Модель процесса теплообмена в системе "поковка-пограничный слой-инструмент"

Для построения модели теплообмена процесс полугорячего выдавливания условно разбит на следующие стадии:

— контакт заготовки с инструментом при установке заготовки в матрицу в течение времени t1. Теплопередача от заготовки к инструментам происходит, в основном, излучением. Величина плотности теплового потока q при этом определяется выражением:

где E1, E2 - степени черноты инструмента и заготовки соответственно, Вт/м2 ; C0 = 5,67*10-8 Вт/(м2К4) - постоянная Стефана-Больцмана; T1,T2 - абсолютные температуры заготовки и инструмента соответственно; d1,d - диаметры заготовки и инструмента соответственно, мм;

— контакт поковки с инструментом при деформировании в течение времени t2. На этом этапе при определении плотности теплового потока учитывались дополнительные источники тепла от сил трения на контактных поверхностях поковки и инструмента и внутренние источники тепла, обусловленные термомеханическим эффектом пластической деформации. Термомеханический эффект можно выразить через эффективное время, получаемое произведением времени деформации (т2) на коэффициент эффективности:

где е - степень деформации; е = е'tк; е' - скорость деформации; tк -время контакта тел, которое может быть больше времени деформации.

В общем случае можно допустить, что энергия, расходуемая на пластическую деформацию и трение, почти полностью (с коэффициентом 0,85....0,90) превращается в теплоту.

Для определения тепловыделения, обусловленного работой пластической деформации, согласно которым полную работу деформации за время перехода металла из состояния 1 в состояние 2 определяют:

тогда

где оi - интенсивность напряжений; ei - интенсивность деформаций.

Тепловыделение, обусловленное действием сил трения на границе контакта "инструмент-заготовка", можно вычислить по работе сил трения:

где ok - касательные напряжения на поверхности контакта; uk - перемещение материальной точки на контактной поверхности; dF - элементарный участок поверхности, на который действует ok,

Повышение температуры, связанное с контактным трением, выразится:

Плотность реального теплового потока q определяется выражением:

где qи - плотность теплового потока при идеальном тепловом контакте заготовки с инструментом; f2 (аk, tk) - функция, характеризующая влияние термического сопротивления пограничной прослойки и времени контакта на теплообмен между заготовкой и штампом.

Величина функции f2 (ак, tк) всегда меньше единицы, а при стремлении сопротивления контактного слоя к нулю (R —> 0 контакт идеальный) имеет ее своим пределом. При полугорячем деформировании величина термического сопротивления в 5....10 раз меньше, чем при горячей штамповке. В табл. 4.11 приведены результаты расчета термического сопротивления контактного слоя R, который равен сумме теоретических сопротивлений окалины R и смазочного материала Rсм. Толщина слоя окалины Rок и значение коэффициента теплопроводности окалины приняты по данным работы. Термическое сопротивление смазочного материала принято равным Rсм = 17,02*10в-6 (м2*К)/Вт, что соответствует слою графито-масляной смазки толщиной 0,01 мм.

Также принята кусочно-линейная зависимость сопротивления пограничного слоя от давления на контактных поверхностях.

Плотность теплового потока q при идеальном тепловом контакте заготовки с инструментом определяется по методике:

где Ти,Тз - исходные температуры инструменты и заготовки соответственно; tк - время контакта со штампом;

bи, bз - коэффициенты аккумуляции тепла материала инструмента и заготовки, b = VЛcp; Л, с, р - коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность материалов заготовки или инструмента;

критерий интенсивности контактного теплообмена, определяемый по рекомендациям работы.

- контакт при снятии деформирующей силы в течение времени t2. Теплопередача от поковки к инструменту происходит аналогично предыдущей стадии — теплопроводностью. Схема формоизменения такова, что поковка после снятия силы до момента ее выталкивания еще остается под давлением, обусловленным упругой деформацией матрицы.

- охлаждение инструмента и поковки после выталкивания последней в течении времени t4. На этой стадии происходит конвективный теплообмен между поверхностью инструмента и окружающей средой. Значение коэффициента теплообмена зависит от природы окружающей среды, скорости ее перемещения и формы охлаждаемого тела.

Продолжительность каждой из стадий процесса теплообмена зависит от параметров конкретного технологического процесса. При автоматическом режиме работы оборудования время цикла tц = t1 +t2 + t3 + 1t4 определяется выражением:

где nн - номинальное число ходов ползуна пресса в минуту. В режиме одиночных ходов время цикла составит

где р — коэффициент использования числа ходов:

nод - число одиночных ходов в минуту.

Продолжительность контакта инструмента с поковкой под давлением tк складывается из составляющих t2 и t3. При этом t2 зависит от величины рабочего хода, а также от кинематических параметров оборудования. Составляющая времени контакта t3, кроме того, зависит еще и от жесткости системы "пресс-штамп".

Для кривошипных горячештамповочных прессов (КГШП) определено, что при относительной величине рабочего хода Hp/2R = 0,2 продолжительность процесса деформирования t2 составляет (0,08...0,085)tц1. В свою очередь t2 формируется из следующих составляющих:

t21 = (0,05...0,17)t2 - время запаздывания, когда идет пластическая деформация, но поток тепла преодолевает термическое сопротивление пограничного слоя;

t22 = (0,35...0,60)t2 - время активного теплообмена;

t23 = (0,40...0,50)t2 - время падения интенсивности теплообмена вследствие уменьшения температурного напора AT, увеличения сопротивления пограничного слоя Rгр за счет появления газовой прослойки;

t24 = (0...0,17)t2 - время окончания штамповки, когда AT —> 0, коэффициент теплообмена а на границе "поковка-пограничный слой-инструмент" имеет минимальное значение.

Из-за отсутствия специальных комплексов для ПГОШ в производственных условиях часто используют серийно выпускаемое оборудование, например, кривошипно-коленные процессы для холодного выдавливания. Для этого типа оборудования время контакта заготовки с инструментом tк = (0,40...0,45)tц1, что обусловлено кинематическими особенностями

привода. Необходимо также принимать во внимание, что номинальное число ходов в минуту у КГШП составляет 70...90, а у кривошипноколенных не превышает 30...40.

Для случая, когда штамповка производилась на прессе для холодного выдавливания, продолжительность tк и tц определялась из типовой осциллограммы и составила соответственно 0,5 и 1,3 с. При этом продолжительность цикла tц теоретически может быть определена из уравнения баланса тепла инструмента. Как известно, количество тепла, передаваемое от поковки к инструменту во время контакта, определяется выражением

где q1 — плотность потока тепла на активную часть поверхности инструмента.

Количество тепла, теряемое инструментом во время охлаждения, определяется выражением

Тогда, приравнивая правые части уравнений 4.46 и 4.47, можно определить продолжительность цикла:

Следует отметить, что при таком расчете определенную сложность вызывает выявление активной части инструмента.

Наибольший эффект от внедрения ПГОШ может быть достигнут при использовании многопозиционной штамповки. Выполненное в соответствии с техническим заданием техническое и технологическое обоснование комплекса для многопозиционной штамповки включало расчет времени цикла и его составляющих для каждого перехода штамповки на примере поковки корпуса наружного шарнира. Так как тепловые поля рассчитывались для инструментов наиболее нагруженных переходов (2-й и 5-й), то табл. 4.12 и 4.13 содержат продолжительности полного цикла и его составляющих для указанных переходов.

Таким образом, условное разбиение всего процесса выдавливания на отдельные составляющие и правильное назначение величин тепловых нагрузок и теплофизических характеристик позволяет построить достаточно полную имитационную модель для анализа процесса теплообмена в системе "поковка-пограничный слой-инструмент".