CC BY
16
УДК 621.771.019.001.18
РАЗРАБОТКА БАЗ ДАННЫХ МАТЕРИАЛОВ САПР БЕЗДЕФЕКТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ
В.В. Елисеев, А.М. Гольцев, Л.В. Хливненко, Ю.Б. Рукин
Излагается структура баз данных материалов современных САПР технологических операций листовой штамповки, которые позволяют предсказывать различные браковочные признаки деформационного типа: разрывы, потерю устойчивости в форме образования шейки, рекристаллизационные превращения и линии Людерса. Описывается математическая модель материала, которая используется при создании баз данных САПР ТО и управляющих программ ЧПУ станков при холодной или горячей многопереходной штамповке листовых и профильных деталей с промежуточной термообработкой.
Предельные деформации материала заготовки, по которым проектируется технология гибки, обтяжки, вытяжки резиной и по жесткому пуансону, определяются оригинальными методами измерения геометрии трещин в области разрушения при различных деформированных состояниях заготовки. В процессе холодного пластического формоизменения заготовки и промежуточной термообработки учитываются как накопленная деформация, так и восстановление запаса пластичности в процессе промежуточных термообработок. Параметры этой модели определяются экспериментально.
Предложена методика учета естественного старения материала заготовки с помощью функций деформационного упрочнения и длительности старения термоупрочняемых сплавов, что позволяет автоматически корректировать управляющую программу процесса в случае задержки штамповки по техническим причинам. В результате разбиения технологического процесса на переходы чередованием холодной деформации с промежуточной термообработкой обеспечивается бездефектное изготовление деталей
Ключевые слова: базы данных материалов, механические технологические испытания
Введение
Благодаря разработанным в последнее десятилетие новым моделям материалов, в первую очередь - моделям разрушения, конечно-элементное моделирование стало эффективным инструментом проектирования более безопасных, экономичных и экологичных конструкций. Особенно широкое применение конечно-элементное проектирование нашло в автомобилестроении.
Важнейшая входная информация такого проектирования сконцентрирована в карте материала, содержащей всё возрастающее число параметров материала. Эти параметры определяются на основе широкого круга испытаний и могут быть разбиты на три группы: параметры поверхности текучести (нагружения), параметры упрочнения и параметры разрушения.
Создаваемые базы данных или карты материалов используются также в конечно-элементных пакетах для моделирования аварийного разрушения деталей из листа и профиля различных автомобильных и авиационных конструкций. Полученные данные используют-
ся на стадии проектирования изделий различного назначения для повышения надежности эксплуатации, увеличения ресурса пластичности (эксплуатации) деталей и машин.
Разработанные базы данных используются в САПР в листовой штамповке и при создании управляющих программ для прессового оборудования с ЧПУ, а также для корректировки формообразующей оснастки в целях повышения точности геометрии деталей на машиностроительных предприятиях, в КБ и НИИ авиационной промышленности. При этом повышается точность формообразуемых деталей, снижается процент брака путем создания бездефектной технологии на основе надежного предсказания появления браковочных признаков различного типа, сокращается срок технологической подготовки производства изделий.
Целью исследования, описанного в данной работе, является разработка методики построения баз данных материалов САПР и создания на этой основе маршрутной технологии изготовления деталей, отличающейся возможностью выявления технологических дефектов на этапе проектирования.
Моделирование ортотропно анизотропного листового материала
Модель ортотропно анизотропного листового материала, используемого при проектировании операций листовой штамповки с промежуточной термообработкой [1], описывается
Елисеев Владимир Васильевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: evv52@bk.ru
Гольцев Александр Михайлович - ВГТУ, канд. техн.
наук, доцент, e-mail: amg57@bk.ru
Хливненко Любовь Владимировна - ВГТУ, канд. техн.
наук, доцент, e-mail: hlivnenko_lv@mail.ru
Рукин Юрий Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент,
e-mail: y.b.rukin@gmail.com
для случая плоского напряженного состояния следующими уравнениями состояния:
= 3—[(1 -аК -аСТу]; 2 ст
= 3 — [(1 - ау )сту- аСТх]; 2 СТ-
3 dsi 2 ст..
= -—(аустх + ОСТу);
(1)
, 3 ds, ds =--'-а ст ;
ху ~ ху ху?
2ст
где dsx,dsy,... - приращения компонент тензора деформаций в системе координат, оси которой совмещены с главными осями анизотропии (при этом ось х совпадает с направлением прокатки); ах, ау,... - параметры анизотропии;
dsi - приращение эквивалентной деформации; СТ - эквивалентное напряжение; стх,сту,... -
компоненты тензора напряжений.
Кривая течения, которой задается функциональная связь интенсивностей напряжения и деформации материала в пластической области, аппроксимируется уравнением Свифта:
СТ = + s0У,
(2)
где А - коэффициент размерности, п - параметр упрочнения, s0 - добавочная деформация.
Эти коэффициенты также являются характеристиками материала. Кривая течения в эквивалентных координатах строится по результатам испытаний на одноосное растяжение [1].
Параметры анизотропии в (1) обычно выражают через параметры Лэнкфорда [2] по формулам:
ах = Г0/(Г + Г90 + ГоГ9о); ау = Г90 /(Г0 + Г90 + Г0Г90); а = Г0Г90 /(Г0 + Г90 + Г0Г90); (1 + 2г45 )(Г + Г90)
а =
ху
2(Г0 + Г90 + Г0Г90)
(3)
где r0, Г90:
г45 - параметры Лэнкфорда соответ-
ственно в направлении прокатки, поперек и под углом 450 к прокатке. Параметры определяют также по результатам испытаний на растяжение [1].
Таким образом, поведение листового анизотропного материала в большинстве операций листовой штамповки описывается параметрами и константами А , п, s0 уравнения
Г, Г
90
'45
кривой течения (2).
Моделирование естественного старения материала заготовки
Рассмотрим часто встречающийся на практике случай изготовления детали из листа последовательным чередованием холодного пластической деформации с термообработкой.
Проведенные на различных сталях и алюминиевых сплавах опыты показали, что кривые течения материала на втором переходе лежат ниже исходной кривой течения [1]. Это означает, что параметр упрочнения материала в результате термообработки релаксирует. В то же время предел текучести предварительно деформированного материала повышается. Следовательно, материал «помнит» частично предшествующую термообработку.
Предполагается, что при промежуточной термообработке параметр упрочнения q релак-сирует со скоростью, пропорциональной величине параметра. Имеем
q = «(1) =
(4)
где коэффициент влияния промежуточной термообработки а меняется от 1 при полной релаксации параметра упрочнения до 0 при отсутствии промежуточной термообработки между переходами; q(y) - величина параметра
упрочнения в конце первого перехода. Коэффициент о определяется по результатам растяжения образцов в два перехода с промежуточной термообработкой [1].
Так как многопереходный процесс отличается от монотонного, то при его описании предлагается использовать модель материала с анизотропным упрочнением, в котором эквивалентное напряжение с связано с напряжением при одноосном растяжении с0 соотношением
1 + Р(Ч) , ч
ст =- СТ ),
1 + 0(Ад)
(5)
где Aq - приращение параметра упрочнения на
втором переходе; р^) - параметр эффекта Ба-ушингера [3].
Функция Р(е0)) достаточно хорошо описывается выражением:
Р = е2/ е1
(9)
Р = Рт - (Рт - ^о)ехр(-Се(1)), (6)
где Р0, Рт, С - параметры аппроксимации.
Многие алюминиевые сплавы в состоянии после закалки подвергаются естественному старению, что сказывается как на их свойствах, так и на точности определения напряженно-деформированного состояния заготовки.
Наиболее интенсивно эти свойства меняются в течение первых 2-4 часов естественного старения [4]. Для учета влияния длительности естественного старения на кривую течения, описанную уравнением (2) предложено использовать функцию вида
о^ 1) = Оо(е);[ (e, t), (7)
где с0(е) - уравнение стационарной кривой течения, полученной на закаленном сплаве после 2-4 часов естественного старения; ДеД) - функция старения.
Так как влияние естественного старения со временем ослабевает и функция ДеД) с ростом t стремится к 1, то функция старения может быть описана выражением
f (е, 1) = 1 - в * ехр(- ke - X:), (8)
где параметры 0, k, X определяют по результатам испытаний на растяжение термообработан-ного сплава с различной длительностью естественного старения [4]. Учет длительности естественного старения в соответствующих моделях материала осуществляется подстановкой (8) в уравнение кривой течения (7).
Оценку вероятности появления технологических дефектов в проектируемом процессе производят по предельным деформационным характеристикам материала: предельной деформации устойчивости е*, предшествующей разрыву заготовки, критической деформации роста зерна £сг и деформации, при которой появляются линии Людерса £.
Предельная деформация устойчивости определяется по диаграмме предельных деформаций в координатах: предельная деформация е*, равная наибольшей главной логарифмической деформации в плоскости листа е1; параметр вида деформированного состояния р , равный отношению главных деформаций:
Левая ветвь диаграммы предельных деформаций обычно близка к прямой и для ее построения используют испытания на одноосное растяжение и на растяжение в условия плоской деформации.
Для построения правой ветви диаграммы используют результаты испытаний на растяжение в условиях плоской деформации и испытаний на вытяжку полусферическим пуансоном круглых образцов в условиях равномерного двухосного растяжения.
Отметим, что левая ветвь диаграммы используется при тестировании операций обтяжки из листа, а правая - операций вытяжки эластичной средой.
В случае многопереходного деформирования предельные деформации на ьм переходе с учетом описанной ранее релаксационной модели (4), (5) определяют по формуле: ' -1
£*) = £ -Х£( k) Па( ^ (10)
k=l j=k
где е* - предельная деформация устойчивости предварительно недеформированного материала, обработанного по режиму промежуточной термообработки, предшествующей i-му переходу [1].
Критические деформации недопустимого роста зерна и появления линий скольжения также определяют расчетом (9) с использованием диаграмм рекристаллизации, которые получают испытаниями на одноосное растяжение в несколько переходов с промежуточной термообработкой [1].
Пример разработки технологии многопереходной штамповки оболочки двойной кривизны
В качестве практического применения описанных выше методик было проведено проектирование многопереходной операции обтяжки крупногабаритной обшивки двойной кривизны с промежуточной термообработкой на прессе с программным управлением.
Обшивка изготавливалась в три перехода из анизотропного алюминиевого сплава 2024 с двумя промежуточными термообработками. Разбиение на переходы производилось по результатам предварительного расчета напряженно-деформированного состояния заготовки в выбранных сечениях в процессе обтяжки.
Предварительно определялись предельные деформационные характеристики материала обшивки.
Как показано на рисунке, процесс разбиения на переходы состоял в сравнении предельных деформаций материала в каждой точке выбранных сечений (1), (2), (3) в конкретные моменты процесса с предельными деформациями всех видов, описанных выше. Если расчетные деформации в ]-й точке '-го сечения оболочки в т-й момент (кадр) моделирования процесса превосходили предельные деформации материала, то процесс останавливался, и проводилась промежуточная термообработка.
Графическая иллюстрация маршрутной технологии многопереходной штамповки оболочки двойной кривизны
Количество переходов в процессе увеличивалось до тех пор, пока приращения деформаций на любом переходе, в любой точке сечений оболочки не стали меньше предельных.
Результаты и их обсуждение
1. Для моделирования процессов формообразования деталей из листа с применением промежуточной термообработки был определен набор параметров материала, значения которых получены как в результате стандартных, так и оригинальных испытаний.
2. Многолетние исследования различных марок сталей, алюминиевых, алюминиево-литиевых и титановых сплавов, широко приме-
няемых в авиационной и автомобильной промышленности, позволили авторскому коллективу создать обширную базу данных материалов. Достоверность полученных результатов подтверждает успешное их применение различными машиностроительными предприятиями, КБ и НИИ для проектирования бездефектных технологических операций формообразования деталей из листа и профиля с помощью САПР.
3. Стандартные способы разработки маршрутной технологии многопереходных процессов листовой штамповки обычно заключается в использовании наибольшей пластичности материала на каждом переходе, что, во-первых, не позволяет предсказать появление браковочных признаков деформационного типа в заготовке, а во-вторых, снижает ресурс пластичности и, следовательно, эксплуатационные свойства формообразуемой детали.
Использование описанной в статье модели материала в САПР технологических операций позволяет разработать маршрутную технологию изготовления деталей из листа и, оценив на этапе проектирования вероятность появления технологических дефектов в процессе изготовления, создать бездефектную технологию конкретной операции листовой штамповки.
Литература
1. Дель Г.Д. Модель материала при многопереходном деформировании с промежуточной термообработкой / Г.Д. Дель, В.В. Елисеев // Известия АН СССР. Металлы. -1991. - №4. - С.171-174.
2. CAD system for the elastic-medium shaping of pipeline parts / G.D. Dell, V.V. Eliseev, E. Pesmenniy, S.A. Voulman // Jour. Of Materials Processing Technology. - 1992. - Vol. 35. - pp.191-198.
3. Дель Г.Д. Экспериментальное исследование эффекта Баушингера анизотропных металлов / Г.Д. Дель, В.В. Елисеев, В.А. Шапиевская // Известия РАН. Механика твердого тела. - 2014. - №5. - С.99-106.
4. Елисеев В.В. Модель материала при многопереходном деформировании с промежуточной термообработкой и естественным старением/ В.В. Елисеев, Е.П. Кру-пин// Известия РАН. Металлы. - 2006. - №4. - С.79-83.
Воронежский государственный технический университет
DEVELOPMENT MATERAL DATABASE FOR CAD SYSTEMS OF FAILUREFREE TECHNOLOGY OF SHEET STAMPING
V.V. Eliseev1, A.M. Gol'tsev2, L.V. Khlivnenko3, Yu.B. Rukin4
'PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,
e-mail: evv52@bk.ru
2 PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,
e-mail: amg57@bk.ru
3 PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,
e-mail: hlivnenko_lv@mail.ru
4 PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,
e-mail: y.b.rukin@gmail.com
Material database structure of modern CAD systems of technological processes of sheet stamping is stated, which allows to predict different failures of deforming type: fracture, loss of stability in a form of neck generation, structural recrystalliza-tion and Luders lines appearance. The article describes a mathematical model of material that is used at creation of technological processes CAD systems' database and numerical program control for machines at cold and hot multitransition stamping of sheets and profiled elements with intermediate heat treatment.
The ultimate strain of work-piece material, that is used to develop technological processes of bending, stretch-wrap forming, draw-forming with rubber or with puncheon, is determined with original methods of cracks' geometry measurements in different strain states. At cold plastic formation and at intermediate heat treatment, both cumulative deformation and restoration of margin of plasticity are taken into account. The parameters of the model are obtained experimentally.
The article offers the routine for accounting natural aging of work-piece material with the help of the function of deforming hardening and ageing duration of thermo-hardened alloys. It allows to correct automatically the machine control program in case of stamping delay for technical reasons. Failures-free parts production is provided because of the subdivision of the technological process onto transitions where cold deformation follows interim heat treatment
Key words: material database, mechanical technological testing
References
1. Del G.D., Eliseev V.V. "Material model at multitransition deformation with intermediate heat treatment", Proceedings of the Academy of Sciences USSR. Metals. (Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Metally.), 1991, no. 4, pp. 171-174.
2. Del G.D., Eliseev V.V., Pesmenniy E., Voulman S.A. "CAD system for the elastic-medium shaping of pipe-line parts", Jour. of Materials Processing Technology, 1992, vol. 35, pp. 191-198.
3. Del G.D., Eliseev V.V., Shapievskaya V.A. "Experimental research Bauschinger's effect of anisotropic materials", Proceedings of Russian Academy of Sciences. Mechanics of Solid Body. (Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Mekhanika Tverdogo Tela.), 2014, no. 5, pp.99-106.
4. Eliseev V.V., Krupin E.P. "Material model of multitransition deformation with intermediate heat treatment and natural aging", Proceedings of the Academy of Sciences USSR. Metals. (Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Metally.), 2006, no. 4, pp.79-83.
