Влияние противодавления при прямом прессовании прутков

В последние годы появилась потребность в круглых прутках большого диметра из малопластичных алюминиевых сплавов, используемых в качестве заготовок для изготовления ответственных деталей машиностроения. Такие заготовки можно получить горячим прессованием при малых вытяжках [1, 2]. При изготовлении заготовок методом прессования на поверхности деформируемого прутка при его выходе из канала матрицы могут возникнуть поперечные макротрещины. Наличие поперечных макротрещин, чередующихся по длине пресс-изделия связывают с действием продольных растягивающих напряжений, возникающих на стационарной стадии процесса прессования в окрестности канала матрицы. Один из эффективных способов уменьшения вероятности образования поперечных макротрещин – это прессование с противодавлением, обеспечивающее повышение пластичности металла в зоне деформации [3,4]. По литературным данным [5-9] противодавление можно создать путем увеличением длины калибрующего пояска или использования калибрующего пояска с углом торможения, совмещением процессов прессования и волочения, при раздаче трубы после ее выхода из матрицы, при использовании узла противодавления, размещенного на выходе из матрицы.

Величина противодавления при прессова-

нии прутков из малопластичных материалов является мерой качества заготовки и ее прогнозирование на стадии проектирования технологии является актуальной задачей процесса прессования

Цель работы: оценка влияния противодавления на характер распределения напряженно- деформированного состояния в зоне деформации при прямом, горячем прессовании круглого прутка из малопластичного алюминиевого сплава Д16 при малых вытяжках с помощью моделирования в программном продукте DEFORM 2D

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Моделирование горячего прессования с противодавлением круглого прутка из высокопрочного алюминиевого сплава D16 без смазки реализовано средствами специализированного пакета программы DEFORM-2D на базе метода конечных элементов [10]. При моделировании процесса прессования исключена стадия распрессовки слитка при размещении его в контейнер пресса. В связи с этим использован ступенчатый слиток 2 с диаметрами 270мм и 90 мм, равными диаметру контейнера 1 и канала матрицы 4. Коэффициент вытяжки скорость прессования 1 мм/сек. Противодавление, создаваемое упором 5 при выходе готового прутка из канала матрицы 4, составляет Q = 10 МПа. Число конечных элементов в заготовке 3000. Коэффициент трения по закону Зибеля на контактных поверхностях «контейнер-слиток», «матрица-слиток», «пресс-шайба-слиток» взят максимальным и равным 0,57. Материал прес-

а                 б

Рис. 1. Компьютерные модели прямого прессования прутка: а – без противодавления; б – с противодавлением; 1 –контейнер; 2-слиток; 3 – пресс-шайба;

4 –матрица; 5 – упор сового инструмента 4Х5МФ1С зарубежный аналог AISI-H-13. При моделировании контейнер и матрица выполнены как единое целое, с числом конечных элементов 1000. Температура нагрева слитка 450 oC, контейнера, матрицы и пресс -шайбы 3 400 oC. Коэффициент теплопередачи 11 кВт/(м2. град). При постановке задачи компьютерного моделирования ее рассматривали как осесимметричную, рис. 1.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рис. 2 представлен цветовой график распределения среднего нормального напряжения (гидростатического давления)

. Из анализа рис. 2а и 2б видно, что характер распределения гидростатического давления в зоне деформации качественно не меняется, кроме зоны, локализо- ванной около калибрующего пояска матрицы. Минимальная предельная величина при прессовании прутка с противодавлением увеличилась на величину противодавления 10 МПа по сравнению с прессованием прутка без противодавления.

Рис. 2. Цветовой график распределения среднего нормального напряжения (Stress-Mean) в меридиональном сечении заготовки

В ходе компьютерного моделирования параметров напряженно-деформированного состояния процесса прессования, при анализе распределения в зоне деформации около калибрующего пояска минимальных предельных значений продольных , окружных и радиальных напряжений получены следующие результаты, табл. 1. Продольные и окружные напряжения по абсолютной величине увеличились, радиальные уменьшились, а среднее напряжение возросло на величину противодавления.

Таким образом, при прессовании с противодавлением прутка отмечено повышение по абсолютной величине всех основных нормальных напряжений .

На рис. 3. показано распределение касательных напряжений в меридиональном сечении слитка при прессовании прутка без противодавления и с противодавлением. Касательные напряжения достигают максимальных значений в продольном сечении, проходящем через край калибрующего пояска и плавно уменьшаются в направлении к контейнеру, зеркалу матрицы и оси прессования, где меняют знак. При прессовании с противодавлением    измени лась по положительным значениям с 33,9 МПа до 32 МПа и отрицательным значениям с 30МПа до 32,5 МПа. Заметно увеличилась площадь, занимаемая максимальными касательными напряжениями. Рост величины приводит к увеличению интенсивности напряжений с 59,8 МПА до 65,6 Мпа, рис. 4. Из графиков видно, что интенсивность напряжений плавно увеличивается от пресс- шайбы к матрице, достигая максимальных значений на кромке канала. Рост в области контакта «заготовки-контейнер»

Таблица 1. Значение минимальных нормальных напряжений сжатия

Напряжение, МПа	Q = 0 МПа	Q = -10 МПа.
O z	-222	-234
Об	-201	-212
O r	-207	-214
Оср	-210	-220

a - Q = 0 МП а

6- Q = -10 МПа

Рис. 3. График распределения касательных напряжений (Stress –RZ)

a - Q = 0 М Па                     6- Q = - 10 МПа

Рис. 4. График распределения интенсивности напряжения (Stress-Effective)

обуславливается из-за действия сил трения. В зоне сопряжения заготовки с матрицей просматривается зона «мертвого» металла (застойная зона). Зона пластической деформации охватывает объем металла заготовки, расположенный на высоте радиуса контейнера от зеркала матрицы. Наибольший градиент изменения отмечен в области контакта заготовки с контейнером.

На рисунке 5 - 6 приведены графики распределения полных радиальных , продольных , окружных , деформаций без противодавления и с противодавлением.

Полная радиальная деформация увеличилась по сравнению с прессованием без противодавления по максимальным значениям от 1,52 до 1,65 и минимальным значением от -2,12 до -2,09 и охватывает большие объемные обжимной зоны, рис.5.

Деформация достигает максимальных значений на стенках матрицы, резко уменьшаясь в зоне выхода деформируемого металла из канала матрицы.

Продольные деформации (рисунок 6) на большей части объема заготовки малы и начи- нают активно увеличиваться только в обжимной зоне канала матрицы, достигая экстремальных значений в области калибрующего пояска.

Справа от края канала меняет знак, что связано с замедлением течения металла и формированием упругой зоны в области сопряжения контейнера с матрицей. Противодавление повышает объем металла на матрице, в котором продольные деформации – это деформации укорочения.

Интенсивность накопленных деформаций является интегральной характеристикой деформированного состояния, учитывающая как линейные так и угловые деформации, показывает, что противодавления при прессовании прутка приводит к незначительному уменьшению всех основных деформаций, в том числе и с 5,53 до 4,33 неравномерности распределения деформации в обжимной зоне (рис. 7).

На рисунке 8 видна разница в прикладываемом усилии для прессования слитка. По графику можно определить, что для прессования заготовки случае (с противодавлением), на одну и ту же величину нужно приложить больше усилие на 0,08 тонн.

a - Q = 0 МПа                      6- Q = 10 М Па

Рис. 5. График распределения полных радиальных деформаций Strain-Total -R

a -Q = 0 М П а                   6 - Q = 10 М П а

Рис. 6. График распределения полных продольных деформаций Strain-Total-Z

a -Q = 0 МПа

6- Q = 1 0 МПа

Рис. 7. График распределения интенсивности деформации Strain-Effective

На рис. 9 приведен график распределения продольных напряжений по поперечному сечению прутка в зоне его выхода из калибрующего участка каналам матрицы.

Противодавление, создаваемое на выходе готового прутка из канала матрицы, приводит к уменьшению уровня продольных растягивающих напряжений в поверхностных слоях на 31%

Load Prediction

Y Load (tons-SI) 2.016+003

1.77e+003

152e+003

1.2864-003

VlQP Die

L

1.0464-003

0.000

.:..-П^л

(216.1.39e+03) j

.................

45.4    90.7     136     181

Stroke (mm)

^Цор Die

1.76+003

1.466+003

1.236+003

16+003

[216.1.46+03)1

0.000

Load Prediction

Y Load (tons-SI) 1.938+003 ____________________________

45.4    90.7    136

Stroke (mm)

a - Q = 0 МПа

6- Q = 10 МПа

Рис. 8. График усилия прессования в зависимости от величины подпора

a -Q = 0 М П а

6- Q = 10 МП а

Рис. 9. График распределение продольных напряжений и увеличению по абсолютной величине сжимающих нормальных напряжений во внутренних слоях прутка на 66%.

ВЫВОДЫ

Противодавление при прессовании прутка в сравнении с прессованием без противодавления приводит в зоне деформации к увеличению гидростатического давления, нормальных напряжений, интенсивности напряжений, уменьшению интенсивности деформаций и продольных растягивающих напряжений в поверхностных слоях прутка при выходе его из канала матрицы.

Противодавление в зоне калибрующего пояска при выходе прутка из канала матрицы позволит уменьшить вероятность образования поперечных макротрещин и проводить прессование с большими скоростями истечения металла , чем при прессовании без противодавления.