文摘

计算机模拟的研究结果提出了新的金属成形过程的有限元素法结合钢坯与圆形截面的变形radial-shear轧机和随后的钢坯扭在一个成型模与一个特定的设计。分析金属加工的效率,应力-应变状态的主要参数是:有效的应变,有效应力、平均静水压力,Lode-Nadai系数。有效应变的最大值13.5实现当一个螺丝概要文件在钢坯死正在形成,这表明一个密集的钢坯的初始结构的改进。在结合过程中,横向变形的性质变化从旋转轴表面。坯的中心区域是拉伸应力的作用下。在外围部分,压应力增加。表面积,Lode-Nadai系数约为0.1,这表明剪切应变的高水平。

1。介绍

获得各种黑色金属,有色金属和合金ultrafine-grained (UFG)和纳米晶体的结构,因此,高水平的机械和功能性质一直是金属成形的主要任务超过十年之久。解决这个问题的一个主要方法是使用各种金属成形方法,实现严重塑性变形(SPD)在变形过程中(1- - - - - -8),由于铸造结构的统一和密集的细化进行异形坯的整个体积。但不幸的是,大多数社民党的使用方法在现实生产金属制品是困难的几个原因,包括大多数的这些方法不允许处理长兵舍。

另一种解决问题的办法,使用社民党在工业条件下金属成形是金属成形方法相结合的发展与社民党在变形过程的实现。目前,已经开发了几个结合过程(9- - - - - -17),允许处理长坯料有足够程度的铸造金属结构的处理获得一个UFG结构。同时,许多这样的组合变形方法允许获得在实施的过程中也不仅半成品,成品。的一个最新发展过程中提出了(18),减少轧制相结合的圆形或方形截面的杆在一个方形口径与扭转成型模(扭曲的机制)。这种结合方法可以获得具有梯度UFG结构的钢筋配置文件(19]。尽管相当简单的设计和有效处理的初始坯(在一个周期的变形,变形的发展从0.8在中央层的钢坯表面1.4层),这个方法有一个重大缺点与它的工艺性。当将生产转移到一个不同的尺寸范围,不仅有必要安装一个新的模具,还一双新卷与指定的尺寸表。

为了提高钢筋配置文件的生产过程,其形成(图的新方案1)的建议,其中包括钢坯与圆形截面的变形radial-shear滚动(RSR)机和随后的钢坯扭在一个成型模与一个特定的设计(类似于一个在18])。在这种情况下,当生产更改一个新的钢筋配置文件大小,只有需要安装一个新的模具所需的直径,因为坯的变形与不同直径的RSR机可以通过减少或分离卷,它只改变了减少价值。在这种情况下,一个更密集的细化金属结构将从工作的进行,因为它是已知的20.- - - - - -22),在计算秩变形区,应力状态方案接近全面压缩实现大剪切变形,这是适合UFG结构的形成。

当开发工艺流程,是其理论研究的一个重要阶段,因为它的成功实现在现实实验室或生产条件将取决于它。同时,最先进的理论研究方法的变形过程是其建模有限元方法(FEM)。这种方法给出了研究者的问题的答案:在现实条件下,这一过程可能会有任何缺陷的工件,并将设备承受随之而来的装载在这个过程。此外,一个重要因素是能够看“内部”的过程,即,to evaluate all the process parameters at any point of the workpiece or tool at any stage, which is often impossible in real conditions.

本研究的目的是进行计算机建模的方法获取一个钢筋配置文件和它的全面研究。

2。材料和方法

当创建一个新的结合过程的计算机模型,10 - 30的RSR机的参数被用作主要的设备。

杆直径22毫米和120毫米的长度作为初始坯。辊缝设定生产19毫米直径的钢坯。在设计模具结构,它决定从两个区变形螺钉和顺利,作为稳定剂和规格的螺钉(图的一部分2)。符合美国钢铁协会的1015钢钢坯的被选为材料。

以下假设是在变形的模型创建计划:(我)坯的材料是各向同性的,不存在初始变形,不连续,夹杂物;(2)钢坯式塑料和工具type-rigid;(3)网格平均85000有限元素和元素边缘1.3毫米应用于钢坯的长度;(iv)坯材料是符合美国钢铁协会的1015钢,使用的硬化曲线计算如图3;(v)钢坯的加热温度- 1100°C;(vi)坯之间的传热系数和工具被认为是等于5千瓦/ (m²°C),作为变形的变形程序推荐值的过程。坯之间的传热和环境已经被激活;(七)辊的旋转速度是假定等于100转;(八)摩擦系数对卷和模具是相应地设置为0.7和0.1;和(第九)1000年计算的步骤设置时间增量为0.01秒/步骤。

计算后,得到模型的结合过程中,钢坯在第一阶段RSR轧机轧制,而螺杆边缘形成退出的钢坯表面的变形区(图4(一))。在第二阶段,钢坯进入死亡,受到其纵轴旋转的角度对应的配置螺旋通道(图4 (b))。

同时,螺旋通道的死了就足够了(图5),它允许获得预定的钢筋配置文件没有坯干扰或紧迫门口死。

当学习任何金属成形过程中,最重要的一个阶段是研究应力-应变状态。这使得它可以评估产生的应变和应力值,确定其关键值发生的地区,而反过来,允许分析工具的耐用性和缺陷的概率。

鉴于发达变形方法有一个相当复杂的金属流动模式,从而改变随着坯沿其纵轴,这是最合适的考虑了参数的纵向方向在两个版本的表面和坯坯的中心部分。这将允许不仅设置应力-应变状态参数的数值也估计得到的梯度分布的累积因素(应变)。

3所示。结果与讨论

3.1。应变有效

确定应变值,需要找到相应的张量的分量的值,这是很难想象一个三维金属流。因此,通常情况下,当考虑应力-应变状态参数,使用应变强度的一个简单的指标,或所谓的有效压力,包括应变分量在以下形式:

在哪里ε₁,ε₂,ε₃的主要菌株。

研究“应变”参数表明,在秩的阶段,该参数的积累主要发生在钢坯的表面层(图6)。退出卷坯表面后,应变值达到6.75 - -8.5,在外围区域逐渐减少到5。

当进入螺旋通道的死,钢坯受到严重扭曲变形。因此,有一个显著增加应变沿钢坯的整个部分。因此,在钢坯的表面层次,而获得的螺旋形状,应变值达到11.0,在外围区域逐渐减少到9.0。现阶段中央区域的变形处理能在这集中,应变值范围从8到9。此外,通过螺旋通道后,显著降低应变值可以表示的传播。

3.2。应力状态

Lode-Nadai系数是用来估计应力状态的性质(23]。这个系数可以计算方坯产生变形的性质,即。,to determine which type of deformation is realized at a particular point—stretching, compression, or shear.

Lode-Nadai系数的计算是根据方程: 在哪里σ₁,σ₂,σ₃校长强调,MPa。

系数值随−1比1。值从0到1对应于压缩;值从0到−1对应于拉伸;和一个系数值对应于一个剪切趋近于0。

计算这个系数沿初始坯的长度,120点是在中央部分有1毫米的距离。研究纵向滚动显示,测量一个足以计算这个参数(24]。然而,在研究结合过程的情况下,钢坯,随着转化,同时执行一个转体动作的每一刻时间。考虑到应力应变的分布状态上面参数被认为是异类,这是决定在三个纵向领域计算Lode-Nadai系数对应的分类Galkin [25]:

——第一次测量严格沿着纵轴的旋转钢坯;

——第二次测量是在纵向方向转变的5毫米的轴旋转,这对应于外围区域;和

——第三次测量是在纵向方向转变的10毫米的旋转轴(1毫米的距离从表面),对应于表面。

图7显示了金属流动的变化轨迹的模式在所有三个方面在整个变形区卷和螺旋通道的死亡。流中心区域(图中的轨迹7(一))不改变它穿过卷和矩阵。在外围地区,经过变形区卷,在中间部分形成一个反压区之间的变形区和第一螺旋通道的死,使钢坯扭曲,可以看到在图7 (b)。随着金属沿着螺旋通道,继续扭曲,和金属流动的水平高度仍然几乎不变,这是反映在点的钢坯。

在表面区域(图7 (c))最激烈的变化发生在金属轨道的形状和它的绝对速度,清晰可见的相邻点之间的距离的变化在变形过程的开始和结束。之间的中间区域变形区和第一螺旋通道的死,有一个密集的扭曲的钢坯90°;这部分的金属进入螺旋通道后,扭水平增加从90°- 270°。同时,除了在截面压缩,钢坯在纵向拉伸方向。

自卷的变形,形成死在每一刻的时间坯是一个严格定义的领域,有必要确定这些区域的近似长度。金属的接触面积与卷的分72 - 85(图8(一个))。第一个螺旋通道的形成区域范围内的点没有死去。102 - 109(图8 (b))。

图9显示计算的结果Lode-Nadai系数三个方面。分析轧制区滚动显示,在这一节中,横向变形的性质变化从旋转轴表面。坯的中心区域是拉伸应力的作用下( ),相对应的数据Galkin [25)在RSR金属流动的性质。远离中心,压应力发生在外围部分( ),这是一个结果的压力辊的变形区。面积最大的利益,因为,在这个领域,纵向滚动Lode-Nadai系数是0.95 - -1.0,,事实上,只有抗压应力的影响。然而,在这种情况下,Lode-Nadai系数约为0.1。这个系数在一定的长度(在连续几个点)表明剪切应变的存在,这也证实了Galkin [25),获得的结果在变形状态模拟,在哪里见过最大的细化金属进行表面层次。

在分析形成区,发现当钢坯通过螺旋槽形截面的死,在所有三个领域,类似于在秩,不同类型的变形发生。此外,中央和表面区域有大约相同的变形峰样的性格,但不同的信号。最高峰值对应的时刻通过螺旋通道的宽度的中间。中央区域暴露在拉伸应力,螺旋通道入口处Lode-Nadai系数−0.2,在螺旋通道的中心Lode-Nadai−0.67的系数达到最大值,然后逐渐减小再次−0.2。

在周边地区,由于螺旋通道的曲折过程,发生剪切变形沿整个长度,这是反映在Lode-Nadai系数,多种多样的价值−0.05至0.1的范围。表面积,除了扭曲,也收到一些压缩高度由于引入螺旋边缘。因此,Lode-Nadai系数的值在这个领域显著改变其数值。在螺旋通道的入口,金属受到压力从死亡的边缘,由于压缩发生通道宽度的中间。这反映在的价值系数,增加0.8。克服一个中流部分压缩变形后终止,轮廓的钢坯符合通道的配置。因此,−0.1的系数值大幅下降。

进一步分析的应力状态,以下参数被认为是:有效应力(或应力强度)和平均静水压力(或平均应力)。在秩,有效应力的最大值发生在接触区域的金属卷,达到200 MPa(图的一个值10)。在无接触充电成为区域,有效应力值范围从80到100 MPa。进入死,最大应力水平的发展只有在第一个弯,螺杆配置文件是从哪里发出的。这里,有效应力的值的范围140 - 150 MPa在地面层,和90 - 100 MPa坯的中心区域。在随后,应力值相对较小(约30 MPa),因为在他们的金属移动完成螺旋形状。

考虑有效应力时,有必要了解,皮层下的表达式,其值总是正的。估计的值压力,考虑到信号时,建议考虑平均流动压力或平均应力(图11)。

这个参数的最有效的评估变形,建议设置刻度范围,这样零马克约瀑布规模边界的任何颜色。这使它容易识别领域的拉伸和压缩应力。

在计算秩(图(11日)),主要是压应力在接触区域发展的金属辊,表面达到−200 MPa的价值和减少−12.5接近坯的中心部分。在无接触充电成为地区,该参数的值达到−50 MPa。在模具成型(图11 (b),压应力的值约80−MPa培养在第一层表面,形成,和60−−40 MPa坯的中心部分。

因为这个过程来源于传统的RSR相结合,这将是适当的比较这些变形技术。在分析仿真结果和实验数据的秩21,26),据透露,这一技术可以获得一个UFG结构后6 - 8周期。然而,最大程度的实现粮食磨只有在工件的表面层次,而晶粒尺寸在截面高梯度分布。结合RSR和扭曲,创建一个UFG结构的形成条件后变形循环。同时,沿横截面金属加工的水平已经显著降低梯度水平。

4所示。进一步发展

项目的框架内研究AP14869135”开发、研究和生产的硬化螺丝配件梯度UFG结构节能型金属成形技术”旨在解决的问题改善各种结构材料的性能,显著提高金属产品的质量得到了金属成形,减少能源和劳动力成本的生产,以及增加之前所知的工艺性技术获取硬化螺丝配件。已经上面所提到的,为了解决提高可制造性的问题,一个完全新的节能技术获取硬化螺丝配件已经提出,并结合RSR死和扭曲变形,确保螺杆配置文件的形成一个强化的过程。

在实现该技术在实践中,它只需要替换模具所需的几何尺寸。这是由于这样的事实,不同直径的工件变形的RSR机是由一个简单的减少或稀释的卷。除此之外,秩的使用而不是纵向滚动将提供一个更密集的加工最初的金属结构,确保UFG梯度结构的形成,由于应力状态方案接近全面实现压缩剪切应变大变形区在秩。正是由于这种变形方案是最优的形成一个UFG结构在各种材料最小数量的传球。

研究形状变化的结果和应力-应变状态的金属在变形调查方案的实现将后来被用于开发,设计和建立一个联合站获取硬化螺杆配置基于现有RSR米尔斯。期间创建的测试站,一个实验批螺丝配件将获得和依赖性的微观结构和力学性能的变化在不同的工艺参数将决定。

期间获得的结果的实际应用领域的实现项目的高度重视,因为它们将允许创建一个新的,基于科学的节能技术获取金属成品硬螺丝配件的形式与梯度UFG结构和水平的增加操作和机械性能。此外,这项研究的结果将是新的知识合并后的变形模式的影响,结合RSR和酒吧挤压的过程中通过一个特定的模具,提供额外的扭转和螺旋的形成的强化,形成一个梯度的可能性UFG结构金属。这些知识是专家感兴趣的领域的金属成形和材料科学。

5。结论

在这项研究中,一个新的变形过程的有限元仿真结果结合RSR和曲折的阶段。为扭转操作,一个特殊的死亡可以获得螺杆配置文件了。有效的应变,Lode-Nadai系数、有效应力和平均应力被选为应力-应变状态参数。所有这些参数被认为是在钢坯的表面和轴向部分RSR和曲折的阶段。有效应变的最大值是实现当一个螺丝概要文件在钢坯死正在形成,这表明一个密集的钢坯的初始结构的改进。此外,由于模具的压应力,有效应变的不均匀的分布在钢坯的直径相比,秩的面积减少。

数据可用性

变形数据库在这项研究中的应用是可以从相应的作者。

的利益冲突

作者(年代)(s)宣称他们没有利益冲突。

确认

这项研究是由教育部科学委员会和科学哈萨克斯坦共和国(批准号AP14869135)。