WPŁYW GEOMETRII MATRYCY NA PLASTYCZNE PŁYNIĘCIE KOMPOZYTÓW WARSTWOWYCH W PROCESIE WYCISKANIA

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 IRENA NOWOTYŃSKA, STANISŁAW KUT, JACEK MUCHA WPŁYW GEOMETRII MATRYCY NA PLASTYCZNE PŁYNIĘCIE KOMPOZYTÓW WARSTWOWYCH W PROCESIE WYCISKANIA W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych dotyczących plastycznego płynięcia kompozytów warstwowych o układzie rdzeń powłoka w procesie wyciskania. Dokonano analizy wpływu wybranych parametrów geometrycznych matrycy na plastyczne płynięcie kompozytów warstwowych. Stosując różne udziały objętościowe składników kompozytu, badano końcowy efekt jednoczesnego odkształcenia dwóch różnych materiałów z użyciem kompletu matryc. Wykorzystano metaliczne materiały wsadowe, tj. miękki ołów oraz twardy stop ołowiu. Na podstawie analizy rozkładów względnych prędkości cząstek w obszarze otworu matrycy, wielkości i kształtu stref plastycznych oraz sił wyciskania wskazano odpowiednio dobrane matryce wypukłe do danego typu kompozytu. Pozwoliło to na zmniejszenie stref odkształcenia, siły wyciskania oraz wyrównywanie prędkości wypływu materiału w obszarze otworu matrycowego. Słowa kluczowe: wyciskanie, kompozyty warstwowe, matryce wypukłe 1. WPROWADZENIE Do wytwarzania kompozytów warstwowych typu rdzeń powłoka stosowane są różne metody, wśród których dominuje proces wyciskania. Niemniej wyciskanie kompozytów warstwowych jest procesem złożonym i trudnym do rozwiązania, głównie ze względu na trudności kontrolowania jednoczesnego płynięcia składników kompozytu. Płynięcie to zależy m.in. od zróżnicowania właściwości (σ p powłoki /σ p rdzenia ), układu geometrycznego składników we wsadzie, stopnia odkształcenia, warunków tarcia na granicy wlewek narzędzie czy tarcia międzywarstwowego [1, 3, 5 7]. Istotne więc jest poszukiwanie takiego sposobu kontrolowania płynięcia warstw kompozytu, jaki umożliwi poprawę jakości wyrobu. Stąd duże znaczenie w tym zakresie mają badania związane z wprowadzeniem odpowiednich narzędzi (matryc) do wyciskania metali. Dr inż. Zakład Informatyki w Zarządzaniu Politechniki Rzeszowskiej. Dr inż. Katedra Przeróbki Plastycznej Politechniki Rzeszowskiej. Dr inż. Katedra Konstrukcji Maszyn Politechniki Rzeszowskiej.

2 118 I. Nowotyńska, S. Kut, J. Mucha Tradycyjnymi matrycami stosowanymi w procesie wyciskania prętów czy drutów są matryce stożkowe i płaskie. Wprawdzie matryce stożkowe umożliwiają dopasowanie kształtu narzędzia do kształtu strefy plastycznej, co zmniejsza opory płynięcia i siłę wyciskania, ale np. w przypadku wyciskania aluminium i jego stopów pojawia się tendencja do naklejania się wyciskanego materiału na powierzchnię roboczą matrycy. Poza tym wszelkie zanieczyszczenia i defekty powierzchniowe wlewka, które w przypadku wyciskania z użyciem matryc płaskich mogłyby być w dużym stopniu zatrzymane, przy wyciskaniu przez matryce stożkowe o małym kącie rozwarcia stożka roboczego mogą przenikać na powierzchnię wyrobu już w początkowej fazie procesu wyciskania. Z kolei matryce płaskie stosuje się m.in. do wyciskania wielootworowego czy do analizy konfiguracji stref martwych i stref plastycznych, aby można było wnioskować o określonym (optymalnym) kącie matrycy. Bardzo korzystne efekty w regulowaniu płynięcia materiałów litych osiągnięto z zastosowaniem tzw. matryc wypukłych, których cechą charakterystyczną jest to, że kąt pomiędzy tworzącą stożka roboczego matrycy a osią wyciskania jest większy od 90 o [2, 4, 8]. Otrzymane wyniki wskazują na możliwość wykorzystania tego efektu do wyciskania kompozytów. Celem niniejszego artykułu jest określenie wpływu wybranych parametrów geometrycznych matrycy na efekt plastycznego płynięcia materiału złożonego o układzie rdzeń powłoka w procesie wyciskania współbieżnego. 2. BADANIA EKSPERYMENTALNE Badania wyciskania współbieżnego prowadzono na prasie pionowej wyposażonej w układ umożliwiający rejestrację siły wyciskania oraz przemieszczenia stempla. W badaniach wyciskania kompozytów o koncentrycznym układzie warstw składników rdzeń powłoka wykorzystano matryce wypukłe oraz matryce płaskie (rys. 1). Zastosowano materiał wsadowy (rys. 2) złożony z ołowiu miękkiego gatunku Pb1 i ołowiu twardego gatunku OT3. Metalowe wlewki były złożone w ten sposób, że twardy rdzeń o przekroju kołowym otoczony był miękką powłoką (TR-MP). Wlewki wykonano z dwoma udziałami objętościowymi rdzenia w kompozycie (V rdzeń /V kompozyt = 0,08, V rdzeń /V kompozyt = 0,31). W badaniach zastosowano metodę wizjoplastyczności, umożliwiającą analizę pola odkształceń na podstawie deformacji kwadratowej siatki o wymiarze boku oczka siatki 1,5 mm naniesionej na powierzchnię wzdłużnie przeciętego wlewka. Podstawowe parametry prób wyciskania oraz wybrane parametry geometryczne matryc podano w tablicy 1. Wyciskanie prowadzono do połowy wysokości próbki, co zapewniało osiągnięcie stanu ustalonego płynięcia materiału złożonego.

3 Wpływ geometrii matrycy na plastyczne płynięcie kompozytów warstwowych 119 W celu określenia zasięgu strefy odkształcenia powłoki i rdzenia w głąb wsadu dokonano pomiarów zasięgu obszarów na częściowo wyciśniętych wsadach ołowianych. Na tak wyciśniętych próbkach można zaobserwować obszary w obrębie materiału rdzenia i powłoki, na których naniesiona wcześniej siatka została zdeformowana w trakcie procesu wyciskania, oraz obszary, na których jest prawie nienaruszona. Na podstawie tych obserwacji określono zasięg stref odkształcenia rdzenia i powłoki w głąb wsadu. a) b) Rys. 1. Matryce do wyciskania przekrój wzdłużny: a) matryca wypukła, b) matryca płaska Fig. 1. The dies used in the extrusion process the scheme of longitudinal section of the die: a) convex die, b) flat die V rdz /V komp = 0,08 V rdz /V komp = 0,31 Rys. 2. Złożony materiał wsadowy o różnym udziale objętościowym składników Fig. 2. The composite billet of different volume fraction of the components Podstawowe parametry wyciskania Basing parameters of the extrusion Tablica 1 Parametr Temperatura wyciskania T w Początkowa średnica wsadu D 0 Początkowa wysokość wsadu H 0 Współczynnik wydłużenia λ Kąt matrycy α Długość paska kalibrującego l K Średnica otworu matrycy d m Wartość 20 o C 36 mm 72 mm 3; o, 95 o ; 100 o ; 105 o 2 mm 20,78 mm; 10,39 mm

4 I. Nowotyńska, S. Kut, J. Mucha WYNIKI I ANALIZA Obserwacja deformacji siatki po częściowym wyciśnięciu wlewka pozwoliła m.in. na określenie zasięgu strefy plastycznej, mającego decydujący wpływ na wartość siły wyciskania, oraz rozkładu względnych prędkości cząstek w oczku matrycy. Na zdjęciach zdeformowanych siatek można zauważyć zmianę kształtu i wielkości stref plastycznych rdzenia i powłoki w zależności od kąta matrycy (rys. 3). Wyciskanie przez matryce wypukłe ujawnia występowanie efektu płynięcia promieniowego głównie materiału powłoki, co może się przyczyniać do lepszego połączenia składników w strefie plastycznej, uzyskania korzystniejszego schematu płynięcia czy lepszego wyrównywania prędkości cząstek w obszarze otworu matrycy. Obrazy zniekształconych siatek umożliwiają także wyznaczenie zależności obszaru (zasięgu) stref odkształcenia rdzenia i powłoki od kąta matrycy dla różnych udziałów objętościowych rdzenia w kompozycie. α = 90 α = 95 α = 100 α = 105 Vrdzeń/Vkompozyt = 0,08 Vrdzeń/Vkompozyt = 0,31 Rys. 3. Zniekształcenie siatki na przekroju wzdłużnym częściowo wyciśniętego wsadu oraz strefy odkształcenia, współczynnik wydłużenia λ =3 Fig. 3. Grid distortion on the longitudinal section of the billet in extrusion and plastic zones, extrusion ratio λ = 3 Istotnym zagadnieniem w procesie wyciskania metali, a w szczególności w jednoczesnym odkształceniu dwóch różnych metali jest równomierność ich prędkości na przekroju wyciskanego materiału. Różna prędkość warstw we-

5 Wpływ geometrii matrycy na plastyczne płynięcie kompozytów warstwowych 121 wnętrznych i zewnętrznych w materiałach jest przyczyną nierównomiernego rozkładu właściwości na przekroju gotowego wyrobu, a dodatkowo w przypadku kompozytów warstwowych może prowadzić do braku połączenia składników lub ich pękania. Na podstawie otrzymanych obrazów płynięcia z wykorzystaniem metody wizjoplastyczności określono rozkład względnej prędkości cząstek materiału rdzenia i powłoki w zależności od zastosowanej geometrii matrycy (rys. 4). V rdzeń /V komp. =0,08 λ=3 Kąt matrycy V rdzeń /V komp. =0,31 α=90 o α=95 o α=100 o α=105 o Rys. 4. Rozkład względnych prędkości cząstek v/v 0 w obszarze oczka matrycy, współczynnik wydłużenia λ = 3 Fig. 4. Distribution of the relative velocities of particles v/v 0 in the region of the orifice of the die extrusion ratio λ = 3 Jak wynika z rys. 4, geometria matrycy wywiera istotny wpływ na rozkład prędkości cząstek w jej otworze. Większe różnice w prędkościach cząstek występują podczas wyciskania przez matrycę płaską niż przez matryce wypukłe. Znaczące różnice w prędkościach warstw kompozytu mogą prowadzić do zdefektowania wyrobu, przejawiającego się np. brakiem dobrego połączenia warstw czy pękaniem jednego ze składników: rdzenia bądź powłoki. Analiza odkształcenia tego typu materiałów w wyniku zastosowania konwencjonalnych matryc

6 122 I. Nowotyńska, S. Kut, J. Mucha (tu: płaskich) oraz proponowanych matryc wypukłych pozwala na stwierdzenie, że najkorzystniejsze z punktu widzenia bardziej równomiernego wypływu cząstek w warstwach jest wyciskanie przez matryce wypukłe o odpowiednio dobranym kącie stożka roboczego. Badając efekty wyciskania z użyciem rozpatrywanych matryc, można wykazać, że zastosowanie matrycy wypukłej o kącie stożka z zakresu α = ( o ) zmniejsza różnicę prędkości cząstek składników kompozytu. Wskazuje to, że zwiększenie kąta stożka roboczego powyżej α = 90 o spowalnia wypływanie warstw kompozytu, szczególnie materiału powłoki, co przyczynia się m.in. do lepszego połączenia składników kompozytu. W przypadku wyciskania prowadzonego ze współczynnikiem wydłużenia λ = 3 zarówno zasięg strefy odkształcenia rdzenia (rys. 5a), jak i powłoki przybierał wartość najmniejszą dla kąta stożka roboczego matrycy wypukłej równego 95 o. Zwiększenie współczynnika wydłużenia z λ = 3 do λ = 12 (rys. 5c) spowodowało zmniejszenie zasięgu strefy plastycznej składników kompozytu, gdy zastosowano matrycę o większym kącie roboczym, tj. α = 100 o. Rys. 5. Zależność względnej głębokości strefy plastycznej rdzenia L sr /R i powłoki L sp /R od kąta matrycy dla różnych udziałów objętościowych rdzenia, współczynnik wydłużenia: a), b) λ = 3, c), d) λ = 12 Fig. 5. Dependence of the relative range of deformation zone of core L sr /R and sleeve L sp /R on angle of the die for different volume fraction of the core extrusion ratio: a), b) λ = 3, c), d)λ = 12 Na podstawie wyników rejestracji siły wyciskania oraz przemieszczenia stempla podczas procesu wyciskania określono wartości maksymalnej siły wyci-

7 Wpływ geometrii matrycy na plastyczne płynięcie kompozytów warstwowych 123 skania zależnie od geometrii zastosowanej matrycy. Wyciskanie kompozytu warstwowego ze współczynnikiem wydłużenia λ = 3 powodowało pojawienie się wartości najmniejszej siły w przypadku wyciskania przez matrycę wypukłą o kącie stożka roboczego α = 95 o (rys. 6a). W trakcie przechodzenia od współczynnika wydłużenia λ = 3 do λ = 12 zlokalizowane minimum przesuwa się w kierunku matrycy o większym kącie roboczym, tj. α = 100 o (rys. 6b), dla obu rozpatrywanych udziałów objętościowych rdzenia w kompozycie. Można zatem przyjąć, że istnieje pewien optymalny kąt matrycy dla danego kompozytu warstwowego, dla którego uzyskuje się najmniejszą siłę w procesie wyciskania. Jak pokazały wyniki badań eksperymentalnych kompozytu warstwowego typu TR-MP, najkorzystniejsze jest wyciskanie przez matryce wypukłe o kątach stożka roboczego z zakresu α = ( o ), gdy współczynnik wydłużenia λ = 3 oraz λ = 12. a) b) Rys. 6. Zależność maksymalnej siły wyciskania od kąta matrycy: a) λ = 3, b) λ = 12 Fig. 6. Dependence of maximal extrusion load on the angle of the die, a) λ = 3, b) λ = PODSUMOWANIE Zastosowanie matryc wypukłych o parametrach geometrycznych dobranych do rodzaju wyciskanego materiału może prowadzić do bardziej jednorodnego płynięcia warstw kompozytu. Dobór odpowiedniego kąta zależy od rodzaju wyciskanych materiałów złożonych. Jego optymalna wartość zapewnia uzyskanie wyrównywania prędkości płynięcia cząstek oraz minimalizacji siły wyciskania. Wykazano, że zmiana kształtu i wielkości stref odkształcenia zależy od kąta matrycy wypukłej. Dla kąta rozwarcia stożka roboczego matrycy większego niż α = 90 o można zaobserwować płynięcie materiału powłoki w kierunku promieniowym. Takie zachowanie materiału powłoki może spowodować lepsze wyrównywanie prędkości cząstek w obszarze rdzenia i powłoki w otworze matrycy.

8 124 I. Nowotyńska, S. Kut, J. Mucha Zmiana współczynnika wydłużenia pociąga za sobą zmianę zasięgu głębokości strefy plastycznej. Przy większym rozpatrywanym współczynniku wydłużenia, tj. λ = 12, i mniejszym udziale objętościowym rdzenia najlepsze efekty daje zastosowanie matrycy o kącie z zakresu α = ( o ). LITERATURA [1] Ahmed N., Extrusion of cooper clad aluminium wire, J. Mech. Work. Techn., 1978, nr 2. [2] Dragutinowic R., Zasadziński J., Flow of aluminium alloys during extrusion through the dies of various geometry, w: Proceedings of the Sixth International Symposium on Plasticity and Resistance to Metal Deformation, Herceg-Novi 1989, s [3] Laue K., Stenger H., Extrusion, American Society for Metals, Ohio, Metals Park [4] Libura W., Zasadziński J., Misiolek W.Z., Metal flow control in extrusion, w: International Congress on Metalurgy and Materials Technology, t. 6, Sao Paulo, Brazylia, 1994, s [5] Sliwa R., Plastic zones in extrusion of metal composites, Journal of Materials Processing Technology, 1997, 67, s [6] Tokuno H., Ikeda K., Analysis of deformation in the extrusion of composite rods, J. Mat. Proc. Tech., 1991, 26, s [7] Yeong-Maw Hwang, Te-Fu Hwang, An investigation into the plastic deformation behavior within a conical die during composite rod extrusion, Journal of Materials Processing Technology, 2002, 121, s [8] Zasadziński J., Libura W., Wyciskanie metali przez matryce wypukłe, w: Przeróbka plastyczna 93, Komitet Metalurgii PAN, Sekcja Przeróbki Plastycznej, Krynica 1993, s Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: dr hab. inż. Jan Materniak THE INFLUENCE OF DIE GEOMETRY ON PLASTIC FLOW OF LAYERED COMPOSITE DURING EXTRUSION PROCESS S u m m a r y The results of experimental studies of plastic flow of layered composite of the core-sleeve system in the co-extrusion is presented in this paper. The influence of selection geometrical parameters of die on the plastic flow of layered composite has been analyzed. The impact different volume fractions of composite components on final effect of simultaneous deformation of layered composite has been investigated. The model materials like soft lead, hard lead alloy and set of the dies has been used in experimental procedure of direct extrusion. Basing on the analysis of relative velocity distribution in the orifice region, size and shape of the deformation zones and extrusion load in particular the best convex die geometry in comparison with others has been proposed. Key words: extrusion, layered composite, convex dies