Метод динамического испытания металлов (стр. 2 )

испытаний с использованием магнитно-импульсного нагружения

Fig. 1 Basic technological schemes for the method of dynamic

tests using magnetic-impulse loading

а) - технологическая схема с разгоном пуансона; б) - технологическая схема с разгоном «пакета»; в) – технологическая схема с непосредственным воздействием импульсного магнитного поля на заготовку:

a) - technology scheme with acceleration of the punch; b) - technology scheme with acceleration of «packet»; c) - technology scheme with direct impact of a pulsed magnetic field on the workpiece:

1.Индуктор; 2. Пуансон; 3. Матрица; 4. Прижим; 5. Заготовка; 6. Крышка.

1.Coil; 2. Punch; 3. Die; 4. Clamp; 5. Workpiece; 6. Cap.

Требования к геометрии деформирующего инструмента отражены в международном стандарте [6]. Радиус сферического пуансона ‑ 50 мм. Диаметр отверстия матрицы ‑ 105 мм. Радиусное скругление на внутренней кромке матрицы ‑ 8 мм. Для испытаний применяются круглые заготовки диаметром 200 мм с вырезами различного радиуса (рис. 2) и толщиной от 0,3 до 4 мм. В зависимости от величины радиуса, реализуется различное напряженно-деформированное состояние (НДС) в плоскости заготовки, что позволяет получить как область двухосного растяжения е1=е2 (заготовка без вырезов), так и область одноосного растяжения е1=-2е2 (заготовка с максимальным радиусом вырезов).

Рис. 2 Форма заготовки для динамических испытаний

Fig. 2 Shape of workpiece for dynamic testing

Схема с разгоном пуансона (рис. 1,а) возможна в двух исполнениях – вертикальном и горизонтальном. В случае горизонтальной компоновки возможна установка зазора между пуансоном и заготовкой. В данном случае учитываются только динамические эффекты нагружения. Недостатком данной схемы является низкая скорость деформирования – 15 м/c, в связи с большой массы пуансона – 2 кг. Схема с разгоном пакета (рис. 1,б) принципиальна схожа с предыдущей, но в данном случае деформация происходит за счет перемещения матрицы и прижима по направляющим колонкам до соударения зажатой заготовки о неподвижный пуансон. Для облегчения массы подвижных частей, а также для увеличения электропроводности, матрица и прижим выполнены из алюминиевого сплава. Скорость деформирования при такой схеме испытаний составила 25 м/c. В ходе апробации выявлена недостаточная стойкость элементов к ударным нагрузкам. Схема с непосредственным воздействием поля на заготовку (рис. 1,в) отличается отсутствием деформирующего инструмента – пуансона. В роли него выступает импульсное магнитное поле высокой напряженности и воздействие происходит бесконтактно. Данная схема обладает рядом особенностей:

Не требуются сложные и металлоемкие штампы, ресурс оснастки в большинстве своем ограничивается ресурсом индуктора Возможность получения больших скоростей деформирования. Простота наладки

Однако является затруднительным обеспечить одинаковую скорость деформирования всех типов образцов, что негативно скажется на адекватности полученных характеристик металла.

Таким образом, по результатам апробации к дальнейшей разработке была принята схема с разгоном пуансона (рис. 1,а).

Испытания алюминиевого сплава 5182

       Проводились испытания заготовок толщиной 0,3 мм из алюминий - магниевого деформируемого сплава 5182 на разработанной оснастке в условиях динамического и статического нагружения. Предварительно на поверхности заготовок была нанесена сетка методом электрохимической маркировки для оценки деформированного состояния.

Статические испытания проводили на универсальной испытательной машине Testometric FS150AX (максимальное усилие 150 кН) в режиме сжатия. Скорость испытания – 15 мм/мин. На рисунке 3,а приведено устройство, установленное на испытательную машину. На рисунке 3,б изображены заготовки после проведения испытаний в условиях статического нагружения (15 мм/с).

а)

б)

Рис. 3 Оснастка, установленная в испытательную машину (а) и заготовки после проведения статических испытаний (б)

Fig. 2 The equipment installed in the test machine (a) and the workpiece after the static tests (b)

В ходе статических испытаний замерялись усилие на пуансоне и его перемещение. Установлено, что чем шире образец, тем большее усилие требуется для его деформирования (рис. 4,а). При этом максимальная глубина формуемой лунки также увеличивается (рис. 4,б).

а)

б)

Рис. 4 Зависимость усилия пуансона от перемещения (а) и зависимость максимального усилия и глубины лунки от ширины перемычки (б)

Fig. 4 The dependence of the punch force on displacement (a) and the dependence of the maximum force and depth of the hole on the width of the bridge (b)

В процессе статических испытаний для каждого типа образца определялась глубина лунки hстат, когда в полюсе заготовки происходит локальное трещинообразование. Данная величина является опорной для следующего этапа – динамических испытаний, при этом необходимо ограничивать перемещение пуансона таким образом, чтобы величина хода была на 15-20 %, больше, чем hстат. В ходе серии динамических испытаний уточняется точное значение перемещения пуансона, при котором начинается разрушение, которое и используется в дальнейшем.

Данные действия необходимо повторять для каждого вида заготовки, а также при переходе на другой материал и изменении условий испытания (например, энергии разряда на индукторе).

Для проведения динамических испытаний был спроектирован и изготовлен плоский многовитковый индуктор (рис. 5,а) с количеством витков равным 9, шина спирали сечением 2,8 х 6,8 мм, длина шины 3300 мм. Для оценки эффективности индуктора было произведено измерение напряженности магнитного поля (А/м) по двум взаимно перпендикулярным осям с заготовкой и без нее. При построении графика (рис. 5,б) применялось относительное значение напряженности, равное отношению текущего значения к максимальному значению.

а)

б)

Рис. 5 Плоский многовитковый индуктор (а), напряженность магнитного поля индуктора (б)

Fig. 5 Flat multi-turn coil (a), magnetic field strength of coil (b)

Проведение динамических испытаний осуществлялось с использованием магнитно – импульсной установки МИУ - 50 (рис. 6,а), с запасаемой энергией батареи конденсаторов 50 кДж. Заготовки, полученные в ходе динамических испытаний, представлены на рисунке 6,б.

а)

б)

Рис. 6 МИУ-50 (а), заготовки после динамических испытаний (б)

Fig. 6 PMI-50 (a), workpiece after dynamic tests (b)

3. Результаты и их обсуждение

В результате проведения испытаний в статической и динамической области нагружения были получены соответствующие образцы из алюминиевого сплава 5182. Установлено, что конфигурация заготовок значительно влияет на энергосиловые параметры процесса деформирования. Также, в ходе динамических испытаний заготовок малой толщины с максимальным радиусом вырезов сложно подобрать оптимальное перемещение пуансона, соответствующее началу развития локальной трещины (рис. 6, б). Оптимизацию параметров процесса возможно осуществить методами компьютерного моделирования, например в программном комплексе решающем задачи нелинейного упругого отклика динамических структур – LS-DYNA [20].

Для оценки конечного НДС заготовок после процесса деформации была применена система корреляции цифровых изображений GOM Argus. По результатам анализа искажения координатной сетки, были определены главные деформации, возникающие в плоскости заготовки в момент трещинообразования, и построены соответствующие FLD-диаграммы для динамической и статической области нагружения (рис. 7).

Рис. 7 FLD-диаграммы для динамического (1) и статического (2) испытаний

Fig. 7 Forming Limit Diagram for dynamic (1) and static (2) tests

4. Выводы

Как видно из рисунка 7 точки кривой предельного формоизменения для динамического нагружения лежат выше, чем для статического. Это означает что при одной и той же схеме НДС, материал, в условиях высокоскоростного нагружения имеет больший запас пластичности. Таким образом, возможно разрабатывать технологические процессы высокоскоростного деформирования с учетом различного поведения материала, а также вносить изменения в уже существующий, так например при достаточном запасе пластичности уменьшить толщину листа, сократить количество переходов, что положительным образом скажется на технико-экономические показатели производства.

Список литературы

1. , , Технологическое применение импульсных магнитных полей в ракетно-космической и авиационной технике // Материалы II научно-практической молодежной конференции с международным участием «Творческий потенциал молодежи в решении авиакосмических проблем» (Февральские чтения – 2017). Баку, Азербайджан. Центр Полиграфии Национальной Академии Авиации. С. 43-45.

2. Глущенков, В. А., , Технология МИОМ материалов: монография. Самара: Издательский дом «Федоров». 2014. 208 с.

3. Sklad М. Р., Verhaeghe J. D. Forming limit curve based on shear under tension failure criterion // International Deep Drawing Research Group. 31 May 2 June 2010. Graz, Austria. P. 54.