Бенчмарк-2017 по моделированию экструзии алюминия

С 20 по 24 июня 2017 года в конгресс-центре PalaExpo итальянского города Вероны совместно прошли 10-й Конгресс Алюминий 2000 и 6-я Конференция по экструзии алюминия+Бенчмарк-2017. Эти два мероприятия были настолько переплетены друг с другом, что невозможно было понять, где еще Конгресс, а где уже Конференция.  Все четыре рабочих дня Конгресса и Конференции были заполнены докладами, презентациями и дискуссиями, а также мастер-классом по анодированию и посещением соседней специализированной алюминиевой выставки METEF.

См. подробнее По итогам Конгресса и Конференции+Бенчмарк-2017

Наука и техника алюминия

Научно-техническая часть Конгресса и Конференции проходила параллельно в четырех конференц-залах и охватывала следующие темы:

  • Рынки алюминиевой продукции, стратегии развития, логистика
  • Анодирование и окрашивание алюминия
  • Экструзия алюминия и «бенчмарк» компьютерных программ
  • Применение экструдированного алюминия
  • Слитки для экструзии алюминия
  • Матрицы и другой инструмент для экструзии алюминия
  • Инновационные технологии в экструзии алюминия
  • Микроструктура экструдированного алюминия
  • Завод по производству экструдированного алюминия
  • Оптимизация процесса экструзии алюминия
  • Ковка алюминия
  • Разливка и литье под давлением алюминия
  • Алюминиевые профили для поглощения энергии удара
  • Производство и обработка алюминиевого листа для автомобилестроения
  • Обработка поверхности алюминия
  • Очистка стоков алюминиевых предприятий
  • Сварка алюминия

Бенчмарк-2017

Бенчмарк – состязание компьютерных программ

Одним из самых интересных событий на Конгрессе и Конференции было представление результатов «бенчмарка» – «слепого» тестирования лучших компьютерных программ по моделированию процесса экструзии алюминия и сравнение результатов их расчетов с результатами промышленного эксперимента. Английское слово benchmark включает понятия «тестирование», «сравнение с эталоном» и не имеет прямого аналога в русском языке. Поэтому для удобства так и будем его называть «бенчмарк».

Подобные тестирования компьютерных программ для моделирования экструзии алюминия – бенчмарки – проходят уже несколько раз. Их цель – оценивать возможности компьютерных программ на основе метода конечных элементов в моделировании реальных промышленных экспериментов по экструзии алюминия, а также стимулировать их развитие и совершенствование.

Прессовый инструмент и профили

Производилось моделирование экструзии алюминиевого сплава 6005А на матрице портхол с двумя зеркальными С-образными отверстиями для двух полых профилей (рисунок 1).

Рисунок 1 – Основные размеры профилей А и В в холодном состоянии [1, 2]

Главной задачей Бенчмарка-2017 являлось изучение изменения температуры матрицы и другого прессового инструмента в ходе экструзии (прессования) сложных полых профилей.

Комплект прессового инструмента состоял из семи частей (рисунок 2) [2]:

  • рассекатель/оправка (1),
  • матрица (2),
  • подкладка (3),
  • матричное кольцо (4),
  • больстер (5),
  • больстерное кольцо (6) и
  • суббольстер (7).

Рисунок 2 – Все «в сборе» для компьютерного моделирования:
алюминиевая заготовка, профили А и В, матричное кольцо с рассекателем/оправкой, матрицей и подкладкой (1, 2, 3),
больстерное кольцо с больстером (5, 6) и суббольстер (7) [1]

Измерение температуры

Для измерения температуры прессового инструмента применялись 7 термопар, две из которых были установлены вблизи рабочих поясков матрицы обоих профилей (профиля А и профиля В), а остальные 4 – в различных местах матричного кольца (рисунок 3).

Рисунок 3 – Расположение термопар в матрице и матричном кольце [1]

Кроме того, работал бесконтактный пирометр на выходе из матрицы. Он был направлен на профиль А на расстоянии 630 мм от наружного торца суббольстера.

Технологические условия

  • Пресс: промышленный (SAPA), 30 МН (3000 тонн);
  • Внутренний диаметр контейнера: 210 мм;
  • Длина контейнера: 1055 мм;
  • Диаметр заготовки: 203 мм;
  • Длина заготовки: 810 мм;
  • Скорость пресс-штемпеля: 9,86 мм/с;
  • Рабочий ход пресс-штемпеля: 792 мм (810 мм длины заготовки минус 18 мм длины пресс-остатка);
  • Тянущее усилие пуллера (два профиля одновременно): 110 кг (1100 Н);
  • Первые 4 заготовки – с 1 по 4:  для стабилизации температуры прессового инструмента;
  • 4 заготовки – с 5 по 8: промышленные эксперименты с охлаждением профилей воздухом (1 ºС/с);
  • 4 заготовки – с 9 по 12: промышленные эксперименты с охлаждением профилей водой (100 ºС/с);

Начальная температура

  • Температура пресс-шайбы: 350 ºС;
  • Температура контейнера: 410 ºС;
  • Температура заготовки: 465 ºС передний торец, 360 ºС задний торец (перепад 105 ºС по длине заготовки);
  • Температура матрицы: в печи – 480 ºС, остывание до 451-470 ºС в ходе загрузки в пресс.

Материалы

  • Алюминиевый сплав: 6005А-О;
  • Материал матрицы и другого прессового инструмента: сталь AISI H-11, 45-47 HRC.

Представление результатов

Результаты моделирования экструзии всех участников бенчмарка-2017 были представлены в следующем виде:

  • Расчетное усилие прессования
  • Температура обоих профилей на выходе из матрицы
  • Скорость профилей на выходе из матрицы
  • Температура матрицы в семи заданных точках
  • Отклонения языков матрицы в направлении экструзии
  • Расположение продольных сварных швов в профилях
  • Размер зерен микроструктуры профилей при воздушном охлаждении
  • Размер зерен микроструктуры профилей при водяном охлаждении
  • Протяженность следов «старой» заготовки от места остановки пресса при смене заготовки
  • Искривление профилей по отношению к номинальной форме.

Результаты промышленного эксперимента

Некоторые интересные результаты промышленного эксперимента:

  • Градиентный нагрев заготовки обеспечивает изотермическое прессование профилей: постоянную скорость 24 м/мин на выходе из матрицы и постоянную температуру около 580 ºС (рисунки 4 и 5)
  • Температура на рабочих поясках матрицы постоянна и составляет около 575 ºС (рисунок 6)
  • Температура матрицы вблизи матричного кольца составляет около 360-380 ºС (рисунок 6)

Рисунок 4 – Скорость профилей А и В на выходе из матрицы

Рисунок 5 – Температура профилей А и В на выходе из матрицы

Рисунок 6 – Температура матрицы вблизи поясков (Т1 и Т2) и
вблизи матричного кольца (Т3-Т6)

  • Максимальное отклонение языков матрицы в ходе экструзии составляет около 0,5 мм (по результатам моделирования).

Участники Бенчмарка-2017

В Бенчмарке-2017 приняли участие 6 компьютерных программ различных компаний из различных стран.

См. подробнее Программа Конгресса и Конференции+Бенчмарк-2017 (Room Verdi, 20-21 июня 2017).

Приятно было обнаружить, что одним из участников этого бенчмарка является компьютерная программа QFORM VX компании QuantorForm Ltd,  главные офисы которой находятся в Москве (Россия) и Оксфорде (Великобритания). QuantorForm Ltd является одним из мировых лидеров в области разработки и внедрения компьютерного моделирования обработки металлов давлением.

Победила дружба

Результаты «слепого» моделирования шестерых участников этого состязания, а также результаты промышленного эксперимента, были представлены на общее обозрение всем участникам Конгресса и Конференции. Кроме того, все участники бенчмарка сделали доклады по результатам своих вычислений.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что результаты расчетов весьма близки к результатам промышленного эксперимента.

Особенностью этого бенчмарка, как и всех предыдущих, являлось то, что вследствие сложности решаемой задачи, он не считался официальным соревнованием, турниром или чемпионатом компаний-разработчиков программ. Напротив, это мероприятие является уникальной возможностью – дружественной и благожелательной — уточнить некоторые моменты в практике моделирования экструзии алюминия для каждого его участника. Поэтому победитель этого «состязания» официально не объявлялся.

Источники:

  1. ICEB2017-Benchmark Settings — Donati L., A. Gamberoni, B. Reggiani, L. Tomesani – University of Bologna – 10thAluminium Two Thousand World Congress – 6th ICEB International Conference, 2017.
  2. BENCHMARK EXPERIMENTAL RESULTS – Donati L., A. Gamberoni, B. Reggiani, L. Tomesani University of Bologna10th Aluminium Two Thousand World Congress – 6th ICEB International Conference, 2017.