CC BY
20
УДК 621.771
А.М. Золотов, Р.А. Паршиков, Н.Ю. Боклаг, С.В. Паршин, Е.В. Трутнев
ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ В 5-ОБРАЗНОМ КАНАЛЕ
Целью настоящей работы было изучение кинематики течения металла при комбинированном процессе экструзии и равноканального углового прессования (РКУП) в ¿-образном канале и анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) в металле заготовок, подвергнутых этому процессу.
Схема процесса приведена на рис. 1
Особенностью этого комбинированного процесса является возможность получения длинномерных заготовок из различных материалов с использованием процессов интенсивной пластической деформации (РКУП в ¿-образном канале), что представляет большой практический интерес [1, 2].
Моделирование процесса проводилось с помощью программного комплекса «MuШdef», реализующего метод конечных элементов (МКЭ) и позволяющего решать термоэласто-пластические задачи.
При моделировании процесса экструзии рассматривалось течение металла в условиях осе-симметричной деформации, а при моделировании процесса РКУП — течение металла в условиях плоско-деформированного состояния (ег = 0).
Так как процессы деформирования при экструзии и РКУП — нестационарны, они разбивались на ряд шагов по времени, для каждого из которых определялось НДС в металле для текущего момента времени.
Поскольку условия деформирования при экструзии и РКУП различаются, моделируя комбинированный процесс его разбивали условно на два перехода: процесс экструзии заготовок и процесс РКУП в ¿-образном канале.
Кривые пластичности для исследуемых материалов определялись экспериментально методом осадки образцов (рис. 2).
В модели коэффициент трения на контактной поверхности между заготовкой и инструментом задавался равным 0,2.
Сетка конечных элементов состояла из 600 изопараметрических квадратичных элементов с 1941 узлами.
Геометрия матрицы для экструзии представлена на рис. 3.
На рис. 4 и 5 отражены стадии процесса течения металла при РКУП в ¿-образном канале.
Как видно из геометрии элементов сетки, в результате экструзии зона, прилегающая к оси заготовки, в основном деформируется за счет удлинения вдоль оси. А зоны, прилегающие к контактной поверхности матрицы, подвергаются, кроме линейных, еще и значительным сдвиговым деформациям, что связано с трением на контактной поверхности и углом захода матрицы.
Рис. 1. Схема комбинированного процесса экструзии и равноканального углового прессования в ¿-образном канале
Предел текучести, МПа
Деформация
Рис. 2. Кривые теккучести меди при осадке образцов (--НСР — 99,5 %; — OFE — 99,9 %).
После 27-й стадии процесс в дальнейшем до его окончания развивается как стационарный.
На рис. 6—16 представлены распределения параметров напряженно-деформированного состояния металла в заготовке при экструзии.
Как видно из рис. 10, в результате экструзии в металле заготовки накапливаются пластические деформации, достигающие значений порядка 140-200 %.
При моделировании процесса РКУП рассматривалось течение металла в условиях плоско-деформированного состояния (ег = 0). Поскольку процесс деформирования при РКУП нестационарен, он разбивался на ряд шагов по времени, для каждого из которых определялось НДС в металле для данного момента времени.
На рис. 17 приведена геометрия ¿-образного канала и значения геометрических параметров.
Рис. 3. Геометрия матрицы для экструзии
Стадия 1 Стадия 10 Стадия 15 Стадия 20
Рис. 4 Стадии процесса экструзии заготовки (стадии 1—20)
67 ТМ0 <1 75Ж
Стадия 22 Стадия 25 Стадия 30
Рис. 5. Стадии процесса экструзии заготовки (стадии 22—30)
Рис. 6. Распределение радиальных деформаций ег в образце при экструзии
Рис. 7. Распределение деформаций ег в образце при экструзии
Рис. 8. Распределение тангенциальных деформаций ее в образце при экструзии
Рис. 9. Распределение сдвиговых деформаций у17 в образце при экструзии
Рис. 10. Распределение интенсивности деформаций е(- в образце при экструзии
Рис. 11. Распределение радиальных напряжений аг в образце при экструзии
Рис. 12. Распределение напряжений стг в образце при экструзии
Рис. 14. Распределение касательных напряжений т17 в образце при экструзии
Рис. 15. Распределение средних напряжений ст0 (гидростатического давления)
в образце при экструзии
Рис. 16. Распределение интенсивности напряжений <5( в образце при экструзии
В модели коэффициент трения на контактной поверхности между заготовкой и инструментом задавался равным 0,2. Сетка конечных элементов состояла из 420 изопараметрических квадратичных элементов с 1365 узлами.
На рис. 18 представлены стадии процесса течения металла при РКУП.
Как видно из представленных стадий процесса течения металла, он имеет несколько характерных этапов. В начале процесса течения (рис. 18, стадии 10 и 20) происходит изгиб образца в канале. Затем образуется так называемый «нос» на передней части заготовки (рис. 18, стадии 20 и 30).
После прохождения передней частью заготовки горизонтальной части канала ее вершина упирается в вертикальную стенку нижней части канала (стадия 32), возникает новая зона контакта на этой поверхности, которая постепенно расширяется по мере продвижения заготовки в канале (стадии 34—60). Возникает второй изгиб заготовки. Контакт в горизонтальной зоне канала происходит только по нижней стенке, т. е. верхний угол еще не заполнен.
Далее происходит последовательное заполнение нижней части канала, а горизонтальная часть канала заполняется полностью, т. е. в ней возникает двухсторонний контакт (стадии 65—80).
Рис. 17. Геометрия 5-образного канала и значения геометрических параметров: Ф = 105°, Я = 10 мм, г = 5 мм, Ь = 20 мм, I = 10 мм
Стадия 32
Стадия 34
Стадия 36
Стадия 38
Стадия 41
Стадия 45
Рис. 18. Стадии процесса течения металла при РКУП в ¿-образном канале
Стадия 90
Стадия 100
Рис. 18. Окончание
Рис. 19. Распределение напряжений ах в заготовке при РКУП
Рис. 20. Распределение напряжений сту в заготовке при РКУП
Рис. 21. Распределение сдвиговых напряжений тху в заготовке при РКУП
-14.5714
138.0476 ЗЗО.6667
Рис. 22. Распределение напряжений стг в заготовке при РКУП
Рис. 23. Распределение средних напряжений ст0 (гидростатического давления)
в заготовке при РКУП
Рис. 25. Распределение деформаций ех в заготовке при РКУП
Рис. 26. Распределение деформаций еу в заготовке при РКУП
Рис. 27. Распределение сдвиговых деформаций уху в заготовке при РКУП
Рис. 28. Распределение интенсивности деформаций е(- в заготовке при РКУП
После этого этапа, как можно судить по геометрии сетки конечных элементов, в образце создаются почти равномерные сдвиговые деформации (стадия 100). Такое деформированное состояние сохраняется до конца процесса.
На рис. 19—28 представлено распределение параметров напряженно-деформированного состояния в заготовке.
Рис. 28 демонстрирует, что при прохождении канала данной формы в заготовке накапливаются деформации в пределах 170—240 %. Таким
образом, суммарные накопленные деформации в заготовке при комбинированном процессе экструзии и РКУП в ¿-образном канале могут достигать 300—400 %, что должно существенно сказаться на структуре и свойствах получаемых заготовок. Кроме того, следует учесть: данный процесс позволяет получать длинномерные заготовки, что имеет значительный практический интерес.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рудской, А.И. Наноструктурированные металлические материалы [Текст] / А.И. Рудской.— СПб.: Наука, 2011.— 207 с.
1. Рудской, А.И. Анализ особенностей деформи-
рования заготовок методами интенсивной пластической деформации [Текст] / А.И. Рудской, А.М. Золотов, Р.А. Паршиков, Е.С. Смирнов // Металлообработка.— 2009. № 6(54).— С. 41-43.
