УДК 621.983:669:51-7
ИЗУЧЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ PAM-STAMP ВЛИЯНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОСТАВКИ МАТЕРИАЛА НА ФОРМУЕМОСТЬ ПРИ ШТАМПОВКЕ
© Ершов Александр Алексеевич
Группа компаний ООО «ПЛМ Урал», ООО «Делкам-Урал». Россия, г. Екатеринбург. E-mail: eaa@delcam-ural.ru Логинов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф.
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург. E-mail: unl@mtf.ustu.ru
Статья поступила 13.03.2014 г.
Рассмотрен анализ влияния состояния поставки алюминиевого сплава на его штампуемость при изготовлении детали для автомобиля. Рассмотрен процесс моделирования листовой штамповки в программном комплексе PAM-STAMP. Представленные результаты дают наглядную картину необходимости правильного выбора не только самого материала, но и свойств материала конкретного варианта поставки.
Ключевые слова: PAM-STAMP; ESI-Group; алюминиевый сплав АМг3; метод конечных элементов; кривые упрочнения.
Большая часть деталей для автомобилей, в том числе продуктов листовой штамповки, изготавливается из стали, что обусловлено дешевизной материала. Однако в конструкторских разработках постоянно присутствует идея об облегчении конструкции транспортных средств путем замены черного металла алюминием, плотность которого почти в три раза ниже [1, 2]. В настоящей работе предлагается рассмотреть вопрос о замене материала для изготовления заготовки «внутренняя часть капота» автомобиля. В том числе рассмотрены возможные технологические проблемы, возникающие при замене стали алюминиевым сплавом типа АМг3. Результаты подобного исследования приведены в статье [3] применительно к штамповке автомобильных панелей при сравнении форму-емости алюминия, среднеуглеродистой, высокопрочной и нержавеющей стали. Следует отметить, что алюминий в чистом виде применять в качестве конструкционного материала нецелесообразно из-за его малой прочности, обычно для этих целей используют алюминиевые сплавы.
Большинство алюминиевых сплавов по механическим характеристикам могут иметь значительные отличия для одного и того же сплава в зависимости от варианта поставки, поэтому 2 важно определить, насколько состояние матери™ ала сказывается на штампуемости данного вида ™ изделия. В настоящее время для оценки формоизменения при листовой штамповке широко при-
£ меняется метод конечных элементов [4], в частей
5 ности реализованный в программном комплексе г PAM-STAMP [5, 6].
Ранее [7, 8] было установлено влияние вида кривой упрочнения на результаты формоизменения при пластической деформации некоторых цветных металлов и сплавов. Современные методы расчета напряженно-деформированного состояния с применением метода конечных элементов позволяют в той или иной мере учесть влияние физических и механических свойств материала. Например, при листовой штамповке алюминиевых сплавов серии 6000 решение краевой задачи в системе ABAQUS выявило роль скорости деформации в появлении локального утонения стенки заготовки [9]. В исследовании [10] для сплава этой же серии установлены связи параметров старения с характеристиками фор-муемости при листовой штамповке. В системе LS-DYNA [11] удалось рассчитать оптимальные параметры листовой штамповки алюминиевого сплава серии 5000. В статье [12] описано применение в расчетах листовой штамповки реальных кривых упрочнения сплава 5083, в том числе обладающих эффектом Портевена-Ле-Шателье [15] с выявлением зон локализации утонения.
Для оценки влияния свойств сплава на фор-муемость использована программа конечно-элементного моделирования ESI PAM-STAMP 2G. Виртуальное моделирование процесса изготовления детали позволяет на ранней стадии найти оптимальные пути его проведения, сократить время и затраты на разработку реального процесса. На рис. 1 представлен анализ результатов моделирования штамповки изделия автомобильной промышленности «внутренняя часть капо-
Рис. 1. Половина модели изделия «внутренняя часть капота»
Рис. 2. Кривые упрочнения (зависимость сопротивления деформации а8 от степени деформации е сплава АМг3 для трех вариантов поставки по ГОСТ 13726-97)
Thinning (engineer value)
10.800000 0.664786 0.528571
_
0.392857
Thinning (engineer value)
I
Thinning (engineer velue) j 0.800000 ! П.ББ178Б
0.528571 0.392857 0.257143 0.121429 -0.014286 ^^ n.i^nnnn
Рис. 3. Поле значений утонения в изделии «внутренняя часть капота» из сплава АМг3 в трех вариантах поставки по ГОСТ 13726-97: без термообработки (а), отожженного (б), полунагартованного (в)
та». В качестве материала заготовки использован алюминиевый сплав АМг3, получивший широкое распространение в промышленности благодаря удачному сочетанию прочностных и пластических характеристик. Для разных условий поставки механические свойства сплава различны. Для оценки и сопоставления исследованных параметров готового изделия были приняты три варианта поставки сплава в виде ленты по ГОСТ 13726-97: без термообработки, в отожженном и полунагартованном состояниях при толщине заготовки 0,65 мм.
В качестве справочных использованы стандартные значения временного сопротивления и условного предела текучести, а также относительного удлинения при разрыве (см. таблицу). Программный комплекс позволяет построить приближенные кривые упрочнения в координатах «истинное напряжение пластического те-
чения - истинная деформация» с применением этих параметров (рис. 2).
Моделирование штамповки осуществляется абсолютно жестким инструментом; скорость перемещения пуансона 5 мм/с, усилие прижима 75 кН. Коэффициент трения в области контакта заготовки с матрицей и пуансоном 0,12 (применен закон трения Кулона).
Расчет проведен с применением SMP (Shared Memory Process) распараллеливания на четыре ядра процессора Intel i7 2630QM, что обеспечивает более высокую скорость решения (примерно в 3,5 раза) по сравнению с расчетом на одном ядре * того же процессора.
В результате моделирования процесса из- ^ готовления детали «внутренняя часть капота» получены следующие результаты. Значение уто- £
с;
нения в изделии для всех вариантов состояния ^ поставки сплава (рис. 3) для вариантов «сплав s
Характеристики вариантов поставки сплава АМг3
полунагартованный» и «без отжига» утонение в месте максимальной вытяжки значительно (81 и 71% соответственно), что приводит к разрыву в данной области; для отожженного образца максимальное утонение составляет 32%.
Поле остаточных напряжений показано для всех трех вариантов расчета на рис. 4. Максимальные напряжения (360 МПа) возникают в сплаве, поставляемом в полунагартованном со-
стоянии, а минимальные (230 МПа) примерно равны как для варианта поставки без термообработки, так и в отожженном виде. Разница между максимальным и минимальным значениями напряжений составила 36%.
После снятия нагрузки произведена также оценка пружинения изделия. На рис. 5 представлены значения (мм) пружинения по сравнению с состоянием изделия под нагрузкой в конце деформирования. Для образца без термообработки (см. рис. 5, а) максимальная величина пружинения составляет 16,83 мм, для отожженного образца (см. рис. 5, б) - 16,71 мм, а для образца полунагартованного (см. рис. 5, в) - 22,76 мм. Пружинение может быть скомпен-
Вариант поставки сплава по ГОСТ 13726-97 Временное сопротивление ств, МПа Условный предел текучести ст0,2> МПа Относительное удлинение при разрыве б5, %
Без термообработки 185 80 12
Отожженный 195 100 15
Полунагартованный 245 195 7
Рис. 4. Поле остаточных напряжений (ГПа) в изделии «внутренняя часть капота» для вариантов поставки сплава АМг3 по ГОСТ 13726-97: без термообработки (а), отожженного (б), полунагартованного (в)
Рис. 5. Значения пружинения (мм) в изделии «внутренняя часть капота» для вариантов сплава АМг3, поставляемых по ГОСТ 13726-97: без термообработки (а), отожженного (б), полунагартованного (в)
сировано, а форма заготовки оптимизирована с использованием приемов, показанных в работах [13, 14].
Выводы. При использовании сплава АМг3 без термообработки и упрочненного в процессе штамповки в изделиях появляются недопустимые утонения (более 70%), тогда как для отожженного сплава утонения значительно ниже (около 30%). При этом в отожженном сплаве уровень остаточных напряжений и величина пружинения после снятия нагрузки сравнимы с нетермообработан-ным сплавом. Следовательно, листы сплава АМг3 для выполнения подобных операций штамповки должны быть отожжены для повышения формуе-мости. Однако необходимо учитывать, что после отжига снижается прочность изделия (по сравнению с поставкой сплава в полунагартованном состоянии).
Библиографический список
1. Матвеев Б.Н. Новые виды материалов и заготовок для автомобилестроения (обзор зарубежной и отечественной литературы) // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 6. С. 47-52.
2. Фридляндер И.Н., Систер В.Г., Грушко О.Е. и др. Алюминиевые сплавы - перспективный материал в автомобилестроении // МиТОМ. 2002. № 9. С. 3-9.
3. Holmberg S., Thilderkvist P. Influence of material properties and stamping conditions on the stiffness and static dent resistance of automotive panels // Materials & Design. 2002. Vol. 23, Iss. 8. P. 681-691.
4. Логинов Ю.Н., Каменецкий Б.И., Студенок Г.И. Моделирование деформированного состояния круглой пластины при вытяжке // Изв. вузов. Черная металлургия. 2006. № 3. С. 26-28.
5. Choudhury I.A., Lai O.H., Wong L.T. PAM-STAMP in the simulation of stamping process of an automotive component
// Simulation Modelling: Practice and Theory. 2006. Vol. 14, Iss. 1. P. 71-81.
6. Ershov А.А., Loginov Yu.N. Using the Inverse Solver INVERSE in PAM-STAMP 2G to Assess the Formability of a Part // Metallurgist. 2013. Vol. 57, Iss. 5/6. P. 372-377.
7. Логинов Ю.Н., Ершов А.А. Моделирование в программном комплексе QFORM образования пресс-утяжины при прессовании // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2013. № 7. С. 42-46.
8. Логинов Ю.Н., Ершов А.А. Влияние вида кривой упрочнения на локализацию деформации при осадке титановых заготовок // Титан. 2012. № 1. С. 22-28.
9. Mohamed M. S., Foster A. D., Lin J. et al. Investig
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.