WPŁYW GEOMETRII MATRYCY NA JAKOŚĆ WYCISKANYCH KSZTAŁTOWNIKÓW Z TRUDNOODKSZTAŁCALNYCH STOPÓW ALUMINIUM

Transkrypt

1 ALUMINIUM PROCESSING Redaktor odpowiedzialny: dr ha. inż. WOJCIECH LIBURA, prof. nzw. ARTUR RĘKAS ANNA BAŚCIK DARIUSZ LEŚNIAK PIOTR BAKALARSKI KRZYSZTOF DOKUPIL WOJCIECH LIBURA Rudy Metale R nr 9 UKD :619.6: : :669-42: : WPŁYW GEOMETRII MATRYCY NA JAKOŚĆ WYCISKANYCH KSZTAŁTOWNIKÓW Z TRUDNOODKSZTAŁCALNYCH STOPÓW ALUMINIUM W artykule przedstawiono wyniki adań dotyczących zastosowania matryc z przedkomorą do wyciskania kształtowników z trudnoodkształcalnych stopów aluminium. Przeprowadzono symulacje numeryczne procesu wyciskania przy pomocy programu opartego na metodzie elementów skończonych, mające na celu uzyskanie rozkładów prędkości metalu w otworze matrycy podczas wyciskania przez tradycyjną matrycę płaską i matrycę z przedkomorą. Na podstawie oliczeń zaproponowano geometrie przedkomory dla wyranego kształtownika ze stopu aluminium Podczas wyciskania kształtownika przez matrycę płaską oserwuje się silne skręcenie wyrou wokół własnej osi. Zastosowanie matrycy z przedkomorą zmienia sposó płynięcia metalu w rejonie otworu matrycy, co prowadzi do ardziej równomiernego rozkładu prędkości materiału. W efekcie uzyskano wyró ez skręceń o korzystnej strukturze. Badania potwierdziły celowość zastosowania matryc z przedkomorą do wyciskania na gorąco niektórych kształtowników z trudnoodkształcalnych stopów aluminium. Słowa kluczowe: wyciskanie, stopy aluminium, symulacje numeryczne, matryca z przedkomorą EFFECT OF DIE GEOMETRY ON QUALITY OF EXTRUDED PROFILES FROM HARD ALUMINIUM ALLOYS In the work an application of pre-chamer dies (pocked dies) for extrusion of profiles from hard aluminium alloys is analyzed. Based on FEM numerical simulation the distriution of material velocity within the die orifice for traditional flat die and proposed pre-chamer die for extrusion of a selected profile was otained. Industrial trials, performed on the profile from the 5083 aluminium alloy revealed ad quality of the product in the form of strong turning around its axis. Good geometry of the same profile and etter metalurgical structure was otained while extruding the alloy throug the proposed pre-chamer die. Investigation confirmed good agreement of the industrial trials with results of the numerical calculations. The pre-chamer dies can e used for the hot extruison of selected profiles from the hard aluminium alloys. Keywords: extrusion, aluminium alloys, numerical simulation, pre-chamer die Mgr inż. Artur Rękas, mgr inż. Anna Baścik, dr inż. Dariusz Leśniak Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, mgr inż. Piotr Bakalarski, mgr inż. Krzysztof Dokupil Grupa KĘTY S.A., Kęty, dr ha. inż. Wojciech Liura, prof. nzw. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków. 555

2 Wstęp W gospodarce występuje oecnie ardzo duży wzrost zapotrzeowania na profile z trudnoodkształcalnych stopów aluminium z serii 2xxx 5xxx i 7xxx. Stosuje się je głównie w udownictwie na elementy konstrukcyjne oraz w udowie środków transportowych. Podstawowym sposoem otrzymywania takich profili jest proces wyciskania na gorąco. Wyciskanie trudnoodkształcalnych stopów aluminium wiąże się z wieloma ograniczeniami, takimi jak niska podatność do odkształceń plastycznych, niska wydajność procesu wynikająca z małej prędkości wyciskania, wysokie parametry siłowe. Szczególnie trudne jest wyciskanie wyroów o skomplikowanych kształtach, gdyż wtedy nierównomierność płynięcia prowadzi do pogorszenia jakości wyrou. Oserwuje się wówczas różne formy defektów w postaci skrzywienia, skręcenia wyrou, pęknięć i lokalnych anomalii strukturalnych. Z tego powodu producenci wyroów z trudnoodkształcalnych stopów aluminium poszukują sposoów poprawy efektywności procesów wytwarzania, zwłaszcza w przypadku profili, których otrzymywanie na drodze wyciskania jest dotychczas ardzo trudne. Jednym ze sposoów rozwiązania prolemu jest poszukiwanie optymalnych warunków odkształcenia materiału w pojemniku, prowadzących do możliwie równomiernego płynięcia metalu w prześwicie matrycowym, co jest głównym warunkiem uzyskania dorej jakości wyrou. W niniejszym artykule poddano adaniu proces wyciskania kształtownika ze stopu AlMg4,5, którego otrzymywanie na drodze wyciskania na gorąco stwarza ardzo poważne prolemy jakościowe. Zamiast tradycyjnej matrycy płaskiej zastosowano matrycę z przedkomorą. Próy wyciskania poprzedzone zostały oliczeniami numerycznymi, które yły podstawą do zaprojektowania odpowiedniego kształtu przedkomory. Oprócz tradycyjnych matryc płaskich w procesie jednootworowego wyciskania na gorąco stosuje się niekiedy matryce o innym kształcie powierzchni czołowej, np. matryce stożkowe, wypukłe czy matryce z przedkomorą. Matryce stożkowe stwarzają warunki najardziej równomiernego płynięcia metalu w prześwicie matrycowym, niemniej jednak fakt, że mogą yć stosowane praktycznie do profili okrągłych, a także z powodu dodatkowego tarcia na powierzchni stożkowej oraz z uwagi na straty materiału zalegającego stożek nie są one w powszechnym użytku. Niewielkie modyfikacje kształtu matrycy, na przykład poprzez lekkie ukosowanie wejścia na pasek kalirujący, przyczyniają się do wzrostu dopuszczalnej prędkości wypływu w przypadku prętów z trudnoodkształcalnych stopów Al [1]. Matryce wypukłe znajdują się w dalszym ciągu na etapie adań. Charakteryzują się one tym, że powierzchnia roocza jest nachylona względem osi matrycy pod kątem większym niż 90. Płynięcie metalu w tym przypadku ma ardziej promieniowy charakter, dzięki czemu poprawia się stan naprężenia w poliżu otworu matrycy. Prowadzi to do zwiększenia dopuszczalnej prędkości wypływu metalu, co ma istotne znaczenie w przypadku materiałów trudnoodkształcalnych [2]. Zaoserwowano także korzystny wpływ matryc wypukłych na siłę wyciskania, już przy kątach nieznacznie większych od 90 [3]. Matryce z przedkomorami są stosowane powszechnie w przypadku wyciskania profili ze stopów łatwoodkształcalnych [4]. Zastosowanie matrycy z przedkomorą przyczynić się może m.in. do poprawy geometrii wyroów o zróżnicowanej gruości ścianki [5]. Ponieważ użycie matrycy z przedkomorą jest zazwyczaj związane z większą siłą wyciskania i większym efektem cieplnym, nie yły one wykorzystywane do wyciskania profili z materiałów trudnoodkształcalnych. Jednakże, dążenie do poprawy stanu naprężenia w otworze matrycy, a także rosnąca potrzea wytwarzania ardziej skomplikowanych kształtowników z tych materiałów, uzasadniają celowość podjęcia adań nad zastosowaniem matryc z przedkomorą również dla tej grupy materiałów. Oliczenia numeryczne Analizie poddano kształtownik pokazany na rysunku 1 ze stopu AlMg4,5 (EN AW 5083). Stop ten zaliczany jest do materiałów trudnoodkształcalnych, wyciskanych z małą prędkością wypływu. Kształtownik podczas pró wyciskania w warunkach przemysłowych przez matrycę płaską jednootworową ulegał intensywnemu skręcaniu wokół własnej osi. Moment skręcający ył tak znaczny, że kształtownik wyrywał się z uchwytu wózka prowadzącego (pullera). Prawdopodoną przyczyną tego zjawiska ył nieodpowiedni rozkład prędkości metalu w otworze matrycy, z dużym udziałem składowej promieniowej, wywołującej swego rodzaju wir wypływającego metalu. Zmianę tego stanu rzeczy można osiągnąć poprzez zastosowanie matrycy z przedkomorą w miejsce tradycyjnej matrycy płaskiej. Przedkomora Regulacja płynięcia metalu w procesie wyciskania poprzez zmianę geometrii matrycy Rys. 1 Kształtownik ze stopu 5083 poddany adaniom Fig.1. Shape of the profile from 5083 aluminium alloys used in experiments Rys. 2. Kształt przedkomory dla wyciskanego kształtownika Fig. 2. Geometry of pre-chamer for the profile investigated 556

3 a Rys. 3. Rozkład prędkości wypływu materiału z prześwitu matrycy a płaskiej, z przedkomorą. Fig. 3. Distriution of material velocity in die orifice in case of a flat die, pre-chamer die a c Rys. 4. Wizualizacja skręcania profilu wyciskanego przez matrycę a i płaską, c z przedkomorą Fig. 4. Turning of the profile extruded through a and flat die, c pre-chamer die 557

4 pomniejsza owiem zjawisko nierównomierności płynięcia materiału, jakie ma miejsce w strefie odkształcenia głównego. Próy wyciskania na nowej matrycy zostały poprzedzone modelowaniem numerycznym procesu przy wykorzystaniu programu DEFORM, opartego na metodzie elementów skończonych. Przy projektowaniu matrycy z przedkomorą, jako główny parametr dooru wymiarów przedkomory zastosowano tzw. kryterium wydatków, w którym przyjmuje się, że stosunek prędkości metalu dopływającego do poszczególnych części przedkomory z pojemnika ma się tak, jak stosunek pól przekrojów poprzecznych wyciskanego profilu [6]. Dodatkowo kształt przedkomory został skorygowany przez kryterium kształtu profilu, które uwzględnia zmianę krzywizny profilu. Na rysunku 2 pokazano kształt przedkomory dla wyciskanego kształtownika, którą wytypowano do dalszych adań. W wyniku oliczeń uzyskano rozkłady prędkości metalu w otworze matrycy i w przedkomorze. Dla porównania wszystkie oliczenia przeprowadzono także dla matrycy płaskiej. Na rysunku 3 pokazano rozkład prędkości metalu w otworze matrycy dla matrycy płaskiej i matrycy z przedkomorą. Można zauważyć ardzo silne zróżnicowanie prędkości w otworze dla matrycy płaskiej (rys. 3a). Dla matrycy z przedkomorą to zróżnicowanie jest ardzo niewielkie (rys. 2). Profil wyciskany przez matrycę płaską przy silnym zróżnicowaniu prędkości wykazuje tendencję do skręcania względem własnej osi. Wizualizację tego zjawiska przedstawiono na rysunku 4. Dla porównania pokazano także przewidywany widok profilu po wyciskaniu przez matrycę z przedkomorą (rys. 4c). Jak wynika z przedstawionych wyników oliczeń, matryca z przedkomorą stwarza szansę na eliminacje niekorzystnego zjawiska skręcania wyrou. Rys. 5. Widok profilu na wyiegu prasy Fig. 5 Extruded profile on a run-out tale a Próy wyciskania Próy wyciskania przeprowadzono na prasie współieżnej o nacisku nominalnym 25 MN, z wykorzystaniem zaprojektowanej matrycy z przedkomorą według rysunku 2. Wyciskano wlewki ze stopu AlMg4,5 (EN-AW 5083) o średnicy 215 mm i długości 230 mm i o składzie podanym w talicy 1. Wlewki do wyciskania nagrzewano do temperatury 470 C, zaś prędkość wypływu z otworu matrycy we wszystkich przypadkach yła jednakowa i wynosiła 3 m/min. Próy potwierdziły przewidywane wyniki oliczeń odnośnie do jakości kształtownika, w przypadku użycia matrycy z przedkomorą otrzymano wyró z ardzo nieznacznym skręceniem, które łatwo zostało wyeliminowane na wyiegu prasy po uchwyceniu go przez wózek prowadzący. Na Talica 1 Skład chemiczny stopu poddanego próom wyciskania Tale 1 Chemical composition of alloy used in industrial tests Zawartość w stopie Mg Si Fe Cu Mn Cr Zn Ti Al 4,76 0,17 0,26 0,05 0,63 0,08 0,03 0,02 reszta Rys. 6. Porównanie profili wyciskanych przez różne matryce a płaską, matrycę z przedkomorą Fig. 6 Comparison of the profiles extruded through various dies a flat die, pre-chamer die rysunku 5 pokazano wyciskany profil na wyiegu prasy. Jak widać z rysunku 5 profil charakteryzuje się ardzo dorą jakością powierzchni i nie ulega skręceniu w trakcie wyciskania. Na rysunku 6 pokazano odcinki profilu wyciskanego przez matrycę płaską a i matrycę z przedkomorą. Profil wyciśnięty przez matrycę płaską wykazywał silne skręcenie (czterokrotny orót wokół własnej osi na długości prasówki). Tym samym, wynik eksperymentu ył zgodny z wynikami symulacji komputerowych. Dodatkowo, wyciśnięte kształtowniki poddano adaniom metalograficznym w celu uwidocznienia struktury na przekroju poprzecznym. Badania makrostruktury kształtownika ujawniły zróżnicowanie wielkości ziarna na prze- 558

5 a Rys. 7. Makrostruktura w przekroju poprzecznym kształtownika po wyciskaniu przez różne matryce a płaską, matrycę z przedkomorą Fig. 7. Macrostructure on cross-section of the profiles extruded through various dies a flat die, pre-chamer die kroju profilu. Bardziej niejednorodna makrostruktura uwidoczniła się w przekroju kształtownika wyciskanego przez matrycę płaską (rys. 7a). W miejscach gdzie materiał płynął najwolniej (rys. 3a) nastąpił silny rozrost ziarna, osłaiający wyró. Natomiast w przypadku kształtownika wyciskanego przez matrycę z przedkomorą (rys. 7) pojawiła się owódka gruoziarnista. Wynika to zapewne z wyższej temperatury warstw powierzchniowych wyrou, jako efekt dodatkowego tarcia w przedkomorze. Jest to jednak ardziej korzystna struktura niż w przypadku matrycy płaskiej wnętrze przekroju jest dronoziarniste, co wpływa korzystnie na własności wytrzymałościowe wyrou. Taką owódkę można pomniejszać poprzez odpowiedni doór warunków prowadzenia procesu, np. poprzez odpowiedni doór temperatury nagrzewania wlewków. Podsumowanie Przeprowadzone adania wykazały celowość zastosowania matryc z przedkomorą do wyciskania kształtowników z trudnoodkształcalnych stopów aluminium. W przypadku adanego kształtownika udało się tym sposoem wyeliminować niekorzystne zjawisko skręcania wyrou wokół własnej osi. Zaoserwowano zgodność oliczeń numerycznych z wynikami pró wyciskania w warunkach przemysłowych. Symulacje numeryczne wykazały tendencję do skręcania kształtownika w przypadku użycia tradycyjnej matrycy płaskiej. Matryca z przedkomorą stwarza warunki do ardziej równomiernego płynięcia metalu w prześwicie matrycowym. W tym przypadku uzyskany rozkład prędkości wykazuje znacznie mniejsze zróżnicowanie w przekroju poprzecznym wyrou. Struktura materiału w przekroju poprzecznym profilu zależy od kształtu użytej matrycy. Wyciskanie przez matrycę płaską wywołuje silne zróżnicowanie wielkości ziarna w całym przekroju poprzecznym profilu, powodując jego osłaienie mechaniczne. Matryca z przedkomorą spowodowała w prawdzie zjawisko owódki gruoziarnistej, lecz jest ono mniej dokuczliwe niż struktura uzyskana w przypadku matrycy płaskiej i może yć pomniejszone poprzez odpowiedni doór warunków prowadzenia procesu. Literatura 1. Zasadziński J., Richert J., Liura W.: Prędkość wypływu metalu z matryc o różnym kształcie paska kalirującego w procesie wyciskania prętów ze stopów Al. Rudy Metale 1981, t. 26, nr 10, s Zasadziński J., Liura W., Richert J., Misiołek W. Z.: Convex dies for aluminum extrusion. Proc. 6th Int. Aluminum Extrusion Technology Seminar. Chicago,1996, t. 2, s Zasadziński J., Liura W.: Force parameters in extrusion of metals through convex dies. Proc. 4th ICTP, Pekin 1993, s Mason W. J.: Die Correction, Weld Plate and Pocket Dies. Proc. 4th Int. Aluminum Extrusion Technology Seminar. Chicago, 1988, t. 2, s Leśniak D., Liura W., Zasadziński J., Müller K.: Badanie wpływu geometrii przedkomory na stailność kształtu wyciskanych profili aluminiowych. Rudy Metale 2003, t. 48, nr 10-11, s Leśniak D.: Analiza procesu wyciskania metali przez matryce z przedkomorą, AGH Kraków 2004 [pr. doktorska]. 559