Βελτιστοποίηση διαδικασίας και ανάλυση απόδοσης εξώθησης σωλήνων από κράμα τιτανίου Ti-B25
Προκειμένου να επιταχυνθεί η εφαρμογή του κράματος τιτανίου Ti-B25 σε συστήματα επικοινωνίας πλοίων, αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων DEFORM-3D για την προσομοίωση της διαδικασίας εξώθησης σωλήνων υπό συνθήκες θερμοκρασίας παραμόρφωσης 900 βαθμός και ρυθμός παραμόρφωσης 0,1 s^-1 με βάση τη συστατική εξίσωση που καθορίστηκε στο αρχικό στάδιο και τις παραμέτρους της διαδικασίας που βελτιστοποιήθηκαν από το διάγραμμα θερμής εργασίας, και το επαλήθευσε μέσω πραγματικών πειραμάτων εξώθησης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι κάτω από αυτή τη συνθήκη διεργασίας, εξωθήθηκε επιτυχώς ένα μπιλιέτα από κράμα τιτανίου Ti-B25 με διάμετρο 62 mm × 12 mm, με εξαιρετική ποιότητα επιφάνειας και ανακρυσταλλωμένους κόκκους στη δομή. Μετά από επεξεργασία γήρανσης διαλύματος στους 830 μοίρες /1 ώρα + 600 μοίρες /8 ώρες, η ράβδος σωλήνα έδειξε εξαιρετική αντιστοίχιση αντοχής-πλαστικότητας, η οποία πληρούσε πλήρως τις απαιτήσεις χρήσης των σωλήνων κεραίας πλοίου.
I. Κατασκευή μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων
1. Γεωμετρικό μοντέλο
Το Σχήμα 1 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα του εξωθημένου μπιλιέτας και της μήτρας. Το τρισδιάστατο μοντέλο του billet, του κυλίνδρου εξώθησης και της ράβδου εξώθησης κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό SolidWorks και μετατράπηκε σε αρχείο STL που μπορεί να αναγνωριστεί από το λογισμικό DEFORM-3D.
Προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση υπολογισμού, μόνο το 1/4 του σωλήνα ήταν λεπτή διχτυωτή (βλ. Εικόνα 2) για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια και η σύγκλιση της διαδικασίας προσομοίωσης.
2. Συστατικό μοντέλο
Με βάση την προηγούμενη μελέτη για τη συμπεριφορά παραμόρφωσης σε υψηλή θερμοκρασία του κράματος τιτανίου Ti-B25, αυτή η προσομοίωση χρησιμοποιεί μια συγκεκριμένη συστατική εξίσωση (ο συγκεκριμένος τύπος παραλείπεται εδώ και εμφανίζεται με τη μορφή εικόνας), η οποία περιγράφει με ακρίβεια τη ρεολογική συμπεριφορά του το υλικό σε διαφορετικές θερμοκρασίες και ρυθμούς παραμόρφωσης.
3. Ρύθμιση παραμέτρων
Σύμφωνα με το διάγραμμα θερμικής επεξεργασίας του κράματος τιτανίου Ti-B25, η θερμοκρασία παραμόρφωσης επιλέγεται ως 900 βαθμοί και ο ρυθμός παραμόρφωσης είναι 0.1 s^-1 . Ταυτόχρονα, ο συντελεστής τριβής μεταξύ του καλουπιού και της μήτρας ορίζεται στο 0,3 και η θερμική αγωγιμότητα στο 5. Η διαδικασία προσομοίωσης χρησιμοποιεί ένα μέγεθος βήματος 0,5 mm, συνολικά 600 βήματα και τα δεδομένα αποθηκεύονται κάθε 2 βήματα για να εξασφαλιστεί η εξαντλητικότητα των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης.
II. Αποτελέσματα προσομοίωσης και ανάλυση
1. Ανάλυση πεδίου καταπόνησης
Το Σχήμα 3 δείχνει την κατανομή του πεδίου τάσης των τεμαχίων σωλήνων από κράμα τιτανίου Ti-B25 σε διαφορετικά στάδια κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εξώθησης. Στο αρχικό στάδιο, η μεγάλη πίεση συγκεντρώνεται στο κεφάλι και την ουρά του σωλήνα. Καθώς η εξώθηση προχωρά, η τάση αυξάνεται σημαντικά αφού το μπροστινό άκρο εισέλθει στον κύλινδρο εξώθησης και η τάση απελευθερώνεται γρήγορα αφού περάσει από τον ιμάντα διαστασιολόγησης. Η μέγιστη ισοδύναμη τάση συνεχίζει να εμφανίζεται στην ακτίνα της μήτρας κάννης εξώθησης.
2. Ανάλυση παραμορφωτικού πεδίου
Το Σχήμα 4 αποκαλύπτει τις αλλαγές του πεδίου παραμόρφωσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εξώθησης. Η αρχική καταπόνηση είναι μικρή και καθώς ο σωλήνας διέρχεται από τον ιμάντα διαστασιολόγησης, η τάση αυξάνεται απότομα, ειδικά στην ακτίνα του ιμάντα διαστασιολόγησης, η οποία είναι εύκολο να σχηματίσει μια νεκρή ζώνη παραμόρφωσης, και πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή.
3. Ανάλυση πεδίου θερμοκρασίας
Το σχήμα 5 δείχνει την κατανομή του πεδίου θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εξώθησης. Στο αρχικό στάδιο, η επιφάνεια του μπιγιέτας σωλήνα ψύχεται λόγω της ανταλλαγής θερμότητας και το τμήμα παραμόρφωσης θερμαίνεται λόγω της μετατροπής του πλαστικού έργου παραμόρφωσης σε θερμική ενέργεια, με αποτέλεσμα σοβαρό ανώμαλο πεδίο θερμοκρασίας. Η υψηλότερη και η χαμηλότερη διαφορά θερμοκρασίας είναι 170 μοίρες, υποδηλώνοντας ότι η θερμοκρασία παραμόρφωσης πρέπει να ελέγχεται αυστηρά και ο σχεδιασμός της μήτρας πρέπει να βελτιστοποιηθεί.
III. Πείραμα εξώθησης σωλήνων
1. Αξιολόγηση ποιότητας επιφάνειας
Το πείραμα χρησιμοποιεί τις παραμέτρους της θερμοκρασίας παραμόρφωσης 900 μοίρες, του ρυθμού παραμόρφωσης 0,1 s^-1 και της ταχύτητας εξώθησης 50 mm/s για την εξώθηση. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6, ο εξωθημένος σωλήνας έχει υψηλή ευθύτητα και λεία επιφάνεια, αλλά υπάρχουν ελαφρά ελαττώματα στο μπροστινό άκρο λόγω ξαφνικής πτώσης θερμοκρασίας και ασταθούς παραμόρφωσης, που είναι φυσιολογικό φαινόμενο.
2. Μηχανικές ιδιότητες θερμοκρασίας δωματίου
Μέσω της επεξεργασίας γήρανσης στερεού διαλύματος, ο σωλήνας από κράμα τιτανίου Ti-B25 παρουσιάζει εξαιρετική αντιστοίχιση αντοχής-πλαστικότητας, ικανοποιώντας τις αυστηρές απαιτήσεις των σωλήνων κεραίας πλοίου. Αυτό το αποτέλεσμα επαληθεύει την ακρίβεια της αριθμητικής προσομοίωσης και τον ορθολογισμό των παραμέτρων της διαδικασίας.
