Компьютерное моделирование температурных режимов при полунепрерывном прямом прессовании легкоплавких материалов

Припой представляет собой материал, который используется для соединения металлов методом пайки. Он всегда имеет температуру плавления ниже, чем соединяемые детали [1]. С течением времени было создано большое количество припоев, которые отличаются по составу, соотношению материалов, наличию присадок [2]. В последние годы достаточно активно ведутся работы, посвященные способам и технологиям пайки с использованием бессвинцовых припоев [3–8]. Вызвано это тем, что в 2006 году Директива Европейского союза по экологической безопасности RoHS (Restriction of use of Certain Hazardous Substances) ограничила использование свинца в новом электрическом и электронном оборудовании на величине не более 0,01 % [9]. Эти ограничения установлены не от веса изделия, узла или компонента, а от каждого отдельного гомогенного материала. Среди бессвинцовых припоев в последнее время все большее распространение приобретает легкоплавкий при- пой марки ПОИн-52, состоящий из 51–53 % индия, остальное – олово.

АО «Челябинский цинковый завод» совместно с кафедрой «Процессы и машины обработки металлов давлением» ЮУрГУ с 2019 года активно и успешно занимается разработкой и освоением технологии производства проволочного и пруткового припоя из сплава ПОИн-52 [10]. За это время налажено мелкосерийное производство припоя диаметром 2,0 и 8,0 мм. В тоже время постоянное наличие заказов и увеличение объема производства, в том числе с необходимостью расширения сортамента, диктует необходимость совершенствования технологии и повышения производительности процесса.

В работе [11] была предложена математическая модель прямого прессования, позволяющая определять энергосиловые параметры процесса. Математическая модель показала высокую сходимость с результатами экспериментальных исследований, однако не учитывает температурный фактор и не позволяет рассчитывать температуру металла в контейнере и на выходе из него. Как показывает практика производства припоя, из-за высоких степеней деформации разогрев металла оказывается существенным. Температура плавления сплава ПОИн-52 составляет 121 °С. Прессование припоя в течение нескольких десятков минут приводит к разогреву оснастки и повышению температуры металла на выходе из матрицы до уровня потери стабильности процесса, проявляется это в появлении дефектов в виде пузырей и локальных мест оплавления металла. В связи с этим необходимо понимать, как распределяются температуры по сечению металла и изменением каких технологических параметров и до какого уровня можно управлять температурным режимом прессования.

Наиболее эффективно решать подобного рода задачи позволяют специализированные инженерные пакеты, использующие перспективный вычислительный метод конечных элементов [12–15]. Однако стоит отметить, что решенных задач по определению температурного поля металла в процессе прямого прессования легкоплавких материалов в ходе литературного обзора не выявлено.

Целью настоящей работы является исследование температурных режимов прямого полунепрерывного прессования легкоплавких материалов путем компьютерного моделирования методом конечных элементов в пакете QForm.

Процесс прессования осуществляется на гидравлическом прессе Д2428 и подробно описан в работе [11]. Эскиз и фото оснастки, применяемой для получения проволоки и прутков, приведены на рис. 1. Для проведения компьютерного моделирования была создана 3D-модель оснастки (инструментов) и заготовки припоя (рис. 2).

Рис. 1. Эскиз и фото оснастки: 1 – пуансон; 2 – контейнер; 3 – монолитная волока; 4 – прижим; 5 – седло

Рис. 2. Разрез и 3D-модель оснастки с заготовкой припоя

Рис. 3. Схема расположения точек измерения температуры в заготовке

З а д а н н ы е п а ра м е тры дл я и н с тру ме н тов сле д у ю щ ие : д и а ме тр в о л ок и 2, 0 мм ; д иа ме тр контейнера – 2 1, 8 мм. Д л я п ри п оя ПОИн-52 в библиотеку материалов QF or m из справочника [ 16 ] б ыли в н е се н ы д а нн ые . В б а зу материалов QForm б ыл и в н е с ен ы с ле д у ю щ и е з н а чен ия: соп ротив л е н ие д еформ ац и и σ s = 10,5 МПа, плотность ρ = 7300 кг/м³ , к оэ ф фи ц и е н т те пл опроводности λ = 86 В т/м· К , те пл ое мк ост ь С = 230 Дж/кг·К.

К он троль и з ме н е н и я те мп е ратуры в за г отов к е п рово д и л с я п о 9 точк ам ( ри с . 3): три точк и в цен т ре за готов к и , три с к ра ю и три между ними.

В ходе моделирования исследовались температурные изменения при прессовании проволоки ∅2,0 мм. В ходе прессования проволоки ∅2,0 мм из распрессованной заготовки ∅21,8 мм коэффициент вытяжки составляет μ = 118,8. На рис. 4–6 предоставлены графики измерения температур в исследуемых точках при скоростях прессования 0,5; 1,0 и 3,0 мм/с. При этом скорость истечения составила 59,4; 118,8 и 356,4 мм/с соответственно. Для проверки адекватности результатов, полученных в ходе компьютерного моделирования, был проведен эксперимент, в ходе которого была измерена температура металла на выходе из волоки с помощью портативного пирометра DT-9860 после прессования со скоростью 3 мм/с. Результаты замера температуры с помощью термопары показали, что проволока имеет температуру 57–60 °С. Средняя температура точек 1, 2, 4 и 5 на выходе из волоки при скорости прессования 3 мм/с составляет 55 °С (см. рис. 6). Однако стоит отметить, что расчетные значения приводятся при прессовании в оснастке комнатной температуры и первых секундах процесса, а экспериментальные данные получены на устано-

Рис. 4. Результаты моделирования процесса прессования проволоки ∅ 2,0 мм со скоростью 0,5 мм/с (цифрами обозначены точки контроля температуры в заготовке)

Рис. 5. Результаты моделирования процесса прессования проволоки ∅ 2,0 мм со скоростью 1 мм/с (цифрами обозначены точки контроля температуры в заготовке)

Рис. 6. Результаты моделирования процесса прессования проволоки ∅ 2,0 мм со скоростью 3 мм/с (цифрами обозначены точки контроля температуры в заготовке)

вившемся процессе, т. е. п ос ле н ес к о льк их ми н у т п ре с с ов а н и я. В то же время ош и бк а межд у рас че тн ыми и э к с п е ри ме н тальн ым и данными не превышает 7 %.

К а к в идн о на графи к ов ( с м. ри с . 4–6), ск орость п ре с с ова н и я ме та лла зн а чи те л ьн о в л и я ет н а те мп ера ту ру ме та лл а в в оло к е. М а кс и м альна я те мп е р а ту ра ра зо гре в а м е та лл а с о о т в ет ст вует т о чка м 2, 4 и 5 . П р ич ем в точке 5 тем пера тура п ри ув е л и че н и и с к о рос т и п рес с ов а н и я с 0 , 5 д о 3 , 0 мм/с возра ст а е т с 33 , 4 до 75,8 °С . Р а зогр е в ме талла вы з в а н деформ а ц и он н ыми п роц е с сам и . Р аз огрев за с ч е т тре н и я ме талла о пов е рхн ость к он те й не ра не зн ачителен и не превышает 2…3 °С и характеризуется вели чи ной те мп е ратуры в точк ах 6 и 9.

Анализируя полученные графики, можно оценить не только температуры металла в разных точках заготовки, но и каким образом происходит истечение металла через волоку. Точки, проходящие через волоку, оказывались в очаге деформации в следующем порядке: 1, 4, 2, 5. Точки 3, 6 и 9 задерживаются на краях контейнера, попадая в «мертвую зону», а их температура повышается благодаря теплопередаче в заготовке. Рассматривая течение металла, можно сказать, что «мертвая зона» имеет небольшой размер благодаря конической форме волоки.

Компьютерное моделирование однократного процесса прессования показало, что температура металла в очаге деформации при высоких скоростях истечения повышается весьма существенно, а при мелкосерийном производстве непрерывно прессуется не менее 30…50 заготовок. Логично предполагать, что в процессе непрерывного прессования разогрев металла будет приводить к разогреву оснастки, накапливанию тепла и дальнейшему повышению температуры металла в очаге деформации. Для изучения влияния этого фактора на температуру волоки было проведено осесимметричное моделирование прессова- ния проволоки ∅2,0 мм со скоростью 3 мм/с, с учетом теплообмена инструмента с окружающей средой и заготовкой. Результаты расчета температуры в объеме волоки предоставлены на рис. 7.

На рис. 7 высокие температуры соответствуют температуре канала волоки, а низкие – температуре наружной поверхности волоки.

Рассмотрим ситуацию, когда при полунепрерывном прессовании температура волоки и контейнера повышается вследствие разогре-

Рис. 7. Распределение температур в объеме волоки при прессовании проволоки ∅ 2,0 мм со скоростью 3 мм/с

Рис. 8. Изменение температуры волоки во время прессования проволоки ∅ 2,0 мм со скоростью 3 мм/с

Рис. 9. Изменение температуры контейнера во время прессования проволоки ∅ 2,0 мм со скоростью 3 мм/с

Температуры инструмента и проволоки из сплава ПОИн-52 ∅ 2,0 мм после моделирования четырех проходов

Диаметр заготовки, мм Диаметр волоки, мм Скорость прессования, мм/с Максимальная температура металла в процессе прессования, °C Средняя/ максимальная температура волоки, °C Средняя/ максимальная температура контейнера, °C 20 мм 2 мм 3 мм/с 87 °С ~ 46/80 °С ~ 24/35 °C ва от деформируемого металла. Полунепрерывное прессование в разогретом инструменте должно привести к еще более существенному повышению температуры металла в очаге деформации. График изменения температуры волоки по результатам компьютерного моделирования в ходе последовательного четырехкратного прессования заготовки в проволоку ∅2 мм со скоростью 3 мм/с приведены на рис. 8.

Из графика видно, что в процессе прессования волока разогревается в месте контакта до температуры 60…80 °С. При этом по результатам моделирования многократного прессования можно говорить о среднем значении температуры волоки на уровне 50 °С. Температура контейнера в процессе непрерывного прессования также постепенно возрастает (рис. 9).

Максимальная температура контейнера за время прессования четырех заготовок поднимается на 10 °С, среднее значение температуры контейнера повышается на 4 °С.

Температуры инструмента и проволоки из сплава ПОИн-52 диаметром 2,0 мм после моделирования четырех проходов предоставлены в таблице.

Заключение

По результатам компьютерного моделирования установлено, что скорость истечения металла из волоки, которая в свою очередь определяется скоростью прессования и коэффициентом вытяжки оказывает существенное влияние на температурные условия процесса прессования. При изменении скорости прессования с 0,5 до 3 мм/с в процессе выдавливания проволоки ∅2,0 мм из заготовки ∅20 мм максимальная температура металла возрастает с 33,4 до 75,8 °С. Причем стоит отметить, что последовательное прессование четырех заготовок приводит к повышению максимальной температуры проволоки с 75,8 до 87 °С. Связано это с тем, что в процессе непрерывного прессования оснастка, а именно волока, разогревается и уже после четвертого цикла прессования ее средняя температура составляет около 45 °С. Средняя температура контейнера повышается при этом на 4 °С. После четвертого цикла дальнейшее повышение температуры как прессуемого металла, так и проволоки на исследуемом диаметре припоя прекращается и процесс стабилизируется.

Однако в перспективе стоит рассмотреть вопрос влияния на температурные условия процесса прессования изменения геометрических параметров оснастки, коэффициента вытяжки, а также диаметра готовой проволоки и прутка.