ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ОБЪЕМНОЙ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

_ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ _

Научный редактор раздела докт. техн. наук В.Л. Бережной

УДК 669/01:539.3/6:669.715

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ОБЪЕМНОЙ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В.И. Галкин, докт. техн. наук(galkin@mati.ru), М.Г. Головкина, аспирантка (МАТИ-РГТУим. К.Э. Циолковского, golovkina_mg@mail.ru)

Исследовано влияние параметров процесса деформирования, таких как температура, напряженно-деформированное состояние и скорость охлаждения после формоизменения, на распределение механических свойств по объему изделий из алюминиевых сплавов с использованием разработанной автоматизированной системы прогнозирования механических свойств. Установлено, что данная система дает возможность исследовать свойства изделия после горячей пластической деформации в любой интересующей точке.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы; механические свойства; прогнозирование; математическое моделирование; САЕ-система.

Investigation of the Effect of Hof Die Forging Conditions on Formation of Mechanical Properties of Aluminium Alloy Products. V.I. Galkin, M.G. Golovkina.

The effect of deformation parameters such as temperature, stress-strained state and a cooling rate after forming on distribution of mechanical properties within the volume of an aluminium alloy product has been investigated via the use of the developed computer-aided system for forecasting of mechanical properties. It has been found that the system enables to test properties of the product after hot plastic working at any point in question.

Key words: aluminium alloy; mechanical properties; forecasting; mathematical modeling; CAE system.

На современном этапе развития проектирования технологических процессов ОМД обеспечение точных геометрических параметров изделия не является достаточным. В авиакосмической технике применяются узлы и детали, работающие в сложных эксплуатационных условиях. Характер их работы предусматривает повышенное внимание к уровню и распределению прочностных свойств в материале деталей, входящих в их состав. Сегодня основной задачей в области обработки давлением является разработка научно-обоснованных подходов к прогнозированию зеренной структуры и свойств металлических материа-

лов в процессе их пластического горячего формоизменения.

Важную роль в разработке подобных подходов играет математическое моделирование. Большинство программных продуктов инженерного анализа (CAE-системы) основаны на применении метода конечных элементов (МКЭ), который позволяет получать расчетные результаты с допустимой погрешностью. CAE позволяют моделировать процесс пластического течения металла, рассчитывать в любой точке потока материала и на любой стадии процесса поля напряжений, деформаций, температур и т.п. Однако пользователю

помимо указанных параметров технологического процесса требуется информация о распределении механических и эксплуатационных свойств по объему готового изделия, которые зависят от многих факторов, в том числе от степени деформации, температуры обработки, скорости деформации, природы материала и последующей термообработки. Для ответа на этот вопрос разработана методика, позволяющая совместить определенное в процессе горячей ОМД напряженно-деформированное состояние (НДС), температурно-ско-ростные параметры процесса и распределение механических свойств в объеме изделия.

Она подробно описана в [1, 2]. На основе результатов исследования разработано программное приложение к существующим САЕ-системам - автоматизированная система прогнозирования (АСП), которая позволяет прогнозировать распределение по объему готового изделия следующих его механических свойств: предел прочности, предел текучести и твердость после деформации.

Для оценки возможностей разработанной АСП проводили дополнительные исследования. С этой целью осуществляли математическое моделирование процесса штамповки

050,5

196,4

детали «мембрана» из сплава Д1 (рис. 1, а) и детали «кронштейн» из сплава АМг6 (рис. 1, б).

Конечно-элементное моделирование процесса пластического течения проводили с использованием программного комплекса DEFORM 2D. Напряженно-деформированное состояние (НДС) в процессе изготовления поковки детали «мембрана» изучали при температурах штамповки 380, 450 и 520 °С, детали «кронштейн» - при 350 и 420 °С. Деформация обеих поковок осуществлялась за один переход. Параметры конечно-элементного анализа деформирования для деталей «мембрана» и «кронштейн» приведены в табл. 1 и 2 соответственно. Моделирование включало два

Таблица 1

Параметры конечно-элементной модели процесса штамповки для детали «мембрана» из сплава Д1

Параметр

Материал

Геометрия заготовки (см. рис. 1, а) Температуразаготовки перед штамповкой Температура штампа Скорость штамповки Охлаждение Температура окружающей среды Коэффициент трения

Значение

Д1

Цилиндр 0 55 мм, Н = 50 мм

380 °С

450 °С

520 °С

300 °С 10 мм/с На воздухе 20 °С

0,4

Рис. 1 Чертежи штампуемых деталей «мембрана» (а) и «кронштейн.» (б)

Таблица 2 Параметры конечно-элементной модели процесса штамповки для детали «кронштейн» из сплава АМг6

Параметр Значение

Материал Геометрия заготовки (см. рис. 1, б) Температура заготовки перед штамповкой Температура штампа Скорость штамповки Охлаждение Температура окружающей среды Коэффициент трения АМг6 L = 198 мм, Н = 60 мм 350 °С 420 °С 300 °С 10 мм/с На воздухе 20 °С 0,4

a

Strain — Effective (mm/mm) 5,06

I

i

4,43 3,80 t

3,17

2,54

1,90

1,27

0,643 0,149. 0,0122

I

I

Min

0,0122 5,06 Max

Temperature (C) 462

I

448 435 422 409 396 382 369

356 356 Min

462 Max

Stress - Effective (MPa) 121

106

90,6

_ < ft

75,5 60,4 45,3 30,2 15,2

0,0827 0,0827 121 Max

Min Min

Рис. 2. Распределение накопленной деформации (а), интенсивности напряжений (б) и температур (в) по сечению поковки детали «мембрана». Температура деформирования 380 °С

этапа: непосредственно процесс деформирования и остывание на воздухе с расчетом скорости охлаждения.

В процессе моделирования изучали распределение интенсивностей деформаций, напряжений и полей температур по сечению заготовки (рис. 2). Результаты конечно-элементного анализа дают возможность управлять технологическим процессом, регулируя уро-

Рис. 3. Сетка Лагранжа на конечном шаге деформирования. Температура деформирования 380 °С

вень НДС в деформируемой заготовке, и тем самым заранее определять уровень остаточных напряжений в материале готовой детали.

Максимальные значения накопленной деформации и интенсивности напряжений достигаются в области ободка и облойного мостика, поскольку данные области подвергаются непосредственному контактному влиянию деформирующего инструмента. За счет высоких деформаций происходит интенсивный деформационный разогрев материала штамповки, а разброс температур по сечению составляет более 100°С (см. рис. 2, в).

Пластическое течение металла поковки отслеживали с помощью сетки Лагранжа (рис. 3). Определено, что если зона интенсивной деформации локализуется

О 763

Г~1 lfs.i ва И

□ 1Щ56Е Г1 1KL755

□ 1S&SM

О эаоч Ш яик

□ 21В.Ы1

П 7

[щт ZI 2.Л

ISfi

Uvcwvi '<

□ Ж.9

□ 2п.т

I I

□

П 2& A44

О №.ЭЙ

0 jiejse Ш »177 □ злдзг

1 I MJ

338.461 >. -

Рис. 4. Результаты прогнозирования механических свойств поковки детали «мембрана». Температура деформирования 380 °С:

а - твердость; б - предел текучести; в - предел прочности

в области облойного мостика и внутреннего контура ободка, то центральная часть поковки деформируется слабо и неравномерно. Неравномерности деформационной проработки и температурных полей оказывают влияние на характер распределения механических свойств. Максимальные их значения ожидаются в областях с наилучшей проработкой структуры и максимальной скоростью охлаждения после деформации.

Данные конечно-элементного моделирования импортировались в АСП для прогнозирования механических свойств, результаты чего предоставлены на рис. 4: поля распределения предела текучести, предела прочности и твердости по сечению штамповки.

Как и ожидалось, максимальные механические свойства достигнуты в зонах ободка и облойного мостика ввиду интенсивной проработки структуры в этих областях. Рекрис-таллизационные процессы в этих зонах не успевают пройти полностью из-за высокой скорости охлаждения, поэтому уровень механических свойств достаточно высок.

В центральной части поковки прочностные показатели невысокие из-за малой проработки структуры и более медленного охлаждения с протеканием процесса разупрочнения.

Аналогичным образом проведены исследования свойств «мембраны» для температур деформации 450 и 520 °С.

Для исследования свойств сплава АМг6 во время деформирования проводилось моделирование процесса штамповки детали «кронштейн» (см. рис. 1, б) с установлением характерной для ее сечения неоднородности деформационной проработки. Максимальные деформации (рис. 5) достигаются на послед-

нем этапе формоизменения в области тонкой перемычки в результате выдавливания избыточного металла в облой.

Деформированная сетка Лагранжа (рис. 6) показывает характер течения металла и области с наиболее интенсивной проработкой структуры. Примыкающие к нижнему штампу слои металла деформируются сравнительно меньше и быстро остывают (рис. 7). Остывание контактных поверхностей увеличивает сопротивление деформации данных слоев, что приводит к еще большей ее неравномерности по сечению поковки с локализацией максимумов в контактирующих с пуансоном верхних слоях поковки.

Strain — Effective (mm/mm) 5,75 5,06 4,36 3,66 2,97 2,27 1,57 0,876 0,179

0,179 Min 5,75 Max

I

Рис. 5. Распределение деформаций по сечению поковки детали «кронштейн» на последнем шаге формообразования. Температура деформирования 420 °С

Рис. 6. Сетка Лагранжа на последнем шаге деформирования

a

I

I

ТешрегаШге (С) 480

472

463

455

447

""" 438

430

421 Г]

413

413 Мт 480 Мах

Рис. 7. Распределение температуры по сечению поковки детали «кронштейн» на конечной стадии формообразования.

Температура деформирования 420 °С

Температура поверхностных слоев заготовки, контактирующих с нижним штампом, находится в диапазоне 410-420 °С; температура областей, подвергающихся максимальному деформационному разогреву, составляет 470-480 °С. Таким образом, градиент температур по сечению поковки достигает 60 °С (см. рис. 7).

Для прогнозирования механических свойств данные из САЕ-системы импортировались в АСП. На рис. 8 приведены результаты прогнозирования прочностных свойств.

Максимальные показатели механических характеристик достигаются в зоне тонкой перемычки и облойного мостика. Материал в центральной зоне имеет более низкий уровень прочностных свойств из-за малой проработки структуры и более медленного охлаждения после формоизменения.

Аналогичным образом проведены исследования поковки детали «кронштейн», полученной при температуре штамповки 350 °С.

Данные точности полученных результатов анализировали при сравнении эксперимента и прогноза. С этой целью изготовлены поковки деталей «мембрана» и «кронштейн» из сплавов Д1 и АМг6 соответственно (рис. 9). Условия деформирования соответствовали проведенному конечно-элементному моделированию. Замеры твердости по Бринелю осуществлялись в точках, указанных на рис. 10.

Выбранные точки соответствуют полученным результатам моделирования и относятся к областям с различной величиной накопленной деформации.

Сравнение результатов, полученных по методике прогнозирования, с экспериментальными данными замера твердости показывают

Пр. текучести (п| Г~1 187.6 □ 1+ Г~! 152.177 I I 166.46« 166.766 I I 174.044

■ 161,333

■ 163.622 196.311

I I 203.2

Среднее: 191.53

Минимум. 137.6 Максимум: 203.2

Рис. 8. Результаты прогнозирования механических свойств поковки детали «кронштейн.». Температура деформирования 420 °С:

а - твердость; б - предел текучести; в - предел V..»- прочности

в

достаточно хорошее их соответствие друг другу (табл. 3, 4). Зоны значительной проработки структуры расположены в одних и тех же частях поковки.

Заключение

Разработанные методика и автоматизированная система прогнозирования свойств позволяют оценивать изменение прочностных свойств в изделии после горячей объемной штамповки с учетом временного фактора протекания процессов рекристаллизации. Автоматизированная система предназначена для прогнозирования твердости, предела прочности и текучести для штампуемых алюминиевых деталей. Расчет осуществляется по результатам конечно-элементного анализа из CAE-системы и дает возможность исследовать свойства материала в любой интересующей точке формоизменения. На практике это позволяет получать штампуемые детали ответственного назначения с заданным комплексом эксплуатационных свойств материала изделия. Методика может быть использована для разработки систем прогнозирования механических, эксплуатационных и функциональных характеристик изделий из различных металлов и сплавов, получаемых другими методами ОМД, с учетом достигаемых максимальных деформаций и температурных перепадов по сечению потока материала.

Рис. 9. Экспериментальные поковки деталей «мембрана» (а) и «кронштейн» (б)

Рис. 10. Расположение точек замера твердости по Бринелю деталей «мембрана» (а) и «кронштейн» (б)

Таблица 3 Результаты прогнозируемых и опытных свойств поковки детали «мембрана» из сплава Д1

Номер точки 380 °С Отклонение, % 450 °С Отклонение, % 520 °С Отклонение, %

Прогноз Опыт Прогноз Опыт Прогноз Опыт

1 75,8 72,3 4,6 75,5 72,5 3,9 75,1 71,7 4,5

2 76,7 74,3 3,1 77,3 75,4 2,5 79,6 77,5 2,6

3 73,6 71,1 3,4 76,7 73,1 4,7 77,6 72,7 6,3

4 71,8 70,6 1,7 74,8 71,8 4,0 74,4 70,5 5,2

Таблица 4

Результаты прогнозируемых и опытных свойств поковки детали «кронштейн» из сплава АМг6

Номер точки 350 °С Отклонение, % 420 °С Отклонение, %

Прогноз Опыт Прогноз Опыт

1 97,6 96,3 1,3 96,4 95,5 0,9

2 93,5 92,2 1,4 91,2 91,5 0,3

3 92,7 92,0 0,8 91,5 91,2 0,3

4 87,4 90,3 3,3 87,1 88,2 1,3

1. Галкин В.И., Палтиевич А.Р., Головкина М.Г.

Прогнозирование структурного состояния и механических свойств изделий из алюминиевых сплавов с использованием компьютерного моделирования // Авиационная промышленность. 2015. № 1. С. 48-55.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2

Галкин В.И., Палтиевич А.Р., Дорофеева М.Г.

Исследование возможности прогнозирования методами конечно-элементного анализа структуры и свойств алюминиевых изделий, полученных процессами горячей пластической деформации // Технология легких сплавов. 2013. № 3. С. 12-20.