2.6. Лабораторная работа № 14 Оценка влияния скоростного упрочнения на моделирование операций листовой штамповки

Цель работы состоит в определении влияния динамического нагружения на предельные деформации и параметры модели материала, которая используется для моделирования технологических операций пластического формообразования в листовой штамповке.

1. Теоретическая справка

При штамповке листовых деталей сложной конфигурации эластичными средами скорость деформации изменяется в пределах от . Поэтому при моделировании операций штамповки необходимо учитывать скоростное упрочнение, а для алюминиевых сплавов и скоростное разупрочнение. В статье излагаются методики испытаний на одноосное растяжение различных листовых материалов в режиме динамического и статического нагружений.

Статическое нагружение обычно ограничивается диапазоном скоростей деформации от 10^-4 до 10^-2 с^-1. Для получения кривых течения в таком диапазоне используется стандартные испытательные машины с механическим или гидравлическим приводом.

Кривые течения получаем испытаниями стандартных образцов на растяжение при двух скоростях деформирования, соответствующих приблизительно = 10^-2 и = 10^-4. Экспериментальные кривые течения аппроксимируем уравнением Свифта в виде

. (95)

Чтобы учесть влияние скоростного упрочнения, в уравнение (95) дополняем сомножителем, учитывающим скоростное упрочнение

; (96)

где -параметры аппроксимации, а коэффициенты деформационного и скоростного упрочнения. Для преобразования уравнений (95) в (96) берём кривые течения вдоль прокатки, полученные при двух скоростях деформирования (обычно = 10^-2 и = 10^-4). Аппроксимируем их уравнением (96) отдельно для каждой скорости деформирования. Затем для трёх значений деформации (0.05, 0.1 и 0.15) по аппроксимирующим уравнениям вычисляем напряжения ( ) при первой и ( ) при второй скорости деформирования. Для каждой из указанных деформаций вычисляем параметр скоростного упрочнения по формуле

(97)

вычисляем показатель скоростного упрочнения. Полученные результаты усредняем. На рис.38 приведены сравнительные кривые течения легированной стали для двух скоростей упрочнения, а на рис. 39 – аналогичные кривые течения для алюминиевого сплава Д16T4. Как видно из рисунков, листовая сталь упрочняются в результате повышения скорости деформации, у алюминиевого сплава происходит скоростное разупрочнение. Многочисленные эксперименты, выполненные авторами на других листовых сталях и алюминиевых сплавах, показывают, что алюминиевые сплавы склонны к разупрочнению по мере повышения скорости деформации, а у сталей при повышении скорости деформирования возникает скоростное упрочнение.

В табл. 11. приведены параметры аппроксимации испытанных сплавов уравнениями (95) и (96).

Рис.38. Сравнения кривых течения двухфазной стали при различных скоростях деформации

Рис.39. Скоростное разупрочнение алюминиевого сплава Д16Т4 при различных скоростях деформации

Таблица 11.

Материал	Параметры уравнений (95)
	A, МПа	ε0	n	m
сталь	1166,73	0,0037	0,1908	0,00663
Д16Т4	686,58	0,0125	0,2077	-0,00381

Динамические испытания на одноосное растяжение при скоростях деформации 10^-2 с^-1 и выше проводят на вертикальном маятниковом копре оригинальной конструкции. На рис. 39 представлена схема испытания на динамическое растяжение. Металлический корпус копра 2 устанавливается на бетонной подушке 1 с дубовыми демпферами. Образец 9 закрепляется в захватах 8. Копер 4 во взведенном состоянии фиксируется магнитным замком 6 на расчетной высоте h в направляющем фторопластовом цилиндре 5. Ударная динамическая нагрузка передается на образец через тарельчатую подвеску 3. Движение разрушенной части образца 9 с нижним захватом 8 ограничивается планкой 7. К верхней подвеске образца крепится датчик 10 усилия S5000. Датчик размещается в дубовом демпфирующем полукорпусе. Удлинения образца измеряются датчиком 11 линейных перемещения WA50. Для этого в области расчетной длины на образце закрепляют фиксирующие планки 13, параллельное движение которых обеспечивается также направляющей стойкой 12. Датчик перемещений также закрепляется на верхней направляющей планке 13, что обеспечивает измерение удлинения образца по расчетной длине l_o. Металлическая рама копра дополнительно обшита дубовым брусом для снижения влияния вынужденных колебаний образца и копра в процессе динамического нагружения.

Рис.40. Схема копра вертикального типа для испытания на динамическое одноосное растяжение

Рис 41. Образец для динамического растяжения

Испытания на растяжение проводят по следующей методике. Образец (рис.41) устанавливают в захваты. Сдвоенные захватные отверстия обеспечивают высокую точность центровки и жесткость образца в процессе динамического нагружения. Дополнительные галтели позволяют сосредоточить деформирование образца в пределах расчетной части l_o=7-8мм. На расчетную часть образца устанавливают датчик линейных перемещений МТ10 с точностью измерения ±3х10^-4мм как показано на рис.37, позиции 11-14. Датчик усилия S5000 крепится к захвату образца. Перемещения, усилия и время записываются в режиме реального времени на компьютер через карту динамической оцифровки PI1000 с частотой 250МГц с помощью программного обеспечения, разработанного И.А.Кретовым.

Растяжение образца ударной нагрузкой происходит в течение 0.01-0.001сек в зависимости от скорости деформирования, материала и размеров расчетной части образца. Таким образом, скорость деформирования является практически постоянной с начала деформирования до момента разрушения образца.

Учитывая закон сохранения количества движения образца и полное преобразование потенциальной энергии копра в кинетическую, вычисляют скорость деформации по формуле Галилея

(98)

где - удлинение образца, которое измеряют под микроскопом по окончании разрушения; Н – высота падения бойка, - ускорение свободного падения; - предельная логарифмическая деформация разрушения образца; масса захватных устройств и - вес бойка.

После записи экспериментальной диаграммы растяжения образца в координатах ; усилие – удлинение, - перестраивают в координатах истинное напряжение –логарифмическая полная деформация. Поскольку на вид диаграммы при записи оказывают собственные колебания и вынужденные колебания образца в момент нагружения, выполняется сглаживание кривой течения методами спектрального анализа по алгоритму и вычислительной программой, созданной Д.В.Елисеевым следующим образом.

Исследуется специального вида зависимость, которая является функцией времени. Вид функции известен заранее: в общем случае она состоит из участка монотонного возрастания (линейная функция), участка гладкого роста, содержащего одну точку максимума, и участка монотонного убывания. Однако, кроме информативных точек, результат испытания (временной ряд) содержит множество выбросных точек (точек, которые не содержат полезной информации). Таким образом, задача обработки полученных в результате эксперимента данных состоит в вычислении основных параметров кривой деформации, т.е. построении функции специального вида, наилучшим образом аппроксимирующей данный временной ряд. Предлагается следующий метод решения данной проблемы. Перед окончательным сглаживанием, что может быть осуществлено, например, методом квадратичных сплайнов для участка нелинейной зависимости и методом наименьших квадратов для линейных участков, производится чистка ряда, т. е. корректировка выбросных точек. Идея метода состоит в следующем. На каждом из трех участков предполагаем, что процесс развивается по следующему закону.

,

(99)

где a ­– угол наклона, b – свободный член, а_j , b_j – амплитуды колебаний, p_j – периоды колебаний. Таким образом, каждый из участков аппроксимируют, исходя из предположения, что соответствующий ему временной ряд состоит из линейной составляющей, так называемого «тренда», и некоторого набора гармоник – составляющей, возникающей из-за погрешности приборов и несовершенства метода проведения эксперимента. Аппроксимация осуществляется следующим образом. На основе полученных данных методом интегральных оценок вычисляются параметры линейного процесса а, b и коэффициенты Фурье а_j, b_j, т.е. амплитуды, соответствующие данным частотам. Число оцениваемых частот n определяется исходя из длины оцениваемого участка и равно приблизительно одной шестой исходной длины, функция p_j = p(j) в большинстве случаев имеет вид p(j) = Const * j, где Const – константа зависит от величины основного периода, определяемого экспериментально. Абсолютная величина амплитуд говорит о том, какой вклад вносит соответствующая частота в колебательный процесс. После отображения графической зависимости “амплитуда от частоты”, экспериментатор имеет возможность оценить, какие именно волновые составляющие содержат информацию о наиболее удаленных от направления основного развития процесса точках. Исходя из полученной информации, определяется важность каждой из частот. Амплитуды частот, вносящих ошибочную компоненту, приравниваются нулю, после чего происходит окончательная аппроксимация данного участка, т.е. процесс представляется в виде функции (99) с соответствующим образом измененными частотами.

На рис. 42 представлены динамические диаграммы растяжения среднелегированной стали при различных скоростях .

Рис.42. Динамические кривые течения стали ВН при скоростях деформации 700 и 900с^-1