DOŚWIADCZALNY DOBÓR KSZTAŁTU WLEWKA W PROCESIE WYCISKANIA STOPÓW METALI NA GORĄCO

Transkrypt

1 66/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN DOŚWIADCZALNY DOBÓR KSZTAŁTU WLEWKA W PROCESIE WYCISKANIA STOPÓW METALI NA GORĄCO A. PATEJUK 1, J. PIWNIK 2 Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45C, Białystok STRESZCZENIE W pracy przedstawiono doświadczalną analizę doboru najkorzystniejszego kształtu końcówek wlewków w procesie wyciskania ciągłego stopów metali na gorąco. Przeprowadzono badania doświadczalne których celem było wskazanie ukształtowania końcówek wlewków, tak aby podczas procesu wyciskania jak najwięcej zanieczyszczeń mogło być usuniętych z strefy kontaktu. Wykazano, że najbardziej korzystny kształt wlewka jest kombinacją rozwiązań płaskich i wypukłych. Key words: longitudinal welding, hot extrusion, hot metals I. WPROWADZENIE Procesie wyciskania na gorąco stopów metali istotnym problemem jest trwałość złącza stykających się wlewków w recypiencie (pojemniku). Wytrzymałość złącza zależy od wielu czynników. Określa to kryterium spajania strug w warunkach naprężeniowych i temperatury procesu wyciskania. Trwałość złącza można określić podawanym w szeregu pracach [1 3] kryterium spawania (1). t 0 F ( T, σ ) σ ν dt + F ( S) τ ν dt E t 1 i n n 2 f f kr (1) t 0 1 dr inż., apatejuk@pb.bialystok.pl 2 prof. dr hab. inż., jpiwnict@pb.bialystok.pl

2 gdzie: σ n, ν n, τ f, ν f - oznaczają odpowiednio: naprężenia normalne, prędkość normalną, naprężenia styczne i prędkość styczną na powierzchni kontaktu spajanego stopu aluminium w czasie od t 0 do t, F 1 (T, σ i ) i F 2 (S) - funkcje zależne od temperatury T i granicy plastyczności σ i oraz stanu powierzchni S, E kr - najmniejsza krytyczna wartość energii właściwej gwarantująca największą trwałość złącza, T 0, t czas procesu spajania zależny od kształtu powierzchni i rozkładu granicy plastyczności oraz temperatury. Wychodząc z konstrukcji kryterium (1) oraz uwzględniając wyniki modelowych badań doświadczalnych [4, 5] możliwym jest określenie najbardziej korzystnego kształtu powierzchni kontaktu wlewka w procesie wyciskania ciekłego stopu metalu. 2. ANALIZA KSZTAŁTU POWIERZCHNI KONTAKTU WLEWKA Należy zaznaczyć, że kryterium (1) daje bezpośrednie wskazówki do optymalizacji kształtu - rys. 1. Kształt wypukły dotyczy wlewka dolnego I, natomiast płaski górnego I. Na rys. 1b przedstawiono jakościowy rozkład naprężeń σ n podczas wyciskania, których średnia wartość ( σ _ ) można wyliczy z zależności (2). n gdzie: P siła wyciskania, h bieżąca średnica kontaktu. a b _ 4P σ n = 2 (2) πh Rys. 1. Schemat kontaktu typu wypukły-płaski : a kształt wlewka, b rozkład naprężeń σ n Fig. 1. The type of shape contact round-plane : a schema of billet, b distribution of contact stresses σ n Zakładając, że XOY zmienia się, natomiast naprężenia styczne na kontakcie wynoszą τ f, materiał wypełnia przestrzeń ze średnią prędkością ν f wówczas czas 92

3 kontaktu jest określany odcinkiem OB rys. 1b. Zakładamy przy tym, że obydwa wlewki mają identyczny rozkład temperatury i granicy plastyczności. Podobny schemat kontaktu, ale dla obustronnie wypukłego kształtu wlewka przedstawiono na rys. 2. Z porównania geometrii obydwu wariantów wynika, że większa prędkość wypełnienia ν f zakreskowanej wolnej przestrzeni XYO będzie w schemacie przedstawionym na rys. 1, ponieważ przestrzeń XYO jest w tym przypadku o połowę mniejsza. a b Rys. 2. Schemat kontaktu typu wypukły-wypukły : a kształt wlewka, b rozkład naprężeń σ n Fig. 2. The type of shape contact round-round : a schema of billet, b distribution of contact stresses σ n _ Zatem zakładając podobny średni rozkład naprężeńσ n drugi człon w kryterium (1) będzie miał zdecydowanie większą wartość. Powinno to się objawiać również zwiększonymi wartościami naprężeń kontaktowych na styku ścianek recepienta deformowanego metalu na gorąco w wariancie z obustronnie wypukłymi końcówkami wlewka (rys. 2). Jednocześnie wywoła to większą niejednorodność odkształceń plastycznych w obrębie uplastycznienia kontaktu i w otoczeniu otworu matrycy. Stąd analiza jakościowa prowadzi do wniosku o przewadze korzyści w wariancie z rys. 1. Sprawa ta jest bardzo złożona i nie ma obecnie jednoznacznego rozwiązania. Zależy od wielu czynników, głównie jednak od sposobu płynięcia plastycznego, cech materiałowych, jakości powierzchni kontaktu, temperatury, prędkości na styku itp. Proponowany opływowy kształt kontaktu oznacza zaokrąglony koniec wlewka I i płaski koniec wlewka II. Kształt zaokrąglenia przedstawiony na rys. 3, ilustruje optymalny kształt linii OY opisany równaniem (3). 2 2 y( OY ) = eλ x( OY ) (3) gdzie: λ stopień redukcji (λ=d 2 /d 2 ), y (OY), x (OY) współrzędne linii optymalnego profilu, e parametr wyznaczany doświadczalnie z wykorzystaniem materiałów modelowych lub rzeczywistych (odpowiada za transformację linii (YOY) w linię profilu czołowego na wyjściu z matrycy. 93

4 Rys. 3. Schemat optymalnego kontaktu typu płaski-wypukły. Fig. 3. The view of shape for optimal case type round plane. 3. BADANIA DOŚWIADCZALNE Badania przeprowadzono z wykorzystaniem mieszaniny plasteliny z olejem rzepakowym (o założonym udziale). Próbki wykonano w formie prostopadłościanu o wymiarach 200x80x20 mm. końce próbek zaokrąglono promieniem R50 mm. Na powierzchnię czołową próbek naniesiono z kontrastowej plasteliny siatkę o oczku 5 mm. Uzyskane deformacje oczek siatki posłużyły do analizy sposobu plastycznego płynięcia w strefie kontaktu i otworu matrycy. Do badań rozkładu ciśnień wykonano serię otworów w stemplu i recypientrze o średnicy 3 mm, do których napływała plastelina w trakcie procesu wyciskania. Wysokość słupków napłyniętej plasteliny była miarą ciśnienia występującego podczas procesu wyciskania na stemplu i w recepientrze. Wyciskanie realizowano z prędkością stempla V 0 =5mm/s do otworu o średnicy 20 mm z zachowaniem dobrego smarowania na powierzchni czołowej próbki. Kolejne fazy procesu wyciskania (płynięcia próbki) dla przyjętych kształtów symulowanych końcówek wlewka przedstawiono na rys. 4. W wariancie z obydwu wypukłymi końcówkami (rys. 5) obserwuje się większą niejednorodność odkształceń plastycznych w obszarze kontaktu i otworu matrycy. Prowadzi to również do zwiększonych uśrednionych naprężeń kontaktowych (około 1,5 p śr) przy jednoczesnej analogicznej wartości ciśnienia na stemplu rys. 5. W przeciwieństwie do średnich ciśnień zarejestrowanych w wariancie z jedną końcówką wypukłą (rys. 1) przy wariancie z dwoma wypukłymi końcówkami (rys. 2) średnie ciśnienie boczne na stemplu jest zdecydowanie większe. Pokazane zestawienie ciśnień na rys. 5b i uwzględnieniu większych deformacji w obszarach uplastycznienia (rys. 4b) wskazuje na zdecydowaną przewagę wyciskania w wariancie pierwszym - wg schematu przedstawionego na rys

5 a) b) Rys. 4. Deformacja plastyczna w kolejnych fazach wyciskania dla wariantu: a płaski-wypukły, b wypukły-wypukły. Fig. 4. The view of experimental deformation in next phases type: a round-plane, b roundround. a b Rys. 5. Doświadczalne rozkłady naprężeń, przypadek: a płaski-wypukły, b wypukływypukły. Fig. 5. The experimental distribution of stresses, case: a round-plane, b round-round. 4. PODSUMOWANIE Mając na uwadze wyniki doświadczeń modelowych, przesłanki natury geometrycznej i kryterium teoretycznego (1 należy zarekomendować proces technologiczny wyciskania wlewków według schematu typu płaski II wypukły I. Optymalne linie kształtu określa równanie (3). Uściślenie w zakresie optymalizacji kształtu powierzchni spajanych plastycznie strug, przy wyciskaniu wlewków można otrzymać z wykorzystaniem obliczeń numerycznych popartych badaniami doświadczalnymi z wykorzystaniem materiałów modelowych lub rzeczywistych. 95

6 LITERATURA [1] Arif A. F. M., Sheikh A. K., Qamar S. Z.: A study of die failure mechanisms in aluminium extrusion, Journal of Materials Processing Technology, 134, (2003) [2] Mechanical Behavior Characterization of Aluminium Alloys under Semi -Solid Deformation Conditions. A report prepared for Alusuisse by Rensseler Polytechnic Institute [3] Piwnik J., Patejuk A.: Criterion of Transversal Welding in Hot Extrusion of Aluminium Alloys. Archives of Fundry. Vol (2006) [4] Akeret, R., Extrusion Welds Quality Aspects are Now Center Stage, Proceedings of 5 th International Aluminium Extrusion Technology Seminar ET 92, Chicago, Vol. I, p , [5] Patejuk A, Piwnik J.: Energetistic Criterion of Longitudinal Welding in Hot Extrusion of Aluminium Alloys. Archives of Fundry. Vol (2006) THE EXPERIMENTAL METHOD OF OPTIMISATION SHAPE OF BILLET IN EXTRUSION OF HOT METALS SUMMARY The paper presents the experimental method for optimise shape of billet during extrusion hot metals. The analysis beset on flaw line substitute material in of zone contact. In experiment was used specimen from partisan. Next consider two type of shape billet. The optimal type was establish optimal type round-plane. Et whose case of round-plane. Recenzował: prof. Jerzy Mutwil, prof. Bazyli Krupicz. 96