Розробка моделі для врахування розміцнення сталі для моделювання процесів багатоперехідного гарячого штампування
Анотація
Марков О. Є., Молодецький В. В., Зінській В. М., Алдохін М. Д., Мусорін А. В.
Розробка моделі для врахування розміцнення сталі для моделювання процесів багатоперехідного гарячого штампування
Технологічні процеси багато перехідного гарячого об’ємного штампування потребують оптимізації технологічних режимів задля зниження силових параметрів процесів деформування. Це обумовлено зниженням енергетичних витрат при серійному виробництві крупногабаритних штамповок масою від 20 до 100 кг. Знизити силові параметри багатоперехідних процесів штампування можливо за рахунок точного встановлення та зниження рівня напружень, які виникають у заготовці під час її деформації. Штампування крупногабаритних поковок у серійному виробництві є дороговартісним процесом, тому ці технологічні процеси вимагають проведення скінчено-елементного моделювання та аналізу напруженого стану металу заготовки та силових режимів деформування на кожному переході. Це моделювання потребує точного визначення напруженого стану заготовки під час штампування. Спираючись на аналізу літератури за останній час було визначено, що основний метод при моделюванні штампування крупногабаритних поковок проводився з використанням методу скінчених елементів (МСЕ). В основному приділяли увагу зміненню форми заготовки у процесі штампування за новими способами та впливу форми деформуючого інструменту на розподіл деформацій у тілі заготовки. Відомі програмні комплекси задля моделювання процесів гарячого штампування на основі МСЕ не мають можливості враховувати процеси розміцнення матеріалу, що відбувається при високотемпературній деформації. Це викликано відсутністю моделі, які зв’язує швидкості деформацій та компоненти напружень для урахування процесів розміцнення. Облік релаксації внутрішніх напружень дозволить встановити скорегований напружений стан металу заготовки та силові характеристики операцій штампування. У статті представлено, що при розрахунку операцій штампування слід приймати до уваги не тільки процеси зміцнення сталі, але й розміцнення матеріалу, що має місце у процесах гарячого багатоперехідного штампування. На базі пружно-в’язкої моделі Максвелла був визначений зв'язок тензору швидкостей деформацій та напружень. Ця модель може враховувати релаксацію внутрішніх напружень. Встановлена аналітична модель була перевірена експериментально на сталі С-60 при температурах гарячого штампування. Доведено, що встановлена модель на 90…95 % відтворює реологію сталі при гарячому штампуванні. Встановлений аналітичний зв'язок тензорів напружень та швидкостей деформації дозволив проводити прямий чисельний розрахунок процесів багатоперехідного штампування без додаткових ітераційних процедур МСЕ. Це дало можливість точніше враховувати дійсні характеристики сталі, що значно знизило чисельність ітерацій, а відповідно і час моделювання.
Посилання
Markov O.E., Zlygoriev V.N., Gerasimenko O.V., Hrudkina N.S., Shevtsov S.A. Improving the quality of forgings based on upsetting the workpieces with concave facets. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. 5(1-95), рр. 16-24. http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.142674
Buckingham R.C., Argyrakis C., Hardy M.C., Birosca S. The effect of strain distribution on microstructural developments during forging in a newly developed nickel base super alloy. Materials Science & Engineering. 2016. A654, pp. 317–328. http://doi:10.1016/j.msea.2015.12.042
Ма F., Lu W., Qin J., Zhang D., Ji B. The effect of forging temperature on microstructure and mechanical properties of in situ TiC/Ti composites. Mater. аnd Des. 2007. 28, pp. 1339–1342. http://doi:10.1016/j.matdes.2006.02.004
Ma Q., Lin Z., Yu Z. Prediction of deformation behavior and microstructure evolution in heavy forging by FEM. International Journal Advanced Manufactory Technology. 2009. 40(3-4), pp. 253-260. http://dx.doi.org/10.1007/s00170-007-1337-9
Pantalé, O., Gueye, B. Influence of the constitutive flow law in FEM simulation of the radial forging process. Journal of Engineering. 2013. Article ID 231847, 8 pp. http://dx.doi.org/10.1155/2013/231847
Yunjian, W., Xianghuai, D., Qiong, Y. Upper bound analysis of axial metal flow inhomogeneity in radial forging process. International Journal of Mechanical Sciences. 2015. 93, pp. 102–110. http://doi:10.1016/j.ijmecsci.2015.01.012
Kukhar V., Burko V., Prysiazhnyi A., Balalayeva E., Nahnibeda M. Development of alternative technology of dual forming of profiled workpiece obtained by buckling. East-European Journal of Enterprise Technology. 2016. 3/7(81), pp. 53–61. https://doi:10.15587/1729-4061.2016.72063
Dobrzański L.A., Grajcar A., Borek W. Influence of hot-working conditions on a structure of high-manganese austenitic steels. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2008. 29/2, pp.139-142.
Weides G., Blaes N., Bokelmann D. Optimisation of the forging process of profiled discs for low pressure turbine rotors by FEM simulation. 17 International Forgeмasters Meeting, Santander, Spain, (3–7 Nov. 2008).
Erman E., Medei N. M., Roesch A. R., Shah D. C. Physical modeling of the upsetting process in open-die press forging. Journal Mechanoc Working Technology 1989. 19, pp.195–210. http://doi:10.1016/0378-3804(89)90004-1
Markov O.E. et al. Development of a new process for forging plates using intensive plastic deformation. International Journal Advanced Manufactory Technology. 2016. 83(9-12), pp. 2159–2174. http://doi.org/10.1007/s00170-015-8217-5
Kitamura K., Terano M. Determination of local properties of plastic anisotropy in thick plate by small-cube compression test for precise simulation of plate forging. СIRP Ann - Manuf Techn. 2014. 63(1), pp. 293-296. http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2014.03.038
Markov O.E. Forging of Large Pieces by Tapered Faces. Steel in Translation. 2012. 42(12), pp. 808 – 810. https://doi.org/10.3103/S0967091212120054
Mitani Y., Mendoza V., Osakada K. Analysis of rotor shaft forging by rigid-plastic FEM. Journal Material Processes Technology. 1991. 27, pp. 137–149. http://doi:10.1016/0924-0136(91)90049-K
Markov O.E. et al. А new process for forging shafts with convex dies. Research into the stressed state. International Journal Advanced Manufactory Technology. 2017. 90, pp. 801 – 818. http://doi.org/10.1007/s00170-016-9378-6
Markov O., Khvashchynskyi A., Musorin A., Lysenko, A. FEM study of the drawing method of hollow forgings with a bottom without a mandrel. Materials Working by Pressure. 2023. 1(52), pp. 3-9. DOI: https://doi.org/10.37142/2076-2151/2023-1(52)3 (in Ukrainian).
Markov O., Stankov V., Panov V., Zinskyi V. Study of deformation method of hollow workpieces with bottom by dies with chamfer. Materials Working by Pressure. 2023. (1(52), pp. 71-78. DOI: https://doi.org/10.37142/2076-2151/2023-1(52)71 (in Ukrainian).
Markov O., Molodetskyi V., Zinskyi V., Abhari P. Experimental study of a new process of deformation of forgings such as sleeves. Materials Working by Pressure. 2023. (1(52), pp. 79-85. DOI: https://doi.org/10.37142/2076-2151/2023-1(52)79 (in Ukrainian).
