Вивчення особливостей плину металу в процесі пресування

Мета роботи. Дослідити схему текучості металу при пресуванні та встановити до якої моделі плину відноситься сплав.

Загальні відомості. Пресування – процес пластичного деформування металу, який полягає у стисканні та видавлюванні його із замкнутого об’єму через отвір (канал) у пресовому інструменті (матриці). За характером силових і деформаційних умов процес пресування розділяють па чотири послідовні стадії (рис. 3.1):

I - розпресовка заготівлі в контейнері та заповнення металом усього його об’єму;

II - початок витікання, вихід металу через канал матриці з одночасним зоноутворенням;

III – умовно-усталений плин, витікання основної маси металу;

IV - початок плину металу із зон утрудненої деформації, завершення витікання.

Рис. 3.1. Крива зміни тиску пресування за ходом процесу

(I-IV стадії процесу): 1 – пряме пресування; 2 – зворотне

 

Характер текучості металу залежить від ряду факторів:

– способу пресування і форми матриці;

– властивостей матеріалу при температурі деформації;

– тертя на контакті металу з технологічним інструментом;

– ступеня й швидкості деформації металу.

На всі ці фактори, крім першого, впливають швидкість пресування і температури заготівлі, матриці та контейнера.

Типові схеми текучості металу при пресуванні показані на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схеми течії металу в процесі пресування

 

Ці дані отримані при дослідженні пресування складених зразків із координатною сіткою.

Витікання металу типу І є ідеалізованим випадком пресування гомогенних матеріалів при відсутності контактного тертя на контакті матеріалу з контейнером і матрицею.

Рівномірність витікання металу в моделях інших типів зменшується, що викликає анізотропію одержуваних властивостей металу, як по поперечному перерізі, так і по довжині прес-виробів. У цьому випадку поліпшити якість виробів дозволяє застосування різних технічних рішень (гідростатичне пресування, пресування з мастилом та ін.).

Модель течії А відповідає пресуванню гомогенних матеріалів і наявності тертя на контакті метал-інструмент. Ця модель добре відповідає витіканню металу при зворотному пресуванні. Центральні шари заготівлі витікають із більшою швидкістю, ніж периферійні. В кутах між стінками контейнера та дзеркалом матриці на початку процесу формуються зони утрудненої деформації. Метал на периферії піддається деформації зсуву й тече по діагоналі до матриці, формуючи зовнішню поверхню пресового виробу.

Модель течії Б відповідає витіканню металу при прямому пресуванні без мастила. У цьому випадку формується розширена мертва зона і здійснюється більша деформація зсуву в порівнянні з моделлю А. Тонкий зовнішній шар заготівлі, як правило, потрапляє до прес-залишку. Процес пресування має неоднорідні характеристики в порівнянні з моделлю А.

При пресуванні заготівель, що мають суттєву анізотропність властивостей або неоднорідний розподіл температури, одержують схему течії металу В. Створюється велика зона утрудненої деформації, метал піддається значним деформаціям зсуву.

Всю заготівлю, що пресується, можна поділити в загальному випадку на три зони: І – зону пружної деформації; II – пластичну зону та ІІІ – застійні або "мертві" зони (рис. 3.3).

Розміри зон, їхнє розташування залежать від багатьох факторів. Так, наприклад, при пресуванні через конічні матриці з досить малими кутами конусності "мертвих" зон може не бути. Положення границі між пружною та пластичною зонами залежить від властивостей металу, що пресується, величини тертя між металом і пресовим інструментом, витяжки, нерівномірності температури металу та ін. Іноді пластична зона поширюється на весь об’єм металу, що пресується, і тоді пружна зона практично відсутня.

Твірною бічної поверхні обтискної частини пластичної зони, яка обмежується мертвою зоною, повинна бути крива, за своєю формою аналогічна брахістохроні тобто з опуклістю, спрямованої до матриці. Границі, що розділяють мертві та пластичні зони, є лініями ковзання або обгинаючими.

Рис. 3.3. Зони деформації злитка в процесі пресування

 

На основній стадії процесу пресування через плоску матрицю без мастила метал, який знаходиться в периферійній частині заготівлі і безпосередньо контактує з контейнером, затримується біля початку мертвої зони. При конічній матриці та особливо при наявності мастила на поверхні контейнера та матриці, внаслідок зменшення поздовжніх зсувів дефекти поверхневих шарів заготівлі можуть утягуватися до поверхневих шарів прес-виробу.

При пресуванні профілів може виникнути істотна нерівномірність витікання по елементах профілю – аж до помітного зменшення товщин окремих елементів, що може викликати короблення, серпоподібності та хвилястості профілю і навіть появи розривів. Це, насамперед, наслідок впливу геометрії матриці на різницю у швидкостях течії металу по периметру каналу. При проектуванні матриць для тонкостінних профілів варто враховувати два основних фактори:

– гальмування металу в пластичній зоні за рахунок тертя об стінки контейнера – чим далі від центра матриці перебуває елемент каналу, тим меншої швидкості він прагне набути;

– елементи з великим питомим периметром (відношенням довжини контакту металу з паском матриці до площі елемента) більше загальмовуються.

Регулювання витікання здійснюється шляхом:

– раціонального розташування канату на дзеркалі матриці;

– варіювання форми і розмірів форкамери по елементах;

– виконання похилих поверхонь на окремих ділянках дзеркала матриці.

Розглянемо вплив деяких фізичних параметрів на протікання процесу.

Напруга текучості по довжині обтискуючої частини пластичної зони не є однаковим, що пояснюється такими причинами: збільшенням відносної деформації і зміцненням до виходу металу, зв'язаним при гарячому пресуванні зі швидкісними умовами деформування, зі збільшенням тривалості контакту заготівлі із пресовим інструментом від його переднього кінця до заднього й з відповідним охолодженням; розігрівом пресованого металу.

Істотно впливає також теплоємність, тому що з її підвищенням збільшується теплова інерція та зменшуються температурні перепади. Помітний, але часто взаємно протилежний вплив має також зміна величини діаметра заготівлі. Так, з його збільшенням, через зменшення поверхні заготівлі, що припадає на одиниці об'єму, зростає її теплова інерція та зменшується її загальне охолодження. Разом з тим, у зв'язку зі збільшенням відстані між периферійними та внутрішніми шарами збільшується й різниця температур між ними, що приводить до підвищення нерівномірності деформації, особливо помітної наприкінці основної стадії плину.

Внаслідок нерівномірності деформації при пресуванні можуть з'являтися дефекти – так звані прес-утяжки. Розглянемо процес утворення центральної прес-утяжки на рис.3.4

Рис. 3.4. Схема плину металу при переході від основної стадії процесу до заключного і утворення центральної прес-утяжки

 

У процесі наближення прес-шайби до матриці, тобто при зменшенні висоти заготівлі, швидкість плину металу в поперечному напрямку збільшується, і при невеликих відстанях між прес-шайбою та матрицею вона може досягти великих значень. Частина металу, що перебуває в зоні периферійної частини прес-шайби, починає текти в напрямку, поперечному до вісі заготівлі, так, як це схематично показують стрілки 1 (рис. 3.4) і вигин поздовжніх ліній координатної сітки біля прес-шайби. Такий зустрічний рух частин периферійних шарів пресованого металу, які примикають до прес-шайби, неминуче приводить до утворення біля її центральної частини зони 2, до якої спрямовані зустрічні потоки периферійного металу.

Для попередження прес-утяжки пресування ведуть не до технічно можливого кінця, що визначається максимальною силою преса або граничним наближенням пресової шайби до матриці, а до моменту можливого початку проникнення утяжки до пресового виробу. При цьому в контейнері залишається певний об’єм прес-залишок металу прес-залишок.

Мінімальна висота пресового залишку коливається в межах від 10 до 30% діаметру заготівлі у залежності від якості злитка та способу пресування (при прямому пресуванні товщина прес-залишку майже у два рази більше, ніж при зворотному).

Матеріали, інструмент, устаткування. Свинцеві зразки циліндричної форми діаметром 50 мм, висотою 50 і 75 мм; ацетон; наждаковий дрібнозернистий папір; клей; гідравлічний прес або універсальна іспитова машина; нагрівальна піч; сушильна шафа; пристосування для нанесення координатної сітки; циркуль; лінійка; креслилка.

Порядок проведення роботи. Для виявлення нерівномірності деформації при пресуванні на поверхні зразків, підлягаючих склеюванню, завдати квадратну координатну сітку розміром – 3...5 мм. Потім поверхні зразків із нанесеною координатною сіткою пошліфувати на плоскій плиті, покритою дрібнозернистим наждаковим папером, і промити ацетоном.

Шліфовані поверхні зразків (обидві половинки) покрити тонким прошарком клею і просушити приблизно 10-15 хв, потім ці поверхні вдруге покрити клеєм і після 2-3-хвилинного просушування обидві половинки склеїти. Для кращого склеювання обидві половинки зразка затиснути струбциною, зразки помістити в сушильну шафу і сушити при температурі 120-140 °С протягом 2-3 годин.

Потім остиглі до кімнатної температури склеєні зразки піддаються пресуванню на гідравлічному пресі або УІМ з однаковим ступенем деформації.

Деформовані зразки треба роз'єднати в такий спосіб: помістити їх у ванну з ацетоном, де витримати протягом 1-1,5 год., а потім помістити в нагрівальну піч, де протягом 10-15 хв витримати при температурі 230-260 °С.

Після цих операції зразки легко розділяються. Після розклеювання зразків потрібно пронумерувати всі осередки координатної сітки і підрахувати інтенсивність їхньої деформації. Зони поверхні зразків з однаковою інтенсивністю деформації обвести плавними кривими.

Зміст звіту. Замалювати поверхню зразків із координатною сіткою до і після деформації.

Визначити інтенсивність деформації в різноманітних зонах пресованих зразків у залежності від відношення перетину зразка до його початкової висоти.

Визначити модель течії зразкау залежності від відношення перетину зразка до його початкової висоти. Робота закінчується складанням висновків.

Контрольні питання.

1. Які типові моделі деформування металу при прямому пресуванні Вам відомі?.

2. Наведіть характерні зони осередку деформації при пресуванні.

3. Проаналізуйте вплив основних фізичних параметрів на протікання процесу пресування.

4. Наведіть основні стадії процесу пресування.

5. Наведіть схеми напружено-деформованого стану при пресуванні.

Література. [1], |2].

Лабораторна робота № 4