Wstępna analiza – zamykanie osiowych nieciągłości w procesie kucia swobodnego

T , , ( f _{i i} p H        ₍₃₆₎

Przyjęty model termomechaniczny pozwala na równoległe wyznaczenie rozkładu odkształceń oraz rozkładu temperatur w formowanym materiale. Ma to szczególne znaczenie w związku z silną korelacją tych dwóch wielkości. Rozkład temperatur wyznacza się rozwiązując równanie przepływu ciepła:

 

Wyróżnia się dwa rodzaje warunków brzegowych stosowanych przy rozwiązaniu równania wariacyjnego:

 rozkład temperatury na brzegu:





T

T  ₀ , , ₍₃₈₎

 strumień ciepła przez powierzchnię z powodu konwekcji:





q_{k } (39)

 strumień ciepła przez powierzchnię z powodu radiacji:

) T -T ( -q _o ⁴ ⁴ (40)

W analizie procesu kucia wykorzystano rozkłady intensywności odkształcenia i naprężenia średniego.

6.4.1. Wstępna analiza – zamykanie osiowych nieciągłości w procesie kucia swobodnego

Poniżej przedstawiono wybrane wyniki badań oraz obliczeń numerycznych kształtowania wysokotopliwego stopu na bazie Ni-Fe-Mo o strukturze odlewniczej przy podwyższonej porowatości. Intencją badań modelowych było sprawdzenie możliwości zagęszczania struktury wyjściowej odlewanych wlewków wybranymi metodami przeróbki plastycznej.

Celem nadrzędnym zaplanowanych i wykonanych badań modelowych było sprawdzenie możliwości zagęszczania struktury wyjściowej odlewanych wlewków wybranymi metodami przeróbki plastycznej. Efektem tych zabiegów ma być poprawa własności plastycznych materiału oraz niwelacja wewnętrznych wad strukturalnych (pustek, rzadzizn itp.) przy zachowaniu założonych własności magnetycznych, charakterystycznych dla analizowanego stopu. W pracy skupiono się na analizie procesu wydłużania w kowadłach płaskich (rys. 143a), kombinowanych (rys. 143b) oraz kształtowych (rys. 143c).

Rys. 143. Kowadła płaskie (a), kombinowane (b) i kształtowe (c)

Do analizy procesu wydłużania wykorzystano komercyjny program QForm3D, oparty na metodzie elementów skończonych. Pozwala on na termomechaniczną symulację procesów przeróbki plastycznej metali w przestrzennym stanie odkształcenia. Warunki brzegowe do obliczeń przyjęto następujące: początkowa temperatura wlewka 1100°C, temperatura narzędzi 300°C, prędkość przesuwu trawersy prasy 10 mm/s. Obliczenia wykonano dla wlewków o średnicy 30 mm i długości 210 mm z posuwem względnym 1,0 oraz gniotem 30%. Czynnik tarcia między narzędziami, a odkształcanym materiałem dla wszystkich wariantów obliczeń wynosił 0,2. Własności fizykochemiczne odkształcanego materiału przyjęto według danych wyznaczonych z prób ściskania dla analizowanego stopu.

Rys. 144. Wybrane usytuowania wad wewnętrznych

Z uwagi na nierównomierne i chaotyczne rozmieszczenie wad odlewniczych, do analizy przyjęto uproszczone modele. Przykładowe usytuowanie wad wraz z kombinacją ułożenia w stosunku do kierunku kształtowania przedstawiono na rysunku 144. Ze względu na ograniczoną ilość miejsca przedstawiono wyniki kształtowania dla pojedynczych wad osiowych o średnicach 5 mm i 10 mm, a następnie dla trzech wybranych przypadków (zaznaczonych na rysunku 144):

 dwie wady wzdłużne o średnicach 5 mm, oddalonych od siebie o 7,5 mm,  dwie wady wzdłużne o średnicach 5 mm, oddalonych od siebie o 10 mm,  dwie wady wzdłużne o średnicach 10 i 5 mm, oddalonych od siebie o 7,5 mm. Na rysunkach 145÷149 przedstawiono rozkład intensywności odkształcenia oraz stopień zamknięcia celowo wprowadzonych wad w przekroju wzdłużnym.

Rys. 145. Rozkład intensywności odkształcenia dla pojedynczej wady osiowej o średnicy 5 mm Rys. 146. Rozkład intensywności odkształcenia dla pojedynczej wady osiowej o średnicy 10 mm

Na rysunku 145 oraz 146 przedstawiono wyniki wydłużania wlewków z wadami osiowymi o średnicy 5 mm (rys. 145) oraz 10 mm (rys. 146). Celem analizy była ocena wpływu średnicy wady oraz kształtu kowadeł na możliwość zamykania wad. Osiowa nieciągłość o większej średnicy nie zamknęła się w żadnym analizowanym wariancie. Odkształcanie materiału z wadą o średnicy 5 mm przy założonych warunkach brzegowych daje bardzo dobre zamknięcie wady/pustki, gdy zastosowane zostaną kowadła kształtowe. Podczas kucia w kowadłach kształtowych występuje stan naprężeń ściskających (wytworzony ze względu na ograniczenie płynięcia kształtowanego materiału), który ułatwia zamykanie, zwłaszcza w obszarze pod ½ szerokości kowadeł. Nieco gorsze wyniki uzyskano dla kowadeł kombinowanych, natomiast zastosowanie kowadeł płaskich nie dało oczekiwanych rezultatów zamknięcia lub choćby zmniejszenia średnicy wady. Stan ten spowodowany jest schematem naprężeń i odkształceń wytworzonych podczas kucia z wykorzystaniem tego typu kowadeł.

Rys. 147. Rozkład intensywności odkształcenia dla dwóch wad osiowych o średnicach 5 mm i oddalonych od siebie o 7,5 mm Rys. 148. Rozkład intensywności odkształcenia dla dwóch wad osiowych o średnicach 5 mm i oddalonych od siebie o 10 mm Rys. 149. Rozkład intensywności odkształcenia dla dwóch wad osiowych o średnicach 10 mm i 5 mm, oddalonych od siebie o 7,5 mm

Wpływ kowadeł na stopień zamknięcia wad jest analogiczny dla przypadków z dwoma wadami, bez względu na rozmiary oraz ich położenie względem siebie, co można porównać na rysunkach 147÷149. Dlatego w dalszej części opracowania skupiono się na analizie przypadków odkształcanych w kowadłach kształtowych. W przypadku, gdy w materiale celowo wprowadzono dwie wady o tych samych średnicach (5 mm), obserwowano wpływ odległości między nimi. W wariancie, w którym odległość wynosiła 7,5 mm (rys. 147) zamykanie wad jest bardziej skuteczne w porównaniu z wariantem szerszego rozmieszczenia wad (10 mm) – rysunek 148. Dzieje się tak z uwagi na większy stopień wzajemnego oddziaływania wad. Większa odległość między wadami o tej samej średnicy zmienia efekt procesu zamykania, jednak stwierdzono również tendencję do zamykania. Prawdopodobnie zwiększenie stopnia odkształcenia w tym przypadku korzystnie wpłynęłoby na proces ich zamknięcia. Ostatni wariant dwóch wad o różnych średnicach (rys. 149) wykazuje mniejszy efekt ich zamykania. Prawdopodobnie jest to spowodowane dużym wskaźnikiem średnic wad do średnicy wlewka (równanie 3). Wada osiowa

o średnicy 10 mm wyraźnie wpływa korzystnie na zamknięcie mniejszej wady, jednak sama ulega tylko nieznacznemu zmniejszeniu.

Z uwagi na niezadowalający wynik zamykania wad osiowych w trakcie procesu kucia swobodnego (zgodnego z literaturą krajową i światową zajmującą się tą tematyką), w dalszej części prac postanowiono podjąć próbę analizy zachowania się wad w trakcie kucia matrycowego różnego rodzaju odkuwek (kształt, technologia itp.).