Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

460

задания коэффициента трения µ=0,2. Предполагается также, что все рассмотренные процессы

проводятся при комнатной температуре. В качестве модельного материала использовался

технический алюминий.

Моделирование процесса РКУ-прессования проводилось для канала, имеющего один поворот

и следующую геометрию: угол пересечения входной и выходной частей канала Ф=105

; внешний

радиус сопряжения R=10мм, внутренний радиус сопряжения r=5мм; ширина прямолинейных

участков b= 20мм (рис.1).

Поскольку в основе этого процесса лежит принцип накопления деформации, то одним из

критериев, по которому производилась его оценка, был выбран параметр равномерности величины

накопленной деформации в объеме заготовки. Известно, что пластическая деформация в металле

сопровождается снижения ресурса пластичности. При этом накопление поврежденности в металле

зависит от величины накопленной пластической деформации, вида напряженного состояния в

различных частях заготовки, а также от направления формообразования заготовки при

многократном повторении процесса. По этой причине еще одним немаловажным для такого рода

процессов критерием служит коэффициент жесткости напряженного состояния k= ;

, то есть

отношение величины гидростатического давления к величине интенсивности напряжений.

На рис.2 представлен характер распределения интенсивности накопленной деформации в

продольной плоскости канала после одного прохода.

Рис.2 Распределение интенсивности накопленных деформаций в продольном сечении заготовки

после однократного деформирования при РКУ прессовании.

Из представленных результатов следует, что в передней части заготовки распределение

накопленных деформаций носит весьма неравномерный характер и их значения весьма малы.

Только на расстоянии равном поперечному размеру заготовки от переднего торца поле

распределения накопленных деформаций стабилизируется и характеризуется относительной

равномерностью в поперечном сечении. Характер этого распределения в значительной степени

зависит от геометрии канала и условий трения на контактной поверхности.

На рисунке 3 представлено распределение показателя жесткости напряженного состояния k

для процесса РКУ прессования.

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

461

Видно, что в деформируемой заготовке появляется область, прилегающая к верхней стенке

выходного канала и глубиной порядка четверти высоты поперечного сечения, где значения

коэффициента k больше нуля (k

min

=1.525). Отмеченная смена знака в данном случае объясняется

немонотонностью процесса деформирования вдоль наружной стенки канала: гидростатические

напряжения при переходе через очаг деформации меняют знак. Прилегающие к внутренней стенке

слои материала, находясь во входном канале, испытывают сжатие, а в выходном канале –

растяжение. В случае обработки малопластичных материалов, к которым относятся порошковые

пористые, возникающие растягивающие напряжения могут стать причиной образования

несплошностей на их поверхности.

Эти особенности формообразования заготовок при РКУ прессовании объясняют почему

многочисленные попытки применения РКУ прессования непосредственно для компактирования

порошковых материалов, оканчивались неудачей.

Реализация этого процесса возможна только при использовании противодавления со стороны

выходного канала, а также создания условий снижения коэффициента трения на контактной

поверхности. В противном случае возможно образование застойных зон [3, 5].

Рис.5 Распределение показателя жесткости напряженного состояния k в продольном сечении

заготовки после однократного деформирования при РКУ прессовании.

Полученные результаты предварительного анализа позволили сделать вывод о

целесообразности применения для компактирования порошковых материалов методом РКУ

прессования специальных капсул, которые предохраняют прессуемый порошок от негативных

внешних воздействий.

Для анализа процессов компактирования порошков в капсулах использовалось

математическое моделирование. 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 [6, 7]..

Для описания деформации некомпактных металлических 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.

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

462

Здесь рассматривается возможность анализа поведения пористого материала исходя из

представления поры как концентратора напряжений [6]. 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 на растяжении компактного (матричного) материала.

Зависимости относительных пределов текучести на сдвиг и гидростатическое сжатие от

относительной плотности пористого материала представлены на рис. 6

На первом этапе моделирования процесса исследовалась возможность деформирования

порошковой заготовки в капсуле на первом проходе РКУ прессования. На рис. 7а представлена

сетка конечных элементов порошковой заготовки в капсуле в исходном состоянии. Геометрия и

размеры капсулы были определены на основании предварительных исследований.

Рис 6 Зависимости относительных пределов текучести на сдвиг и гидростатическое

сжатие от относительной плотности пористого материала

Результаты моделирования показали, что в отсутствии подпора со стороны выходного канала

заготовка начинает терять устойчивость. Происходит ее изгиб в месте начала контейнера с

порошком (рис. 7б)

Результаты проведенных расчетов показали, что реализация процесса прессования без

создания противодавления со стороны выходного канала на начальных этапах процесса

невозможна.

Для создания противодавления было предложено использовать в качестве первой заготовки

при прессовании сплошную заготовку из материала капсулы. После ее обработки во входной

канал вставлялась капсула с порошком и производилось деформирование. Предварительно

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

463

порошок в капсуле подпрессовавался до относительной плотности 0.65-0.67. Деформирование

заготовки производилось в условиях изотермического прессования при температуре нагрева

300

С. Материал капсулы - алюминий А7, коэффициент трения – 0.2.

Исходная сетка конечных элементов и положение заготовок в канале представлены на рис. 8.

На первом этапе прессования с подпором со стороны выходного канала происходит осадка

капсулы с порошком с одновременным увеличением плотности пористого тела (рис.9). Работает

модель гидростатического сжатия пористой среды в зависимости от относительной плотности

пористого материала Толщина стенок капсулы при этом увеличивается, а высота капсулы

уменьшается. Процесс осадки происходит аналогично процессу одностороннего прессования

порошков в матрице, то есть плотность пористой среды уменьшается сверху вниз. Это явление

хорошо известно и связано в основном с влиянием контактного трения на боковых поверхностях

матрицы.

Рис. 7а Сетка КЭ капсулы с

порошком.

Рис. 7б Изгиб заготовки при деформировании в

канале и потеря устойчивости.

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

464

По мере увеличения плотности пористой части

заготовки, характер неравномерности распределения

пористости сохраняется (рис. 10), хотя неравномерность

уменьшается, до достижения некоторой критической

стадии. Затем сопротивление компактированию капсулы

с порошком при осадке превосходит сопротивление

течению первой заготовки в канале. Начинается

движение первой и второй заготовок по каналу

совместно (рис. 10).

После прохождения донной части капсулы через

очаг деформации включается механизм уплотнения

пористой части заготовки в матрице за счет сдвиговых

деформаций. При этом пористая часть заготовки в

капсуле уплотняется значительно более интенсивно по

сравнению с первым этапом формообразования -

воздействием гидростатического давления (рис 11).

Следует отметить, что выбранные параметры

геометрии капсулы обеспечивают в очаге деформации и

при выходе из канала благоприятные условия

деформирования пористой части заготовки под

воздействием отрицательных значений

гидростатического давления и сдвиговых деформаций

(рис 11).

Рис. 9 Распределение плотности порошка

заготовки при осадке во входном канале.

Рис. 10 Распределение плотности порошка

заготовки при начале движения обеих

Рис. 8 Сетка конечных элементов

капсулы с порошком при прессовании

с подпором, 1- первая заготовка, 2-

капсула с порошком.

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

465

заготовок в канале

Рис. 11а Распределение плотности порошка

заготовки при выходе из очага деформации

Рис. 11б Распределение гидростатического

давления в заготовках.

В дальнейшем процесс выходит на стационарную стадию деформирования. Как можно

видеть уплотнение пористой заготовки в результате воздействия сдвиговых деформаций на

границе раздела каналов происходит значительно боле эффективно по сравнению с воздействием

гидростатического давления во входном канале.

Рис. 12а Распределение плотности

порошка заготовки на стационарной

стадии деформирования

Рис. 12б Распределение гидростатического

давления в заготовках на стационарной

стадии деформирования.

На рис. 13 представлено распределение пористости в порошковой части заготовки,

полученное в результате экспериментального исследования процесса РКУ прессования

порошковых заготовок в капсулах. Результаты экспериментальных исследований хорошо

согласуются как качественно, так и количественно с результатами моделирования процесса.

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

466

Общий вид образца

1. Граница порошка под пробкой (50х)

2. Середина порошка под пробкой (50х)

3. Входная часть, граница порошка (50х)

4. Входная часть, середина порошка (50х)

5. Очаг деформации, граница (50х)

6. Очаг деформации, середина (50х)

7. Выходная часть, граница (50х) 8. Выходная часть, середина (50х)

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

467

Рис. 13 Распределение пористости в порошковой части заготовки, полученное в результате

экспериментального исследования процесса РКУ прессования

Литература

Порошковая металлургия и напыленные покрытия / Анциферов, В.Н. [и др.]. – М. :

Металлургия, 1987. – 792 с.

2. Valiev, R.Z., Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation / R.Z. Valiev, R.K.

Islamgaliev, I.V. Alexandrov // Progress in materials science. – 2000. – V. 45, No.10. – P. 103–

189.

3. Русин, Н.М. Исследование особенностей пластического течения на макроскопическом

уровне в порошковых телах при равно-канальном угловом прессовании / Н.М. Русин //

Перспективные материалы. – 2007. – № 4. – С. 83–91.

4. Анализ особенностей деформирования заготовок методами интенсивной пластической

деформации / А.И. Рудской [и др.] // Металлообработка – 2009. – №.6 (54) – С. 41–43.

5. Production of dense compact billet from ti-alloy powder using equal channel angular extrusion:

final report / ARC Centre of Excellence for Design in Light Metals, Dept. of Materials

Engineering, Monash University; officials Rimma Lapovok and Dacian Tomus. - Clayton,

Melbourne, VIC 3800, Australia, 2007. – P.50.

Рыбин, Ю.И. Математическое моделирование и проектирование технологических

процессов обработки металлов давлением / Ю.И. Рыбин, А.И. Рудской, А.М. Золотов. –

Санкт– Петербург: Наука, 2004. – 640 с. – ISBN 5– 02– 025040– 6. Рудской, А.И.,

Модель пористого материала и условие пластичности пористых тел / Рудской А.И.,

Рыбин Ю.И., Александров А.Э. // Научно- технические ведомости СПбГПУ - 2008 - №

4(63) - с.249-254.

Работа выполнена при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой

программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки

РФ (грант № 2.1.2/6955).

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

468

ИССЛЕДОВАИЕ ПРОЦЕССА РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ

Камалетдинов И.Ш., Юсупов В.С.

Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им А.А.

Байкова РАН

Равноканальное угловое прессование (РКУП) относится к процессам интенсивной

пластической деформации, которые используются для получения ультрамелкозернистых и

наноструктурных металлических материалов. РКУП позволяет реализовать большие значения

накопленной деформации сдвига без изменений формы и размеров поперечного сечения заготовки

[1], которые способствуют значительному измельчению зерна [1, 2].

В данной работе было проведено исследование процесса РКУП с помощью

математического моделирования. Математическое моделирование осуществляли методом

конечных элементов, с использованием программы Deform 3D. В результате расчета модели

получаются изображения заготовки с полями температур, напряжений, деформаций и другие

параметры процесса.

В качестве материала образца был выбран алюминий, температура прессования 20 С

, угол

пересечения каналов 90

. Остальные параметры, в зависимости от варианта расчета, представлены

в таблице 1.

Таблица 1. Параметры моделирования процесса РКУП

№

варианта

Высота

заготовки,

мм

r/R,

мм/мм

Коэф.

трения

Скорость,

мм/с

1/1

0,15

1/1

0,2

1/1

0,3

1/3

0,15

1/5

0,15

1/1

0,15

1/1

0,15

1/1

0,15

1/1

0,15

1/1

0,15

1/1

0,15

Деформация в процессе РКУП неравномерна как по длине, так и по высоте образца. На

рис.1 представлено распределение деформации для различных вариантов моделирования

(таблица.1)

Секция 5. Кузнечно-штамповочное производство

469

Рис.1. Распределение деформации по длине образцов

Из рис.1 видно, что при всех рассмотренных вариантах недеформированными остаются 15

мм с каждого конца заготовки, т.е. примерно на ширину канала. В остальной части распределение

достаточно равномерно, за исключением варианта 6 с повышенным коэффициентом трения.

Распределение деформации по высоте образцов в продольном сечении показано на примере

варианта 7 и 9 (рис. 2).

Рис.2. Распределение деформации по высоте образцов

Из рис. 2 видно, что уменьшение внешнего радиуса сопряжения вертикального и

горизонтального каналов ведет к более равномерному распределению деформации. Деформация в

нижнем слое продеформированного образца для варианта 9 более интенсивна, чем в середине и в

верхнем слое образца. Такое распределения деформации является характерным для вариантов с

малыми радиусами сопряжения каналов.

Напряженное состояние в образце при РКУП характеризуется так же крайней

неравномерностью. На рис. 3 приведено поле среднего напряжения в образце

продеформированному по варианту 4. Для наглядности анализа напряженного состояния на

образце были зафиксированы 3 материальные точки: на внутреннем крае (Р1), в середине (Р2) и на

внешнем крае (Р3) (Рис.3). В данных точках проанализировано изменение напряженного

состояния в процессе РКУП, представленное в виде графиков зависимости среднего напряжения

от времени процесса РКУП на рис.3.