CC BY
17
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.73
В.Ч. Бач
Аспирант
Московский политехнический университет, г. Москва, РФ
E-mail: hvktbach@gmail.com
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАДКИ С КРУЧЕНИЕМ И БЕЗ КРУЧЕНИЯ
ЗАГОТОВКИ ТИТАНА ВТ1-0
Аннотация
Представлено моделирование процесса осадки с кручением заготовкой ВТ1-0 в программе Deform 10.2. Результаты моделирования процесса позволили определить рациональные технологические параметры процесса и оценить устойчивость типов заготовок при деформации с целью получения качественной заготовки. Исследованы особенности процесса деформации заготовок осадкой с кручением, в зависимости от физических характеристик материала, технологических параметров процесса и типов оборудования. Полученные результаты могут быть использованы для решения технологических проблем и направленны улучшение производственных процессов и повышение уровня производства и качества заготовок, и снижение себестоимости изделий.
Ключевые слова:
Титан ВТ1-0, микроструктура, отжиг, результаты моделирования процесса, осадка с кручением, напряженное состояние, испытание на растяжение, повышение прочности, Deform 10.2.
Метод осадки с кручением является одним из методов снижения массы деталей за счет повышения прочностных характеристик материала деталей, изготавливаемых из титана ВТ1-0, путем формирования в нем ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры [1]. Поэтому необходимо решить актуальную задачу, которая заключается в повышении эффективности технологии осадки с кручением заготовки. Численные методы являются одним из наиболее эффективных методов оптимизации технологии изготовления заготовок металлей осадкой с кручением. Применение математического моделирования процессов осадки с кручением способствует успешному решению производственных задач, связанных с сокращением расходов на освоение новых технологий, техническим усовершенствованием производства и оптимизацией геометрических параметров рабочего инструмента и заготовок.
Исследование заключалось в изучении напряженно-деформированного состояния состояния заготовок при осадке с кручением и без кручения путем применением метода конечных элементов и анализа течения металла программой Deform 10.2. При моделировании и экспериментальных работах учитывались следующие факторы: геометрические параметры инструмента и заготовки, технологические параметры осадки и осадки с кручением (температура деформации, скорость деформирования, коэффициент трения между заготовкой и инструментом, величина хода осадки, физико-механические характеристики материала заготовки). Решение задачи пластического деформирования при осадке с кручением и без кручения заготовки основывается на уравнениях, полученных на основе принципа минимума полной потенциальной энергии для системы перемещений, реализуемой в деформированной заготовке, с учетом граничных условий на ее поверхности [3, 4, 7].
В модели учтена полная система дифференциальных уравнений теории пластичности [3-7]:
= 0, (1)
41=^, (2)
Т = Т (Г), О = о(е) (3)
где: Gi,j, £¡,1 - компоненты тензора напряжений и деформаций соответственно;
Ui,j - компоненты вектора перемещений; s
Т - интенсивность касательных напряжений;
Г - интенсивность деформаций сдвига.
Для решения нашей задачи был использован метода конечных элементов, позволяющий решить систему уравнения (1) - (3) с учетом граничных условий в перемещениях и напряжениях на соответствующих поверхностях. Модельным материалом в нашем случае является титан ВТ1-0. В расчете использовали следующие свойства:
- Модуль упругости - Е = 110250 МПа;
- Предел текучести - 810 МПа;
- Коэффициент Пуассона - 0,32;
- Плотность = 4500 кг/м3;
- Температура плавления: 16600 С;
- Исходные заготовки имели диаметр 30 мм и высоту 10 мм (рис 1). 1. Моделирование процесса осадки без кручения и с кручением
При моделировании процесса осадки без кручения исходными данными являлись:
1. Температура инструмента до 300° С;
2. Температура заготовки до 3000 С;
3. Скорость перемещения пуансона - 1 мм/сек;
4. Материал инструмента - 5ХНМ.
Рисунок 1 - Модель осадки с кручением
Моделирование процесса осадки без кручения показано, что интенсивность деформаций в очаге аналогична большинству предыдущих исследований и составляет 3.05, интенсивность напряжений - 372 МПа и сила деформации - 2.45 МН. Результаты моделирования процесса представлены на рис 2.
■1490 Min оооо 162 3 23 4 96 647 609
199 Мах Time(sec)
Рисунок 2 - Величина интенсивностей деформаций (а); скорость деформация (б); и напряжений (в) и сила
деформация (г) при осадке без кручения ~ 15 ~
Для моделирования осадки с кручением были использованы исходные данные, как и при осадке без кручения, но добавлено влияние вращения верхнего инструмента и максимальном вращение ползуна - 2 оборота. Осадки с кручением обеспечивала осадку заготовки до толщины 2.3 мм. Интенсивность деформаций составляет - 2.8; скорость деформация - 2.2; а напряжение - 387 МПа и сила деформации -1.62 МН (рис 3, 4).
Strain - Effective (mm/mm)
Strain rate - Effective ((mm/mm)/sec)
Рисунок 3 - Величина интенсивностей деформаций (а); скорость деформация (б)
Рисунок 4 - Величина напряжения (в), сила деформация (г) при осадке с кручением 2. Эксперименты процесса осадки без кручения и с кручением пуансона
Для проверки точности процесса моделирования полученные результаты сравнили с данным проведенных экспериментов по осадке заготовок с размерами, показанными на рис 5, с кручением и без кручения пуансона.
35 тт
10 mm
Рисунок 5 - Образцы титана ВТ1-0 с УМЗ структурой до осадки с кручением
В обоих случаях эксперименты проводили на модернизированном гидравлическом прессе модели ДБ-2432 силой 1,6 МН и скоростью перемещения пуансона - 1 мм/сек при максимальном вращении ползуна 2 оборота (для осадки с кручением); температура заготовки и инструмента составляла 3000 С, после осадки с кручением и без кручения были получены образцы, показанные на рис. 6. Сила осадки с кручением = 1.669 МПа, а при осадке без кручения сила = 2.45 МПа.
а)
б)
Рисунок 6 - Образцы из сплава ВТ1-0 после интенсивной ковки (а) и после интенсивной ковки и осадки с кручением (б)
Сравнение результатов моделирования программой DEFORM процесса осадки с кручением и без кручения заготовок из титана ВТ1-0 с экспериментальными данными показало, что моделирование позволяет получить близкие результаты. Величины, полученные при моделировании, практически совпадают с результатами экспериментальных исследований. Различие по силу между экспериментом и моделированием не превышает 2.94%.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об адекватности разработанных компьютерных моделей и возможности их использования для моделирования процессов осадки с кручением и без кручения. Поэтому моделирование технологического процесса осадки заготовок с кручением инструмента программой DEFORM 10.2 позволяет решать задачи рационального выбора технологических параметров с целью получения качественного изделия. Полученные результаты могут быть полезны предприятиям машиностроительной промышленности, заинтересованным в совершенствовании технологических процессов обработки металлов давлением с целью повышения уровня производства и качества готовых изделий.
Список использованной литературы:
1. Ф.З. Утяшев, Г.И. Рааб. Деформационные методы получения и обработки ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов. Уфа: Гилем, 2013. 375 с.
2. Килов А.С. Обработка материалов давлением в промышленности / Оренбург. гос. ун-т. - Оренбург, 2003. - 266 с.
3. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2001. -836 с.
4. Малинин Н.Н. Технологические задачи пластичности и ползучести. - М.: Высшая школа, 1979. - 119 с.
5. Деформации и напряжения при обработке металлов давлением / П.И. Полухин, В.К. Воронцов, А.Е. Кудрин [и др.]. - М.: Металлургия, 1974. - 336 с.
6. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. - М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.
7. Теория обработки металлов давлением / И.Я. Тарновский, А.А. Поздеев, О.А. Ганаго [и др.]. - М.: Металлургиздат, 1963. - 672 с.
8. Боровик П.В., Усатюк Д.А. Новые подходы к математическому моделированию технологических процессов обработки давлением / Дон. гос. техн. ун-т. - Алчевск, 2011. - 299 с.
9. Д.В. Фук, В.Н. Цеменко, С.В. Ганин. Моделирование процесса осадки порошкового материала в оболочке. Санкт-Петербург. гос. ун-т. - Санкт-Петербург, 2011. - 226 с.
© Бач В.Ч., 2018
