CC BY
1
УДК 621.73
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-452-453
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ГИБРИДНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ПОРОШКОВОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА RS-356 ОСАДКОЙ
С КРУЧЕНИЕМ
П.А. Петров, И.А. Бурлаков, Во Фан Тхань Дат
Статья посвящена исследованию энергосиловых параметров, в том числе сил, возникающих в процессе формообразования гибридных (составных) заготовок из порошкового алюминиевого сплава RS-356, с использованием метода осадки с кручением. Представлены результаты моделирования процесса формообразования, проведенного с применением программного обеспечения QForm, показано сравнение расчетных значений силы с результатами эксперимента. Полученные данные позволяют оценить степень совпадения расчетных и экспериментальных результатов, что имеет важное значение для оптимизации технологических процессов производства гибридных заготовок из порошкового алюминиевого сплава RS-356 с применением метода осадки с кручением.
Ключевые слова: алюминиевый сплав RS-356, гибридные заготовки, осадка с кручением, энергосиловые параметры.
В последние годы в машиностроительных отраслях промышленности наблюдается широкое внедрение инновационных технологий, в частности, применение гибридных заготовок становится все более актуальным. Гибридные заготовки представляют собой металлические полуфабрикаты, изготовленные из однородных или разнородных материалов, отличающихся по прочности, маркам и толщине. Этот подход позволяет учесть особенности работы конечной детали, обеспечивая производство легких и экономичных компонентов.
Существует несколько методов создания гибридных заготовок, таких как сварка лазерным лучом [1, 2], электронно-лучевая сварка [3], электродная сварка [4, 5] и сварка трением с перемешиванием (Friction-Stir Welding, FSW) [5,6]. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, что определяет их применимость в различных условиях.
В данной статье мы сосредотачиваем внимание на малоизученной технологии пластического формоизменения, а именно - осадке с кручением. Этот метод представляет собой перспективное направление для изготовления тонкостенных осесимметричных полуфабрикатов. Путем применения штамповки с кручением можно достичь оптимального сочетания формы и структуры заготовок, что важно для производства сложных деталей. В контексте этого исследования основная задача заключается в проведении анализа энергосиловых параметров процесса формообразования гибридных заготовок с использованием метода осадки с кручением.
Целью настоящей работы является оценка соответствия результатов определения энергосиловых параметров процесса формообразования гибридных заготовок из порошкового алюминиевого сплава RS-356, найденных численным моделированием, экспериментальным данным, полученным с использованием метода осадки с кручением.
Для достижения поставленной цели необходимо было выбрать исследуемый материал, определить распределение температуры в процессе деформации, определить рациональный режим нагрева заготовок и инструмента, определить силы осадки с кручением процессе формообразования гибридных заготовок из порошкового алюминиевого сплава RS-356 и выполнить комплексный анализ энергосиловых параметров процесса формообразования гибридных заготовок.
Для исследования был выбран порошковый алюминиевый сплав RS-356 с химическим составом (% по весу): Al - 92,58; Si - 6,83; Mg - 0,29; Mn - 0,002; Fe - 0,14; Ti - 0,15; Cu - 0,002; Zn - 0,003 [9-10]. Образцы из этого сплава были изготовлены методом 3D-печати по технологии SLM на оборудовании "EOS".
Процесс осадки пакета, состоящего из двух образцов с кручением, был осуществлен на модернизированном гидравлическом прессе модели ДБ-2432 с силой 1,6 МН до высоты 2,0 ... 2,1 мм. Скорость осевого перемещения пуансона составляла 1 мм/сек, а частота вращения пуансона - 12 об/мин [7]. Перед деформацией контактные поверхности образцов были тщательно очищены абразивным методом и обработаны спиртом.
Для моделирования процесса осадки с кручением было использовано компьютерное моделирование с применением программного комплекса QForm [8].
Моделирование данного процесса было проведено с использованием программы QForm 10.1.7, причём расчетные данные соответствовали параметрам натурного эксперимента. Учитывая отсутствие в базе данных реологических свойств сплава RS-356, был выполнен комплекс работ по их определению. Для построения математических моделей исследуемых сплавов в качестве прототипа была выбрана эмпирическая модель Хензеля-Шпиттеля [9] и полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Коэффициенты математической модели сопротивления деформации сплава RS-356 _
Тип деформации А mi m2 тз т4 т5 т7 ms т9
20 0С -300 0C 214,0419 -0,0021 -0,3945 0,003 -0,0994 -0,0028 0,3474 6,77x10-5 250
400 0С -450 0C 10,597 -0,0086 -0,082 0,3438 -0,0204 -0,0026 0,8587 -0,0006 0,8813
Исходные образцы для изготовления гибридных заготовок из порошкового алюминиевого сплава RS-356, имели высоту 12,5 мм и исходный диаметр 21,1 мм. Деформирование осуществляли за два перехода. На первом переходе осуществляли сжатие каждого из двух образцов отдельно предварительно нагретыми в печи до температуры 250 °С между холодными плоскими плитами до высоты 5,35 мм без вращения пуансона. Перед повторной деформацией собирался пакет из двух осаженных заготовок, который нагревали до температуры 350 °С и выполнили сжатие пакета с кручением с осевой скоростью 1 мм/сек и частотой вращения 12 об/мин до толщины 2,0 мм (рисунок 1). Подробнее методика приведена в работе [10].
Заготовка 1
Заготовка 2
Первый переход
Нагрев до
250СС
4
Осадка оез кручення
Ь = 5.35ым
Второй переход
h = 2 ым
Пакет 2 заготовок
Гиоридная заготовка
Рис. 1. Технологическая схема получения гибридной (составной) заготовки из пакета 2-х заготовок
Деформирование осуществляли практически холодным инструментом (около 40-50 °С), поэтому в процессе формоизменения происходило охлаждение заготовок. Как показало моделирование (рисунок 2), падение температура в краевой зоне заготовок ниже 102°С в конце первого и ниже 128°С в конце второго переходов. Оценка разрушения металла при компьютерном моделировании не производилась; в натурном эксперименте в периферийной части заготовки наблюдалось появление трещин (рис. 3).
Рис. 2. Распределение пластической деформации в меридиональном сечении заготовки из порошкового алюминиевого сплава RS-356 после первого (а) и второго (б) переходов
а
'тгртттг-, тт:]шг|1тп ри
1 Р 3 ч ъ
а б в
Рис. 3. Заготовки из порошкового алюминиевого сплава RS-356: а - исходные заготовки, б - после осадки с кручением с нагревом до 250 °С, в - после осадкой с кручением с нагревом до 350 °С
1,8 1,6
X
£ 1.4 вГ
¡и
ей
1
0,8
О. £
о
■е-
0» 0,6 ч
4
5
у = -0,0018х4 + 0,0327х3 - 0Д738*2 + 0,4101х
в2 ❖ данные эксперимента -аппроксимация = 0,9934 <г
01134567 Ход инструмента, мм
Рис. 4. График экспериментальных значений силы инструмент от хода инструмента (экспериментальные данные (точки) и аппроксимирующая кривая (сплошная линия))
Сравнение экспериментальных (рис. 4), и расчетных показывает, что при общем, в целом, совпадении кривых на последнем участке деформации наблюдается некоторое рассогласование (рис. 5), что, по-видимому, связано с трещинообразованием на периферии образца (см. рис. 3).
I
1
к
а.
£ 1 &
(О
§ 0.5 и
-экс перимент аппроксил лация)
-рас чет в О.Рог т
Ход инструмента, мм
Рис. 5. Сравнение результатов силы инструмента расчета с экспериментальными данными
В качестве критерия оценки точности модели выбрана величина: - средней абсолютной ошибки
5 = 1£„ крр! х 100% „ 1-1 |0}|
- коэффициента детерминации R2:
„„
= П — ; ^Есред = П ^(/1 — /сред) 1=1 1=1 Я2 = 1--—
(1)
(2)
где п - объем выборки, /1 - к-е экспериментальное значение сил, /1 - к-е расчетное значение сил инструмента; /Сред ■ среднее арифметическое значение напряжения текучести по полученным в эксперименте данным.
Второй показатель для оценки качества математической модели представлен формулой (2) и позволяет оценить долю дисперсии, рассчитанную по данным эксперимента, которая может быть предсказана моделью. В соответствии с шкалой Чеддока математическая модель считается высокого качества при R2 равным 0,9 -1,0.
Анализ совпадения расчетных значений силы, определенных с помощью программы QForm, с экспериментальными данными до разрушения (до хода 7 мм) (рис.5), показывает, что средняя абсолютная ошибка меньше 5% (4,56%), и это позволяет утверждать, что найденная математическая модель обеспечивает достаточно высокую точность прогнозирования силовых параметров процесса.
Выводы:
1. С целью математического моделирования процесса формообразования заготовок из порошкового алюминиевого сплава RS-356 была найдена реологическая модель материала, в качестве прототипа которой была выбрана эмпирическая модель Хензеля-Шпиттеля.
2. Моделирование процесса деформирования, осуществляемого за два перехода, причем на первом переходе выполняли сжатие каждого из двух образцов отдельно нагретыми в печи до температуры 250°С между плоскими плитами до высоты 5,35 мм без вращения пуансона, а перед повторной деформацией собирался пакет из двух осаженных заготовок, который нагревали до температуры 350 °С и выполнили сжатие пакета с кручением с осевой скоростью 1 мм/сек и частотой вращения 12 об/мин до толщины 2,0 мм, позволило установить, что температура в крае заготовок падает ниже 102°С в конце первого и ниже 128°С в конце второго переходов, что могло приводить к образованию трещин в периферийной части после каждого перехода.
3. Выполненный на базе данных, полученных путем математического моделирования и натурного эксперимента, комплексный анализ энергосиловых параметров процесса формообразования гибридных заготовок, позволил установить совпадение значений силы со средней абсолютной ошибкой меньше 5% (4,56%), и это позволяет утверждать, что найденная математическая модель обеспечивает достаточно высокую точность прогнозирования силовых параметров процесса и возможность трещинообразования в периферийной зоне.
Список литературы
1. Xiao Rongshi, Zhang Xinyi. Problems and issues in laser beam welding of aluminum-lithium alloys // Journal of Manufacturing Processes, 16 (2), 2014. P. 166-175.
2. Kashaev N., Ventzke V., Qam G. Prospects of laser beam welding and friction stir welding processes for aluminum airframe structural applications // Journal of Manufacturing Processes, 36. 2018. P. 571-600.
3. Slobodyan M., Resistance, electron- and laser-beam welding of zirconium alloys for nuclear applications: A review. // Nuclear Engineering and Technology, 2021.
4. Kang Zhou, Ping Yao. Overview of recent advances of process analysis and quality control in resistance spot welding // Mechanical Systems and Signal Processing, 124 (1). 2019. P. 170-198.
5. Singh V.P., Patel S.K., Ranjan A., Kuriachen B. Recent research progress in solid state friction-stir welding of aluminium-magnesium alloys: a critical review. // Journal of Materials Research and Technology, 9(3). 2020. P. 6217-6256.
6. Fengxiang Xu, Guangyong Sun, Guangyao Li, Qing Li, Experimental investigation on high strength steel (HSS) tailor-welded blanks (TWBs), Journal of Materials Processing Technology 214, 2014. P. 925-935.
7. Петров П.А., Бурлаков И.А., Нгуен Хань Тоан. Перспективы применения гибридных заготовок в машиностроении. Технология металлов, № 8, 2021. С. 10-23.
8. Власов А.В., Стебунов С.А., Евсюков С.А. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки. Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 383 с.
9. Во Фан Тхань Дат, Петров П.А., Бурлаков И.А. Получение реологических моделей алюминиевого сплава RS-356 при различных режимах деформации // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. № 3. С. 78-88.
10. Во Фан Тхань Дат, Петров П.А., Бурлаков И.А., Нгуен Хань Тоан. Получение гибридных заготовок из порошкового алюминиевого сплава RS-356 осадкой с кручением // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 12. С.621-625.
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, petrov_p@,mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Бурлаков Игорь Андреевич, д-р техн. наук., профессор, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Во Фан Тхань Дат, аспирант, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
RESEARCH OF ENERGY-FORCE PARAMETERS IN THE PROCESS OF FORMING HYBRID BLANKS FROM POWDER ALUMINUM ALLOY RS-356 BY DISTURBANCE WITH TORSION
P.A. Petrov, I.A. Burlakov, Vo Phan Thanh Dat
The article focuses on researching energy-force parameters, including the forces involved in the process of forming hybrid blanks from powdered aluminum alloy RS-356 using the method of disturbance with torsion. The results of the forming process simulation conducted with the Qform software are presented, along with a comparison of calculated force
values with experimental results. The obtained data allow for the assessment of the degree of agreement between calculated and experimental results, which is crucial for optimizing the technological processes ofproducing hybrid blanks from powdered aluminum alloy RS-356 using the disturbance with torsion method.
Key words: aluminum alloy RS-356, hybrid blanks, disturbance with torsion, energy-force parameters, forces of disturbance.
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petrov_p@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Burlakov Igor Andreevich, doctor of technical sciences, professor, i. burlakov@uecrus. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Vo Phan Thanh Dat, postgraduate, vodat2996@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
