CC BY
88
УДК 658.52.011.56: 621.983.7.002
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ С УЧЕТОМ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ
А.Н. Струков, А.И. Быков
В статье рассматривается методика учета релаксационных процессов при исследовании методом имитационного моделирования в конечно-элементных пакетах процессов формообразования деталей из листовых заготовок при повышенных температурах. Исследовано влияние времени выдержки при повышенной температуре на качество детали. Определено оптимальное время выдержки. Результаты используются для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе формообразования, а также для определения отклонения формы детали после снятия технологической нагрузки
Ключевые слова: релаксация напряжений, термофиксация, метод конечных элементов
Использование процесса термофиксации как заключительной стадии деформирования заготовок из листового металла позволяет значительно повысить качество, а в ряде случаев, получить деталь требуемого класса точности без дополнительной ручной доработки. Процесс термофиксации происходит при повышенных температурах под нагрузкой или в фиксированном специальными приспособлениями положении. Основными задачами, стоящими перед технологами, являются: выбор оптимального времени выдержки при заданной нагрузке и температуре, определение уровня пружинения из-за остаточных напряжений для корректировки оснастки.
Предлагается использовать конечно-
элементный пакет АВАрШ для решения поставленных задач.
Математическая модель материала для описания процессов ползучести и релаксации напряжений представлена в виде:
(1)
где е - эквивалентная скорость деформирования, о щ - эквивалентные напряжения по Мизе-
су, г - время, А , п, т - константы материала.
Для моделирования процесса термофиксации необходимо получить параметры модели материала. Параметры определяются с использованием диаграммы "время - перемещение" при постоянной силе и постоянной температуре. Все параметры определяются экспериментально, и затем уточняются с использованием конечноэлементного пакета АВАрШ.
Струков Алексей Николаевич - ВГТУ, ст.
преподаватель, тел. (473) 252-74-80, e-mail: [email protected];
Быков Александр Иванович - ОАО «ВАСО»,
зам.технического директора, e-mail: [email protected]
Для уточнения параметров необходимо выполнить три - четыре моделирования. Полученные параметры модели материала в состоянии сверхпластичности используются при технологических расчетах для оценки остаточных напряжений, величины пружинения.
В работе исследовался процесс термофиксации для деталей из листового титанового сплава ВТ6. Процессы формообразования и термофиксации протекали при 650°С. Параметры модели материала, определенные из эксперимента: A = 1e-9 MPa, n = 1.99, m = -0.2. Время основного процесса формообразования составляет около одной минуты при скорости движения инструмента 1 мм/с. Используя конечноэлементный пакет ABAQUS, выявлено, что оптимальное время процесса термофиксации составляет 15 минут.
Для оценки технологии определения оптимального времени формообразования с учетом релаксации напряжений были проведены натурные и численные эксперименты по гибке полосы, шириной 20 мм при температуре 650°С. Геометрия образца после испытания приведена на рис. 1. На рис. 1 также приведены основные контролируемые параметры геометрии.
Рис. 1. Экспериментальный образец
В результате натурных экспериментов были получены графики зависимости геометрических параметров экспериментальных образцов от времени выдержки при термофиксации. Полученные графики приведены на рис. 2.
Рис.
образцов
2.
20 30
Время, мин Г еометрические
параметры
Полученные экспериментальные данные использовались для настройки математической модели процесса формообразования детали из листа при повышенных температурах с учетом процессов релаксации. Практические результаты работы были получены при анализе технологического процесса и дальнейшего изготовления детали типа "Диафрагма" из сплава ВТ6. Деталь и её основные геометрические параметры, которые необходимо контролировать указаны на рис. 3 и 4. Серийное изготовление деталь осуществлялось на прессе фирмы АЦБ (Франция) для горячей формовки
Рис. 3. Типовая деталь
Результаты численного эксперимента (рис. 5, 6, 7) показали хорошее совпадение с натурными испытаниями. На рис. 7 числами нанесены данные полученные из экспериментов. Расчетный уровень пружинения и отклонения формы детали совпали с экспериментальными данными.
Рис. 4. Контролируемые параметры:
а) плоскостность, б) угол малки, в) глубина рифта
1,2
0,8
0,6
5 0,2
>1
од X °'2 0,2
<0,04 ■ <0,04 Ф
10
Время выдержки в минутах
-поперек
Рис. 5. Изменение отклонения от плоскостности в зависимости от времени выдержки при термофиксации
99,0
98,0
97,0
96,0
98,0* ^ 98,4° 98,6е
7,025
6,925 6,975
7,20
- 7 ДО
- 7,00
- 6,90
6,80
10
Время выдержки в минутах
15
-■-Угол а Глубина
Рис. 6. Изменение остаточного угла и глубины вытяжки рифта в зависимости от времени выдержки при термофиксации
-1.9
Пружинение в нормальном направлении (мм) 0.9
Рис. 7. Пружинение детали после снятия нагрузки с учетом релаксации напряжений.
Можно сделать вывод о том, что выбор операционной технологии формообразования
листовых деталей требует учета и анализа параметров процесса термофиксации. Моделирование с использованием конечно-элементных программ позволяет прогнозировать отклонения формы и остаточные напряжения с учетом явлений релаксации напряжений, возникающие в заготовке в процессах формообразования.
Литература
1. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. Изд. 2-е. М., “Машиностроение”, 1975, 400с. с ил.
2. Pushkarraj Vasant Deshmukh. Study of superplastic forming process using finite element analysis. Thesis, Lexington, Kentucky, 2003.
3. ABAQUS 6.8 HTML Documentation.
Воронежский государственный технический университет
ОАО «Воронежское акционерное самолётостроительное общество»
THE FINITE-ELEMENTS INVESTIGATION OF SHEET METAL FORMING AT ELEVATED TEMPERATURES WITH TAKING INTO ACCOUNT THE STRESS RELAXATION
PROCESS
A.N. Strukov, A.I. Bykov
The article describes out the methodology of taking into account the stress relaxation processes during the finite-element investigation of sheet metal parts forming at elevated temperatures. The influence of exposure time at elevated temperatures on the parts geometry quality. The optimal exposure time were getting. The results are used for finite element analysis of stress-strain state of the workpiece in the forming process. The shape deviation of the part after the load is removed was determined
Key words: stress relaxation, thermofixation, the finite-element method
