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

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.771.01

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ ПРЕССОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРУТКОВ ПРИ МАЛЫХ ВЫТЯЖКАХ В МОМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ПРЕСС-УТЯЖИНЫ

© 2018 А.Ю. Дерябин, В.Р. Каргин

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Статья поступила в редакцию 14.02.2018

Проведено компьютерное моделирование основной и заключительной стадий процесса прямого прессования крупногабаритных прутков с коэффициентами вытяжки 1=3, 6, 8, 9, 14, 18 из алюминиевого сплава 7075 при коэффициентах трения 0 и 0,5, углах конуса матрицы 80° и 90° из контейнера 0800 мм на уникальном прессе 200 МН в программном пакете БЕРОКМ-2Б. Изучено влияние коэффициента вытяжки, коэффициента трения и угла конуса матрицы на распределение гидростатического давления, нормальных и касательных контактных напряжений, размеров пресс-остатков. Основным фактором, влияющим на формирование центральной пресс-утяжины в момент ее образования на заключительной стадии, оказывается коэффициент вытяжки и меньшей степени коэффициент трения и конусность матрицы. Предложена формула для выбора размеров пресс-остатка для конкретных условия прессования крупногабаритных круглых прутков с малыми коэффициентами вытяжки.

Ключевые слова: прямое прессование, крупногабаритные прутки, труднодеформируемый алюминиевый сплав 7075, пресс-утяжина, пресс-остаток, моделирование, коэффициент вытяжки, программа БЕБОКМ-2Б.

ВВЕДЕНИЕ

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

Дерябин Андрей Юрьевич, аспирант. E-mail: andrey77d@mail.ru

Каргин Владимир Родионович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры обработки металлов давлением. E-mail: vrkargin@mail.ru

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 Н для различных условий прессования назначают по эмпирической формуле

Н=КхБк,

где Бк - диаметр контейнера, К - эмпирический коэффициент, равный (0,22-0,25)хБк при прямом и (0,12-0,15)хБк 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 Х=18), 214 мм (Х=14), 265 мм (Х=9), 283 мм (Х=8), 326 мм (Х=6), 460 мм (Х=3), 560 мм (Х=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 осесим-метричную. 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 стср по объему очага деформации, нормальных ст2 и касательных тК2 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) стср = (ст2+стк+стч)/3 на основной стадии и в момент образования центральной пресс-утяжины при коэффициентах вытяжки Х=3, Х=6, коэффициентах трения р=0, р=0,5 и углах конуса матрицы а=80°, а=90°, где ст2 стк стч 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 стср с 234 МПа до -212 МПа и максимальные значения, действующие на кромке канала матрицы стсртах с 29,8 МПа до 22,8 МПа. На заключительной стадии наоборот, трение заметно увеличивает стср 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 ст . от -234 МПа до -191МПа и ст от

сртш ^ сртах

29,3МПа до 22,4 МПа, на заключительной стадии уменьшение ст . от -206МПа до -166 МПа и ст

^ сртш ^ сртах

от 29,4МПа до 25,9 МПа. Это создает условия для позднего начала образования пресс-утяжины, табл. 2. Результаты прессования прутков с Х=3 говорят о снижении гидростатического давления в очаге деформации по сравнению с прессованием с Х=6. На основной стадии процесса ст . уменьши-

^^ ^ ^ сртш ^

лось с -234МПа до -182 МПа, а ст с 29,3МПа до

сртах

282 МПа. На заключительной стадии ст . умень-

^^ сртш ^

шились с -206МПа до -159 МПа, а ст увеличи-

^ ' сртах ^

лось 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 стср

Номер опыта Вытяжка X Коэффициент трения М Угол конуса матрицы а Осршт, МПа Осршах, 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 трения ц Конус угла матрицы а, ° Высота прессостатка Н, 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 ст2 и касательных хК2 напряжений на контактной поверхности заготовки и пресс-шайбы в основной и заключительной ста-

диях прямого прессования при коэффициентах трения р=0 и р=0,5, углах конуса матрицы а=80° и а=90°, коэффициентах вытяжки Х-3 и Х=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 р = 0, р = 0,5, угле конуса матрицы а = 90° на основной стадии процесса и в момент начала образования пресс-утяжины

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

-1-6-0-90 {Оси. I -2 -6-0-90 <3«кл .) -3- 3-0-90{Осн.)

-4 - 3-0-90 {Закл.)

^ЧйИЩПОГчЧ^

ИНИИПППп

Раднус пресс шайбы И, мм

И СО П

-1-6-0-90

« и н (Ч Л) «

Радиус пресс-шайбы К. мм

Рис. 3. Влияние степени деформации при коэффициенте трения ]х = О, коэффициентах вытяжки Х — 3, Х — 6, угле конуса матрицы а — 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 ст2 плавно уменьшается, достигая минимальных значений на оси прессования. Прессование с р—0,5 в сравнении с р—0 приводит к росту ст2 у стенок контейнера на 16 %, (рис. 1, кривые 1,3). При прессовании в коническую матрицу с а—80° (рис. 1, кривые 1,3) и прессовании с Х—3 (рис. 1, кривые 1,3) наоборот, отмечено уменьшение ст2 на 10 и 30% соответственно.

На заключительной стадии процесса в момент начала образования центральной пресс-утяжины картина распределения нормального напряжения ст2 существенно меняется (рис. 1-3, кривые 2,4). В переходной зоне между центральными и периферийными слоями заготовки наблюдается резкое падение ст2 вплоть до нулевых значений при Я—0,5Япр, где Йпр - радиус прутка. Прессование с р—0,5 в сравнении с р — 0 приводит к росту ( 2 в зоне контакта пресс-шайбы с контейнером на 40 %, (рис. 1, кривые 1,4). При прессовании в коническую матрицу с а—80° (рис. 2, кривые 1,4) и прессование с Х—3 (рис. 3, кривые 1,4) наоборот, отмечено уменьшение ст2 на 21 и 18% соответственно.

При переходе от основной стадии к заключительной из сравнения максимальных значений (2 видно, что при прессовании круглых прутков нормальное напряжение ст2 при р—0,5 выросло на 30% (рис. 1, кривые 3,4), уменьшилось на 21 % при а—80° (рис. 2, кривые 3,4) и на 18 % при Х—3 (рис. 3, кривые 3,4).

Анализ результатов по влиянию величины трения на распределение касательных напряжений на контактной поверхности пресс-шайбы показывает, что хгг в основной стадии при р — 0 достаточно малы и направлены к стенке контейнера (рис. 1, кривая 1). Характер распределения хгг при р — 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 р — 0,5 по сравнению с р — 0 и достигает до 15-20 МПа, (рис. 1, кривые 3,4). Графики хК2 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 хгг в целом одинаков, (рис. 2, кривые 1,3). Касательные напряжения достигают экстремальных значений над кромкой калибрующего пояска и равны 2-3 МПа. Картина распределения хК2 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 хгг меньше, чем при прессовании в плоскую матрицу.

С увеличением коэффициента вытяжки на основной стадии процесса хгг уменьшается на участке пресс-шайбы, расположенной над зеркалом матрицы, (рис. 3, кривые 1,3). В связи с этим течение металла при Х—3 затруднено в поперечном направлении, что обеспечивает более раннее начало образования центральной пресс-утяжины. В заключительной стадии картина распределения хгг, (рис. 3, кривые 2,4) аналогична рис. 2, кривые 2,4. При прессовании с Х—6 амплитуда изменения хгг значительно больше, чем при прессовании с Х—3. Характер изменения хгг (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/ Бк в зависимости от коэффициента вытяжки X

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/Dk -X.

н 2 — = 0,302 - 0,03Х + 0,001Х2 .

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 X<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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лукашенко В.Н. Обоснование целесообразности прессования с коэффициентом вытяжки l < 10 // Технология легких сплавов. 1980. No. 5. С. 11-14.

2. Kargin V.R., Deryabin A.Y. ^am^ristics of Large Bars Extruding Using Small Extrusion Ratio // Key Engineerng Materials. 2016. vol.644. P. 211-217.

3. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. М.: Металлургия, 1975.

4. Bauser M., Sauer G., Siegert K. Extrusion. ASM International. 2nd edition (December 1, 2006).

5. Pradip K. Saha Aluminum extrusion technology. USA: ASM International. 2000.

6. Aluminum Extrusion Manual - Aluminum Extruders

Couneil and the Aluminum Assoiation.1998.

7. Pearson C.E. The extrusion of metals. - London: Metal Industry.1960.

8. Sheppard T. Extrusion of Aluminum Alloys -Dordrecht/Boston/London: Kliwer Academie Bublihers.1999.

9. Технология обработки давлением цветных металлов и сплавов / А.В. Зиновьев, А.И. Колпашни-ков, П.И. Полухин, Ю.П. Глебов. М.: Металлургия, 1992.

10. Логинов Ю.Н. Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов: учебное пособие. Екатеринбург: изд-во Урал. ун-та, 2016.

11. Галацкая И.К. Металлография металлургических дефектов в прессованных полуфабрикатах из алюминиевых сплавов. Куйбышев. Куйбышевское книжное издательство, 1973.

12. Riyadi, Tri Widodo Besar. The use Abaqus vor teaching the development of cavity defects in forward extrusion processes // International Journal of Mechanical Engineering Edikation. 2008. V.36.№ 3, P. 221-224.

13. Грабарник Л.М., Нагайцев А.А. Прессование цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1991.

14. Щерба В.Н., Райтбарг Л.Х. Технология прессования металлов. М.: Металлургия, 1995.

15. Логинов Ю.Н., Ершов А.А. Моделирование в программном комплексе OFORM образование пресс-утяжины при прессовании // Кузнечно-штамповое производство. Обработка металлов давлением. 2013 No 7. С. 42-46.

16. Моделирование процессов обработки металлов давлением в программе DEFORM-2D // В.Р. Кар-гин, А.П. Быков, Б.В. Каргин, Я.А. Ерисов. Самара: МИР, 2010.

FINAL STAGE MODELING OF LARGE-SIZE BARS EXTRUSION BY LOW SRETCH RATIO WHILE CREATION OF CENTRAL BACK-END EXTRUSION DEFECT

© 2018 A.Y. Deryabin, V.R. Kargin

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

It was done computer modeling of main and final stages of large-size bars in direct extrusion method with extrusion ratio l=3, 6, 8, 9, 14, 18 from aluminum alloy 7075 with friction ratio 0 and 0,5, and die cone angles 80° and 90° from container 0800 at the unique press 200 MH in the software program package DEFORM-2D. It was studied the influence of extrusion ratio, friction ratio and die cone angle on the distribution of hydrostatic pressure, normal and tangential contact stresses, dimensions of buttends. The main factors, influenced on the creation of central back-end extrusion defect at its final stage, are extrusion ratio, in a less degree friction ratio and cone ratio. It was offered a formula to choose the dimensions of butt-ends for precise extrusion conditions of large-size bars with low extrusion ratio Keywords: extrusion, large bars, difficult-to-form 7075 alloy, back-end extrusion defect, butt-end, simulation, extrusion ratio factor, program DEFORM.

Andrey Deryabin, Graduate Student. E-mail: andrey77d@mail.ru

Vkadimir Kargin, Doctor of Technics, Associate Professor, Professor at the Metal Forming Department. E-mail: vrkargin@mail.ru