автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка устройств и технологии для получения проволоки из силуминов с применением методов совмещенной обработки

СОКОЛОВ Руслан Евгеньевич

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ИЗ СИЛУМИНОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ СОВМЕЩЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН

Красноярск - 2010

004608374

Работа выполнена на кафедре ОМД института цветных металлов и материаловедения ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сидельников Сергей Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гун Игорь Геннадьевич.

кандидат технических наук, академический советник СО РИА Мотков Михаил Георгиевич

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Защита состоится «08» октября 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.099.10 в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660025, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95, ауд. 212 л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Автореферат разослан «08» сентября 2010 г. Ученый секретарь

диссертационного совета

^^ Гильманшина Т. Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность работы.

Алюминий и его сплавы, благодаря своим уникальным технико-эксплуатационным характеристикам, занимают большое место в современной промышленности. Наличие таких свойств, как высокая электропроводность и коррозионная стойкость в сочетании с небольшим весом, привели к тому, что алюминий и его сплавы нашли широкое применение в машиностроении, электроэнергетике, транспорте, авиации и других отраслях промышленности. Особое место в структуре производства полуфабрикатов из алюминия и его сплавов занимает проволока, которая применяется для изготовления линий электропередач, электротранспортных тросов, кабелей, электродов, присадочных прутков, сварочной проволоки и др. В последнее время возникла большая потребность в сварочной проволоке из силуминов, обусловленная высокими механическими и коррозионными свойствами этих сплавов. Данная продукция широко применяется в военной, космической и авиационной промышленности для сварки конструкций летательных аппаратов и находит широкое применение при заварке дефектов в литейном производстве. Высокая стоимость полуфабрикатов из силуминов, обусловленная большой трудоемкостью производства, сдерживает их широкое применение в других отраслях промышленности и делает актуальной проблему разработки новых технологий получения деформированных изделий из них.

Представленная работа выполнялась в рамках научной программы Минобразования России «Инновационная деятельность высшей школы» (2003 г.) по проекту №03,01.30 «Разработка и создание опытно-промышленного образца модульного агрегата прокатки-прессования интегрированной литейно-прессовой линии для производства длинномерных изделий из цветных металлов и сплавов», гранта Президента РФ №НШ-2212.2003.8 (2003-2005 гг.) на поддержку молодых российских ученых и ведущих научных школ, научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2005 г.), подпрограммы № 2 «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники», проекта №52633, проекта «Разработка технологий и устройств для производства совмещенными методами изделий из новых материалов на основе сплавов цветных металлов и исследование их свойств» по программе развития СФУ на 2007-2010 год «Поддержка на конкурсной основе разработок по научно-методическому обеспечению образовательного процесса по приоритетным областям развития СФУ», молодежных грантов СФУ 2007-2009 годов, а также грантов 2009 - 2010 годов Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности.

* Диссертация выполнена при научной консультации доцента, д. т. н. C.B. Беляева.

Цель и задачи исследований.

Разработка комплекса технических и технологических решений для создания новой технологии производства сварочной проволоки из силуминов на основе применения методов совмещенной обработки.

Для достижения этой цели предусматривалось решение следующих

задач:

- моделирование и исследование формоизменения металла и темпера-турно-скоростных условий при асимметричном процессе совмещенной прокатки-прессования (СПП);

- изучение геометрического очага деформации и экспериментальные исследования технологических и энергосиловых параметров процесса получения прутков из сплавов АК5 и АК12 на установке СПП - 200;

- проведение исследований структуры и свойств полуфабрикатов из алюминиево-кремниевых сплавов, полученных совмещенными методами обработки;

- разработка новых технических решений и технологии производства сварочной проволоки из сплава АК12;

- создание программного обеспечения для сопровождения технологии совмещенной обработки металла и проектирования валкового и прессового инструмента.

Научная новизна полученных результатов.

1. С помощью компьютерного моделирования и теоретического анализа определены условия принципиальной реализуемости асимметричного процесса СПП и получены зависимости нейтральных углов на валках разного диаметра от геометрических параметров очага деформации (соотношения радиусов, дуг захвата валков и др.) и степени высотной деформации при прокатке.

2. Решена задача по определению температуры металла вдоль очага деформации с учетом разности диаметров валков, условий охлаждения рабочего инструмента и установлены закономерности ее изменения в зависимости от параметров очага деформации при СПП.

3. Получены экспериментальные данные по механическим свойствам литых и деформированных полуфабрикатов, изготовленных с применением электромагнитного кристаллизатора и установки совмещенной прокатки-прессования из алюминиево-кремниевых сплавов АК5 и АК12 .

4. Установлены закономерности изменения энергосиловых характеристик и температурно-скоростных условий процесса асимметричной прокатки-прессования для обработки силуминов.

Практическая ценность работы.

1. Создана методика компьютерного моделирования процесса асимметричной прокатки-прессования с применением программного комплекса DEFORM 3D.

2. Разработан комплекс технических решений, защищенных патентами № 67492, 68387, 70828, 73245, 2334574, 2335385.

3. Получены регрессионные зависимости для расчета энергосиловых параметров процесса СПП при обработке сплавов АК5 и АК12.

4. Разработаны технологические режимы, обеспечивающие при заданных температурно-скоростных и деформационных параметрах процесса регламентированную структуру и свойства сварочной проволоки из силуминов.

5. Создано программное обеспечение для автоматизированного проектирования инструмента и технологии производства деформированных полуфабрикатов с применением совмещенных методов обработки.

Реализация работы в промышленности.

Опытная партия сварочной проволоки Св. АК12, полученная по разработанной технологической схеме, включающей литье в электромагнитный кристаллизатор, совмещенную прокатку-прессование и волочение, прошла промышленную апробацию в ФГУП «НПО «Прикладная механика» (г. Же-лезногорск). Установлено, что данная продукция пригодна для пайки волно-водных трактов из алюминиевых сплавов и соответствует требованиям ТУ 1808-274-2003.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на ежегодных традиционных Всероссийских научно-технических конференциях университета цветных металлов и золота с 2005-2007 гг. и СФУ 2008 - 2010 гг.; на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2007 г.); на VI Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2008 г.); на 67 Международной научно-технической конференции МГТУ им. Носова (г. Магнитогорск, 2009 г.).

Публикации.

Результаты диссертационной работы отражены в 18 публикациях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Содержит 165 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 21 таблицу, библиографический список из 121 наименования и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны цель и задачи исследования, показаны актуальность и прикладное значение работы.

В первой главе проанализированы литературные данные об основных тенденциях развития промышленного производства прессованной продукции малого поперечного сечения и проволоки из алюминиевых сплавов. Одной из них является применение совмещенных процессов обработки ме-

талла, позволяющих получить технические и экономические преимущества за счет снижения количества циклов технологии изготовления таких изделий.

Существующие технологии производства пресс-изделий малого поперечного сечения на горизонтальных гидравлических прессах имеют ряд недостатков, основные из которых связанны с дискретностью (прерывностью) и высокой энергоемкостью процесса. С другой стороны существует ряд способов непрерывного прессования, таких как Конформ, Лайнекс и Экстроллинг, которые характеризуются высоким выходом годного, низкими энергозатратами в сравнении с традиционными методами прессования, и возможностью деформации непрерывно-литой заготовки за один цикл обработки.

В работах зарубежных и российских ученых, Б. Авитцура, Р. Гржиба, B.JI. Бережного, М.С. Гильденгорна, Ф.С. Гилевича, H.H. Довженко, В.Н. Корнилова В.Н. Перетятько и др. были предложены технические решения, позволяющие реализовать различные варианты процесса совмещенной прокатки-прессования и расширить технологические возможности процесса при получении длинномерных изделий из различных металлов и сплавов. Вместе с тем применение СПП для получения прессованных полуфабрикатов малого поперечного сечения из труднодеформируемых алюминиево-кремниевых сплавов, таких как АК5 и АК12, изучено мало и требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

В ряде работ (Д. Ю. Горбунова и др.) для получения данной продукции предлагается использовать технологию, включающую на первом этапе повышение пластических свойств литых заготовок за счет применения комплексного легирования алюминиево-кремниевых сплавов в сочетании с повышенными скоростями охлаждения при литье и прессование на гидравлических прессах литых заготовок на втором этапе. Однако такой способ технологически выгоден при больших объемах производства продукции и достаточно трудоемок, так как включает большое количество металлургических переделов с использованием многочисленных операций деформации и термообработки.

В то же время современный уровень развития технологий литья с использованием электромагнитного кристаллизатора (ЭМК) позволяет получать заготовки небольших размеров с повышенными пластическими свойствами, идеально подходящих для процесса совмещенной обработки трудно-деформируемых сплавов.

На основе рассмотренных вопросов и сделанных выводов сформулированы задачи исследований.

Во второй главе представлены результаты моделирования и теоретических исследований закономерностей изменения параметров очага деформации и температурных условий процесса асимметричной прокатки-прессования. Проведено компьютерное моделирование формоизменения и температурных условий процесса при помощи программного комплекса DEFORM 3D. Анализ формоизменения металла (рис.1) показал, что в зоне про-

катки узлы координатной сетки, располагающиеся на контактной поверхности с валками, опережают центральные слои металла (рис. 1 б). После вертикальной оси, проходящей через центры валков, скорости узлов сетки на периферии и в центре заготовки постепенно выравниваются и становятся одинаковыми (рис. 1 в, г). Далее картина течения металла соответствует традиционному процессу прессования, то есть узлы сетки центральных слоев металла вследствие сравнительно большой степени деформации при прессовании начинают значительно опережать приконтактные слои металла. Величина мертвых зон при этом незначительна.

а - исходная сетка на недеформированной заготовке; б - сетка при установившемся процессе; в - стадия начала распрессовки; г - стадия распрессовки и начала выдавливания пресс-изделия Рис. 1. Формоизменение металла на различных стадиях процесса СПП

При моделировании температурных условий асимметричного процесса СПП было выявлено, что на начальной стадии процесса заготовка охлаждается за счет контакта с валками, затем происходит ее разогрев за счет выделения деформационного тепла на стадиях прокатки и прессования

Рис. 2. Моделирование температурных условий асимметричного процесса СПП

7

Таким образом, одним из принципиальных выводов, полученных при моделировании, является тот факт, что на контактных поверхностях валков, как в зоне прокатки, так и в зоне распрессовки действуют активные силы трения, величина которых и определяет возможность реализации процесса СПП.

Проведены теоретические исследования реализуемости асимметричного процесса СПП на базе применения метода баланса мощностей. В соответствии с ним мощность, подводимая валками за счет сил трения, должна быть больше, либо равной мощности, затрачиваемой на выдавливание металла через канал матрицы. В результате теоретического анализа было получено выражение для определения реализуемости процесса, названное коэффици-

Р —Р А

ентом реализуемости К = —--—100%, где Р\ - усилие, подводимое вал-

ками за счет сил трения, Рг - усилие, необходимое для выдавливания металла через отверстие матрицы, "к - коэффициент, характеризующий отношение текущей скорости металла к скорости валков. Установлено (рис. 3), что для гарантированного протекания процесса СПП для силуминов степень деформации при прокатке должна быть не менее 8=50% (рис.3 а), причем, чем больше вытяжка при прессовании ц, тем величина е должна быть выше (рис. 3 6).

I 7 13 19 25 Удаление матрицы, мм

-ц=4,4 -Ц=7,3 -Ц=14.3

Удаление матрицы,

6

Рис. 3. Результаты расчета реализуемости процесса СПП для различных степеней высотной деформации е = 50% (а), е = 70% (б) и величине коэффициента вытяжки ц при прессовании

Для анализа процесса СПП с учетом асимметрии путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности решена задача по поиску нейтральных углов у, и уг, определяющих протяженность зон действия активных и реактивных сил трения на валках. Получены следующие формулы для их расчета: - для валка с выступом

^т, 2Ъ 8т, 4

^ г„ а*___, к а

- для валка с ручьем

ол1Т1 ¿Щ1Х0 ¿К\0

(2)

где а1, , 7( - центральные углы захвата, положения матрицы и поверхности реактивного трения на валках; т,, тг - касательные напряжения на контактных поверхностях валков и деформируемого металла; рю, р1в — нормальные контактные напряжения на валках в зоне прокатки и прессования; Ъ - ширина закрытого калибра;

У =агс!ё[ аг+Гг—], (3)

2(1 + й,/2Я2)

]; (4)

2(1 + ^/2^)

Р2 - усилие для выдавливания металла через матрицу, определяемое по формуле

бш а ПР

апр - угол наклона образующей упругой зоны при прессовании профиля диаметром с/ через матрицу высотой /гметр;

к„=(г*б/<г$а> (6)

здесь а5(> и азв - величина сопротивления деформации металла в зонах прокатки и прессования соответственно.

Схема к расчету параметров очага деформации при совмещенной прокатке-прессовании представлена на рис. 4.

С использованием формул (1) и (2) получены массивы данных расчетных параметров во всем диапазоне варьируемых факторов. Так для случая прокатки-прессования на установке СПП 200, геометрический очаг деформации которого показан на рис. 4, эти параметры составили: 0.1=12,55, <Х2=16,8, =8°55', у2=16°05'. Сравнение расчетных значений и результатов экспериментальных исследований показало, что полученную аналитическую модель

можно рекомендовать для выполнения практических расчетов параметров процесса СПП.

С использованием полученной модели путем решения одномерной краевой задачи теплопроводности при граничных условиях второго и четвертого рода, получены зависимости для расчета изменения температуры металла и инструмента при различных условиях прокатки-прессования сплавов АК5 и АК12 без учета и с учетом охлаждения инструмента. Результаты расчетов по длине очага деформации, определяемой отношением длины каждой характерной зоны Ц к его общей протяженности Ь, представлены на рис. 5.

Анализ приведенных графиков подтвердил закономерности изменения температурных условий, характерных для СПП, полученных при моделировании, и позволил выявить оптимальный интервал температур подогрева инструмента (до 150°С) и охлаждения матрицы (на 20-50°С), при котором процесс деформации будет гарантировано реализован. При несоблюдении этих условий пресс-изделие будет иметь высокую выходную температуру, что может привести к снижению качества продукции вплоть до появления брака (температурных трещин).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса получения деформированных полуфабрикатов из силуминов с использованием метода совмещенной прокатки-прессования и волочения.

Исследования проводились на литых заготовках, полученных в электромагнитном кристаллизаторе, из сплавов марок АК5 и АК12, химические составы которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав сплавов АК5 и АК12

Марка сплава А1 Мп "Л Бе Си Б! Хп

АК12 Основа 0,2 0,01 0,07 0,24 0,03 12,6 0,01

АК5 Основа 0,01 0,02 0,10 0,33 0,03 5,3 0,01

Начальная темтература нагрева аалкпа °С

Тз=480 вС; ^=0,74, с-1 Тз=480 "С; 5=1,49, с-1 Тз=550 °С, 5=0,74, с-1 Тз=550 "С; 5-1,49, с-1

Рис. 5. Результаты расчета температурных условий обработки методом СПП для сплава АК12: а - зависимость расчетной температуры металла на выходе из матрицы от начальной температуры нагрева валков и температуры нагрева заготовки (Т,) для сплава АК12; б — зависимость расчетной температуры валков от относительной длины очага деформации и скорости деформации при температурах заготовки Т,=480 и 550 "С ; в - зависимость расчетной температуры металла от относительной длины очага деформации ЩЬ и скорости деформации при температурах заготовки Т,=480 и 550 "С;

В ходе исследований варьируемыми факторами являлись: температура (Т), скорость деформации (£,) и коэффициент вытяжки (ц), рассчитываемый как V = F3a3 / FUJÖ , где F3az и Fu3d - соответственно площадь поперечного сечения заготовки и прессованного полуфабриката. С целью получения комплекса экспериментальных данных для регрессионного анализа результатов теоретических исследований и моделирования процесса СПП каждый из этих факторов варьировался в заданном диапазоне значений. Температура изменялась от 480 до 550 °С, скорость деформации от 0,74 до 1,49 с'1, вытяжка от 4,4 до 14,3. Замеряемыми параметрами являлись усилие, действующее на матрицу и на валки в процессе деформации металла.

Методика экспериментальных исследований заключалась в следующем. На первом этапе исследований при помощи ЭМК получали литые заготовки из сплавов АК5 и АК12 диаметром 15 мм. Анализ их микроструктуры при различном увеличении показал, что эвтектика имеет тонкодифференци-

рованное строение, а частицы кремния в ней настолько дисперсные, что не различимы даже при увеличении 1500 крат (рис. 6).

а б

Рис. 6. Микроструктура литого прутка из сплава АК12: а - увеличение 500 крат, б - увеличение 1500 крат

Таким образом, слитки, полученные с помощью ЭМК, обладают повышенными пластическими свойствами и могут подвергаться обработке давлением при достаточно больших степенях деформации. На полученных литых заготовках проводили замеры микротвердости и определяли механические свойства, данные по которым представлены в четвертой главе.

На втором этапе для экспериментальных исследований и моделирования процессов совмещенной обработки использовалась установка СПП-200, в составе которой имелся электродвигатель переменного тока мощностью 40 КВт со скоростью вращения 900 об/мин, коробка передач, двухступенчатый редуктор с передаточным числом ¡=40 и максимальным моментом на выходном валу 10 кНхм, шестеренная и прокатная клети. Установка была оснащена тензометрической аппаратурой и обеспечила проведение ряда экспериментов по изучению влияния варьируемых параметров на силовые условия процесса.

Результаты экспериментальных исследований по энергосиловым параметрам процесса СПП приведены на рисунках 7-8.

В результате анализа опытных данных были сделаны выводы, подтверждающие общеизвестные положения теории обработки металлов давлением и результаты исследований, выполненных ранее другими авторами, а именно:

- с увеличением температуры заготовки снижаются усилия на матрицу и валки;

- увеличение степени деформации при прессовании ведет к росту энергосиловых параметров процесса СПП;

- увеличение скорости деформации металла ведет к снижению усилия на валках и на матрице.

450

400

ж

l 350

ü 300

X

X 250

■i

¿00

150

3 7 11 15

Вытяжка, (I

—П 4Ш1 с. 4 (1,74 с-1 -0- || 4811 С. 4 |.4» с-1

Рис. 7. Зависимость энергосиловых параметров процесса СПП от вытяжки (ц), температуры нагрева заготовки (Т,) и скорости деформации © сплава АК5

Рис. i

} 7 и

вытяжка, (х Вытяжка, р

—I-J.4») 'С, ё 0.74 с-1 11 55U 'С. I (1.74 с-1 -a-Tv4Ml 'C'.i 1.4Чч-1 — IV-550'С. i 1,49 с-1

Зависимость энергосиловых параметров процесса СПП от вытяжки (р), температуры нагрева заготовки (Т,) и скорости деформации © сплава АК12

В результате последующей обработки массива экспериментальных данных получены регрессионные зависимости для определения энергосиловых параметров процесса СПП сплавов АК5 и АК12, имеющие вид:

35

35 J { 1,18 J 23

Lzlll)/ £lMl5)

35 Д 0,75

1,18 ) ' У 0,75 lnn-2,07^| f £-1,115

1,18 ) V 0,75 Г-515А (Inp.—2,07^| f £-1,115^1 35 Д 1,18 Д 0,75 J

где Т — температура нагрева заготовки, £ - скорость деформации, ц - коэффициент вытяжки, а0, а,,а2, а3,а12, а2],ап, ат - коэффициенты регрессии, значения которых представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения коэффициентов регрессии для расчета энергосиловых параметров процесса С ГШ сплавов АК5 и АК12_

Усилие Значения коэффициентов регрессии

ао «1 аг ап аи аш

для сплава АК5

на валках 333,45 7,375 42,25 1,775 -20,85 -15,6 19,3 -19,43

на матрице 236,29 -13,7 51,6 21,3 -5,5 1,9 1,1 -0,5

для сплава АК12

на валках 391,79 12,463 38,44 -13,71 -7,44 -9,26 16,81 -12,39

на матрице 259,85 -1,9 33,2 -32,3 5,8 -7,7 -0,8 -0,5

Уравнения (7) прошли проверку на адекватность экспериментальным данным с использованием критерия Фишера и могут быть рекомендованы для расчета энергосиловых параметров процесса СПП для сплавов АК5 и АК12 при проектировании технологий и устройств совмещенной прокатки-прессования силуминов

На третьем этапе исследований полученный после СПП пруток подвергали волочению по режиму с изменением диаметров 7 - 5,5 - 4 - 3 - 2,7 -2,4 - 2,2 - 2 (мм) без промежуточных отжигов и изготовили проволоку диаметром 2 мм. Для получения проволоки меньшего поперечного сечения (диаметром 1,4 мм) проводили отжиг по следующему режиму: температура нагрева Т=400°С, время выдержки 1,5 часа. На рисунке 9 приведены микроструктуры полученных полуфабрикатов, из которых видно, что структура мелкозернистая, а твердый раствор алюминия и эвтектика располагаются равномерно, при этом наблюдается ориентировка зерен вдоль оси деформации и отсутствуют дефекты.

а б в

Рис. 9. Микроструктуры полуфабрикатов из сплава АК12 (х1500): а - прессованный пруток (поперечное сечение) после СПП диаметром 7 мм, б - проволока (продольное сечение) после волочения диаметром 2 мм, в- проволока (продольное сечение) после отжига и волочения диаметром 1,4 мм

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что горячая обработка литой заготовки из ЭМК методом совмещенной прокатки-прессования и последующее волочение дало возможность получать проволоку с высоким уровнем механических свойств и мелкозернистой структурой, при реализации многократных деформаций без применения промежуточных отжигов.

В четвертой главе представлены новые технические решения по конструкции оборудования и инструмента и технологические решения по получению сварочной проволоки из силуминов на базе применения методов совмещенной обработки алюминиевых сплавов.

Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования металла, защищенная патентом РФ №67492, является базовым техническим решением для разработки новой технологии получения проволоки из силуминов. Она (рис. 10) включает печь-миксер, электромагнитный кристаллизатор, правильно-задающее устройство, деформирующий узел, устройство охлаждения и устройство намотки. Деформирующий узел состоит из валка с ручьем и валка с выступом, образующих рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица с клиновидными полостями для охлаждения, а далее расположен деформирующий блок для калибровки пресс-изделий.

В процессе работы расплавленный металл из печи-миксера 1 поступает в электромагнитный кристаллизатор 2 и через питатели 3 закристаллизовавшийся слиток с помощью правильно-задающего устройства 4 поступает в калибр, образованный валком с выступом 5 и валком с ручьем 6. Далее заготовка подвергается пластической деформации и экструдируется в виде пресс-изделия через матрицу 7, поджатую гидроцилиндром 9. Матрица охлаждается с помощью хладогента, поступающего в клиновидные полости 8, а заготовка сматывается в бухту на устройстве намотки 12, пройдя перед этим охлаждение в емкости узла охлаждения 10 и калибровочную обработку в блоках 11.

Для увеличения производительности установки в электромагнитном кристаллизаторе 2 с помощью питателей 3 может быть получено одновременно несколько заготовок по числу калибров на валках 5 и 6, при этом они экструдируются через матрицы 7, перекрывающие эти калибры, и обрабатываются далее с использованием необходимого количества гидроцилиндров 9, охлаждающих устройств 10, калибровочных блоков 11 и устройств для намотки 12.

Кроме того, предложены различные варианты устройств, обеспечивающих расширение технологических возможностей и повышение качества выпускаемой продукции. Например, для процессов, когда заготовка с требуемым для обработки уровнем пластических свойств не может быть получена с помощью кристаллизатора, предлагается использовать установку для непрерывного литья, прокатки и прессования (патент РФ № 73245) которая включает печь-миксер наклонного типа с регулятором подачи расплава в ка-

либр валков, валок с ручьем и валок с выступом, расположенные в станине, имеющие полости для охлаждения и образующие закрытый калибр, перекрытый на выходе матрицей с клиновидными полостями для охлаждения.

5

1 - печь-миксер, 2 - электромагнитный кристаллизатор, 3 - питатели, 4 - правильно-задающие устройства, 5 - валок с выступом, 6 - валок с ручьем, 7 - матрица, 8 - клиновидные полости, 9 - гидроцилиндры, 10 - узлы охлаждения, 11 - калибровочные блоки, 12 - моталки

Рис. 10. Общий вид установки литья, прокатки и прессования (а) и ее вид сверху (б)

С целью автоматизации процессов проектирования оснастки и оборудования для применяемых методов совмещенной обработки, а также технологических расчетов параметров процесса деформации, с использованием среды объектно-ориентированного программирования Delphi 7.0 создано программное обеспечение. Оно включает имитационные модели установок совмещенной обработки, модели аналитического определения реализуемости процесса СПП и расчета энергосиловых параметров, а также блоки проектирования прессового и валкового инструмента.

Технические решения и разработанное программное обеспечение внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный универси-

тет» и используются при обучении студентов специальности 150106 «Обработка металлов давлением».

На базе новых технических решений была разработана технология получения сварочной проволоки Св. АК12, которая состояла из следующих технологических переделов. На первом этапе при помощи ЭМК получали литую заготовку диаметром 15 мм с повышенными пластическими свойствами. Далее полученные заготовки нагревались до температуры 550 °С и подвергались СПП со скоростью деформации ^=0,74 с"1 и вытяжкой ц=7,3. На последнем этапе полученный пруток диаметром 7 мм подвергали холодной обработке методом волочения для получения проволоки диаметром 2 мм. Результаты механических испытаний на каждом из этапов технологической обработки представлены в табл. 3, при этом следует отметить, что пластические и прочностные свойства полученных литых заготовок значительно превышают требования ГОСТ Р 50511-93, что позволяет получить деформируемые полуфабрикаты заданных размеров.

На базе проведенных исследований были получены и переданы на ФГУП «НПО «Прикладная механика» (г. Железногорск) опытные партии сварочной проволоки Св. АК12, предназначенной для пайки волноводных трактов, применяемых в космической и авиационной технике. В результате испытаний было установлено, что проволока марки Св. АК12, полученная по предлагаемой технологии, соответствует требованиям ТУ 1-808-274-2003 и может быть использована в производстве, что подтверждено актом опытно-промышленной апробации и актом внедрения.

Таблица 3 - Механические свойства литой заготовки, прутка и

проволоки из сплавов АК5 и АК12

Марка сплава Вид изделия Механические свойства

<т„ МПа 6,%

АК5 литая заготовка диаметром 15,0 мм 270,0 15,0

пруток диаметром 7,0 мм 280,3 9,0

проволока диаметром 3,0 мм; 382,0 4,8

проволока диаметром 2,6 мм; 376,7 4,0

проволока диаметром 2,0 мм; 413,8 2,8

АК12 литая заготовка диаметром 15 мм 290,8 14,8

пруток диаметром 7,0 мм 201,1 20,2

проволока диаметром 3,0 мм; 402,2 4,0

проволока диаметром 2,5 мм; 425,1 3,0

проволока диаметром 2,0 мм; 445,7 1,5

Таким образом, в результате проведенных исследований была разработана и внедрена новая технология производства сварочной проволоки из силуминов на основе применения совмещенных методов обработки. Использование данной технологии позволило существенно снизить себестоимость производства продукции за счет минимизации количества операций и получить качественные деформированные изделия малого поперечного сечения

из малопластичных алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов).

В заключении представлены основные выводы и результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. С использованием результатов компьютерного моделирования формоизменения металла и теоретических методов исследований определены условия реализуемости и установлены закономерности изменения основных параметров асимметричного процесса СПП, при этом получены зависимости изменения нейтральных углов на валках разного диаметра от соотношения радиусов и дуг захвата валков, а также степени высотной деформации.

2. Решена одномерная краевая задача теплопроводности по определению температуры металла вдоль очага деформации с учетом разности диаметров валков и испарительного охлаждения рабочего инструмента (матрицы и валков), а также установлены закономерности ее изменения от параметров очага деформации для исследуемых сплавов АК5 и АК12, при этом результаты компьютерного моделирования подтверждают полученные закономерности.

3.Проведены экспериментальные исследования по реализации асимметричной прокатки-прессования с использованием литых заготовок из сплавов АК5 и АК12, изготовленных при помощи электромагнитного кристаллизатора, и получены опытные данные по технологическим и энергосиловым параметрам процесса.

4. Экспериментально установлены общие закономерности влияния температуры заготовки, вытяжки и скорости деформации на энергосиловые параметры асимметричного процесса СПП при деформировании силуминов.

5.Получены регрессионные формулы для определения усилий, действующих на матрицу и валки для исследуемых сплавов, и представлены графические зависимости этих параметров процесса от варьируемых факторов.

6.Поведены металлографические исследования структуры и определены механические свойства литых и деформированных полуфабрикатов из сплавов АК5 и АК12 на разных этапах совмещенной обработки.

7. Разработаны новые технические решения и технология производства сварочной проволоки из сплава АК12, а также программное обеспечение для ее сопровождения, внедренные в учебный процесс и производство.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Соколов, Р. Е. Подсистема САПР непрерывного прессования [Текст] /P.E. Соколов // Совершенствование технологии производства цветных металлов: Сборник материалов Всероссийской научно-технической конферен-

ции студентов, аспирантов и молодых ученых / Сост.: Сувейзда В. В.; ГУО ВПО «ГУЦМиЗ». - Красноярск, 2005. - с 123

2. Соколов, Р. Е. Исследование процесса совмещенной прокатки-прессования алюминиевых сплавов [Текст] /Р. Е. Соколов, Д. В. Кравцов // Совершенствование методов поиска и разведки технологий добычи и переработки полезных ископаемых: Сборник материалов Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Сост.: Сувейзда В. В.; ГУО ВПО «ГУЦМиЗ». - Красноярск, 2006. - с. 212-213.

3. Соколов, Р. Е. Проектирование технологии непрерывного прессования пресс-изделий малого сечения из силуминов [Текст] /Р. Е. Соколов, Ю. Г. Востоков, Д. С. Ворошилов // Совершенствование технологий производства цветных металлов: Сборник материалов Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Сост.: Сувейзда В. В.; ИЦМиЗ СФУ. - Красноярск, 2007. - с. 196-197.

4. Соколов, Р. Е. Разработка устройств и технологий совмещенной обработки труднодеформируемых сплавов алюминия [Текст] / Р. Е. Соколов, Е. С. Лопатина, Д. С. Ворошилов, П. О. Широков// Молодежь и наука: начало XXI века: Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 7 ч. Сост.: Сувейзда В.

B.; МИОЦ ВПО «СФУ». - Красноярск, 2008. - с. 159-161.

5. Соколов, Р. Е. Экспериментальные исследования совмещенных процессов получения прутков из различных алюминиевых сплавов [Текст] / Д. С. Ворошилов, Р. Е. Соколов, Р. И. Галиев, С. В. Туманов Молодежь и наука: начало XXI века: Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 7 ч. Сост.: Сувейзда В. В.; МИОЦ ВПО «СФУ». - Красноярск, 2008. -с. 161-164.

6. Соколов Р. Е. Разработка новой технологии комбинированной обработки силуминов [Текст] / С. Б. Сидельников, H.H. Довженко, Ю. А. Горбунов, Д. Ю. Горбунов, Е. С. Лопатина, Р. Е. Соколов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета. Выпуск 5(12). Красноярск, 2006, с. 233-235. (рецензируемое издание).

7. Соколов Р. Е. Проектирование инструмента и технологии для прессования полых профилей комбинированными методами обработки [Текст] /

C. Б. Сидельников, H. Н. Довженко, Р. Е. Соколов, А. С. Пещанский, С. А. Плетюхин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета. Выпуск 5 (12). Красноярск, 2006, с. 235-238. (рецензируемое издание).

8. Соколов Р. Е. Исследование возможности применения процесса совмещенной прокатки-прессования для получения деформированных изделий из силуминов [Текст] / С. Б. Сидельников, H. Н. Довженко, Р. Е. Соколов, Е. С. Лопатина, И. С. Гоголь, Р. И. Галиев, C.B. Беляев // Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота: Сборник материалов Международной НПК. - Красноярск, 2006, с.228 -230.

9. Соколов Р. Е. Моделирование тепловых условий процесса совмещенной прокатки-прессования [Текст] / Н. Н. Довженко, С. Б. Сидельников, И. Н. Довженко, С. В. Беляев, Р. Е. Соколов // Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота: Сборник материалов Международной НПК. - Красноярск, 2006, с. 227 - 228. Довженко Н. Н., Довженко И. Н., Беляев С. В., Соколов Р. Е.

10. Соколов Р. Е. Новые технологии и оборудование для обработки цветных металлов и сплавов [Текст] / Н. Н. Довженко, С. Б. Сидельников, В. Н. Тимофеев, И. Н. Довженко, М. В. Первухин, Р. Е. Соколов, Е. С. Лопатина // Моделирование и развитие процессов ОМД. Межрегиональный сб. науч. трудов. - Магнитогорск, ГОУ ВПО «МГТУ», 2007,- с.259 -262.

11. Соколов Р. Е. Современные технологии и устройства для обработки труднодеформируемых сплавов цветных металлов [Текст] / С. Б. Сидельников, Н. Н. Довженко, Р. Е. Соколов, И. Н. Довженко, С. В. Беляев, А. А. Катарева // Материалы и технологии XXI века. Сборник статей VI Международной научно-технической конференции.- Пенза, 2008. - с. 86 - 88.

12. Соколов, Р. Е. Разработка устройств и технологии для получения проволоки из труднодеформируемых алюминиевых сплавов с применением методов совмещенной обработки [Текст] / С. Б. Сидельников, Н. Н. Довженко, Р. Е. Соколов, С. В. Беляев, Е. С. Лопатина, Н. А. Барков, Д. С. Ворошилов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. - Магнитогорск, 2009. - №4 — С. 30 - 34. (рецензируемое издание).

13. Патент РФ № 67492. Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования [Текст] / Сидельников С. Б., Довженко Н. Н., Тимофеев В. Н., Соколов Р. Е., Первухин М. В., Беляев С. В., Пещанский А. С., Телегин А. В., Виноградов О. О. Опубл. 27.10.2007, Бюл. №30.

14. Патент РФ №68387. Устройство для непрерывного литья и прессования полых профилей [Текст] /Беляев С. В., Сидельников С. Б., Довженко Н. Н., Соколов Р. Е., Плетюхин А. С., Телегин А. В., Киселев А. Л. Опубл. 27.11.2007, Бюл. №33.

15. Патент РФ №2334574. Устройство для непрерывной прокатки и прессования профилей [Текст] / Сидельников С. Б., Беляев С. В., Довженко Н. Н., Соколов Р. Е., Пещанский А. С., Плетюхин С. А., Рудницкий Э. А. Опубл. 27.09.2008, Бюл. №27.

16. Патент РФ № 70828. Устройство для непрерывной прокатки и прессования профилей [Текст] / Беляев С. В., Довженко Н. Н., Сидельников С. Б., Довженко И. Н., Соколов Р. Е., Телегин А. В., Разумкин В. В., Пещанский А. С, Плетюхин С. А. Опубл. 20.02.2008, Бюл. №5.

17. Патент РФ №2335376. Устройство для непрерывнго литья, прокатки и прессования профилей [Текст] / Сидельников С. Б., Беляев С. В., Довженко Н. Н., Соколов Р. Е., Лопатина Е. С., Усков И. В., Столяров А. В., Виноградов О. О. Опубл. 10.10.2008, Бюл. №28.

18. Патент РФ №73245. Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования цветных металлов и сплавов [Текст] / Сидельников С. Б., Довженко Н. Н., Лопатина Е. С., Соколов Р. Е., Виноградов О. О., Пещанский А. С., Беляев С. В. Опубл. 20.05.2008, Бюл. №14.

Подписано в печать 06.09.2010. Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2279

Отпечатано в типографии БИК С ФУ 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Современное состояние производства алюминиевых полуфабрикатов в России

1.2. Общая характеристика свойств алюминиево-кремниевых сплавов

1.3. Способы обработки силуминов

1.4. Анализ теоретических и экспериментальных исследований комбинированных методов обработки алюминиевых сплавов 28 1.5 Анализ современных программных продуктов для моделирования и автоматизированного проектирования процессов прессования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ'ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ АСИММЕТРИЧНОГО ПРОЦЕССА

2.1. Моделирование процесса совмещенной прокатки-прессования в среде Deform 3D

2.1.1. Моделирование геометрических параметров очага деформации

2.1.2. Моделирование температурных условий процесса СПП

2.2. Исследование условий принципиальной реализуемости процесса

СПП на валках разного диаметра

2.2.1. Расчет реализуемости асимметричного процесса СПП на базе применения баланса мощностей

2.2.2. Определение реализуемости асимметричного процесса СПП путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и уравнения пластичности

2.3 Анализ тепловых условий процесса совмещенной прокатки-прессования

2.4. Выводы по главе

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ СИЛУМИНОВ

3.1. Планирование эксперимента

3.2. Описание методики проведения эксперимента и анализ результатов исследований

3.2.1. Описание установки электромагнитного литья

3.2.2. Методика проведения и результаты исследований на экспериментальной установке СПП

3.3. Получение зависимостей для расчета параметров процесса совмещенной обработки силуминов

3.4. Анализ структуры и свойств деформированных полуфабрикатов

3.5. Анализ результатов исследований

3.6 Выводы по главе

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Новые технические решения по конструкции оборудования и инструмента для совмещенной обработки алюминиевых сплавов

4.1.1. Установка для литья в электромагнитный кристаллизатор и последующей прокатки-прессования

4.1.2. Устройство для непрерывной прокатки и прессования

4.1.3. Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования с элементами охлаждения рабочего инструмента

4.1.4. Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования

4.2. Разработка новой технологии для получения сварочной проволоки из сплава АК

4.3. Разработка программного обеспечения для сопровождения технологии совмещенной обработки алюминиевых сплавов

4.4. Выводы

Алюминий и его сплавы, благодаря своим уникальным технико-эксплуатационным характеристикам, занимают большое место в современной промышленности [1]. Наличие таких свойств, как высокая электропроводность и коррозионная стойкость в сочетании с небольшим весом, привели к тому, что алюминий и его сплавы нашли широкое применение в машиностроении, электроэнергетике, транспорте, авиации и др. Особое место в структуре производства полуфабрикатов из алюминия и его сплавов занимает проволока, которая применяется для изготовления линий электропередач, электротранспортных тросов, кабелей, электродов, присадочных прутков и др. По данным различных источников в России, например, за 2005 г. производство проволоки различного назначения из алюминиевых сплавов составляло около 379 тыс. тонн, т.е. около 5% общего объёма алюминиевых полуфабрикатов. Аналогичная тенденция просматривается и в других индустриально развитых странах. Значительную долю рынка развитых стран занимает проволока из алюминия, которая находит применение в электротехнике в качестве проводов. Заготовки для волочения этой проволоки обычно изготавливают методами непрерывной разливки и последующей холодной прокатки непрерывно-литой заготовки. По оценкам различных источников общий объем неудовлетворенного платежеспособного спроса на такую проволоку в России составляет сегодня около 8 тыс. тонн в год.

Для внутренних сетей зданий за рубежом применяется проволока из сплавов серии 8ХХХ. Годовая потребность этой проволоки в отечественном жилищном строительстве прогнозируется на уровне 3 тыс. тонн в год.

Основными потребителями сварочной и заклепочной проволоки являются предприятия аэрокосмической отрасли (производство самолетов, вертолетов, ракетно-космическая промышленность), оборонной промышленности, а также транспортного машиностроения, главным образам судостроительной отрасли и вагоностроения.

5 \

В последнее время возникла потребность в сварочной проволоке из'' алюминиево-кремниевых сплавов АК12 и АК5. В технической литературе не имеется информации о производстве прессованных полуфабрикатов на территории России для изготовления сварочной проволоки из сплавов АК12 и АК5. Первые исследования по разработке технологии её изготовления, закончившиеся выпуском опытных партий, проведены в 2002 году на ОАО «Красноярский металлургический завод» с помощью многоступенчатой технологической цепочки, включающей полунепрерывное литьё слитков с поэтапным модифицированием, дискретное прессование заготовки на гидропрессовых установках и последующее волочение до заданного размера. Объем рынка на такую проволоку в 2008 - 2010 годах ожидается на уровне 50 тонн'в год, с перспективой дальнейшего роста.

Исследованиям в области совмещенных процессов на базе применения операций литья, прокатки, прессования и автоматизации их проектирования были посвящены научные работы многих отечественных и зарубежных ученых [2-14].

Значительный вклад в теорию и практику этих процессов внесли такие выдающиеся 'ученые как Б. Авитцур, В. JL Бережной, М. С. Гильденгорн, Г. С. Гун, М. 3. Ерманок, В. В. Жолобов, А. В. Зиновьев, И. JI. Перлин, В.Н. Перетятько, JI. X. Райтбарг, А. И. Целиков, В. Н. Щерба, В.Г Шеркунов и другие.

Исследованиям в области производства проволоки и прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов посвящены работы многих ученых. Сюда можно отнести исследования в области материаловедческих основ получения гранулируемых алюминиевых сплавов, применяемых для сварных и паяных конструкций [15], исследования в области применения заэвтектических силуминов для нужд нефтегазового комплекса [16], разработки в области технологии производства полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов [17, 18].

В предметной области исследований следует отметить работы Ф.С. Гилевича, B.Hi Корнилова, Н.Н. Довженко; С. Б. Сидельникова, В.М. Сергеева, Ю.В. Горохова, Р.И. Галиева, А.А. Катаревой, Е.С. Лопатиной, И.Н. Довженко, которые посвящены изучению совмещенных и комбинированных методов обработки цветных металлов и сплавов [19-28].

Исследованиям в области асимметричной прокатки посвящены работы таких ученых как В.М. Салганик и A.M. Песин [29].

Однако проведенные ранее исследования были направлены на изучение методов непрерывного прессования применительно к мягким сплавам алюминия, которые легко деформируются и имеют достаточную технологичность. Алюминиево-кремниевые сплавы в основном используются в-качестве литейных и их область применения для производства деформированных полуфабрикатов крайне незначительна.

В связи с вышеизложенным, целью данной работы является разработка комплекса технических и технологических решений для создания новой технологии производства сварочной проволоки из силуминов на основе применения методов совмещенной обработки.

Для достижения этой цели предусматривалось решение следующих задач:

- моделирование и исследование формоизменения металла и температурно-скоростных условий при асимметричном процессе прокатки-прессования;

- изучение геометрического очага деформации и экспериментальные исследования технологических и энергосиловых параметров процесса получения прутков из сплавов АК5 и АК12 на установке СПП 200;

- проведение исследований структуры и свойств полуфабрикатов из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, полученных совмещенными методами обработки;

- разработка комплекса новых технических решений- и технологии производства сварочной проволоки из сплава АК12;

- создание программного обеспечения для сопровождения технологии совмещенной обработки металла и проектирования валкового и прессового инструмента.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе изложен обзор свойств различных алюминиево-кремниевых сплавов и схем производства полуфабрикатов из них. Проведен анализ теоретических и экспериментальных исследований различных авторов, работы которых посвящены изучаемым вопросам. Рассмотрены основные системы автоматизированного проектирования (САПР), применяющиеся в прессовом производстве, их преимущества и недостатки. Вторая глава посвящена моделированию и теоретическим исследованиям совмещенной прокатки-прессования (далее СПП), в частности разработке методик расчета энергосиловых и температурных параметров асимметричного варианта процесса СПП. В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований, описаны методики и оборудование, применяемые в них. Четвертая глава содержит описание новых технических и технологических решений, в качестве которых предложены новые конструкции устройств для реализации совмещенных процессов обработки алюминиевых сплавов и прессовый, инструмент.

4.4. Выводы

В результате промышленного внедрения технологии производства сварочной проволоки из силуминов, созданной на базе совмещенных методов обработки металлов, можно сделать следующие выводы:

- предложена принципиальная схема для производства пресс-изделий небольшого поперечного сечения из силуминов, базовыми элементами которой являются установка совмещенной прокатки-прессования и установка электромагнитного литья;

- разработан ряд технических решений по конструкции узлов модульного оборудования и инструмента для производства длинномерных пресс-изделий из алюминиевых сплавов; разработана технологическая схема получения сварочной проволоки путем использования трех технологических переделов (литье в ЭМК, прессование методом СПП, волочение) из сплавов АК5 и АК12 и внедрена в производство опытная партия сварочной проволоки Св. АК12;

- проведенные в промышленных условиях исследования позволили утверждать, что предложенные технологические режимы обеспечивают при заданных температурно-скоростных и деформационных параметрах процесса регламентированную структуру и свойства сварочной проволоки в соответствии с ТУ 1-808-274-2003;

- создано программное обеспечение для автоматизированного проектирования технологии и инструмента совмещенной обработки силуминов, используемое в учебном процессе (Приложение В).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дальнейшее развитие производства длинномерных изделий малого поперечного сечения из алюминиево-кремниевых сплавов, характеризующегося высокой энерго- и трудоемкостью, а следовательно, и себестоимостью, требует разработки принципиально новых энергосберегающих технологий и создания оборудования для их реализации на базе применения совмещенных методов. При этом наилучшие пластические и прочностные характеристики деформированных полуфабрикатов из силуминов можно получить за счет использования методов литья заготовок в электромагнитный кристаллизатор и последующей их обработки при помощи совмещенной прокатки и прессования.

Однако внедрение таких технологий для непрерывной обработки алюминиево-кремниевых сплавов в настоящее время сдерживается из-за отсутствия комплексных экспериментальных и теоретических исследований, результаты которых дают возможность определить проектные параметры оборудования и предложить технологические режимы обработки для получения необходимого уровня механических свойств пресс-изделий.

В связи с этим с помощью программного комплекса DEFORM 3D проведено моделирование формоизменения металла и температурно-скоростных условий при асимметричном процессе прокатки-прессования, что дало возможность определить начальные параметры и сформулировать граничные условия для постановки и решения аналитических задач.

В результате теоретических исследований с применением метода баланса мощностей определены проектные параметры установки и температурно-скоростные условия обработки при проведении экспериментов, позволяющие создать наиболее благоприятные условия для осуществления процесса асимметричной совмещенной прокатки-прессования алюминиево-кремниевых сплавов. Выявлено, что реализация процесса СПП для алюминиевокремниевых сплавов возможна при \,2<R\!R2<\,5 для относительного обжатия S/,=40 % и при 1,2 </?i/ R2 <1,8 для ба=60 %.

С использованием результатов моделирования, а также метода совместного решения системы дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности, установлены закономерности изменения основных параметров асимметричного процесса СПП и получены зависимости изменения нейтральных углов на валках разного диаметра от соотношения радиусов и дуг захвата валков, а также степени высотной деформации. В результате решения также получены массивы данных расчетных параметров во всем диапазоне варьируемых факторов.

Решена одномерная краевая задача теплопроводности по определению температуры металла вдоль очага деформации с учетом разности диаметров валков и испарительного охлаждения рабочего инструмента (матрицы и валков) и установлены закономерности ее изменения от параметров очага деформации для исследуемых сплавов AIC5 и AIC12, при этом результаты компьютерного моделирования подтверждают полученные зависимости. Анализ температурных условий, характерных для асимметричной схемы СПП, позволил выявить оптимальный интервал температур подогрева инструмента (до 150°С) и охлаждения матрицы (на 20-50°С), при котором процесс деформации будет иметь устойчивый характер. При несоблюдении этих условий пресс-изделие будет иметь критическую выходную температуру, что может привести к снижению качества продукции вплоть до появления брака (температурных трещин).

Проведены экспериментальные исследования по реализации асимметричной прокатки-прессования с использованием литых заготовок из сплавов АК5 и АК12, изготовленных при помощи электромагнитного кристаллизатора. Получен комплекс экспериментальных данных по усилиям, действующим на матрицу и на валки в процессе деформации металла, при этом каждый из значимых факторов процесса варьировался в реальном диапазоне значений: температура изменялась от 480 до 550 °С, скорость деформации от 0,74 до 1,49 с"1, вытяжка от 4,4 до 14,3.

Экспериментально установлены общие закономерности влияния температуры заготовки, вытяжки и скорости деформации на энергосиловые параметры асимметричного процесса СПП при деформировании силуминов. В результате анализа экспериментальных данных были сделаны выводы, что с увеличением температуры заготовки снижаются усилия на матрицу и валки; увеличение степени деформации при прессовании ведет к росту энергосиловых параметров процесса СПП; а увеличение скорости деформации металла ведет к снижению усилия на валках и на матрице.

С использованием экспериментальных данных получены регрессионные формулы для определения усилий, действующих на матрицу и валки для исследуемых сплавов, и представлены графические зависимости этих параметров процесса от варьируемых факторов.

Проведены металлографические исследования структуры и определены механические свойства литых и деформированных полуфабрикатов из сплавов АК5 и АК12 на разных этапах совмещенной обработки, при этом отмечен высокий уровень их пластических и прочностных характеристик.

На основе полученных результатов проведенных исследований разработаны новые технические решения и технология производства сварочной проволоки из сплавов АК5 и АК12.

Разработано программное обеспечение для сопровождения процесса проектирования инструмента и технологии совмещенной обработки.

На базе проведенных исследований были получены и переданы на ФГУП «НПО «Прикладная механика» (г. Железногорск) опытные партии сварочной проволоки Св. АК12, предназначенной для пайки волноводных трактов, применяемых в космической и авиационной технике. В результате испытаний было установлено, что проволока марки Св. АК12, полученная по предлагаемой технологии, соответствует требованиям ТУ 1-808-274-2003 и может быть использована в производстве, что подтверждено актом опытно-промышленной апробации и актом внедрения (Приложение А - В).

Таким образом, в результате проведенных исследований была разработана и внедрена новая технология производства сварочной проволоки из силуминов на основе применения совмещенных методов обработки, использование которой позволило существенно снизить себестоимость производства продукции за счет минимизации количества операций и получить качественные деформированные изделия малого поперечного сечения из алюминиево-кремниевых сплавов с высоким уровнем механических свойств.

1. Федоров М. Алюминий и алюминиевые полуфабрикаты на внутреннем рынке/ Металлоснабжение и сбыт, июнь 2002, с.86-91.

2. Avitzur, В.- Extrolling: Combining Extrusion and Rolling Text. / Wire journal, 1975, Juli, p. 73-80.

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

4. Гильденгорн, М.С. Непрерывное прессование труб, профилей и проволоки способом Конформ Текст. / М.С. Гильденгорн, В'. В. Селиванов // Технология легких сплавов. 1987. - № 4. - С. 67-83.

5. Гун, Г.С. Оптимизация процессов технологического и эксплуатационного деформирования изделий с покрытиями. /Г.С. Гун и др. //Монография: Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2006, 323 с.

6. Ерманок, М. 3. Прессование профилей из алюминиевых сплавов Текст. / М. 3. Ерманок, В. И. Фейгин, Н. А. Сухоруков. М: Металлургия, 1977. -264 с.

7. Жолобов, В. В. Прессование металлов Текст. / В. В. Жолобов, Г И. Зверев. М: Металлургия, 1971.-456 с.

8. Зиновьев, А.В. Технология обработки давлением цветных металлов и сплавов Текст. /А.В. Зиновьев, А.И. Колпашников. М.: Металлургия, 1992.

9. Сергеев, В.М. Расчет оптимальной геометрии инструмента при непрерывном прессовании металла Текст. / В.М. Сергеев, В.Г, Шеркунов, Ю.В. Горохов, Ф.С. Гилевич, Н.Н. Довженко // Металлы. Изв. академии наук

10. СССР. 1990. - № 4. -С. 183 - 187.

11. Перлин, И.Л. Теория прессования металлов Текст. / И.JI. Перлин, JI.X. Райтбарг. М.: Металлургия, 1975.

12. Райтбарг, JI.X. Производство прессованных профилей Текст. / JI.X. Райтбарг.- М.: Металлургия, 1984

13. Щерба, В. Н. Технология прессования металлов Текст. / В. Н. Щерба, JI X. Райтбарг. М.: Металлургия, 1995. - 336 с.

14. Целиков, А.И. Теория продольной прокатки Текст. / А.И. Целиков, Г.С. Никитин, СЕ. Рокотян. М.: Металлургия, 1980. - 320 с.

15. Конкевич В.Ю. Разработка материаловедческих основ получения гранулируемых алюминиевых сплавов, применяемых для сварных и паяных конструкций // Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. докт. тех. наук. М.: МАТИ, 1998.

16. Эскин Г.И., Пименов Ю.П. Коррозионно-стойкие свариваемые заэвтек-тические силумины для нефтегазового комплекса Текст. // «Технология легких сплавов» №6, 1997 г. с. 27 - 32.

17. Маресев, М.И., Шварц В.И. Применение металлургии гранул при разработке сплавов для основных несущих деталей транспортных двигателей Текст.: Легкие и жаропрочные сплавы и их обработка. М.: Наука, 1986, с. 62-72.

18. Шмаков Ю.В. Исследование закономерностей и разработка научных основ технологии производства полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов для изделий ответственного назначения.// Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. докт. тех. наук. Москва, 1997.

19. Корнилов, В.Н. Непрерывное прессование со сваркой алюминиевых сплавов Текст. / В.Н. Корнилов. Красноярск: Изд-во педагогического института, 1993.-216 с.

20. Сергеев, В.М. Непрерывное литье-прессование цветных металлов /В.М. Сергеев, Ю.В. Горохов, В.В. Соболев, Н.А. Нестеров // М.: Металлургия, 1990. 85 с.

21. Сидельников, С.Б. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов: монография. Текст. / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, Н.Н. Загиров // М.:МАКС Пресс, 2005.- 344 с.

22. Гилевич, Ф.С. Получение проволоки, прутков и труб из алюминиевых сплавов совмещенным методом литья и непрерывного прессования Текст. / Ф.С. Гилевич, Н.Н. Довженко, С.Б. Сидельников // Технология легких сплавов. 1990. - № 11. - С.54-56.

23. Горохов, Ю.В. Силовые параметры непрерывного прессования металла способом Конформ Текст. / Ю.В. Горохов, В.М. Сергеев, Ф.С. Гилевич, В.Н. Корнилов // Цветные металлы. 1987. - №7. - С.73-75.

24. Сварка алюминия и его сплавов Электронный ресурс. / ООО «Ме-таллИмпорт» 2006. - Режим доступа http://www.silumin.ru/infstsal.

25. Сварочные материалы компании ESAB Электронный ресурс. / ООО «Унипрофит» 2005. - Режим доступа http://www.uniprofit.ru/up.nsf/catll/ weldingESAB

26. Золоторевский, В. С. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. Текст. /B.C. Золотаревский, Н.А. Белов // М.: МИСиС, 2005. 367с.

27. Белов Н. А., Курдюмова Т. А. Диаграмма состояния Al-Si-Fe-Be и возможности нейтрализации Fe-фаз в силуминах // Изв. АН СССР. Металлы, 1989, №2.-С. 210-215.

28. Золоторевский B.C., Белов Н. А., Курдюмова Т.А. Оптимизация структуры вторичных силуминов с целью повышения их пластичности и вязкости разрушения // Изв. вузов. Цветная металлургия, 1989, №1. с. 76-88.

29. Murali, S., Roman, К. S. Murihy. К. S. S.// Proc. ICAAS, Grenoble, July, 1996 / Mater. Sci. Forum. V 217-222. Zueruch: Transtec Publication, Part 1. -P.207 -212.

30. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ, изд. / Алиева С. Г., Альтман М. Б. и др. М: Металлургия, 1984. - 528с.

31. Белов Н. А., Золоторевский А. С. Оптимизация состава малокремнистых силуминов для повышения механических свойств в литом состоянии // Изв. вузов. Цветная металлургия, 2001, №5. С. 67-76.

32. Колобнев, И. Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов Текст. / И.Ф. Колобнев // М.: Металлургия, 1973. 320 с.

33. Алюминий: свойства и физическое металловедение: Справ. Изд. Пер. с англ. /Под ред. Хетча Дж. Е,- Металлургия, 1989, 422 с.

34. Строганов, Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием Текст. /Г.Б. Строганов, В.А. Ротенберг, Г.Б. Гершман // М.: Металлургия, 1977, 272 с.

35. Патент РФ № 48836. Устройство для непрерывного литья слитков в электромагнитном поле / М.В. Первухин, В.Н. Тимофеев, P.M. Христинич и др. Опубл. 10.11.2005. Бюл. №31.

36. Норенков, И.П. Основы автоматизированного проектирования Текст. /И.П. Норенков // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. 336.

37. Крючков, А.В. Новая технология автоматизированного решения инженерных задач Текст. / А.В. Крючков //Компьютер пресс. 1997.№10. с. 234329.

38. Гореткина, Е.М. САПР вчера и сегодня Текст. / Е.М. Гореткина // PC Week/ Russian Edition №2, 2003 [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.pcweek.ru/Year2003 /N2/CP1251 /Sapr/

39. DEFORM программный комплекс для моделирования процессов обработки металлов давлением / Харламов А., Уваров А. // САПР и графика. — 2003. —№ 6: Инструменты конструктора-технолога. — С. 34-36.

40. Engineering Simulation for the 21st Century Электронный ресурс. / AN

41. SYS 2005/ Режим доступа www.ansys.com.

42. AVI Галерея результатов конечно-элементных исследований Лаборатории «Вычислительная механика» Электронный ресурс. / CompMechLab. -2006. Режим доступа http:// www.fea.ru/modules.php?name=AVIGallery&cat= 0&pagenum=4

43. Довженко, Н.Н. Система автоматизированного проектирования технологии прессования металлов Текст. Научное методическое обеспечение /Н.Н. Довженко, С. Б. Сидельников, Г.И. Васина, 2000. 196 с.

44. Патент РФ № 2335376. Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования профилей Текст. /Беляев С.В., Довженко Н.Н., Сидельников С.Б., Соколов Р.Е., Лопатина Е.С., Усков И.В., Столяров А.В., Виноградов О.О. Опубл. 10.10.2008, Бюл. №28.

45. Патент № 68387 РФ. Устройство для непрерывного литья и прессования полых профилей Текст. /Беляев С.В., Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Соколов Р.Е., Плетюхин А.С., Телегин А.В., Киселев А.Л. Опубл. 27.11.2007, Бюл. №33.

46. Патент №67492 РФ. Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования металла Текст. / Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Тимофеев В.Н., Соколов Р.Е., Первухин М.В., Пещанский А.С., Телегин А.В., Виноградов О.О. Опубл. 27.10.2007, Бюл. №30.

47. Организация эксперимента: метод, указания к практическим занятиям и курсовой работе для студентов специальности «Обработка металлов давлением» /Белокопытов В. И., Дранишников С. В., Н. Н. Довженко; ГАЦМиЗ -Красноярск 2002 48 с.

48. Довженко, Н.Н. Практикум по организации эксперимента в обработке металлов давлением: Учеб. пособие. / Н.Н. Довженко, С.И. Осипова // КИЦМ, Красноярск, 1998. 104 с.

49. Довженко, Н.Н. Система автоматизированного проектирования технологии прессования INPRESS. Информационный листокТекст. / Н.Н. Довженко, С.Б. Сидельников, Г.И. Васина. - Красноярский ЦНТИ, № 96-98. Серия Р. 50.51, 1998. -2 с.

50. Гилевич Ф.С., Сидельников С.Б. Теория и технология прокатки. Задачи, алгоритмы, программы, решения: Учеб. пособие / ГАЦМиЗ. Красноярск, 1996.-40 с.

51. Разработка новых технологий комбинированной обработки силуминов.

52. Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, выпуск 5 (12) под. ред. Г.П. Белякова. -Красноярск: СибГАУ, 2006 -с. 233-235. ISSN 1816-9724.

53. Патент № 70828 РФ. Устройство для непрерывной прокатки и прессования профилей Текст. / Беляев С.В., Довженко Н.Н., Сидельников С.Б., Соколов Р.Е., Телегин А.В., Разумкин В.В., Пещанский А.С., Плетюхин А.С. Опубл. 27.02.2008, Бюл. № 5.

54. Патент №73245 РФ. Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования цветных металлов и сплавов Текст. / Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Лопатина Е.С., Соколов Р.Е., Виноградов О.О. Пещанский А.С., Беляев С.В. Опубл. 20.05.2008, Бюл. №14.

55. Патент РФ № 2334588. Способ получения заготовок из алюминиево-кремниевых сплавов Текст. /Горбунов Д.Ю., Горбунов Ю.А., Сырямкина Е.Ю., Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Соколов Р.Е., Лопатина Е.С. Опубл. 27.09.2008, Бюл. №27.

56. Рудской А. И., Лунев В. А. Теория и технология прокатного производства: Учеб. пособие. СПб.: Наука, 2008. - 527 с.

57. Полухин, П.И. Сопротивление пластической деформации металлов исплавов. Справочник. / П.И. Полухин, Г.Я. Гун, A.M. Галкин // М.: Металлургия, 1983.

58. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел: Учеб. пособие. / Карташов Э.М. // М. Высшая школа, 2001. -550 с.

59. Лыков, А.В. Теория теплопроводности. / А.В. Лыков // М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

60. Загиров, Н.Н. Применение схемы совмещенной прокатки-прессования для получения лигатурного прутка круглого сечения Текст. / Н.Н. Загиров,

61. A.И. Гришечкин, С.Б. Сидельников, B.C. Биронт, А.П. Климко // Механика деформируемых сред в технологических процессах: Межвузовский сб. научи. тр. Иркутск: ИрГТУ, 2000. - С. 33-38.

62. B.В. Стацуры; ГАЦМиЗ, Красноярск: 2000. Вып.6. - С. 249-251.

63. Довженко, Н.Н. Проектирование инструмента для полунепрерывного прессования алюминиевых сплавов Текст. / Н.Н. Довженко, С.Б. Сидельников, В.Н. Алферов // Обработка металлов давлением. УПИ. Свердловск, 1990. - С.117-122.

64. Гавритенко В.В., Говорин Д.В., Сидельников С.Б. и др. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ INPRESS №2001610426. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17 апреля 2001 г.

65. Сидельников, С.Б. Перспективные технологии и устройства для получения труб методом совмещенной прокатки-прессования Текст. / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, В.А. Шилов, А.В. Ешкин, Н.Н. Загиров, И.Е.

66. Никонова. // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: Межгосударственная научно-техническая конференция. Магнитогорск, МГМА. 1996. - 208 с.

67. Сидельников, С.Б. Установка для непрерывного литья и прессования металла. Информационный листок Текст. / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, А.В. Ешкин. - Красноярский ЦНТИ. - № 95-98. Серия Р. 55.35.35, 1998.-2 с.

68. Сидельников, С.Б. Применение совмещенных методов прокатки-прессования для получения пресс-изделий из алюминиевых сплавов Текст. / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, С.Ф. Ворошилов // Технология легких сплавов. 1999. - № 1-2. - С. 131 - 136.

69. Сидельников, С.Б. Проектирование и освоение опытно-промышленной установки совмещенной прокатки-прессования Текст. / С.Б. Сидельников,

70. А.И. Гришечкин, Н.Н. Довженко // Технология легких сплавов. 2002. - № 56.-С. 41 -44.

71. А.с. 1692739 СССР МПК5 В 21 С 23/08. Устройство для получения проволоки и профилей Текст. / С.Б. Сидельников, В.Н. Корнилов, Н.Н. Довженко, опубл. 1991, № 43.

72. Патент №1785459 Российская Федерация, МПК5 В 21 С 25/00, 23/00. Устройство для непрерывного прессования металла Текст. / Н.Н. Довженко, С.Б. Сидельников, Н.Н. Загиров, опубл. 1992, № 48.

73. А.с. 1667979 СССР, МПК5 В 21 С 25/08, 25/00. Инструмент для прессования изделий из алюминиевых сплавов Текст. / В.Н. Корнилов, С.Б. Сидельников, В.Н. Алферов, опубл. 1991, Бюл. № 29.

74. Патент №2100113 Российская Федерация, МПК6 В 21 С 23/08. Устройство для непрерывного прессования труб Текст. / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, А.В. Ешкин, Ф.С. Гилевич, опубл. 1997, Бюл. №36.

75. Патент №1801040 Российская Федерация, МПК5 В 21 С 23/08. Устройство для непрерывного прямого выдавливания Текст. / Н.Н. Довженко, В.Н. Алферов, С.Б. Сидельников, С.Ф. Ворошилов, опубл. 1993, Бюл. № 9.

76. Сидельников, С.Б. Разработка новой технологии комбинированной обработки силуминов Текст. / С. Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, Ю. А.

77. Горбунов, Д. Ю. Горбунов, Е. С. Лопатина, Р. Е. Соколов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета. Выпуск 5(12). Красноярск, 2006, с. 233-235.

78. Патент РФ №2334574. Устройство для непрерывной прокатки и прессования профилей Текст. / Сидельников С. Б., Беляев С. В., Довженко Н. Н., Соколов Р. Е., Пещанский А. С., Плетюхин С. А., Рудницкий Э. А. Опубл. 27.09.2008, Бюл. №27.

79. Заместитель генерального директора-главнын инжен§|^-о^единенпя1. Шевердовактопытно-промышленной апробацшi

80. В Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет цветных металлов и золота» изготовлена опытная партия сварочной лроволоки Св. АК 12 ТУ 1-808-274-2003 диаметром 2,0 мм, весом 0,47 кг.

81. Слитки сплава AIC L2 изготовлены в Красноярском государственном техническом университете и по химическому составу соответствуют ТУ 1808-274-2003.

82. Отработана технология отливки заготовок, совмещенной прокатки-прессования (СПП) и волочения проволоки СВ. АК 12 с получением практически любых, требуемых заказчиком типоразмеров (в сечениях) изделий.

83. Исполнителем» передана «Заказчику» 1-ШО прикладной механики имени академика М.Ф. Решетнева (г. Железногорск) проволока Св. АК 12 для опробования в качестве припоя при пайке волноводных трапов из алюминиевых сплавов.1. ИСПОЛНИТЕЛЬ:1. ЗАКАЗЧИК:

84. Заведующий кафедрой ОМД ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ»

85. Начальник сектора отдела 8181. НПОГТМ1. С.Б.Сидельннков1. А.Н. Липин28» ноября 2005 г.28» ноября 2005 г.16

86. УТВЕРЖДАЮ: Peicrop ФГОУ НПО1. СЩСyipcK'uji федеральный ггет»pi"d s £/*■•> v-v>H *■л"11. E.A. Вагановm^SJS'2009 r.внедрения в учебный процесс

87. Директор института цветных металлов и материаловедения

88. Декан технологического факультета Зав. кафедрой ОТЧIД

89. В.М. Денисов И. А. Барков Н.Н.Загиров1. УТВЕРЖДАЮ:1. УТВЕРЖДАЮ:1. Г" " 1нЗ*

90. Заместитель гепералышю директора-ДП Mill I-----у>> В.В. Кравцовf5f» июля 2006 !.1. АКТ ВНСДРПНИЯ

91. Заведующий кафедрой ОМД Начальник сект ора отдела К! 81. ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ»о Н.Н.Загиров21» июля 2006 г.1. ФГУГ1 <<НПО riMv--А.Н. Липпчиюля 2006 г.