Eksperymentalna weryfikacja kryteriów spajania strug plastycznych w procesie wyciskania stopów aluminium na gorąco

Transkrypt

1 Eksperymentalna weryfikacja kryteriów spajania strug plastycznych w procesie wyciskania stopów aluminium na gorąco JAN PIWNIK, GRZEGORZ SKORULSKI POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA, WYDZIAŁ MECHANICZNY STRESZCZENIE Praca zawiera propozycję teoretycznego kryterium kohezji plastycznej rozdzielonych uprzednio wyciskanych strug stopów aluminium w podwyższonych temperaturach. Kryterium zakłada, że istotnie odpowiedzialnym czynnikiem jest krytyczna wartość sił stycznych na powierzchniach kontaktu. Krytyczna wartość pracy sił stycznych na powierzchniach kontaktu zależy od temperatury, granicy plastyczności, stopnia zbliżenia powierzchni i stanu fizycznego powierzchni kontaktu. W efekcie końcowym kryterium jest opisane funkcją temperatury, granicy plastyczności, naprężeń normalnych na kontakcie, prędkości odkształceń i pewnych parametrów reprezentujących geometrię i stan powierzchni. Praca zawiera również wyniki badań doświadczalnych procesu spajania strug plastycznych w procesie wyciskania współbieżnego materiału modelowego. Metoda badań doświadczalnych dotyczy sposobu weryfikacji kryteriów spajania bezpośrednio w procesie wyciskania, z wykorzystaniem materiału zastępczego typu silikon. Do wykonania badań na materiałach rzeczywistych zaprezentowano projekt specjalnego stanowiska badawczego wraz z wyposażeniem. Experimental verifica on of seam weld forma on in hot extrusion of aluminium alloys ABSTRACT The work contains a proposi on of a theore cal criteria of plas c cohesion of formerly divided and extruded aluminium alloy s streams in elevated temperatures. The criteria presumes that essen ally responsible factor is a cri cal value of shearing forces at the contact surface. The cri cal value of shearing force s work at contact surfaces depends on the temperature, yield stress, surfaces approach rate and phisical state of the contact surface. Finally the criteria is formulated as a func on of temperature, yield stress, normal stresses at contact point, strain rate, par cular geometrical parameters and parameters depending on a state of the surface. The theory has been tested experimentally using a silicon polymer as a subs tute material. Experimental stand with a Plexiglass die was prepared, such that the velocity fields at the surfaces could be observed and measured during plas c flow, allowing the empirical coefficients in the mathema cal formula on to be es mated. To inves gate the real process, the project of special experimental stand with equipment has been presented. 21

2 1. WSTĘP Opis zjawisk fizycznych w procesie wzdłużnego spajania strug plastycznych podczas wyciskania stopów aluminium na gorąco jest bardzo trudny. Składa się na to złożoność zjawisk o charakterze metalurgicznym i mechanicznym. Proces spajania zależy od wielu czynników takich jak temperatura, granica plastyczności materiału, parametry strukturalne materiału, stan naprężenia i odkształcenia, historia procesu deformacji i wielu innych niezbadanych parametrów procesu. Istnieje niewiele propozycji opisu tego zjawiska z pozycji mechaniki ośrodka plastycznego [1, 2, 4]. W pracach [1, 2] zaproponowano nowe koncepcje kryterium spajania plastycznego wzdłużnych i poprzecznych warstw wyciskanego stopu aluminium na gorąco. Koncepcja zaproponowana w pracach [3, 6] zakłada, że podstawowym czynnikiem decydującym o efektywnym spajaniu uprzednio rozdzielonych strug plastycznych jest pewna krytyczna wartość pracy lub mocy naprężeń stycznych na powierzchni kontaktu strug. Krytyczna wartość pracy lub mocy sił stycznych zależy od naprężeń normalnych na powierzchni, prędkości odkształceń, granicy plastyczności, stopnia redukcji i stanu powierzchni [5]. Określenie krytycznej wartości pracy lub mocy sił stycznych na powierzchni kontaktu wymaga zaplanowania odpowiedniej metody eksperymentalnej, która umożliwia zmierzenie parametrów kinetycznych i dynamicznych procesu. Dalej pokazano propozycję eksperymentu na realnym materiale, który umożliwi ilościowe sprawdzenie teoretycznych kryteriów spajania wzdłużnych strug plastycznych. 2. METODOLOGICZNE CELE EKSPERYMENTU Metodologicznym celem eksperymentu na realnym materiale jest określenie postaci funkcji, które określają liczbowo część pracy lub mocy naprężeń stycznych na powierzchni kontaktu strug zużytą na trwałe plastyczne zespolenie. Ogólna postać kryterium ma formę: Funkcja W oznacza moc naprężeń stycznych τ wzdłuż linii strug spajania, której punkty poruszają się z prędkością v k w czasie zespolenia od początku kontaktu do czasu pełnego zespolenia. W eksperymencie należy wyznaczyć funkcje: K 1, K 2, W kr, prędkości v k, granice plastyczności materiału, naprężenia normalne na kontakcie i stan powierzchni. Funkcje K 1, K 2 mają postać: gdzie: σ n naprężenia normalne na powierzchni kontaktu, σ p lokalna granica plastyczności, ε& intensywność prędkości odkształceń, i S parametr struktury (wielkość ziarna), R parametr stanu powierzchni. W tym celu należy zrealizować specjalne doświadczenia na realnym stopie aluminium, który wyciskano z uprzednim rozdzieleniem wzdłużnym strug plastycznych w wysokich temperaturach. Dalej pokazano koncepcję stanowiska badawczego do weryfikacji kryteriów spajania plastycznego w warunkach zespolenia strug wzdłużnych. Opierając się na kryteriach spajania można sugerować pewne wytyczne do projektowania technologii procesu wyciskania. Jakość produktu (profilu) ze względu na właściwe spajanie warstw kontaktowych będzie wzrastać, jeżeli uwzględnimy następujące czynniki: wzrost powierzchni kontaktu, wzrost naprężeń normalnych, wzrost naprężeń stycznych, wzrost długości linii prądu, wzrost czasu obecności cząstki materialnej w polu dużych naprężeń normalnych, wzrost objętości deformowanego materiału w początkowej fazie procesu. W teoretycznych kryteriach spajania strug plastycznych podstawowym czynnikiem odpowiedzialnym za proces trwałego złącza jest rozkład prędkości odkształceń wzdłuż powierzchni styku. Uzyskanie takich rozkładów w rzeczywistych warunkach jest bardzo trudne. Stąd opierając się na warunkach podobieństwa procesów można efektywnie wykorzystać materiały zastępcze. 3. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH NA MATERIAŁACH MODELOWYCH Do badań doświadczalnych zbudowano specjalne stanowisko, które umożliwiało realizację rozdzielania i spajania strug plastycznych materiału próbki. Stanowisko posiadało układ komputerowej rejestracji i przetwarzania obrazu. Pozwoliło to rejestrować przemieszczenia i prędkości wybranych, znaczonych punktów przezroczystego silikonu w procesach rozdzielania i łączenia się dwóch lub trzech strug pla- 22 ABiD 1/2010

3 stycznych podczas wyciskania. Próbki z silikonu wymieszano z czerwonym barwnikiem. Na powierzchni czołowej próbek o wymiarach 200 x 80 x 20 mm układano siatkę z ziaren gorczycy tworząc oczka o wymiarach 7 x 7 mm. Próbki wyciskano z prędkością stempla v o = 5 mm/s. Kolejne fazy separacji i spajania strug rejestrowano kamerą i poddawano obróbce komputerowej. Wyniki badań przedstawiono w postaci rozkładów prędkości przemieszczeń węzłów uprzednio naniesionej, kwadratowej siatki. Wyciskanie realizowano w matrycach prostokątnych (przykład zamieszczono na Rys. 1.) i stożkowych z małymi i Na Rysunku 3 porównano prędkości płynięcia wzdłuż linii prądu w końcowej fazie wyciskania dla pięciu wariantów redukcji, kształtu opornika i sposobów rozdzielania strug. Czynniki te mają zasadniczy wpływ na rozplanowanie stref martwych. 4. PROJEKT STANOWISKA DO BADAŃ NA MATERIAŁACH RZECZYWISTYCH dużymi stopniami redukcji. Następnie wykorzystując przemieszczenia punktów siatki wykonano wykresy wektorowe prędkości płynięcia oraz porównano trzy wybrane, charakterystyczne dla danego wariantu linie prądu (Rys. 2). Projekt schematu stanowiska do wyciskania z rozdzieleniem materiału na duże strugi wzdłużne zawiera Rysunku 4. Proces ma być realizowany na prasie o nacisku 140 ton. Próbka ze stopu aluminium ma kształt walcowy i jest złożona z dwóch półcylindrycznych części. Na powierzchni podziału próbki będzie naniesiona kwadratowa siatka metodą nacinania mechanicznego. Podczas wyciskania w wysokiej temperaturze próbka deformuje się napotykając owalny trzpień opornika, który jest elementem pojemnika lub matrycy mostkowej. Następuje wtedy rozdzielenie strug i następnie w części kalibracyjnej materiał spaja się plastycznie. Obraz deformacji początkowo kwadratowej siatki jest widoczny na wzdłużnej powierzchni rozdziału próbki równoległej do powierzchni symetrii mostka (Rys. 4). W ustalonej fazie procesu kształt linii wzdłużnej siatki jest kształtem linii prądu, co umożliwia wyznaczenie rozkładu prędkości płynięcia w obszarze uplastycznienia i na powierzchni kontaktu strug. Proponuje się dalej zbadanie parametrów płynięcia dla trzech wariantów wymiarowych pokazanych na Rysunku 4. Naprężenia normalne σ n na powierzchni kontaktu strug i ścianach bocznych można zmierzyć czynnikami siłowymi w układzie trzpieniowym. W otworach bocznych pojemnika i wymiennych matryc znajdują się trzpienie. Trzpienie naciskające odpowiednie elementy czujników podczas deformacji próbki. Warunek utrzymania wysokiej temperatury spełnia instalacja nagrzewania indukcyjnego i odpowiednia izolacja. W celu wyznaczenia lokalnych parametrów materiałowych wyciskanej i spajanej próbki należy w usta- Eksperymentalna weryfikacja kryteriów spajania strug plastycznych w procesie wyciskania stopów... 23

4 lonej fazie procesu przerwać doświadczenie i wyjąć próbkę z pojemnika. Obrazuje to Rysunek. 5. Następnie z miejsc wzdłuż powierzchni zespojenia i obszaru uplastycznienia (rys. 5) należy wycofać materiał i wykonać z niego próbki do rozciągania lub ściskania jednoosiowego na maszynie wytrzymałościowej INSTRON. Jednocześnie należy dokonać zgładu powierzchni kontaktu strug. Na tych powierzchniach możemy obserwować parametry struktury. Ważną informacją jest również rozkład twardości wzdłuż linii prądu i powierzchni kontaktu. Jest tak, ponieważ lokalna granica plastyczności, wyraża się jako liniowa funkcja twardości: σ p = CH (4) 24 ABiD 1/2010

5 gdzie: C jest znanym z literatury lub z doświadczeń współczynnikiem (C 0,35), H jest liczbą twardości Brinella lub Vickersa. 5. WNIOSKI Przedstawione teoretyczne kryteria spajania strug plastycznych podczas wyciskania stopów aluminium na gorąco znajduje bezpośrednie wdrożenie do optymalizacji procesu. Wyraża się to rekomendacjami odnośnie wzrostu naprężeń normalnych i stycznych na powierzchni kontaktu, wzrostu objętości obszaru deformacji we wstępnej fazie procesu i wydłużeniem czasu kontaktu. Teoretyczne kryteria spajania mogą być efektywnie wykorzystane tylko w połączeniu z symulacją numeryczną procesu oraz wykonanymi doświadczeniami na materiałach modelowych i rzeczywistych. Chodzi tu o znajomość pól prędkości i naprężeń w obszarze płynięcia plastycznego. Szczególnie przydatnym narzędziem inżynierskim w optymalizacji procesów spajania są badania modelowe. Wyniki tych badań można bezpośrednio wykorzystać do projektowania matryc. Wspomniane trzy kierunki działań, tj. kryteria teoretyczne spajania, symulacja numeryczna i doświadczenia modelowe dają inżynierom najbardziej konkurencyjne narzędzia do racjonalnego projektowania procesów wyciskania stopów aluminium na gorąco. Pokazany schemat stanowiska badawczego umożliwia przeprowadzenie na prasie o nośności 140 ton doświadczeń wyciskania z wzdłużnym rozdzieleniem i spajaniem plastycznym strug zdeformowanego stopu aluminium w wysokich temperaturach. Eksperymentalna weryfikacja kryteriów spajania strug plastycznych w procesie wyciskania stopów... 25

6 Doświadczenia te mogą być realizowane na wymiennych matrycach i trzpieniach oporowych z różną redukcją i prędkością wyciskania. Można w ten sposób zweryfikować teoretyczne kryteria spajania plastycznego. Umożliwia to zbudowanie teorii prowadzącej do wytycznych inżynierskich związanych z racjonalnym projektowaniem matryc mostkowych wielootworowych. Realizacja wymienionego zadania wymaga uprecyzyjnienia kryterium teoretycznego, wykonania projektu i zbudowania stanowiska badawczego, wykonania szeregu próbek i opracowania wyników doświadczalnych. Są to zadania bardzo złożone, ale prowadzą one do optymalizacji bardzo skomplikowanego procesu wieloetapowego wyciskania stopów aluminium na gorąco. LITERATURA [1] Akeret, R., Proper es of Pressure Welds in Extruded Aluminium Alloy Sec ons, Journal of the Ins tute of Metals, 10, p. 202, (1972). [2] Giljdengorn, M. S. et al., Pressovanie so svarkoj poljih izdelij iz Aljominievljih splavov (Extrusion of Hollow Aluminium Sec ons with Welds), Metalurgija, Moscow, [3] Laue, K. and Stenger, H., Extrusion, Aluminium-Verlag GmbH, Dusseldorf, [4] Mielnik E.M.: Metalworking Science and Engineering Mc Graw Hill, Inc [5] Misiolek, W. Z. and Kelly, R. M., Dead Metal Zones in Extrusion of Complex Shapes, Proceedings of 5 th Interna onal Aluminium Extrusion Technology Seminar ET 92, Chicago, Vol. I, p , [6] Valberg, H. and Groenseth R. A., Deforma on and Metal Flow when Extruding Hollow Aluminium Profiles, Int. J. Mat. & Prod. Techn. Vol. 8, No. 1, ABiD 1/2010