Проблемы машиностроения и надежности машин, 2021, № 4, стр. 50-58

Тонкостенные осесимметричные поковки без фланца и с фланцем, из алюминиевых сплавов (АМг2, АМг3, АМг6 и т.п.), нашли свое применением во многих отраслях промышленности, в т.ч. судостроении, авиастроении и автомобилестроении. Учитывая сложность геометрии, поковки можно изготовить за более, чем одну операцию обработки давлением. Традиционным способом изготовления таких поковок является холодная либо горячая объемная штамповка из мерной заготовки, а также горячая изотермическая штамповка.

При производстве вышеуказанных поковок, контактное взаимодействие заготовки и инструмента играет существенную роль при оценке стойкости инструмента; оказывает существенное влияние на штампуемость материала заготовки и на качество конечного изделия. Одной из современных прогрессивных технологий штамповки, позволяющей изготавливать тонкостенные осесимметричные поковки, является технология штамповки с кручением [1].

В теоретическом плане на технологическую эффективность процесса осесимметричной осадки с кручением было указано в работах Г.Д. Полосаткина, С.П. Буркина и Б.Р. Картака, А.Н. Леванова, В.Н. Субича [1], А.Д. Хвана [2] и др. Наиболее системный подход к проектированию оборудования, теоретическому анализу кинематики течения деформируемого материала и практическому освоению технологии штамповки с кручением представлен В.Н. Субичем и его учениками в их работах, например, в монографии [1].

Для технологии штамповки с кручением характерно, что остаются малоизученными вопросы контактного взаимодействия заготовки и инструмента, характер течения материала на контактной поверхности, топология микронеровностей на контактной поверхности и их изменение в процессе скольжения деформируемого материала по контактной поверхности, условия теплообмена между заготовкой и инструментом, выбор технологической смазки [1].

Отсутствие теоретического обоснования механики контактного и теплового взаимодействия деформируемого слоя и инструмента не позволяет дать рекомендации для разработки технологических процессов штамповки с кручением и их рациональных режимов выполнения для изготовления тонкостенных осесимметричных поковок из алюминиевых сплавов с различным состоянием поставки (литая заготовка; прессованный или прокатанный пруток; заготовка, полученная по технологии SLM либо EBM) на основе применения компьютерного имитационного моделирования.

В работе [3] предложена конечно-элементная модель процесса осадки с кручением (рис. 1) для исследования процесса теплопереноса при деформировании цилиндрической заготовки при температуре 20°С.

Рассматриваемая модель (рис. 1) является первичной и требующей уточнения таких параметров, как сопротивление материала заготовки пластической деформации (кривые текучести) и контактное трение (модель трения и значение фактора трения).

Как показывают результаты виртуальных испытаний работы [3], тепловой эффект контактного трения является наиболее сильным механизмом теплопереноса в процессе осадки с кручением; тепловой эффект пластической деформации рассматривается как константа материала в заданных температурно-скоростных условиях деформирования и играет второстепенную роль. Анализируя результаты работы Б.А. Кривицкого [4] можно отметить, что даже при горячей деформации тепловой эффект за счет пластической деформации не превышает 50–60°С. В случае же осадки с кручением суммарный тепловой эффект наблюдается много большим. На рис. 2 представлены результаты расчета поля температуры в сечении деформируемой заготовки, полученные с применением программы компьютерного моделирования QFORM.

Для алюминиевого сплава, например, АМг2, АМг3 либо АМг6, температура нагрева в диапазоне от 200 до 400°С соответствует теплой и полугорячей деформации. То есть модель сопротивления деформации, описывающая изменение напряжения текучести в заданных температурно-скоростных условиях, должна быть работоспособной как при холодной пластической деформации, так и при теплой и полугорячей деформации. Выявленная особенность теплопереноса в процессе осадки с кручением накладывает дополнительное требование на подготовку исходных данных о сопротивлении материала деформации для выполнения компьютерного имитационного моделирования.

При подготовке данных для имитационного моделирования в специализированных САЕ-системах помимо данных о сопротивлении деформации, необходимо задать характеристики технологической смазки (показатель трения и модель контактного трения). Точность выполнения расчетов при моделировании определяется достоверностью задаваемых исходных данных [5–7], адекватностью математической модели, например, модели сопротивления деформации, а также надежностью выбранных методов оптимизации для построения модели процесса либо объекта [8]. Это утверждение основано на результатах исследований, связанных с применением компьютерного имитационного моделирования [5–7].

Целью настоящей статьи является формализация методики постановки обратной задачи для испытания на сжатие образцов алюминиевого сплава и последующего применения полученных данных при САЕ-моделировании. В качестве испытания рассматривается испытание на сжатие сплошных цилиндрических образцов.

Рассмотрим алгоритм обработки результатов экспериментов, методика которых известна [9] и схему постановки обратной задачи, которые в последующем можно использовать для автоматизации обработки данных эксперимента.

Испытание на сжатие цилиндрических образцов

Алгоритм обработки экспериментальных результатов включает три этапа:

1. Первичная обработка экспериментальных кривых текучести (рис. 3), в том числе: 1) нормализация данных – основываясь на данных эксперимента формируется новый массив данных, включающий значения параметров: времени (t), накопленной деформации (ε), перемещения инструмента (Δh), напряжения текучести (σ) и силы деформирования (P); новый массив данных имеет меньшее число значений для каждого из пяти параметров; в результате нормализации кривые текучести, полученные для различных значений скорости деформации имеют одинаковое число точек, что упрощает последующую обработку данных (программный код – ПК1); 2) сглаживание экспериментальной кривой текучести – процедура, обеспечивающая получение гладкой кривой текучести и индикаторной диаграммы без выраженных колебаний значений; колебание значений возникает при записи данных в контроллер испытательной машины во время проведения испытания (программный код – ПК2); 3) определение средней экспериментальной кривой текучести для фиксированной температуры испытания и заданной скорости деформации (программный код – ПК3); 4) объединение средних экспериментальных кривых текучести и визуализация результатов – кривые текучести, входящие при объединении в набор, соответствуют одной и той же номинальной температуре испытания, но различным скоростям деформации (программный код – ПК4; пример объединенных кривых текучести для температуры 340°С (рис. 4));

2. Построение изотермической кривой текучести (рис. 5):

1) корректировка экспериментальной кривой текучести с учетом колебания скорости деформации в процессе монотонного нагружения относительно номинального значения скорости деформации (программный код – ПК5; пример колебаний в ходе испытания текущего значения скорости деформации относительно ее номинального значения представлен на рис. 6); 2) корректировка экспериментальной кривой текучести с учетом влияния контактного трения на сопротивление деформации [9] (программный код – ПК6); 3) корректировка экспериментальной кривой текучести с учетом влияния теплового эффекта пластической деформации на сопротивление деформации [9] (программный код – ПК7); 4) корректировка экспериментальной кривой текучести с учетом влияния теплового эффекта контактного трения на сопротивление деформации [9] (программный код – ПК8); 5) построение изотермической кривой текучести для заданной температуры и скорости деформации, а также объединение изотермических кривых текучести, соответствующих одной и той же номинальной температуре испытания, но различным скоростям деформации, в набор данных, визуализированных в одной системе координат (программный код – ПК9). 

3. Формирование фрагмента базы данных материалов для компьютерного моделирования процессов пластического деформирования с применением CAE-систем.

В завершение первичной обработке кривых текучести (шаг 1) принимается решение о дальнейшем применении результатов. В случае если полученные кривые имеют ярко выраженную немонотонность, обусловленную погрешностью эксперимента, неверным выбором/заданием программы нагружения, либо ошибками обработки при сборе данных на испытательной машине, результаты первичной обработки должны быть уточнены путем проведения повторного эксперимента.

В завершение построения изотермической кривой текучести (рис. 5, шаг 2) принимается решение о включении полученных результатов в базу данных материалов пригодную для выполнения CAE-моделирования либо о выполнении еще одного расчета и построении новой кривой текучести соответствующей другим температурно-скоростным условиям деформирования.

Для устранения выявленной погрешности в найденных кривых текучести применялся метод постановки обратной задачи (инверсионный метод).

Существенным преимуществом метода постановки обратной задачи перед обычными аналитическими методами корректировки кривых текучести является то, что в программе QFORM, благодаря учету градиента температур и скоростей деформации по сечению образца, расчет ведется не по одной кривой текучести, построенной для определенной температуры и скорости деформации, а по группе соседних кривых (для других ближайших температур и скоростей деформации), каждая из которых оказывает влияние на итоговый график силы, а, следовательно, и на корректировку каждой из соседних кривых текучести, тогда как в обычных аналитических методах кривые текучести корректируются отдельно.

Метод инверсионного анализа можно описать алгоритмом (рис. 7), в котором кривые текучести корректируются в соответствии с расхождениями в диаграммах сил (экспериментальной и расчетной), и после каждой корректировки моделирование осадки цилиндрического образца повторяется, до тех пор, пока не будет достигнута требуемая сходимость расчетного и экспериментального результатов, составляющая ±2.5%

где δ – относительная погрешность измерений; ${{P}_{{{\text{QFORM}}}}}$ – сила деформирования по результатам расчета в QFORM; P_эксп – сила деформирования, полученная по результатам испытаний.

В качестве примера, на рис. 8 представлены результаты, полученные после проведения циклов корректировок для кривых текучести при температуре 340°С.

Заключение и выводы. 1. Выполнен анализ теплопереноса в процессе осадки с кручением и установлено, что наиболее важным механизмоv теплопереноса является тепловой эффект контактного трения, приводящий к приращению температуры от 102 до 312°С (рис. 2) в зависимости от модели контактного трения и значения фактора трения. 2. Подготовка исходных данных для компьютерного имитационного моделирования процесса осадки с кручением при температуре 20°С предполагает выбор модели сопротивления деформации и модели контактного трения. 3. Модель сопротивления деформации должна быть задана в широком диапазоне температурно-скоростных условий деформирования, несмотря на то, что пластическая деформация при осадке с кручением осуществляется при температуре окружающей среды и начальной температуре заготовки 20°С. Рекомендуемый диапазон температуры от 20 до 400°С. 4. В статье предложен алгоритм обработки результатов испытания на сжатие образцов алюминиевых сплавов, в частности, сплава АМг2, АМг3, АМг6. Представлены результаты обработки (рис. 8), которые можно применить для компьютерного имитационного моделирования процесса осадки с кручением.