Критерии устойчивости совмещенного технологического процесса получения металлоизделий

УДК 669.18.046:621.74.047

критерии устойчивости СОВМЕЩЕННОГО Технологического процесса получения металлоизделий [1]

, ,

г. Комсомольск-на-Амуре, Российская федерация;

г. Екатеринбург, Российская федерация

Технологический процесс получения металлоизделий на установке горизонтального литья и деформации металла (УГЛДМ) относится к совмещенным технологическим процессам, то есть процессам, совмещающим в едином технологическом потоке или в едином устройстве несколько традиционных технологий. УГЛДМ является компактным устройством, в котором одновременно совмещены три технологических процесса: непрерывное литье, жидкая штамповка и горячая объемная штамповка.

Технологический процесс условно можно представить в виде совокупности традиционных технологических процессов которые одновременно протекают в различный областях кристаллизатора. В области I протекают процессы характерные для технологии непрерывного литья, в области II – процессы характерные для жидкой штамповки или тиксоштамповки (деформация металла в твердожидком состоянии) и в области III – процессы характерные для горячей или холодной обработки металлов давлением (деформация металла при заданной температуре в твердом состоянии). Исходя из принятых допущений, технологические параметры совмещенного процесса должны отвечать требованиям, предъявляемым к каждому из процессов в отдельности. Для каждого из протекающих в кристаллизаторе УГЛДМ процесса, одним из основных параметров является температура в центральной части каждой из областей, которая характеризует требуемые для каждого из процессов технологические и реологические свойства обрабатываемого материала заготовки. Эти температуры выражали через температуры характерных точек диаграмм состояния заливаемого в кристаллизатор УГЛДМ сплава (материала металлоизделия). Интервалы данных температур удобно представить в виде неравенств.

Для области I:

, (1)

где – температура солидуса, °С; - температура ликвидуса, °С; - величина перегрева заливаемого сплава над температурой ликвидуса, °С.

При выполнении этого условия обеспечивается заполняемость кристаллизатора расплавом (условие жидкотекучести расплава и непрерывности процесса).

Для области II:

, (2)

где – максимальная технологическая температура, при которой исследуемый сплав деформируют в горячем состоянии при обработке металлов давлением, °С.

При выполнении этого условия обеспечивается деформирование заливаемого металла при наименьших нагрузках на приводные валы стенок кристаллизатора.

Для области III:

, (3)

где – минимальная технологическая температура, при которой исследуемый сплав деформируют в горячем состоянии при обработке металлов давлением, °С.

При выполнении этого условия обеспечивается деформирование заливаемого металла в калибровочной области кристаллизатора с гарантированным получением соответствующего профиля поперечного сечения металлоизделия при наименьших нагрузках на приводные валы стенок кристаллизатора.

Условия (1-3) определяют температурный критерий устойчивости технологического процесса получения металлоизделий на УГЛДМ.

Следующая группа технологических критериев связана с надежностью УГЛДМ и качеством получаемых металлоизделий. Их удобно записать через ограничения, накладываемые на параметры напряженно-деформированного состояния в системе «инструмент (составные части кристаллизатора) – формирующееся металлоизделие».

Поскольку максимальные напряжения и деформации в рассматриваемой системе развиваются в калибрующей области кристаллизатора (область III) и учитывая, что касательные напряжения значительно меньше нормальных напряжений для каждого из рассматриваемых сечений формирующегося в этой области металлоизделия, то условие для калибрующей области можно записать в следующем виде:

, i=1,2,3, (4)

где - максимальные нормальные напряжения в направлении осей x1, x2 и x3, возникающие в металлоизделии при его обжатии в калибрующей области кристаллизатора, МПа; - предел прочности материала металлоизделия на сжатие (растяжение) при соответствующей температуре калибрующей области кристаллизатора, МПа; - предел текучести материала металлоизделия на сжатие (растяжение) при соответствующей температуре калибрующей области кристаллизатора, МПа

Условие для степеней деформаций:

, (5)

где - максимальная степень деформации (%), возникающая в металлоизделии при его обжатии в калибрующей области кристаллизатора, - величина эксцентриситета привода верхней и нижней стенок кристаллизатора УГЛДМ, - угол между плоскостью калибрующего участка и плоскостью наклонного участка боковой стенки кристаллизатора УГЛДМ; - критическая степень деформации материала металлоизделия на сжатие (растяжение, сдвиг) при заданной температуре калибрующей области кристаллизатора и соответствующая первому максимуму на кривой рекристаллизации материала, %; - критическая степень деформации материала металлоизделия на сжатие (растяжение, сдвиг) при заданной температуре калибрующей области кристаллизатора и соответствующая второму максимуму на кривой рекристаллизации материала [11, 12] , %.

Условия (4-5) описывают предельное состояние материала металлоизделия в калибрующей области и определяют критерий ограничения номенклатуры материалов для получения металлоизделия.

Одним из основных показателей качества получаемых металлоизделий является их размерно-геометрическая точность. Технологический критерий, с помощью которого можно оценить размерно-геометрическую точность (критерий качества) удобно записать через величину перемещения инструмента в калибрующей области кристаллизатора УГЛДМ.

где , - максимальное значение перемещения в направлении соответствующей координаты, возникающее в инструменте при обжатии металлоизделия в калибрующей области кристаллизатора, мкм; - максимальное значение величины допуска по ширине металлоизделия для соответствующего квалитета точности, мкм; - максимальное значение величины допуска по высоте металлоизделия для соответствующего квалитета точности, мкм; - максимальное значение перемещения в направлении соответствующей координаты, возникающее в системе «подшипник – эксцентрик - приводной вал» при обжатии металлоизделия в калибрующей области кристаллизатора, мкм.

Предложенная группа технологических критериев описывают ограничения, накладываемые на совмещенный процесс получения металлоизделий на УГЛДМ. Кроме того, эти ограничения лежат в основе постановки задач оптимизации процесса по выбору материалов для изготовления составных частей кристаллизатора, а также материалов и геометрических размеров приводных эксцентриковых валов и рабочей клети УГЛДМ.

[1] Работа выполнена в рамках интеграционного проекта институтов ИМиМ ДВО РАН (12-II-УО-03-005) и ИМАШ УрО РАН (12-С-1-1016)