Прогнозирование разрушения штамповых поковок в закрытых ковочных штампах

   Расширенный метод оценки риска.

В этой статье представлен разработанный и расширенный метод оценки риска появления трещин при кузнечной штамповке для трудно восстанавливаемых материалов в условиях процесса производства, когда существует высокая возможность инициирования разрушения во время пластической деформации обусловлена конкретным напряженно-деформированным состоянием , неравномерностью скоростей деформации и температуры.
Представленая методология, основана на испытании на сжатие при прокаливании с использованием лабораторной установки с гидравлическим прессом 5 МН и моделированием конечных элементов на программном обеспечении QForm при реализации критериев вязкого разрушения по разработанным параметрам. Результаты были проверены в производственных условиях.

Тщательное и экономичное планирование.

Новые решения в технологии ковки (новая геометрия деталей или деформированный материал) часто требуют прогнозирования образования дефектов, что лучше всего делать на этапе разработки процесса, предпочтительно с наиболее тщательным и экономичным подходом. Процесс разработки, поддерживаемый анализом, ориентированным на прогнозирование отказа, значительно сократит количество тестов и материальных потерь для пробной партии.
Однако эффективная идентификация областей и условий, приводящих к образованию дефектов (включая трещины во время ковки), требует точных исследований для определения окончательной деформации и параметров процесса.
Среди условий, приводящих к разрушению при формовании металлов, наиболее распространенными являются те, которые возникают в результате условий обработки, влияющих на вязкий поток, например, температурно-компенсированная скорость деформации и / или внутренняя обрабатываемость деформированного материала . Оба этих случая наблюдаются в этом отчете.
Первым примером является процесс тепловой ковки на молоте, который сочетает в себе преимущества горячего (например, уменьшения деформационной силы) и холодных (например, немасштабированных) операций по формованию металлов. С другой стороны, более низкая рабочая температура при увеличении скорости деформации приводит к более низкой пригодности к изгибу и более высокой вероятности разрушения.
Теплая ковка магниевого сплава AZ61 является примером другого случая, когда критерий Von Mises из пяти независимых систем скольжения не выполняется из-за низких параметров ковки и интенсивного охлаждения в тонкостенной секции. Объемная вязкость зависит от внедрения надлежащей технологии при учете пластической вязкости, зависящей от состояния напряженного состояния, из-за сложного напряженно-деформированного состояния ковочной штамповки (штамповка молотом или винтовым штампом при относительно высоких скоростях деформации).
В последние десятилетия критерии разрушения интенсивно изучались, и в литературе можно найти десятки различных уравнений, основанных на разных концепциях пластичности с учетом различных термомеханических параметров. Они охватывают широкий спектр технологических примеров и требуют широкого спектра параметров, которые должны быть включены в процесс разработки технологий. С другой стороны, это затрудняет выбор подходящего критерия для каждого случая.

Цилиндрический образец расстраивается в плоском блине в традиционном испытании на сжатие, и он обычно считается стандартным испытанием на объемную прочность. Состояние напряжений, наблюдаемое в обычных тестах на пригодность, аналогично напряжению, наблюдаемому во многих процессах объемной деформации, без введения проблем шеи (в растяжении) или переориентации материала (при кручении). Поэтому предварительно достигается высокое значение деформации. Прецизионное сжатие без разрушения радиальным или периферическим растрескиванием рассматривается как мера измерения прочности.

Результаты оценки риска разрушения были представлены для двух разных случаев: молотая тепловая ковка хирургических щипцов из нержавеющей стали; и винтовая штамповка кованой части мотоцикла, изготовленная из магниевого сплава. Методология исследования сочетает в себе лабораторное испытание на сжатие и моделирование конечных элементов (моделирование FE) технологии ковки.

Экспериментальная техника .

Эксперимент включал одноосное сжатие при разных температурах в пределах диапазона ковки. Использовались инструменты с плоской поверхностью из инструментальной стали для холодной обработки. Сухие фрикционные условия поддерживались для улучшения поверхностной деформации. Для измерения температуры во время деформации использовались свариваемая термопара и пирометр, сопровождаемая нанесением на карту цифровой фотокамеры записи для определения местоположения и времени начала разрушения (см. Рис.1)

Рисунок 1. Лабораторные инструменты, используемые при испытании на сжатие на гидравлическом прессе 5-MN.

В экспериментальных процедурах участвовали различные геометрии образцов (см. Рис.2), указывающие на более высокую чувствительность к концентрации напряжений в предыдущем численном анализе. Испытания на сжатие проводились на лабораторной установке на основе гидравлического пресса 5 МН. Пресса позволяет точно регистрировать параметры процесса, такие как сила, скорость и временное положение верхнего инструмента или температуры.

Рисунок 2. Пример испытания на сжатие сгибаемости фланцевого цилиндрического образца на гидравлическом прессе.

Исследованным материалом была мартенситная нержавеющая сталь AISI 420, обычно используемая для изготовления кованых деталей, таких как хирургические и стоматологические инструменты, столовые приборы и различные ручные инструменты.   Для исследования второй ступени использовался магний-сплав AZ61, который считается трудно-деформируемым материалом. Этот материал применим к производству деталей транспортных средств из-за его низкой плотности и относительно высоких механических свойств. Однако наблюдались проблемы с трещинами, возникающими при деформации при неблагоприятной рабочей температуре или высокой скорости деформации (см. Рис. 3), что было обусловлено очень сложным напряженным состоянием и зависело от прочности этих параметров процесса ковки.

Рисунок 3. Компонент мотоцикла, изготовленный из (А) магниевого сплава и (В) алюминиевого сплава, сразу после ковки.

Предположения моделирования.

Численное моделирование позволяет оценить механические параметры напряжения и деформации для нескольких критериев разрушения с последующим использованием для тематических исследований представленных промышленных процессов ковки. Анализу технологий промышленного производства предшествовала другая часть исследования — численное моделирование испытаний на сжатие для определения момента инициирования трещины и оценки соответствующих значений критических параметров процесса.

Численное моделирование проводилось с использованием программного обеспечения QForm на основе метода конечных элементов (FEM)  для расчета полей термомеханических параметров в деформированном теле.    Моделирование FE включало анализ трехмерного состояния деформации, предполагающего модель вязкоупругого пластического материала деформированного тела и модель эластично-пластического материала инструментов. Граничные узловые ограничения на поверхностях, определенных и связанных с тепловой структурой, выполнены для учета реальных условий промышленного процесса. Левановский закон трения использовался для контактной поверхности образца.

Практическая реализация результатов испытаний на сжатие была сфокусирована на выявлении областей возникновения трещин и определении выбранного компонента тензора напряжений или деформаций. Эта часть анализа позволяет предварительно отбирать участки образцов с относительно высоким риском инициирования трещины.

Хорошо известно, что концентрация растягивающих или сдвиговых напряжений способствует растрескиванию материала. Коэффициент триаксиальности использовался для определения областей концентрации напряжений, что позволило выделить области доминирования растяжения.

Анализ направлен на определение параметров двух выбранных критериев разрушения: Cockcroft & Latham (2) на основе максимального напряжения растяжения σ1 и Rice & Tracey (3), который рассматривает гидростатический σm и эффективное напряжение в момент начала трещины

Результаты позволили экстраполяцию анализа на промышленные процессы ковки деталей сложной формы с учетом конечной деформации, установленной при испытаниях на сжатие. Зависимости выбранных параметров процесса от термомеханических параметров в точке начала разрушения и метод расчета критического значения деформации основаны на критериях критического поля Cockcroft & Latham, представленном на рисунке 4.

4. Численные расчетные зависимости выбранных механических параметров при испытании на сжатие цилиндрических образцов: а) нагрузка, б) среднее напряжение и эффективная деформация в точке начала разрушения, с) максимальное основное напряжение, д) критические значения определенного интеграла в критерий перелома Кокрокта и Латхама.

Анализ риска инициирования трещин.

Лабораторные испытания на сжатие позволяют определить как деформацию разрушения, так и параметры процесса в точке начала трещины, при этом учитываются наиболее значимые факторы, такие как воздушное охлаждение при переносе образцов из печи в кузнечный пресс, или охлаждения в инструментах перед деформацией. В лабораторных испытаниях можно моделировать параметры и условия многих промышленных процессов.

Представленный метод был подтвержден численным анализом процессов ковки с закрытыми штампами деталей сложной формы. Хирургические щипцы с видимым разрушением в области вспышки, распространяющиеся на конечный продукт, представлены на рисунках 6a и 6b. Вторая часть была компонентом рукоятки мотоцикла (рис.6c и 6d) с несколькими выявленными дефектами (включая трещины в области конечного продукта и вспышки).

Анализируемые части: а) хирургические щипцы из нержавеющей стали; b, c) часть ручки для мотоциклов из магниевого сплава с локализацией трещин; d) кованые части являются конечными продуктами.

Крайне важно отделить дефекты, связанные с потоком металла, например, от кругов или сквозных дефектов, от дефектов, вызванных недостаточной работоспособностью, как это установлено в практике кузнечной обработки. Моделирование FE для оценки условий, приводящих к образованию трещин, помогает определить местоположение и условия разрушения в поддельных кусках.

Результаты испытаний на сжатие и численное моделирование обеспечили разработку моделей материалов и моделей разрушения для анализа технологий кузнечной обработки. Примеры карт распределения параметров представлены на рисунках 7 и 8. Основным результатом анализа является точка максимального риска инициирования разрушения (точка P) в случае хирургических щипцов ( см. Рис.7 ). Самые высокие значения растяжения и в этот момент наблюдались средние напряжения. Следовательно, в этот момент также можно найти максимальные значения критерия разрушения Кокрокта и Латхама.

Рисунок 7. Результаты моделирования QForm для ковки хирургических щипцов: а) конечная форма с локализацией точки P; б) распределение растягивающего напряжения; c) оценка риска перелома на основе критерия перелома Кокрокта и Латхама.

Анализ распределения значений критериев разрушения (см . Рис.7c, 8d ) показал область появления трещины, которая очень уязвима для инициирования трещины в обоих проанализированных случаях. Параметры инициации трещины были идентифицированы путем всестороннего анализа результатов моделирования. В случае ковки хирургических пинцетов высокая концентрация растягивающего напряжения в области переломов обусловлена ​​специфической геометрией заготовки. Моделирование, выполненное для части рукоятки мотоцикла, определяло чрезвычайно низкую температуру в точке начала разрыва. Следовательно, представленный подход позволил изменить параметры геометрии заготовки, конфигурацию показания блокатора, а также выбрать условия процесса ковки на стадии разработки технологии.

Рисунок 8. Оценка критических значений критерия разрушения в поддельной части: а) действительная часть; б) результат моделирования в QForm; в) распределение температуры; d) Распределение критерия разрушения риса и трассировки.

На пути к новым руководящим принципам

В данной статье представлена ​​методология оценки риска инициирования разрушения на основе лабораторного теста на одноосное сжатие и численного моделирования. Результаты исследований были подтверждены анализом двух промышленных процессов кузнечной штамповки материалов с различной кристаллографической структурой и условиями ковки, которые обычно называются жесткими для деформирования при ковки на скоростном прессе. Карты распределения параметров критериев разрушения, рассчитанные с использованием FEM и реализованных моделей, обеспечивали точное прогнозирование местоположения трещины. Представленное исследование обеспечивает достаточную надежность и может стать основой для разработки руководящих принципов по улучшению геометрии заготовок или заготовок, ковки параметров и возможности предотвращения начала трещины во время процесса ковки.

Яндекс.Метрика Metalweb.ru