Применение компьютерного моделирования для определения влияния параметров закалки на геометрию штамповок из алюминиевого сплава АК6

Горячая объемная штамповка - широко распространенный метод изготовления крупногабаритных штамповок из алюминиевых сплавов. В процессе горячей штамповки и при дальнейшей термической обработке возникают остаточные напряжения, которые могут приводить к короблению, понижению прочности, снижению коррозионной стойкости и другим нежелательным последствиям. Это снижает качество продукции, увеличивает длительность изготовления и снижает срок эксплуатации [1].

Влияние напряжений на конечную геометрию штампованных полуфабрикатов допустимо лишь в малых пределах. При превышении допускаемых искажений формы штамповка бракуется в связи с невозможностью проведения правки из-за сложной геометрии. Поэтому исследование причин появления отклонений формы штамповок является актуальной задачей, позволяющей усовершенствовать технологию штамповки и исключить или минимизировать влияние остаточных напряжений на геометрию конечного продукта [2].

Появление остаточных напряжений наиболее вредно при изготовлении штампованных поковок, имеющих сложную геометрию и относительно большие перепады между толщинами конструктивных элементов.

В данной статье рассматривается закалка крупногабаритной штамповки из алюминиевого сплава АК6, имеющей в основании тонкое полотно, на котором расположены высокие и тонкие продольные и поперечные ребра. Рассматриваются две конфигурации штамповок правая и левая, являющиеся зеркальным отражением друг друга (рис. 1).

С целью определения влияния параметров термической обработки на геометрию штамповок проведено компьютерное моделирование процесса закалки в программном комплексе QForm VX.

Рисунок 1 – Штамповка из сплава АК6 (правая модификация)

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

После нескольких переходов штамповки и обрезки облоя, травления поверхности и зачистки дефектов проводится закалка штамповок в воду. Штамповки нагреваются в специальной закалочной печи с механизмом вертикального опускания садки в ванну. Температура воды составляет 10-40°С. Штамповки на закалку уклады- ваются в специальные корзины в горизонтальном положении на продольное ребро (рис. 2, а).

Внутренние напряжения, образующиеся в процессе быстрого и неравномерного остывания штамповок в закалочной среде, приводят к их короблению. Наиболее критичными являются саблевидность и отклонение линейных размеров (рис. 3), которые не поддаются правке и могут быть причиной брака при превышении

Рисунок 2 – Укладка (а) и подвеска (б) штамповок на закалку

Направление изгиба при саблевидности

I | Д* I J I I I -----------j

Отклонение растояния между ребрами (отклонение линейных размеров)

Рисунок 3 – Саблевидность и отклонения линейных размеров

допустимых значений. При этом отклонение линейных размеров является следствием сабле-видности, при которой происходит изгибание штамповки и изменение линейных размеров.

С целью снижения коробления при закалке рассматриваемых штамповок проанализируем влияние следующих факторов: метод укладки штамповок на закалку, отсутствие/наличие ложных ребер, температура воды при закалке.

Подвешивание и вертикальное погружение штамповок в ванну (рис. 2, б) может снизить коробление при закалке в связи с правкой штамповок под собственным весом.

На изгиб в продольном направлении может влиять отсутствие/наличие ложных ребер при закалке. Это специальные технологические продольные ребра, расположенные с двух сторон по всей длине штамповки (рис. 4). Они не являются частью геометрии чистовой детали, их конструктивная задача снизить скорость течения металла в поперечных направлениях. Данные ребра обрезаются сразу после штамповки. Однако, они могут являться ребрами жесткости, не позволяющими штамповкам изгибаться.

Температура воды при закалке сплава АК6 может варьироваться от 10°С до 80°С. Увеличение температуры в закалочном баке теоретически снизит градиент температуры остывания между поверхностью и внутренними слоями материала и может способствовать снижению остаточных напряжений.

Для определения влияния каждого из перечисленных факторов было проведено моделирование процесса закалки (быстрого охлаждения) в программном комплексе QForm VX. Комбинации параметров закалки, используемые при моделировании, указаны в таблице 1.

Компьютерное моделирование в программном комплексе QForm VX проводилось со следующими параметрами: метод интегрирования – явный, максимальное приращение деформации – 0,1, максимальное приращение времени – 0,5 с. Конечно-элементная сетка заготовки генерировалась с использованием адаптации: минимальная адаптация – 1, максимальная – 15, множитель адаптации – 1. Учитывались массовые характеристики заготовки – вес и инерция.

Тип материала заготовки – изотропный. Основные свойства материала заготовки (плотность, теплопроводность, теплоемкость, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, температурный коэффициент линейного расширения) и их зависимость от температуры заданы табличными функциями из базы данных материалов QForm VX.

Граничные условия окружающей среды, воздуха, в начальный момент –температура – 20°С (постоянная величина), степень черноты – 0,6 (постоянная величина), коэффициент теплоотдачи 30 Вт/м2К (постоянная величина). Закалочный бак смоделирован размером 5х3х3 м, бак движется со скоростью 285 мм/с в сторону заготовки, обеспечивая постепенное опускание заготовки в закалочную среду – воду, со следующими граничными условиями: температура 40°С или 80°С (постоянная величина), степень черноты – 0,7 (постоянная величина), коэффициент теплоотдачи – (табличная функция от температуры) [3]. Через 7 секунд с начала процесса движение бака прекращается и обеспечивается остывание заготовки в неподвижном баке.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты моделирования (изменение линейных размеров штамповки поперек наибольшего размера на момент полного остывания) приведены на рисунке 5.

Ложные ребра

Рисунок 4 – Ложные ребра в произвольном поперечном сечении штамповки

Таблица 1 – Комбинации параметров закалки штамповок при моделировании

№	1	2	3	4
Ложные ребра	нет	нет	есть	нет
Температура воды, °C	40	40	40	80
Расположение штамповки	горизонтальное	вертикальное	горизонтальное	горизонтальное

Рисунок 5 – Изменение линейных размеров (мм) поперек наибольшего размера штамповок при различных условиях закалки (обозначения в соответствии с табл. 1)

Необходимо учитывать, что данные эпюры отражают так же уменьшение размеров штамповки в связи с остыванием (тепловое сужение при остывании). Максимальное и минимальное значение перемещений в случае равномерного распределения напряжений или их отсутствия должны компенсировать друг друга. Поэтому степень изгиба штамповки при закалке можно оценить суммой максимального и минимального значения перемещений. Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Результаты исследования подтверждают предположение о влиянии выбранных параметров закалки штамповок на их геометрию. Минимальное коробление получено при закалке штамповки в вертикальном положении, без ложных ребер, в баке с водой с температурой 40 °С. Снижение коробления также наблюдается при увеличении температуры закалочной сре- ды. Максимальное коробление наблюдается при закалке штамповок с ложными ребрами в горизонтальном положении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено моделирование процесса закалки длинномерных штамповок со сложной геометрией из алюминиевого сплава АК6 при различных параметрах в программном комплексе QForm VX. Установлено влияние таких параметров закалки на геометрию штамповок как: метод укладки на закалку, отсутствие/на-личие ложных ребер, температура воды при закалке.

Определено, что наименьшее коробление при закалке рассматриваемых штамповок достигается при вертикальном погружении в воду с температурой 40 °С без ложных ребер.

Таблица 2 – Оценка коробления штамповок после закалки

№ штамповки	1	2	3	4
Положительное отклонение, мм	2,06	1,98	2,61	1,85
Отрицательное отклонение, мм	-1,90	-1,84	-2,36	-1,70
Изгиб, мм	0,16	0,14	0,25	0,15

Работа является основанием для проведения экспериментальных исследований влияния указанных параметров закалки на геометрию штамповок.