cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2023-3-67-78cvmet-1509Research ArticleОбработка металлов давлениемPressure Treatment of MetalsПрименение моделирования при проектировании инструмента для прессования полых профилей из алюминиевых сплавовUsing simulation to design tool for pressing of hollow profiles from aluminum alloyshttps://orcid.org/0000-0002-5611-2808СидельниковС. Б.SidelnikovS. B.

Сергей Борисович Сидельников – д.т.н., профессор кафедры обработки металлов давлением (ОМД) Института цветных металлов (ИЦМ)

660025, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95

Sergei B. Sidelnikov – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Metal Forming (MF) of the School of Non-Ferrous Metals (SNFM)

95 Krasnoyarskiy Rabochiy prosp., Krasnoyarsk, 660025

sbs270359@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4076-7295КолосковС. С.KoloskovS. S.

Сергей Сергеевич Колосков – аспирант кафедры ОМД

660025, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95

Sergei S. Koloskov – Postgraduate Student of the Department of MF of SNFM

95 Krasnoyarskiy Rabochiy prosp., Krasnoyarsk, 660025

kelos36@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7608-0615ДовженкоН. Н.DovzhenkoN. N.

Николай Николаевич Довженко – д.т.н., профессор кафедры машиностроения Политехнического института

660025, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95

Nikolai N. Dovzhenko – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Mechanical Engineering of the Polytechnic School

95 Krasnoyarskiy Rabochiy prosp., Krasnoyarsk, 660025

n.dovzhenko@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9835-7881ГорбуновЮ. А.GorbunovYu. A.

Юрий Александрович Горбунов – д.т.н., профессор кафедры ОМД, ИЦМ

660025, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95

Yurii A. Gorbunov – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of MF of SNFM

95 Krasnoyarskiy Rabochiy prosp., Krasnoyarsk, 660025

j.a.gorbunov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1406-3665ВорошиловД. С.VoroshilovD. S.

Денис Сергеевич Ворошилов – к.т.н., доцент, заведующий кафедрой ОМД, ИЦМ

660025, г. Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 95

Denis S. Voroshilov – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Department of MF of SNFM

95 Krasnoyarskiy Rabochiy prosp., Krasnoyarsk, 660025

sibdrug@mail.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation2023170620232936778Copyright © Сидельников С.Б., Колосков С.С., Довженко Н.Н., Горбунов Ю.А., Ворошилов Д.С., 20232023Сидельников С.Б., Колосков С.С., Довженко Н.Н., Горбунов Ю.А., Ворошилов Д.С.Sidelnikov S.B., Koloskov S.S., Dovzhenko N.N., Gorbunov Y.A., Voroshilov D.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1509

Для моделирования процесса прессования полых профилей из алюминиевых сплавов использованы разработанные ранее алгоритмы проектирования прессового инструмента и программный комплекс «QForm». Целью проведенных исследований являлось повышение качества и снижение сроков проектирования прессового инструмента для промышленных условий производства профилей из алюминиевых сплавов. Предложены новая методика проектирования комбинированного инструмента и технологии для полунепрерывного прессования со сваркой полых профилей из алюминиевых сплавов с помощью программного комплекса «QForm», который позволяет в диалоговом режиме оперативно проводить многовариантные расчеты с последующей, если необходимо, корректировкой технологических параметров прессования и геометрии инструмента. Созданы алгоритм и процедуры проектирования, которые дают возможность выполнить чертеж полого профиля, осуществить технологические расчеты параметров прессования и выбор горизонтального гидравлического пресса, спроектировать матрицу и рассекатель, провести прочностные расчеты, определить силовую загрузку оборудования и подготовить рабочие чертежи прессового инструмента. Для проверки работоспособности разработанной методики проектирования приведен пример ее реализации для одного из типовых полых профилей, изготавливаемого в промышленном производстве. Рассмотрено проектирование двух вариантов прессового инструмента. С помощью моделирования с использованием программы «QForm Extrusion», предназначенной для анализа процессов прессования, установлено, что первый вариант конструкции инструмента при заданных технологических параметрах и геометрии каналов рассекателя и матрицы приводит к неравномерности истечения различных элементов профиля и температур. В результате проведенной корректировки параметров инструмента удалось добиться прямолинейности выхода профиля из матрицы и равномерности распределения температур по его сечению. Промышленное опробование спроектированного инструмента на гидравлическом горизонтальном прессе с усилием 33 МН для прессования профиля из сплава 6063 показало, что существенной доработки матрицы и рассекателя не требуется. С применением предложенной конструкции прессового инструмента получены партии продукции, соответствующей требованиям действующих технических условий, при этом сроки проектирования прессового инструмента сокращены практически в 2 раза.

In order to simulate the pressing of hollow profiles made from aluminum alloys, the previously developed design algorithms for the pressing tool and the QForm software were utilized. The objective of this study was to enhance the quality and decrease the design timeintervals for pressing tools used in the industrial production of aluminum alloy profiles. A novel design procedure for a combined tool, along with the technology of semi-continuous pressing with welded hollow profiles made from aluminum alloys, was proposed. This was achieved using the QForm software, which enables efficient calculations and adjustments of pressing parameters and tool geometry through a dialog interface. The developed algorithm and design procedures enable the drawing of hollow profiles, technological calculations of pressing parameters, selection of a suitable horizontal hydraulic press, matrix and splitter design, determination of strength parameters, assessment of equipment load, and preparation of working drawings for the pressing tool. In order to validate the effectiveness of the design procedure, it was applied to typical hollow profiles fabricated on a commercial scale. Two variations of the pressing tool design were examined. Simulation results obtained from QForm Extrusion software, specifically designed for pressing analysis, revealed that the initial design of the tool, with predetermined technological parameters and geometry of the splitter and matrix channels, resulted in uneven flow of profile elements and temperature distribution. However, by adjusting the tool parameters, it was possible to achieve a straight profile exit from the matrix and a uniform temperature distribution across its cross section. Industrial verification of the designed tool, utilizing a 33 MN hydraulic horizontal press for pressing profiles made from alloy 6063, demonstrated that significant modifications to the matrix and splitter were not necessary. By employing the proposed pressing tool design, batches of products were successfully manufactured in compliance with the required technical specifications, while reducing the design time intervals of the pressing tool by approximately 50 %.

алюминиевые сплавыполые профилипрессованиегоризонтальный гидравлический пресскомбинированный инструменттехнологические расчетыметодика и процедуры проектированияaluminum alloyshollow profilespressinghorizontal hydraulic presscombined tooltechnological calculationsdesign methods and proceduresРабота выполнена в рамках государственного задания на науку ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», номер проекта FSRZ-2020-0013.We acknowledge the support provided by the Governmental contract of Siberian Federal University, Project FSRZ-2020-0013.ReferencesСаха П.К. Технология прессования алюминия. М.: НП АПРАЛ, 2015. 352 с.Саха П.К. Технология прессования алюминия. М.: НП АПРАЛ, 2015. 352 с.Баузер М., Зауер К., Зигерт Г. Прессование: Справ. руководство. Пер. с нем. по лицензии издательства «Aluminium Verlag Marketing & Kommunikation GmbH». М.: Алюсил МВ и Т, 2009. 922 с.Баузер М., Зауер К., Зигерт Г. Прессование: Справ. руководство. Пер. с нем. по лицензии издательства «Aluminium Verlag Marketing & Kommunikation GmbH». М.: Алюсил МВ и Т, 2009. 922 с.Логинов Ю.Н., Инатович Ю.В. Инструмент для прессования металлов: Учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2014. 224 с.Логинов Ю.Н., Инатович Ю.В. Инструмент для прессования металлов: Учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2014. 224 с.Щерба В.Н. Прессование алюминиевых сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 768 с.Щерба В.Н. Прессование алюминиевых сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 768 с.Qiang Li, Chris Harris, Mark R. Jolly. Finite element modelling simulation of transverse welding phenomenon in aluminium extrusion process. Materials & Design. 2003;24(7):493—496. https://doi.org/10.1016/S0261-3069(03)00123-7Qiang Li, Chris Harris, Mark R. Jolly. Finite element modelling simulation of transverse welding phenomenon in aluminium extrusion process. Materials & Design. 2003;24(7):493—496. https://doi.org/10.1016/S0261-3069(03)00123-7Barbara Reggiani, Antonio Segatori, Lorenzo Donati, Luca Tomesani. Prediction of charge welds in hollowprofiles extrusion by FEM simulations and experimental validation. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013;(69):1855—1872. https://doi.org/10.1007/s00170-013-5143-2Barbara Reggiani, Antonio Segatori, Lorenzo Donati, Luca Tomesani. Prediction of charge welds in hollowprofiles extrusion by FEM simulations and experimental validation. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013;(69):1855—1872. https://doi.org/10.1007/s00170-013-5143-2Longchang Tong, Christoph Becker, Pavel Hora. High efficiency in the simulation of complex extrusion processes using an advanced simulation method. Materials Today: Proceedings. 2015;2(10):4726—4731. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.10.005Longchang Tong, Christoph Becker, Pavel Hora. High efficiency in the simulation of complex extrusion processes using an advanced simulation method. Materials Today: Proceedings. 2015;2(10):4726—4731. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.10.005Kim K.J., Lee C.H., Yang D.Y. Investigation into the improvement of welding strength in three dimensional extrusion of tubes using porthole dies. Journal of Materials Processing Technology. 2002;(130):426—431. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(02)00717-3Kim K.J., Lee C.H., Yang D.Y. Investigation into the improvement of welding strength in three dimensional extrusion of tubes using porthole dies. Journal of Materials Processing Technology. 2002;(130):426—431. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(02)00717-3Xiaochen Lu, Junquan Yu, Jianguo Lin, Zhusheng Shi. Investigation of material flow behaviour and microstructure during differential velocity sideway extrusion. Procedia Manufacturing. 2020;(50):226—230. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.08.042Xiaochen Lu, Junquan Yu, Jianguo Lin, Zhusheng Shi. Investigation of material flow behaviour and microstructure during differential velocity sideway extrusion. Procedia Manufacturing. 2020;(50):226—230. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.08.042Колосков С.С., Сидельников С.Б., Берсенев А.С., Лопатина Е.С., Ворошилов Д.С., Катрюк В.П. Исследование технологии прессования труб из алюминиевых сплавов с применением программ компьютерного моделирования. Производство проката. 2019;(12):23—28. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2019-0-12-23-28Koloskov S.S., Sidelnikov S.B., Bersenev A.S., Lopatina E.S., Voroshilov D.S., Katryuk V.P. Technology study of aluminum alloys pipe pressing with use of computer simulation programs. Proizvodstvo Prokata. 2019;(12):23—28. (In Russ.). https://doi.org/10.31044/1814-4632-2019-0-12-23-28Junquan Yu, Guoqun Zhao. Interfacial structure and bonding mechanism of weld seams during porthole die extrusion of aluminum alloy profiles. Materials Characterization. 2018;(138):56—66. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.01.052Junquan Yu, Guoqun Zhao. Interfacial structure and bonding mechanism of weld seams during porthole die extrusion of aluminum alloy profiles. Materials Characterization. 2018;(138):56—66. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.01.052Crosio Michele, Hora David, Becker Christoph, Hora Pavel. Realistic representation and investigation of charge weld evolution during direct porthole die extrusion processes through FE-analysis. Procedia Manufacturing. 2018;(15):232—239. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.214Crosio Michele, Hora David, Becker Christoph, Hora Pavel. Realistic representation and investigation of charge weld evolution during direct porthole die extrusion processes through FE-analysis. Procedia Manufacturing. 2018;(15):232—239. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.214Junquan Yu, Guoqun Zhao. Study on welding quality in the porthole die extrusion process of aluminum alloy profiles. Procedia Engineering. 2017;(207):401—406. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.795Junquan Yu, Guoqun Zhao. Study on welding quality in the porthole die extrusion process of aluminum alloy profiles. Procedia Engineering. 2017;(207):401—406. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.795Junquan Yu, Guoqun Zhaoa, Weichao Cuib, Cunsheng Zhanga, Liang Chen. Microstructural evolution and mechanical properties of welding seams in aluminum alloy profiles extruded by a porthole die under different billet heating temperatures and extrusion speeds. Journal of Materials Processing Technology. 2017;(247):214—222. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.04.030Junquan Yu, Guoqun Zhaoa, Weichao Cuib, Cunsheng Zhanga, Liang Chen. Microstructural evolution and mechanical properties of welding seams in aluminum alloy profiles extruded by a porthole die under different billet heating temperatures and extrusion speeds. Journal of Materials Processing Technology. 2017;(247):214—222. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.04.030Bakker A.J.D., Katgerman L., Zwaag S.V.D. Analysis of the structure and resulting mechanical properties of aluminium extrusions containing a charge weld interface. Journal of Materials Processing Technology. 2016;(229): 9—21. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.09.013Bakker A.J.D., Katgerman L., Zwaag S.V.D. Analysis of the structure and resulting mechanical properties of aluminium extrusions containing a charge weld interface. Journal of Materials Processing Technology. 2016;(229): 9—21. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.09.013Bingol Sedat, Bozaci Atilla. Experimental and numerical study on the strength of aluminum extrusion welding. Materials. 2015;8(7):4389—4399. https://doi.org/10.3390/ma8074389Bingol Sedat, Bozaci Atilla. Experimental and numerical study on the strength of aluminum extrusion welding. Materials. 2015;8(7):4389—4399. https://doi.org/10.3390/ma8074389Mahmoodkhani Y., Wells M., Parson N., Poole W.J. Numerical modelling of the material flow during extrusion of aluminium alloys and transverse weld formation. Journal of Material Processing Technology. 2014;(214):688—700. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.09.028Mahmoodkhani Y., Wells M., Parson N., Poole W.J. Numerical modelling of the material flow during extrusion of aluminium alloys and transverse weld formation. Journal of Material Processing Technology. 2014;(214):688—700. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.09.028Stebunov S., Biba N., Lishny A., Jiao L. Practical implementation of numerical modeling to optimization of extrusion die design for production of complex shape profiles. Aluminium Extrusion and Finishing. 2013;(4):20—24. http://www.qform3d.co.uk/files_uk/2013_0002_0.pdfStebunov S., Biba N., Lishny A., Jiao L. Practical implementation of numerical modeling to optimization of extrusion die design for production of complex shape profiles. Aluminium Extrusion and Finishing. 2013;(4):20—24. http://www.qform3d.co.uk/files_uk/2013_0002_0.pdfLibura W., Rękas A. Numerical modelling in designing aluminium extrusion in: aluminium alloys: New trends in fabrication and applicationsed. Ed. by Zaki Ahmad. INTECH, 2012. P. 137—157. https://doi.org/10.5772/51239Libura W., Rękas A. Numerical modelling in designing aluminium extrusion in: aluminium alloys: New trends in fabrication and applicationsed. Ed. by Zaki Ahmad. INTECH, 2012. P. 137—157. https://doi.org/10.5772/51239Koloskov S., Sidelnikov S., Voroshilov D. Modeling process of semi-continuous extrusion of hollow 6063 aluminum alloy profiles using QForm extrusion. Solid State Phenomena. 2021;(316):288—294. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.316.288Koloskov S., Sidelnikov S., Voroshilov D. Modeling process of semi-continuous extrusion of hollow 6063 aluminum alloy profiles using QForm extrusion. Solid State Phenomena. 2021;(316):288—294. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.316.288Довженко Н.Н, Сидельников С.Б, Васина Г.И. Система автоматизированного проектирования технологии прессования металлов. Научное методическое обеспечение. Красноярск: ГАЦМиЗ, 2000. 194 с.Довженко Н.Н, Сидельников С.Б, Васина Г.И. Система автоматизированного проектирования технологии прессования металлов. Научное методическое обеспечение. Красноярск: ГАЦМиЗ, 2000. 194 с.Алешин В.П. Расчет рабочих поясков прессовых матриц. Технология легких сплавов. 1990;(1):30—33.Aleshin V.P. Calculation of working bands of press dies. Tekhnologiya legkikh splavov. 1990;(1):30—33. (In Russ.).Гун Г.Я., Аверченко А.Ф., Стебунов С.А. К методике автоматизированного проектирования прессовых матриц. Известия вузов. Черная металлургия. 1985;(7):92—95.Gun G.Ya., Averchenko A.F., Stebunov S.A. On the method of computer-aided design of press dies. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1985;(7):92—95. (In Russ.).Эйдельнант С.Б, Корпаков Б.П, Майзлин Я.Л. Проектирование с помощью ЭВМ матриц для прессования профилей. Цветные металлы.1982;(3):81—82.Eidelnant S.B., Korpakov B.P., Maizlin Ya.L. Designing with the help of a computer matrices for pressing profiles. Tsvetnye Metally. 1982;(3):81—82. (In Russ.).Степанский Л.Г. Расчетные оценки калибровок пресс-матриц. Кузнечно-штамповочное производство. 1983;(5):25—27.Stepanskiy L.G. Estimated estimates of press matrix calibrations. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. 1983;(5):25—27. (In Russ.).QForm-Extrusion (электронный ресурс). Моделирование прессования профилей. URL: https://qform3d.ru/products/extrusion (дата обращения: 20.04.2023).QForm-Extrusion (электронный ресурс). Моделирование прессования профилей. URL: https://qform3d.ru/products/extrusion (дата обращения: 20.04.2023).Князькин И.С., Дюжев А.М., Власов А.В., Гладков Ю.А., Лишний А.И. Методика автоматизированного проектирования матричной оснастки для прессования алюминиевых сплавов. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана (Электрон. журнал). 2015;(8):1—13.Knyaz’kin I.S., Dyuzhev A.M., Vlasov A.V., Gladkov Yu.A., Lishniy A.I. Technique for computer-aided design of matrix tooling for pressing aluminum alloys. Science and Education. MSTU im. N.E. Bauman (Electron. Magazine). 2015;(8):1—13. (In Russ.).Дюжев А.М., Князькин И.С., Лишний А.И., Соловьев Д.А., Стебунов Д.А. Программа для автоматизированного поэлементного параметрического проектирования матричной оснастки для прессования профилей QForm Extrusion Die Designer (QExDD): Св-во 2015613466 (РФ). 2015.Дюжев А.М., Князькин И.С., Лишний А.И., Соловьев Д.А., Стебунов Д.А. Программа для автоматизированного поэлементного параметрического проектирования матричной оснастки для прессования профилей QForm Extrusion Die Designer (QExDD): Св-во 2015613466 (РФ). 2015.Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Буркин С.П., Картак Б.Р., Ашпур Ю.В., Спасский Ю.И. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. М.: Металлургия. 1975. 352 с.Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Буркин С.П., Картак Б.Р., Ашпур Ю.В., Спасский Ю.И. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. М.: Металлургия. 1975. 352 с.Лаптев А.М., Ткаченко Я.Ю., Жабин В.И. Построение диаграммы для определения коэффициента трения в формуле Леванова по методу осадки кольца. Обработка материалов давлением. 2011;3(28): 129—132.Laptev A.M., Tkachenko Ya.Yu., Zhabin V.I. Construction of a diagram for determining the coefficient of friction in the Levanov formula using the ring upset method. Obrabotka materialov davleniem. 2011;3(28):129—132. (In Russ.).Laptev A.M., Tkachenko Ya.Yu., Zhabin V.I. Construction of a diagram for determining the coefficient of friction in the Levanov formula using the ring upset method. Obrabotka materialov davleniem. 2011;3(28):129—132. (In Russ.).Laptev A.M., Tkachenko Ya.Yu., Zhabin V.I. Construction of a diagram for determining the coefficient of friction in the Levanov formula using the ring upset method. Obrabotka materialov davleniem. 2011;3(28):129—132. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.