Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса математического описания реологических свойств материалов при горячей пластической деформации и анализ современного состояния вопроса производства путевых шурупов 9
1.1 Подходы к описанию реологических свойств материалов при горячей пластической деформации 9
1.2 Современное состояние вопроса производства путевых шурупов 35
Выводы по главе 1 45
Глава 2. Совершенствование методики определения реологических свойств металлических материалов при горячей пластической деформации 47
2.1 Методика экспериментального исследования реологических свойств металлических материалов при горячей пластической деформации на примере стали 20 47
2.2 Результаты экспериментального исследования реологических свойств стали 20 при горячей деформации сжатием 49
2.3 Алгоритм математического описания экспериментально полученных зависимостей напряжения текучести от степени деформации при горячей пластической деформации 52
Выводы по главе 2 75
Глава 3. Постановка задачи моделирования горячей штамповки головки путевого шурупа Vossloh ss35 в программном комплексе SIMULIA Abaqus 77
3.1 Выбор прикладного программного инструментария для реализации метода конечных элементов 77
3.2 Алгоритм выполнения пользовательской подпрограммы VUHARD, интегрированной в программный комплекс SIMULIA Abaqus, для описания реологических свойств стали 20 при горячей пластической деформации 88
Выводы по главе 3 98
Глава 4. Исследование напряженно-деформированного состояния при горячей штамповке головки путевого шурупа Vossloh ss35 99
4.1 Исследования влияния температуры деформации и способа горячей штамповки головки путевого шурупа Vossloh ss35 на величину и кинетику изменения степени деформации 99
4.3 Исследование влияния температуры деформации на максимальное усилие, необходимое для штамповки головки путевого шурупа Vossloh ss35 112
4.4 Оценка высокотемпературной пластичности стали 20 методом испытания на растяжение при повышенных температурах 114
4.5 Анализ напряженно-деформированного состояния при горячей штамповке головки путевого шурупа Vossloh ss35 в условиях охлаждения 117
Выводы по главе 4 121
Заключение 123
Список литературы 125
Приложение 1 141
Приложение 2 144
Приложение 3 145
Приложение 4 146
- Подходы к описанию реологических свойств материалов при горячей пластической деформации
- Алгоритм математического описания экспериментально полученных зависимостей напряжения текучести от степени деформации при горячей пластической деформации
- Выбор прикладного программного инструментария для реализации метода конечных элементов
- Исследования влияния температуры деформации и способа горячей штамповки головки путевого шурупа Vossloh ss35 на величину и кинетику изменения степени деформации
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Мировое развитие железнодорожного транспорта предъявляет новые требования к применяемому железнодорожному крепежу, нежели те, которые регламентируются Российскими стандартами. Так для строительства высокоскоростных железных дорог применяются путевые шурупы c прямоугольной головкой, произведенные методом горячей пластической деформации. Одним из основных требований к качеству данного изделия является обеспечение полного формирования граней головки, что затруднительно при использовании штамповки в холодном состоянии. В связи с этим актуальной проблемой является определение параметров формоизменения и оценка напряженно-деформированного состояния при штамповке путевого шурупа в горячем состоянии.
Описание напряженно-деформированного состояния в процессах горячей пластической деформации может осуществляться с применением различных подходов, таких как инженерный метод, метод линий скольжения, энергетический метод, вариационные методы, метод верхней оценки. На сегодняшний день широкое распространение получил метод конечных элементов (МКЭ), который с математической точки зрения является обобщением вариационного метода. Однако использование любого из методов является невозможным без достоверного описания реологических свойств исследуемых материалов, в связи с чем возникает необходимость получения адекватной реологической модели, соответствующей реальным свойствам материала. Адекватность результатов оценки параметров напряжённо-деформированного состояния и определения энергосиловых параметров исследуемого процесса с использованием МКЭ напрямую связана с тем, какие реологические свойства материалов были заданы для исследуемой модели. Современной тенденцией при моделировании процессов горячей деформации является учет процессов разупрочнения, непосредственно в ходе деформирования, а именно: оценки разупрочнения вызванного динамической рекристаллизацией. Таким образом, актуальной становится задача математической обработки и описания экспериментально полученных зависимостей напряжения текучести стальной заготовки от степени деформации при различных условиях деформирования.
Цель работы: уточнение методики описания реологических свойств сталей при горячей пластической деформации с учетом динамической рекристаллизации, и ее применение при моделировании процесса штамповки прямоугольной головки путевого шурупа с целью повышения качества готового изделия.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи исследования
1. Анализ современных методик определения зависимости
напряжения текучести вида а = f{e,e,T} в процессах горячей обработки
давлением и возможности их применения в программных комплексах, реализующих МКЭ.
-
Усовершенствование методики определения реологических свойств металлических материалов, основанной на описании термически активированных процессов деформирования, путем определения параметров модели, базирующейся на уравнении Аррениуса и параметре Зи-нера-Холломона для описания температурно-скоростных зависимостей напряжения текучести на примере стали 20.
-
Усовершенствование постановки и решение методом конечных элементов краевой задачи теории пластичности применительно к процессам горячей пластической деформации на основе уравнений связи напряжения текучести с температурно-скоростными условиями процесса с учетом динамической рекристаллизации.
-
Определение граничных условии и разработка подпрограммы для программного комплекса SIMULIA Abaqus позволяющую определить реологические свойства на каждом шаге расчета при моделировании горячей пластической деформации.
-
Анализ влияние температурно-скоростных условий деформирования на напряженно-деформированное состояние головки путевого шурупа при горячей штамповке, а также оценить энергосиловые параметры процесса, для установления возможности производства с полным формированием граней головки путевых шурупов, используемых при строительстве высокоскоростных железных дорог, в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ», для реализации импортозамещения указанной продукции.
Научная новизна
-
Усовершенствована методика определения экспериментальных зависимостей напряжения текучести от степени, скорости и температуры деформирования, отличающаяся учетом динамической рекристаллизации и использованием метода взвешенной локальной регрессии при определении критической степени деформации.
-
Впервые, с использованием физико-математических зависимостей и экспериментальных данных, получена аналитико-эмпирическая система уравнений для описания реологических свойств стали 20 при деформировании в горячем состоянии, отличающаяся от известных учетом разупрочнения вызванного динамической рекристаллизацией, обеспечивающая высокую сходимость рассчитанных и экспериментальных данных (R2=0,97).
3. Уточнены параметры напряженно-деформированного состояния стальной заготовки при горячей штамповке прямоугольной головки путевого шурупа, с учетом изменения уровня напряжений в процессе деформирования вызванного динамической рекристаллизацией.
Практическая значимость
Показана технологическая возможность штамповки головки путевого шурупа с полным формированием граней методом горячей пластической деформации на имеющемся оборудовании ОАО «ММК-МЕТИЗ», что позволит реализовать импортозамещение крепежа, используемого при строительстве высокоскоростных железных дорог.
Предложены технологические режимы горячей штамповки обеспечивающие повышение качества продукции по геометрическим размерам, а именно полное формирование граней прямоугольной головки путевого шурупа.
Оценены максимальные усилия необходимые для полного формирования граней головки путевого шурупа при использовании цельного пуансона 1900 кН и при использовании сборного подпружиненного пуансона 1460 кН.
Основные положения, выносимые на защиту
Методика математического описания экспериментальных зависимостей напряжения текучести от степени деформации при различных температурно-скоростных условиях деформирования.
Математическая модель, описывающая реологические свойства стали 20
Подпрограмма, позволяющая на каждом шаге расчета при моделировании с использованием метода конечных элементов, в программном комплексе SIMULIA Abaqus, задавать пластические свойств исследуемого материала.
Результаты анализа параметров НДС и оценки энергосиловых параметров процесса горячей штамповки прямоугольной головки путевого шурупа Vossloh ss35.
Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов подтверждена с использованием научно-исследовательского комплекса Gleeble 3500, а теоретических результатов, математическим моделированием с применением программных комплексов реализующих МКЭ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XV International scientific conference «New technologies and achievements in metallurgy, material engineering and production engineering» (г. Честохова, Польша, 2014 г.); X конгрессе прокатчиков (г. Липецк, 2015 г.); 2-я Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении - ИТММ-2014» (г. Пермь, 2014 г.); «Инноваци-
онные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства» (г. Магнитогорск, 2015 г.); Международной научно-технической конференции молодых специалистов (г. Магнитогорск, 2014 г.); II-ой Международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства» (г. Магнитогорск, 2016 г.); XXII Уральской школе металловедов-термистов (г. Орск, 2014 г.); XI международной научно-технической конференции посвященной 100 -летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР В.С. Смирнова (1915-1973), ректора Ленинградского политехнического института (1956-1973) (г. Санкт-Петербург, 2015 г.).
Личный вклад автора состоит в проведении сравнительного анализа математических зависимостей, позволяющих описать реологические свойства металлических материалов в процессах горячей обработки давлением; разработке методики проведения экспериментального исследования; постановке задачи конечно-элементного моделирования, анализе, обобщении и обосновании результатов экспериментальных и теоретических исследований.
Публикации. Результаты работы отражены в 9-ти статьях, в т.ч. 3-х статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста и включает введение, 4 главы, 8 таблиц, 65 рисунков, заключение, библиографический список из 140 наименований и 4 приложений.
Подходы к описанию реологических свойств материалов при горячей пластической деформации
На сегодняшний день большое количество исследований посвящено математическому моделированию прочностных характеристик сталей в процессах горячей деформации и исследованию кинетики рекристаллизации.
Для прогнозирования течения металла и энергосиловых условий при исследовании процессов обработки металлов давлением (ОМД), а, в частности, процессов горячей пластической деформации, необходимы сведения о реологических свойствах материалов непосредственно в процессе деформирования.
Для описания изменения зависимости напряжения текучести от темпера-турно-скоростных параметров деформирования в процессах горячей пластической деформации существует два основных подхода. Первый подход заключается в проведении большого количества экспериментальных исследований определения зависимости напряжения текучести от степени деформации при различных условиях деформирования, таких как скорость, температура деформации, путем испытания на сжатие, кручение, растяжение и т.д.
Второй подход заключается в регрессионном анализе небольшого набора экспериментальных данных для определения численных значений коэффициентов, входящих в математическую модель вида а = f(s,s,Г), и ее дальнейшее применение для интерполяции данных в пределах этого диапазона и экстраполяции за его пределами.
Первый подход широко применялся в работах Зюзина В.И. [22]. В своих работах автор приводит экспериментально полученные кривые текучести для углеродистых марок стали. На рис. 1 показано семейство кривых текучести стали 20 при максимальной степени деформации 50%, скорости деформации в диапазоне 0,5-50 с-1, и температуре деформирования 900-1200 оС.
Необходимо отметить, что при проведении исследования, представленного в работе [22], использовался слишком крупный шаг изменения скорости деформации, что не позволяет достоверно оценивать напряжение текучести при скоростях, находящихся между выбранными для проведения экспериментального исследования. Таким образом, для применения такого подхода при описании процессов горячей пластической деформации, в которых присутствует значительный градиент температур и скоростей деформирования, его использование потребует проведения достаточно большого количества дополнительных испытаний. Существенным недостатком первого подхода является отсутствие возможности экстраполяции данных за пределами экспериментально определенных зависимостей напряжения текучести от степени деформации, поскольку не определена математическая модель, связывающая параметры деформации.
Второй подход к описанию реологических свойств также, как и первый, базируется на проведении экспериментальных исследований.
Для реализации второго подхода различными учеными были разработаны математические модели, устанавливающие связь параметров процесса деформации, характеристик исходного состояния материала и напряжения текучести непосредственно в процессе деформационной обработки.
Она включает в себя следующие компоненты: КЕ - устанавливает влияние степени деформации на напряжение текучести и может быть выражен в следующем виде КЕ =аєс - Рє, где сс,с,Р - константы, зависящие от свойств материала; Kt определяет влияние температуры на напряжение текучести и может быть выражен в виде т = где А - константа, зависящая от свойств материала, Т температура деформации; Кё - параметр, определяющий влияние скорости деформации на напряжение текучести. Он может быть выражен в виде Кё = уёвт, где у,В - константа, зависящая от свойств материала; т0 - «базовое» напряжение текучести, определенное при 7" = 1000 С, = 0.1 с-1., = 0.2. Все константы, входящие в данное уравнение, определялись при помощи регрессионного анализа экспериментальных данных.
Все представленные математические модели базируются на принципах теории дислокационного упрочнения и включают в себя множество коэффициентов, характеризующих кристаллическое строение материалов и их свойства. Однако перечисленные выше математические модели обладают существенным недостатком. Процесс получения численных значений коэффициентов требует проведения большого количества экспериментальных исследований.
Одним из основных механизмов управления микроструктурой и формирования конечных свойств готового изделия является процесс динамической рекристаллизации, протекающий непосредственно в процессе деформации. Поэтому на сегодняшний день широкое распространение для описания реологических свойств материалов в процессах горячей пластической деформации получили математические модели, основанные на принципах термодинамики, энергии активации и кинетики процессов деформационного упрочнения и рекристаллизации.
Процесс горячей деформации протекает в условиях высокой пластичности, в ходе которого присутствуют упрочнение и разупрочнение материала.
Механизм процесса деформационного упрочнения связан с увеличением плотности дислокаций под воздействием внешних сил. Кроме этого также происходит непосредственное взаимодействие дислокаций друг с другом, в результате чего происходит формирование дислокационных сплетений разной степени стабильности и сложности.
Нагрев металла сопровождается протеканием таких процессов, как диффузия точечных дефектов и их сток в дислокации и границы при попутной аннигиляции части вакансий с межузловыми атомами; перераспределение дислокаций простым и поперечным скольжением, при аннигиляции дислокаций противоположных знаков, а также сужением дислокационных петель; перераспределение дислокаций переползанием; формирование малоугловых границ; миграция малоугловых и большеугловых межзеренных границ в деформированную матрицу; миграция межзеренных границ между рекристаллизованными зернами и рост последних.
Процесс разупрочнения заключается в уменьшении плотности дислокаций, а также их перераспределении для обеспечения более стабильного состояния.
Комбинация термо-механических параметров, присущая процессам горячей деформации (скорость, степень и температура деформации) способствует протеканию таких процессов, как перераспределение дислокаций за счет вакансионного переползания, образование зародышей рекристаллизации и их роста за счет миграции большеугловых границ.
Экспериментальная зависимость напряжения текучести от степени деформации при горячей пластической деформации в присутствии процесса динамической рекристаллизации может быть описана следующим образом [29] (рис. 2), где DRV – график зависимости напряжения текучести от степени деформации, при протекании процесса динамического возврата, а DRX – график зависимости напряжения текучести от степени деформации, в присутствии процесса динамического возврата и динамической рекристаллизации. Начальная стадия сопровождается непрерывным ростом напряжения текучести в результате увеличения плотности дислокаций. При достижении критической плотности дислокаций (критическая степень деформации) наблюдается снижение скорости деформационного упрочнения, которая становится равной нулю при достижении пикового значения напряжения текучести. В этот момент над процессами деформационного упрочнения начинают преобладать процессы разупрочнения. Дальнейшее увеличение степени деформации приводит к снижению напряжения текучести и выходу его на установившийся уровень. Наличие установившейся стадии при горячей деформации можно рассматривать как ее основное отличие от холодной деформации [30]. Начальный процесс деформационного упрочнения сопровождается увеличением плотности дислокаций и началом формирования ячеистой структуры. Дислокационные петли распространяются от источников Франка – Рида, находящихся внутри ячеек. Пересечение дислокационных петель с другими дислокациями вызывает образование порогов, которые порождают точечные дефекты при дальнейшем движении дислокаций, что способствует переползанию краевых дислокаций [31]. Спад уровня напряжений вызван аннигиляцией дислокаций противоположных знаков в стенках ячеек.
Алгоритм математического описания экспериментально полученных зависимостей напряжения текучести от степени деформации при горячей пластической деформации
Полученные в пункте 2.2 экспериментальные зависимости напряжения текучести от степени деформации в соответствии с методикой экспериментального исследования, описанного в пункте 2.2, использовались для определения коэффициентов, входящих в систему уравнения (39).
Система уравнений (39) состоит из двух уравнений. Первое уравнение системы (39) позволяет описать участок деформационного упрочнения и разупрочнение за счет динамического возврата, и включает такие параметры как Jsat установившееся напряжение в результате динамического возврата; т0 - условный предел текучести; Q - параметр, характеризующий процесс деформационного упрочнения.
После того, как значение степени деформации во время деформирования превысит критическое значение, для описания реологических свойств сталей необходимо использовать второе уравнение системы (39). Оно позволяет описать изменение реологических свойств стали после достижения критической степени деформации. С помощью второго уравнения системы становится возможным описание процесса разупрочнения и определения доли рекристаллизованной структуры в результате протекания процесса динамической рекристаллизации. В эту часть системы уравнений входят следующие параметры: ар - пиковое значение напряжения текучести; rss - установившееся напряжение текучести; sc - критическая степень деформации; є - степень деформации, соответствующая пиковому значению напряжения текучести; К и N - параметры, характеризующие кинетику процесса рекристаллизации.
Использование данной системы уравнений в исходном виде затрудненно, поскольку она не позволяет рассчитывать зависимость напряжения текучести от степени деформации за пределами набора экспериментальных данных, а также в диапазонах, лежащих между экспериментально полученными кривыми текучести. В результате чего возникает необходимость определить непрерывную функцию, позволяющую вести расчет в пределах экспериментального диапазона и, кроме того, позволяющую рассчитывать значения напряжения текучести в определенных границах, выходящих за пределы набора экспериментальных данных.
Для решения данной задачи необходимо установить связь параметров входящих в систему уравнений (39), таких как jsat, т0, Q, jp, JSS, єс, єр, с параметром Зинера-Холломона (Z) (уравнение (40)), характеризующим температурно-скоростные параметры деформации
Выбор той или иной функции (42), (43), (44) осуществляется на основании оценки достоверности описания экспериментальных данных. В литературе использование этих функций связывают с величиной напряжения текучести, таким образом степенная функция (42) применяется для низких значений напряжения текучести, экспоненциальная функция (43) позволяет описать высокие значения напряжения текучести, в то время как функция гиперболического синуса (44) может быть условно использована для всего диапазона напряжений текучести.
Таким образом, начальным этапом при построении математической модели зависимости напряжения текучести от термо-механических параметров является определение критической степени деформации для разграничения областей применения системы уравнений (39) при описании реологических свойств сталей.
Методика определения критической степени деформации описана в работах [40, 41], которая заключается в двойном дифференцировании экспериментальных данных.
При построении графика зависимости скорости деформационного упрочнения в = от напряжения текучести т, критическая степень деформации может быть определена в точке отклонения данного графика от линейного вида. На практике использование денной методики затруднительно для определения степени деформации, при которой происходит отклонение графика от линейного вида. Для решения этой проблемы график зависимости 0 = d от а дифференцируют второй раз, и строят график зависимости d от т. Критической степени деформации будет соответствовать минимум на данном графике [100].
Рассмотрено применение данной методики определения критической степени деформации на примере анализа экспериментальной зависимости напряжения текучести от степени деформации стали 20 (рис. 20).
Экспериментально полученная зависимость напряжения текучести от степени деформации сильно зашумлены, что не позволяет проводить их численное дифференцирование. Для сглаживания экспериментальных данных в отличие от работы [41], где используется полиномиальная функция высоких степеней, авторами диссертаций предложено использование взвешенной локальной регрессии. При применении взвешенной локальной регрессии для каждой точки из диапазона экспериментальных данных выбирается набор фиксированного числа рядом расположенных точек, каждой их которых назначается вес в соответствии с уравнением где xk - значение предиктора, связанное с подлежащим сглаживанию значением отклика, xi - ближайшее значение к xk из определенного диапазона; d{xk - расстояние по абсциссе от xk до самого дальнего значения предиктора в пределах диапазона [101].
Основным преимуществом использования взвешенной локальной регрессии для сглаживания данных является отсутствие необходимости в использовании конкретной функции для описания экспериментально полученной зависимости, при этом указывается только значение параметра сглаживания и степень локального многочлена. Таким образом, использование взвешенной локальной регрессии делает возможным описание экспериментальных данных для которых отсутствуют теоретические модели.
На рис. 21 представлен график зависимости скорости деформационного упрочнения от напряжения текучести.
Минимум на данном графике соответствует критической степени деформации, то есть началу процесса динамической рекристаллизации [102, 103].
Используя данный способ, были определены критические степени деформации для всего набора экспериментальных данных (таблица 2).
Выбор прикладного программного инструментария для реализации метода конечных элементов
Непосредственно для расчетов был использован модуль Abaqus/Explicit. Данный модуль позволяет проводить расчеты для нелинейных быстро протекающих процессов, таких, как горячая объемная штамповка, и предназначен для анализа технологических процессов, в которых присутствует значительная неравномерность в распределении деформации, напряжений и скоростей деформации.
Для моделирования процесса горячей штамповки головки путевого шурупа Vossloh ss35 в системе CAD моделирования Компас-3D была разработана геометрия деформирующего инструмента (рис. 35), обеспечивающего соблюдение геометрических размеров (рис. 36).
Поскольку заготовка является осесимметричной, при моделировании была использована ее четверть.
В программном комплексе SIMULIA Abaqus геометрия деформирующего инструмента и заготовки определяется в модуле PART.
На рис. 37 представлен интерфейс модуля PART и геометрия заготовки.
После того определения геометрии деформирующего инструмента и заготовки, на них наносится сетка конечных элементов.
Выбор типа конечного элемента и его свойства определяются с использованием модуля MESH.
На рис. 38, 39 представлена сетка конечных элементов, нанесенных на заготовку и инструмент пуансонного и матричного блоков.
В местах заготовки, подвергающихся наибольшим деформациям, дополнительно было нанесено локально сгущение сетки конечных элементов.
Тип конечного элемента был выбран C3D8T, его схематическое изображение представлено на риc. 40.
Данный элемент представляет собой параллелепипед с восьмью точками интегрирования, позволяющий решать термо-деформационные задачи.
Общий вид окна выбора свойств конечного элемента представлен на рис. 41.
Количество конечных элементов, использованное для решения данной задачи, составило 40000.
Для инструмента пуансонного и матричного блока был выбран конечный элемент типа R3D4, представляющий собой недеформируемый двумерный четырехгранник.
После задания начальной геометрии инструмента и заготовки, а также нанесения сетки конечных элементов, необходимо расположить части моделируемой системы относительно друг друга, определить их перемещение, и определить их контактное взаимодействие.
Модуль ASSEMBLY позволяет создать сборку исследуемой системы. Расположение инструмента и заготовки представлено на рис. 42.
Модуль LOAD позволяет определить перемещение инструмента, и задать силовое воздействие.
Для пуансона и стержня пуансона было ограничено вращение вокруг любой из осей, а также запрещено перемещение вдоль осей X и Y.
Для матрицы перемещения и вращения были полностью ограничены.
Для обеспечения условия осесимметричной задачи на плоскостях сечения заготовки, параллельных осям X и Y, были заданы граничные условия, запрещающие перемещение узлов сетки конечных элементов, находящихся на плоскостях симметрии в направлениях, перпендикулярных соответствующим осям.
Контактное взаимодействие между частями системы определялось в соответствии с законом трения Амантона-Кулона. Данный закон трения предполагает, что относительное перемещение точек деформируемого тела и инструмента не происходит до тех пор, пока эквивалентное напряжение, вызванное силами тре т1 + т2 , не превысит критического значения напряжений rcrit = /лР (см. рис. 43), где // - коэффициент трения; Р - контактное давление.
При использовании изотропной формулировки условий трения, направление скольжения и вектора напряжений, вызванных силой трения, совпадает, что может быть описано зависимостью где yi - скорость скольжения в направлении /; уе - величина скорости скольжения тщ = у\ + у\ . Значение коэффициента трения было выбрано 0,35 [124-131].
Условие контактного взаимодействия задавалось для всей модели целиком с использованием General Contact (Explicit), применение которого позволяет определять контактное взаимодействие в сложных системах с большим количеством элементов. Алгоритм автоматически находит контактирующие поверхности и включает их в расчет контактного взаимодействия. Отсутствует необходимость вручную определять все контактирующие поверхности, а также те поверхности, которые могут вступить в контакт, и задавать параметры и свойства их взаимодействия.
Окно определения свойств контактного взаимодействия представлено на рис. 44.
Для задания параметров теплообмена используется модуль Interaction. Для решения данной задачи условия теплообмена определялись для двух случаев. Первый случай – теплообмен с окружающей средой (охлаждение на воздухе).
Температура эффициенту теплопроводности стали и составил 40 окружающей среды была выбрана для нормальных условий (293 K). Окно определения свойств теплообмена представлено на рис. 45.
Наиболее важным этапом при задании начальных условий для конечно-элементного моделирования процесса горячей штамповки головки путевого шурупа является определение свойств деформируемой заготовки.
Наиболее простым способом задания реологических свойств в программном комплексе SIMULIA Abaqus, представляется, табличный вид с непосредственным использованием экспериментальных данных (рис. 46).
Основными свойствами материала, которые необходимо определить, являются: 1. Упругие свойства:
1.1 Модуль упругости (E, МПа).
1.2 Коэффициент Пуассона (//).
2. Плотность материала (р, т/мм3).
3. Теплопроводность (/, вт/(м К)).
4. Теплоемкость (С, мДж/(т К)).
5. Пластические свойства (экспериментальная зависимость напряжения текучести от степени деформации) (сг, МПа ).
6. Коэффициент линейного термического расширения (а , К-1).
7. Деформационный разогрев (АТД, К)
Такой вариант задания реологических свойств заключается в том, что в табличном виде описывается зависимость напряжения текучести от степени деформации при различных температурах и скоростях деформирования, а значения, которые не лежат на экспериментальных кривых текучести, интерполируются. Для получения адекватных результатов моделирования методом конечных элементов необходимо проведение большого количества экспериментальных исследований.
Кроме табличного варианта в программном комплексе SIMULIA Abaqus представлены некоторые математические модели, позволяющие получить непрерывную зависимость напряжения текучести от степени деформации. А также реализована возможность применения пользовательских математических моделей, используя подпрограммы.
Исследования влияния температуры деформации и способа горячей штамповки головки путевого шурупа Vossloh ss35 на величину и кинетику изменения степени деформации
На формоизменение, и напряженно-деформированное состояние в процессе штамповки головки путевого шурупа оказывает влияние множество факторов, таких как температура деформации, скорость деформирования, размер заготовки.
С этой целью для исследования были выбраны следующие параметры:
- Температура деформации от 900 оС до 1200 оС;
- Скорость перемещения деформирующего инструмента 30 мм/с. Рассмотрены два варианта технологического процесса. Первый вариант технологического процесса представляет собой штамповку головки путевого шурупа цельным (приложение 2, а) пуансоном за один ход деформирующего инструмента. Второй вариант заключается в использовании составного подпружиненного пуансона (приложение 2, б).
Постановка задачи исследования НДС для двух вариантов технологической операции штамповки головки путевого шурупа Vossloh ss35 описана в главе 3.
Анализ напряженно-деформированного состояния проводился по всему объему заготовки, но для исследования кинетики изменения степени деформации и величины напряжений были выбраны 7 характерных точек, расположение которых представлено на рис. 48.
Точки 1-3 выбраны для анализа кинетики течения материала и изменения НДС в области формирования грани прямоугольной части головки путевого шурупа, поскольку полное формирование граней является одним из основных требований к готовому изделию. Точка 4 расположена в середине заготовки. Эта область может быть охарактеризована большими деформациями и значительным течением металла в направлении, перпендикулярном движению пуансона. Точка 5 выбрана в области перехода прямоугольной части головки путевого шурупа к фланцу. Поверхностные слои металла, расположенные в данной области, подвергаются интенсивному деформированию за счет непосредственного контакта с пу ансоном и возникающих при этом сил трения. Точка 6 расположена на краю фланца, она была выбрана с целью описания НДС в месте наибольшего течения металла. Точка 7, расположенная на нижней стороне фланца, находится в постоянном контакте с матричным блоком и под постоянным давлением верхних объёмов металла.
Основным варьируемым параметром при проведении данного исследования была температура деформации. Для целей исследования, методом конечных элементов осуществлялось моделирование горячей штамповки головки путевого шурупа по двум технологическим вариантами. Деформация проводилась без учета охлаждения при температурах деформирования 1200, 1150, 1100, 1000, 900 оС.
На рис. 49-51 приведены графические зависимости степени деформации от величины перемещения деформирующего инструмента при различных температурах деформации, полученные для семи исследуемых точек, расположение кото рых представлено на рис. 48.
Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод о том, что переход от штамповки цельным пуансоном к штамповке составным подпружиненным пуансоном вносит отличия в характер изменения степени деформации на финальных этапах деформирования. Таким образом, при штамповке цельным пуансоном после достижения величины перемещения деформирующего инструмента при значении 55,5 мм наблюдается резкий рост степени деформации во всех исследуемых точках, за исключением точки №7.
Кроме того, необходимо отметить тот факт, что изменение температуры деформации не приводит к существенному изменению вида зависимости степени деформации от перемещения деформирующего инструмента, так же как и максимальных значений степени деформации (таблица 5)
Для более наглядного сравнения на рис. 52 сплошными линиями приведены графики зависимости степени деформации от величины перемещения деформирующего инструмента для семи исследуемых точек при температуре деформации 1150 оС без учета охлаждения при штамповке головки путевого шурупа цельным пуансоном, а пунктирными линиями показаны аналогичные зависимости, но для штамповки составным подпружиненным пуансоном.
Как видно из рис. 52 штамповка головки путевого шурупа составным подпружиненным пуансоном приводит к существенному снижению степени деформации в исследуемых точках по отношению к процессу штамповки цельным пуансоном. Наибольшее снижение степени деформации наблюдается в точках, расположенных на фланце и внизу грани. В них падение степени деформации составило 69 % и 56 % соответственно. Однако в точках, расположенных на верху грани и на нижней стороне фланца, находящихся в контакте с матричным блоком, наблюдается рост степени деформации при штамповке составным подпружиненным пуансоном, в них рост степени деформации составил 32 % и 20 % соответственно. Наименьшее отличие в значении степени деформации между штамповкой цельным и составным подпружиненным пуансоном наблюдается в точке, расположенной в области перехода от прямоугольной части головки путевого шурупа к фланцу, падение степени деформации составило 7%.
Из рис. 53 видно, что штамповка за цельным пуансоном обеспечивает более низкие значения степени деформации в прямоугольной части головки 0,17 - 0,34, в то время как при штамповке составным подпружиненным пуансоном величина степени деформации в той же области составляет 0,34-0,67. Однако при штамповке цельным пуансоном достигается среднее значение степени деформации в области фланца в диапазоне 1,67 - 2,33, в то время, как при штамповке составным подпружиненным пуансоном среднее значение степени деформации лежит в диапазоне 1,34 – 1,67.