CC BY
18
УДК 621.777
О СКОРОСТНЫХ РЕЖИМАХ ДЕФОРМИРОВАНИЯ В КОНТЕЙНЕРЕ ПРИ ПРЯМОМ ПРЕССОВАНИИ
Ю.Н. Логинов, докт. техн. наук (ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет», e-mail:unl@mtf.ustu.ru), ^^^^^^^^^ Л.В. Антоненко, аспирантка (ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод»)
Изучены причины неравномерного распределения скоростей деформации в полости контейнера при прямом прессовании. Показано, что процесс прямого прессования характеризуется значительными вариациями скорости деформации и интенсивности скорости деформации сдвига. Расчеты, выполненные методом конечных элементов, показывают, что при одинаковой скорости перемещения пуансона различия скоростей деформации или интенсивности скоростей деформации сдвига могут достигать 20-кратной величины. Предложено учитывать различия в скоростном режиме деформирования в контейнере сплавов с эффектом структурного упрочнения при прессовании.
Ключевые слова: деформация, прямое прессование, скорость деформации, интенсивность скорости деформации сдвига, метод конечных элементов.
On Strain Rate Conditions in the Container during Direct Extrusion. Yu.N. Loginov, L.A. Antonenko.
Causes of unsteady distribution of strain rates in the container chamber during direct extrusion have been studied. It was found that the direct extrusion process is characterized by noticeable variations in strain rates and in intensity of the shearing strain rate. Calculations executed using the finite-element method show that at the same rate of ram travel distinctions in the strain rates or in intensity of the shearing strain rates can reach a 20-fold value. It is offered to take into account distinctions in strain rate conditions in the press container in case of deformation of alloys showing the structural strengthening effect during extrusion.
Key words: strain, direct extrusion, strain rate, intensity of the shearing strain rate, finite-element method.
Актуальность проблемы
Известно, что на характер течения металла при прессовании оказывает большое количество факторов. Например, исследователи отмечают, что деформация разных материалов может протекать по-разному - с большей или меньшей локализацией пластической зоны, наличием, отсутствием или разной величиной жестких зон. Происходит это по многим причинам, среди которых можно выделить конфигурацию очага деформации, соотношение между напряжениями трения и сопротивлением деформации, неоднородность температурного поля, фазовые превращения в металлах и сплавах и др.
В ряде известных монографий, посвященных теории и практике прессования [1-4], отмечается, что может существовать от трех
до пяти конфигураций пластической зоны очага деформации, в первую очередь, в зависимости от граничных условий и свойств прессуемого материала. Несмотря на это, в большинстве расчетов напряженно-деформированного состояния прессования превалирует одна из схем, основанная на локализации пластической зоны вблизи отверстия матрицы. Такая схема долгое время позволяла с допустимой погрешностью определять энергосиловые параметры процесса прессования, но не позволяла достаточно адекватно оценивать деформированное состояние, которое в большой степени влияет на формирование механических свойств пресс-изделия. Однако в последнее время во главу угла работы предприятий вышли показатели именно качества продукции, одним из основ-
ных критериев которого являются механические характеристики получаемого материала, связанные со скоростным режимом деформирования.
Упрощенный анализ влияния формы очага деформации на скоростные параметры
Если ограничить конфигурацию пластической зоны в деформационной области сферическими поверхностями (к чему прибегают исследователи [1, 2]), то в упрощенном виде получим два варианта очага деформации (ОЧПЗ) при прессовании, изображенные на рис. 1, где слева показан очаг деформации (ОЧПЗ) с его локализацией около матрицы, а справа - вытянутый вдоль оси очаг деформации. Кроме этого, на рисунке показана протяженность части заготовки -п, которая будет оставлена в пресс-остаток. В упрощенном случае ее можно рассматривать как еще одну жесткую зону, не участвующую в формировании пресс-изделия.
В ходе прямого прессования деформируемый материал перемещается вдоль оси прессования по направлению к матрице, проходя через пластическую зону и формируя пресс-изделие. На место материала, покинувшего
очаг деформации, приходит материал из жесткой зоны, за счет чего ее протяженность уменьшается. Этот процесс прессования без учета поэтапного влияния трения обладает стационарностью до тех пор, пока материала в жесткой зоне достаточно для подпитки пластической зоны. В идеальном случае стационарность процесса обеспечивает постоянство деформированного состояния в очаге деформации. Поскольку уровень деформаций обеспечивает заданный для пресс-изделия уровень свойств, то их постоянство будет обеспечиваться до тех пор, пока существует жесткая зона на длине -жз.
Из рис. 1 видно, что для случая равномерного течения величина - оказывается боль-
жз
шой, поэтому можно надеяться на стабильность механических свойств по длине изделия, в противном случае свойства оказываются нестабильными, склонными к изменению по длине изделия. Особенно нестабильны свойства, если прессование ведется вблизи линии фазового перехода на диаграмме состояния сплава. В этом случае часть заготовки может находиться в состоянии одной фазы, а соседние области - в состоянии другой фазы. Истечение материала окажется неравномерным: вначале вытечет через от-
Рис. 1. Схемы прессования с малой (а) и большой (б) протяженностью обжимающей части пластической зоны 1п при различных соотношениях величин жесткой зоны 1жз и пресс-остатка 1п:
1 - пуансон с пресс-шайбой; 2 - заготовка; 3 - контейнер; 4 - матрица
верстие матрицы более мягкая фаза, а за ней - более твердая фаза. Такой вариант характерен, например, для прессования (а+#)-лату-ней. В результате технологическим службам предприятий иногда становится трудно вписаться в допуски по механическим свойствам изделий.
Большинство алюминиевых сплавов попадают в группу материалов, которые деформируются при прессовании по идеализированной схеме (см. рис. 1, б, не учтено влияние трения), поэтому равномерность распределения свойств по длине изделия при прямом прессовании оставляет желать лучшего [57]. Дополнительное влияние на неравномерность свойств оказывает трудность поддержания постоянного температурного режима из-за тепловыделения за счет работы деформации и трения.
Деформированное состояние описывается в категориях степени и скорости деформации. Неравномерность их распределения по очагу деформации оказывается различной. Возможен такой вариант, когда при одинаковой скорости перемещения пуансона будет достигнута одинаковая степень деформации, но при различных эпюрах скоростей деформации. Это можно проиллюстрировать на примере рассмотрения схем деформации (см. рис. 1). При одинаковой скорости перемещения пуансона частица деформируемого материала вынуждена будет пройти длинный путь преодоления пластической зоны Lпз по схеме рис. 1, б и короткий путь - по схеме рис. 1, а. Таким образом, время нахождения частицы в пластической зоне оказывается различным, оно больше при длинной пластической зоне, поэтому здесь скорость деформации окажется меньше.
По методике И.Л. Перлина средняя скорость деформации определяется по формуле
как частное от деления логарифма
коэффициента вытяжки 1п8 на время нахож-
V
дения металла в очаге деформации тд = -21-,
Вс
где V - объем пластической зоны; В -
" пз 'с
секундный объем. Из рис. 1 видно, что объем пластической зоны и время т во втором
случае оказываются больше, чем в первом, а значит, скорость деформации окажется меньше при одинаковой скорости перемещения инструмента.
Указанный подход является упрощенным, потому что он не учитывает влияния трения с распределением дополнительных сдвиговых деформаций по очагу деформации.
Однако можно отметить, по крайней мере, два аспекта, в соответствии с которыми влияние скорости деформации для прессования окажется важным. Во-первых, от скорости деформации нелинейно зависит величина сопротивления деформации, поэтому при изменении скорости произойдет изменение напряженного состояния в очаге деформации, что скажется и на деформированном состоянии. Во-вторых, как это следует из работ Ю.М. Вайнблата с сотрудниками [8, 9], скорость деформации непосредственно влияет на достижение либо полигонизованного, либо рекристаллизованного состояния ряда алюминиевых сплавов, а значит, напрямую и в большой степени определяет их свойства. Влияние скорости прессования на характер рекристаллизации поверхностного слоя потока алюминиевых сплавов установлено, например, в исследованиях Института деформации металлов (США) и технического центра фирмы Alcoa [10].
Методы оценки деформированного состояния, основанные на построении кинематически возможных скоростей в виде подходящих зависимостей, мало подходят для анализа распределения скоростей деформации. Из-за нестыковки полей скоростей в жесткой и пластической зонах приходится прибегать к понятиям поверхностей разрывов и оценивать соответствующие диссипации энергии на них. На этих поверхностях скорости деформации равны бесконечности, что не соответствует физике процесса деформации, а является нежелательным допущением. В связи с этим для анализа ситуации придется применить метод конечных элементов*, свободный от этих недостатков.
* Примечание научного редактора. Метод конечных элементов весьма полезен для определения качественных скоростных зависимостей, но вносит известную погрешность в численных расчетах.
Методика расчета деформированного состояния
Для оценки реальной ситуации применен программный модуль РАПИД - 2Э, разработанный в Уральском государственном техническом университете - УПИ (© Полищук Е.Г., Жиров Д.С. 2000-2004). Модуль предназначен для решения задач пластического формоизменения вязких сред в осесимметричной постановке методом конечных элементов.
Расчет выполнен применительно к прессованию при комнатной температуре модельного материала для горячей деформации -технического свинца. В пользу принятия такого решения говорила возможность проведения физического моделирования на реальном материале и возможность постановки задачи в изотермических условиях, чтобы не усложнять последующий анализ поправками на влияние процессов теплопередачи.
Реализована следующая постановка задачи. Прессованию через плоскую матрицу подвергали заготовку диаметром 50 мм с истечением прутка диаметром 25 мм при коэффициенте вытяжки 4. Применение такого небольшого коэффициента вытяжки позволяет анализировать поведение координатной сетки без слияния линий сетки как в вычислительном эксперименте, так и при физическом моделировании. Кривые упрочнения свинца назначили в соответствии со справочными данными.
Постановку осуществили в двух крайних вариантах - отсутствие трения и максимальное трение - соответственно с показателями трения по Зибелю ;=0 и ;=1. Методика обработки результатов заключалась в следующем. Процесс прессования прутка разбит на ряд ступеней (шагов) по ходу выдавливания металла. На каждой ступени внутри пластической зоны по линиям равного уровня интенсивности скорости деформации сдвига Н находили на оси заготовки и на ее периферии точки, где значение Н оказывалось максимальным, соответственно Нцах и Н™зх. Для приведения их к безразмерному виду использовали критерии в соответствии с формулами:
где V - скорость перемещения пуансона; О - диаметр заготовки, равный диаметру полости контейнера.
Кинематику процесса описывали введением безразмерного критерия -/О, где - -текущая длина заготовки, оставшейся в контейнере.
Отметим, что интенсивность скоростей деформации сдвига Н связана со скоростью деформации < известным соотношением
Н = ^3£,. Таким образом, эти два понятия совпадают с точностью до константы.
Применяемый алгоритм расчета позволяет наносить на продольное сечение заготовки линии координатной сетки с заданным шагом. Это дает возможность сравнить полученные расчетные результаты с данными эксперимента. На рис. 2 изображены варианты расчета для двух крайних значений показателя трения ;=0 и ;=1 при одном и том же значении -/0=0,5. Как видно из рис. 2, при прессовании без трения сохранена зона не-деформированных ячеек сетки в области, примыкающей к пресс-шайбе. Ячейки, примыкающие к матрице, подверглись осадке, но не выдавлены через отверстие матрицы. Вертикальные линии сетки прогнуты выпуклостью в сторону периферии.
При прессовании с предельным трением зона недеформированных ячеек отсутствует во всем объеме, за исключением жестких («мертвых») зон вблизи матрицы. Ячейки, примыкающие к матрице, не подверглись осадке и не имеют тенденции к перемещению из отверстия матрицы. Вертикальные линии сетки прогнуты выпуклостью к центру заготовки.
Опытные данные и их обсуждение
Для подтверждения такого характера распределения деформаций выполнен эксперимент с использованием заготовки из технического свинца диаметром 50 мм, прессуемой без смазки через матрицу диаметром 25 мм с коэффициентом вытяжки 4. Понятно, что в этом случае условия деформации соответствуют промежуточным между условиями деформации без трения и с предельным
Рис. 2. Изменение координатной сетки по результатам расчета при 1/й=0,5; ;=0 (а) и ;=1 (б) и в условиях прессования без смазки в экспериментах авторов (в) и по работе [4] при 1/й=0,75 (г)
Общим признаком, характерным для рассмотренных расчетных моделей и результатов опытов, является наличие зоны интенсивной
трением. Нанесенная на продольную поверхность разъема заготовки координатная сетка позволила отследить картину течения металла при ¿./0=0,5 (рис. 2, в). Для сравнения на рис. 2, г представлены данные прессования [4, с. 197], выполненного на том же материале при том же коэффициенте вытяжки, но зафиксированные при ¿/0=0,75. Оба случая прессования осуществлены без смазки. Общим признаком двух схем является наличие жесткой зоны вблизи матрицы, но по схеме на рис. 2, в протяженность зоны меньше, а в верхней части очага деформации есть зона недеформированных ячеек. По данным работы [4] при прессовании без смазки деформацией охвачен весь объем заготовки в контейнере. Скорее всего, разница в схемах обусловлена различной чистотой обработки инструмента.
деформации сдвига с растяжением, примыкающей к рабочей кромке матрицы. Несмотря на примерно одинаковую скорость истечения металла из матрицы в центре и на периферии (по условию неразрывности потока), скорость деформации может оказаться ощутимо различной из-за существенных дополнительных сдвиговых деформаций в этой зоне. На приведенных схемах это проявляется в виде слияния и размывания линий координатной сетки в зоне интенсивной деформации.
Определение скоростей в кинематике процесса прессования
В результате пошаговой процедуры решения задачи фиксировали значения и Нтзх,
рассчитывали величины H0 и Нп заносили их в таблицу, а по табличным данным строили графики зависимости H0 и Нп от параметра L/D (рис. 3). Для того чтобы охватить теоретически возможный диапазон условий трения, показатель трения ; изменяли от нуля до единицы. Таким образом, процессы с реальными значениями показателя трения оказались внутри диапазона, что позволяет хотя бы качественно предсказывать возможный результат прессования в производственной или лабораторной практике. На рис. 3 два графика при r/R=0 (центр заготовки) и при r/R=1 (периферия заготовки) образуют заштрихованную область, внутри которой расположены все точки с ординатами H0 при изменении параметра r/R от 0 до 1.
Выявили, что при ;=1 зависимость H0 от L/D обладает минимумом, по крайней мере, в области определения 0,3<L/D <1,5 как для центра заготовки (r/R=1), так и для периферии (r/R=0). При этом значения H0 оказываются выше на периферии примерно в 4-7 раз
Рис. 3. Изменение безразмерной интенсивности скорости деформации сдвига при уменьшении относительной длины заготовки в контейнере при коэффициенте вытяжки 8=4, показателе трения ;=1 (а) и ;=0 (б)
по отношению к значениям Н0 в центре, что объясняется локализацией дополнительных сдвигов в периферийной зоне. Минимум функции Н= (1/0) приходится на значение -/0=0,8. Его наличие можно объяснить сменой характера течения металла: при длинном очаге деформации (-/0>0,8) по мере выдавливания металла из контейнера происходит, как известно, изменение дополнительных сдвиговых деформаций. При коротком очаге деформации (-/0<0,8) дополнительные сдвиги другого вида появляются вследствие приближения к матрице контактной поверхности пресс-шайбы, где действуют значительные напряжения трения.
В пользу такого объяснения говорят графики Н= (-/0), полученные для прессования при отсутствии трения при координате г/И=1. Они имеют вид убывающей по ходу выдавливания металла функции. Поскольку здесь трение отсутствует, а тенденция уменьшения Н0 по ходу прессования сохраняется, то влияние жесткой зоны становится очевидным. Повышенные значения Н0 на периферии здесь также имеют место, однако их разница по отношению к Н0 в центре не так велика и сводится на нет при -/0=0,2, что соответствует условиям окончания процесса прессования перед удалением пресс-остатка.
Если сравнить наибольшие и наименьшие показатели интенсивности скорости деформации в течение всего процесса, в том числе определенные как на периферии, так и в центре заготовки, то выявится следующий факт. Минимальное значение Н0 равно 10, а максимальное 200, т. е. наблюдается 20-кратное отличие этого параметра в объеме заготовки за время ее прессования при поддержании постоянной скорости перемещения инструмента.
Следует отметить, что в данной работе выполнен анализ, характеризующий качественное влияние условий трения в широком диапазоне, конкретную информацию о количественных показателях трения придется получать по результатам экспериментов, например, по методике, изложенной в статье [11].
Таким образом, выше было показано, что прямое прессование при умеренных коэффициентах вытяжки и умеренных отношени-
ях длины заготовки к ее диаметру сопровождается значимыми изменениями интенсивности скорости деформации сдвига, а, следовательно, и скорости деформации, что может оказывать влияние на формирование потребительских характеристик пресс-изделий, например, из сплавов, обладающих эффектом структурного упрочнения. Выявление большого диапазона колебаний параметра скорости деформации (примерно до порядка измеряемой величины) при сохранении постоянной скорости истечения свидетельствует о возможности перехода прессуемого материала из состояния динамической рекристаллизации к динамической по-лигонизации и наоборот. Отмеченный эффект может усиливаться при воздействии температурных полей, характерных для прессования, постадийно изменяющихся условий трения и т. д., влияющих на степень проявления пресс-эффекта, крупнокристал-
лических ободков и неоднородности распределения потребительских характеристик в пресс-изделиях.
Выводы
1. Процесс прямого прессования сопровождается значительными изменениями в объеме заготовки величин скорости деформации и интенсивности скорости деформации сдвига при одинаковой скорости перемещения инструмента.
2. Расчетно-аналитическое исследование, выполненное методом конечных элементов, показывает, что при одинаковой скорости перемещения пуансона эти изменения скорости деформации или интенсивности скорости деформации сдвига могут достигать 20-кратной величины.
3. Различия в скоростном режиме должны учитываться при прессовании сплавов с эффектом структурного упрочнения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жолобов В.В., Зверев Г.И. Прессование металлов. - М.: Металлургия, 1971. - 455 с.
2. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия, 1975. -448 с.
3. Шевакин Ю.Ф., Грабарник Л.М., Нагай-
цев А.А. Прессование тяжелых цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1987. -246 с.
4. Щерба В.Н., Райтбарг Л.Х. Технология прессования металлов. - М.: Металлургия, 1995. - 336 с.
5. Логинов Ю.Н., Буркин С.П., Сапунжи В.В. Влияние структуры прессованной полосы алюминиевого сплава 6061 на изменение ее поперечных размеров при правке растяжением// Цветные металлы. 2002. № 7. С. 71-74.
6. Прессование алюминиевых сплавов/Под ред. П.И. Полухина. - М.: Металлургия, 1974. -336 с.
7. Логинов Ю.Н., Дегтярева О.Ф., Антоненко Л.В.
Особенности формирования свойств горяче-
прессованной заготовки из сплава АМг6 //Обработка материалов давлением: КШП ОМД. 2007. № 6. С. 14-17.
8. Вайнблат Ю.М. Диаграммы структурных состояний и карты структур алюминиевых сплавов //Металлы. 1982. № 2. С. 82-89.
9. Вайнблат Ю.М., Ланцман П.Ш., Шарша-гин Н.А. Диаграммы структурных состояний го-рячедеформированных алюминиевых спла-вов//Известия вузов. Цветная металлургия. 1974. № 1. С. 155-160.
10. Van Geertruyden W.H., Browne H.M., Misio-lek W.Z., Wang P.T. Evolution of surface recrystallization during indirect extrusion of 6xxx aluminum alloys//Metallurgical and Materials Transactions A. April 2005. V. 36. № 4. P. 10491056.
11. Бережной В.Л. О развитии методов исследования трения для оптимизации прессования на базе экспериментально-промышленного моду-ля//Технология легких сплавов. 2009. № 4. С. 62-72.
