Исследование возможности моделирования формоизменения при тиксоштамповке в программном комплексе QForm Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.7.04

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ТИКСОШТАМПОВКЕ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ОРогт

И.М. Койдан, аспирант, С.А. Евсюков, докт. техн. наук (МГТУим. Н.Э. Баумана, e-mail: kim0886@mail.ru)

Показана возможность моделирования процесса деформирования алюминиевого сплава А357 (AlSi7Mg0,6), находящегося в твердожидком состоянии, в программном комплексе QForm. Реологическая модель твердожидкого материала задавалась в виде набора табличных и графических данных (кривых) сопротивления деформации, экспериментально полученных при осадке образцов в твердо-жидком состоянии. Проведено сравнение результатов моделирования в программных комплексах Flow3D и QForm.

Ключевые слова: тиксоштамповка, твердожидкое деформирование, реологическая модель, моделирование.

Investigation of the Possibility of Numerical Simulation of Thixoforming using QForm Software Package. I.M. Koidan, S.A. Yevsukov.

The possibility of numerical simulation of A357 aluminium alloy (AlSi7Mg0.6) thixoforming using the QForm software package is shown. A rheological model for semisolid materials was assigned as a set of tabulated data and stress-strain curves obtained experimentally during upsetting of semi-solid samples. The results of the simulation performed using Flow3D and QForm software packages were compared.

Key words: thixoforming, semi-solid forming, rheological model, numerical simulation.

Большинство имеющихся на сегодняшний день программ моделирования процессов ОМД и литья ориентированы на описание формоизменения однофазных сплавов. В то же время, как известно, металл в твердожидком состоянии представляет собой двухфазную суспензию, где твердые частицы первично кристаллизовавшейся фазы распределены в эвтектической фазе с более низкой температурой плавления. Специфика моделирования тиксотехнологий такова, что при содержании твердой фазы в заготовке до 40-60 % поведение металла во время деформирования целесообразно рассматривать как механику течения вязкой жидкости. С увеличением содержания твердой фазы при описании течения металла уже следует учитывать законы из области механики твердого тела [1]. При этом в процессе формоизменения твердожидкой

заготовки происходит постепенный переход жидкой фазовой составляющей заготовки в твердое состояние. То есть соотношение твердой и жидкой фазы в заготовке изменяется в каждый момент времени. Кроме того, следует учитывать, что в процессе деформирования часть заготовки находится в твердо-жидком состоянии, тогда как другая ее часть вследствие соприкосновения со штамповой оснасткой и подстывания может находиться в твердом состоянии.

Учет этих факторов при моделировании процессов тиксоштамповки в современных общеизвестных программных комплексах является нетривиальной задачей и детально на настоящий момент не разработан.

Для описания течения материала под воздействием внешней нагрузки используется его реологическая модель. Последняя может

-Ф-

-Ф-

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

представлять собой математическую зависимость, описывающую изменение свойств материала (вязкость, сопротивление деформации) в зависимости от изменения внешних условий - степень деформации, температура заготовки, скорость деформации. В программных комплексах она может задаваться либо непосредственно математической зависимостью, например, формулой Хензеля-Шпит-теля [2], либо набором табличных данных с дальнейшей их аппроксимацией встроенными алгоритмами программы.

Как правило, способ описания материала посредством изменения вязкости используется в программах моделирования течения жидкостей, тогда как в программах моделирования формоизменения твердых тел под воздействием внешних сил задействована модель, описывающая изменения сопротивления деформации.

Получить математическую зависимость, описывающую поведение двухфазной металлической суспензии и учитывающую как свойства вязкой жидкости, так и твердого тела, представляется затруднительным. Поэтому с целью проведения моделирования процессов тиксоштамповки был выбран способ описания твердожидкого материала посредством набора табличных данных о величине сопротивления деформации в зависимости от степени деформации при различных скоростях деформации и температуре деформирования, которые возможно определить опытным путем.

Для получения таких данных был проведен ряд физических экспериментов по осадке цилиндрических алюминиевых образцов с глобулярной структурой в твердожидком состоянии. Эксперименты проводили на специализированном оборудовании Gleeble-3800 фирмы Dynamic Systems, Inc., США, в Институте обработки давлением Штутгартского университета, Германия (Institut für Umformtechnik (IFU) Universität Stuttgart) в рамках программы международного сотрудничества по совместной программе Министерства образования и науки РФ и Германской службы академических обменов (DAAD).

В экспериментах использовался алюминиевый литейный сплав А357 (AlSi7Mg0,6).

В результате проведенных экспериментов и последующего анализа результатов были получены зависимости, описывающие реологию твердожидкого материала в процессе деформирования при температурах 575, 577, 580 °С. Температурный интервал 575-580 °С представляет собой нижнюю половину температурного интервала тиксоштамповки для сплава А357. При температурах выше 580 °С заготовка практически расплавлялась и теряла форму до начала осадки. Таким образом, можно говорить о возможности моделирования такого технологического процесса, как тиксоштамповка, когда доля твердой фазы составляет не ниже 60 %.

Полученные кривые сопротивления деформации при температурах 575, 577, 580 °С и скоростях деформации 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 1/с заносились в программу ОРогт [3] в табличном виде .

Для проверки адекватности полученной реологической модели алюминиевого сплава А357 в твердожидком состоянии было проведено сравнение результатов моделирования в программном комплексе ОРогт с результатами исследований, проведенных в Институте обработки давлением Штутгартского университета на примере получения осесиммет-ричной пустотелой заготовки [4] (рис. 1).

Моделирование в программном комплексе Flow3D [5] проводилось посредством задания свойств вязкости неньютоновской жидкости, величина которой изменяется в зависимости от скорости деформации и температуры деформирования.

Результаты физического эксперимента и математического моделирования в Flow3D и ОРогт показали сходный характер течения металла в состоянии твердожидкой суспензии. Вместе с тем следует обратить внимание на возможность формирования зажима в поковке и дальнейшее его распространение в процессе течения металла в штампе (рис. 1, а, области 1,2). Как видно из результатов моделирования, ОРогт четко отражает образование такого зажима (рис. 1, в, области 1, 2), тогда как результаты моделирования в Flow3D не указывают на возможность его образования. Зажим в поковке в области 1 на рис. 1 образуется вследствие подстывания металла

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 1. Сравнение хода заполнения штампа по результатам экспериментов (а) и моделирования в программных комплексах Р!оуг3й (б) и ОРогт с использованием полученной реологической модели (в)

-Ф-

Рис. 2. Сравнение результатов моделирования в программна комплексах Р1оуу3й (а) и ОРогт (б, в)

при его соприкосновении с более холодной штамповой оснасткой. При этом часть металла перестает вести себя как вязкая жидкость и переходит в твердое состояние, для которого характерна возможность формирования зажимов. Моделирование в Flow3D, описывающего материал как вязкую суспензию, не учитывает свойства твердого тела, в том числе при остывании заготовки до температуры ниже линии солидус.

Для более подробного анализа возможности использования полученной реологической модели с целью моделирования процессовтиксо-штамповки в программном комплексе QForm было выполнено моделирование процесса штамповки заготовки в твердожидком состоянии в QForm и Flow3D. Кроме того, для наглядности сравнения проведено моделирование процесса деформирования твердого алюминиевого сплава в QForm. Выбранная геометрия поковки позволила сравнить геометрию фронта течения свободной поверхности металла на различных стадиях заполнения полости штампа .

Параметры реологической модели материала в Flow3D задавались в соответствии с практическим опытом использования данной программы в Институте обработки давлением Штутгартского университета. Реологическая модель твердожидкого материала в QForm задавалась в виде табличных данных, характеризующих изменение величины сопротивления деформации

-Ф-

-Ф-

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

по ходу деформирования при различных условиях.

Результаты моделирования представлены на рис. 2, на котором показано моделирование в программном комплексе Flow3D (рис. 2, а), моделирование твердожидкого материала в программном комплексе ОРогт с использованием полученной реологической модели (рис. 2, б) и моделирование пластического формоизменения металлического сплава в твердом состоянии в программном комплексе ОРогт с использованием материала из базы данных программы (рис. 2, в).

При анализе результатов моделирования следует обратить внимание на области 1 и 2 на рис. 2. Характерная кривизна фронта течения, соответствующая твердожидкому состоянию металлического сплава, наблюдается в области заполнения цилиндрической полости нижнего штампа (рис. 2, а, б, область 1). При этом для твердого состояния сплава кривизна фронта течения в этой области крайне незначительна (рис. 2, в, область 1). Сходства в результатах моделирования в Flow3D и ОРогт с использованием реологической модели твердожидкого металла заметны в момент выдавливания металла в кольцевую полость нижнего штампа (рис. 2, область 2). Моделирование в ОРогт в двух вариантах показывает формирование зажима в поковке в месте ее подстывания до температуры твердого состояния (рис. 2, б, в, область 3) аналогично случаю, представленному на рис. 1.

Как видно из рис. 2, результаты моделирования процесса тиксоштамповки в ОРогт с

использованием полученной реологической модели имеют аналогию с результатами моделирования в Flow3D в области фронта течения свободной поверхности металла, где температура заготовки соответствует твердожидкому состоянию. В то же время в областях соприкосновения металла со штамповой оснасткой, где температура заготовки опускается ниже температуры твердожидкого состояния, результаты моделирования отражают признаки, характерные для пластического деформирования твердой заготовки.

Заключение

Анализируя представленные результаты исследования, можно заключить, что реологическая модель твердожидкого сплава позволяет адекватно отражать изменение характера течения твердожидкой суспензии при моделировании процесса тиксоштамповки алюминиевых сплавов типа А357 в ОРогт при условии нахождения основного объема деформируемого металла в диапазоне температур от 575 до 580 °С на всем протяжении процесса формоизменения. При дополнении модели данными об изменении величины сопротивления деформации в зависимости от степени деформации при различных скоростях деформации и температурах, соответствующих нахождению сплава А357 в твердом состоянии, возможно получать верные результаты моделирования и при переходе части заготовки в твердое состояние, что подтверждено экспериментально (см. рис. 2, в).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Behrens B.-A., Matthias T. Numerische Abbildung der Formgebung von Aluminium im teilflUssigen Zustand, UTF Science, 4/2009, S. 1-9, Meisenbach Verlag, Bamberg, Dezember 2009.

2. Хензель А., ШпиттельТ. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением: справ. изд. / Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1982. - 360 с.

3. Официальный сайт разработчика ПО QForm, компании ООО «КванторФорм»: www.qform3d.ru.

4. Meßmer G. Simulation des Thixoschmiedens. Diplomarbeit im Fach Umformtechnik, Institut fur Umformtechnik, Universitat Stuttgart.

5. Официальный сайт разработчика ПО Flow3D, компании Flow Science: www.flow3d.ru.