CC BY
24
224 с.
D.A. Alekseev
VARIANT A FINITE ELEMENT MODEL TO SOLVE THREE-DIMENSIONAL PROBLEMS COLD FORGING
Are the basic relations for the finite element modeling of cold stamping. Based on a mathematical model developed software system, which holds the solution of the test problem.
Key words: mathematical model, finite element method, a rigid material, system of algebraic equations.
Получено 28.09.12
УДК 621.791.4
А.К. Евдокимов, д-р техн. наук, проф., (+7910)947-08-27, AKEvdokimov@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ), Ву Нгок Тхыонг, асп.,(8953) 183-24-98, vuthuong77@yahoo.com. au (Россия, Тула, ТулГУ)
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ХОЛОДНОЙ СВАРКЕ АЛЛЮМИНИЯ АД1М
Работа посвящена исследованию влияния напряженно-деформированного состояния на режимы деформирования при холодной сварке листовых материалов методом пластической деформации.
Ключевые слова: анализ напряжённо-деформированного, интенсивность деформаций, интенсивность напряжений, число микротвёрдости
Определяющую роль в образовании монолитного соединения при холодной сварке играет интенсивная пластическая деформация [1,2]. Установлено, что на величину степени деформации начального схватывания помимо механических свойств свариваемых материалов оказывает влияние геометрия инструмента, состояние соединяемых поверхностей, толщина исходного материала [1, 7].
При разработке технологии получения изделий холодной сваркой необходимо, чтобы оптимальная степень деформации была такой величины, которая не вызывала бы существенного ослабления сечения свариваемой детали. В связи с этим, большой практический интерес представляет изучение характера распределения деформаций и напряжений в зоне соединения при холодной сварке.
В процессах обработки металлов давлением для анализа
127
напряжённо-деформированного состояния широко используются такие экспериментальные методы, как метод делительных сеток [8], метод твёрдости и микротвёрдости [4,5] и др. Учитывая, что холодная сварка реализуется при больших степенях деформации (е ~ 60-90%), то использование метода делительных сеток для анализа напряжённо-деформированного состояния практически невозможно.
В данной работе для анализа напряжённо-деформированного состояния при холодной сварке использовался экспериментально-расчётный метод, разработанный Г.Д.Делем [5], основанный на изменении величины твёрдости металла или сплава при его холодном деформировании. Напряжённо-деформированное состояние
устанавливалось по распределению микротвёрдости на приборе ПМТ-3. Использование других методов измерения твёрдости не представлялось возможным в связи с малой площадью свариваемых соединений.
При исследовании пластической деформации твёрдость играет роль промежуточного параметра, который исключается за счёт введения так называемого тарировочного графика. Для анализа напряжённо-деформированного состояния при холодной сварке алюминия марки АД1М тарировочный график строился из испытания образцов на сжатие. Кривая истинных напряжений ^ - si строилась из опыта осевого сжатия цилиндрических образцов с отношением Н0М0 [3, 5].
Интенсивность деформаций ei определялась из условия постоянства объёма при сохранении образцом цилиндрической формы:
^ = - 1п 2dk / Hk (1)
3 d о / H 0
где dк - исходный и конечный диаметр образцов, мм; Но, Нк - исходная и конечная высота образцов, мм. Интенсивность напряжений si с достаточной точностью определялось по формуле:
4 P
^ = 27—) (2)
Pd 2 (1 - ] )
где
. н о - Hk
.=
Р - усилие деформирования, Н.
В меридиальном сечении осаженных с различной степенью деформации образцов замерялась твёрдость Н^ Полученные результаты использовались для определения зависимостей ei - Н и si - Н на основании которых был построен тарировочный график ei - Нv - si для алюминия марки АД1М. Так как исследуемый процесс холодной сварки характеризуется относительно малой величиной пластической области, то для анализа напряжённо-деформированного состояния использовался метод микротвёрдости [3, 4].
Метод микротвёрдости (ГОСТ 9450-60) предназначен для определения твёрдости малых объёмов материала. Число микротвёрдости Н определяется по зависимости [4]:
P
Н = (3)
d2
где Р - нагрузка на инденторе, Н; d - диаметр отпечатка, мкм.
Характеристики материала, определяемые методом твёрдости и микротвёрдости, связаны между собой зависимостью:
Ну = (0,7 - 0,8) Н (4)
Повышение твёрдости при переходе к микротвёрдости объясняется некоторым отклонением от закона подобия при исследовании поверхностных слоёв, влиянием трения и других факторов [3, 4, 5]. Целью данного исследования было установление характера распределения твёрдости и характера распределения напряжений и деформаций в зоне соединения при холодной сварке алюминия марки АД1М плоскоклиновыми пуансонами с углами при вершине 7°/7°; 12°/12°; 20°/20°; 7°/0°; 12°/0°; 20°/0°. Как отмечалось ранее [5], применение клинового инструмента даёт возможность в условиях одного эксперимента установить величину минимальной деформации еШт, необходимую для холодной сварки, а также определить твёрдость Ну в зоне соединения, где е
> ешт.
Замеры твёрдости осуществлялись на приборе ПМТ-3 при увеличении 483х. Нагрузка на инденторе составляла 0,1 Н. Характер изменения твёрдости (микротвёрдости) даёт возможность судить об интенсивности деформаций и изменении прочности в различных точках соединения. Сопоставление значений твёрдости по слоям, перпендикулярным шву, показало, что твёрдость распределяется сравнительно равномерно, постепенно возрастая от слоя, соответствующего началу схватывания, к слою, соответствующему оси симметрии шва. Закономерность изменения твёрдости на всех образцах аналогична. Существенного различия в характере её распределения при холодной сварке шероховатым инструментом (Яа = 6,3 мкм) со смазкой и без нее не наблюдается.
Распределение интенсивности деформаций ei и интенсивности напряжений si, установленное по тарировочному графику ei - Ну - si вдоль зоны сварки. Из рисунка видно, что интенсивное нарастание Ну, si, е^ вдоль зоны сварки наблюдается к центру шва. Погрешность измерения Ну определяли по результатам замеров микротвёрдости на кристаллах №С1 при нагрузке на инденторе 0,01; 0,004; 0,002 Н. Для каждого значения нагрузки на инденторе производили по замеров твёрдости.
Совокупность значений микротвёрдости хорошо подчиняется нормальному закону распределения, поэтому среднее значение по
результатам измерений рассчитывали как среднее арифметическое. Относительная ошибка измерений при замере твёрдости на приборе ПМТ-3 в зависимости от величины нагрузки на инденторе составляла: Р =1Н ^изм.= 5,4%); Р =0,4Н ^изм.= 5,7%); Р =0,2Н (Эизм= 8,5%). Для измерения Н вдоль зоны сварки применяли нагрузку, равную 1 Н. Анализ полученных результатов позволил установить значительную неравномерность распределения напряжений и деформаций по сечению шва при холодной сварке, которая уменьшается с увеличением степени деформаций.
Список литературы
1. Айбиндер С.Б. Холодная сварка металлов. Рига: АН Латв.ССР, 1957. 162с.
2. Айбиндер С.Б., Глуде Р.К., Логинова А.Я. и др. Основы теориисварки давлением //Автоматическая сварка. 1964. С.21-27.
3. Архангельский М.А., Иванова М.А., Кузин В.Ф., Цыпина М.Н. Характер распределения напряжений и деформаций в зоне шва при холодной сварке давлением // Сварочное производство. С. 25-27.
4. Григорович В.И. Твёрдость и микротвёрдость металлов. М.: Наука. 1976. 221с.
5. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твёрдости. М.: Машиностроение. 1971. 200с.
6. Кузин В.Ф., Савинкин Ю.В., Цыпина М.Н. Холодная сварка давлением тонколистового и полосового алюминия АД1М и АД0М // Сварочное производство. 1982. С. 19-20.
7. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение. 1971. 782с
8. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. Л.: Наука. 1972,
424 с.
A.K. Evdokimov, Vu Ngoc Thuong
ANALYSIS OF THE STRESS STRAIN STATE IN COLD WELDING ALUMINIUM
AD1M
In the method of handing the pressure the stress-strain an important factor to be calculated. Cold pressure welding is a method of handing the pressure, so that to study the distribution of the stretch of cold welding deformation calculations are needed, we know the mechanical properties, as weld as the quality of welded products.
Key words: analysis of the stress-strain, strain rate, stress intensity, the number of microhardness.
Получено 28.09.12
