Моделирование заключительной стадии прессования крупногабаритных прутков при малых вытяжках в момент образования центральной пресс-утяжины

В последние годы появилась потребность в крупногабаритных круглых прутках из дорогостоящих труднодеформируемых алюминиевых сплавов, используемых для изготовления ответственных деталей машиностроения. Такие заготовки можно изготавливать прессованием при малых вытяжках [1, 2].

Заключительная стадия прессования крупногабаритных круглых прутков является важной среди других стадий процесса, так как на этой стадии происходит начало образования центральной пресс-утяжины, определяющей в основном размеры пресс-остатка и соответственно выход годного [3-8]. На момент начала образования центральной пресс-утяжины влияют множество факторов: коэффициент вытяжки, метод прессования, силы трения на поверхностях контейнера, матрицы и пресс-шайбы, гидростатическое давление в зоне деформации, природа прессуемого металла, температурное поле заготовки и инструмента, конструкция матриц и пресс-шайб и др. [3-15]. Большие силы трения на поверхности контейнера и малые

силы трения на поверхности пресс-шайбы способствуют образованию пресс-утяжины. Чем меньше угол наклона образующей конусной матрицы и больше степень деформации при прессовании, тем позднее начинается образование пресс-утяжины [3]. Менее нагретая пресс-шайба способствует уменьшению толщины пресс-остатка [10]. Прессование с рубашкой затрудняет течение металла по рабочей поверхности пресс-шайбы и этим способствует более позднему началу образования пресс-утяжины [13]. При обратном методе высота пресс-остатка меньше, чем при прямом методе [9].

В настоящее время высоту пресс-остатка H для различных условий прессования назначают по эмпирической формуле

H=K×Dk, (1)

где Dk – диаметр контейнера, К – эмпирический коэффициент, равный (0,22-0,25)×Dk при прямом и (0,12-0,15)×Dk при обратном прессовании [14].

Проведенный анализ образования центральной пресс-утяжины на заключительной стадии прессования показал, что в научно-технической литературе рассмотрено влияние различных факторов на формирование высоты пресс-остатка, но только на качественном уровне. Основным фактором, определяющим выбор размеров пресс-остатка, пока остается диаметр контейнера. Момент образования центральной пресс-утяжины и характер распределения напряженного состояния мало изучен.

Цель данной работы дать комплексный анализ влияния различных факторов на напряженное состояние в момент образования центральной пресс-утяжины и обосновать выбор размера пресс-остатка для конкретных условий прессования крупногабаритных круглых прутков с малыми вытяжками на основе расчетных зависимостей, полученных при компьютерном моделировании процесса.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

При выборе размеров пресс-остатка важно знать особенности распределения напряжений в заключительной стадии процесса, когда происходит выпрессовывание объема очага пластической деформации.

Численное моделирование основной и заключительной стадии горячего прессования без смазки в настоящей работе реализовано средствами специализированного пакета программ DEFORM-2D на базе метода конечных элементов [16]. Числовые расчеты виртуального прямого прессования на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 200 МН крупногабаритных цилиндрических прутков с диаметрами 188 мм (коэффициент вытяжки λ =18), 214 мм ( λ =14), 265 мм ( λ =9), 283 мм ( λ =8), 326 мм ( λ =6), 460 мм ( λ =3), 560 мм ( λ =2) из труднодеформируемого алюминиевого сплава 7075 проведены из контейнера с внутренним диаметром 800 мм при реальных промышленных условиях: размеры цилиндрических заготовок D×L=785×1000 мм, температура нагрева заготовки 450 °С, матрицы, контейнера и пресс-шайбы соответственно равно 450 °С, 400 °С, 350 °С, скорость прессования 2,2 мм/сек, количество конечных элементов в заготовке 4000, коэффициент трения на контактных поверхностях пресс-шайбы, контейнера и «зеркала» матрицы принят по закону Зибеля равным 0,5, коэффициент теплопередачи – 11 кВт/(м² ⋅ град), материал инструмента ANSI-H-13, количество конечных элементов в пресс-шайбе – 2000, в матрице и контейнере – 5000. Моделирование реализовано при установившемся процессе прессования.

При постановке задачи компьютерного моделирования ее рассматривали как осесимметричную. Толщину слоя металла, находящегося в контейнере пресса на основной стадии процесса задавали равной половине диаметра контейнера, что перекрывает высоту очага деформации, а на заключительной стадии – моментом начала образования центральной пресс-утяжины. Высоту пресс-остатка принимали равной расстоянию между плоскостью пресс-шайбы и плоскостью входа прессуемого металла в рабочий канал плоской или конической матриц в момент образования центральной пресс-утяжины.

В связи с тем, что при значительном приближении пресс-шайбы к матрице изменяется поле напряжений, то для рассмотрения полной картины проведен численный анализ распределения гидростатического давления σ ср по объему очага деформации, нормальных σ _Z и касательных τ _RZ напряжений на рабочей поверхности пресс-шайбы , размеров пресс-остатков в зависимости от следующих технологических и конструкционных параметров: величины контактного трения, угла конуса матрицы и коэффициента вытяжки на основной и заключительной стадиях прессования.

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

В табл. 1 приведены результаты расчета среднего нормального напряжения (гидростатического давления) σ ср = ( σ _Z+ σ _R+ σ _q)/3 на основной стадии и в момент образования центральной пресс-утяжины при коэффициентах вытяжки λ =3, λ =6, коэффициентах трения μ=0, μ=0,5 и углах конуса матрицы α =80°, α =90°, где σ _Z, σ _R, σ _q компоненты тензора напряжений.

Из анализа результатов по прямому прессованию круглых прутков с трением и без трения следует, что трение заметно изменяет картину распределения среднего нормального напряжения. На основной стадии процесса трение уменьшает величину σ _ср с 234 МПа до -212 МПа и максимальные значения, действующие на кромке канала матрицы σ срmax с 29,8 МПа до 22,8 МПа. На заключительной стадии наоборот, трение заметно увеличивает σ _ср с -206 МПа до -259 МПа и сохраняет максимальную величину практически неизменной. Это приводит к росту гидростатического давления в плоскости пресс-шайбы, сил трения и усилия прессования, создает условия для более раннего начала образования центральной пресс-утяжины, табл.2

При прессовании в конические матрицы на основной стадии процесса в сравнении с прессованием в плоские матрицы установлено уменьшение σ _срmin от -234 МПа до -191МПа и σ _срmax от 29,3МПа до 22,4 МПа, на заключительной стадии уменьшение σ _срmin от -206МПа до -166 МПа и σ _срmax от 29,4МПа до 25,9 МПа. Это создает условия для позднего начала образования пресс-утяжины, табл. 2. Результаты прессования прутков с λ =3 говорят о снижении гидростатического давления в очаге деформации по сравнению с прессованием с λ =6. На основной стадии процесса σ _срmin уменьшилось с -234МПа до -182 МПа, а σ срmax ^рс^m 2ⁿ 9,3МПа до 282 МПа. На заключительной стадии σ _срmin уменьшились с -206МПа до -159 МПа, а σ _срmaх увеличилось с 29,4МПа до 30 ,4 МПа. В связи с уменьшением питающего объема металла в поперечном направлении это создает условия для более раннего начала образования пресс-утяжины, табл. 2.

Таблица 1. Результаты расчета гидростатического давления ст _ср

Номер опыта	Вытяжка X	Коэффициент трения М	Угол конуса матрицы а	O cpmin , МПа		Ч ертах , МПа
				стадии		стадии
				основная	заключительная	основная	заключительная
1	6	0	90	-234	-206	29,3	29,4
2	6	0,5	90	-212	-259	22,8	29,8
3	6	0	80	-191	-166	22,4	25,9
4	3	0	90	-182	-159	28,2	30,4

Таблица 2. Зависимость высоты пресс-остатка от коэффициента вытяжки, коэффициента трения и угла конуса матрицы

Вытяжка, X	Коэффициент тренияр	Конус угла матрицы а , °	Высота прессостатка H, мм
6	0	90	103
6	0,5	90	109,4
6	0	80	98,7
3	0	90	170,9

На рис. 1-3 приведены графики распределения нормальных GZ и касательных TRZ напряжений на контактной поверхности заготовки и пресс-шайбы в основной и заключительной ста- диях прямого прессования при коэффициентах трения ц=0 и ц=0,5, углах конуса матрицы а=80° и а=90°, коэффициентах вытяжки X-3 и X=6. Из характера изменения кривых 1 и 3 как функции

Рис. 1. Влияние трения на распределение осевых и касательных контактных напряжений при коэффициенте вытяжки X = 6, коэффициентах трения ц = 0, ц = 0,5, угле конуса матрицы а = 90° на основной стадии процесса и в момент начала образования пресс-утяжины

----1-6-0-90 (Оси.)

----2 - 6-0-90 (Зам.)

----3-6-0,5-90 (Осн.)

----4 - 643,5-90 (Зам )

Рис. 2. Влияние угла конуса матрицы на распределение осевых и касательных контактных напряжений на пресс-шайбе при коэффициенте вытяжки X = 6, коэффициенте трения ц = 0, углах конуса матрицы а = 80°, а = 90° на основной стадии процесса и в момент начала образования пресс-утяжины

Рис. 3. Влияние степени деформации при коэффициенте трения μ = 0, коэффициентах вытяжки λ = 3, λ = 6, угле конуса матрицы α = 90° на основной стадии процесса и в момент начала образования центральной пресс-утяжины

радиуса заготовки видно, что нормальное напряжение на основной стадии достигает наибольших значений в зоне контакта пресс-шайбы со стенкой контейнера. По мере удаления от стенок контейнера σ _Z плавно уменьшается, достигая минимальных значений на оси прессования. Прессование с μ=0,5 в сравнении с μ=0 приводит к росту σ _Z у стенок контейнера на 16 %, (рис. 1, кривые 1,3). При прессовании в коническую матрицу с α =80° (рис. 1, кривые 1,3) и прессовании с λ =3 (рис. 1, кривые 1,3) наоборот, отмечено уменьшение σ _Z на 10 и 30% соответственно.

На заключительной стадии процесса в момент начала образования центральной пресс-утяжины картина распределения нормального напряжения σ _Z существенно меняется (рис. 1-3, кривые 2,4). В переходной зоне между центральными и периферийными слоями заготовки наблюдается резкое падение σ _Z вплоть до нулевых значений при R=0,5R_пр, где R_пр – радиус прутка. Прессование с μ=0,5 в сравнении с μ = 0 приводит к росту σ _Z в зоне контакта пресс-шайбы с контейнером на 40 %, (рис. 1, кривые 1,4). При прессовании в коническую матрицу с α =80° (рис. 2, кривые 1,4) и прессование с λ =3 (рис. 3, кривые 1,4) наоборот, отмечено уменьшение σ _Z на 21 и 18% соответственно.

При переходе от основной стадии к заключительной из сравнения максимальных значений σ _Z видно, что при прессовании круглых прутков нормальное напряжение σ _Z при μ=0,5 выросло на 30% (рис. 1, кривые 3,4), уменьшилось на 21 % при α =80° (рис. 2, кривые 3,4) и на 18 % при λ =3 (рис. 3, кривые 3,4).

Анализ результатов по влиянию величины трения на распределение касательных напряжений на контактной поверхности пресс-шайбы показывает, что τrz в основной стадии при μ = 0 достаточно малы и направлены к стенке контейнера (рис. 1, кривая 1). Характер распределения τrz при μ = 0 меняется на заключительной стадии процесса. Касательные напряжения положительны только в срединных слоях заготовки, (рис.1, кривая 2). Величина касательных напряжений значительно возрастает при прессовании с μ = 0,5 по сравнению с μ = 0 и достигает до 15-20 МПа, (рис. 1, кривые 3,4). Графики τRZ имеют два экстремума. Первый экстремум находится над кромкой калибрующего пояска, второй в периферийном слое, прилегающем к стенке контейнера. При переходе от основной стадии к заключительной отмечен рост величины касательных напряжений (рис.1, кривые 3,4).

На основной стадии процесса при прессовании в плоские и конические матрицы характер распределений графиков τ _rz в целом одинаков, (рис. 2, кривые 1,3). Касательные напряжения достигают экстремальных значений над кромкой калибрующего пояска и равны 2-3 МПа. Картина распределения τ _RZ существенно меняется на заключительной стадии, (рис. 2, кривые 2,4). Наблюдаются три основных экстремума, вызванных характером течения металла заготовки в поперечном направлении. В точках экстремума на поверхности пресс-шайбы радиальная скорость течения либо меняет знак, либо принимает минимальной значение. При прессовании в коническую матрицу амплитуда изменения τ _rz меньше, чем при прессовании в плоскую матрицу.

С увеличением коэффициента вытяжки на основной стадии процесса τ _rz уменьшается на участке пресс-шайбы, расположенной над зеркалом матрицы, (рис. 3, кривые 1,3). В связи с этим течение металла при λ =3 затруднено в поперечном направлении, что обеспечивает более раннее начало образования центральной пресс-утяжины. В заключительной стадии картина распределения τ _rz, (рис. 3, кривые 2,4) аналогична рис. 2, кривые 2,4. При прессовании с λ =6 амплитуда изменения τ rz значительно больше, чем при прессовании с λ =3. Характер изменения τ _rz (рис. 3, кривая 2) указывает на турбулентное движение периферийных слоев прессуемого металла, примыкающих к пресс-шайбе.

Рис. 4. График изменения относительной высоты пресс-остатка Н/ D_k в зависимости от коэффициента вытяжки λ

При моделировании в программе DEFORM проведен также расчет величин прессостатков в момент начала образования пресс-утяжин для прессования крупногабаритных круглых прутков с различными коэффициентами вытяжки 2, 3, 6, 8, 9 14, 18 в условиях реального производства. По полученным данным высот пресс-остатков с помощью метода наименьших квадратов на рис.4 построена апроксимирующая кривая (1) в координатах H/D_k - λ .

^-= 0,302 - 0,03 Х + 0,001 Х ² . (2) ^Dk

Из анализа полученной формулы (2) видно, что при уменьшении коэффициента вытяжки высота пресс-остатка (Н) резко возрастает по экспоненте, поэтому при прессовании с малыми коэффициентами вытяжки λ <15 целесообразно производить выбор размеров пресс-остатка Н не по формуле (1), отражающей на рис. 4 область 2, а в зависимости от заданного коэффициента вытяжки по формуле (2). Это позволит увеличить выход годного.

ВЫВОДЫ

• 1.    Дан комплексный анализ влияния различных технологических и конструкционных факторов на характер распределения гидростатического давления по объему очага деформации, нормальных и касательных напряжений на рабочей поверхности пресс-шайбы в основной и заключительной стадиях прессования крупногабаритных круглых прутков из труднодефор-мируемых алюминиевых сплавов.

• 2.    На заключительной стадии в момент образования центральной пресс-утяжины при прессовании с большим трением наблюдается существенный рост гидростатического давления. При прессовании в конические матрицы и

• малыми коэффициентами вытяжки гидростатическое давление падает в сравнении с гидростатическим давлением в основной стадии.

• 3.    Контактное давление на пресс-шайбе при переходе от основной стадии к заключительной при прессовании с трением увеличилось на 30 % и уменьшилось на 21 и 18 % при прессовании в конические матрицы и прессовании с малыми вытяжками соответственно.

• 4.    Касательные напряжения на пресс-шайбе при переходе от основной стадии к заключительной, при прессовании с трением, значительно увеличиваются, что уменьшает скорость течения в поперечном направлении и способствует более раннему моменту образования центральной пресс-утяжины.

• 5.    Среди рассмотренных факторов главное влияние на формирование центральной пресс-утяжины в момент ее образования оказывает коэффициент вытяжки и меньшей степени коэффициент трения и конусность матрицы.

• 6.    Предложена расчетная формула для выбора толщины пресс-остатка для конкретных условия прессования крупногабаритных круглых прутков с малыми вытяжками.