Разработка и исследование непрерывного процесса прессования - волочения с целью получения изделий с ультрамелкозернистой структурой

 

 

При задании условий  трения, контакт между заготовкой и жестким инструментом смоделирован как опция от контактирующей пары. Механическое зацепление между поверхностями матрица-заготовка предложено как контактное трение (Зибеля), с соответствующим коэффициентом равным 0,08. Между тянущим пуансоном и заготовкой задано условие неотрывности (плотность отделения приняли равным 1), с целью регистрации усилия на инструменте.

Движение задаем движущемуся  поступательно инструменту (пуансон). Скорость перемещения инструмента составляет 1мм/с. Процесс разбит на 500 шагов с зависимостью перемещения инструмента от времени в 0,1 с. 

На основе моделирования  были рассчитаны 27 конструкций равноканального ступенчатого инструмента. Как и отмечалось, наиболее однородное распределение как напряжений (главных), так и деформаций (эквивалентных) наблюдалось при соблюдении условия равенства межосевых расстояний горизонтальных каналов, равное диаметру полосы, т.е. К=7 мм. Наиболее приемлемым углом пересечения каналов является угол в 145⁰. Как уже отмечалось выше, чрезмерное уменьшение углов ведет к опасности обрыва полосы при прохождении участков локализации деформации сдвига.

На рисунке 4 в представлены распределение эквивалентных деформаций ε_экв по сечению заготовки при РКУВ, РКУП (угол стыка каналов 145⁰, К=7 мм, d/r=7, d=7 мм, коэффициент трения в зоне матрица – заготовка равен 0,01, скорость деформирования составляет: при РКУВ 0,1 мм/с, при РКУП 0,1 мм/с), измеренных в трех точках.

 

а

 

б

 

Рисунок 4 – Распределение эквивалентных деформаций по сечению полосы; а – РКУВ, б – РКУП

 

Как видно из графика  рисунка 2.4 а при РКУВ наблюдается  некоторая степень неоднородности эквивалентной деформации по высоте полосы, при этом величина изменяется скачкообразно при прохождении углов пересечения каналов. Также следует отметить, что поверхностные слои получают большую деформацию, в отличии от условий деформации при РКУП (рисунок 2.4 б). В данном случае деформация преобладает в центральной части полосы. Деформированное состояние однородное, но наблюдается скачок в области прохождения второго участка пересечения каналов.

В таблице 2 приведены данные по средним величинам ε_экв при различных радиусах скругления при РКУВ.

 

Таблица 2 – Зависимость ε_экв, а также величины утонения от показателя t/a при РКУВ

Параметр d/r	εэкв	Утонение, %
7	0,59	32,6
1	0,51	19,8
0.7	0,50	18,7

 

Влияние параметра d/r значительно в плане однородности деформации. Хоть и средние значения колеблются в малом диапазоне, как видно из таблицы, но распределение по высоте полосы имеет скачкообразный характер, а это, в конечном счете, сказывается на прорабатываемой структуре металла. На графиках рисунков 5 показаны распределение деформаций по высоте полосы.

 

а	б	в

Рисунок 5 – Графики распределения эквивалентных деформаций по высоте полосы при d/r=7 (a), d/r=1 (б) и d/r=0,7 (в) соответственно

 

Как видно из графиков рисунка 5, при практически нулевом радиусе скругления распределение имеет параболический характер изменения, при радиусах скругления 7 мм и 10 мм соответственно ε_экв имеет скачкообразный характер распределения.

Хотя данный фактор оказывает  на неоднородность распределения ε_экв незначительное влияние, утонение в данном смысле имеет достаточно высокую неравномерность. Так, при практически отсутствующем радиусе скругления, утонение составляет порядка 32,6 %, достаточно высокий показатель относительной деформации за проход. При радиусах равные 7 мм и 10 мм утонение составляет 19,8 и 18,7 % соответственно.

Также было исследовано влияние схем (маршрутов) деформации на относительное утонение проволоки (рисунок 6).

 

 

Рисунок 6 – Относительное утонение полосы при РКУВ при определенных маршрутах

 

Особенность процесса является овализация заготовки в процессе РКУВ (рисунок 7.

 

    а       б

Рисунок 7– Заготовка после РКУВ по маршруту А и С (а), Вс (б)

 

По результатам моделирования  процесса РКУВ принято решение о  совмещении процессов РКУВ и волочения. Схема рабочей оснастки для совмещенного процесса РКУВ и волочения представлена на рисунке 8.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8 – Схема совмещенного процесса равноканального углового волочения и обычного волочения; 1 – сегмент равноканальной ступенчатой матрицы; 2 – волока

 

При реализации процесса главной задачей является определения  обжатий при волочении, которые позволяют достичь наиболее равномерного распределения деформаций по сечению заготовки. Так при выборе величины относительной деформации при волочении, были приняты следующие значения в 29%, 36% и 43%. По результатам моделирования наиболее однородное распределение деформаций достигнуто при степени обжатия в 36% (рисунок 9).

 

 

Рисунок 9 – Графики распределения эквивалентных деформаций по сечению заготовки в совмещенном процессе РКУВ и волочении (степень деформации 15 % )

 

Как видно из графиков, распределение эквивалентных деформаций по сечению заготовки однородно при степени обжатия 15%. Здесь, разница между замеренными в трех точках величины эквивалентных деформаций незначительна и составляет 0,1, тогда как при обжатии 20% и 30% - 0,27 и 0,36 соответственно.

В рамках исследований предложен  и проведены теоретические исследования совмещенного способа равноканального прессования – волочения (РКП-В) и устройство для его реализации (рисунок 7).

 

 

Рисунок 10 – Схема совмещенного процесса РКП-В: 1- заготовка; 2 – верхний (тянущий) вал; 3 – нижний (заталкивающий) вал; 4 – упор; 5 - башмак

Исходя из поставленных задач произведено моделирование  процесса РКП-В при различных  условиях:

1. Углы пересечения каналов 115°, 125 ° и 135°;
2. Диаметры заталкивающего и тянущего вала (50мм, 100 мм и 220 мм);
3. Коэффициенты трения между парой валок – заготовка (0,8; 0,7), между парой упор (башмак) – заготовка (0,01; 0,08);
4. Факторное пространство: отношение высоты заготовки к ширине h/b=0,1; 1; 2 (исходная высота заготовки 10 мм);

 

Результаты моделирования  приведены на рисунке 11 и таблицах 3 и  4.

 

а

б

Рисунок 11 - График распределения эквивалентных деформаций при РКП-В при угле пересечения каналов 135º (а); h/b=1 (б)

Таблица 3 – Результаты моделирования совмещенного процесса РКП-В: влияние коэффициента трения

Коэффициент трения		Замечания
Вал-заготовка	Упор, башмак - заготовка-
0,6	0,01	Трение на валу недостаточно для проталкивания заготовки
0,7	0,01	Трения достаточно для  прессования заготовки, но течение материала неоднородно
0,7	0,08	Трения достаточно для  прессования на первом валу, при  прохождении второго участка  трение на упоре препятствует дальнейшему прохождению заготовки
0,8	0,08	Наблюдается достаточно однородное течение материала

 

Таблица 4 – Результаты моделирования процесса РКП-В: влияние диаметра вала на стабильность процесса

Диаметры валов, мм	Коэффициент трения	Результаты
50	0,8	Площадь соприкосновения  вала с заготовкой недостаточна для  создания необходимых усилий заталкивания, наблюдается проскальзывание заготовки по достижении упора
100	0,7	Площадь соприкосновения  вала с заготовкой достаточна для прессования переднего конца заготовки, процесс дестабилизируется по выходу переднего конца заготовки из второго стыка
100	0,8	При удалении заготовки  из первого канала усилие заталкивания недостаточно для полного ее выхода, происходит остановка процесса и проскальзывание заднего конца заготовки о заталкивающий вал
220	0,7	То же
220	0,8	Процесс проходит достаточно плавно, заготовка полностью выходит из деформационной зоны; значительный коэффициент трения вносит некоторую неоднородность при деформации

 

 

 

 

 

В третьей главе представлены результаты математического моделирования процесса РКП-В. Приведен анализ результатов моделирования: кинематических характеристик процесса деформации (направления вектора скорости движения конечных элементов), возможные разрывы скоростей на участках пластической деформации и жестких зон; анализ распределения эквивалентных деформаций и логарифмических деформаций сдвига Von-Mises; распределения напряжений в процесс РКП-В: главных максимальных, эквивалентных и абсолютных сдвиговых напряжений; определение величины поврежденности в процессе РКП-В; анализ силовых характеристик процесса: распределение усилий и Исходя из полученных результатов моделирования разработана новая конфигурация устройства для РКП-В, а также построена конечно-элементная модель процесса РКП-В (рисунок 12).

 

а

б

Рисунок 12 – Новая конфигурация устройства для РКП-В (а) и конечно-элементная модель процесса РКП-В

 

Четвертая глава посвящена подготовке к экспериментальному исследованию совмещенного процесса РКУВ и волочения. В данной главе рассмотрен выбранный материал, а именно алюминиевая проволока марки А0, приведены основные номинальные технологические свойства, а также микроструктурные снимки исходных образцов. Также в рамках главы приведен материал для изготовления рабочего инструмента процесса РКУВ.

В пятой главе приводятся результаты планирования эксперимента,  а также разработанная технология равноканального углового волочения. Описывается последовательность работ при реализации процесса РКУВ и совмещения процесса РКУВ с традиционным волочением.

За основные варьируемые  параметры процесса приняты такие  параметры как угол пересечения каналов матрицы, температура заготовки и обжатие при волочении.

Результаты обработки  экспериментальных данных механических свойств  алюминиевых образцов марки  А0 после совмещенного процесса РКУВ и волочения приведены на рисунке 13.

 

 

   а              б

в

Рисунок 13 – Зависимость механических свойств алюминиевых образцов после совмещенного процесса РКУВ и волочения в зависимости от степени деформации: а – предела прочности σ_п, МПа; б – предела текучести σ_т, МПа; относительного удлинения d, %

 

При линейной аппроксимации данных механических характеристик алюминиевой проволоки (рисунок 13) коэффициент корреляции Пирсона для всех анализируемых параметров (механические свойства) выше критических значений, что говорит о близкой взаимосвязи полученных данных с линейной зависимостью. При этом из графиков видно, что при повышении степени деформации параметр d (относительное удлинение) имеет пониженные значения, в отличии от параметров σ_п и σ_т, где имеет место тенденция повышения значений в зависимости от степени деформации. Результаты математической обработки данных механических испытаний приведены в таблице 5.

 

Таблица 5 - Результаты математической обработки данных механических испытаний после совмещенного процесса РКУВ и волочения

Параметр	σп, МПа	σт, МПа	d, %
Среднее значение	110,85	117,64	23,69
Стандартное отклонение	18,31	17,07	12,68
Стандартное отклонение среднего	4,44	4,14	3,08
Критерий Стьюдента, t - критерий	2,12	2,12	2,12
Доверительный интервал	0,48	0,51	0,69
Относительная ошибка определения, %	0,43	0,44	0,86