CC BY
148
ISOTHERMAL DEFORMA TIONELEMENTS WAFFLE PLA TE STRUCTURES OF SQUARE CROSS SECTION FROM ANISOTROPIC MA TERIALS
Yakovlev S.S., Larin S.N., Leonova E.V.
The results of theoretical and experimental studies of iso-thermal deformation elements wafer sheet structures square-tion of the cross-section of high anisotropic materials in the short-term creep mode.
Key words: anisotropy, short-term creep, defect, strain, pressure, and destruction.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical Sciences, Professor, [email protected], Russia, Tula, Tula state University,
Larin Sergei Nikolaevich, candidate of technical Sciences, associate Professor, [email protected], Russia, Tula, Tula state University,
Leonova Evgenia Vitalievna, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 621.777.44:004.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Нгуен Тхань Чунг
Преимущества метода конечных элементов с использованием программы DEFORM-3D для расчета параметров напряженно-деформированного состояния моделей, образцов доказано в продольном выражении, по сравнению с методом расчета по методике измерения координат центральной точки координатной сетки деформированных при деформации на реальных образцах в аналогичных условиях.
Ключевые слова: метод конечных элементов, выдавливание, деформация.
Перспективным направлением развития современного производства металлических изделий в машино- и приборостроении является применение ресурсосберегающих технологических процессов, повышающих производительность труда и качество продукции. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют процессы объемной штамповки штучных заготовок, полученных малоотходными способами разделительных операций. В свою очередь среди видов объёмной штамповки в последнее время широко распространились наиболее полно изученное выдавливание с истечением материала заготовки. Однако, в отличие от хорошо изученных процессов объёмной штамповки, до сих пор не существует алгоритма, руководствуясь которым можно назначить оптимальные технологические параметры, обеспечить требуемое формоизменение, а также приемлемую для произ-
59
водства прочность и стойкость рабочего инструмента. В большинстве случаев разработка технологии с использованием того или иного вида выдавливания представляет уникальный в своём роде процесс, результаты коего во многом зависят от квалификации технолога. Традиционные методы проектирования, отладки и освоения технологии предусматривают проверку множества вариантов с использованием метода «проб и ошибок». При этом каждый вариант требует экспериментальной проверки, а значит, изготовления нового инструмента, штампа или даже модернизации штампового оборудования, что приводит к дополнительным затратам времени и средств. Экономическая нецелесообразность такого подхода наиболее очевидна в случае изготовления небольшой партии деталей, когда затраты на отработку технологии сделают производство не рентабельным. Конкурентоспособной в современных условиях является только мобильная технология, которую можно быстро и оптимально перестроить под изменяющиеся параметры формы и материала штампуемых деталей.
Для интенсификации процесса разработки технологических операций объёмной штамповки необходима информация о напряжённо-деформированном состоянии (н.д.с.) материала заготовки, полуфабриката (детали), а также сведения об откликах системы штамп - инструмент - деформируемый образец на изменение технологических параметров. Для получения соответствующей информации могут быть использованы методы экспериментального исследования и теоретического моделирования, а также их комбинация.
Однако применение таких экспериментальных методов исследования н.д. с., как метод делительных сеток, моделирования на многослойном материале, метод твёрдости, метод микроструктурных измерений к процессам объёмной штамповки с большой величиной деформации в очаге сопряжено с определёнными трудностями. Методы делительных сеток, моделирования на многослойном материале и микроструктурных измерений требуют однородного и монотонного протекания деформации. В процессах объёмной штамповки в значительной части заготовки деформация неоднородна и немонотонна. Кроме того, при использовании метода делительной сетки для исследования н. д. с. необходимо изготовлять разъёмные образцы, испытывающие сжимающие напряжения в плоскости разъёма. Для метода микроструктурных измерений необходимо подготовить равноосную структуру материала деформируемого образца до деформации. Использование метода твёрдости при большой величине деформации ограничено тем, что кривые зависимостей □ I = /(НУ), □ { = □ /(НУ) имеют, так называемый участок насыщения, на котором небольшому изменению величины показателя твёрдости соответствует значительное изменение интенсивности напряжений и деформации. При большой величине деформации результаты, полученные с помощью метода твёрдости, будут неполными и малодостоверными.
Главная трудность при использовании всех методов экспериментального исследования заключается в необходимости изготовления технологической оснастки - инструмента и штампа. При проработке нескольких вариантов стоимость изготовления оснастки становится весьма значительной. В некоторых случаях отработка технологии напрямую, путём варьирования технологических параметров, может дать положительные результаты быстрее, чем комбинация прямой отработки с экспериментальными методами.
Альтернативой экспериментальному исследованию и теоретическому анализу является использование имитационного моделирования процессов объёмной штамповки с помощью метода конечных элементов (МКЭ). В основу МКЭ положено разбиение сплошной среды (в частности объёма деформируемого тела) на множество простых геометрических элементов (плоские элементы: прямолинейные и криволинейные, правильные и произвольные треугольники и четырёхугольники; объёмные элементы: прямолинейные и криволинейные четырёхгранники и шестигранники). Элементам в целом и каждому узлу в частности придают определённые степени свободы, а каждый элемент обладает свойствами материала дис-кретезированной среды. Для упругопластических материалов это, прежде всего, механические свойства деформируемой среды. Основные соотношения МКЭ, применительно к процессам ОМД, основаны либо на теории пластического течения, либо на деформационной теории пластичности. Кроме того, есть попытки применения в МКЭ дислокационной теории. Разрешающие системы уравнений МКЭ, как правило, строятся на основе вариационных принципов теории пластичности и упругости. Безусловно, МКЭ может быть эффективно реализован только на современных ЭВМ. Неоспоримым и весьма ценным достоинством этого метода является возможность проведения комплексного физико-механического анализа на стыке таких дисциплин, как прочность, пластичность, усталость и ползучесть при скоростных, многоцикловых и квазистатических нагрузках; термодинамика; электромагнетизм; динамика жидкостей и газов; динамические свойства твердых тел (распространение упругих и пластических волн, колебательные процессы). Корректная модель в МКЭ максимально приближена к реальному физическому процессу и позволяет учитывать весьма тонкие физические эффекты.
В настоящее время существует достаточно много специализированных и общеинженерных пакетов (программных комплексов) конечноэлементного анализа. Для моделирования и исследования процессов объёмной штамповки в комбинации с другими видами физического анализа (тепловой, динамический и т. д.) целесообразно использовать «тяжёлые» общеинженерные конечно-элементные пакеты (ANSYS, QFORM, DEFORM 3D). При применении пакетов, использующих МКЭ - анализ, является постановка задачи адекватная физической природе исследуемого
процесса. Это положение в полной мере относится и к исследованию пластической деформации, в том числе и процессу обратного выдавливания.
В качестве примера возможностей конечно-элементного расчёта приведены результаты натурного эксперимента по продольному выдавливанию цилиндрических образцов, выполненного с истечением материала (формообразование стакана), с результатами имитационного моделирования в конечноэлементном расчётном пакете DEFORM 3D 6.1 (использована ограниченная версия пакета). На рис. 1 показаны образцов до деформации и полуфабрикатов после деформации. Материал образцов Сталь 10 ГОСТ 1050-74 имеет следующие механические характеристики: плотность р = 780 0, предел прочности sB = 850 МПа, коэффициент трения kmp = 0,1.
а б в
Рис. 1. Заготовка до деформации (а) и полуфабрикатов после выдавливания на шаг 30 (б) и на последний шаг 60 (в)
Деформированию были подвергнуты разъёмные по плоскости меридионального сечения образцы. На плоскость разъёма была нанесена регулярная делительная сетка с квадратной ячейкой (сторона ячейки а0 = 1 мм). Исходная недеформированная сетка и искажённая в процессе деформации сетка показана на рис. 2. В обработке результатов эксперимента использована методика расчёта параметров н. д. с. осесиметричного образца в процессе обратного выдавливания, подробно изложенная в работе [1].
а б
Рис. 2. Образцы с нанесённой делительной сеткой: до деформации (а); и деформированный с истечением (б)
Результаты расчёта параметров напряжённо-деформированного состояния реальных образцов, выполненные с помощью метода делительной сетки, использованы для качественного сравнения по форме реально деформированных образцов с формой моделей, полученных при конечноэлементном расчёте, а также по характеру осевого перемещения материала для указанных вариантов. При моделировании процесса деформирования методом конечных элементов (в расчётном пакете DEFORM 3D) использована методика решения упругопластической задачи.
На рис. 3 показано распределение осевого компонента перемещения Uz по плоскости меридионального сечения, смоделированного в программе DEFORM 3D образца, деформированного с истечением.
Рис. 3. Распределение осевого компонента перемещения Uz в плоскости меридионального сечения образца
На рис. 4 показано распределение интенсивности деформации в плоскости меридионального сечения смоделированных в программе DEFORM 3D образца, деформированных с истечением. Для количественной оценки достоверности применения МКЭ было проведено сравнение распределения параметров НДС в меридиональном сечении деформированных образца. Сравнение расчётных значений с экспериментальными показало, что раз отличие находится в пределах погрешности метода делительной сетки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что при анализе процесса выдавливания расчет параметров НДС МКЭ дает не только качественную, но и количественную картину распределения.
Для расчёта усилия деформирования при экспериментальном исследовании н. д. с. используются значения компонента напряжений z в узловых точках сетки. По отличию расчётного значения усилия от измеренного при деформировании можно судить о достоверности расчёта деформаций и напряжений. На рис. 5 показано распределение осевого компонента напряжений в плоскости меридионального сечения образца.
Деформация (мм ык)
17 1
О 0347 Min
9.69 Мая
Рис. 4. Распределение интенсивности деформации в плоскости меридионального сечения образца, деформированного с истечением
Напряжение (МПа)
719
0.952 Min 678 Мах
Рис. 5. Распределение осевого компонента напряжений
в плоскости меридионального образца , деформированного
с истечением
Незначительное (не более 10...12 %) отличие экспериментальных значений усилия выдавливания от расчётных, полученных как по методу сеток, так и по МКЭ -анализу в процессе обратного выдавливания при тех же условиях подтверждает, достоверность результатов расчёта н.д.с.
Выводы:
1. Применение пакетов МКЭ анализа позволяет решать комплекс
проблем, актуальных для ОМД и связанных с расчетом оборудования, инструмента, экономической эффективности и др. Основной задачей компьютерных расчетов является определение параметров н. д. с. во всех материальных точках заготовки для каждой стадии процесса деформирования. Решение данной задачи (возможно совместное с решением задачи деформирования инструмента) при последующей обработке результатов может дать ответ на ряд конкретных вопросов: прогнозирование возможного разрушения заготовки при штамповке, управление качеством деталей, оценка потребного усилия деформирования и др.
2. Применение МКЭ при исследовании процесса обратного выдавливания позволяет рассчитать большое число вариантов. Оптимальные варианты, если это необходимо, можно исследовать с помощью какого-либо экспериментального метода. Кроме того, отладка технологии на компьютере позволяет избежать материальных и временных затрат на изготовление натурной технологической оснастки и доводки технологии, а в ряде случаев отказаться от применения ошибочного или неэффективного технологического процесса.
3. Современные программные продукты открывают широкие возможности в использовании существующих, и в создании новых моделей поведения материалов, типов конечных элементов. Существование собственного встроенного языка программирования делает работу с ними сравнимой с созданием собственного программного продукта. Необходимым условием эффективного применения ЭВМ для расчета технологических процессов ОМД является требование корректности результатов компьютерного моделирования процессов, адекватности их реальному процессу.
Список литературы
1. Смирнов-Аляев Г. А. Сопротивление металлов пластическому деформированию. Л.: Машиностроение, 1978. 367 с.
2. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392 с.
3. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. М.: Машиностроение. Ленингр, отд-ние, 1979, 520 с.
Нгуен Тхань Чунг, аспирант, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODELING OF COLD BACKWARD EXTRUSION OF A METHOD OF FINAL ELEMENTS
Nguyen Thanh Chung
Advantages of a method of final elements using the program DEFORM-3D to calculation the parameters of the is intense-deformed condition of models of samples are
proved at longitudinal expression, in comparison with a method of calculation by a technique of measurement of coordinates of central points of the coordinate grid deformed during deformation on real samples under similar conditions.
Key words: method of final elements, extrusion, deformation.
Nguyen Thanh Chung, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.974
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПЕРАЦИИ ОТБОРТОВКИ ОТВЕРСТИЯ В ЛИСТОВЫХ АНИЗОТРОПНЫХ ЗАГОТОВКАХ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, М.В. Корнюшина
Приведена математическая модель операции изотермической отбортовки отверстия в листовых анизотропных заготовках из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Получены соотношения для оценки кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний, силовых режимов операции изотермической отбортовки отверстия в листовых анизотропных заготовках.
Ключевые слова: анизотропия, кратковременная ползучесть, отбортовка, сила, деформация, напряжение, упрочнение, ползучесть.
В узлах конструкции двигательной установки летательных аппаратов применяют горловины емкостей топлива и переходные патрубки с косыми фланцами (рис. 1). Традиционное их изготовление связанно с горячей штамповкой толстостенных кованых труб путем многооперационной раздачи, высадки, правки с большими напусками под механообработку. Используемые материалы заготовок - титановые, специальные сплавы алюминия, стали. Процессы трудоемки, материалозатратны и сопровождаются появлением внутренних дефектов. Трудоемкость производства и требования по качеству изделий ставят задачу об изменении технологии. В этой связи актуален процесс производства, связанный с отбортовкой плоской или раздачей трубчатых заготовок с последующей операцией прошивки, повышающей точность толщины стенки и внутреннего диаметра патрубка [1, 2].
Процессы реализуют в регламентированных температурноскоростных режимах, в условиях вязкопластического деформирования, обеспечивающего большие деформации, снижение напряжений, технологической силы и уровня повреждаемости обрабатываемого материала.
66
