Оптимізація процесу та аналіз продуктивності екструзії труб із титанового сплаву Ti-B25
Щоб прискорити застосування титанового сплаву Ti-B25 у суднових системах зв’язку, у цьому дослідженні використовувалося програмне забезпечення кінцевих елементів DEFORM-3D для моделювання процесу екструзії труби за умов температури деформації 900. ступінь і швидкість деформації 0,1 с^-1 на основі конститутивного рівняння, встановленого на ранній стадії, і параметрів процесу, оптимізованих діаграмою гарячої обробки, і підтверджено за допомогою фактичних експериментів екструзії. Результати показують, що за цих умов процесу трубна заготовка з титанового сплаву Ti-B25 діаметром 62 мм × 12 мм була успішно екструдована з відмінною якістю поверхні та рекристалізованим зерном у структурі. Після обробки розчином старіння при 830 градусах /1 год + 600 градус /8 год, заготовка труби показала чудову відповідність міцності та пластичності, що повністю відповідало вимогам використання труб для корабельних антен.
I. Скінченно-елементна побудова моделі
1. Геометрична модель
На малюнку 1 показана принципова схема екструдованої заготовки та матриці. Тривимірну модель заготовки, екструзійного циліндра та екструзійного стрижня було створено за допомогою програмного забезпечення SolidWorks і перетворено у файл STL, який можна розпізнати програмним забезпеченням DEFORM-3D.
Щоб підвищити ефективність обчислень, лише 1/4 труби була з дрібною сіткою (див. рис. 2), щоб забезпечити точність і конвергенцію процесу моделювання.
2. Конститутивна модель
Базуючись на попередньому дослідженні високотемпературної деформаційної поведінки титанового сплаву Ti-B25, це моделювання використовує конкретне конститутивне рівняння (конкретна формула тут опущена та відображається у вигляді зображення), яке точно описує реологічну поведінку матеріал при різних температурах і швидкостях деформації.
3. Налаштування параметрів
Згідно зі схемою термічної обробки титанового сплаву Ti-B25 температура деформації вибирається як 900 градусів, а швидкість деформації становить 0.1 s^-1 . У той же час коефіцієнт тертя між заготовкою та матрицею встановлюється на 0,3, а теплопровідність – на 5. У процесі моделювання використовується розмір кроку 0,5 мм, загалом 600 кроків, і дані зберігаються кожні 2 кроки для забезпечення вичерпності результатів моделювання.
II. Результати моделювання та аналіз
1. Аналіз поля напружень
На малюнку 3 показано розподіл поля напруги трубних заготовок із титанового сплаву Ti-B25 на різних етапах процесу екструзії. На ранній стадії велика напруга зосереджена в голові та хвості труби; у міру просування екструзії напруга значно зростає після того, як передній кінець входить у стовбур екструзії, і напруга швидко знімається після проходження через стрічку розміру. Максимальна еквівалентна напруга продовжує з'являтися в радіусі екструзійної головки.
2. Аналіз поля деформації
На малюнку 4 показано зміни поля деформації під час процесу екструзії. Початкова деформація невелика, і коли труба проходить через розмірну стрічку, деформація різко зростає, особливо в радіусі розмірної стрічки, де легко утворити мертву зону деформації, і слід звернути особливу увагу.
3. Аналіз температурного поля
На малюнку 5 показано розподіл температурного поля під час процесу екструзії. На ранній стадії поверхня трубної заготовки охолоджується за рахунок теплообміну, а частина деформації нагрівається за рахунок перетворення роботи пластичної деформації в теплову енергію, що призводить до серйозної нерівномірності температурного поля. Найвища та найнижча різниця температур становить 170 градусів, що означає, що температуру деформації потрібно суворо контролювати, а конструкцію матриці потрібно оптимізувати.
III. Експеримент з екструзії труб
1. Оцінка якості поверхні
В експерименті використовуються параметри температури деформації 900 градусів, швидкості деформації 0,1 с^-1 і швидкості екструзії 50 мм/с для екструзії. Як показано на малюнку 6, екструдована труба має високу прямолінійність і гладку поверхню, але є невеликі дефекти на передньому кінці через раптовий перепад температури та нестабільну деформацію, що є нормальним явищем.
2. Механічні властивості при кімнатній температурі
Завдяки старінню в твердому розчині трубка з титанового сплаву Ti-B25 демонструє відмінну міцність і пластичність, що відповідає суворим вимогам до трубок для корабельних антен. Цей результат підтверджує точність чисельного моделювання та раціональність параметрів процесу.
