РАЗДЕЛ 2
КОМПЬЮТЕРНОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА КОЛЕС
Известно, что механические свойства деформированного металла, в конечном счете, определяются его структурой. Наиболее эффективным способом повышения прочности и твердости обода является уменьшение размера зерна [75]. При одинаковых температурно-скоростных условиях величина зерна будет определяться накопленной степенью деформации за все предыдущие формоизменяющие операции [76].
В современных исследованиях на эту тему ставится вопрос о подборе термодеформационного воздействия на металл, позволяющего достичь заданных структуры и свойств. Такой подход привел к появлению количественных полуэмпирических моделей процессов развития микроструктуры металла в процессе деформирования. Анализ опубликованных источников позволяет утверждать, что моделирование развития микроструктуры проводится на базе полуэмпирических уравнений, описывающих явления рекристаллизации и изменения величины зерна в соответствии с концепцией, описанной, например, в работах [77-79].
Из этих работ следует, что на размер зерна оказывает влияние история развития деформации (ее распределение по проходам) и начальная величина зерна. При рассмотрении одного прохода наблюдается эффект, когда дальнейшее увеличение деформации не приводит к пропорциональному изменению размера зерна. Данный факт, однако, необходимо подтвердить экспериментально для колесной стали.
Следует отметить, что на этапе прокатки суммарная деформация обода колеса весьма значительна, и вероятно проявление указанного эффекта. По этой причине корректировка режима деформации обода на этапе прокатки может не дать заметного результата. С другой стороны, на этапе штамповки деформация области заготовки, соответствующей ободу, относительно мала [73]. Таким образом, увеличение деформационной проработки заготовки в области обода именно на этапах штамповки может дать эффект измельчения зерна и повышения комплекса механических свойств изделия.
Увеличение деформируемости литой стали в ободе обеспечит получение в нем более дисперсного структурного состояния и, в конечном итоге, формирование в процессе термического упрочнения более мелкого зерна в этом элементе колеса. В результате в ободе колеса могут быть получены более высокие значения вязкости, что обеспечит ему повышение износостойкости и контактно-усталостной прочности, вязкости разрушения K1C и ударной вязкости.
Экспериментальное исследование распределения деформаций в заготовке железнодорожного колеса было ранее выполнено с помощью метода координатных сеток и с помощью метода стержней [37, 73]. Экспериментальные методы определения распределения деформации, однако, слишком трудоемки для решения задачи многовариантного анализа распределения деформации. Современные достижения теории обработки металлов давлением дают новый инструмент для решения таких задач [80]. Это, прежде всего, метод конечных элементов (МКЭ), который в настоящее время широко используется для оптимизации процессов штамповки [69, 81, 82]. Использование МКЭ для оптимизации распределения деформации на всех переходах производства заготовок железнодорожных колес позволит увеличить число рассматриваемых вариантов и выполнить достоверный анализ полученных распределений деформации. Следует отметить, что в рассмотренной постановке (с целью анализа и оптимизации механических свойств колеса) в существующих работах по использованию МКЭ при оптимизации производства заготовок железнодорожных колес данная задача не решена.
В качестве основы численной модели процессов деформации были взяты две коммерческие программы - FORGE 3 для моделирования процессов прокатки и QForm для процессов штамповки. Выбор последней был сделан по результатам независимого тестирования коммерческого программного обеспечения для моделирования процессов штамповки, опубликованных в виде приложения к материалам конференции Metal Forming Process Simulation in Industry [83]. Данная программа также является одной из немногих существующих в мире, обладающих русскоязычным интерфейсом и руководством пользователя, что упрощает ее использование на НТЗ им. К. Либкнехта.
Программа FORGE 3 была использована для моделирования трехмерного формоизменения металла при прокатке на колесопрокатном стане и оценки величины накопленной деформации в ободе.
Математические модели процессов штамповки и прокатки основаны на общих принципах решения краевых задач теории пластичности жесткопластического тела. По этой причине описание теоретических основ моделей приводится ниже один раз. Различия в моделях касаются специальных вопросов теории численных методов (метода конечных элементов) и приведены в опубликованных работах [81, 82, 84-87].
Для достоверного определения параметров деформации необходимо знать распределение кинематических, деформационных, силовых и тепловых характеристик процесса во всех точках деформируемой заготовки в любой момент времени. В этом случае математическая модель может быть использована в режиме "советчика". Укрупнено алгоритм расчета параметров процесса производства заготовок железнодорожных колес выглядит следующим образом:
1) задание приближенного варианта калибровки инструмента, режима деформации (степень, скорость деформации, исходная температура);
2) математическое моделирование процесса и получение необходимой информации о нем;
3) анализ результатов и принятие решения о соответствии данного варианта калибровки инструмента и режима деформации критериям оптимальности (получение требуемой формы и размеров; получение полей деформаций, напряжений, температур, обеспечивающих требуемую структуру металла в ободе и, как следствие, требуемый комплекс свойств).
В качестве базовой модели в работе используется программа
Qform [82].
Данная компьютерная модель основана на теории пластического течения [88, 89], в рамках которой металл в пластическом состоянии представляется как несжимаемое жесткопластическое тело. Исходная система, описывающая пластическое дефо
- Київ+380960830922