Introducere

În procesele de formare a metalelor în vrac, materialele suferă de obicei o cantitate semnificativă de deformare plastică. Pe măsură ce procesele de formare în vrac se îndreaptă către fabricarea în formă aproape netă, modul de deformare, fluxul de material și geometria produsului devin din ce în ce mai complexe dincolo de nivelurile care trebuie abordate prin soluții analitice simple. Este larg acceptat că o astfel de complexitate este contribuită din neliniaritatea geometriei, a materialului și a condițiilor la limită din proces. Prin urmare, principalele obiective ale analizei deformării materialelor în operațiile de formare a metalelor sunt:

Stabilirea relațiilor cinematice dintre părțile nedeformate și cele deformate. Cel mai proeminent, pentru a prezice fluxul de metal în timpul procesului de formare (geometrie)

Stabilirea limitelor de formare, adică să se determine posibilitatea de a efectua operația de formare fără a provoca nicio fisuri sau pliuri la suprafață sau interioare (material)

Estimarea sarcinii necesare pentru a efectua operația de formare, care oferă informațiile necesare pentru proiectarea sculei și selectarea echipamentului (condiția la limită)

Prin urmare, metodele de aproximare, fie analitice, fie numerice, sunt necesare pentru analiza proceselor de formare a metalelor în vrac.

Există numeroase metode de aproximare disponibile pentru a analiza procesele de formare a metalelor. Dar, niciuna dintre aceste metode nu este suficient de robustă pentru a acoperi toate procesele cu mare precizie. Acest lucru se datorează parțial pentru că au fost făcute unele ipoteze necesare pentru a facilita dezvoltarea unei abordări matematice. Mai mult decât atât, acuratețea lor depinde și de calitatea intrărilor, care sunt în esență (i) date de solicitare de curgere și (ii) coeficient de frecare. Aceste două cantități sunt de obicei determinate experimental și greu de obținut cu acuratețe. Astfel, orice incertitudine a acestora poate impune o eroare suplimentară rezultatului analizei. În această secțiune, diverse modele descriu matematic curba solicitare-deformare a materialului iar coeficientul de frecare va fi prezentat în secțiunile viitoare. Alegerea testului adecvat pentru obținerea datelor solicitării de curgere este tratată în acest capitol, iar condițiile de frecare și implicația lor asupra formării în vrac vor fi discutate în secțiunile următoare.

Metode de aproximare pentru analiza deformării

Metodele de aproximare s-au schimbat semnificativ în ultimii 30 de ani de când Altan et al. (1983b) au încercat mai întâi să rezume toate metodele comune utilizate și să le enumere în termeni de aplicații și limitări. Unele dintre predicțiile lui Altan cu privire la aplicabilitatea lor viitoare sunt destul de perspicace. Autorii de aici ar dori să reorganizeze diagrama pentru a reflecta progresele pe care oamenii le-au făcut în ultimele trei decenii în formarea metalelor (Tabelul 8).

Din graficul de mai sus, nu este dificil de subliniat că, în ciuda timpului lung de calcul, elementul finit, volumul finit și diferența finită preiau conducerea în ceea ce privește acuratețea și disponibilitatea rezultatelor (variabile de câmp). Avantajele lor merg mai departe atunci când sunt luate în considerare piese de formă complexă, unde alte metode nu pot concura. În plus, problema timpului lung de calcul a fost, de asemenea, atenuată în ultimele trei decenii de progresele informaticii, ceea ce face posibilă și accesibilă calcularea la scară largă (în câteva minute sau ore). Prin urmare, aceste metode „finite” domină practica actuală de simulare a formării metalelor, printre care se crede, de asemenea, că metoda elementelor finite este superioară față de celelalte două, deoarece poate urmări cu acuratețe interfețele materialelor. Aceasta este utilizată pe scară largă în problemele de inginerie atunci când deformarea obiectelor izolate complexe este modelată și fluxul de material trebuie urmărit cu exactitate. Prin urmare, majoritatea software-ului modern de simulare pentru analiza modelării metalelor utilizează metoda elementelor finite ca algoritm de bază, iar în secțiunea „Fabricarea uneltelor și selecția materialelor pentru formarea metalului în vrac”, ne vom concentra asupra acestei metode și a aplicării acesteia la simularea procesului de formare a metalului în vrac.

Moduri de deformare în formarea metalelor în vrac și caracterizarea lor

Modul de deformare al procesului se referă la starea de efort dominantă în piesa de prelucrat pe care procesul o posedă în mod unic. După cum s-a menționat în secțiunea Introducere, formarea metalului în vrac este dominată de starea de efort la compresiune. Figura 15 ilustrează forța aplicată și starea de efort primară a celor patru procese tipice de formare în vrac.

Scopul unui astfel de studiu al modului de deformare este de a (i) simplifica modelul în caz 2D sau chiar 1D, astfel încât soluția analitică să poată fi obținută și (ii) identificarea testului adecvat de prelucrabilitate material pentru studiul și caracterizarea sa de formabilitate.

Din figura 15, se poate concluziona că rularea experimentează o stare de efort compresiv biaxială (deformare plană) atunci când operează fără tensiune din față sau din spate. Forjarea și îngroșarea în matriță închisă are o stare de efort de compresiune uniaxială, iar extrudarea prezintă o stare de efort de compresiune triaxială. În tragerea sârmei, zona de deformare indică o stare uniaxială de tensiune-compresiune biaxială. Modurile de deformare comune în procesul de formare în vrac sunt rezumate ca în Fig. 16.

Deși denumirile de uniaxial și axisimetric sunt destul de explicite, solicitarea biaxială de stare plană și deformare plană nu sunt, și au nevoie de o atenție specială. Solicitarea plană apare atunci când stările de solicitare se află în planul piesei de prelucrat (fără solicitare în a treia dimensiune). Acest lucru se întâmplă de obicei atunci când o dimensiune a semifabricatului este foarte mică în comparație cu celelalte două și piesa de prelucrat este încărcată de o forță care se află în planul de simetrie al corpului. Vasul sub presiune cu perete subțire este un bun exemplu pentru acest tip de analiză.

Deformarea plană apare atunci când deformarea într-una din cele trei direcții principale este zero, ca într-un element extrem de lung supus unei încărcări laterale sau într-o placă groasă cu o crestătură încărcată în tensiune. O condiție obișnuită de deformare plană în formarea metalului în vrac este rularea unei foi late. Este de remarcat faptul că, deși nu există nicio deformare în direcția lățimii, există solicitare care acționează în acest fel.

În majoritatea cazurilor de formare în vrac, starea de solicitare este complexă. Prin urmare, este necesar un termen de efort triaxial pentru a evalua performanța materialului în timpul procesului de formare. Cel mai comun este definit de criteriile von Mises (solicitarea von Mises = σv), sau solicitarea efectivă σ̅ .

Un alt termen important de solicitare este solicitarea medie sau hidrostatică σm, așa cum este explicat de Ec. 2

                                       σm = (σ1 + σ2 + σ3)/3               (2)

Prin urmare, un parametru general de lucrabilitate poate fi formulat folosind cei doi termeni de solicitare ca Ec. 3 (Venugopal Rao et al. 2003).

Acest parametru poate fi utilizat pentru a evalua lucrabilitatea materialului în procesele de formare în vrac, precum și în metodele de testare, inclusiv teste de întindere, compresie și torsiune.

Schemele metodelor de testare a materialelor sunt prezentate în Fig. 17, cu caracterele lor de deformare enumerate în Tabelul 9. În Fig. 18, legăm procesele de formare în vrac cu acele teste de lucrabilitate în termeni de modurile lor de deformare.

Se precizează clar că pentru trefilarea sârmei, se recomandă utilizarea testului de tracțiune pentru a evalua formabilitatea materialului în acest proces, în timp ce testul de compresie funcționează bine atunci când extrudarea, laminarea și forjarea sunt procesele dominante. Testul de torsiune este conceput în principal pentru măsurarea solicitării de curgere în condiții de lucru la cald, deoarece deformarea este similară testului de torsiune unde are loc reorientarea excesivă a materialului la deformări mari. Aceste trei teste sunt principalele teste de lucrabilitate pentru formarea metalului în vrac, iar procedurile lor de testare au fost standardizate în ASTM-E8 (pentru întindere), E9 (pentru compresie) și A938 (pentru torsiune) (ASTM 2009). Un exemplu de rezultat al testului de compresie al oțelului inoxidabil 304 L este prezentat în Fig. 19. Este demn de remarcat faptul că folosim termenul „deformare adevărată” pentru a reprezenta cantitatea de deformare suferită de material. În mod normal, măsurăm alungirea sau contracția materialului prin „deformare inginerească”, care este raportul dintre deformarea totală și dimensiunea inițială a materialului. Se exprimă ca Ec. 4.

unde l este dimensiunea finală a materialului și L este dimensiunea inițială a materialului. Dar, pentru a reflecta cu adevărat cantitatea de deformare pe care o experimentează materialul, forma sa incrementală trebuie să fie adoptată și este în formă logaritmică datorită integrării. Este adesea numită deformare logaritmică sau deformare adevărată și sub formă de

Se consideră pe scară largă că testul de compresie este cel mai important și cel mai frecvent utilizat test pentru caracterizarea curbei efort-deformare a materialului și a formabilității în procesele de formare a metalului în vrac. Detaliile diferitelor modele de solicitări ale fluxului de material bazate pe datele testului de compresie vor fi tratate în secțiunile următoare.

Predicția încărcării pentru formarea metalului în vrac

Una dintre principalele întrebări la care trebuie să răspundă un studiu de formare a metalului în vrac este predicția sarcinii. Un astfel de exercițiu oferă informațiile necesare despre proiectarea sculelor și selecția echipamentului. În prezent, majoritatea acestor studii sunt efectuate folosind software-uri de simulare cu elemente finite, de exemplu, DEFORM, ABAQUS, PAMSTAMP, FORGE etc., datorită geometriei complexe a piesei de prelucrat implicate. Însă, câteva soluții analitice simple, deduse din analiza plăcilor, oferă încă informații utile și o bună aproximare a sarcinii în timpul procesului de formare în vrac. Unele dintre cele mai populare ecuații sunt furnizate aici ca ghid pentru estimarea rapidă a sarcinii (Kalpakjian 1997).

Forța în forjare cu matriță deschisă

Modul de deformare al procesului de forjare cu matriță deschisă este compresia uniaxială. Dacă materialul se întărește prin deformare cu o curbă efort-deformare urmând legea puterii (a se vedea secțiunea „Fabricarea sculelor și selecția materialului pentru formarea metalului în vrac” pentru detalii),

Expresia forței la orice stadiu în timpul deformării devine

                                                                   F = YA                 (7)

Y și A sunt valori instantanee ale solicitării de curgere și ale ariei secțiunii transversale la momentul dat. Dacă se consideră o piesă de prelucrat cilindrică solidă, presiunea medie instantanee asupra piesei de prelucrat poate fi exprimată ca

unde μ este coeficientul de frecare, r este diametrul piesei de prelucrat și h este înălțimea la acea etapă (Fig. 20). Forța de forjare este

Forța și puterea în laminare

Pentru laminarea fără tensiune din față sau din spate, curbele lungimii de contact (evidențiate cu roșu în Fig. 21), L, înmulțite cu lățimea benzii, w, sunt aria de contact sub presiune pe bandă. O modalitate simplă de calculare a forței de rulare este de a multiplica suprafața de contact cu solicitarea medie de curgere Y̅:

Solicitarea medie de curgere, dacă se bazează pe legea puterii σ = Kεn, poate fi dată ca 

Mai mult decât atât, dimensiunea L ca aria proiectată este aproximată folosind Ec. 12.

unde R este raza rolei și Δh este diferența dintre grosimea inițială și cea finală a benzii (Fig. 21).

Deoarece frecarea în procesul de rulare este relativ mică, forța de frecare este ignorată aici pentru aproximarea de ordinul întâi. Cuplul per rolă poate fi atunci obținut din Ec. 13: 

iar puterea necesară per rolă este

Presiunea în extrudare

Raportul de extrudare este definit ca

unde Ao este aria secțiunii transversale a țaglelor și Af este aria produsului extrudat (Fig. 22). Atunci presiunea de extrudare la berbec poate fi dată ca 

unde Y̅ este solicitarea medie de curgere. Dacă se ia în considerare frecarea la interfața matriță-billet (dar nu și peretele containerului), pentru unghiuri mici ale matriței α, presiunea este dată ca 

Forța de tragere în tragerea de sârmă/tijă

Tragerea sârmei/tijei este similară extrudării, cu excepția faptului că în loc de presiunea (p) pe Ao, există un efort de tragere σd la ieșirea Af (Fig. 23). O astfel de solicitare de tragere pentru cel mai simplu caz de deformare ideală (fără frecare sau lucru redundant) este

unde Y̅ este din nou solicitarea medie de curgere, iar forța de tragere F este atunci 

În mod similar, dacă se ia în considerare frecarea, solicitarea de tragere devine 

Această secțiune listează pe scurt metodele de aproximare disponibile și aplicarea lor în predicția forței matriței. Modurile de deformare a materialului și metodele lor de testare în timpul formării metalului în vrac sunt de asemenea incluse în această secțiune. Aceasta este pentru a oferi o privire de ansamblu asupra metodologiei de studiu a deformării metalului în vrac. Mai multe detalii despre metodele respective pot fi găsite în referințele enumerate la sfârșitul secțiunii.