автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Моделирование полунепрерывного выдавливания и волочения проволоки из титановой губки



/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК - УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ И ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ИЗ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ

Специальность - 05.16.05 Обработка металлов давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

СОКОЛОВ Михаил Вячеславович

УДК 539.3:621.7

Научный руководитель:

доктор технических наук А.Г.Залазинский

Екатеринбург -1999

Работа выполнена в лаборатории системного моделирования отдела механики интегрированных машиностроительных' технологий Института машиноведения УрО РАН.

Экспериментальные исследования выполнены в отделе высоких давлений Института Физики металлов УрО РАН.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................6

1. ХАРАКТЕРИСТИКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫДАВЛИВАНИЯ И ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ..............14

1.1. Особенности процессов изготовления прутков и проволоки из титана..14

1.2. Моделирование прямого осесимметричного выдавливания прутков.....21

1.3. Моделирование процесса волочения проволоки.....................................24

1.4. О теории пластичности пористых тел........................................................30

1.5. Моделирование процессов деформации пористых заготовок с использованием структурно-феноменологического подхода..................37

Выводы. Постановка цели и задач исследования...........................................43

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ ДЛЯ ПОРИСТЫХ ТЕЛ......45

2.1. Модель пористого тела...............................................................................45

2.2. Ввод физических уравнений пористого тела...........................................51

2.3. Сравнение физических уравнений различного типа................................58

2.4. Тестирование физических уравнений при решении задачи осесимметричного прессования в закрытой пресс-форме....................60

2.5. Физические уравнения внешнего трения. Пластическое течение пористой массы при сжатии шероховатыми плитами.............................68

2.6. Идентификация физических уравнений....................................................77

Выводы................................................................................................................78

3.МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ И ВОЛОЧЕНИЯ ПОРИСТОЙ ЗАГОТОВКИ...............81

3.1. Определение энергосиловых параметров полунепрерывного выдавливания пористой заготовки............................................................82

3.2. Оценка пористости выдавленных прутков................................................96

3.3. Определение условий схватывания торцев заготовок при полунепрерывном выдавливании..........................................................................95

3.4. Способ полунепрерывного выдавливания.............................................105

3.5. Выбор оптимальных размеров заготовки для полунепрерывного выдавливания..................................................................................:.........108

3.6. Моделирование волочения пористой проволочной заготовки.............109

Выводы..............................................................................................................113

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫДАВЛИВАНИЯ И ВОЛОЧЕНИЯ ПРУТКОВ И ПРОВОЛОКИ ИЗ ПОРИСТЫХ ЗАГОТОВОК.................................................................................................115

4.1. Прессование брикетов из титановой губки.............................................115

4.2. Выдавливание пористой заготовки из титановой губки........................122

4.3. Определение механических свойств выдавленных заготовок..,...........125

4.4. Волочение проволоки из выдавленной заготовки..................................128

4.5. Концепция технологической схемы изготовления проволоки из титановой губки........................................................................................130

Выводы..............................................................................................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................135

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................153

Приложение 1. Контракт с фирмой "Sandia National Laboratories Tia

Reid" (USA) № AM-7684..........................................................154

Приложение 2. Заявление о выдаче патента РФ на изобретение...............163

Приложение 3. Описание изобретения "Способ изготовления микропроволоки их труднодеформируемых материалов"..................164

Приложение 4. Уведомление о положительном результате формальной

экспертизы..............................................................................171

Приложение 5. Справка о внедрении результатов диссертации................172

Приложение 6. Заключение главного металлурга ВСМПО по исследованию качества брикетов, прутков и полосы, полученных из титановой губки прессованием, выдавливанием и прокаткой.......173

Приложение 7. Заключение о возможности практического использования

результатов диссертации......................................................193

РЕФЕРАТ

Работа посвящена моделированию процессов полунепрерывного выдавливания и волочения и разработке научно-обоснованных предпосылок для создания технологической схемы изготовления прутков и проволоки из титановой губки.

С использованием структурно-феноменологического подхода механики гетерогенных тел предложена модель некомпактного сжимаемого материала, которую можно применять для описания характера изменения геометрии частиц и пор при необратимом формоизменении изначально некомпактных пористых материалов.

В рамках ассоциированного закона пластического течения предложены достаточно простые для использования определяющие соотношения и физические уравнения пористого тела. Показано, что предложенные уравнения могут успешно применяться в решении прикладных задач по исследованию напряженно-деформированного состояния некомпактных материалов в процессах обработки давлением

Разработаны математические модели технологических процессов полунепрерывного выдавливания и волочения проволоки и проверена их адекватность реальным процессам.

140 е., 35 ил., 6 табл., 145 библиогр. наим.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы заключается в том, что она касается развития теории обработки давлением пористых тел и технологии изготовления прутков и проволоки непосредственно из титановой губки. Выбор титановой губки для проведения исследований полунепрерывного выдавливания и волочения прутков и проволоки обусловлен тем, что титановая губка является естественным пористым технически чистым нелегированным титаном и используется в традиционной технологии изготовления полуфабрикатов из титана. Здесь необходимо добавить, что применение нелегированного титана в машиностроении зависит от соотношения требований конструктивной прочности и стоимости. Если требования по прочностным свойствам не высоки, то экономически целесообразно применение нелегированного титана. Следует отметить, что нелегированный титан марок ВТ1-0, ВТ1-00 по прочности, пластичности и вязкости не уступает некоторым углеродистым и коррозионностойким сталям, а также бронзам и медноникелевым сплавам, и может использоваться в условиях, где применяются указанные материалы.

К титановой губке, как к исходному материалу для получения из нее монолитных заготовок, был проявлен интерес со стороны фирмы "Sandia National Laboratories Tia Reid "(USA). С этой фирмой были выполнены работы по контракту "Моделирование и математическое обеспечение новой технологии полунепрерывного выдавливания и волочения проволочной заготовки" (приложение 1).

Для моделирования процессов обработки давлением структурно-неоднородных пластически сжимаемых тел, к которым мы относим титановую губку, используется теория пластичности пористых тел. Работы в этом направлении с использованием феноменологического подхода вели М.Ю.Бальшин, В.Н.Анциферов, А.К.Григорьев, И.С.Дегтярев, Ю.Г.Дорофеев, Б.А.Друянов, В.Л.Колмогоров, А.М.Лаптев, М.Б.Штерн, В.Авитцур, А.Р.Акисанья, Р.Дж.Грин, А.Г.Мамалис, У.Стахлберг, Н.А.Флекк и др.

Определяющие соотношения для некомпактного тела в рамках континуальных представлений получены Р.Дж.Грином, Г.Я.Гуном,

B.Л.Колмогоровым и Ю.Н.Логиновым, А.А.Фроловым и др. Моделирование процессов обработки давлением биметаллических и композиционных материалов, которые также относятся к структурно-неоднородным материалам, осуществлено в работах Г.Э.Аркулиса, Л.Н.Могучего,

C.Д.Волкова, С.А.Голованенко, Д.М.Карпиноса, Л.И.Тучинского, А.И.Колпашникова и В.Ф.Мануйлова, А.С.Матусевича, А.Д.Никулина, И.Н.Потапова, К.И.Портного, А.Г.Залазинского, Ю.В.Соколкина, А.А.Такшинова, и др.

Важной проблемой в решении задач обработки давлением является постановка физических уравнений пористых тел, замыкающих основную систему уравнений теории пластического течения. Формулировка таких уравнений в настоящее время осуществляется путем экспериментального изучения механических свойств деформируемых сжимаемых материалов. При этом при проверке адекватности математических моделей реальным процессам обработки некомпактных материалов давлением, протекающим в условиях, отличных от тех, в которых проводилась экспериментальная постановка физических уравнений, возникают определенные трудности и отклонения. Более точная формулировка физических уравнений связи, которые более полно описывают свойства деформируемых материалов, все еще является областью научного поиска.

Выполненные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования направлены на создание научно-обоснованных предпосылок для разработки технологической схемы изготовления прутков и проволоки непосредственно из титановой губки, которая также может быть использована для переработки некондиционного некомпактного титанового сырья в изделия и полуфабрикаты неответственного назначения.

Изложенное свидетельствует о важном народнохозяйственном значении технологии получения сплошных изделий из некомпактного сырья,

что подтверждается включением данной тематики в основные задания к плану НИР Института машиноведения Уральского отделения РАН на 1997 год (тема 1.11.6.3. Моделирование процессов совместной пластической деформации разнородных металлических материалов для разработки экологически безопасных ресурсосберегающих технологий изготовления тончайшей проволоки и композитов, № гос. per. 01.960.009412). Работа выполнена на основании контракта №АМ-7684 "Моделирование и математическое обеспечение новой технологии полунепрерывного выдавливания и волочения проволочной заготовки", заключенного 10.10.94г. между ИМАШ УрО РАН и "Sandia National Laboratories Tia Reid" (USA), и постановления Президиума Российской академии наук в рамках "Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления".

Цель и решаемые задачи. Опираясь на достижения механики пористых тел, с использованием методов математического и натурного моделирования дать теоретическое обобщение результатов исследований процессов полунепрерывного выдавливания и волочения пористых заготовок и создать научно-обоснованные предпосылки для разработки технологической схемы изготовления прутков и проволоки из титановой губки.

Исходя из этого в работе решались следующие задачи:

1. Разработать новую модель, основные соотношения и физические уравнения для пористого материала, которые позволят учитывать геометрию, расположение и различие в размерах отдельных пор, а также изменение пористости при конечных деформациях;

2. Разработать математические модели процессов прямого осесимметричного полунепрерывного выдавливания и волочения пористых заготовок;

3. Оценить остаточную пористость проволочной заготовки после выдавливания;

4. Определить зависимость допустимой вытяжки при волочении выдавленной проволочной заготовки от ее остаточной пористости;

5. Осуществить натурное моделирование технологических процессов полунепрерывного выдавливания и волочения пористых заготовок и проверить адекватность математических моделей реальным процессам;

Методы исследований. Работа выполнена по программе, содержащей этапы теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов полунепрерывного выдавливания и волочения прутков и проволоки из пористой заготовки. Для исследования применены экстремальные теоремы теории пластичности, структурно-феноменологическая модель деформирования пористых тел, феноменологическая теория схватывания металлических материалов при их совместной пластической деформации (для прогнозирования прочности соединений).

Научная новизна работы. Выражена в следующих результатах:

- доказана целесообразность применения структурно-феноменологического подхода механики гетерогенных материалов и на его основе разработана новая модель пористого материала, которую применили для исследования процессов прессования некомпактного материала в закрытой пресс-форме, выдавливания некомпактного материала из сужающегося канала, образованного рабочими поверхностями цилиндрического контейнера и матрицы, волочения пористой проволочной заготовки;

- с использованием структурно-феноменологического подхода, для которого характерна связь геометрической структуры и физико-механических свойств зернистого каркаса со свойствами сопротивления пористых тел необратимому формоизменению, проведена конкретизация математической модели пористого тела;

- в рамках ассоциированного закона течения предложены простые для использования в инженерной практике физические уравнения пористого

материала вида:

где Т

интенсивность касательных напряжений, Н - интенсивность скорости деформации сдвига; сг^ - компоненты тензора напряжений; а - среднее

нормальное напряжение, - компоненты тензора скорости деформации; -скорость относительного изменения объема; т8 - предел текучести, 8 -относительная пористость, кч, кр - коэффициенты, характеризующие

геометрию, расположение и различие в размерах отдельных пор;

- для учета поверхностной пористости некомпактного материала на контакте с инструментом в процессах обработки давлением построена математическая модель внешнего трения для структурно-неоднородного (гетерогенного) материала, у которого на поверхность, на ряду с деформируемым металлом, выходят и поры, упрощающая постановку граничных условий на поверхности контакта деформируемого металла с инструментом;

- доказано, что введенные физические уравнения пористого тела могут успешно применяться в решении прикладных задач по исследованию напряженно-деформированного состояния некомпактных материалов в процессах обработки давлением.

Практическая значимость результатов работы. Характеризуется следующими техническими разработками и их использованием:

- созданы научно-обоснованные предпосылки для разработки технологической схемы изготовления прутков и проволоки непосредственно из титановой губки и предложена концепция технологического процесса;

- предложен и экспериментально опробован метод полунепрерывного выдавливания пористых заготовок, позволяющий получать длинномерные изделия из пористой заготовки малого развеса, и определена оптимальная форма исходной заготовки;

- в диссертации, в части связанной с выполнением работ по контракту "Моделирование и математическое обеспечение новой технологии полунепрерывного выдавливания и волочения проволочной заготовки1,

заключенного между ИМАШ УрО РАН и "Sandia National Laboratories Tia Reid "(USA), получены прутки и проволока из титановой губки;

- подана заявка на изобретение (приложения 2-3), на которую получено уведомление о положительном результате формальной экспертизы заявки на патент за №97103275 с приоритетом от 04.03.97 (приложение 4).

Практическое применение результатов работы. Полученные в результате экспериментальных исследований прутки и проволока из титановой губки переданы по контракту фирме "Sandia National Laboratories" (USA). Общая стоимость контракта составляла 20.000 USD. Долевое участие соискателя в выполненных работах по контракту оценено в 30%, что составило 6.000 USD (приложение 5).

На защиту выносятся следующие основные положения:

- применение структурно-феноменологического подхода механики гетерогенных материалов (в том числе порошкообразных материалов и композитов), для исследования процессов пластического формоизменения изначально некомпактных пористых тел;

- основные соотношения и физические уравнения пористого тела и их применение для исследования процессов прессования некомпактного материала в закрытой пресс-форме, выдавливания некомпактного материала из сужающегося канала, образованного рабочими поверхностями цилиндрического контейнера и матрицы, волочения пористой проволочной заготовки;

- использование экстремальных теорем теории пластичности для тел с кусочно-однородными свойствами для решения задач механики обработки давлением некомпактных пористых материалов;

- математическая модель внешнего трения структурно-неоднородного материала, у которого на поверхность, наряду с деформируемым металлом, выходят и поры;

- результаты экспериментальных исследований полунепрерывного выдавливания и волочения проволочной загото