Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературно-аналитический обзор 8
1.1 Свойства СМК и НК материалов 10
1.2 Методы получения объемных СМК и НК материалов 14
1.3 РКУ-прессование как метод получения объемных СМК и НК материалов 22
1.4 Выводы по главе 54
Глава 2. Математическая постановка задачи теории упругопластического течения 57
2.1 Начало виртуальных скоростей 57
2.2 Конечно-элементная формулировка задачи теории упругопластического течения 61
2.3 Построение разрешающей системы уравнений 64
2.4 Математически двумерные задачи. Плоская деформация 67
2.5 Граничные условия 70
2.5.1. Граничные условия в перемещениях и напряжениях 70
2.5.2 Моделирование граничных условий 73
2.6 Выводы по главе 78
Глава 3. Конечно-элементный анализ механики РКУ-прессования -79
3.1 Влияние геометрии канала 80
3.1.1 Неустановившаяся стадия процесса 82
3.1.2 Установившаяся стадия процесса 90
3.1.3 Оценка неравномерности деформированного состояния 103
3.2 Влияние контактного трения 108
3.2.1 Установившаяся стадия процесса ПО
3.2.2 Оценка неравномерности деформированного состояния 119
3.3 Сравнительный анализ результатов численного моделирования 122
3.4 Выводы по главе 124
Глава 4. Расчетно-экспериментальное исследование процесса РКУ- прессования 126
4.1 Инструмент для РКУ-прессования 126
4.2 Материал для РКУ-прессования 128
4.3 Анализ кинематики течения 129
4.4 Энергосиловые параметры 139
4.5 Анализ деформированного состояния 142
4.6 Исследование структуры и свойств металла после РКУ-прессования 150
4.7 Выводы по главе 156
5. Выводы и рекомендации 157
Список литературы 159
Приложение
- Методы получения объемных СМК и НК материалов
- Конечно-элементная формулировка задачи теории упругопластического течения
- Оценка неравномерности деформированного состояния
- Анализ кинематики течения
Введение к работе
Процесс равноканального углового прессования (РКУ-прессования) является одним из способов обработки металла давлением (ОМД), где материал испытывает интенсивные пластические деформации. В отличие от традиционных способов ОМД, например, прокатка, волочение, прессование основной целью такой обработки является накопление деформации в материале без изменения его формы. За счет реализации схемы простого сдвига во всем объеме заготовки происходит равномерное измельчение структуры. Путем многократного повторения процесса это измельчение может доходить вплоть до субмикронного уровня.
Получаемая структура в зависимости от материала характеризуется повышенными, а в ряде случаев аномальными свойствами. В настоящее время идет интенсивное исследование ультрамелкозернистьгх (УМЗ)* материалов, на основе алюминия, магния, меди, титана. Благодаря условиям, деформирования, используемым при- РКУ-прессовании, этот способ стал применяться* при обработке труднодеформируемых жаропрочных никелевых сплавов,- вольфрама, некоторых марок сталей.
Несмотря на все свои преимущества, процесс РКУ-прессования до сих пор не реализован в промышленных масштабах, и его исследование носит сугубо лабораторный характер. При этом каждая установка для данного способа4- ОМД сама по себе уникальна. Подавляющее большинство* исследований в этой области направлены на изучение структуры и свойств обрабатываемого материала.
На сегодняшний день актуальной проблемой является практическая реализация технологического процесса РКУ-прессования: Результаты исследований механических аспектов этого процесса носят отрывистый, а в ряде случаев и разрозненный характер. Остаются малоизученными характер течения реального металла в канале, особенности напряженно-деформированного
состояния (НДС) металла, условия контактного трения. Решение этих проблем позволит сформулировать требования к формообразующему инструменту и практической реализации технологического процесса РКУ-прессования.
Цель работы - установить влияние технологических параметров на характер течения и напряженно-деформированное состояние металла в процессе РКУ-прессования и разработать на этой основе рекомендации по его практической
реализации.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
Формализация технологической проблемы процесса бокового прессования металла в канале квадратного сечения с ориентацией на численное решение методом конечных элементов (МКЭ);
Численный анализ влияния геометрических параметров канала на кинематику течения металла в условиях неустановившегося и установившегося процесса РКУ-прессования, характер напряженно-деформированного состояния металла, энергосиловые характеристики процесса;
Численный анализ напряженно-деформированного состояния металла и энергосиловых характеристик процесса РКУ-прессования в зависимости от величины контактного трения;
Изготовление оснастки, проведение экспериментальных исследований процесса РКУ-прессования с различными смазочными материалами и сопоставление полученных данных с результатами математического моделирования;
Разработка рекомендаций по выбору конструкции формообразующего инструмента и геометрических параметров канала для реализации технологического процесса РКУ-прессования.
Научная новизна.
С использованием математического моделирования проведено комплексное исследование влияния основных технологических параметров процесса РКУ-прессования на напряженно-деформированное состояние металла. Рассмотрена неустановившаяся стадия процесса РКУ-прессования. Показано, что в зависимости от геометрии канала и условий контактного трения происходит формирование переднего и заднего концов заготовки. Форма этих частей заготовки отличается от исходной, деформированное состояние не соответствует схеме простого сдвига, структура и свойства металла меняются по длине заготовки.
На основе построенного поля скоростей исследован характер течения металла в канале. Показано, что процесс РКУ-прессования всегда характеризуется неравномерным распределением скоростей течения металла по высоте очага деформации. В зависимости от геометрии канала в очаге деформации возможно образование зон как замедленного, так и ускоренного течения металла по сравнению с основным потоком, что является причиной возникновения неравномерности распределения деформаций сдвига по высоте заготовки. В указанном направлении происходит изменение структуры и свойств металла.
Дана количественная оценка влияния контактного трения на неравномерность распределения интенсивности деформаций сдвига. Показано, что в случае канала с углом пересечения -90 условия контактного трения могут стать определяющими с точки зрения возможности осуществления процесса РКУ-прессования.
Практическая значимость.
1. Экспериментально получены качественные и количественные оценки влияния
различных видов смазок на технологические параметры и результат процесса
РКУ-прессования алюминия.
Сформулированы рекомендации по выбору конструкции формообразующего инструмента и геометрических параметров канала для реализации технологического процесса РКУ-прессования.
Получены численные оценки влияния геометрических параметров канала, позволяющие прогнозировать заполнение канала, равномерность деформаций, силовые характеристики и саму возможность осуществления процесса в заданных условиях.
Проведенные систематические расчеты процесса РКУ-прессования во всем реальном диапазоне варьирования геометрических параметров канала и условий трения позволяют получать фактические сведения о напряженно-деформированном состоянии обрабатываемого материала, необходимые для принятия обоснованного решения при конструкторско-технологическом проектировании, и выполняют роль справочных материалов.
На защиту выносятся следующие положения:
Математические модели установившегося и неустановившегося процессов пластического течения при РКУ-прессовании;
Результаты численного исследования влияния геометрических параметров канала на кинематические и силовые характеристики процесса РКУ-прессования;
Результаты математического моделирования процесса РКУ-прессования в различных условиях контактного трения и экспериментального исследования влияния смазок на напряженно-деформированное состояние заготовки и силовые характеристики процесса РКУ-прессования;
Рекомендации по выбору конструкции формообразующего инструмента и геометрических параметров канала для РКУ-прессования.
Методы получения объемных СМК и НК материалов
К настоящему времени разработано большое количество методов получения объемных наноструктурных материалов. Среди них - методы порошковой металлургии, в частности, консолидации ультрадисперсных порошков, полученных газовой конденсацией в атмосфере инертного газа [5,6] или плазмохимическим методом [6], аэрозольным-[18] и химическим синтезом [19], а также измельчениемшорошков в шаровой мельнице [20,21]. Для создания объемных НК материалов успешно использовались газовая конденсация с последующим компактированием и обработка порошков в шаровой мельнице с последующей консолидацией. Данные методы явились основой для дальнейших исследований структуры и свойств НК материалов. Вместе с тем, до сих пор существуют проблемы в развитии данных методов, связанные с сохранением некоторой остаточной пористости при компактировании, загрязнением образцов при подготовке порошков или их консолидации, их практическим использованием.
Пластическая деформация также является эффективным средством формирования структуры металлов. В процессе деформации внутри материала идут необратимые изменения его кристаллического строения: повышается плотность дислокаций, возрастает концентрация точечных дефектов и дефектов упаковки, возможно образование ячеистой структуры. В совокупности эти изменения ведут к образованию определенной дислокационной структуры, характеризуемой типом, плотностью и пространственным распределением несовершенств кристаллического строения» [22]. Основные закономерности формирования структуры в процессе пластической деформации определяются совокупностью параметров исходного структурного состояния материала, температурно-скоростными условиями деформирования, а также механикой процесса деформации. Исследованию структурообразования- при пластической деформации посвящено большое количество работ [23-25]. Разработана теория формирования сопротивления деформации и пластичности в зависимости от структуры, температуры и степени деформации [24]. С помощью статистической энтропии, используемой для математического описания структуры металла, была установлена количественная взаимосвязь между структурой и свойствами металла.
В настоящее время теоретический и практический интерес представляет изучение особенностей структурообразования в области больших пластических деформаций. Это открывает значительные перспективы для создания СМК и НК материалов.
Вопросы, связанные с пластичностью и разрушением твердых тел при больших деформациях, впервые бьши поставлены П.В. Бриджменом в 40-х годах XX века [26]. В дальнейшем эти исследования бьши продолжены Б.И. Бересневым с соавт. [27], В.В. Рыбиным [28], В.Л. Колмогоровым [29]. Согласно [27-29], высокое гидростатическое давление повышает пластичность (интенсивность деформации до разрушения) металлов вплоть до проявления у некоторых из них эффекта сверхпластичности под давлением. В исследованиях, которые выполнили А.А. Богатов [30,31], В.А.Огородников [32] отмечается, что на пластичность металлов существенное влияние оказывает вид натружения. Как правило, наименьшая пластичность наблюдается при простом сдвиге. Однако при наложении гидростатического давления, сдвиг оказался наиболее эффективным в плане фрагментации [22].
Появились новые процессы обработки давлением, основной целью которых является накопление деформации в заготовках, а не изменение их формы. В литературе встречаются два термина, которые используются при описании таких процессов. Среди специалистов в области материаловедения и металлофизики, связанных с исследованием ЄМК и НК материалов, уже устоялся термин Интенсивная Пластическая Деформация (ИПД). Второй термин, предложенный авторами работы [33] — процессы накопления деформации (ПНД). Такая формулировка, по их мнению, более понятна специалистам в области обработки металлов давлением.
Поскольку форма заготовки после ПНД практически совпадает с исходной, то имеется возможность многократной обработки заготовок для накопления в них достаточной деформации. Эти- процессы могут быть использованы в тех случаях, когда необходимо осуществить большую пластическую деформацию объемных заготовок без существенного изменения формы: при исследовании явлений, происходящих в материалах при больших деформациях; для получения СМК и НК материалов; для проработки материалов с литой структурой, уплотнения порошковых и пористых тел.
Для получения объемных СМК и НК материалов сейчас используют целый ряд процессов накопления деформации (табл. 1.3). Все представленные в таблице процессы, реализуют схему простого сдвига. В.М.Сегалом с соавт. [22] с позиций задач структурообразования были изложены результаты теоретического и экспериментального исследования технологических схем обработки металлов простым сдвигом и процессов пластического формоизменения с наложением дополнительной сдвиговой деформации.
При плоской деформации напряженное состояние изображается в виде поля линий скольжения, образованного траекториями главных касательных напряжений в плоскости течения деформируемого объема [44,45]. При этом однородному напряженному состоянию соответствует поле линий скольжения, образованное двумя ортогональными семействами а-, р-параллельных прямых, которое обеспечивается воздействием равномерного гидростатического давления р и уравновешенной системы максимальных касательных напряжений ттах=к (к- пластическая постоянная материала) на границах прямоугольных областей конечных размеров (рис. 1.1 а). Соответствующее кинематическое состояние может привести к схемам чистого (рис. 1.1 б) или простого (рис. 1.1 в) сдвига. В случае чистого сдвига деформация со-
Конечно-элементная формулировка задачи теории упругопластического течения
Согласно метода конечных элементов, область, занимаемая телом, разбивается на ряд конечных элементов произвольной геометрической формы. Внутри каждого элемента задаются некоторые функции формы, позволяющие определить перемещение точек внутри элемента по перемещениям в узлах, т.е. в местах стыка элементов.
Для решения методом конечных элементов уравнения (2.20), (2.21) должны быть выражены через скорости течения и средние давления. Воспользуемся соотношениями, связывающими напряжения и скорости деформации в конечном элементе г с узловыми значениями скоростей перемещения {и} и гидростатического напряжения (ст0].
Уравнения (2.22) и (2.23) представляют собой систему разрешающих уравнений относительно узловых значений скоростей перемещений и гидростатического давления. Для каждого узла сетки конечных элементов имеем 3 уравнения равновесия (2.22) и условие изменения объема (2.23), позволяющее прослеживать историю нагружения упругопластического материала.
Рассмотренное выше описание процессов формирования напряженно-деформированного состояния включало процедуру прослеживания во времени как пошаговую процедуру; начальным состоянием для очередного шага нагружения являлось достигнутое на предыдущем шаге. В обработке давлением, сварке имеют место так называемые квазистационарные процессы - установившиеся в относительном движении. Это - установившиеся процессы прокатки, волочения, прессования, сварки длинных листов. Прослеживание этих процессов во времени можно заменить прослеживанием в направлении движения.
Численное интегрирование по объему конечного элемента предполагает необходимость построения матриц функций формы и их производных- в точках интегрирования. Компоненты скоростей течения и гидростатическое давление определяются при решении системы уравнений (2.22) и (2.23). Поэтому целесообразно вычислять компоненты напряжений и деформаций тоже в точках интегрирования. В этом случае снимается вопрос об описании характера распределения вычисления компонент напряжений и деформаций по объему элемента. При выводе уравнения (2.22) предполагалось, что распределение компонент де-виатора напряжений описывается теми же функциями формы, которые использовались для компонент скоростей перемещений и гидростатического напряжения.
Поскольку компоненты девиатора напряжений для очередного этапа на-гружения вычислены в точках-интегрирования, в векторе правой части разрешающей системы уравнений нет необходимости вычислять,их через узловые значения с использованием функций формы.
Решение трехмерной задачи упругопластического течения сопряжено с большим объемом подготовительных работ, большими затратами машинного времени ЭВМ, требует значительной оперативной и внешней памяти. Каждому узлу сетки конечных элементов в трехмерной задаче пластического течения соответствуют 4 уравнения, позволяющие определить 4 неизвестных: 3 компоненты скорости течения ux, uy, uz и гидростатическое напряжение Оо. Неизбежно при заданных машинных ресурсах и сроках выполнения работы наступают ог раничения на дискретизацию области. В большинстве случаев более точный результат удается получить, отказавшись от трехмерной геометрии области в пользу математически двумерной, используя модели осевой симметрии, плоского деформированного состояния.
Модель плоского деформированного состояния (sz = 0) успешно применяется для решения многих задач обработки давлением. Громоздкость решения, по сравнению с трехмерной задачей существенно уменьшается, поскольку одна из искомых величин в каждом узле сетки задана (uz=0).
После решения системы уравнений, включающей 2 уравнения равновесия и условие изменения объема в каждом узле сетки конечных элементов, компонента девиатора напряжений Sz вычисляется по уравнению (2.12) и участвует в проверке выполнения условия пластичности; напряжение az складывается из шаровой и девиаторной частей тензора напряжений az = Sz +a0. 2.5 Граничные условия
С позиций математической физики существует 2 типа граничных условий в задачах теории упругости: граничные условия в перемещениях и в напряжениях (силах). Это - стандартные граничные условия, учет которых предусмотрен любой компьютерной программой общего назначения.
В большинстве задач теории обработки давлением задать граничные условия I или II рода практически невозможно; контактные напряжения, как правило, являются искомыми параметрами; скорости или перемещения по поверхности инструмента тоже являются скорее предметом исследования, чем заведомо известными параметрами. Поэтому вопрос о задании граничных условий в задачах обработки давлением является не только актуальным, но и принципиальным, определяющимшозможности решения того или иного класса задач.
С позиций метода конечных элементов в,каждом узле сетки, находящемся на поверхности, должны быть заданы либо перемещения; либо силы. Задание перемещения фактически означает исключение из рассмотрения соответствующего уравнения равновесия и преобразование вектора правой части системы уравнений с учетом заданного перемещения. Задание узловой силы как сосредоточенной нагрузки имеет физический смысл только для простейших, симплекс-элементов, типа треугольника с тремя узлами, четырехугольника с четырьмя узлами, тетраэдра, т.е. для элементов, не имеющих промежуточных узлов на ребрах и гранях. Для элементов с квадратичной и более высокого порядка аппроксимацией понятие сосредоточенной узловой силы лишено смысла.
Формулирование контактных условий в задачах обработки давлением представляет собой нестандартную операцию, от реализации которой во многом зависит успех математического моделирования таких процессов, как прокатка, ковка и, в особенности, штамповка. В первых технологических задачах, решенных методом конечных элементов, граничные условия существенно упрощались; рассматривались некоторые крайние случаи: движение материала по поверхности контакта с инструментом при условии отсутствия трения, условие полного прилипания. И в том, и другом случае можно было задать граничные условия в перемещениях.
Оценка неравномерности деформированного состояния
Распределения интенсивности деформаций сдвига, построенные для различных вариантов исполнения канала, выявили существующую неравномерность этой характеристики. Средний уровень интенсивности сдвиговых деформаций на участках, удаленных от поверхностей канала, абсолютно точно соответствует значениям, полученным с позиций линий скольжения. При R/b=l:l, соответствующем радиальному каналу, интенсивность деформаций сдвига близка к нижней границе значений Г. По мере уменьшения радиуса перехода средний уровень интенсивности сдвиговой деформации возрастает, протяженность прямолинейного участка (рис.3.23а) увеличивается. Наличие последнего указывает на существование в заготовке равномерного поля сдвиговых деформаций. Очевидно, чем меньше соотношение R/b, тем более равномерным является деформированное состояние материала. И, наоборот, при приближении формы канала к радиальной, эта равномерность уменьшается, общий уровень интенсивности сдвиговых деформаций снижается, а деформированное состояние становится более сложным.
При угле Ф=105 интенсивность деформаций сдвига, найденная с позиций жесткопластического течения, должна быть в пределах Г=1,3-1,53 в зависимости от угла сопряжения прямолинейных участков канала F.
Средний уровень интенсивности сдвиговых деформаций на участках, удаленных от поверхностей канала, как и в случае прямоугольного канала, абсолютно точно соответствует значениям, полученным с позиций линий скольжения. При R/b=\:\, соответствующем радиальному каналу, интенсивность деформаций сдвига также близка к нижней границе значений Т. По мере уменьшения радиуса перехода средний уровень интенсивности деформации возрастает, протяженность прямолинейного участка (рис.3.246) увеличивается. Причем для данного угла прямолинейный участок больше, чем в прямоугольном канале, т.е. деформированное состояние заготовки в этом случае более равномерно.
При угле Ф=120 интенсивность деформаций сдвига, найденная с позиций жесткопластического течения, должна быть в пределах Г=Г,12-1,21 в зависимости от угла сопряжения прямолинейных участков канала .
Средний уровень интенсивности сдвиговых деформаций на участках, удаленных от поверхностей канала, также абсолютно точно соответствует теоретическим значениям. В радиальном канале интенсивность деформаций сдвига близка к нижней границе значений Г. С уменьшением радиуса перехода, возрастает средний уровень интенсивности деформации (рис.3.24в). Влияние внешнего радиуса не столь значительно, как в предыдущих вариантах, и распределение характеризуется достаточно большой протяженностью прямолинейного участка. Это означает, что деформированное состояние заготовки еще более равномерно.
Значения параметра неравномерности распределения интенсивности сдвиговых деформаций по поперечному сечению заготовки в зависимости от геометрических характеристик канала.
Из рассмотрения рис.3.25 видно, что чем ближе канал по форме к радиальному, тем более неравномерным становится распределение сдвиговых деформаций в объеме заготовки. При увеличении угла пересечения каналов поле сдвиговых деформаций становится более равномерным.
Большинство процессов обработки металла давлением осуществляется в условиях соприкосновения обрабатываемого металла с обрабатывающим инструментом. При этом частицы деформируемого металла скользят по поверхности ин 108 струмента, в результате чего возникают силы контактного трения, затрудняющие это скольжение.
В условиях объемного напряженного состояния контактное трение может оказывать заметное влияние на качество продукта обработки, а также существенно изменять силовые параметры процесса.
Контактное трение приводит к возникновению неравномерности деформации или усиливает эту неравномерность, если последняя определяется-самим характером осуществляемой операции [44, 104]. Особенно велико это влияние в,тех случаях, когда образуется область замедленного течения металла. Помимо того, что замедляется движение по поверхности инструмента, внутри обрабатываемого тела возникают растягивающие напряжения, которые в случае мало пластичного материала могут стать причиной нарушения сплошности материала.
В процессе РКУ-прессования контактное трение выполняет еще одну существенную функцию - оно создает противодавление, т.е. повышает гидростатическое давление, необходимое для формирования схемы простого сдвига. При его отсутствии возникает схема чистого сдвига.
Как известно, в процессах прессования довольно часто очаг деформации характеризуется сильной неоднородностью деформаций. Конечно-элементный анализ влияния геометрии канала при РКУ-прессовании показал, что очаг деформации крайне неоднороден, и возможно образование областей замедленного течения материала. Очевидно, что наибольшее влияние контактного трения на напряженно-деформированное состояние заготовки будет оказываться именно в этих случаях.
Кроме того, распределение контактных напряжений вдоль стенок канала также сильно неравномерно. В таких условиях возможна реализация сразу-всех видов трения: сухого, граничного и жидкостного [106]. На величину трения влияет достаточно большой ряд факторов, которые могут создавать различные условия трения во времени и на разных участках контактной поверхности.
В условиях проведения процесса РКУ-прессования по длине канала меняются и степень деформации, и скорость скольжения. Эти обстоятельства-предопределяют возможность пользоваться лишь некоторой осредненнои- характеристикой, трения, значение которой определяется из соотношения (3.1).
Контактное трение в конечном итоге преодолевается активной, нагрузкой. Следовательно, оно увеличивает необходимое деформирующее усилие: Увеличение усилия может быть весьма заметным - в несколько раз.
Анализ кинематики течения
Конечно-элементный анализ процесса РКУ-прессования для различных условий трения на контактной поверхности продемонстрировал (см. главу 3), насколько велика роль последнего в этом процессе. Там же была показана высокая неравномерность распределения контактных напряжений вдоль стенок канала, что предопределяет тяжелые условия работы смазки.
Поэтому при проведении эксперимента использовались смазочные материалы на различной основе: жидкого растительного жира (смазка №1); солей высших жирных кислот (смазка №2); загущенных нефтяных масел (смазки №3,4,5); твердого животного жира (смазки №6,7). В качестве наполнителей выступали графит и стеарат цинка.
При практической реализации РКУ-прессования образцы последовательно помещаются в вертикальную часть канала. Для исследования РКУ-прессования были изготовлены образцы с размерами 20x20x55мм. Процесс прессования осуществлялся на установке ПСУ-50.
Предварительные эксперименты показали, что использование смазок на основе жидких растительных жиров, а также солей высших жирных кислот не позволяет удовлетворительно проводить процесс РКУ-прессования. В первом случае происходит выжимание смазки из канала, и второй образец движется практически в сухом канале. Во втором случае наблюдалось налипание алюминия на стенки инструмента. Это значит, реализуется режим торможения, когда относительное скольжение по контактной поверхности металл-инструмент практически не происходит из-за большой величины характеристики контактного трения ц.. Эта ситуация отражена на рис.4.3а, где первый образец препятствует движению второго. В этом случае деформация реализуется за счет внутренних смещений фрагментов объема деформируемого металла, т.е. выполняется условие, когда контактное касательное напряжение постоянно и равно пределу текучести металла на сдвиг. Дальнейшее увеличение нагрузки привело к образованию заусенцев на втором образце.
Наилучшим образом зарекомендовали себя смазки на основе загущенных нефтяных масел и твердого животного жира. Процесс прессования был осуществлен без каких-либо затруднений. На рис.4.36 показано положение образцов в канале при использовании смазки №6.
Необходимо отметить, что по изменению прикладываемого усилия можно было судить о стадиях процесса РКУ-прессования. На неустановившейся стадии процесса усилие растет, достигая своего максимального значения. При этом образец заполняет очаг деформации и формируется передний конец. Установившаяся стадия процесса протекает при постоянстве прикладываемой нагрузки.
Дальнейшие исследования проводились с использованием смазочных материалов на основе загущенных нефтяных масел и твердого животного жира. Смазки №№ 4, 5, 7 содержали наполнитель. Прессование проводили в следующей последовательности: первый, хорошо смазанный образец помещался в вертикальный канал; осуществляли неполное прессование так, чтобы небольшое количество металла оставалось во входном канале; далее в вертикальный канал помещался следующий образец. При замене смазки инструмент полностью разбирался и тщательно очищался от следов смазочного материала.
В зависимости от используемой смазки меняется величина прикладываемого усилия. Чем меньше контактное трение, которое создает смазка в канале, тем меньше необходимое усилие для осуществления процесса. При деформировании последующего образца усилие сначала уменьшается скачкообразно (величина падения зависит от используемой смазки), а потом повышается из-за создания противодавления со стороны предыдущего образца. При этом, чем меньше контактное трение, тем меньше величина противодавления.
Из рассмотрения рис.4.4 следует, что от используемой смазки зависит и формирование поверхностей контакта (форма переднего и заднего концов) между соседними образцами. Небольшой зоне контакта соседних образцов (рис.4.4г) отвечает минимальное значение усилия прессования. В условиях небольшого трения предыдущий образец практически не препятствует формированию переднего конца у последующего. Идет свободный разворот образца в канале. Этим объясняется падение нагрузки (до 3,2тс). С увеличением контактного трения поверхность соприкосновения соседних образцов становится больше (рис.4.4в), и следующий образец вынужден выталкивать своего предшественника из канала. Формирование поверхности контакта идет согласно направлению линий течения материала. В результате значение прикладываемого усилия возрастает, а его промежуточное падение незначительно.
Согласно данных, приведенных в табл.4.4, наименьшая величина усилия прессования, достигается в случае использования смазки №6. Именно с этой смазкой осуществлялся второй проход РКУ-прессования алюминиевых образцов. Маршрут прессования был выбран Вс, который, согласно литературных данных, является наиболее эффективным для алюминия и его сплавов. Методика проведения эксперимента соответствовала первому проходу. При этом на процессе РКУ-прессования никак не отразился тот факт, что форма заднего конца образца бьша не плоской. В ходе деформирования задний конец принимал новую форму в соответствии с геометрией канала и условиями контактного трения.
Для моделирования процесса РКУ-прессования нескольких образцов во входной канал помещалось два образца и прослеживалось их движение через поворотную часть. Для решения контактной задачи, между образцами задавался слой элементов (см. затемненный слой на рис.4.6) с отличающимися от материала образцов свойствами. Такое деление является весьма условным. Поэтому в данном случае процесс можно рассматривать как непрерывный, в силу неразрывности сетки конечных элементов. Однако реальный процесс нельзя считать непрерывным, поскольку образцы не свариваются между собой и имеют границу раздела.
Также на «величину прикладываемого усилия оказывает влияние наличие в выходной части канала предыдущего образца. Силы трения, обусловленные упругой деформацией материала заготовки1 создают противодавление в канале, повышая тем самым прикладываемое усилием
Для оценки влияния условий контактного трения на величину прикладываемого усилия было проведено компьютерное моделирование процесса РКУ-прессования алюминия марки А7 с при различных значениях характеристики трения: \х=0; 0 05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25. Окончание расчета соответствовало выходу процесса на установившуюся стадию.
Для сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными необходимо; найти зависимость между значением; усилия прессования, полученным1 исходяиз численного решения, и значением характеристики трения. Далее нанести на-эту зависимость значения усилия прессования, полученные в ходе экспериментальных исследований., и определить условия трения, которые создаются канале при использовании соответствующего смазочного материала.
