Численный анализ сортовой прокатки алюминиевого сплава 5754 на стане радиально-сдвиговой прокатки

Радиально-сдвиговая прокатка является частным случаем стационарной наклонной прокатки в большом диапазоне углов скоса (16–18° и более) в валках со специальной калибровкой для деформируемого материала и с регулярным поперечным сечением [1]. Наиболее интенсивные сдвиговые деформации находятся в зоне поверхности деформируемого материала, а в очаге деформации создаются оптимальные условия, способствующие формированию ультратонкой структуры [2].

В Институте технологической обработки пластмасс Ченстоховского политехнического университета в течение нескольких лет проводились исследования возможностей прокатки цветных сплавов в стане радиальносдвиговой прокатки типа RSP 14/10, разработанном в Московском институте стали и сплавов [3, 4]. Кроме того, работы касаются анализа процесса прокатки стержней из алюминиевых сплавов 1050A, 2017A [5–7] и 7075 [8, 9], и технологии деформирования магниевых сплавов, в том числе AZ31 [10–14]. Также было предпринято численное моделирование процесса прокатки биметаллических прутков [15].

Из-за сложного расположения инструментов относительно оси прокатки процессы, происходящие в материале при деформации, также являются сложными [16–18]. По этой причине важно правильно выполнять численное моделирование, чтобы выбрать оптимальные параметры для фактического процесса прокатки.

В работе представлены результаты численного моделирования процесса прокатки прутков из алюминиевого сплава 5754 для процесса прокатки при двух значениях температуры и при разных скоростях вращения валков.

1 . Цель и объем работы

Целью исследования было проанализировать влияние температуры и скорости вращения валков на распределение температуры, интенсивность деформации, скорость деформации и гидростатическое давление в процессе прокатки заготовки из алюминиевого сплава 5754 в прокатном стане. При проведении численного моделирования использовались реальные реологические свойства исследуемого сплава, определенные в ходе работы [4].

Рис. 1. Расположение валков, принятое для численного моделирования процесса прокатки

Значения параметров A и m 1 … m 9 , используемые для определения значения σ p сплава 5754

A	m 1	m 2	m 3	m 4	m 5	m 6	m 7	m 8	m 9
0,086677	–0,009417	–0,052679	–0,210967	0,013087	–0,000506	0,000749	0,000857	1,816680	0,086677

Исследования, проведенные в работе, стали началом разработки оптимальных условий для пластической деформации трудноде-формируемых алюминиевых сплавов 5ХХХ. Кроме того, в работе проведен анализ значений деформации, напряжения и температуры анализируемого сплава в зоне деформации.

2    .Материалы и методы исследования

Для численного моделирования процесса прокатки круглых прутков из алюминиевых сплавов серии 5ХХХ с химическим составом, соответствующим стандарту EN 573-1 [19] использовались реологические свойства алюминиевого сплава 5754, представленные в работах [20, 21].

Для численного моделирования предполагалось, что температура перед прокаткой составляет 300 и 350 °С, а скорость вращения валков – 50 и 100 об/мин. Другие граничные условия процесса были следующими:

• –    модель трения: Кулона и Треска: коэффициент трения – 0,4; коэффициент трения – 0,8;

• –    коэффициент теплообмена между роликами и полосой – 2000 Вт/м²К;

• –    диаметр начального прутка – 30 мм; диаметр готового прутка – 24 мм.

Валки наклонены к оси прокатки под углом α = 18°, рабочие поверхности валков – под углом β = 9° по отношению к осям валков (рис. 1).

Чтобы использовать результаты на практике и получить математическую связь между значением предела текучести σp и параметрами деформации (T, е, ё), результаты испы- таний реологических свойств [20] были аппроксимированы с использованием уравнения Хензеля – Шпиттеля [22]:

• а _р = Л • е^т1Т• Т^т • Ё^тх т₄

3 . Результаты численного моделирования

х е~ (1 + _е) ^т^^Т • е ^т 2 ^^Е • £ ^тз • г^т^, (1) где: ɛ – истинная деформация, ε – скорость деформации, с^–1, T – температура, °С, m 1 … m 9 – коэффициенты в зависимости от марки испытываемой стали.

Коэффициенты аппроксимирующей функции результатов пластических испытаний алюминиевого сплава 5754 показаны в таблице [20].

На рис. 2 показано распределение температуры в прутке во время прокатки сплава 5754 в стане радиально-сдвиговой прокатки.

Анализируя распределение температуры в продольном сечении прутка (см. рис. 2), было отмечено, что при увеличении скорости вращения от 50 до 100 об/мин, происходит повышение температуры прокатываемой полосы как при температуре прокатки 300 °С (см. рис. 1а, б), так и при 350 °С (см. рис. 1в, г). Наибольший тепловой эффект наблюдался при скорости вращения 100 об/мин и температуре прокатки 300 °С – около 100 °С. Также было отмечено, что при более низкой температуре загрузки тепловой эффект процесса выше. Аналогичные результаты были продемонстрированы при численном анализе процесса прокатки алюминиевых сплавов 1050А, 2017А [5–9], когда при прокатке прутков с начальной температурой 400 °С температура прокатки составляла 460 °С.

На рис. 3 показано распределение интенсивности фактической деформации в поперечном сечении в продольной оси полосы в процессе прокатки прутков из алюминиевого сплава 5754 на стане радиально-сдвиговой прокатки.

На основании анализа данных, представленных на рис. 3, можно сделать вывод, что в результате увеличения скорости вращения валков с 50 до 100 об/мин значение интенсивности истинной деформации в металле, проходящем через прокатный стан, увеличивается. Было замечено, что после использования более высокой температуры прокатки при той же скорости вращения валков значение фактической интенсивности деформации в материале уменьшилось, что можно объяснить более низким значением напряжения в сплаве в этих условиях (алюминиевые сплавы серии 5ХХХ являются труднодеформируемыми сплавами). Наибольшее значение интенсивности деформации наблюдается при прокатке при температуре 300 °С и скорости вращения 100 об/мин и составляет 3,37, а наименьшее – при температуре 350 °С и скорости вращения 50 об/мин и составляет около 2,73.

На рис. 4 показано распределение интенсивности скоростей деформаций по оси материала в процессе прокатки прутков алюминиевого сплава 5754 на стане радиальносдвиговой прокатки.

Из представленного распределения интенсивности скорости деформации (см. рис. 4) видно, что максимальные значения скорости деформации возникают при более высокой скорости вращения валков (см. рис. 4в, г). Кроме того, можно отметить, что температура прокатки не оказывает существенного влияния на значения скорости деформации.

Рис. 2. Распределение температуры в прутке в процессе прокатки (продольный разрез): а, б – температура прокатки 300 °С; в, г – температура прокатки 350 °С; а, в – скорость вращения роликов 50 об/мин; б, г – скорость вращения роликов 100 об/мин

Рис. 3. Распределение интенсивности истинных деформаций в прутке в процессе прокатки на трехвалковом стане (продольный разрез): а, б – температура прокатки 300 °С; в, г – температура прокатки 350 °С; а, в – скорость вращения роликов 50 об/мин; б, г – скорость вращения роликов 100 об/мин

Рис. 4. Распределение интенсивности скорости деформации по оси материала в процессе прокатки прутков из алюминиевого сплава 5754 на стане радиально-сдвиговой прокатки: а, б – температура прокатки 300 °С; в, г – температура прокатки 350 °С; а, в – скорость вращения роликов 50 об/мин;

б, г – скорость вращения роликов 100 об/мин

MPa

Рис. 5. Распределение интенсивности напряжения в прутке в процессе прокатки на стане радиальносдвиговой прокатки (продольный разрез): а, б – температура прокатки 300 °С; в, г – температура прокатки 350 °С; а, в – скорость вращения валков 50 об/мин, б, г – скорость вращения валков 100 об/мин

Распределение интенсивности напряжения в очаге деформации в процессе прокатки прутка показано на рис. 5.

Из данных, представленных на рис. 5, видно, что для рассматриваемого диапазона параметров распределение интенсивности напряжения больше зависит от температуры, чем от скорости вращения роликов. Значение интенсивности напряжения в зоне деформации находится в интервале 240–300 МПа. Однако наибольшие значения этих напряжений возникают на поверхности контакта металла с роликами.

Распределение среднего напряжения в процессе прокатки слитков из алюминиевого сплава 5754 на стане радиально-сдвиговой прокатки показано на рис. 6.

При прокатке с температурой 350 °С наи- большие средние значения напряжений возникают в поверхностной зоне деформируемого прутка, при этом они являются растягивающими напряжениями. Во время деформации образцов, нагретых до температуры 300 °С со скоростью вращения 50 об/мин (см. рис. 6а), высокие растягивающие напряжения возникают вдоль оси прокатываемого материала. Это неблагоприятное явление, поскольку оно может вызвать разрывы в прокатываемом прутке. При скорости вращения 100 об/мин (см. рис. 6б), увеличение среднего значения напряжения наблюдалось на оси прутка перед входом в очаг деформации. Сжимающие напряжения в этом случае противодействуют развитию дефектов в виде разрывов в деформируемом материале.

Рис. 6. Распределение среднего напряжения в прутке в процессе прокатки на трехвалковом стане (продольный разрез): а, б – температура прокатки 300 °С; в, г – температура прокатки 350 °С; а, б – скорость вращения валков 50 об/мин; в, г – скорость вращения валков 100 об/мин

Выводы

На основании анализа полученных результатов численного моделирования процесса прокатки прутков из алюминиевого сплава 5754 на стане радиально-сдвиговой прокатки можно сделать следующие выводы и утверждения.

• 1.    Из-за повышения температуры нагрева перед прокаткой с 300 до 350 °С тепловой эффект процесса прокатки на стане радиально-сдвиговой прокатки уменьшается.

• 2.    Увеличение скорости вращения от 50 до 100 об/мин увеличивает интенсивность де-

• формации до 2 раз; при этом повышение температуры прокатки не оказывает существенного влияния на интенсивность скорости деформации.

• 3.    Из-за растягивающих напряжений, возникающих по оси прокатываемого прутка, наиболее неблагоприятными параметрами прокатки можно считать температуру 300 °С и скорость вращения роликов 50 об/мин. Для остальных параметров наибольшие растягивающие напряжения возникают в слоях на поверхности контакта валка и прутка.