В.В. Елисеев, а.М. Гольцев, с.С. Безгин, к.А. Устинов экспериментальное определение параметров модели многопереходной листовой штамповки
Предложена модель определения предельных деформационных параметров листовых материалов в условиях повторного нагружения с промежуточной термообработкой. Изложена расчетно-экспериментальная методика определения параметров модели испытаниями на растяжение в два перехода с промежуточной термообработкой
Формообразование листовых деталей сложной конфигурации, прокатку профильных деталей, труб и т.д. обычно выполняют в несколько переходов с промежуточной термообработкой. Тем самым повышается ресурс пластичности материала заготовки и снижается вероятность появления различных браковочных дефектов деформационного типа в процессе пластического деформирования.
В статье описывает методика экспериментального определения параметров модели начально анизотропного листового материала с анизотропным упрочнением при холодном деформировании с промежуточной термообработкой. Этой модели материала соответствует большинство прокатных листовых металлов.
Чтобы оценить влияние промежуточной термообработки на параметр упрочнения – накопленную пластическую деформацию,- при предшествующей холодной штамповке, вводят коэффициент влияния термообработки.
Пусть
листовая заготовка деформируется по
программе – холодная деформация 1-го
перехода
-
промежуточная термообработка, залечивающая
микротрещины и восстанавливающая ресурс
пластичности материала – деформация
2-го перехода
.
Предполагается, что в процессе термообработки параметр упрочнения релаксирует со скоростью, пропорциональной деформации 1-го перехода. Полагая нагружение простым и интегрируя такую зависимость по времени, получаем следующее соотношение между предельными деформациями на переходах
(1)
где
-
предельная деформация исходного
материала, термообработанного по режиму
промежуточной теромообработки;
-
коэффициент влияния промежуточной
термообработки между 1-м и 2- м переходами.
Коэффициент зависит как от вида и режима
термообработки, так и марки материала.
Он меняется в пределах от 1 при отсутствии
промежуточной термообработки до 0 при
полном восстановлении ресурса пластичности
материала.
В общем случае i-го перехода предельная деформация материала заготовки может быть определена как:
(2)
где - предельная деформация исходно недеформированного материала, термообработанного по режиму промежуточной термообработки, предшествующей i-му переходу; (j) - приращение деформации заготовки на j-м переходе; (k)- коэффициент влияния термообработки, следующей за k-м переходом.
Испытания.
Коэффициент
влияния термообработки определяют по
следующей методике. Партию из 10 образцов
на одноосное растяжение (рис.1),
ориентированных вдоль прокатки,
термообрабатывают по режиму промежуточной
термообработки. Например, для алюминиевых
сплавов Д16(европейский аналог 2024) и
В95(европейский аналог 7075) это состояние
после отжига. Образцы растягивают до
различных деформаций, измеряемых на
базе l0=
50-80 мм. Три образца на первом переходе
не растягивают(
=0),
остальные растягивают до различных
деформаций: 0.1; 0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6 и 0.7 от
равномерной деформации Аg
материала в состоянии, соответствующем
состоянию на первом переходе. Скорость
деформирования должна быть квазистатической,
приблизительно 0.0020.008
с-1.
Измеряют расчетную длину образца после первого этапа растяжения l(1) и вычисляют логарифмическую деформацию
(3)
Образцы нагревают по режиму промежуточной термообработки, и растягивают повторно до разрушения. Поскольку у некоторых сплавов во время термообработки происходят структурные превращения и изменяются размеры, повторно измеряют расчетную длину образца l0(2) перед началом второго растяжения.
Использую
свойство адитивности логарифмических
деформаций, вычисляем предельную
деформацию устойчивости
на втором переходе как
.
(4)
Коэффициент для данного типа промежуточной термообработки вычисляют по методу наименьших квадратов из (1):
(5)
где n – число испытаний. На рис.1. приведена схема расчета коэффициента промежуточной термообработки испытаниями на одноосное растяжение в два перехода с промежуточной термообоработкой.
Рис.1. Схема определения коэффициента влияния промежуточной термообработки
2. Оценка влияния анизотропии на коэффициент промежуточной теромообработки выполняют по следующему алгоритму:
Изготавливают три партии образцов для испытаний в условиях одноосного растяжения в трех направлениях к прокатке.
Каждую партию образцов разбивают на две подпартии для исследования различных видов промежуточной термообработки ( отжиг и закалка).
По 2- образца каждой подпартии испытывают в состоянии поставки (Т4) и состоянии после промежуточной термообработки по полной программе с определением всех параметров в шейке и вычислением коэффициентов анизотропии и уравнения аппроксимации кривых течения. Это паспортные данные испытываемого материала. Таким образцом получают две крайние точки на графике
(рис.1) по формулам (3) и (4), соответствующие
предельным деформациям материала в
состоянии поставки
и в состоянии после промежуточной
термообработки
.Оставшиеся образцы подпартий испытывают на соответвующий вид деформирования в состоянии поставки в диапазоне деформаций, указанных в предыдущем параграфе. Вычисляют деформации первого перехода (3). Для образцов с выкружками и круглых образцов в (3) подставляют начальный и конечный размеры ячеек в направлении растяжения или прокатки (для Эриксена).
Для образцов с выкружками и круглых образцов на равномерное двухосное растяжение вычисляют наибольшую деформацию по толщине соответственно в точке пересечения осей симметрии приталенных образцов и в полюсе вытяжки круглых образцов
(6)
где
-
толщина образца в указанных точках до
испытания и по окончании 1-го перехода.
И в том, и в другом случае вычисляют коэффициент вида деформированного состояния по измерению деформаций сетки с прямоугольными и круглыми ячейками в направлении главных осей анизотропии
(7)
где
-поперечные
и продольные размеры ячейки в полюсе
вытяжке или на пересечении осей симметрии
приталенного образца до и после
деформации.
Проводят промежуточную термообработку по следующим режимам:
Отжиг: нагрев до температуры 4000С, выдержка при этой температуре в течение 30-40 мин, охлаждение в печи. Время после окончания отжига не лимитируется.
Закалка: нагрев до температуры 4950С, выдержака в течение 15 мин, охлаждение в воду. Образцы после закалки испытывать в течение 30мин после охлаждения.
Образцы всех партий испытывают до разрушения. Вновь определяют деформации сеток и вычисляют параметры вида деформированного состояния (7), деформации устойчивости (4).
Вычисляют коэффициент влияния промежуточной ТО (5) выбирая лишь те экспериментальные точки на диаграмме деформирования (см. рис.1), которые соответствуют условию
(8)
Если коэффициенты влияния промежуточной ТО при различных видах деформированного состояния (растяжение
;
плоская деформация
;
равномерное двухосное растяжение
)
приблизительно равны, делаем вывод о
независимости, т.е. стабильности этого
коэффициента от вида деформирования.
Таким образом, мы упрощаем модель
материала.
Если же этого (чуда) не происходит, то, увы, приходится рекомендовать зависимость
для
моделирования соответствующих операций
штамповки по описанному выше алгоритму.
Но это тоже результат, хотя увеличивается
в разы процедура определения параметров
модели материала при многопереходном
деформировании с промежуточной
термообработкой.
3. Сопоставление коэффициентов влияния ТО для различных видов деформирования и параметров анизотропии Лэнкфорда.
Оценим предельную деформацию разрушение по измерению геометрии образцов вблизи места разрушения по принятой в лаборатории методикам ( Измерение ширин и толщин разрушенного образца на различных расстояниях от места разрушения).
Строим
зависимости, аналогичные (1), в которых
,а
эквивалентная деформация разрушения
определяется как
(9)
где
главные
логарифмические в плоскости образца(
).
Деформация 1-го перехода для вычисления коэффициента ТО (5) определяем как логарифмическую деформацию по толщине
,
(10)
где hk(1) – толщина образца в конце 1-го перехода в указанных выше наиболее вероятных точках зарождения трещины.
Если расчет коэффициентов влияния ТО для различных видов испытаний окажется одинаковым, как и в случае деформации устойчивости, считаем, что коэффициент влияния ТО не зависит от вида деформирования и при разрушении.
Если коэффициент влияния ТО при разрушении будет близок или равен коэффициенту по устойчивой деформации, рекомендуем при проектировании процесса использовать релаксационную модель (3) для различных типов предельных деформаций. На рис.2 приведены результаты экспериментального определения коэффициента влияния промежуточной термообработки для сплава Д16 при испытания в два перехода на одноосное растяжение по описанной выше методике с промежуточных отжигом.
Рис. 2. Расчет коэффициента влияния промежуточного отжига
для листового алюминиевого сплава Д16
Выводы:
1. Выполнено экспериментальное исследование влияния анизотропии свойств и вида деформирования на параметры модели листовых материалов с начальной анизотропией при многопереходном деформировании с промежуточной термообработкой.
2. Установлены границы применимости уравнения (2) модели для алюминиевого сплава Д16 (международное обозначение 2024) при различных видах термообработки.
3. Результаты исследования используются при моделировании бездефектных технологических операций многопереходной холодной листовой штамповки изделий из алюминиевых сплавов.
Литература
1. Дель Г.Д. Технологическая механика// М.:Машиностроение.-1979. 178с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 620.10