CC BY
38
8. Соколов, В.А. Диагностика технического состояния конструкций зданий и сооружений с использованием методов теории нечетких множеств [Текст] / В.А. Соколов // Инженерно-строительный журнал,— 2010,— N° 5,— С. 31—37.
9. Уткин, B.C. Новый подход к оценке надежности конструкций при наличии интервальных экспертных оценок [Текст] / B.C. Уткин, A.J1. Кузь-
минов, A.B. Кожевников, А.К. Кудрявцева // Предотвращение аварий зданий и сооружений: сб. тр. Междунар. конф. N° 7,— М., 2008,— С. 117-120.
10. Walley, P. Inferences from multinominal data: Marning about a bag of marbles [Текст] / P. Walley // Journal of the Royal Statistical Society.— 1996. Series B, 58,- P. 3-57.
УДК621.762
В.Н. Цеменко, В.Л. Гиршов, С.А. Мазуров
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ ЭКСТРУЗИИ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ
Освоение производства быстрорежущей стали методами порошковой металлургии открыло новые резервы для повышения эксплуатационных свойств этих сталей. Порошковая технология позволяет избежать на стадии распыления порошков карбидной ликвации и в дальнейшем — карбидной неоднородности и полосчатости, а вследствие этого — значительной анизотропии свойств материала [1].
На территории СССР создавалась технология горячей экструзии (ГЭ) порошковых быстрорежущих сталей в стальных герметичных капсулах. Важнейшее преимущество процесса ГЭ, разрабатывавшегося в УкрНИИ Спецсталь и ЦНИИматериалов, перед процессами прессования порошков — благоприятная схема пластической деформации, близкая к всестороннему сжатию и обеспечивающая высокую степень обжатия исходной заготовки за единичный акт ее обработки давлением. При такой схеме достигается интенсивный сдвиг в очаге деформации и прочное «схватывание» частиц друг с другом наряду с отсутствием значительных растягивающих напряжений в порошковой заготовке [2]. Возможность использования более простого оборудования — гидравлических прессов — выгодно отличает эту технологию от процесса горячего газостатического прессования, который является основным при производстве порошковых быстрорежущих сталей за рубежом [3].
Однако следует отметить, что параметры процесса экструзии в вышеописанных процессах
получения материала подбирались в основном опытным путем, довольно трудоемким идорогим. Практически отсутствуют методики выбора пресса требуемой мощности для экструдирования капсул, заполненных порошком. При решении подобных задач могут применяться методы компьютерного моделирования процессов. Известны отечественные и зарубежные публикации, посвященные разработке методов математического моделирования процессов пластического деформирования пористых сред [4—7]. Последняя работа посвящена моделированию уплотнения порошкового алюминия при комнатной температуре, а в [4—6] изучены общие стадии моделирования процессов уплотнения порошковых сред.
Цель нашей работы — подобрать параметры процесса экструзии, обеспечивающие уплотнение порошковой заготовки до практически беспористого состояния при минимально возможном усилии пресса.
Особенности моделирования и основные характеристики процесса экструзии
Математическое моделирование процесса экструзии проводилось с использованием метода конечных элементов. При этом сам порошок рассматривался как пористая среда.
При обработке давлением пористые материалы, в отличие от компактных, деформируются с необратимым изменением объема, увеличивая плотность за счет уменьшения объема пор [4]. Для описания деформации некомпактных металли-
ческих материалов может быть применен математический аппарат механики сплошных сред, т. е. та же теория пластического течения, на базе которой исследуются процессы обработки давлением компактных материалов. Но для этого необходимо сформулировать условие пластичности уплотняемого материала и определить механические свойства в зависимости от пористости.
Здесь рассматривается возможность анализа поведения пористого материала исходя из представления поры как концентратора напряжений [4, 5]. Эта отправная позиция приводит к эллиптическому условию пластичности. Идея представления пористого тела в виде полидисперсной среды с порами позволяет рассчитать пределы текучести на сдвиг и гидростатическое сжатие в зависимости от относительной плотности пористого материала при известном пределе текучести компактного (матричного) материала.
В качестве объектов моделирования используются быстрорежущая сталь марки 10Р6М5-МП, материал капсулы — сталь 20. Капсулы в исходном состоянии имеют высоту А0 = 300 мм и диаметр DH = 150 мм.
В ходе данного моделирования приняты следующие основные допущения:
контейнер, пуансон и матрица — абсолютно жесткие тела;
температура порошкового материала в процессе экструзии постоянна и равна 1100 °С;
модель течения экструдируемого материала — жестко пластическая;
Пуансон
Порошковый материал
Контейнер Капсула
Матрица
коэффициент трения между порошковым экструдируемым телом и матрицей равен коэффициенту трения между порошковым телом и контейнером и имеет значение т = 0,1.
На рис. 1 представлена схематическая иллюстрация процесса горячей экструзии, рассматриваемого в ходе данного математического моделирования. Деформация заготовки в процессе экструзии (редукция), которая определяет вытяжку получаемого прутка, рассчитывается по формуле
R = (DH/DKr
(1)
Рис. 1. Схематическое изображение процесса экструзии
Варианты экструзии с девятикратной вытяжкой
В ходе решения данной задачи были рассмотрены варианты экструзии заготовки диаметром 150 мм в матрицу с выходным отверстием 50 мм. Таким образом, по формуле• (1) Я= 9. Такое значение редукции было выбрано на основании опыта сотрудников ЦНИИ материалов, занимавшихся практическим изучением процесса горячей экструзии [2].
Рассмотрены матрицы с углами раствора 2а, равными 60°, 90° и 120°. Независимо от угла 2а, уплотнение материала достигается за счет его прессования в контейнере , а также за счет уменьшения диаметра заготовки в конической части матрицы.
Можно выделить три характерных стадии уплотнения заготовки. На начальной стадии усилие пресса практически целиком воспринимается стальной оболочкой. Это вызывает перемещение периферийной части донышка по конической поверхности матрицы. Пористый материал на этой стадии является наполнителем стальной оболочки, препятствующим потере устойчивости тонкостенного цилиндра. Относительная плотность порошка на первой стадии изменяется только в области, прилегающей к пуансону. При одинаковом перемещении пуансона область уплотнения больше в заготовке,
а
На второй стадии наблюдается постепенное уплотнение пористого материала по всему объему заготовки. Часть усилия воспринимается уплотняющимся материалом и передается на центральную часть донышка. Помимо первого очага зоны уплотнения (непосредственно под пуансоном), появляется второй очаг, расположенный в верхней части заготовки, под пуансоном. По мере уплотнения заготовки оба очага увеличиваются в размерах и постепенно начинают
б)
Рис. 2. Распределение плотностей заготовок: а — 2а = 120°; б— 2а = 90°; в-2а = 60°
Рис. 3. Распределение плотностей заготовок до начала истечения через выходное отверстие матрицы: а- 2а = 120% б— 2а = 90% в—1а = 60°
охватывать весь объем заготовки (рис. 2). При этом на центральную область заготовки действуют наименьшие напряжения, поэтому эта часть заготовки уплотняется в последнюю очередь.
При достижении заготовкой выходного отверстия матрицы ее продвижение практически останавливается, и происходит уплотнение порошкового материала. При этом наибольшая плотность, достигнутая перед началом истечения заготовки через выходное отверстие матрицы, наблюдается в случае экструзии в матрицу с уг-
аа (рис. 3). Данный факт, по-видимому, обусловлен большей протяженностью очага деформации а
тяженностью участка, на котором действуют повышенные силы трения.
Третий этап связан с истечением заготовки через выходное отверстие матрицы и формированием его конечного диаметра. При этом наблюдается стремительное доуплотнение заготовки до практически беспористого состояния (рис. 4). Вариант экструзии с этого момента начинает подчиняться законам течения компактного материала. После экструзии получается пруток, имеющий плотность компактного материала, за исключением небольшой зоны пониженной плотности в заходной части заготовки.
Можно отметить появление разнотолщинно-сти оболочки, вызванной, по-видимому, значительными силами трения (рис. 5). Разнотолщин-
а
В данной задаче не обнаружено существенных различий в получаемых после моделирова-
о)
Рис. 4. Заключительная стадия уплотнения заготовки при различных значениях перемещения пуансона Ай: а — Ай = 105 мм; б — Ай = 115 мм; в —Ай = 120 мм, г — Ай = 128 мм
Рис. 5. Разнотолшинность оболочки: а — 2а = 120°; б— 2а = 90°; в — 2а = 60°
нии экструзии прутках — все они имеют практически идентичную зону пониженной плотности, протяженность которой составляет 60—70 мм. В данном случае значительная вытяжка оказывает на процесс экструзии намного большее вли-
а
а
влияния на развиваемое усилие пресса (рис. 6). Максимальное значение развивалось при соблюдении двух условий:
достижения заготовкой компактной плотности;
преодоления заготовкой выходного отверстия матрицы.
а
ление развивалось при больших перемещениях пуансона, что целиком объясняется конструктивным отличием матриц (в случае меньшихуг-а
на большем удалении от ее заходной части).
Усиление пресса.
О 50 100
Перемещение поршня, мм
Рис. 6. График изменения усилия пресса (-*-- 90-50;-*-- 120-50;-*— 60-50)
Варианты экструзии с четырехкратной вытяжкой
В ходе решения данной задачи были рассмотрены варианты экструзии заготовки диаметром 150 мм в матрицу с выходным отверстием 75 мм. Рассмотрены матрицы с углами 2а равными 60°, 90° и 120°.
Протекание первого этапа не отличается от рассмотренного выше варианта с большей вытяжкой. Отличия данного варианта вытяжки начинаются при достижении заготовками выходного отверстия матрицы: вследствие его большего диаметра истечение заготовок из контейнера начинается при достижении меньших плотностей (рис. 7).
Как и в случае с большей вытяжкой, на центральную часть заготовки действуют наименьшие напряжения, в результате чего эта часть заготовки достигает полного уплотнения в последнюю очередь (рис. 8). Так, в этом варианте экструзии (матрица диаметром 75 мм) ликвидация центральной зоны пониженной плотности происходит уже после выхода части заготовки из матрицы, т. е. уже на третьей стадии процесса экструзии.
Несмотря на различный характер уплотнения заготовок, протяженность зоны пониженной плотности (менее 99 %) при всех рассмотренных а
100 мм). Это значение несколько больше, чем в случае экструдирования через матрицу диаметром 50 мм. Тем не менее в данном случае не наблюдается наплывов оболочки, приводящих к значительной ее разнотолщинности, при всех а
ство указывает на более благоприятные условия, создаваемые для последующей операции удаления оболочки, и меньшие потери основного металла в ходе этой операции.
Рис. 7. Распределение плотностей заготовок до начала истечения через выходное отверстие матрицы: а - 2а = 120°: б— 2а = 90°: в - 2а = 60°
Рис. 8. Третья стадия экструзии заготовок а - 2а = 120% б— 2а = 90% в - 2аб = 60°
Перемещение поршня, мм
Рис. 9. График изменения давления пресса (_#_- 120-75; -- 90—75; -#-- 60-75)
Рис. 10. Третья стадия процесса экструзии а- 2а = 150: б— 2а = 120; е - 2а = 90; г - 2а = 60
В осевой части заготовки у вариантов с угла-аа пониженная плотность (97 %), что может служить доказательством недостаточности четырехкратной вытяжки для этих вариантов. Увеличе-а
улучшению условий уплотняемости материала, а лишь вызывает образование разнотолщинно-сти оболочки из-за повышенных сил трения.
Необходимое давление пресса при данной вытяжке так же практически не зависит от угла а
Варианты экструзии с двукратной вытяжкой
В ходе решения данной задачи были рассмотрены варианты экструзии заготовки диаметром 150 мм в матрицу с выходным отверстием 100 мм.
а
90°, 120° и 150°. При этом не удалось достигнуть полного уплотнения заготовки ни при одном из
а
рует рассматриваемые варианты на третьей стадии процесса. Зона полного уплотнения наблюдается лишь в локальной области каждой заготовки в районе матрицы. Очевидно, что при продолжении процесса экструзии материал, находящийся в контейнере , будет продолжать уплотняться (в основном за счет прессования). Однако значительная протяженность зоны по-
ниженной плотности при таком значении вытяжки приводит к сильному снижению коэффициента использования металла.
Сравнение всех рассмотренных вариантов
а
ми позволяет сделать вывод о том, что изменение вытяжки оказывает более сильное влияние на уплотнение заготовки при экструзии и энергосиловые параметры данного процесса. Наилучший вариант — процесс экструзии в матри-а
отверстия 75 мм (вытяжка X = 4). Уменьшение а
чению зоны пониженной плотности вдоль оси
а
сопровождается возрастанием сил трения и необходимого давления пресса без существенного качественного влияния на уплотняемость заготовки.
Результаты данного компьютерного моделирования были использованы в ходе опытно-промышленной экструзии заготовок в условиях предприятия ОАО «Полема» (г. Тула). Усилие пресса в ходе экструзии составляло 280—300 т. Расчетные данные достаточно точно воспроизводятся экспериментально. Порошковая сталь была уплотнена до компактного состояния. Исследования структуры полученных прутков приведены в работе [7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гиршов, В.Л. Порошковая быстрорежущая сталь с дисперсной структурой [Текст] / В.Л. Гиршов // Вопросы материаловедения,— 2008. N° 2,— С. 33-42.
2. Гиршов, В.Л. Процессы порошковой металлургии / В.Л. Гиршов,— СПб.: Изд-во СПбГПУ,
2003,- С. 113
3. Ernst, I.C. ESP4 and TSP4, a comparison of spray formed with powdermetallurgically produced cobalt free high-speed steel of type 6W-5Mo-4V-4Cr |Текст| / l.C. Ernst, D. Duh // Journal of materials science.- 2004. № 39,- P. 6831-6834.
4. Рыбин, Ю.И. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением [Текст] / Ю.И. Рыбин, А.И. Рудской, A.M. Золотое.— СПб.: Наука,
2004,- 640 с.
5. Рудской, А.И., Модель пористого материала и условие пластичности пористых тел [Текст] /
А.И. Рудской, Ю.И. Рыбин, А.Э. Атександров // Научно-технические ведомости СПбГПУ,— 2008. №4(63).- С. 249-254.
6. Поляков, А.П. Теория и моделирование процессов экструзии и динамического прессования пористых металлических материалов: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. / А.П. Поляков,— Перм. гос. техн. ун-т, Пермь, 2008,— 35 с.
7. Dyi-Cheng, С. Finite element simulation on high extrusion-ratio hydrostatic extrusion of porous material [Текст| / С. Dyi-Cheng, Y. Ci-Syong // The Arabian Journal of Science and Engineering.— 2009. N° 34,— P. 11-19.
8. Мазуров, С.А. Исследование структуры порошковой быстрорежущей стали [Текст] / С.А. Мазуров, В.Л. Гиршов, В.Н. Цеменко // Современные металлические материалы и технологии: Труды междунар. научно-техн. конф..— СПб.: Изд-во Политех" ун-та., 2011,- С. 103-106.
