляют значительный интерес. Износ пуансонов (см. рис. 22). Развитие деформации видно в виде рельефа возникающего на рабочем конце пуансона от действия периодически повторяющейся сжимающей нагрузки. Ширина образованного пластической деформацией рельефного кольца в радиальном направлении для указанных трех случаев была: 0.304 мм - 1-ый пуансон, 0.176 мм - 2-ой пуансон, и 0.012 мм - 3-ий пуансон.

а б в

Рисунок 22. Пластическая деформация пуансона: а - с радиусом скругления 1.143 ММ (после вытяжки 974 заготовок); б - с радиусом скругления 1.524 ММ (после вытяжки 1113 заготовок); в - с радиусом скругления 1.524 ММ (после вытяжки 1674 заготовок).

На рис. 23 показано распространение нормальных максимальных компонент напряжений (при сжатии) вдоль радиуса скругления рабочего конца пуансона. Из графика видно, что при снижении радиуса скругления матрицы на половину, происходит почти удвоение величины нормальных напряжений. Становится понятным, почему при меньших значениях радиуса скругления рабочего конца пуансона время до возникновения пластической деформации пуансона снижается.

Угол вокруг радиуса скругления п/ансона, град

Рисунок 23. Эффект от воздействия радиуса скругления рабочего конца матрицы на величину нормальных напряжений: а - распределение нормальных напряжений; б - угол радиуса скругления рабочего конца пуансона

В четвертой главе «Исследование и промышленное опробование технологий производства тонкостенной оболочки из алюминиевых сплавов», представлены результаты разработки и промышленного опробования технологий изготовления полых оболочек из алюминиевых сплавов 3000 серии. Подробно рассмотрены технологии массового производства: алюминиевых сплавов, прокатки из них полос лент и последующей вытяжки полых оболочек с учетом используемого инструмента. ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ РАБОЧИХ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕНТ ИЗ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ Прокат, имеющий направленную структуру шероховатости поверхности, обладает свойством удерживать смазку, что является необходимым условием при вытяжке с утонением стенки цилиндрической тонкостенной оболочки. При этом имеет место низкий износ инструмента, высокую штампуемость и выход годного.

На рис. 24, показана схема расположения кратеров в процессе профилирования рабочего валка.

Рисунок 24. Геометрическая топография бочки рабочего валка в гексагональном направлении, сечение 400 х 400 мкм .

Применением электронно-лучевого профилографа получена следующая текстура поверхности: внешним радиусом кратера в 76,2 мкм, шириной пояска кратера в 25,4 мкм, внутренним радиусом кратера в 50.8 мкм , межосевым расстоянием равным 203 мкм,

Г

краем насечки равнялся 28 %. По полученным значениям вычислено количество насечек N=146 в пределах выбранной прямоугольной области в 0.025 метра (по оси валка и в направлении прокатки) на ширину в 204 мкм (предварительно вычисленная ширина контакта в направлении прокатки по области контакта рабочего и опорного валков).

Элементы насеченной поверхности, показанные на рис. 25, -результат окончательной доводки валка. Продукция, полученная в процессе прокатки на таких валках, имеет блестящую поверхность без матовых включений.

а

б

Рисунок 25. Микрофотографии формирования профиля: а - поверхность полосы прокатанной на насеченных рабочих валках, х 425, б - при проходе заготовкой нейтрального сечения, х 425.

Прокатка на насеченных рабочих валках, позволяет вести процесс с высокими степенями обжатий от 35% до 60%. Сравнение энергосиловых параметров от величины относительного обжатия при прокатке показаны на рис. 26, а и б.

из сплава АА 3104 на насеченных валках

О 7.6 15 22.5 30 3?!б 45 65.5 М 75

У величание относительного а Сжатия % от крутяцего момента при прокатке полосы иэ сплава АА 3104 на насеченшх валках

б

Рисунок 26: а - график изменения усилия прокатки; б - график, изменения момента прокатки от величины относительного обжатия, в процессе прокатки на стане кварто на насеченных

валках

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ РАЗНОТОЛЩИННОСТИ ПОЛОСЫ ПРИ ХОЛОДНОЙ

ПРОКАТКЕ

В рамках эксперимента определены: оптимальные соотношения (1Рр//(1Р (отношение приращения усилия на опорных валках к приращению

усилия прокатки), необходимых для компенсации отдельно искажений профиля и отдельно нарушений толщины прокатываемой полосы; жесткости прокатываемой полосы; жесткости прокатной клети; величины и характер некомпенсируемой поперечной и продольной разнотолщинности.

С целью упрощения эксперимента и экономии расходуемого на эксперимент металла применили серии карточек. Карточки очерчивались на полосе шириной 1600 мм, (что соответствует максимальной проектной ширине прокатываемой полосы) и длиной 800 мм. Материал карточек алюминиевый сплав АА 3104. Разметка карточек приведена на рис. 27.

^ «г*?»**

и

I

I Л

4

а б в

Рисунок 27. Схема разметки полосы до (а) и после (б и в) прокатки

Прокатку проводили при скорости 0.2 м/с, фиксируя при этом значения аналоговых сигналов на персональном компьютере (дискретность сигнала 0.44 с) усилие на опорных валках Рр и усилие прокатки Р, (см. рис. 28).

40 60

Номер измерения

Рисунок 28. Диаграмма прокатки полосы шириной 1600 ММ и толщиной 0.8 ММ

Используя накопленные в эксперименте данные, построили зависимость усилия прокатки от толщины полосы, (см. рис. 29), при котором происходит компенсация возникшего возмущения в толщине прокатываемой полосы.

Рисунок 29. Зависимость усилия прокатки Р от толщины Ь] карточки после прокатки: а -для ширины 800 ММ ; б - для ширины 1600 ММ. МИ,МП - жесткости клети и полосы в

процессе прокатки.

Поставленная задача - возвратить толщину полосы к исходному значению, осуществляется путем увеличения усилия на опорных валках. На рис. 30 приведены зависимости приращения усилия на опорных валках от приращения усилия прокатки для компенсации формы проката, как в абсолютных значениях, так и в приращениях.

— 1._

£ 120 Л

20 / »«х им

1.1600 0 7

Ю / 7й- 8Р тс

10

% " 40 60 120 160 200

о1----------

О 40 80 120 160 200 240 280 320

РВ,1С

Рисунок 30. Зависимость усилия прокатки Р от усилия Рр на опорных валках: а - для ширины 1600 мм ; б - для ширины 800 мм . Зависимость представлена в двух системах координат: в абсолютных значениях Р и Рр ив приращениях 8Р и 8Рр

По данным эксперимента нашли, что основным параметром регулирования толщины и профиля является коэффициент а как функция от приращения усилия на опорных валках к усилию прокатки.

1°

I 10

!

з 20

I

Рисунок 31. Поле относительных колебаний усилия на опорных валках Рр , вызвавших продольную и поперечную разнотолщинность, которые взяты в зависимости от коэффициента а = 8Рр/8Р

Наименьшие колебания усилия Рр на опорных валках получаются

при а = 0.91 ± 0.03, то есть при а = 0.88 + 0.94 (см. рис. 31, заштрихованное поле).

СОЗДАНИЕ УСЛОВИЙ ПОВЫШАЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗНОСУ ИНСТРУМЕНТА ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ОПЕРАЦИЯХ ВЫТЯЖКИ

Нанесение покрытий осуществляли методом конденсации из газовой фазы соединений TiN , С^ или .

На рис. 32 показана электронная микрофотография рабочей поверхности инструмента, состоящей из сложных по форме частиц размером примерно 1 мкм . На рис. 33

показано смазки в 260 мм в

в г

Рисунок 32: а - электронная микрофотография рабочей поверхности инструмента и её морфологическая обработка; б - топология формы шероховатости поверхности; в - пики максимальной шероховатости поверхности; г - области с нулевой шероховатостью

погружное азотирование в соляной ванне

без поверхностного упрочнения

Сг№ - осаждение ионов в

электродуговом

разряднике

Рисунок 33. Соотношение между температурой и адгезией технологической смазки в 10 % концентрации поданной с расходом 3,2 мл/с с расстояния в 260 мм в течение 4 с, на рабочую поверхность инструмента

Нашли, что изменение температуры рабочей поверхности инструмента сложной геометрической формы, а также степень её истирания связаны с адгезионными свойствами применяемых для поверхностного упрочнения покрытий.

температура нагрева образцов, град. Цельсия

соотношение между температурой и адгезией технологической 10 % концентрации поданной с расходом 3,2 мл/с с расстояния в течение 4 с, на рабочую поверхность инструмента.

Адгезия технологической смазки возрастает при росте шероховатости К2 рабочей поверхности покрытия от 3,7 и более, а при более чем 15,3 мкм происходит преждевременный износ.

Проверку результатов экспериментов выполнили вытяжкой с утонением стенки цилиндрических полых оболочек из алюминиевого сплава АА 3104. Для основы инструмента выбрали инструментальную сталь, сталь закалили с температуры 1250 °С в масле, а затем провели отпуск при

температуре 1600 °с, твердость после термической обработки составила 53 1ЖС. После чего выполнили азотирование поверхности и нанесли покрытие методом конденсации из газовой фазы, при этом твердость на глубину до 25 мм составила не менее 200 НУ. Штамповку провели на горизонтальном кривошипном горизонтальном прессе. Эксплуатационный ресурс инструмента приведен в табл. 7.

Таблица 7

Эксплуатационный ресурс до замены, шт Причина вывода из эксплуатации

55,240 Износ

63,672 Износ

62,150 Износ

78,098 Износ

15,144 Местное выкрашивание

13,534 Местное выкрашивание

В результате эксперимента выявлено, что эксплуатационный ресурс инструмента с многослойным покрытием в пять и более раз выше, чем у инструмента с однослойным покрытием.

ТЕХНОЛОГИЯ ВЫТЯЖКИ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

При оптимизации параметров процесса глубокой вытяжки оболочек приоритетным является вопрос уменьшения количества дорогостоящего алюминиевого сплава, идущего на оболочку, с целью снижения стоимости продукции. Один из способов решения поставленной задачи - это применение для процесса глубокой вытяжки листовой заготовки с уменьшенной толщиной.

Проведенными проектно-конструкторскими и экспериментальными исследованиями был установлен минимально достижимый диапазон толщины полосы от 0.024 до 0.021 мм. На рис. 34 показана конструкция штампового инструмента для вытяжки с утонением.

е ж з

Рисунок 34. Схема инструмента и вытяжка оболочки

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ КРИВОШИПНЫЙ ПРЕСС, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ДЛЯ ВЫТЯЖКИ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

Приведены основные результаты, полученные в ходе разработки горизонтального кривошипного пресса предназначенного для вытяжки без зазора цилиндрической тонкостенной оболочки. Подробно освещены вопросы конструирования и эксплуатации пресса: привод, механизм подачи, пневмомеханический выталкиватель, устройство кинематической схемы, ползун, инструментальный магазин. В рамках модернизации пресса с целью повышения его производительности приведены дополнительные данные по устройству привода пресса.

Горизонтальный кривошипный пресс для вытяжки оболочек (см. рис. 35) состоит из горизонтальной станины I, главного привода II, расположенного в основном внутри станины и предназначенного для передачи крутящего момента на исполнительные органы пресса; ползуна и пуансона (узел III), механизма фиксации IV заготовок, инструментального магазина V с установленными в его пределах матрицами утонения, и сводообразователя VI. В исходном положении ползуна происходит последовательная подача чашек в инструментальный магазин V с помощью механизма подачи VII. В процессе вытяжки цилиндрической тонкостенной оболочки происходит утонение стенки заготовки при одновременном уменьшении её диаметра. Сводообразователь VI, необходим для оформления днища оболочки в крайнем переднем положении ползуна. Для удаления заготовки из рабочего пространства пресса предусмотрен выталкиватель VIII.

В-В ЕГ г

(увеличено, повёрнуто) (увеличено) (увеличено]

Рисунок 35. Горизонтальный кривошипный пресс усилием 12кН

В главе 5 «Разработка промышленной системы контроля технологических процессов изготовления тонкостенной оболочки», даны результаты технического решения актуальной задачи проверки и контроля качества продукции в виде автоматической системы идентификации топологии формы и размеров дефектов продукции третьего металлургического передела -каталога дефектов продукции.

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ТОПОЛОГИИ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ ЛЕНТЫ ПРИ ХОЛОДНОЙ

ПРОКАТКЕ

Система состоит из плат сбора видеоизображения и промышленного компьютера, монохроматического источника света и цифровой 1 дюймовой CCD камеры.

Первой основной морфологической операцией поиска несоответствий или элементов продукции по базовому изображению является процедура объектного выравнивания, (см. рис. 36).

Рисунок 36. Объектное выравнивание по базовому изображению (показана процедура нахождения несоответствий на цифровом рентгеновском снимке лопатки ГТД)

На рис. 37 показана вторая морфологическая операция определения несоответствия по пороговому уровню несоответствия с созданием разностного изображения в (объектное перекрытие). К разностному

изображению применяли пороговую объектное побитовое изображение В .

классификацию, в итоге получили

Рисунок 37. Идентификация несоответствия (раскат грубых неровностей поверхности слитка: а - исходное изображение; б - разностное изображение - получено с применением морфологического фильтра; в - изображение после пороговой классификации -изображение графических примитивов; г - бинарное изображение несоответствия -замыкание границ (контур несоответствия).

КЛАССИФИКАТОР ДЕФЕКТОВ ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ ЛЕНТЫ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДЛЯ ВЫТЯЖКИ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

С использованием аппарата морфологического анализа выполнили построение классификатора с указанием названия дефекта и его класса (см. табл. 8).

Таблица 8

Пример заполнения таблицы с обнаруженными дефектами

Класс Дефект Внешний вид полосы

1 Несоответствия поверхности, обусловленные качеством слитка и литой заготовки - яг-р-г полоса

2 Несоответствия поверхности, образовавшиеся в процессе деформации щ полоса

3 Несоответствия поверхности, образовавшиеся в процессе деформации полоса

4 Шеврон или «ёлочка» полоса

СИСТЕМА СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА РЕЗУЛЬТАТОВ РЕНТГЕНОВСКОГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТОНКОСТЕННЫХ

ОБОЛОЧЕК

Система спектрального анализа (см. рис. 38), позволяет определить химический состав и свойства материалов по спектральным данным, полученным в ходе рентгеновского сканирования.

Рисунок 38. Развернутая модель аппаратного решения для системы спектрального анализа результатов рентгеновского контроля

На рис. 39 показано изображение металлокерамики, полученное обратным рассеиванием электронов. Базовый слой композита состоит из а1203, в качестве связки для керамики использована комбинация медь-серебро-титан, а внешний слой - сплав железа с никелем и кобальтом. Изображение получено с помощью 1024 канального рентгеноспектрального анализатора на прямоугольной области сечением 65 х 75 точек. Наивысшая яркость точки соответствует наивысшему атомному номеру (г) элемента входящему в микроструктуру

<

Рисунок 39. Электронное изображение металлокерамики

На рис. 40 показан усредненный рентгеновский спектр, по 8232 спектрам, образованных в результате сканирования сечений размером 65 х 75 точек образца металлокерамики.

Для ответа на вопрос о связи элементов в химической фазе и их взаимодействии друг с другом применили расширенный спектральный анализ, заключающийся в рассмотрении участков спектра между явными пиками.

30

'¡25

о

I20

X

о 15

0

<0

1 ю

о

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Энергия рентгеновского излучения, кеВ

Рисунок 40. Усредненный рентгеновский спектр металлокерамики, вычисленный усреднением всех спектров полученных при сканировании сечений размером 65 х 75 точек

Итоговые результаты выполнения алгоритма после 50-ти итераций методом наименьших квадратов показаны на рис. 41 и рис. 42: (рис. 41, а) -результирующий спектр фазы А12()3, (рис. 41,6)- 2-мерное распределение её концентрации, (рис. 42, а) - результирующие спектры граничных фаз (14, Ре, №, и Со), (рис. 42, б) - 2-х мерное распределение их концентраций.

энергия рентгеновского излучения, кэВ

а б

Рисунок 41: а - результирующий спектр распределения фазы окиси алюминия, и б -реконструкция 2-х мерного рентгеновского изображения распределения ее концентрации

энергия рентгеновского излучения, кэВ

Рисунок 42: а - результирующий спектр распределения граничных фаз Т1 , Ге, № , Со , и б - реконструкция 2-х мерного распределения их концентраций

ИТОГИ и выводы

1. На основании анализа литературы, мирового и отечественного опыта производства, создания и модернизации технологического оборудования, выполненных исследований получили дальнейшее развитие теоретические и концептуальные положения, расчетные методики, математические модели и алгоритмы. Разработаны компьютерные системы и методы управления, технологические приемы и технические мероприятия, оригинальное лабораторное и промышленное оборудование, что является осуществлением новых научно-обоснованных разработок, обеспечивающих решение важной прикладной проблемы - создание производства тонкостенных оболочек из сплавов алюминия, как важнейшей для повышения объемов производства алюминиевой отрасли.

2. Разработано вариационное определение и метод контроля: изменения геометрии сечения зерна и перемещения межзеренной границы поликристаллических материалов в процессе деформации. Что послужило основанием для выделения групп отдельных технических решений и формирования общего подхода к их теоретическому обоснованию.

3. Аналитически исследованы и экспериментально подтверждены результаты изучения процессов изменения геометрии зерна и смещения межзеренной границы: в изотропной и анизотропной микроструктурах со случайной ориентацией и положением зерен (сплав АА 3104).

1. Получены вариационные уравнения деформации зерна в макроструктуре и установлена конечная деформация заготовки на примере процесса вытяжки цилиндрической тонкостенной оболочки из сплава АА 3104. Методом аппроксимации вариационных уравнений с помощью воспроизводящей функции Бергмана решена контактная задача формообразования поковки при вытяжки без зазора.

2. Проведена реконструкция стана кварто. В рамках которой, разработаны и успешно применены: клиновое устройство, необходимое для снижения перекоса осей валков, и модернизированные опоры качения. Установка в упорном узле радиально-упорного сдвоенного шарикоподшипника, позволило снизить осевые перемещения рабочих валков и более чем в три раза увеличить долговечность опоры.

3. Разработан метод экспериментального изучения операций вытяжки с зазором и без по анизотропной и изотропной моделям. В рамках метода нашли применение оригинальные методики контроля изменения нормируемых механических свойств алюминиевых сплавов. Главным отличием разработанных методов от существующих является определение свойств сплавов непосредственно в процессах листовой обработки металлов давлением или по их математическим моделям идущих циклически, например испытаний на изгиб по трем точкам, испытаний на перегиб.

4. Разработан, изготовлен и используется в промышленности на ОАО «ДОЗАКЛ» горизонтальный кривошипный пресс, предназначенный для вытяжки цилиндрических тонкостенных оболочек. За счет постройки прессов с количество ползунов до 10 модифицируемая таким образом конструкция пресса имеет существенный резерв по производительности. Высокая степень защищенности всех механизмов пресса от воздействия параметров вибраций и одновременно низкий износ трущихся деталей пресса, вследствие принудительной смазки трущихся деталей делает пресс высоконадежным и сбалансированным агрегатом.

5. Предложен, теоретически обоснован и прошел экспериментальную проверку инструмент для вытяжки без зазора цилиндрических полых оболочек. Инструмент позволяет создать постоянство гидростатической подушки между поверхностями находящимися в контакте и поддержать их точное центрирование по оси действия пуансона в пределах корпуса инструментального магазина. Модификация инструмента позволила производить продукцию с более высоким отношением H/D и меньшей толщиной стенки, а также использовать в качестве заготовки более прочных и легированных (в сравнении со сплавами 3000 серии) алюминиевых сплавов 5000 серии с меньшей толщиной.

6. Разработан и внедрен комплекс лабораторного оборудования для одновременного испытания на растяжения и изгиб алюминиевых сплавов

используемых в операциях вытяжки. С использованием комплекса экспериментально подтверждены анизотропная и изотропная математические модели влияния реверсивной нагрузки и эффекта пружинения при осуществлении операции вытяжки в условиях двуосного напряженно-деформированного состояния. Получена хорошая сходимость аналитических данных с экспериментами вытяжки с прижимом цилиндрической полой чашки и вытяжки без зазора цилиндрической тонкостенной оболочки, опытов по отбортовке-вытяжке.

10. Разработан и экспериментально проверен аналитический метод прогнозирования разрушения матриц в процессе вытяжки тонкостенных цилиндрических оболочек. Установлены причины разрушения матриц в процессе вытяжки оболочек. Установлен факт несовпадения максимума на кривой изменения усилия вытяжки с точкой возникновения максимального напряжения. Выработаны рекомендации по проектированию инструмента для процессов вытяжки.

11. Технически решена и программно реализована задача проверки и контроля качества продукции третьего металлургического передела (прокатное, кузнечно-штамповочное, трубное и другие производства). Создана автоматическая система идентификации топологии формы и размеров дефектов продукции третьего металлургического передела - каталога дефектов продукции. Система позволила: оптимизировать капитальные вложения в совершенствование металлургического оборудования, повысить надёжность технологических процессов и достичь их долгосрочной повторяемости, сократить выход брака и претензии от потребителей и как следствие осуществить осмысленную политику в области повышения качества в рамках системы ISO 9001-2000.

12. Разработана и эксплуатируется система диагностики и контроля технического состояния металлургического оборудования. Система позволяет диагностировать оборудование без его разборки, снизить затраты на эксплуатацию и ремонт, повысить качество обслуживания и ремонта, решить задачу сокращения простоев оборудования из-за внеплановых простоев, аварий, а также в отсутствии на предприятиях системы Технического Обслуживания и Ремонта.

13. На базе сканирующего микрофокусного рентгеновского аппарата с присоединенным к нему рентгеноспектральным анализатором, работающим по методу энергетической дисперсии, создана и промышленно опоробована система рентгеновского контроля материалов. Система предназначена для точного количественного и качественного определения состава химических элементов и их фаз в исследуемой композиции. Поучены результаты использования системы при исследовании свойств материалов применяемых в производстве полых оболочек методом спектрального анализа.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. А.О. Скоробогатов, Немножественное геометрическое моделирование процессов серийного изготовления изделий художественной ковки, Известия вузов, Цветная металлургия № 6 1999г.

2. Ю.А. Зимин, А.О. Скоробогатов, А.П. Борисов, Методика немножественного геометрического моделирования объектов сложной формы. Технология легких сплавов № 1,2000 г.

3. А.О. Скоробогатов, А.П. Борисов, С.М. Емельянов, Д.Н. Рыбаков, Об оптимизации коэффициента а = 8Рр/5Р. Технология легких сплавов № 4,2001 г.

4. А.О. Скоробогатов, А.П. Борисов, А.П. Спиридонов, Метод определения упругих деформаций при эксплуатации тяжелого металлургического оборудования. Производство проката № 11,2001 г.

5. А.О. Скоробогатов, А.П. Борисов, С.М. Емельянов, Д.Н. Рыбаков, Разработка клинового устройства планок проема подушки нижнего опорного валка. Технология легких сплавов № 1, 2002 г.

6. А.О. Скоробогатов, Насечение валков прокатных станов для производства полосы из алюминия и его сплавов предназначенной для глубокой вытяжки. Производство проката № 11,2001 г.

7. А.О. Скоробогатов, Глубокая вытяжка круглой полой оболочки из алюминиевого сплава. Вестник машиностроения, № 9, 2003 г.

8. А.О. Скоробогатов, Горизонтальный кривошипный пресс для массового производства полых оболочек. Вестник машиностроения. № 10, 2003 г.

9. А.П. Борисов, А.О. Скоробогатов, Разработка модуля диагностики опор качения металлургического оборудования. Технология легких сплавов № 2,2004 г.

10. А.П. Борисов, А.О. Скоробогатов, Каталог дефектов плоского проката. Производство проката № 2 и 3,2004 г.

11. А.О. Скоробогатов, Механизм подачи полых оболочек в горизонтальный кривошипный пресс. Вестник машиностроения, № 7, 2004 г.

12. А.О. Скоробогатов, Пневмомеханический выталкиватель поковок из горизонтального кривошипного пресса глубокой вытяжки. Вестник машиностроения, № 9,2003 г.

13. А.О. Скоробогатов, А.П. Борисов, A.B. Спиридонов, Д.Н. Рыбаков. Использование систем оптической дефектоскопии в металлургии. Контроль. Диагностика. № 4 2004 г.

14. А.О. Скоробогатов, А.П. Борисов, A.B. Спиридонов. Автоматическая система идентификации топологии формы и размеров дефектов продукции третьего металлургического передела - каталог дефектов продукции. Контроль. Диагностика. № 5 2004 г.

15. А.О. Скоробогатов. Рентгеноспектральный анализ материалов. Контроль. Диагностика. №8, 2005 г.

16. А.О. Скоробогатов. Инструмент для вытяжки с утонением цилиндрических полых оболочек из алюминиевых сплавов. Технология металлов, № 11, 2005 г.

17. А.О. Скоробогатов. Покрытия инструмента для процессов обработки металлов давлением (ОМД) с высокими значениями стойкости к истиранию и сопротивлением износу. Технология металлов, № 11, 2005 г.

18. А.О. Скоробогатов. Исследование изменения геометрии структуры материала в процессе вытяжки. Технология металлов, № 1, 2006 г.

19. А.О. Скоробогатов. Инструментальный магазин для глубокой вытяжки оболочек на кривошипных прессах. Заготовительные производства № 1, 2007 г.

Подписано в печать 12.05.2009 г. Формат 60x90/16. Объем 1,7 п. Бумага тип № 1. Печать плоская. Тираж 100 экз. Заказ 1377.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «Прочность», г. Москва, Рязанский проспект, дом 8А.