ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНИЧЕСКОГО ТИТАНА ВТ1-0

УДК 620.186

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-633-638

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНИЧЕСКОГО

ТИТАНА ВТ1-0

Д.А. Константинов, И.А. Бурлаков, П.А. Петров

В работе рассмотрено имитационное моделирование с применением метода конечных элементов с применением программы QForm технологических процессов осадки цилиндрических заготовок на гидравлическом прессе, комбинированной обработки, включающей дополнительное формообразование осаженных заготовок вращающимся инструментом и ротационную вытяжку заготовок, полученных осадкой с кручением. Приведены зависимости твердости по Виккерсу мелкозернистого титана ВТ1-0 для больших деформаций до е=5, полученные экспериментальным и расчетным методами.

Ключевые слова: имитационное моделирование, метод конечных элементов, титан ВТ1-0, мелкозернистая структура, осадка с кручением, ротационная вытяжка.

Имитационное моделирование процессов пластической деформации с применением методов конечных элементов (МКЭ) позволяет существенно повысить технический уровень производства и снизить затраты на проектирование оснастки и трудоемкость доводки технологических процессов обработки металлов давлением. На базе МКЭ разработаны такие известные программы как QForm, Autoform, Deform и другие. Достоверность результатов моделирования указанными программами определяется точностью задаваемых исходных данных исследуемого материала.

Исследованию вопроса упрочнения материала при пластическом формообразовании заготовок посвящены работы многих авторов, в том числе Крохи В.А. [1], Огородникова В.А. [2] и др. К их числу относятся труды не только отечественных учёных, но и многих зарубежных. К наиболее значимым исследованиям можно отнести работы, выполненные Хензелем А. [3], К.М.Селларсом [4], M. Аббодом [5], М.Пьетшика [6], В.Я.Гуна [7], М.Я.Бровмана [8], В.К.Смирновым [9].

Большинство полученных исследователями данных по упрочнению металлов ограничиваются деформациями 50 - 60%, в то время как в сложных технологических процессах деформации могут достигать значительно больших величин (до е = 5,2). Настоящая работа призвана восполнить этот пробел для технического титана ВТ1-0 и показать ее практическое применение на примерах осадки с кручением и ротационной вытяжки.

Цель и задачи. Целью настоящей работы являлось построение реологической модели титана ВТ1-0 и применение ее для моделирования технологических процессов обработки металлов давлением.

Для достижения поставленной цели были решены задачи:

1. Выполнены испытания образцов титана ВТ1-0 с деформациями до е=5.

2. Построена реологическая модель титана, предложенная Хензелем-Шпиттелем [3], устанавливающая связь между напряжением текучести ai и величиной деформации.

3. Найдена зависимость твердости образцов титана от величины деформации.

4. Выполнено моделирование процессов осадки заготовок с кручением и без него и ротационной вытяжки.

Материал и методы исследования. В качестве материала исследования выбран технически чистый титановый сплав марки ВТ1-0, химический состав которого (% мас.) :Fe - 0,25; О - 0,20; Si - 10; С - 0,07; N - 0,04. Величина зерна в состоянии поставки составила 30 - 70 мкм.

Интенсивная деформация. Исходные заготовки диаметром 35 мм и длиной 95 мм, нагретые в камерной печи до температуры 400 °С, осаживались на гидравлическом прессе ПА2636 силой 4000 кН плоскими плитами, подогретыми до температуры 300 оС, по образующей за два перехода с кантовкой вдоль продольной оси на 90°. Далее осуществлялась вытяжка плоскими бойками за две операции. На каждой операции осуществлялось по два прохода вдоль образующей образцов в прямом и обратном направлениях. После первой вытяжки условный диаметр заготовок достигал 37,9 мм, после второй - 35 мм. Величина деформации на каждом переходе составляла 15 - 20%. Суммарная величина логарифмической деформации составила около е=2,5, которая определялась по изменению размера зерен.

Осевая деформация вращающимся инструментом. Для осевой деформации вращающимся инструментом применяли модернизированный гидравлический пресс модели ДБ-2432А (рис. 1) силой 1,6 МН. Круглые в плане заготовки нагружали одновременным воздействием осевой силы и крутящего момента за счет вращения деформирующего инструмента [10]. Величина деформации для данной операции составляла примерно е=2,7.

Ротационная вытяжка. Заготовки после осадки с кручение подвергали ротационной вытяжке на станке PNC-111 со следующими режимами: заготовка диаметром 90 мм и толщиной S0 = 2 мм, значение фактора трения m=0,8; частота вращения оправки - 300 об/мин., скорость продольного перемещения инструмента - 1 мм/сек.)

Испытание на растяжение. С целью оценки влияния интенсивной пластической деформации на прочностные свойства материала были испытаны образцы на растяжение на испытательной машине модели LFM50 со скоростью 2 мм/мин. Образцы были изготовлены методом электроэррозии общей длиной 42 мм и длиной рабочей части 10 мм в соответствии со стандартом предприятия.

Металлографические исследования. Исследования микроструктуры осуществляли на бинокулярном микроскопе "Olympus Delta" c увеличением 100, 200 и 500.

Микротвердость (HV) образцов замерялась прибором «DuraScan 20» с нагрузкой на пирамиду 0,5Н (50 г).

Испытания по схеме одноосного сжатия проводились со скоростями деформации £ = 0,4, 0,01, 0,001 с-1 на испытательной машине мод. LFM250 на воздухе в изотермических условиях без применения смазки в температурном интервале 20 - 400 °С. Образцы для получения кривой упрочнения изготавливались электроэрозионным методом и имели диаметр и высоту 10 мм.

Инверсионный анализ. Обработка экспериментальных данных, полученных изотермической осадкой образцов, позволила построить математическую модель сопротивления титана ВТ1-0 деформации. Для этого была выбрана эмпирическая модель, предложенная Хензелем-Шпиттелем [3], устанавливающая связь между напряжением текучести a и термомеханическими параметрами:

ai = Aexp

где A, mi, m2, m3, m4, m5, m7, m8, m9 - коэффициенты, которые находятся методом наименьших квадратов в программе MatLab.

Компьютерное моделирование. Компьютерное моделирование исследуемых процессов проведено с применением программы QForm VX [11]. Для моделирования была принята реологическая модель материала, найденная в соответствии с уравнением (1). Найденные коэффициенты приведены в таблице и соответствуют области определения значений: деформации [0,01; 3,5]; скорости деформации [0,001; 0,4] с-1, температуры [20; 400] °C.

Найденные коэффициенты математической модели Хензеля-Шпиттеля

Температура деформации A mi Ш2 Ш3 Ш4 Ш5 Ш7 Ш8 Ш9

20 и 400оС 10 032 -0 013 -0 747 -0 017 -0 192 0 001 0319 0 1 305

Результаты и обсуждение. Напряжение текучести в зависимости от величины деформации, определяемое путем испытания образцов на растяжение, характеризуется его четырехкратным увеличением (рис. 1).

1600

О 0,25 0,5 0,75 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,24

Деформация, е

Рис. 1. Зависимость напряжения текучести от деформации титана ВТ1-0

для больших деформаций

Анализ напряженно-деформированного состояния заготовок методом измерения микротвердости.

Определение микротвердости исходных образцов, образцов подвергнутых интенсивному формоизменению, позволило установить ее зависимость от больших деформаций. Результаты представлены на рис. 3.

Анализ полученных данных позволил установить взаимосвязь между микротвердостью образцов и напряжением текучести (рис. 4), которая в дальнейшем была применена для анализа заготовок, подвергнутых ротационной вытяжке.

1. Моделирование процесса получения заготовок типа «обечайка». Моделирование процесса изготовления заготовок типа «обечайка» включало интенсивную ковку, осадку заготовки с кручением и ротационную вытяжку. Для моделирования была использована программа QFoпn [11] с применением ранее найденной реологической моделью [10]. Результаты моделирования приведены на рис. 5 и 9.

О 0,35 О,В 1 1,5 2 2,5 г 3,5 4 4,5 5 5,24 Деформация, г

Рис. 3. Зависимость твердости по Виккерсу от накопленной деформации титана ВТ1-0

Название диаграммы

210 220 224 233 242 249 254 260 262 264 263 271 27В Твердость, НУюо

Рис. 4. Зависимость напряжения текучести титана ВТ1-0 от твердости по Виккерсу

Рис. 5. Распределение деформаций (1,2,3-заготовка после переходов интенсивной ковки, 4-заготовка после осадки с кручением, 5-заготовка после ротационной вытяжки со шкалой накопленной

деформации)

2. Экспериментальное изготовление заготовок типа «обечайка».

Интенсивная ковка была выполнена в соответствии с изложенной выше методикой и суммарная величина накопленной деформации, которая определялась по изменению размера зерен, составила около 2,5. Схемы вырезки образцов для измерения микротвердости точек ее замера приведены на рис. 6.

Результаты определения микротвердости полученных заготовок после осадки с кручением приведены на рис. 7.

Заготовка после осадки с кручением была подвергнута ротационной вытяжке с режимами, приведенными в методике (рис. 8, 10).

Процесс ротационной вытяжки. Для определения твердости металла заготовка после ротационной вытяжки была разрезана в меридиональной плоскости и проведено исследование методом определения микротвердости по Виккерсу. Результаты приведены на рис. 9.

дот

7,0 т

39.25нн

Рис. 6. Схема вырезки образцов (а), шлиф для измерения микротвердости (б) и схема мест замера микротвердости (в) после осадки с кручением

Рис. 7. Распределение микротвердости по сечению заготовки после осадки с кручением

Рис. 8. Ротационная вытяжка заготовки, полученной осадкой с кручением.

• • • • * 2

----- -

/

1 '

1 2 4 5 6 7 8 9

Расстояние от края заготовки, мм

ООРЯЭ^И

Рис. 9. Распределение твердости по сечению после ротационной вытяжки: 1 - экспериментальная зависимость, 2 - расчетная зависимость

Сравнительный анализ величины деформации заготовки после ротационной вытяжки, определенной экспериментальным способом по величине микротвердости, и методом моделирования с применением программы QForm показывает расхождение между полученными результатами при общем совпадении тенденции. Различие объясняется значительными структурными изменениями в процессе пластической деформации [12], неравномерным температурным полем и особенностями моделирования ротационных процессов программами, основанными на методе конечных элементов.

а б в

Рис. 10. Моделирование процесса ротационной вытяжки заготовки детали «обтекатель» (а),

процесс ротационной вытяжки (б), заготовка после ротационной вытяжки (в), 1 - формообразующий ролик; 2 - заготовка; 3 - оправка

Выводы:

1. Суммарная деформация образцов, включающая интенсивную ковку и осадку вращающимся штамподержателем, составила более е=5.

2. Найденные зависимости напряжения текучести от величин больших деформаций дали возможность определить реологическая модель титана, предложенную Хензелем-Шпиттелем [3].

3. Определение микротвердости образцов исходного титана, титана после интенсивной деформации и после осадки вращающимся штамподержателем позволило найти зависимость твердости образцов титана от больших деформаций.

4. Найденные зависимости напряжения текучести и твердости образцов титана от больших деформаций дали возможность найти зависимость напряжений, возникающих в образцах титана, от их твердости.

5. Анализ результатов моделирования процессов осадки заготовок с кручением и без него и ротационной вытяжки с учетом найденных механических характеристик материала показал корректность реологической модели титана.

Список литературы

1. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации. М.: Машиностроение, 1980. 157 с.

2. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Ви-ща школа 1983. 175 с.

3. Хензель А., Шпиттель Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки давлением: Справочник. М.: Металлургия, 1982. 360 с.

4. Baxter, G.J., Furu, T., Zhu, Q., Whiteman, J.A., Sellars, C.M.: The influence of transient strain-rate deformation conditions on the deformed microstructure of aluminium alloy Al-1% Mg. Acta Mater., 47 (8): 2367-2376, 1999.

5. Abbod M.F., Sellars C.M., Tanaka A., Linkens D.A., Mahfouf M. Effect of Changing Strain Rate on Flow Stress during Hot Deformation of Type 316L Stainless Steel, Materials Science and Engineering: A.491 2008. P. 290-296.

6. Szeliga D., Gawad J., Pietrzyk M. Inverse analysis for identification of rheological and friction models in metal forming // Computer methods in applied mechanics and engineering, 195. 2006. P. 67786798.

7. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

8. Зюзин В.И., Бровман М.Я., Мельников А.Ф. Сопротивление деформации сталей при горячей прокатке. М.: изд-во «Металлургия», 1964.

9. Смирнов В.К., Харитонин С.В., Степаненко В.И., Литвинов К.И. Аппроксимация экспериментальных данных по сопротивлению деформации алюминиевых сплавов. // Изв.ВУЗов. Цветная металлургия. 1997. №4. С. 36-38.

10. Бурлаков И.А., Петров П.А., Бач Ву Чонг. Изготовление осесимметричных заготовок из титана ВТ1-0 с изотропными свойствами. Технология металлов. М., № 10, 2020. С. 52-57.

637

11. Власов А.В. и др. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 383 с.

12. Бурлаков И.А. Забельян Д.М. Петров П.А. и др. Определение рациональных режимов осадки с кручением заготовок титана ВТ1-0 с применением метода активного эксперимента. Заготовительные производства в машиностроении, № 5, 2019. С. 74-79.

Константинов Денис Александрович, аспирант, заместитель начальника отдела УГТ, d.konstantinov@uecrus.com, Москва, Россия, Московский политехнический университет,

Бурлаков Игорь Андреевич, д-р техн. наук, старший научный сотрудник, главный специалист УГТ, i.burlakov@uecrus. com, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, petrov_p@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет

SIMULATION MODELING OF PLASTIC SHAPING PROCESSES USING A RHEOLOGICAL MODEL OF TECHNICAL TITANIUM VT1-0

D.A. Konstantinov, I.A. Burlakov, P.A. Petrov

The paper considers simulation modeling using the finite element method using the QForm program for technological processes of upsetting cylindrical workpieces on a hydraulic press, combined processing, including additional shaping of upset workpieces with a rotating tool and rotational drawing of workpieces obtained by upsetting with torsion. The dependences of the Vickers hardness of fine-grained titanium VT1-0 for large deformations up to e=5, obtained by experimental and calculation methods, are given.

Key words: Simulation modeling, finite element method, titanium VT1-0, fine-grained structure, upsetting with torsion, rotary drawing.

Konstantinov Denis Alexandrovich, postgraduate, deputy head of the department of UGT, d.konstantinov@uecrus.com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Burlakov Igor Andreevich, doctor of technical sciences, senior researcher, chief specialist of UGT, i.burlakov@uecrus.com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petrov_p@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University