CC BY
16
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.Л. Бережной
УДК 669.017
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАДИАЛЬНО-СДВИГОВОЙ ПРОКАТКИ ПРУТКОВ ИЗ СПЛАВА Т1-6Д1-4У С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСА РЕРОРМ-ЗР
Е.А. Харитонов, канд. техн. наук (e-mail: [email protected]), П.Л. Алексеев, А.С. Хамраев (НИТУМИСиС), С.А. Усталов, М.Г. Петрень (ОАО Корпорация «ВСМПО-АВИСМА»)
Построена конечно-элементная модель процесса радиально-сдвиговой прокатки прутков из сплава Ti-6Al-4V с помощью комплекса Deform-3D и исследовано напряженно-деформированное и тепловое состояние металла в объеме заготовки. Определены параметры задачи в Deform-3D, обеспечивающие адекватность моделирования и требуемую точность результатов. Показано, что устойчивое решение задачи достигается при количестве конечных элементов не менее 130000 и значении фактора трения, равном 0,99. Получено поле деформации в объеме заготовки, отображающее глубину интенсивной проработки металла до половины радиуса, что соответствует теоретическим и экспериментальным данным.
Ключевые слова: метод конечных элементов, радиально - сдвиговая прокатка, титановые сплавы, Deform-3D.
On Features of Modeling of Radial-Shear Rolling of Ti-6Al-4V Alloy Rods Using Deform-3D Software Complex. Ye.A. Kharitonov, P.L. Alexeyev, A.S. Khamrayev, S.A. Us-talov, M.G. Petren.
A finite element model of the radial-shear rolling of Ti-6Al-4V alloy rods using De-form-3D complex has been formed and stress-strained condition and thermal state of workpiece metal have been investigated. The problem parameters in the Deform-3D, to ensure the adequacy of the simulation and the desired accuracy of the results, have been defined. It is shown that stability of the solution is achieved when the number of finite elements is at least 130,000 and the friction factor value is equal to 0,99. A strain field in the workpiece, showing the depth of active deformation to half the radius of the metal has been obtained, this corresponds to the theoretical and experimental data.
Key words: finite element method, radial-shear rolling, titanium alloys, Deform-3D.
Одним из перспективных способов изучения и рационализации процессов обработки давлением в настоящее время является трехмерное моделирование с помощью конечно-элементных программных комплексов, таких как ОеЮгт-Зй. Большинство исследований посвящено процессам с простой кинематикой движения инструмента и заготовки, а процессы винтовой прокатки изучены в меньшей степени и преимущественно для черных металлов [1, 2]. Моделирование прокатки титановых сплавов является более
сложной задачей из-за большей склонности их к уширению, что вызывает повышенные требования к точности определения формы заготовки в межвалковых зазорах и условий трения. При недостаточной точности процесс моделирования становится неустойчивым из-за лавинообразного накопления погрешностей с каждым циклом обжатия.
Цель работы - построение модели и изучение энергосиловых параметров (ЭСП) и напряженно-деформированного состояния (НДС) металла при радиально-сдвиговой
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
прокатке (РСП) прутков из сплава Ti-6Al-4V с помощью комплекса Deform-3D.
Для построения модели РСП были разработаны объекты моделирования в среде SolidWorks - рабочие валки черновой клети стана СРВП-130 ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» с различными исполнениями калибровки. Остальные объекты такие, как заготовка, проводки и толкатель, были спроектированы непосредственно в программном комплексе Deform-3D.
Для ускорения расчета было принято решение смоделировать процесс прокатки для короткого прутка (300 мм).
Для повышения точности расчета было создано достаточно большое количество элементов сетки - 134855. В программном комплексе DEFORM есть возможность выбора типа сетки: абсолютная и относительная. При формировании абсолютной сетки задается размер минимального элемента и коэффициент отношения между минимальным и максимальным элементом , соответственно программа сама рассчитывает итоговое количество элементов. Такой тип сетки удобен для проектирования, так как, зная размеры рабочего инструмента, можно с легкостью рассчитать необходимый размер минимального элемента исходя из рекомендованного отношения 3:1. Относительная же сетка задается через общее количество элементов, и программа сама высчитывает размер элементов. Такой тип сетки удобен для предварительных расчетов, если задать небольшое количество элементов.
Итоговые параметры эксперимента по моделированию РСП представлены в табл. 1.
Моделированию подвергается реальный маршрут прокатки, состоящий из 9 проходов в черновой клети в реверсивном режиме.
Время технологических пауз было принято равным и составило 10 с. Среднее время передачи заготовки от печи до входа в черновую клеть составляло 30 с. Общее время расчета данной модели - порядка 500 ч.
Проверка адекватности моделирования процесса РСП показала, что расчет максимально приближен к реальному. Заготовка захватывается валками и совершает поступательно-вращательное движение, проходя очаг деформации с заданным обжатием. Отпечатки контактных поверхностей схожи по форме и
по размерам с реальными. На заготовке после прохода остаются характерные винтовые линии, образуются утяжины, как и в реальном процессе РСП. Все вышеперечисленные параметры общей сходимости можно наблюдать на рис. 1.
Таблица 1
Параметры моделирования
Заготовка
Материал Ti-6Al-4V
Размеры, мм 155 х 300
Температура, °С 950
Степень черноты 0,5
Сетка Абсолютная
Минимальный размер элемента, мм 2
Коэффициент отношения 2,7
Количество элементов 134855
Валки
Угол подачи, град. 18
Угол раскатки, град. 10
Скорость вращения, об/мин 40
Температура, °С 20
Толкатель
Скорость, мм/с 100
Общие
Фактор трения между валками 0,99
и заготовкой
Теплообмен между валками 3000
и заготовкой, кВт/(м2 • с)
Теплообмен между средой 10
и заготовкой, кВт/(м2 • с)
Температура окружающей среды, °С 20
Шаг расчета, с 0,001
Общее число шагов расчета 30000
Рис. 1. Общий вид заготовки:
1 - утяжина; 2 - винтовые линии; 3 - отпечатки контактных поверхностей
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Из анализа табл. 2 следует, что произведенный расчет расположения оборудования верен и каждый проход происходит с задан -ным обжатием с допустимой погрешностью.
Проверку адекватности результатов моделирования проводили и по энергосиловым параметрам (ЭСП), а именно по показателю усилия и крутящего момента.
На рис. 2 представлен график усилия от времени для верхнего валка в направлении оси Z с наложенной экспериментальной кривой среднего значения усилия по проходам для калибровки ВСМПО.
Из рис. 2 видно, что данные показатели не превышают предельно допустимых значений по техническим характеристикам стана СРВП-130 и одного порядка с экспериментальными данными, рассчитанными через регистрируемые во время прокатки значениями тока электродвигателей главных приводов.
Таблица 2
Сравнение модельных и расчетных значений диаметров проката
Диаметр, мм Относительная погрешность, %
фактический расчетный
152,44 151,00 0,95
147,57 146,00 1,08
141,22 140,00 0,87
135,13 133,00 1,60
125,88 125,00 0,70
118,63 117,00 1,39
109,76 109,00 0,70
102,84 101,00 1,82
93,63 93,00 0,67
572
457
343
£ 229 114
90 120
Время, с
180
Рис. 2. График усилия от времени для верхнего валка в направлении оси Z для калибровки ВСМПО
Для чашевидной схемы (прямой проход) значения ЭСП больше, чем для грибовидной (обратный проход), что объясняется осевым подпором и натяжением при реализации различных схем прокатки. Осевой подпор создается благодаря уменьшению диаметра валков по ходу прокатки, то есть уменьшением окружной скорости, тем самым заставляя металл затекать в тангенциальном направлении и увеличивая площадь контактной поверхности металла с валком. Обратная картина -осевое натяжение - наблюдается при реализации грибовидной схемы: увеличивающийся диаметр валков по ходу прокатки вызывает увеличение окружной скорости и тем самым вытягивает металл в осевом направлении, уменьшая площадь контактной поверхности. Контактная площадь напрямую влияет на значения ЭСП, что и отражается на экспериментальных кривых.
На рис. 3 показаны эффективные (накопленные) деформации по Мизесу по проходам для калибровки ВСМПО в поперечных сечениях. Шкала для каждого прохода выбрана индивидуальной с учетом максимально возможного обжатия за проход. Как видно на рис. 3, с каждым проходом увеличивается деформация и глубина ее проникновения внутрь заготовки, что соответствует теоретическим и экспериментальным данным. Количественные характеристики совпадают с заданным обжатием, что также доказывает, во-первых, правильность расчета расположения рабочих валков, а во-вторых, сходимость модели с реальным процессом.
Важным критерием является равномерное распределение деформаций за проход, что отражается в виде преобладающего цвета на заготовке.
Результаты измерений и моделирования ЭСП согласуются между собой качественно, однако есть количественные различия, особенно в последних проходах. Отклонение объясняется неполным соответствием реологических характеристик модели сплава в ОеЮгт-ЗО свойствам реального материала. Разброс значений связан с нарастающим отклонением от идеального процесса вследствие накопления погрешностей при многократном обжатии. Так как в процессе РСП относительно велика свободная поверхность очага деформации (менее 20 % поверхности
-Ф-
W-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 3. Распределение деформации по сечениям заготовки по проходам для калибровки ВСМПО
очага в контакте с инструментом), то величина деформации на каждом последующем этапе обжатия сильно зависит от геометрии заготовки на предыдущем этапе. В результате, для получения стабильной погрешности моделирования не более 25 % при 9 проходах необходимо знать свойства материала и условия трения с точностью 0,5 %, что крайне затруднительно. Кроме того, этот производственный процесс также не позволяет и не требует обеспечивать такое постоянство технологических параметров. Поэтому достигнутое соответствие результатов моделирования ЭСП с отклонением не более 50 % при среднем значении 10 % следует считать приемлемым и позволяющим адекватно сравнивать различные технологические схемы. В случае необходимости большей точности значений силы и момента прокатки следует, прежде всего, обращать внимание на более точное задание свойств материала в
ОеТогт-ЭО и, особенно, условий трения. В то же время точность моделирования геометрических размеров достигается очень высокой со средней погрешностью 1 %.
Вывод
Модель радиально-сдвиговой прокатки с предложенными параметрами позволяет получать точность моделирования деформации заготовки из сплава Т1-6Д!-4У с погрешностью значений энергосиловых параметров 10-50 %* и геометрических размеров не более 1 % по сравнению с опытными данными.
* Примечание научного редактора. Этот результат достоверно отражает известные оценки определения с помощью FEM энергосиловых параметров ОМД. Но погрешность можно снизить, например, введением поправочных коэффициентов, полученных с использованием полезных рекомендаций авторов данной статьи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Романцев Б.А., Скрипаленко М.Н. и др. Моделирование процесса прошивки трубных заготовок в трехвалковом стане вращающейся оправкой с помощью Ое^гт-ЗО // http://www.tesis.com.ru/ infocenteг/down!oads/defoгm/defoгm_es13-misis-tesis.pdf. Дата доступа 10.12.2014.
2. Восканьянц А.А., Иванов А.В. Моделирование процесса поперечно-винтовой прокатки на основе эйлерова описания движения сплошной среды // Электронное научно-техническое издание «Наука и образование». 2009. № 1. http://tech-nomag.edu.ru/doc/113356.htm!.
1
