5.7.2. Моделирование процесса горячей экструзии
Особенно эффективным может быть компьютерное моделирование при совершенствовании существующих и разработке новых технологий. Рассмотрим применение компьютерного моделирования на конкретном примере ‑ разработке технологии горячей экструзии титановой стружки. Эта работа была выполнена под руководством автора творческим коллективом сотрудников Центрального научно-исследовательского института материалов, Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и Радиевого института им. Хлопина.
Титан и его сплавы обладают высокими характеристиками удельной прочности и коррозионной стойкости. Эти и другие ценные свойства делают титан привлекательным конструкционным материалом для многих отраслей современной техники, однако его применение в гражданских объектах сдерживается из-за высокой стоимости полуфабрикатов.
В мире ежегодно на авиационных заводах и других машиностроительных предприятиях перерабатывается около 100 тыс. тонн титановых слитков, причем более половины этой массы металла превращается в стружку. Поверхность стружки загрязнена оксидами, масляной эмульсией и другими примесями, поэтому эта стружка не переплавляется и относится к категории некондиционных отходов. Существует запрет на использование загрязненной стружки при производстве титановых изделий особо ответственного назначения, например для авиации и космоса. В то же время, для многих изделий гражданской техники нет необходимости в жестком ограничении на использование некондиционной стружки. Следует иметь в виду и ресурсосберегающий аспект этой проблемы. Замена губчатого титана стружкой позволяет сберечь (из расчета на 1 т стружки): рутила – 2,2 т; магния – 1,25 т; хлора – 3,5 т; электроэнергии – 20 тыс. кВт∙ч.
Была поставлена задача разработать технологию производства дешевых титановых полуфабрикатов из стружки на базе процесса горячей экструзии, который применялся при производстве беспористых заготовок из порошков быстрорежущей стали. Актуальность проблемы и отсутствие в мировой практике приемлемой технологии регенерации титановой стружки позволило оформить соответствующий проект и обеспечить его финансирование через международный научно-технический центр (МНТЦ).
Разработанная на базе имевшегося научного задела предварительная технологическая схема включала: дробление стружки, очистку от примесей, холодное прессование в брикеты, капсулирование брикетов в тонкостенных стальных капсулах, герметизацию капсул, нагрев и экструзию.
Первые лабораторные эксперименты по экструзии капсул со стружкой Ø 40 и высотой 60 мм не дали положительных результатов. При температуре нагрева 1050оС давление прессования вплоть до 1200 МПа не обеспечило продавливание капсулы через очко матрицы. Капсула быстро охлаждалась за время переноса и установки в штамп. Решить возникшую проблему путем повышения температуры нагрева капсулы с брикетом невозможно, из-за образования при 1085оС жидкой эвтектической фазы в системе Fe – Ti, которая приводит к разрушению стальной капсулы. Эксперименты были продолжены на промышленном оборудовании с использованием капсул Ø145 мм. Были получены первые экструдированные заготовки из титановой стружки, но выявились и технологические проблемы. При осадке капсул в контейнере пресса происходила деформация капсул с образованием гофр, которые глубоко проникали в стружечный брикет и резко снижали выход годного при обработке поверхности экструдированного прутка. В связи с большой трудоемкостью и дороговизной промышленных экспериментов и с целью более детального исследования технологии экструзии возникла необходимость в разработке компьютерной модели процесса.
Математический анализ технологических процессов обработки давлением порошковых металлических материалов возможен с тех же позиций теории пластического течения, с которых выполняется моделирование процессов обработки давлением компактных материалов. Для этого необходимо корректно сформулировать условие предельного состояния порошкового материала, т. е. построить поверхность текучести, и далее получить уравнение ассоциированного закона пластического течения, связывающего параметры напряженного и деформированного состояний.
Физические уравнения для некомпактного материала включают две скалярные функции: Т – интенсивность касательных напряжений и σ0 – среднее нормальное напряжение, зависящие от начальной плотности материала, степени объемной деформации и степени деформации сдвига. Если для моделирования поведения компактных материалов достаточно иметь одну механическую характеристику – предел текучести в функции температуры, степени и скорости деформации, для анализа процессов обработки давлением порошковых и пористых материалов необходим значительно больший объем сведений о материале. В качестве кривой текучести предлагается использовать эллипс, смещенный относительно начала координат в сторону сжимающих напряжений
, (5.13)
где a = 0,5(σ1 + σ2) – длина горизонтальной полуоси эллипса; σ1 ‑ предел текучести при гидростатическом сжатии (МПа); σ2 ‑ предел текучести при гидростатическом растяжении (МПа); τs ‑ предел текучести при пластическом сдвиге (МПа); с = 0,5(σ1 - σ2) ‑ предел уплотнения (МПа).
Приведенное уравнение поверхности текучести использовано для математического моделирования технологических задач обработки давлением, что позволяет определить все необходимые технологические параметры для реализации процессов, в том числе плотность материала и силовые характеристики процессов. Построение математической модели деформирования пористого материала в тонкостенной стальной оболочке проводилось на основе соотношений термомеханики контактного взаимодействия с учетом физической и геометрической нелинейностей. Все расчетные исследования выполнены с помощью конечно-элементных алгоритмов, реализованных в программных системах конечно-элементного анализа ANSYS 5,6 и LS-DYNA. ANSYS и LS-DYNA являются универсальными конечно-элементными программными системами, сертифицированными в соответствии с регламентациями большинства международных стандартов.
Вследствие осевой симметрии конструкции и внешних воздействий задача решается как осесимметричная. К деформируемой заготовке прикладывали вертикальные перемещения или нормальное давление. Соответственно, предполагалась возможность множественного контактного взаимодействия между титановым брикетом, стальной капсулой и внутренней поверхностью контейнера и матрицы. Модель построена с помощью 8-узловых квадратичных элементов. Она содержит 647 элементов и 836 узловых окружностей.
С помощью программной системы конечно-элементного анализа ANSYS 5.6 исследованы:
‑ начальная стадия экструзии титановых брикетов;
‑ утяжка материала в области оси симметрии и образование пресс - утяжины;
‑ зоны «застоя», проскальзывания, прилипания и зоны образования гофр, которые характерны для технологических задач со многими контактными взаимодействиями.
Образование в деформируемой конструкции гофр может стать причиной дефектности экструдированных прутков и необходимости их обдирки на большую глубину. Гофры образуются потому, что титан при нагреве не сваривается со сталью, и между брикетом и стенкой капсулы нет схватывания. Возникла идея построить процесс экструзии таким образом, чтобы выдавить титан из капсулы подобно пасте из тюбика, получив пруток с чистой поверхностью, без остатков стальной оболочки. При этом капсула должна остаться в пресс-остатке в контейнере пресса.
С помощью программной системы конечно-элементного анализа LS-DYNА построена конечно-элементная модель, содержащая 867 элементов и 1563 узлов. На основе этой модели исследован полный процесс экструзии длинномерных прутков и эффект разрушения капсулы при прорыве ее дна. Этот результат моделирования позволил определить конструктивные параметры капсулы и необходимое давление для прорыва ее дна. С учетом результатов компьютерного моделирования из некондиционной очищенной и сбрикетированной стружки, на промышленном прессе была проэкструдирована партия капсул Ø145 мм. В результате изготовлены прутки Ø15-60 мм длиной до 10 м и горячепрессованные трубы Ø42 мм с толщиной стенки 8 мм. При изучении сечения реального пресс-остатка можно увидеть слои стали и титана. Слои стали это спрессованные остатки капсулы. Такие отходы являются готовой шихтой для производства ферротитана. Относительная плотность титановых полуфабрикатов из стружки близка к теоретической (> 99 %). По прочности титан из стружки даже превосходит стандартный титан с аналогичным химическим составом, но уступает ему по пластическим свойствам. Новая технология регенерации титановой стружки запатентована в РФ и США.