CC BY
15
УДК 621.778
РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА «ПРОКАТКА - РАВНОКАНАЛЬНОЕ УГЛОВОЕ ПРЕССОВАНИЕ»
^айзабеков А.Б., Дежнев С.Н.,"Панин Е.А., 3Койнов Т.А
1Рудненский индустриальный институт, г. Рудный, Республика Казахстан
'Карагандинский государственный индустриальный университет, г. Темиртау, Республика Казахстан 3Университет химической технологии и металлургии, г. София, Болгария
1. Введение
В нынешних условиях дефицита энергетических и сырьевых ресурсов весьма актуальна проблема энергосберегающих технологий, в том числе и при получении материалов со свойствами, сочетающими одновременно высокую прочность и пластичность.
Подобное уникальное сочетание свойств характерно для субультра- и ультрамелкозернистой (СУМЗ и УМЗ) формы структурного состояния материалов с преобладанием болынеугловых межзеренных границ. Известные результаты применения СУМЗ материалов в машиностроительной и медицинской отраслях, показывают их большое будущее и спрос на изделия из таких материалов.
Однако рост спроса существенно ограничивается высокой стоимостью производства изделий из таких материалов, обусловленной высокой энерго- и трудоемкостью их производства. Наиболее распространенный и изученный метод получения СУМЗ и УМЗ - равно канальное угловое прессование (РКУП) [1], однако недостаток этого и многих других известных процессов состоит в их дискретности, т.е. невозможности обработки изделий относительно большой длины и в необходимости проведения большого числа циклов обработки.
Для решения задачи по внедрению в производство технологии получения СУМЗ материалов методами интенсивной пластической деформации (ИПД) нами была разработана совмещенная технология деформирования «прокатка - равноканальное угловое прессование», позволяющая получать прутки высокого качества с квадратным или прямоугольным сечением. В работах [2-5] были представлены всесторонние исследования данного процесса, показывающие его неоспоримые преимущества перед классическим РКУП. Однако из ряда работ [1, 6-7] известно, что для достижения размера зерна порядка 10"7-^10"9 м, необходимого для формирования СУМЗ структуры, требуется сообщить деформируемому металлу величину эквивалентной деформации 8 > 3. Для достижения такого уровня проработки требуется многоцикловая деформация. В частности, при реализации РКУП нужно не менее 9 циклов [8], а при осуществлении совмещенного процесса «прокатка - равноканальное угловое прессование» требуемое количество циклов сокращается и равно 6-7 [4, 5], что все еще велико. Поэтому дальнейшим направлением развития данного совмещенного процесса является поиск возможных схем реализации процесса, позволяющих сократить количество циклов деформирования, требуемых для получения СУМЗ структуры.
Одним из возможных вариантов этого процесса является использование универсальной клети вместо двух горизонтальных (рис. 1).
00
а)
Рис. 1. Возможные варианты расположения валков
в совмещенном процессе «прокатка-равноканальное угловое прессование»: а - с горизонтальными валками на выходе из матрицы; б - с вертикальными валками на выходе из матрицы
}
б)
В этом случае заготовка при заталкивании в матрицу будет обжиматься по высоте, а на выходе из матрицы, попав во вторую клеть, будет вытягиваться из матрицы, получая обжатие по ширине. В данном случае изменение направления деформации имеет некоторую аналогию с маршрутом ВС [9], известным из ряда работ по РКУП. В нем при многопроходном прессовании направление деформации заготовки изменяется вдоль продольной оси на 90 градусов, что в предлагаемой схеме соответствует прокатке в вертикальных валках.
2. Начальная модель
Для подтверждения гипотезы об эффективности использования вертикальных валков вместо горизонтальных было проведено моделирование совмещенного процесса «прокатка - равноканальное угловое прессование» в программе DEFORM-3D. Начальные размеры заготовки были равны 20x15x350 мм. Условия и допущения, принятые при моделировании:
- материал заготовки до деформации является изотропным, в нем отсутствуют какие-либо напряжения и деформации;
- заготовка была разбита на 180 ООО конечных элементов, со средней длиной ребра элемента 0,5 мм;
- начальная температура заготовки была равна 1150 °С, также учитывался деформационный разогрев и теплопередача от заготовки к инструменту и в окружающую среду;
- инструмент был принят как абсолютно жесткое тело;
- модель заготовки была принята как упруго-пластическая;
- материал заготовки - AISI 1015, соответствующий стали 15;
- коэффициенты трения были приняты в соответствии с рекомендациями из работы [2] - на контакте заготовки и валков - 0,5; на контакте заготовки и матрицы - 0,1;
- скорость вращения валков была равна 60 об/мин.
После расчета обеих моделей на заготовке было создано 70 точек по продольной оси с шагом 5 мм, по которым проводились замеры параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) (рис. 2). Для анализа была выбрана стадия процесса, когда заготовка одновременно прокатывается в обеих парах валков.
Условно заготовку можно разделить на следующие зоны:
1. Зона прокатки в первой паре валков (точки 1-^12).
2. Расстояние между зонами прокатки в 1-ой паре валков и стыков каналов в матрице (точки 13^-31).
3. Зона стыка каналов в матрице (точки 32^-41).
4. Расстояние между зонами стыков каналов в матрице и прокатки во 2-ой паре валков (точки 42-КЮ).
5. Зона прокатки во второй паре валков (точки 61^-70).
а)
б)
Рис. 2. Расположение точек для анализа параметров НДС
Поскольку изучаемые модели отличаются лишь расположением в пространстве второй пары валков, логично будет предположить, что значения параметров будут иметь различия только в последней зоне, в остальных же они будут идентичными.
3. Напряженное состояние
Для анализа напряженного состояния было решено использовать коэффициент Лоде-Надаи. Данный коэффициент позволяет провести оценку природы деформации, возникающей в заготовке, т.е. определить, какой тип деформации реализуется в конкретной точке - растяжение, сжатие или сдвиг.
Расчет коэффициента Лоде-Надаи ведется по формуле
„ = 2*^-1, (1) где сг,. О2 ■ Оъ - главные напряжения, МПа.
Величина коэффициента варьируется от -1 до 1. Значение от 0 до 1 соответствует сжатию; от 0 до -1 соответствует растяжению; значение коэффициента, стремящееся к 0, соответствует сдвигу [10].
При расчете коэффициента Лоде-Надаи были получены следующие результаты (рис. 3). Как и предполагалось, результаты в первых трех зонах оказались полностью идентичными. В первой зоне при прокатке присутствуют как области сжатия (|1 = 0,6-Ю,9), так и области растяжения (|1 = -0,6^--0,8), что является результатом особенности формирования очага деформации при прокатке, в котором имеются зоны отставания и опережения. Аналогичные результаты были получены и в последней зоне при прокатке во второй паре валков. Во второй зоне, на всей ее протяженности развивается деформация сжатия (|1 = 0,95^-1), что является следствием подпора со стороны наклонного канала матрицы. В третьей зоне при прохождении заготовки через каналы матрицы, в деформируемом металле развиваются два типа деформации: сжатие (|1 = 0,6-Ю,85) и сдвиг (|1 = (Ж).2). что является наиболее благоприятной схемой для измельчения исходного зерна.
Рис. 3. Коэффициент Лоде-Надаи
Наиболее интересными являются значения коэффициента Лоде-Надаи, полученные в 4-ой зоне, характеризующей расстояние между зонами стыков каналов в матрице и прокатки во 2-ой паре валков. Здесь значения коэффициента Лоде-Надаи при использовании горизонтальных и вертикальных валков имеют существенные различия. Это объясняется кинетикой и формоизменением заготовки при попадании во вторую пару валков. При наличии второй пары горизонтальных валков заготовка получает повторное обжатие по высоте, при этом требуемая величина обжатия для стабильного протекания процесса значительно меньше, чем в первой паре валков. Вследствие этого заготовка получает значительно меньшую величину уширения. В результате в четвертой зоне развиваются преимущественно растягивающие напряжения (|1= -0,6 -0,8), что является негативным фактором.
При наличии на выходе из равноканальной ступенчатой матрицы пары вертикальных валков заготовка получает второе обжатие по ширине, величина которого соизмерима с обжатием в первой паре валков. Как следствие, в четвертой зоне возникает подпор со стороны валков, тем самым растягивающие напряжения значительно снижаются, вплоть до возникновения зон сжатия (ц= -0,3-Ю,3).
4. Деформированное состояние
Для анализа деформированного состояния был использован такой показатель, как эквивалентная деформация, который в ряде работ именуется как интенсивность деформации. Данный параметр позволяет провести оценку общего уровня накопленной деформации на любой стадии процесса.
Эквивалентная деформация определяется по формуле
еэкв = )" + ~ ез У + (ез - )" » (2)
где 81, 82, 8з - главные деформации.
В результате изучения данного параметра были получены результаты, представленные на рис. 4. При сравнении моделей с горизонтальными и вертикальными валками было установлено, что на первых четырех зонах значения эквивалентной деформации являются идентичными. Разница в значениях появляется лишь в последней зоне, где из-за изменения направления обжатия, в вертикальных валках существенно повышается уровень проработки, тем самым значение эквивалентной деформации повышается: от 0,55-Ю,8 в горизонтальных валках до 0,9-^1,15 в вертикальных валках.
Рис. 4. Эквивалентная деформация 5. Заключение
В данной работе был проведен сравнительный анализ эффективности использования горизонтальных и вертикальных валков в ходе реализации совмещенного процесса «прокатка - равноканальное угловое прессование». Сравнение проводилось на основе изучения НДС обоих вариантов при помощи компьютерного моделирования в программе DEFORM-3D, работающей на основе метода конечных элементов. Для анализа напряженного состояния был использован коэффициент Лоде-Надаи, позволяющий определить тип деформации, реализующийся в конкретной точке - растяжение, сжатие или сдвиг. Для анализа деформированного состояния был использован такой показатель, как эквивалентная деформация, который позволяет провести оценку общего уровня накопленной деформации. В ходе сравнительного анализа параметров НДС было выявлено, что использование вертикальных валков на выходе из матрицы в ходе осуществления совмещенного процесса «прокатка -равноканальное угловое прессование», позволяет добиться более благоприятной картины распределения НДС в металле.
Список литературы
1. Валиев Р., Александров И. Объемные наноструктурные металлические материалы. М.: Академкнига, 2007. 398 с.
2. Е. Panin, S. Lezhnev, A. Naizabekov, Т. Koinov, Theoretical grounds of the combined "rolling - equal-channel step pressing" process. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 51, 5, 2016. Pp. 594-602.
3. S.N. Lezhnev, A.B. Naizabekov, Ye.A. Panin, Theoretical studies of the joint "extrusion-rolling" process aimed at making sub-ultra fine - grained structure metal, 20th Anniversary International Conference on Metallurgy and Materials (Metal 2011), May 18-20.2011, Brno, Czech Republic, 212-211.
4. S. Lezhnev, E. Panin I. Volokitina. Research of combined process "rolling-pressing" influence on the microstructure and mechanical properties of aluminium. Advanced Materials Research, 2013, Vol. 814, 68-75.
5. A. Naizabekov, S. Lezhnev, E. Panin I. Volokitina, Influence of Combined Process "Rolling-pressing" on Microstracture and Mechanical Properties of Copper, Procedia Engineering, 2014, 81, 1499-1504.
6. R.Z. Valiev, T.G. Langdon, Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement, Prog. Mater. Sci., 2006, 51, 881-981.
7. G.I. Raab. Plastic flow at equal channel angular processing in parallel channels. Mat. Sci. Eng., 2005, A 410411,230-233.
8. Z. Horita, D.J. Smith M. Furukawa, M. Nemoto, R. Valiev, T. Langdon. J Mater Res 11, 8, 1880-1890
(1996).
9. R. Valiev, R. Islamgaliev, I. Alexandrov. Prog Mater Sci 45, 2, 103-189 (2000).
10. Сегал B.M., Резников В.И., Копылов В.И., Павлик Д.А., Малышев В.Ф. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск: Наука и техника, 1994. 232 с.
