Грунюшкин А.Н_МСб-1201. Исследование штамповки кузовных деталей легкового автомобиля из магниевых сплавов
 Скачать 2.42 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ Кафедра «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» 15.03.01 Машиностроение (код и наименование направления подготовки, специальности) Машины и технология обработки металлов давлением (профиль) БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА на тему Исследование штамповки кузовных деталей легкового автомобиля из магниевых сплавов Студент(ка) А.Н. Грунюшкин (И.О. Фамилия) (личная подпись) Руководитель Е.Н. Почекуев (И.О. Фамилия) (личная подпись) Консультанты Л.Н. Горина (И.О. Фамилия) (личная подпись) И.В. Краснопевцева (И.О. Фамилия) (личная подпись) В.Г. Виткалов (И.О. Фамилия) (личная подпись) Допустить к защите Заведующий кафедрой д.т.н., доцент В.В. Ельцов __________________ (ученая степень, звание, И.О. Фамилия) (личная подпись) «_____»______________________20_____г. Тольятти 2016 2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ Кафедра «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» УТВЕРЖДАЮ Зав.кафедрой «СОМДиРП» _____________ В.В. Ельцов (подпись) (И.О. Фамилия) «____»___________20___г. ЗАДАНИЕ на выполнение бакалаврской работы Студент Грунюшкин Александр Николаевич 1.Тема Исследование штамповки кузовных деталей легкового автомобиля из магниевых сплавов 2. Срок сдачи студентом законченной выпускной квалификационной работы 06.06.2016 3. Исходные данные к выпускной квалификационной работе Кривые упрочнения магниевого сплава AZ31B-O 4.Содержание выпускной квалификационной работы (перечень подлежащих разработке вопросов, разделов 1. Развитие конструкции автомобиля, 2. Свойства деформируемых магниевых сплавов, 3. Механические и технологические свойства магниевых сплавов, 4. Компьютерное моделирование процесса штамповки магниевого сплава, 5. Экономическая эффективность, 6. Безопасность и экологичность работы. 5. Ориентировочный перечень графического и иллюстративного материала Презентационный материал 6. Консультанты по разделам д.п.н., профессор Горина Л.Н. к.э.н., доцент Краснопевцева И.В. к.т.н., доцент Виткалов В.Г. 7. Дата выдачи задания «30» января 2016г. Заказчик (указывается должность, место работы, ученая степень, ученое звание) (подпись) (И.О. Фамилия) Руководитель выпускной квалификационной работы (подпись) (И.О. Фамилия) Задание принял к исполнению (подпись) (И.О. Фамилия) 3 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ Кафедра «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» УТВЕРЖДАЮ Зав.кафедрой «СОМДиРП» _____________ В.В. Ельцов «____»___________20___г. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН выполнения бакалаврской работы Студента Грунюшкина Александра Николаевича по теме Исследование штамповки кузовных деталей легкового автомобиля из магниевых сплавов Наименование раздела работы Плановый срок выполнения раздела Фактический срок выполнения раздела Отметка о выполнении Подпись руководителя 1. Анализ развития конструкции автомобиля 15.02.2016 12.02.2016 выполнено 2. Анализ деформируемых магниевых сплавов 10.03.2016 15.03.2016 выполнено 3. Определение механических и технологических свойств магниевых сплавов 19.04.2016 21.04.2016 выполнено 4. Компьютерное моделирование процесса штамповки магниевого сплава 25.05.2016 28.05.2016 выполнено 5. Экономическая эффективность 28.05.2016 01.06.2016 выполнено 6. Безопасность и экологичность технического объекта 01.06.2016 06.06.2016 выполнено Руководитель выпускной квалификационной работы (подпись) (И.О. Фамилия) Задание принял к исполнению (подпись) (И.О. Фамилия) 4 АННОТАЦИЯ Бакалаврская работа посвящена исследованию штамповки кузовных деталей легкового автомобиля из магниевых сплавов. В первом разделе были рассмотрены современные тенденции, обуславливающие применение новых материалов в автомобилестроении. Второй раздел посвящен свойствам и получению деформируемых магниевых сплавов. В третьем разделе проанализированы механические и технологические свойства магниевых сплавов для листовой штамповки, как основные методы оценки штампуемости материла, проведено компьютерное моделирование данных испытаний в программах для инженерного анализа LS-DYNA и AutoForm. В четвертом разделе проводится компьютерное моделирование процесса штамповки кузовной детали из магниевого сплава в AutoForm. В пятом разделе (экономическом) произведено организационно- экономическое обоснование работы. Шестой раздел посвящен безопасности и экологичности проводимого исследования. В заключении подведены итоги исследования и сделаны выводы по данной работе. Бакалаврская работа состоит из расчетно-пояснительной записки объемом 91 страница, включая 51 рисунок, 18 таблиц, списка литературы из 21 источника и презентационного материала. 5 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 1. Развитие конструкции автомобиля ....................................................................... 8 1.1 Тенденции развития конструкции легковых автомобилей ........................... 8 1.2. Новые материалы для автомобильных кузовов .......................................... 10 1.2.1 Алюминий и алюминиевые сплавы ....................................................... 11 1.2.2. Пластики (пластмассы) и композиционные материалы ..................... 12 1.3 Магниевые сплавы в автомобилестроении .................................................. 14 2. Деформируемые магниевые сплавы................................................................ 17 2.1 Производство листов .................................................................................... 18 2.2 Магниевый деформируемый сплав AZ31B ............................................... 22 2.3 Поведение магниевых сплавов при пластической деформации .............. 22 3. Анализ механических и технологических свойств магниевых сплавов ..... 25 3.1 Механические испытания на растяжение ..................................................... 25 3.2 Проведение механического испытания на растяжение ............................ 28 3.2.1 Оборудование ...................................................................................... 28 3.2.2 Испытываемые образцы ..................................................................... 29 3.2.3 Процедура обработки исходных данных .......................................... 30 3.2.4 Обработка данных эксперимента ...................................................... 31 3.3 Компьютерное моделирование испытания на растяжения в программе LS-DYNA ............................................................................................................... 36 3.4 Технологические испытания .......................................................................... 56 3.4.1 Моделирование испытания на выдавливание сферической лунки по Ериксену ............................................................................................................. 57 4 Компьютерное моделирование процесса вытяжки в AutoForm ................... 61 4.1 Задание исходных данных ........................................................................... 62 4.2 Моделирование процесса вытяжки коробчатой детали ........................... 65 4.3. Моделирование процесса вытяжки детали «панель капота наружная» ... 69 5. Экономическая эффективность ....................................................................... 72 6 5.1 Определение трудоемкости и длительности выполнения каждого этапа работ ....................................................................................................................... 73 5.2 Построение линейного план-графика ........................................................... 75 5.3 Расчет затрат на проведение бакалаврской работы ..................................... 75 5.4 Расчет экономической эффективности ......................................................... 77 6. Безопасность и экологичность технического объекта ...................................... 79 6.1 Конструктивно-технологическая характеристика объекта ........................ 79 6.2 Идентификация профессиональных рисков ................................................. 79 6.3 Методы и средства снижения профессиональных рисков .......................... 81 6.4 Обеспечение пожарной безопасности технического объекта .................... 83 6.5. Обеспечение экологической безопасности технического объекта ........... 85 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 87 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................... 89 7 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время перед автопроизводителями по всему миру стоят две основные проблемы – это проблемы экологии и снижение расхода углеводородного топлива. Решения именно этих проблем диктуют направления исследований в области автомобилестроения в настоящее время. Одним из основных факторов, влияющих на топливную экономичность является масса автомобиля, которую в свою очередь можно снизить за счет использования в конструкции автомобиля более легких материалов, таких как алюминий, пластмассы, композиционные материалы, магниевые сплавы. Магниевые сплавы самые легкие конструкционные материалы с высокими прочностными показателями, что и обуславливает повышенный к нему интерес со стороны автоконцернов по всему миру. В настоящее время наиболее актуальны вопросы возможности использования магниевых сплавов при штамповке, для получения кузовных деталей автомобиля. Цель работы: получение технико-экономического эффекта от внедрения магниевых сплавов для холодной листовой штамповки кузовных деталей легкового автомобиля. Поставленные задачи: – Анализ современных тенденций, обуславливающих использование новых материалов в автомобилестроении; – Анализ свойств и получения деформируемых магниевых сплавов; – Проведение компьютерного моделирования механических и технологических испытаний магниевого в программных продуктах инженерного анализа LS- DYNA и AutoForm; – Компьютерное моделирование процесса штамповки кузовной детали легкового автомобиля с помощью AutoForm; – Подведение итогов работы, оценка будущих перспектив и разработка мер по увеличению применимости магниевых сплавов в автомобилестроении. 8 1. Развитие конструкции автомобиля 1.1 Тенденции развития конструкции легковых автомобилей Автомобилестроители постоянно работают над совершенствованием конструкции автомобилей, повышением их эксплуатационных качеств, производительности, приспособленности к использованию, уменьшению расходов топлива и смазочных материалов. В настоящее время направление развития автомобилестроения определяется комплексом социальных, экономических и природных факторов и причин. Социальными причинами обусловлена тенденция повышение безопасности автомобилей, а также повышение привлекательности автомобиля для потребителя [1]. Повышение безопасности автомобиля заключается в усовершенствование активной и пассивной безопасности автомобиля. Решением этой задачи является оснащение автомобилей современными средствами электронной, микропроцессорной техники, глобальными информационными системами, имеющими связь с каждым автомобилем (системы телематики), которые будут принимать на себя некоторые функции управления автомобилем или помощи водителю в критических режимах. Повышение привлекательности охватывает широкий круг вопросов и связано со стремлением автопроизводителей создавать автомобили, наиболее полно отвечающие индивидуальным запросам конкретного человека. Можно ожидать снижение до 1,5 лет периодичности выпуска на рынок новых моделей, увеличение количества модификаций автомобиля, применение новых устройств, повышающих комфорт (систем поддержания необходимого климата в салоне, устройств автоматического управления агрегатами и т. д) [1]. Экономические и природные факторы, среди которых, с одной стороны, сокращающиеся запасы нефти и природного газа, с другой - все более ясно осознаваемые экологические требования, определяют направление повышения 9 топливной экономичности и снижение загрязнения окружающей среды, которое является одним из ведущих в современном автостроении. К экономическим факторам относится также снижение стоимости производства, обслуживания и утилизации автомобильного транспорта. Одним из направлений решения этих проблем видится в использовании двигателей, использующие альтернативные источники энергии, водород, природный газ, биотопливо. На смену привычному двигателю внутреннего сгорания приходят электродвигатели и гибридные силовые установки с использованием альтернативных источников энергии. Здесь наметились интересные перспективы, связанные с применение топливных элементов, которые преобразуют топливо (водород или метанол) в электрический ток, исключая необходимость в двигателе внутреннего сгорания [1]. При работе на водородном топливе решается проблема токсичности отработавших газов, так как в результате сгорания водорода образуется вода. Однако получение водорода связано с большими энергетическими затратами, затруднены хранение и транспортирование водорода. Непрерывно улучшаются аэродинамические формы легковых автомобилей, так как топливная экономичность автомобиля напрямую зависит от этого показателя. Большое значение для снижения расхода топлива также имеет уменьшение энергетических потерь в шинах. Значительная доля расхода топлива приходится на массу автомобиля, большую часть которой, в свою очередь, составляет масса кузова. Поэтому снижение массы кузова неизменно приводит к улучшению топливной экономичности. Уменьшение массы на 100 килограммов означает снижение расхода топлива примерно на 0,5 литров на 100 километров и сокращение выбросов CO 2 от 7,5 до 12,5 граммов на один километр. Снижение массы одно из основных направлений совершенствования кузова. При этом используют два пути: 10 – использования легких конструкционных материалов (алюминий, пластмассы, композиционные материалы, магниевые сплавы); – экономия материалов. Эти пути реализовываются посредством уменьшения толщины листовых панелей, экономии материалов и смешенного использования в одном кузове различных материалов. 1.2. Новые материалы для автомобильных кузовов Автомобилестроение является одним из крупнейших потребителей конструкционных материалов. Понижение массы автомобиля — задача сложная и затратная, так как связана с необходимостью внедрения новых, более легких, но довольно прочных материалов, которые обычно стоят в разы дороже. При уменьшении массы через применение новых подходов кроме дальнейшего развития техники и технологии производства важную роль играет комбинация оптимальных свойств материалов. Среди основных конкурирующих между собой материалов в автомобилестроении необходимо назвать стали, пластмассы, композиционные материалы, сплавы на основе алюминия и магния. Подавляющее большинство кузовов современных автомобилей изготавливаются из тонколистовой низкоуглеродистой или низколегированной стали толщиной от 0,6 до 3 мм. И в ближайшем будущем эта тенденция сохранится. Они уступают легким материалам по удельному весу, но при этом более дешевы и в полной мере соответствуют требования прочности, надежности и безопасности. В настоящее время в конструкции кузова появились высокопрочные стали, способные выдерживать высокие нагрузки. Благодаря этому появилась возможность изготовлять кузовные панели более тонкими, что приводит к 11 экономии массы. В некоторых конструкциях кузовов ее количество достигает 50 %. 1.2.1 Алюминий и алюминиевые сплавы На сегодняшний день алюминий и его сплавы занимают лидирующие позиции в списке «новых» материалов. Инженеры автоконцерна Audi, начиная с 1994 года (модель A8), снабжают свои модели алюминиевым кузовом, которой позволил сэкономить 239 кг и снизить расход дизельного топлива до 5,3 л. Такого результата удалось добиться благодаря созданию несущего кузова ASF (Audi Space Frame) (рисунок 1). В его конструкции удачно сочетаются, прессованные профили, детали, отлитые под давлением и тонкостенные алюминиевые панели. Главное преимущество алюминия является его малая плотность, хорошая коррозионная стойкость и демпфирующие свойства. Из недостатков стоит отметить высокую стоимость, а также неудовлетворительную свариваемость контактной сваркой. Рисунок 1 – Самонесущий кузов Audi Space Frame 12 Известно, что каждый килограмм алюминия, используемый в конструкции автомобиля, позволяет снизить его массу на один килограмм. 1.2.2. Пластики (пластмассы) и композиционные материалы Альтернативой алюминию являются пластики, при этом также обеспечивая снижение массы кузова. Эти материалы не подвержены коррозии, но являются трудными для переработки. Чистые пластики не способны нести нагрузки, поэтому используются для внешних декоративных деталей кузова, крылья, крышка багажника и т.д. При этом пластмасса повсеместно применяется в формованных бамперах, в которых сопротивление незначительному разрушению при ударе является чрезвычайно ценным [1]. Наибольшее применение в автомобилестроении находят композиционные материалы, состоящие из двух или более компонентов, соединенных между собой. Эти материалы получаются соединением слоев различных материалов, спеканием частиц или армированием одного материала волокнами другого [1]. Популярными в автомобилестроении композиционными материалами являются углепластики (карбон), и стеклопластики, представляющие собой соединение эпоксидных смол с углеволокном и стекловолокном, cоответственно. Углепластик прочен, легче, чем сталь или алюминий, и его часто используют в деталях, улучшающих аэродинамические свойства автомобиля. Но карбон дорог в производстве и отнимает больше времени при изготовлении деталей. Он в основном применяется в дорогих спорткарах и гоночных автомобилях. У них есть еще один недостаток, заключающийся в непредсказуемости поведения при аварии, что влечет за собой большую угрозу безопасности пассажиров. Совсем недавно появилась модель BMW 7-cерии G- 12 (рисунок 2), в которой карбоновые детали присутствуют в разных усилителях, стойках крыши, боковинах кузова и пр., в сочетании со основными материалами 13 сталью и алюминием. Их соединение осуществляется с помощью клея и заклепок. Стеклопластики были первыми композитами в конструкции кузова автомобиля. Стекловолокно обеспечивает механическую прочность конструкции, а смола придает и поддерживает заданную форму. Стекловолокно наиболее часто использующийся «каркас» в композиционных материалах, так как является дешевым, качественным и жестким. Рисунок 2 – Кузов BMW 7-cерии G-12, построенный по принципу «Карбоновое ядро» Сегодня с внедрением новых технологий производства и расширение номенклатуры новых материалов, алюминий, пластики и композиты будут выходить в массовое производство все быстрее и быстрее. Но возникают новые проблемы, повышение топливной экономичности путём снижения веса угрожает снижением уровня безопасности. Лёгкие материалы также стоят дороже, поэтому важно медленное и планомерное снижении массы автомобиля, но несмотря на сложности, связанные с работой с лёгкими материалами, работы в этом направлении продолжаются. 14 1.3 Магниевые сплавы в автомобилестроении Впервые магний стал использоваться в автомобиле Фольксваген Жук в качестве отливок картера двигателя и картера трансмиссии общим весом 17 кг [9]. Но вследствие резкого подорожания магния в 80-ые годы по сравнению с алюминием и прекращения выпуска двигателей с воздушным охлаждением значение магния как конструкционного материала уменьшилось. В настоящее время применение магниевых сплавов в автомобиле составляет примерно 0,3% от общего веса транспортного средства; тем не менее, предполагается, что к 2025 году использование магниевых сплавов в транспортных средствах увеличится до 12,2% от общего веса, в основном, в ущерб стали, железа, алюминия, как показано на рисунке 3 [14]. Рисунок 3 – Текущее и предполагаемое распределение веса в автомобиле При необходимой прочности деталь из магниевого сплава может быть на 33 процента легче такой же алюминиевой, на 60 процентов легче титановой и на 75 процентов легче стальной. Однако до сих пор применение магния в автомобилях было очень скромным и ограничивалось, главным образом, невеликими по размеру литыми деталями типа кронштейнов, крышек отдельных агрегатов под капотом и втулок (рисунок 4) [21]. 15 По оценкам экспертов вес транспортного средства с использованием магниевых сплавов может быть снижен на 135 кг. А это, в свою очередь, поспособствует снижению расхода горючего на 12 %. Преимущества при использовании магниевых сплавов [16]: – снижение веса автомобиля; – экономия топлива и снижение эмиссии вредных веществ; – улучшение ходовых качеств; – минимизация стуков и скрипов – хорошие демпфирующие свойства и сопротивление ударным нагрузкам; – отличная обрабатываемость резанием; – высокая удельная прочность; – защитная электромагнитная способность; – способность к рециклингу. Недостатки: – высокая производственная стоимость; – недостаточно высокая пластичность при комнатной температуре; – относительно низкая коррозионная стойкость. Основной причиной низкого использования листовых магниевых сплавов является то, что они обладают плохой формуемостью при комнатной температуре. Однако, их пластичность значительно возрастает при температурах выше 200°С. Поэтому они могут быть штампованы, но повышенная температура процесса штамповки увеличивает производственную себестоимость. Было предпринято несколько попыток использовать магниевый лист в конструкции кузова транспортного средства, как например сверхлегкий прототип магниевого кузова, разработанный Аллард в 1952 году с общим весом всего лишь 64 кг [8]. Среди деталей из магниевых сплавов, применяемых в современных легковых машинах, можно назвать диски колес, картеры двигателя и коробки передач, корпуса масляных насосов, рулевое колесо, детали сидений, кронштейны, стойки. 16 Рисунок 4 – Использование магния в автомобиле 17 2. Деформируемые магниевые сплавы В последние годы, к магниевым сплавам приковано большое внимание в электронной связи, транспортной, аэрокосмической промышленности, в связи с их превосходными физико-механическими свойствами, такими как низкая плотность, высокая удельная прочность и удельная жесткость, сильное электромагнитное экранирование, хорошая теплопроводность и способность к рециклингу. В настоящее время, подавляющее большинство продуктов конструкционных магниевых сплавов по-прежнему изготавливают путем литья под давлением. Но литейные сплавы обладают низкой механической прочностью из-за наличия дефектов литья, таких как включения, междендритные усадочные раковины и пористость. В противоположность этому, деформируемые магниевые сплавы имеют более высокую прочность, лучшую пластичность и более разнообразные механические свойства в результате улучшения контроля микроструктуры и оптимизации температуры обработки, а также имеют более широкую перспективу рыночного развития. Среди всех элементов, магний (Mg) считается четвертым по распространенности элементом на Земле, после железа, кислорода и кремния. Несмотря на значительную доступность, магний имеет ограниченное применение в промышленности. Как показано на рисунке 3, магний в основном используется в качестве легирующего компонента в алюминиевых сплавах, 30 % используется для литья под давлением, и только 1 % используется для деформированных изделий, таких как листовой прокат, сплавы для прессования и ковки (рисунок 5). Из-за слишком низкой механической прочности, чистый магний должен быть легирован другими элементами, которые придают ему улучшенные свойства. Группа магниевых сплавов Mg-Al-Zn содержит алюминий, марганец и цинк. Это наиболее распространенные легирующие элементы для применения при комнатной температуре. 18 По технологии изготовления деталей и узлов магниевые сплавы делятся на две категории: литейные и деформируемые. К каждой из них относятся сплавы высокопрочные, жаропрочные, повышенной коррозионной стойкости и др. [2]. Рисунок 5 – Основные области применения магния Из деформируемых магниевых сплавов получают разнообразный полуфабрикат в виде: прессованных профилей, кованых и штампованных поковок, листов и плит. 2.1 Производство листов Традиционное производство листового материала используется очень давно. Привычная технология листового производства состоит из следующих стадий [15]: - Литье слябов; - Гомогенизирующий отжиг; - Механическая поверхностная обработка (шлифование); 19 - Многоэтапная прокатка с обрезанием боковой кромки и промежуточным отжигом (рисунок 6) - Конечная термическая обработка. Главными проблемами при производстве магниевых листов являются то, что обработка давлением материалов с гексагональной кристаллической структурой представляет собой трудоемкий процесс, требующий наличия специализированного оборудования и строгого соблюдения температурных интервалов обработки. Еще одной проблемой является некачественное состояние литой структуры, выражающееся наличием пор, пустот, недеформируемых включений, которые заметно снижают способность к деформации. Формуемость можно повысить путем последующего гомогенизационного отжига, а улучшить качество литья позволяет осуществление высоких скоростей охлаждения. Обычным процессом для производства листа является прокатка. В начале практики прокатки магния прокатывались только прессованные слябы. Считалось, что прессованный сляб обладает более однородной микроструктурой и, следовательно, лучшими свойствами прокатки. Метод устранения до прокатки литой структуры путем ковки на прессе также развивается применительно к производству листового проката. Рисунок 6 - Прокатка магниевых полос 20 Этот метод не дает никаких преимуществ перед прессованием, но является полезной альтернативой. Магниевый лист может быть также получен непосредственно из литых слябов в зависимости от сплава, степени восстановления и конечного применения листа. Магниевые листы традиционно изготавливают из магниевых профилей, а именно предварительно обработанных литых слябов. В целях ликвидации литой структуры, предварительная обработка, как правило, осуществляется с помощью термической обработки и горячей деформации, а именно горячей прокаткой. В лабораториях, литые слитки обычно предварительно обрабатывают горячим прессованием, где могут быть применены большие сжимающие деформации. На данный момент подходящий для производства листового проката магниевый сплав AZ31B. Как правило, сплав отливают в форме сляба и предварительно обрабатывают в блочный сляб на обжимном прокатном стане. Единственный недостаток заключается в том, что поверхность сляба окисляется при высокой температуре. Во время прокатки, оксидная пленка может быть вкатана в листовой металл и ухудшить качество листа. Даже при том, что оксидная пленка может быть удалена с помощью химического или механического разрушения, эти процессы приводят к образованию впадин, т.е. грубых неровных и загрязненных поверхностей по толщине от 10 до 15 мм, которые должны быть устранены. Богатая примесями, плотной оксидной пленкой и включениями, частицами вторичных фаз, микроскопическими и макроскопическими дефектами, например, порами, поверхность увеличивают восприимчивость листа к образованию трещин при дальнейшей деформации. Во избежание макроликвации легирующих элементов, деформируемые магниевые сплавы предпочтительно отливать на машинах с прямым охлаждением. Несмотря на высокоскоростную кристаллизацию расплавленного металла в узкой ванне, средний размер зерен литой заготовки остается велик, и зависит от диаметра заготовки и параметров литья. В некоторых случаях, литую заготовку на начальном этапе приходиться подвергать горячей деформации, во избежание эффекта охрупчивания крупных зерен и улучшения 21 обрабатываемости в горячем состоянии. Магниевый сляб имеет следующие размеры: 300 мм шириной, 1 м в поперечном сечении и длиной 2 м. Сляб обычно вначале гомогенизируют, для AZ31 как правило при 480°С, в течении нескольких часов и подвергают горячей прокатке на реверсивном стане горячей прокатки толщиной до 5-6 мм. Горячей прокаткой обычно производится около 60 метров в минуту. При первых проходах прокатки, допустимое обжатие за один проход ограничивается до 5-10% крупнозернистой структуры литого сырья, которое вызывает образование трещин. Лишь после рекристаллизации и измельчения зерна, деформация за один проход может быть увеличена до 30- 60%. Время контакта между слябом и валками обжимного прокатного стана весьма коротко, и эти валки редко предварительно нагреты. Валки часто смазываются в заключительных проходах. Тем не менее, лучшая смазка, использующаяся в настоящее время не способна полностью решить одну из проблем горячей прокатки магния, а именно, захватные валки к которым прилипают оксид магния и металл. По мере продолжения прокатки, этот так называемый захватный валок может повторно обработать лист, вынуждая к тщательной очистке на более поздних стадиях. После разделения, сляб повторно нагревают до 315-370°С и прокатывают в плоской или спиральной чистовой клети до конечной толщины. До начала холодной прокатки, горячекатаный лист как правило, подвергают отжигу при температуре около 370°С, чтобы обеспечить полное разупрочнение. Холодная прокатка затем осуществляется со скоростью от 30 до 120 метров в минуту. Для прокатки от 2 мм или около этого до более тонких калибров, процесс состоит из серий операций холодной прокатки с промежуточными процедурами отжига. Величина обжатия за один проход изменяется от 1 до 5% и иногда достигает 10% для тонких калибров. Эта последняя часть процесса прокатки занимает много времени с высокими производственными затратами и все больше имеет склонность к снижению выхода годного металла [17]. 22 2.2 Магниевый деформируемый сплав AZ31B Среди коммерчески доступных магниевых сплавов, используемых при производстве листового материала, AZ31B является самым распространенным. Это сплав системы Mg-Al-Mn-Zn, его массовая плотность составляет порядка 1780 кг/м 3 , коэффициент Пуасcона равен 0,35. Химический состав данного сплава представлен в таблице 1. По американскому стандарту ASTM данное обозначение сплава AZ31B расшифровывается следующим образом: первые две буквы – два основных легирующих элемента сплава, т.е. A-алюминий, Z-цинк; следующие две цифры обозначают содержание алюминия (3%) и цинка (1%); буква B показывает, что этот сплав средней степени чистоты. Данный сплав относится к сплавам средней прочности, свариваемый, хорошо формуемый. Из него получают листы, прессованные детали, поковки [18]. Таблица 1 – Химический состав сплава АZ31B, % Al Zn Mn Ca Cu Fe Ni Si Всего Mg 2,5-3,5 0,6-1,4 0,20-1,0 0,04 0,05 0,005 0,005 0,10 0,30 Остаток 2.3 Поведение магниевых сплавов при пластической деформации Магниевые сплавы имеют гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую структуру с соотношением с/a примерно равным 1,62. Пластичность ГПУ-металла зависит от числа вовлеченных в деформацию систем скольжения: если систем вовлечено мало – материал трудно деформируется (он хрупкий); а если достаточно – ГПУ-металл по пластичности не уступает ГЦК-металлам. Когда поликристаллический материал деформируется гомогенно, в каждом из зерен возникают внутренние напряжения: в каких-то зернах вдоль направления «с» действуют напряжения растяжения, в то время как в других зернах вдоль оси «с» действуют напряжения сжатия. Металлы, в деформацию которых вовлечено несколько систем 23 скольжения и двойникования (образуются как двойники «растяжения», так и двойники «сжатия»), обычно имеют высокую пластичность. Исходя из условия Тэйлора и Мизеса для того, чтобы поликристаллический объект испытывал гомогенную пластическую деформацию без образования трещин, в нем должно быть не менее пяти систем скольжения [13]. Все ГПУ-металлы характеризуются легким скольжением вдоль направлений, лежащих в базисной плоскости, и трудным скольжением вдоль оси «с». Только пирамидальное скольжение с вектором Бюргерса (рисунок 7). Рисунок 7 – Основные системы скольжения в ГПУ-металлах При комнатной температуре деформация Мg (с/а=1,62) и сплавов на его основе происходит путем скольжения: базисного {0001} <1120>, призматического {1010} <1120> и пирамидального {1011} <1120>, а также путем двойникования {1012} <1011> [17]. При этом в Мg, 24 имеющем отношение с/а, близкое к идеальному значению, первичным и явно доминирующим является базисное скольжение [12]. В металлах с ГПУ-решеткой, близкой к идеальной (γ=с/а≈1,633 - Mg), преимущественно действующее базисное скольжение приводит к тому, что плоскости (0001) выстраиваются параллельно плоскости прокатки (рисунок 8). Двойникование происходит легко, когда сжимающие напряжения действуют параллельно базисной плоскости, поэтому магниевые сплавы, как правило характеризуются более низкими значения продольного условного предела текучести при сжатии (на 15-40%), чем при растяжении (рисунок 9) [19]. Рисунок 8 - Текстура деформации в направлении прокатки Рисунок 9 - Сравнение кривых растяжения и сжатия магниевого сплава AZ31B- O 25 3. Анализ механических и технологических свойств магниевых сплавов Главное требование к материалам - это пригодность к штамповке и дальнейшей эксплуатации. Основной характеристикой пригодности материала является штампуемость. Штампуемость – способность материала к пластической обработке до требуемой степени деформации без разрывов, трещин и прочих дефектов [3]. Штампуемость материала является обобщенным понятием, так как зависит от химического состава, структуры, напряженно-деформированного состояния и технологических условий вытяжки материала. В связи с этим оценка штампуемости требует проведения ряда испытаний, основными из которых являются [4]: 1) общие – наружный осмотр и контроль формы, размеров и состояния поверхности листа в соответствии с требованиями стандартов; 2) химические – определение химического состава и сопротивляемости коррозии; 3) металлографические – анализ макро- и микроструктуры; 4) механические – определение показателей пластичности, прочностных и других характеристик механических свойств; 5) технологические – проверка способности материала к пластической деформации. Именно в ходе технологических и механических испытаний устанавливаются основные числовые показатели, определяющие возможность штамповки. 3.1 Механические испытания на растяжение Наилучшие результаты в определении механических свойств материала дает испытание на растяжение. С их помощью определяются прочностные 26 характеристики (предел текучести т σ , предел прочности в σ ), показатели пластичности (относительное сужение ψ и относительное удлинение δ , коэффициент анизотропии R ) и другие показатели. По результатам испытаний образцов на растяжение получают экспериментальные зависимости интенсивности напряжений от интенсивности деформаций. Эту зависимость отражает диаграмма условных, а наиболее точно истинных напряжений (кривые упрочнения) (рисунок 10). Параметры полученных кривых упрочнения представляют собой критерии штампуемости материала. Рисунок 10 - Диаграмма условных 1 и истинных 2 напряжений В расчетах параметров штампуемости используют различные аналитические апроксимации кривых упрочнения [3]. Степенная апроксимация Свифта, выражающаяся формулой (1): n s C (1) где С – постоянная величина данного материала; n – показатель деформационного упрочнения; ε - величина деформации любого вида. 27 Линейная апроксимация П.Людвика, выражающаяся формулой (2): П T s 0 (2) где 0 T σ - экстраполированный предел текучести; П - модуль упрочнения. Основными оценочными показателями штампуемости является коэффициент нормальной анизотропии R и показатель деформационного упрочнения n , определяемыми при испытании на растяжение. Под анизотропией понимается различие механических свойств листового металла в различные направления прокатки. Коэффициент нормальной анизотропии представляет отношение логарифмической деформации по ширине B ε к деформации по толщине образца S ε в выбранном направлении прокатки на участке равномерной деформации (3) [4]: ) s / s ln( ) b / b ln( ε / ε R д д S B (3) Показатель деформационного упрочнения n в соответствии с формулой 4 равен: ) l / l ln( ε n 0 P P (4) Показатель деформационного упрочнения равен тангенсу угла наклона кривой упрочнения, апроксимированной прямой линией в логарифмических координатах [3]. Для листовой стали хорошая штампуемость наблюдается при 7 , 1 2 , 1 R и 2 , 0 n [3]. В ходе испытания на разрывных машинах растягивают плоские образцы. Форма образцов и методика проведения испытаний регламентируются ГОСТ- 11701-84. Форма и размеры образца представлены на рисунке 11. 28 Рисунок 11 - Плоский образец для испытания на растяжение Расчетная длина образца 0 l стандартна и определяется (при 10-кратном) образце по формуле (5): 0 0 3 , 11 10 F l (5) где 0 F - площадь поперечного сечения образца; При 5-кратном образце по формуле (6): 0 0 65 , 5 5 F l (6) 3.2 Проведение механического испытания на растяжение 3.2.1 Оборудование Эксперимент по растяжению образцов в условиях квазистатического нагружения производился на серво-гидравлической разрывной машине INSTRON 1331. Тензодатчик, используемый в ней имеет предельную нагрузку 25 кН. Перемещение было измерено с помощью экстензометра изготовленного INSTRON. Образцы устанавливались в пару захватов. Экспериментальная установка изображена на рисунке 12. Эта установка была смонтирована в INSTRON c использованием клиновых захватов для выравнивания образца по отношению к оси нагружения аппарата, что уменьшает вероятность возникновения изгибающей нагрузки, приложенной к образцу [8]. 29 Cкорость перемещения траверсы была установлена на 0,375 мм/с, с целью получения номинальной скорости деформации 0,003 с -1 [8]. Рисунок 12 - Квазистатическая экспериментальная установка 3.2.2 Испытываемые образцы В условиях комнатной температуры проводилось два испытания на растяжение: в одном испытании образец растягивался вдоль направления прокатки, а в другом – поперек направления прокатки. Форма и размеры двух испытываемых образцов одинаковы и представлены на рисунке 13 в соответствии с ГОСТ 11701-84 для данной толщины материала [8]. 30 Рисунок 13 - Плоский образец для испытания на растяжение В качестве материла использовался горячекатаный и полностью отожженный магниевый лист AZ31B-O толщиной 1 мм, обладающий наилучшими пластическими свойствами. 3.2.3 Процедура обработки исходных данных Встроенное программное обеспечение разрывной машины INSTRON регистрирует нагрузку и перемещение от экстензометра. Для заданной геометрии образца оно автоматически преобразует нагрузку и перемещение в условное напряжение и условную деформацию, следовательно, графически определяется условный модуль Юнга, предел текучести и предел прочности при растяжении. Исходя из измеренных уловных напряжений σ и условных деформаций ε Были подсчитаны истинные напряжения и деформации, формула (7): ) ε 1 ( σ σ ) ε 1 ln( ε ист ист (7) Это уравнение основано на предположении постоянства объема в рабочей длине образца и действует до начала утонения. Пластическую деформация затем находится путем вычитания упругого компонента деформации от истинной деформации по формуле (8): E T T P , (8) где E – модуль Юнга материала. 31 Модуль Юнга вычисляется условно из формулы (8) и при низкой скорости деформации изменяется с 35 ГПа до 43 ГПа, что очень близко к значению 45 ГПа, определенного для AZ31B. Упругая часть диаграммы не представляет интереса для исследования, так как деформация происходит с непостоянной скоростью, даже при низкой скоростью деформации [8]. Подсчет напряжения текучести происходит только на участке равномерной деформации при постоянной скорости деформации, т.е. до предела текучести. 3.2.4 Обработка данных эксперимента Скорость деформации в ходе эксперимента определяется скоростью движения траверсы машины, а деформация измеряется экстензометром, чтобы избежать каких-либо измерений упругой деформации за пределами длина датчика образца. Все различные конститутивные расчеты и кривые были выполнены с использованием фактической скорости деформации [8]. В результате эксперимента были получены машинные диаграммы нагружения для сплава AZ31B-O, при растяжении вдоль направления прокатки (рисунок 14) и поперек (рисунок 15). Рассчитанные значения точек кривых истинных напряжений при растяжении вдоль направления и поперек направления прокатки заданы в таблице 2. На рисунках 16 и 17, показаны рассчитанные диаграммы истинных напряжений сплава AZ31B-O вдоль и поперек направления прокатки, соответственно. 32 Рисунок 14 - Диаграмма условных напряжений для сплава AZ31B-O вдоль направления прокатки Рисунок 15 – Диаграмма условных напряжений для сплава AZ31B-O поперек направления прокатки 33 Рисунок 16 - Кривая упрочнения для сплава AZ31B-O вдоль направления прокатки Рисунок 17 - Кривая упрочнения для сплава AZ31B-O поперек направления прокатки При сравнении двух кривых упрочнения, можно увидеть, что при растяжении поперек направления прокати напряжение текучести выше, в 34 отличии от растяжения вдоль прокатки (185,80 МПа против 159,88 МПа, соответственно). Величина равномерной деформации и предела прочности для двух образцов одинакова. Уравнения для кривых упрочнения и основные штамповочные показатели получаются посредством апроксимации полученных кривых в Autoform c помощью функционала «Генерация материала» (рисунок 18) и (рисунок 19). Созданные материалы сохраняются в файлы с расширением mat и в дальнейшем при расчетах могут быть с легкостью загружены. Рисунок 18 - Окно создания материала AZ31B-O, вдоль направления прокатки 35 Рисунок 19 - Окно создания материала AZ31B-O, поперек направления прокатки Полученные экспериментальные данные были учтены при численном моделировании методом конечных элементов, с использованием пяти моделей материалов, представленных в LS-DYNA. 36 Таблица 2 – Точки, задающие кривые упрочнения сплава AZ31B-O 0 ° 90 ° № S , мм/мм S , МПа S , мм/мм S , МПа 1 0,00095 159,88 0,00095 185,80 2 0,005 177,16 0,005 196,30 3 0,01 190,74 0,01 206,79 4 0,015 201,85 0,015 216,67 5 0,02 211,11 0,02 227,16 6 0,025 219,75 0,025 235,19 7 0,03 229,01 0,03 241,36 8 0,035 236,42 0,035 248,15 9 0,04 242,59 0,04 253,70 10 0,045 247,53 0,045 258,64 11 0,05 252,47 0,05 262,96 12 0,055 258,64 0,055 268,52 13 0,06 262,35 0,06 270,37 14 0,065 267,28 0,065 275,31 15 0,07 269,75 0,07 275,93 16 0,075 274,69 0,075 280,86 17 0,08 275,93 0,08 282,10 18 0,085 280,86 0,085 285,19 19 0,09 282,10 0,09 287,04 20 0,095 285,19 0,095 290,74 21 0,1 287,04 0,1 291,98 22 0,105 289,51 0,105 293,83 23 0,11 290,12 0,11 295,06 24 0,115 293,21 0,115 295,68 25 0,1192 294,44 0,1190 296,30 3.3 Компьютерное моделирование испытания на растяжения в программе LS-DYNA С целью снижения трудоемкости и экономических затрат при проведении механических испытаний, выполняется компьютерное моделирование этих испытаний численным методом конечных элементов в программе инженерного анализа LS-DYNA, позволяющее предсказать поведение материала при испытании и определить основные механические характеристики. Экспериментальные данные были соотнесены с пятью моделями материалов из LS-DYNA, чаще всего применяющимися при описании процессов листовой штамповки. 37 При моделировании процесса механического испытания на растяжение магниевого сплава AZ31B-O в LS-DYNA была создана объемная (с 5 конечными элементами по толщине) (рисунок 20) и оболочечная конечноэлементная модели плоского образца для испытания на растяжение в соответствии с размерами экспериментального образца (рисунок 21). В объемной модели в качестве КЭ используются трехмерные объемные восьмиузловые шестигранники, а в оболочечной модели – обололочечные четырех -узловые КЭ. Рисунок 20 – Объемная модель образца для растяжения Рисунок 21 – Оболочечная модель образца для образца 38 Для каждого типа моделей материалов был создан k. файл в виде набора карт, задающих операции одноосного растяжения. Пример структуры выходного k.файла задающего процесс одноосного растяжения магниевого сплава AZ31B-O в направлении прокатки для кусочнолинейного изотропного материала типа 24. *KEYWORD *TITLE TENSION TEST SIMULATION, mat=24, displacement $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *CONTROL_TIMESTEP 0.0000 0.9000 *CONTROL_TERMINATION 0.01000 *DATABASE_EXTENT_BINARY $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ i i i i i i i i $ neiph neips maxint strflg sigflg epsflg rltflg engflg $ i i i $ cmpflg ieverp beamip 1 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_BINARY_D3PLOT 0.001 *DATABASE_GLSTAT 0.00001 *DATABASE_NODFOR 0.00001 *DATABASE_ELOUT 0.00001 *DATABASE_SECFORC 39 0.00001 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_NODAL_FORCE_GROUP 2 *SET_NODE_LIST 2 1130,1131,1132,1133,1134,1135,1136,1137 1138,1139,1140,1141,1142,1143,1164,1185 1206,1227,1248,1269,1290,1311,1332,1353 1352,1351,1350,1349,1348,1347,1346,1345, 1344,1343,1342,1341,1340 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *SET_NODE_LIST 3 892,913,934,955,976,997,1018,1039 905,904,903,902,901,900,899,898 897,896,895,894,893,1103,1104,1105 1106,1107,1108,1109,1110,1111,1112,1113 1114,1106,1081,1102,1115 *DATABASE_HISTORY_SHELL 41,40,121,120,201,200,281,280 361,360,441,440,521,520,601,600 681,680,761,760 *SET_PART_LIST 1 1 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DATABASE_CROSS_SECTION_PLANE 1 1 10 10 210 10 10 1 -10 -10 20 20 40 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY $ MID RO E PR SIGY ETAN FAIL 1 1.780E-09 4.500E+04 0.000E-010.0000E+00 0.000E+00 0.282 $ C P LCSS $ note that if LCSS is defined the EPS vs ES is ignored $ if C and P are set to zero, no strain rate effect will be considered 0.0 0 0 $ (EPS) effective plastic strain vs efftive stress (ES) 0.00095 0.025 0.05 0.075 0.1 0.115 0.1192 159.88 219.75 252.47 274.69 287.94 293.21 294.44 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *SECTION_SHELL 1 2 0.000E+00 3.000E+00 1.000E-00 1.000E-00 1.000E-00 1.000E-00 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *PART SHELL 1 1 1 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *DEFINE_CURVE 1 0.00000000000000E+00 0.0000000000000E+00 0.01000000000000E+00 50.000000000000E+00 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *BOUNDARY_SPC_SET 2 0 1 1 1 1 1 1 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET 3 1 2 1 1.000E+00 41 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *ELEMENT_SHELL 1 1 1 2 83 82 0 0 0 0 *NODE 1 155.0 16.25 0.0 0 0 *END Описание структуры k. файла [10]: (1) *KEYWORD – является признаком начала файла с данными препроцессора, которые необходимы для запуска решателя LS-DYNA или признаком начала колоды карт с ключевыми словами и необходимыми данными для решения задачи в среде LS-DYNA. Признаком ключевого слова является символ «*» в первой колонке карты ввода. (2) *TITLE – задает название выполняемого расчета. TENSION TEST SIMULATION, mat=24, displacement Моделирование испытания на растяжение, материал – 24, перемещение Знак доллара «$» в первой колонке предшествует комментарию и указывает на то, что данная строка ввода должна игнорироваться. (3)*CONTROL_TIMESTEP – задает параметры управления размером шага прочностного расчета. 0.0000 – DTINIT, определяет начальный размер шага по времени; 0.9000 –TSSFAC, коэффициент пересчета для расчетного шага по времени (значение по умолчанию). (4) *CONTROL_TERMINATION |