Сохранение формы границы раздела при кузнечной осадке биметаллической заготовки

Операция кузнечной осадки применяется для пластической деформации заготовок с целью изменения их формы и/или повышения механических свойств деформируемого материала. Определенную сложность представляет организация процесса для деформации малопластичных материалов, поскольку свободная боковая поверхность заготовки становится выпуклой и на ней могут возникать напряжения растяжения [1–3], приводящие к трещинооб-разованию. Неоднократно предлагались приемы, с помощью которых уровень сжимающих напряжений в процессах, похожих на кузнечную осадку, мог бы быть повышен [4, 5].

Задача предотвращения появления трещин не снимается с повестки дня. В какой-то мере она даже обостряется в связи с вовлечением в промышленный оборот новых материалов, таких как магниевые сплавы, которые нашли широкое применение в мобильной телефонии и производстве ЭВМ [6]. Магний относится к металлам с ГПУ решеткой, поэтому пластические свойства его понижены. Разработке новых приемов обработки давлением магниевых сплавов посвящено значительное количество научных работ [7, 8]. Существует также стремление к обработке таких материалов именно в холодном состоянии [9, 10], поскольку магний в отличие от алюминия не образует защитной пленки оксидов, препятствующих взаимодействию с атмосферой. Одним из простых приемов создания подпора в схеме кузнечной осадки является применение оболочек [11].

Целью работы является оценка влияния конфигурации оболочки на искажение границы раздела между оболочкой и заготовкой.

Для оценки напряженно-деформированного состояния применили метод конечных элементов, реализованный в программном модуле DEFORM-3D. Постановка задачи включала в себя описание геометрии очага деформации в исходном состоянии, описание физических и пластических свойств на основе справочных данных, задание граничных условий в перемещениях.

Низкими пластическими свойствами обладают как сплавы магния, так и сам магний. В литературе имеются довольно обширные данные испытаний магниевых сплавов в горячем состоянии. Однако испытания этих материалов в холодном состоянии осадкой или растяжением с целью получения кривых упрочнения очень затруднены из-за малости уровня пластической деформации, которую выдерживают образцы.

Использована схема осадки цилиндрической магниевой заготовки с подпором, образованным кольцевой медной оболочкой. Медь выбрана в качестве материала, обладающего повышенным уровнем пластичности [12].

В расчетах использованы данные по свойствам магния марки МГ90, полученные сотрудниками ИФМ УрО РАН в испытаниях на растяжение [13]. Они заданы в интерфейсе в табличном виде как зависимость сопротивления деформации от степени деформации при малых значениях последней. Соответственно, сопротивление деформации при больших деформациях программа рассчитывала путем экстраполяции. Для меди использованы кривые упрочнения, приведенные в справочнике [14], и заданы также в табличном виде. Упругие константы в различных источниках информации несколько отличаются друг от друга, они заданы с опорой на справочные данные системы (The Online Materials Information Resource ,

Сохранение формы границы раздела при кузнечной осадке биметаллической заготовки соответственно, для магния модуль нормальной упругости E = 44 ГПа, коэффициент Пуассона µ = 0,35, для меди – E = 110 ГПа, µ = 0,34.

Магниевый образец представлен в виде цилиндра диаметром D ₀ = 15 мм и высотой H 0 = 15 мм ( H 0 / D 0 = 1), диаметром D 0 = 7,5 мм и высотой H 0 = 15 мм ( H 0 / D 0 = 2) и диаметром D 0 = 30 мм и высотой H 0 = 15 мм ( H 0 / D 0 = 0,5).

Установлены контактные взаимодействия трех типов на контактах: заготовка – бойки, оболочка – бойки, заготовка – оболочка. Относительное обжатие – 50 %. Показатель трения по Зибелю равен 0,1.

На рис. 1а представлен вариант решения задачи при отсутствии оболочки. Видно, что боковая поверхность цилиндра подверглась бочкообразованию, причем в этом месте наблюдается ухудшение напряженного состояния из-за понижения уровня сжимающих средних напряжений. Обычно потеря пластичности сопровождается появлением на боковой поверхности трещин вертикальной направленности, что говорит о действии растягивающих тангенциальных напряжений. Поэтому на рис. 1 отображены уровни именно тангенциальных напряжений. Их значения на боковой поверхности равны 54,1 МПа.

На рис. 1б показан вариант решения задачи при наличии оболочки в виде пояска треугольной формы. Тангенциальные напряжения здесь стали равны –111 МПа. Показатель напряженного состояния в этом случае улучшился. Но при этом произошло искажение боковой поверхности цилиндра – она приобрела вогнутую форму. Теперь для удаления

а)                                                          б)

Рис. 1. Правая половина очага деформации при осадке цилиндрической заготовки 1 без оболочки (а) и при использовании одного из вариантов оболочки треугольной формы поперечного сечения (б), изображена сетка конечных элементов и поле тангенциальных напряжений

Обработка металлов давлением…

оболочки с поверхности не удастся применить прием выпрессовывания. В различных технологиях в этом случае применяются различные приемы, например, прием перевода в стружку материала оболочки токарной обработкой. Естественно, что для получения ровной поверхности придется удалить и часть материала заготовки, что ухудшает показатели выхода годного. Поэтому целесообразно подобрать такие параметры оболочки, которые приведут к получению ровной поверхности раздела оболочки и заготовки.

Далее расчеты выполнили при переменных значениях геометрических параметров: начальной высоте оболочки h ₀, начальной высоте равнобедренного треугольника s 0 , начальным высоте и диаметре цилиндра H 0 и D 0 . Из этих размерных величин создан безразмерный параметр s 0 / D 0 . В функции этого параметра в результате решения задачи получали безразмерный параметр D б / D к , где D б – наибольший диаметр цилиндра (по бочке), D _к – наименьший диаметр цилиндра (по контактной поверхности). При D б / D к < 1 получали вогнутую боковую поверхность цилиндра, при D _б/ D _к > 1 получали выпуклую боковую поверхность. Получение значения D б / D к = 1,00 означало достижение положительного эффекта – получение формы поверхности с образующей в виде прямой линии. По результатам расчетов построены зависимости параметра D б / D к от параметров s 0 / D 0 и H 0 / D 0 (рис. 2).

Как видно из графиков рис. 2, достичь значений параметра Dб/Dк относительно легко удается при малых значениях параметра s0/D0, т. е. при использовании относительно тонкостенных оболочек. Однако при s0/D0 < 0,03 эффект влияния оболочки становится настолько мал, что поверхность заготовки остается выпуклой. Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что при необходимости деформации цилиндрических заготовок большой высоты (H0/D0 > 1) велика вероятность получить вогнутую боковую поверхность, особенно если толщина стенки оболочки слишком велика. Полученные уравнения регрессии описываются следующими функциями при величине достоверности аппроксимации R2:

для H 0 / D 0 = 0,5 D б / D к = 0,963· s 0 / D 0^–0,013 при R ² = 0,899;

для H 0 / D 0 = 1,0 D б / D к = 0,931· s 0 / D 0^–0,024 при R ² = 0,918;

для H 0 / D 0 = 2,0 D б / D к = 0,827· s 0 / D 0^–0,050 при R ² = 0,960.

Область определения аргумента здесь 0 <  s 0 / D 0 < 0,3, а показатель степени снижается по модулю с увеличением H ₀/ D ₀. При показателе степени, равном нулю, функция D б / D к превращается в константу. То есть при малых по модулю показателях степени, что характерно для низких цилиндров, зависимость D б / D к = f ( s 0 / D 0 ) становится слабой. Об этом же говорит приближение первого сомножителя к единице. Это соответствует представлениям о том, что процесс бочкообразования характерен для осадки высоких и умеренно высоких заготовок.

Можно отметить, что полученные зависимости описывают деформированное состояние в не очень широкой области парамет-

Рис. 2. Зависимость параметра D б / D к от параметров s 0 / D 0 и H 0 / D 0 , точки – расчетные величины, линии – аппроксимирующие зависимости

Рис. 3. Приемлемая форма боковой поверхности цилиндра после осадки (правая половина очага деформации), изображена сетка конечных элементов и поле тангенциальных напряжений

ров, так как они получены при одинаковых значениях относительного обжатия и показателя трения и при одинаковом сочетании свойств материалов заготовки и оболочки. Поскольку возможных сочетаний параметров в реальной практике обработки оказывается слишком много, то речь может идти о том, чтобы обращаться к расчетам при условии предварительного выбора хотя бы части параметров.

На рис. 3 показана возможность достижения ровной боковой поверхности цилиндра без вогнутости или выпуклости.

Вывод

В ходе решения задачи осадки биметаллической заготовки в различных вариантах постановки выявлено влияние на форму боковой поверхности таких параметров, как отношение толщины стенки оболочки к диаметру заготовки и отношения высоты заготовки к ее диаметру. Увеличение толщины оболочки может приводить к получению вогнутой боковой поверхности, особенно если отношение высоты заготовки к ее диаметру больше единицы.