Моделирование характера течения металла в процессе заполнения рабочей полости штампа в условиях изотермической штамповки

 
Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 
УДК 621.735, 519.711.3 
DOI 10.12737/8148 
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В 
ПРОЦЕССЕ  ЗАПОЛНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ ШТАМПА  В 
УСЛОВИЯХ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ 
Жаров Максим Владимирович   
доцент, к.т.н. 
ФГБОУ ВПО  МАТИ – Российский  государственный  
технологический университет   имени  К.Э. Циолковского 
121552, г. Москва,  Оршанская  ул., д.3, тел. (499) 141-94-53.  Е-mail: tomd@mati.ru 
  
В статье исследуются особенности характера течения металлов и  сплавов 
при оформлении сложнооребренных панелей методами изотермической штамповки и 
штамповки в режиме сверхпластичности. Исследуется характер течения при использовании в качестве материала изделия алюминиевых сплавов АМг6  и  01420. Даются 
рекомендации для получения бездефектных панелей с применением  оптимальных температурно-скоростных  режимов деформирования. 
 
 
 На современном этапе одним из наиболее прогрессивных методов 
изготовления панелей с оребрением в условиях серийного производства 
является изотермическая штамповка. Изотермическая штамповка с малыми скоростями  при постоянной оптимальной температуре деформации 
обеспечивает высокие пластические свойства обрабатываемого материала, 
однородность температурного поля внутри заготовки, равномерность деформаций, снижение усилия штамповки и усилия нагрузки на инструмент 
[1,2].   
В реальных технологических процессах при изготовлении ребристых панелей и обечаек с продольно-поперечным и лучевым оребрением в 
том случае, когда толщина ребра  превышает толщину полотна  изделия, 
довольно часто возникают дефекты в теле панели, такие как: зажимы на 
боковой поверхности ребер, утяжины на гладкой поверхности панели в 
95 

Сборник статей Современные технологии обработки металлов и сплавов 
 
подреберной зоне и окисные плены в  центральной области ребра. Известно, что подобного рода дефекты возникают в результате потери устойчивости материалом заготовки в случае относительно малой толщины последней [3]. В частности, образование зажима в центральной части ребра 
происходит в основном за счет потери устойчивости заготовки при формировании ребра. В момент потери устойчивости образуется складка, в которую затягивается воздух и находящаяся на поверхности заготовки смазка. 
При достижении воздушной полости поверхности штампа, образующей 
вершину ребра, она начинает подвергаться интенсивной деформации в 
вертикальном направлении. Вместе с материалом заготовки деформируется и образовавшийся воздушный пузырь. Образуется складка. 
Наиболее перспективным, но в то же время наименее изученным 
способом влияния на характер течения металла при изотермической штамповке ребристых панелей и получения бездефектного изделия представляется оптимальный выбор размеров исходной плоской заготовки и регулирование температурно-скоростных параметров процесса. Однако для 
четкого представления о влиянии того или иного параметра на характер 
течения металла в полости штампа необходимо провести комплексный 
анализ процесса пластического формоизменения. 
Были проведены исследования  влияния толщины исходной плоской 
заготовки и температурно-скоростных параметров изотермической штамповки на характер течения металла при формировании сложнооребренных 
изделий. Основные работы по исследованию характера течения металла 
проводились математическим моделированием процесса изотермической 
штамповки методом конечных элементов с применением программного 
продукта QForm российской компании Квантор. Программа QForm 
предназначена для исследования процессов обработки металлов давлением. Данное программное обеспечение позволяет определять и анализировать формоизменение заготовки, распределение температуры в теле заго 
96 

 
Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 
товки, распределение накопленной деформации, среднего напряжения и 
сопротивления деформации по сечению заготовки как в ходе самого процесса штамповки, так и в готовом изделии. В качестве материала исследований были выбраны сплавы 1420 и АМг6, которые наиболее часто используются при изготовлении авиационных панелей. При математическом 
моделировании течения металла в условиях изотермической штамповки 
ребристых панелей было установлено, что условно область очага деформации можно разделить на три характерные зоны: зону интенсивной пластической деформации и две зоны застоя, из которых металл  вытесняется 
под действием сжатия инструментом в свободную рабочую полость для 
формирования ребра. Вытесняемый из зон застоя металл испытывает довольно большие сжимающие напряжения, вследствие чего в области отсутствия подпора со стороны штамповой оснастки возможна потеря 
устойчивости.  Было установлено, что в зависимости от толщины исходной 
плоской заготовки, температурно-скоростных параметров процесса и степени асимметричности течения металла при заполнении гравюры штампа 
механизм формирования ребра может реализовываться тремя способами. 
При достаточно большой толщине исходной заготовки формирование ребра осуществляется исключительно выдавливанием (рис.1). При меньших 
значениях отношения толщины ребра и толщины плоской заготовки происходит отрыв заготовки от поверхности штампа (рис.2). В таблице 1 
представлены отношения толщин, при которых наблюдается отрыв заготовки. 
Увеличение относительного показателя интенсивности потоков более 3 приводит к тому, что интенсивность истечения одного из потоков 
становится настолько маленькой, что выдавливается практически по схеме 
формирования бокового (внешнего) оребрения,  когда основная геометрия 
ребра формируется практически только одним потоком. 
 
97 

Сборник статей Современные технологии обработки металлов и сплавов 
 
 
 
Рис. 1.  Формирование ребра  выдавливанием. 
 
 
 
 
Рис. 2.   Схема отрыва металла от поверхности оснастки в 
 условиях асимметричного течения металла. 
 
 
 
98 

 
Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 
Таблица 1 
Величина критического отношения Sвнутреннего ребра / Sплоской заготовки  для 
сплава 1420, при котором наблюдается отрыв металла от поверхности  инструмента в зависимости от относительного показателя интенсивности потоков iпотоков. 
№ 
iпотоков = L r / L l 
Область отрыва металла от поверхности оснастки при 
S внутреннего ребра / S плоской заготовки  более 
Тдеформ. = 400 0С  и 
Тдеформ. = 400 0С  и 
V пресс = 0,5 мм/с 
V пресс = 1 мм/с. 
1 
1 
1,9 
1,75 
2 
1,2 
1,85 
1,7 
3 
1,4 
1,8 
1,71 
4 
1,5 
1,8 
1,65 
5 
1,8 
1,75 
1,62 
6 
2,0 
1,71 
1,56 
7 
2,3 
1,65 
1,51 
8 
2,5 
1,65 
1,51 
 
Дальнейшее развитие отрыва  в зависимости от относительной толщины ребра изделия приводит либо к формированию полноценной складки, либо к дальнейшей деформации выдавливанием металла. При формировании полноценной складки в условиях симметричного течения металла 
происходит отрыв материала заготовки от боковой поверхности штампа. 
Это связано в первую очередь с тем, что горизонтальная составляющая 
скорости течения металла в зоне деформации приобретает большее значение по сравнению с вертикальной составляющей скорости. Второй причиной отрыва является  то, что при потере устойчивости и во время формирования складки (петли) происходит изгиб полотна заготовки, и естественный радиус изгиба по своей величине превышает радиус сопряжения горизонтальной и вертикальной поверхностей штампа. Формирующаяся в процессе деформации складка захватывает в себя помимо технологической 
99 

Сборник статей Современные технологии обработки металлов и сплавов 
 
смазки, находящейся на поверхности заготовки,  и некоторый объем воздуха (рис. 3). При достижении  складкой верхней поверхности штампа, образующей вершину ребра, она начинает активно деформироваться в вертикальном направлении. Вместе с  материалом заготовки деформируется и 
образовавшаяся замкнутая воздушная полость. Захваченный воздушный 
пузырь в ходе заполнения ручья штампа дробится на мелкие пузырьки с 
воздухом. Это подтверждается и металлографическими исследованиями. 
Попавшая в складку при потере устойчивости смазка препятствует твердофазному свариванию металла, что, в конце концов, приводит к образованию зажима в центральной части ребра. Отношения толщин, при которых наблюдается двойная потеря устойчивости, представлены в таблице 2. 
Математическое моделирование показало, что дальнейшее заполнение области штампа, в котором формируется ребро, начинается с его вершины. В рассматриваемом случае деформации на этой стадии подвергается складка. В то же время продолжается поступление некоторых объемов 
металла в свободную зону полости штампа из периферийных областей 
сжимаемой заготовки. В результате этого создаются условия для повторной потери устойчивости на боковой поверхности формирующегося ребра 
вследствие того, что материал подвергается высотному сжатию. На этой 
стадии наблюдается встречное заполнение  полости штампа металлом.  
Оно заключается в том, что продолжается формирование реберной части 
изделия в направлении от его вершины к основанию. В то же время продолжается заполнение свободного пространства полости  у основания ребра. При встрече двух течений металла часть поверхности полуфабриката, 
вместе с нанесенной на нее технологической смазкой, попадает  между 
ними, что приводит к образованию зажима на боковой поверхности ребра 
(рис. 3). В том случае если толщина заготовки не настолько мала, чтобы 
обеспечить формирование ребра образованием полноценной складки, то 
после отрыва металла от гладкой поверхности штампа (рис.1)  процесс 
 
100 

 
Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 
стабилизируется и дальнейшее формирование оребрения идет  путем выдавливания металла из периферийных областей заготовки.  В результате 
такого механизма пластического течения металла образуется только один 
дефект – утяжина на гладкой стороне панели (рис.3).  
 
 
Рис. 3.  Образование зажима в центральной части и на боковой поверхности  ребра в математической модели. 
 
Таблица  2 
Величина критического отношения Sвнутреннего ребра / Sплоской заготовки  для 
сплавов 1420 и АМг2, при которых наблюдается механизм формирования 
ребра  двойной  потерей  устойчивости  (Тдеформ. = 400 0С). 
№ 
iпотоков = L r / L l 
Отношение  S внутреннего ребра / S плоской заготовки  более 
V пресс = 0,05 
V пресс = 0,1 
V пресс = 0,5 
V пресс = 1 
мм/с 
мм/с 
мм/с 
мм/с 
Для алюминиевого сплава 1420 (склонного к явлению сверхпластичности). 
1 
1 
3,5 
3,1 
2,74 
2,34 
2 
1,2 
3,5 
3,1 
2,73 
2,3 
3 
1,4 
3,35 
3,0 
2,65 
2,26 
4 
1,5 
3,3 
2,9 
2,57 
2,2 
5 
1,8 
3,2 
2,9 
2,6 
2,2 
6 
2,0 
3,1 
2,7 
2,3 
1,9 
7 
2,3 
2,9 
2,6 
2,3 
1,9 
8 
2,5 
- 
- 
2,3 
1,9 
101 

Сборник статей Современные технологии обработки металлов и сплавов 
 
Для алюминиевого сплава АМг6 (практически не склонного 
к явлению сверхпластичности). 
1 
1 
3,8 
3,5 
3,2 
2,9 
2 
1,2 
3,8 
3,43 
3,16 
2,8 
3 
1,4 
3,8 
3,4 
3,0 
2,8 
4 
1,5 
3,7 
3,3 
3,0 
2,75 
5 
1,8 
3,6 
3,3 
3,0 
2,8 
6 
2,0 
3,3 
3,2 
2,9 
- 
7 
2,3 
3,1 
3,0 
2,8 
- 
8 
2,5 
3,1 
3,0 
2,8 
- 
 
На основе проведенных исследований, и в первую очередь на основе 
математического моделирования характера течения металла при формировании оребренных панелей, можно сделать вывод о том, что помимо толщины исходной заготовки на процесс формирования дефектов в подреберном пространстве большое влияние оказывает распределение температуры 
в теле формируемого изделия. 
 
Рис. 4.  Характер течения металла в том случае, если толщина исходной заготовки недостаточно мала для формирования складки (случай 
симметричного течения металла). 
 
102 

 
Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 
Причем, решающую роль в перегреве ряда областей заготовки играет 
дополнительное тепло, выделяющееся в процессе деформации. Рассмотрим влияние дополнительного нагрева на примере, представленном на 
рис.7-8. В данном случае рассматривается получение сложнооребренного 
изделия из сплава 1420 при начальной температуре процесса 400 0С и скорости движения инструмента 2 мм/с. Визуально видно, что максимальная 
температура разогрева  в очаге деформации находится в месте, где металл 
выжимается в вертикальном направлении под действием двух встречных 
потоков металла. Максимальная температура в очаге интенсивной деформации составляет 470 – 472 0С. Таким образом, тепловой эффект деформации дает разогрев  до 70 0С и зона максимального разогрева локализуется в 
центральной части очага деформации, в которой может произойти потеря 
устойчивости. Причем эта картина распределения добавочной температуры разогрева  при высоких (более 0,5 мм/с) скоростях движения инструмента аналогична как для случаев симметричного, так и для случаев 
асимметричного течения металла. В случае более медленного процесса 
деформирования картина  распределения температуры  разогрева  кардинально меняется. Для нее характерны меньшее значение максимальной 
температуры разогрева и более равномерное распределение температуры 
по очагу деформации. Характер течения металла и распределения температуры в очаге деформации в случае получения аналогичного внутреннего 
ребра авиационной панели из сплава 1420 при начальной температуре процесса 400 0С и скорости движения инструмента 0,05 мм/с представлен на 
рис. 8. При оценке влияния теплового эффекта деформации необходимо 
учитывать, что интенсивность пластического течения металла во многом 
определяется не абсолютной, а относительной степенью деформации заготовки. В связи с этим при одинаковой абсолютной деформации относительно тонких заготовок  имеют место более высокие значения степени 
деформации, чем при деформировании толстых заготовок.  
103 

Сборник статей Современные технологии обработки металлов и сплавов 
 
 
Рис. 5. Характер течения металла при формировании ребристой панели 
из сплава 1420 при температуре процесса 400 0С и скорости движения  
инструмента 2 мм/с. 
 
Рис. 6.   Характер течения металла при формировании ребристой панели 
из сплава 1420 при температуре процесса 400  0С и скорости движения 
инструмента 0,05 мм/с. 
Поэтому с увеличением толщины заготовки при прочих равных 
условиях уменьшается скорость деформации и, как следствие, снижается 
 
104