Определение показателя трения в процессе прямого прессования проволочного и пруткового припоя ПОИН-52

В любом процессе обработки металлов давлением, будь это прокатка, волочение или прессование, смещаемый объем деформируемого тела стремится к некоторому перемещению по поверхности инструмента. При этом возникают силы трения, затрудняющие это перемещение. Контактное или внешнее трение сказывается на энергосиловых параметрах процессов [1–5]. Под влиянием сил трения в ряде случаев усилие деформации возрастает в несколько раз по сравнению с тем усилием, которое обусловлено истинным сопротивлением металла деформации. Кроме того, действие сил трения приводит к неравномерной деформации металла, что является причиной разнородности его структуры, возникновению растягивающих напряжений, которые иногда приводят к нарушению сплошности изделия [6–8]. От характера и величины сил трения зависит степень износа инструмента и качество поверхности изделия [9–11].

В прессовании для снижения влияния контактного трения на энергосиловые параметры процесса применяется метод обратного прессования. Это позволяет снизить энергосиловые параметры прессования и эффективно использовать мощности оборудования, но приводит к усложнению конструкции применяемого оборудования [12, 13].

Снижение коэффициента трения на контакте заготовка–контейнер при прямом прессовании позволяет не только снизить усилия, но и оказывает влияние на температуру и напряженно-деформированное состояние экструдируемого металла [14–16].

Разработанный способ мелкосерийного производства пруткового и проволочного припоя из сплава ПОИн-52 показал его пер- спективность [17], но, в свою очередь, при реализации и отработке технологии изготовления было выявлено, что предлагаемую технологию можно совершенствовать [16], что позволит дополнительно повысить эффективность процесса и качество готовой продукции.

Целью настоящей работы является исследование влияния контактного трения на процесс прямого прессования прутков и проволоки из сплава ПОИн-52.

В работах [12–14] энергозатраты на процесс прессования (при пренебрежении силами трения скольжения на контактной поверхности пресс-штемпеля и контейнера) предлагается оценивать в виде суммы сил:

Р = Р деф + F_T p , (1) где Где ф - усилие, осуществляющее формоизменение (пластическую деформацию); Гг р — усилия, преодолевающие силы трения скольжения на контактной поверхности обрабатываемого металла с контейнером и с матрицей.

Рис. 1. Схема действия сил трения в очаге деформации при прямом прессовании

Сила трения /тр определяется особенностью геометрии очага деформации (рис. 1) и состоит из трех частей – усилия, направленного на преодоление трения скольжения обрабатываемого металла о контейнер Гтр1, о по верхность матрицы Гтр11 и о калибрующий поясок матрицы Гтр111:

Г р = Г тр1 + Г тр11 + Г трщ .                  (2)

Согласно закону трения Кулона, напряжение трения т пропорционально нормальному напряжению на поверхности контактирующих тел а _л и не зависит от сопротивления деформации металла o _s, т. е.

^т = ^f • ^О п ,                                   ⁽³⁾

где f - коэффициент трения, изменяющийся в пределах от 0,1 до 0,5.

При условии рассмотрения формирования сил трения по закону Зибеля напряжение трения т пропорционально среднему по области пластической деформации сопротивлению деформации сдвига о _т и не зависит от приложенного нормального напряжения о_п , т. е.

т = Ф • о_т ,                                  (4)

где ф , в отличие от кулоновского коэффициента трения, называют показателем трения, изменяющимся в пределах от 0,2 до 1.

Составляющие сил трения могут быть найдены:

• ^Г тр 1     5 g • ^т    Л • О кон • £_ра с • ^f • ° твх ;

• ^Г тр11     ⁵ м • ^т     4-sina • ^(О к°^{н    О} вых ) • ^f • ^О тср ;

• ^Г тр111     ⁵ к • ^{т    П} • ^О вых • ^ кп • ^f • ^О твых ,

  
  

где f - коэффициент (показатель) трения; 5_б, 5_м, 5_к - площадь боковой поверхности втулки контейнера, матрицы и ее калибрующего пояска; О кон - диаметр контейнера; О_вых - диаметр проволоки (прутка) на выходе из матрицы; £_рас - длина распрессованной заготовки; £_кп - длина калибрующего пояска матрицы; о _твх , о _тср , о _твых - сопротивление пластического сдвига заготовки в контейнере, матрице и в калибрующем пояске соответственно.

В работе [14] нами представлена математическая модель прямого прессования припоя из легкоплавких материалов, позволяющая определять энергосиловые режимы прессования проволоки и прутков различного диаметра. Результаты математического моделирования прессования прутков ∅8,0 и 15,0 мм, а также проволоки ∅2,0 мм представлены в табл. 1. С помощью разработанной математической модели были проведены аналитические исследования влияния коэффициента трения на усилия в процессе прессования. Результаты исследований приведены на рис. 2–4. Как видно из графиков, приведенных на рис. 2–4, повышение коэффициента трения существенно влияет на начальное усилие прессования. Площадь контакта заготовки с контейнером в начальный момент прессова- ния наибольшая, и требуется усилие для преодоления сил трения FтрI. С уменьшением площади контакта заготовки с контейнером

Таблица 1

Результаты расчета на математической модели

Параметр	Размерность	Величина
		Эксп. 1	Эксп. 2	Эксп. 3
Исходные данные
Диаметр заготовки (прутка), D вх	мм	30	30	20
Диаметр прутка (проволоки), D вых	мм	15	8	2
Длина заготовки, L	мм	120	120	120
Диаметр контейнера, D кон	мм	31	32	21,8
Скорость прессования, V пр	мм/с	12	3,5	0,5
Сопротивление деформации заготовки, σ	МПа	10,5	10,5	10,5
Полуугол матрицы, α	°	33,5	40	18,4
Длина калибрующего пояска, LKn	мм	5	5	5
Коэффициет трения, f	–	0,5	0,5	0,5
Результаты расчета
Коэффициент вытяжки, μ	–	4,3	16,0	118,8
Скорость истечения, V ист	мм/с	51	56	59
Усилие в момент начала прессования, F н	кН	92,8	106	105
Усилие в момент завершения прессования, F к	кН	41,0	51,3	71,9
Усилия деформации, F деф	Н	31 647	46 848	65 784
Сила трения, F тр	Н	61 171	59 168	39 384
в контейнере F трI	Н	57 432	55 637	36 297
в матрице F трII	Н	2621	2935	2938
в калибр. пояске F трII	Н	1119	597	149

0,05     0,1      0,15     0,2     0,25     0,3      0,35     0,4     0,45     0,5

Коэффициент трения

Рис. 3. Изменение усилия прессования проволоки ∅ 8,0 мм в зависимости от коэффициента трения

0,05     0,1     0,15     0,2     0,25     0,3     0,35     0,4     0,45     0,5

Коэффициент трения

Рис. 4. Изменение усилия прессования проволоки ∅ 2,0 мм в зависимости от коэффициента трения

Коэффициент трения

Рис. 2. Изменение усилия прессования проволоки ∅ 15,0 мм в зависимости от коэффициента трения

составляющая FтрI тоже уменьшается и разница между «усилием в момент начала прессования» и «усилием в момент завершения прессования» сокращается. Снижение значения коэффициента трения позволяет сущест- венно, а именно до 60 %, снизить усилие прессования, которое расходуется на преодоление сил трения и приводит к повышению температуры на контакте заготовки с контейнером.

Для подтверждения результатов аналитических исследований, а также определения коэффициента трения экспериментальным путем были проведены лабораторные исследования процесса прессования при различных условиях трения. Гидравлический пресс Д2428, на котором осуществлялся процесс прессования, оснащен системой измерения усилия прессования и хранения полученных данных [14]. Экспериментальные исследования проводились при прессовании прутков ∅ 8,0 мм из заготовки ∅ 30,0 мм при одинаковой скорости прессования. Результаты замера усилий прессования прутков ∅ 8,0 мм при различных условиях трения представлены на рис. 5–7.

Для определения фактического усилия прессования нужно от полученных значений отнять поправочную величину 15 кН. Связано это с особенностями тарировки гидравлического пресса. При прессовании заготовки ∅ 30,0 мм в пруток ∅ 8,0 мм без смазки усилие в момент начала прессования составляет 105 кН, а в момент завершения прессования – 47 кН. Согласно рис. 3 такие значения усилий прессования, с небольшой погрешностью, соответствуют коэффициенту трения 0,5. Применение смазочных материалов, а именно графитовой (графит – С) и молибденовой (дисульфид молибдена – MoS 2 ) смазки, которые используются при холодном волочении [18],

Рис. 5. Усилие в процессе прессования прутка ∅ 8,0 мм без применения смазки

Рис. 6. Усилие в процессе прессования прутка ∅ 8,0 мм с применением молибденовой смазки

Рис. 7. Усилие в процессе прессования прутка ∅ 8,0 мм с применением графитовой смазки

привело к существенному падению усилия прессования в начальный момент и изменению значительной части графика с наклонного на горизонтальный на стадии установившегося течения (см. рис. 6 и 7).

Сравнение результатов экспериментального определения усилия прессования прутка ∅ 8,0 мм без применения смазки (см. рис. 5) и результатов математического моделирования (см. рис. 3) позволяет установить, что коэффициент трения соответствует значению 0,5. Усилие прессования в начальный момент при расчете и при экспериментальном определении равно 105 кН, а вот в момент завершения прессования расчетное значение равно 51 кН, а экспериментальное – 47 кН. Расхождение между расчетным и экспериментальных значением в данном случае составляет 7 %.

Применение смазочных материалов приводит к падению усилия в момент начала прессования с 105 до 40 кН (см. рис. 5–7). Усилие прессования в 40 кН соответствует коэффициенту трения менее 0,05, т. е. коэффициент трения уменьшился более чем в 10 раз (см. рис. 3). При этом стоит отметить, что на стадии установившегося течения усилие прессования ниже на 2–3 кН при применении графитовой смазки по сравнению с молибденовой. Разница между теоретическим усилием в начале прессования и в конце прессования составляет 4 кН, а при экспериментальных исследованиях – 5 кН.

Наличие пика на кривой зависимости усилия от хода пресс-штемпеля (см. рис. 5–7) объясняется рядом причин: в первую очередь, переходом от контактного трения покоя к трению скольжения, а во-вторую – переходом от упругой к пластической деформации [19–20].

С определенной долей допущения можно говорить о том, что при прессовании припоя ПОИн-52 с использованием стального контейнера без применения смазки коэффициент трения равен 0,5, а при применении графитовой или молибденовой смазки коэффициент трения будет принимать значение 0,05.

Пакет для компьютерного моделирования процессов обработки металлов давления Qform [21], в основе которого лежит метод конечных элементов, позволяет учитывать трение по законам Кулона, Зибеля и Леванова. Используя результаты экспериментальных исследований, путем подбора определили показатели трения.

На рис. 8 приведены результаты компьютерного моделирования в пакете Qform процесса прессования заготовки ∅ 30,0 мм в пруток ∅ 8,0 мм без смазки и с применением смазки в сравнении с результатами экспериментальных исследований.

Перемещение пресс-штемпеля; мм

Рис. 8. Сравнение изменения усилия прессования при различных условиях контактного трения, полученного экспериментальным путем и при компьютерном моделировании в Qform

Таблица 2

Показатели (коэффициенты) трения для моделирования прямого прессовании припоя ПОИн-52 с использованием стального контейнера

Условия трения	Кулон	Зибель	Леванов
Б ез смазки	0,5	1,0	1,0
М олибденовая смазка	0,05	0,2	0,2
Г рафитовая смазка	0,05	0,2	0,2

В табл. 2 приведены показатели трения, рекомендуемые для использования при моделировании процесса прямого прессовании припоя ПОИн-52 с использованием стального контейнера.

Коэффициент трения оказывает существенное влияние на температурные условия процесса прессования, следовательно, учет его достоверной величины при компьютерном моделировании позволит существенно повысить точность расчетов.

Заключение

С помощью математического моделирования исследовано влияние коэффициента трения на усилие в процессе прессования прутков ∅8,0 и 15,0 мм, а также проволоки ∅2,0 мм. Установлено, что с увеличением коэффициента трения на преодоление силы тре- ния скольжения на контактной поверхности обрабатываемого металла с контейнером и с матрицей тратится до 60 % усилия, необходимого для прессования исследуемого сплава. В ходе экспериментальных исследований показано, что применение смазочных материалов, а именно графитовой (графит – С) и молибденовой (дисульфид молибдена – MoS2) смазки, позволяет снизить коэффициент трения более чем в 10 раз. С определенной долей допущения установлено, что при прессовании припоя ПОИн-52 с использованием стального контейнера без применения смазки коэффициент трения равен 0,5, а при применении графитовой или молибденовой смазки коэффициент трения принимает значения, близкие к 0,05. Используя результаты экспериментальных исследований, путем подбора определили показатели трения по законам

Кулона, Зибеля и Леванова, которые могут быть применены для компьютерного моделирования в пакете Qform процесса прямого прессования припоя ПОИн-52 с использованием стального контейнера без применения смазки и с применением графитовой и молибденовой смазки. Учет достоверной величины показателя трения при компьютерном моделировании позволит существенно повысить точность получаемых результатов.