CC BY
120
5. Сазонов Д.Ю. Исследование влияния параметров процесса гидроабразивного резания на его эффективность // Вестник ТулГУ. Сер. Актуальные вопросы механики. Вып. 4. Т. 2. 2008. С. 122 - 128.
6. Никифоровский В.С., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел. Новосибирск: Наука, 1979. 271 с.
D. Sazonov
Definition of rational ranges of change modes of hydro abrasive cutting materials
The rational ranges of change of design data of the tool, opportunities of the equipment and modes of hydro abrasive cutting of the materials, providing high efficiency of process are proposed.
Keywords: hydrotechnology, an abrasive, processing modes, modelling.
Получено 07.04.10
УДК 621.983
М.Ю. Семашко, зав. лаб., (351) 267-92-24, [email protected] (Россия, Челябинск, ЮУрГУ),
В.Г. Шеркунов, д-р техн. наук, проф., (351) 267-92-24, [email protected] (Россия, Челябинск, ЮУрГУ),
Е.В. Экк, канд. техн. наук, доц., (351)267-91-96, [email protected] (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИНТЕНСИВНОЙ
ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ
Описано моделирование процесса интенсивной пластической деформации металла в среде Deform. Выявлены особенности течения материала, предложены способы устранения дефектов. Оценены величина деформирования, а также интенсивности деформаций и напряжений. Сделан вывод о результатах натурного эксперимента.
Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация, моделирование, структура, образцы, интенсивность, напряжения, деформации.
В настоящее время известно достаточно много способов пластического структурообразования металлов методами интенсивной пластической деформации, например, такие, как деформация кручением под высоким давлением, всесторонняя ковка, равноканальное угловое прессование, метод «песочных часов» и пр. [1, 2].
На кафедре «Машины и технологии обработки материалов давлением» Южно-Уральского государственного университета был предложен новый вариант деформирования, совмещающий в себе комбинацию известных способов [3, 4]: свободной осадки, прямого выдавливания (закры-
тая осадка и закрытая прошивка) и обратного выдавливания, которые, начиная с закрытой осадки, циклически повторяются необходимое число раз. Цель способа заключается в измельчении структуры металла по всему сечению образца.
Для проверки реализации способа вышеназванный процесс был смоделирован в пакете Deform 2D и 3D, что позволило выявить «слабые места» процесса, оценить напряженно-деформированное состояние заготовки на каждом переходе цикла, интенсивность деформации, полученную за один полный цикл данного способа, а также потребное усилие деформирования. Все эти факторы необходимы для оценки реализации способа, а также проектирования технологической оснастки, выбора силового оборудования для проведения эксперимента, на основании которого можно судить о степени изменения структуры материала заготовки.
Проанализировав возможные варианты форм и размеров оснастки, выбор был остановлен на следующей конструкции: подвижная цилиндрическая матрица, опирающаяся на основание, верхний торец которого формирует рабочую полость, внутри матрицы расположен пуансон (рис. 1). Под пуансоном внутри матрицы, опираясь на основание, располагается заготовка.
Рис. 1. Моделирование технологической оснастки и исследуемого процесса
Работа конструкции осуществляется за счет силового воздействия на заготовку посредством пуансона, которая, в свою очередь, проходит стадии свободной осадки (высадки), закрытой осадки и прошивки. В момент, когда деформационного усилия достаточно для преодоления веса подвижной матрицы, она начинает свое движение вверх, в сторону, противоположную движению пуансона, тем самым уменьшая усилие деформирования за счет снижения сил трения. Воздействие на пуансон продолжается до тех пор, пока не закончится о іпр щия прошивки. В следующий момент работа осуществляется подвижной матрицей, которая на операции обратного выдавливания выполняет роль пуансона. Сформированный на
24
предыдущей операции «стакан» преобразуется в исходный цилиндр, но уже с измененной макро- и микроструктурой.
Все стадии рассматриваемого процесса, а также интенсивности деформаций и напряжений представлены на рис. 2.
Операция свободной осадки
а б
Операция закрытой осадки
в г
Операция закрытой прошивки
д е
Операция обратного выдавливания
ж з
Рис. 2. Величина интенсивностей деформаций и напряжений на каждой стадии рассматриваемого процесса: а, в, д, ж - интенсивность деформаций; б, г, е, з - интенсивность напряжений
25
Процесс свободной осадки (высадки) является первоначальным и ничем не отличается от раннее многократно исследованного. Наибольшая интенсивность деформаций в очаге составляет 0,967, а интенсивность напряжений - 21,6 МПа.
Следующим этапом является операция закрытой осадки, которая начинается в тот момент, когда заполнена свободная формообразующая полость, и продолжается до момента закрытой прошивки. В процессе закрытой осадки в момент, когда деформационного усилия достаточно для преодоления веса матрицы, начинается движение матрицы вверх. Интенсивность деформаций составляет порядка 2,3, а интенсивность напряжений - 25,2 МПа.
Последний этап прямого выдавливания представлен операцией закрытой прошивки. Интенсивность деформации составляет в отдельных областях порядка 5,2, интенсивность напряжений - 25,6 МПа.
Этапом, представляющим наибольший интерес, является операция обратного выдавливания, которая заключается в воздействии на стенки стакана усилия, приложенного к верхнему торцу подвижной матрицы. Интенсивность деформации на последнем этапе обратного выдавливания составит порядка 8 в отдельных областях, а интенсивность напряжений -27,8 МПа.
При моделировании рассматриваемого процесса был выделен ряд недостатков (рис. 3).
Р7 /'-Рв
Неравномерность заполнения х
СКЛАДКА
Рис. 3. Возможные дефекты
Так, на операциях закрытой осадки и закрытой прошивки было выявлено незаполнение углов матрицы материалом при ее движении вверх, что предполагает возникновение макродефектов. Их устранение возможно осуществить путем дополнительного воздействия на подвижную матрицу. Следует отметить, что на этапе обратного выдавливания важным моментом является необходимость дополнительного силового воздействия на внутренний пуансон. При отсутствии такого приложения усилия высока вероятность образования дефекта в виде складки.
После моделирования исследуемого процесса, было оценено усилие деформирования, которое составило порядка 160 кН (рис. 4), а также интенсивности деформаций и напряжений, рост которых приводит к измельчению микроструктуры деформируемого материала (рис. 5).
Load Prediction
Y Load (N) Slep 100
0000 314 62 0 04 2 126 * 157
am («4 |_ x
Рис. 4. Величина усилия деформирования
Расчетный шаг Расчетный шаг
а б
Рис. 5. Интенсивность деформаций и напряжений: интенсивность деформаций (а) и напряжений (б)
Процесс деформирования был осуществлен в лаборатории кафедры МиТОМД с использованием технологической оснастки, конструкция и размеры которой были выбраны на основании результатов моделирования
в пакете Deform. В результате проведения натурных экспериментов были получены качественные образцы, размер зерна которых за один цикл деформирования уменьшился в 3 раза по сравнению с исходным (рис. 6).
Рис. 6. Натурные образцы
Проведенное исследование в пакете Deform позволило проанализировать предложенный вариант деформирования на модели: обнаружить «слабые места» процесса, а именно, дефекты в виде складок и пустот; выявить необходимость приложения дополнительного силового воздействия на пуансон для предотвращения возникновения дефектов; оценить напряженно-деформированное состояние заготовки на каждом переходе цикла, интенсивность деформаций и напряжений, полученных за один полный цикл данного способа, а также потребное усилие деформирования.
После проведения натурного эксперимента в лаборатории кафедры МиТОМД предложенный способ был реализован с получением качественных образцов с измененной макро- и микроструктурой.
Список литературы
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
2. Процессы пластического структурообразования металлов / В.М. Сегал [и др.]. Минск: Наука и техника, 1994. 500 с.
3. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971. 424 с.
4. Дмитриев А.М., Воронцов А.Л. Технология ковки и объемной штамповки. Объемная штамповка выдавливанием: учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2002. 400 с.
M. Semashko, V.Sherkunov, E. Ekk
Modelling ofprocess of intensive plastic deformation for structure crushing metals
Modelling of process of intensive plastic deformation of metal in the environment of Deform is described. The lacks of a current of a material are revealed. The ways of elimination of defects are offered. The deformation size, intensity of deformations and pressure are appreciated. The conclusion about results of natural experiment is drawn.
Keywords: intensive plastic deformation, modelling, structure, samples, intensity, pressure, deformations.
Получено 07.04.10
