На современном этапе развития науки и техники актуальным является создание высококачественной продукции без существенного увеличения ее себестоимости. Наибольшее распространение получили процессы, реализующие интенсивную пластическую деформацию [1–5], такие как равноканальное угловое прессование, кручение под высоким давлением, совмещенные процессы обработки металлов давлением, и др.; несмотря на перспективы использования вышеперечисленных методов, они ведут к увеличению затрат на обработку и производство продукции. Помимо перечисленных методов реализации интенсивной пластической деформации, перспективным является аккумулируемая прокатка с соединением. Основным преимуществом ее является практически полное отсутствие удорожания процесса. Это преимущество достигается возможностью проведения процесса на существующем оборудовании, без приобретения дорогостоящей оснастки. Суть аккумулируемой прокатки с соединением заключается в прокатывании в качестве заготовки пакета листов. Пакет может содержать от двух листов, как без обработки, так и уже после соединения прокаткой. При этом происходит соединение листов, входящих в пакет с достижением больших деформаций, которых невозможно добиться обычной прокаткой.
Целью настоящего исследования является оценка влияния температуры на напряженно-деформированное состояние заготовок, получаемых аккумулируемой прокаткой с соединением.
Учитывая перспективность современных методов исследования, оценка влияния температуры на напряженно-деформированное состояние заготовок, получаемых аккумулируемой прокаткой с соединением, осуществлялась при помощи программного комплекса DEFORM 3D. Исследовалось деформирование двухслойного пакета.
Геометрия заготовки и инструмента была создана при помощи системы автоматизированного проектирования КОМПАС, после чего модели были импортированы в DEFORM 3D и заданы граничные условия. В качестве граничных условий при моделировании были использованы: коэффициент трения, определяющий условия взаимодействия деформируемого пакета и рабочих валков, температура заготовки. При исследовании принято, что процесс будет неизотермическим. Неизотермичность процесса позволяет оценивать теплоперенос от заготовки к валкам, а также тепловыделение в окружающую среду. Была задана скорость вращения валков, в процессе прокатки скорость вращения валков не изменялась. Для расчета выбран пластичный тип заготовки. Для реализации метода конечных элементов заготовка была разбита на октаэдры равного объема с количеством конечных элементов равным 145000.
Рис. 1. Заготовка, разбитая на конечные элементы
а) б)
в)
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние, формирующееся в заготовке с 50 %-м обжатием при холодной аккумулируемой прокатке с соединением: а) распределение интенсивности напряжений по сечению заготовки; б) распределение интенсивности деформаций по сечению заготовки; в) склонность к разрушению заготовки в процессе аккумулируемой прокатки
а) б)
в)
Рис. 3. Напряженно-деформированное состояние, формирующееся в заготовке с 50 %-м обжатием при горячей аккумулируемой прокатке с соединением: а) распределение интенсивности напряжений по сечению заготовки; б) распределение интенсивности деформаций по сечению заготовки; в) склонность к разрушению заготовки в процессе аккумулируемой прокатки
Был использован жесткий тип объекта для задания геометрии валков. При моделировании было принято, что один из концов двухслойной заготовки уже закреплен. Для исследования было проведено моделирование при двух значениях температуры заготовки: при 20 °С и при 250 °С. Материалом заготовки выбран алюминиевый сплав марки 1100. По результатам моделирования были исследованы параметры напряженно-деформированного состояния при аккумулируемой прокатке с соединением (рис. 2, 3).
Анализ данных, приведенных на рис. 2, показал, что при реализации аккумулируемой прокатки с соединением с 50 %-м обжатием в холодном состоянии происходит формирование благоприятного напряженно-деформированного состояния. Максимальное значение главных напряжений составляет 188 МПа и сосредоточено в основном в областях заготовки, расположенной в очаге деформации. Средние главные напряжения имеют характер распределения, подобный максимальным главным напряжениям, максимальное значение 139 МПа. Минимальные главные напряжения являются отрицательными. Среднее гидростатическое давление представлено в основном сжимающими напряжениями, формирующимися в очаге деформации (рис. 2, а). Значения интенсивности напряжений составляет 97,5–130 МПа. При выходе заготовки из зоны локализации деформации интенсивность напряжений постепенно убывает до 0 МПа. Распределение интенсивности деформации неоднородно (рис. 2, б). В периферийных областях заготовки склонность к разрушению достигает 1,0, в результате чего могут образоваться рваные кромки. Данный вид дефекта устраняется обрезкой кромок заготовки.
Напряженно-деформированное состояние, формирующееся в заготовке при реализации горячей аккумулируемой прокатки с 50 %-м обжатием, сопоставимо с напряженно-деформированным состоянием при холодной прокатке, однако имеет существенные численные различия (рис. 3).
Значения максимальных главных напряжений снижается в 2,3 раза и составляет 80,2 МПа. Средние главные напряжения имеют характер распределения, подобный максимальным главным напряжениям. Значения средних главных напряжений снижены в 2,9 раза, что составило 50,4 МПа. Минимальные главные напряжения также являются отрицательными.
Среднее гидростатическое давление составляет 48,8–65 МПа, что вдвое ниже гидростатического давления, действующего при холодной аккумулируемой прокатке с соединением. Распределение интенсивности деформации более однородно по сравнению с интенсивностью деформации в холодном состоянии. В периферийных областях заготовки для отдельных участков склонность к разрушению достигает 0,625, однако средние значения склонности к разрушению в области очага деформации составляют не более 0,1, что минимизирует появление трещин.
В целом, формирующееся при 50 %-м обжатии напряженно-деформированное состояние, как при холодной, так и при горячей аккумулируемой прокатке с соединением прогнозирует измельчение структурных составляющих, и повышение качества получаемых изделий.
Выводы
В данной работе для определения рациональных температурных параметров процесса деформирования образцов, в программном комплексе DEFORM-3D были созданы модели прокатных валков и заготовки.
В ходе проведения теоретических исследований изучено напряженно-деформированное состояние. Результаты исследований показали, что при реализации деформирования в горячем состоянии с 50 % обжатием формируются более благоприятные условия для проведения аккумулируемой прокатки с соединением.