Перемещения и деформации при прессовании трубной заготовки

Прессование является главной заготовительной операцией в технологии производства заготовок из цветных металлов и сплавов. В большинстве случаев этот метод обработки предопределяет уровень свойств деформируемого металла [1–4]. Современные подходы к анализу напряженно-деформированного состояния процесса прессования используют аналитические решения [5], а также численные методы решения задач теории пластичности [6].

Целью работы являлась оценка напряженно-деформированного состояния при прессовании трубных заготовок с различной формой образующей матрицы. В качестве инструмента для анализа использован программный продукт QForm2D/3D, который разрабатывается и поддерживается компанией КванторФорм (Россия). Подробная постановка задачи прессования в упомянутой программе описана в статье [7].

В качестве моделируемого материала при проведении расчетов использован титановый сплав ВТ6, температура прессования 1000 °С. При постановке задачи использовали закон трения по А.Н. Леванову с фактором трения µ = 0,3. Используемые в расчете размеры заготовки и инструментов : D ₀ = 169 мм и D ₁ = 86 мм – внешний диаметр заготовки соответственно до и после прессования, D _И=46 мм – диаметр иглы, S ₀=61,5 мм и S ₁ =20 мм – толщина стенки заготовки соответственно до и после прессования, L = 170 мм – длина заготовки

а)

Рис. 1. Распределение степени деформации при прессовании полой заготовки: сетка МКЭ и области равных уровней (а), линии равного уровня (б)

б)

до подхода к поверхности матрицы, α = 45° – угол наклона матрицы (угол между образующей рабочей поверхности матрицы и осью симметрии). Коэффициент теплопередачи 30 Вт/м²·град, коэффициент вытяжки равен 5, что соответствует степени деформации ε = ln5 = 1,6.

На рис. 1 изображена схема прессования, а областями равного уровня показано распределение деформации в очаге деформации и в готовом изделии при применении конической матрицы с углом наклона образующей 60°. Описание неравномерности распределения деформации в этом случае прессования более подробно приведено в статье [8].

Степень деформации 1,6 достигается ближе к центру заготовки, на периферии максимум степени деформации оказывается равен 2,6, что примерно на 60 % выше, чем обеспечивается расчетом через коэффициент вытяжки и что объясняется дополнительными сдвигами вблизи поверхности матрицы.

Рис. 2. Векторы скоростей перемещений при прессовании полой заготовки (изолинии отображают степень деформации)

На рис. 2 с помощью векторного отображения приведено поле скоростей перемещений. Модуль вектора отражается длиной соответствующей стрелки, а направление стрелки говорит о направленности вектора. Из рис. 2 видно, что наименьшее перемещение свойственно областям металла, примыкающим к пресс-шайбе, наибольшие модули достигаются на выходе из очага деформации. Видно также, что имеются зоны разреженности векторов, т. е. те районы, где модуль вектора близок к нулю, эта зона существует около места стыка втулки контейнера с матрицей.

Сгущение векторов наблюдается ближе к выходу из матрицы. Вблизи конической поверхности матрицы векторы направлены вдоль этой поверхности, что говорит об отсутствии жесткой (мертвой) зоны. Таким образом, заданные условия трения и конфигурация инструмента в этом случае обеспечивают режим скольжения.

На рис. 3, а отображены изолинии скоростей деформации. Видно, что существует область повышенных скоростей деформации, и она примыкает к поверхности матрицы. Этот эффект возникает вследствие тормозящего действия сил трения на этой поверхности.

Наличием зоны пониженной скорости деформации можно объяснить эффект минимума объемной доли рекристаллизованных зерен, наблюдаемый при прессовании алюминиевых сплавов [9]. Таким образом, это косвенно подтверждает адекватность полученного решения. Влияние скорости деформации на структурные параметры прессуемого изделия показано в статьях [10, 11].

На рис. 3, б показано распределение среднего напряжения по объему заготовки. Области наибольших сжимающих напряжений (до 930 МПа) локализованы вдоль стенки контейнера и вдоль рабочей поверхности пресс-шайбы. Следовательно, здесь трудно представить себе наличие зон разрушения металла. Средние напряжения снижа-

а)

Рис. 3. Распределение скорости деформации и среднего напряжения при прессовании полой заготовки

б)

Обработка металлов давлением

ются ближе к выходу из очага деформации. Поэтому области металла на выходе из очага деформации могут подвергаться разрушению с появлением микро и макротрещин, что часто наблюдается в реальном производстве [12]. Кроме упомянутых эффектов, поля деформаций и скоростей деформаций в совокупности с термическим воздействием создают условия для изменения структуры и текстурообразования в металле, что сказывается на механических свойствах продукции.

Вывод

В ходе решения задачи прессования трубной заготовки методом конечных элементов показаны распределения в пластической зоне скоростей, деформаций и средних нормальных напряжений. Анализ этих параметров позволяет выявить причины неоднородности механических характеристик в прессуемых полуфабрикатах, а также возможного дефектообразования.