Development and verification of material models in modeling of wave strain hardening and additive synthesis (3DMP) processes

Full Text

Введение

Технологии аддитивного производства деталей машин в автомобильной отрасли получили значительное развитие в последнее десятилетие. Одним из наиболее эффективных считается метод WAAM/3DMP — метод объёмного синтеза изделий электродуговой сваркой и наплавкой, обладающий высокой производительностью. Однако, исходя из технологических особенностей аддитивного производства, в синтезируемом изделии не удается полностью избавится от пор и дефектов, которые снижают его эксплуатационные характеристики [1].

Для повышения качества деталей, полученных аддитивными технологиями, в процессе синтеза возможно применение дополнительного деформационного воздействия на поверхность наплавляемого материала.

Технология волнового деформационного упрочнения (ВДУ) успешно применяется как отдельно, так и в составе комбинированных методов с целью кратного повышения параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей, работающих при различных условиях нагружения. Обладая широкими технологическими возможностями, ВДУ позволяет формировать поверхностный слой с гетерогенной структурой. Управление технологическими режимами ВДУ обеспечивает требуемые глубину, степень и равномерность упрочнения [2, 3].

Основным отличием ВДУ от известных динамических методов поверхностного пластического деформирования является наличие волновода — дополнительного звена в ударной системе. При ударе бойка по статически поджатому к очагу деформации волноводу с закреплённым на торце инструментом, в ударной системе формируется плоская акустическая волна (волна деформации). Генерирующийся ударный импульс имеет сложную форму и характеризуется наличием нескольких локальных максимумов вследствие наложения отражённых волн. Энергия удара при этом расходуется на упругопластическую деформацию поверхностного слоя обрабатываемого материала.

ВДУ успешно применяется при упрочняющей обработке поверхностей различной конфигурации из различных металлических материалов. Серьезным резервом расширения технологических возможностей данного метода является его включение в состав комбинированных технологий, совместное применение с другими способами воздействия на материал, имеющими различную физическую природу. Так, применение 3DMP и ВДУ в составе единой комбинированной технологии для синтеза изделий, обеспечивает повышенные механические и эксплуатационные свойства, успешно себя зарекомендовало в настоящее время [4].

Однако, для широкого производственного внедрения предлагаемой комбинированной технологии необходимо проведение глубоких научных исследований. Сложность таких исследований заключается в различной физической природе каждой из технологий, а также в наличии значительного количества варьируемых технологических параметров, оказывающих существенное влияние на конечный результат. Учитывая временные затраты, трудоёмкость и высокую стоимость экспериментальных исследований, наиболее рациональным представляется создание теоретических моделей. Имеющиеся на текущий момент теоретические модели ВДУ громоздки и имеют широкий набор ограничений, что приводит к снижению их адекватности. Кроме того, в качестве дополнительного фактора при исследовании комбинированной технологии 3DMP и ВДУ выступает температура поверхностного слоя материала, которая ранее никак не учитывалась.

Целью работы является создание комплекса теоретических моделей как самого процесса ВДУ, так и комбинированного процесса аддитивного синтеза с последующим ВДУ.

Важным условием для получения адекватных моделей является наличие четких граничных условий для каждого технологического параметра процесса, необходимостью одновременного учёта напряжённо-деформированного состояния детали и распределения тепловых полей.

Методы

Стремительное развитие инженерного анализа и Computer-Aided Engineering систем (CAE-систем), в частности метода конечных элементов, позволяет успешно решать мультидисциплинарные задачи высокой сложности с множеством факторов. В зависимости от назначения современные CAE-системы делятся на универсальные (ANSYS, COMSOL, ABAQUS и т.д.) и специализированные (Additive Manufacturing ESI Group, Sysweld, Qform, MSC.SuperForm, MSC.SuperForge, Deform и т.д.). Однако при выборе программы для решения поставленной задачи необходимо учитывать возможность перехода от тепловой модели к модели, работающей с механикой деформируемого твёрдого тела без потери информации [5].

Так, при исследовании быстропротекающих кратковременных процессов пластического деформирования методом конечных элементов, установлена высокая эффективность программного комплекса ANSYS при требуемом уровне адекватности полученных моделей [6, 7]. Кроме того, учитывая, что ANSYS является мультидисциплинарной платформой и позволяет совершать обмен данными между встроенными модулями без потери информации, для решения поставленной задачи выбрано данное программное обеспечение. С учётом того, что задача создания теоретической модели является многомерной и масштабной, следующим шагом необходимо корректно задать систему граничных условий и допущений для конечно-элементных моделей, обеспечивающих требуемую точность исследований.

Первым шагом при разработке конечно-элементной модели является определение типа исследуемого материала и его исходных характеристик. Корректное выполнение данного этапа в значительной степени влияет на адекватность разрабатываемой модели комбинированной технологии. Вопрос определения и верификации моделей исследуемых материалов в среде ANSYS является актуальной научной задачей и представлен в данной статье.

Выбор модели материала осуществляется исходя из существа комбинированной технологии 3DMP и ВДУ, в процессе которой материал сначала наплавляется, переходит из жидкого состояния в твердое, а затем подвергается высокоскоростному деформационному воздействию (длительность ударного импульса составляет около 10^-5 секунды) при повышенных температурах, вплоть до температуры рекристаллизации (+20°С, +300°С, …, +800°С).

Модели стандартных материалов из библиотеки ANSYS эффективны для учебных целей, однако, реальные физико-механические свойства исследуемых материалов могут в значительной степени отличаться в зависимости от особенностей технологического наследования свойств материала. Для снижения вероятности возникновения ошибки на данном этапе реальные исследуемые материалы подвергались входному контролю, определялись их физико-механические характеристики, создавался цифровой двойник каждого материала.

В качестве модели материала выбрана Multilinear Isotropic Hardening — модель, описываемая графиком «напряжение-деформация» и позволяющая более точно учитывать поведение материалов при пластической деформации в широком диапазоне температур (рис. 1).

 

Рис. 1. Пример зависимости напряжений от деформаций при температуре +400°С для нержавеющей стали 12ХН10Т (из библиотеки Ansys).

Fig. 1. Example of the stress-strain dependence at a temperature of +400°C for the stainless steel 12CrNi10Ti (taken from the Ansys library): Stress, MPa.

 

Основными физическими и физико-механическими характеристиками, которые вносятся в модель материала Multilinear Isotropic Hardening являются плотность, предел текучести, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, зависимость деформаций от напряжений, коэффициент термического расширения. Отличительной особенностью данной модели материала является возможность задания площадки текучести, что позволяет более точно учитывать начало упругопластической деформации материала. Предел текучести и зависимость деформаций от нагружения определялись в результате лабораторных исследований на стандартных образцах на растяжение при воздействии различных температур из указанного диапазона. Полученные данные заносились в табл. 1 модели материала.

 

Таблица 1. Экспериментальные данные для внесения в библиотеку Ansys

Table 1. The experimental data for inclusion into the Ansys library

сталь 12Х18Н10Т, нагрев 400°C
Деформация, мм	0	0,067	0,13	0,2	0,267	0,33	0,4	0,467	0,53	0,6
Напряжения, МПа	158,8	276,2	367,4	438,4	494,4	539,3	575,5	604,5	626,2	639,5

 

Исследования проводились на следующих материалах: сталь 45, бронзовый сплав БрАЖ 9-4, титановый сплав ВТ 1-0, алюминиевый сплав В-95. Выбор указанных материалов обусловлен их широким применением при аддитивном синтезе ответственных деталей транспортной отрасли, в частности деталей двигателей и тормозных систем.

На первом этапе проведена верификация созданной модели материала на апробированной ранее конечно-элементной модели процесса ВДУ при температуре +20°С. Основными технологическими параметрами в данной модели являются (рис. 2):

• деформирующий инструмент — стержневой ролик диаметром 10 мм и шириной 60 мм;
• энергия удара — 150 Дж;
• частота удара — 9 Гц;
• коэффициент перекрытия пластических отпечатков — 0,2.

 

Рис. 2. Распределение деформаций в образце из материала БрАЖ 9-4 после ВДУ (цветовая шкала отображает изменение эквивалентных деформаций εEQV в диапазоне от 0 до 0,369 мм).

Fig. 2. Distribution of deformations in a sample made of the CuAl8Fe3 after the WSH (the color scale describes change of equivalent deformations ε_EQV in the range between 0 and 0.369 mm).

 

Результаты

Оценка адекватности проводилась по эпюрам распределения твёрдости в поверхностном слое, а также размерам пластических отпечатков. Результаты моделирования сравнивались с экспериментальными данными, полученными при аналогичных режимах обработки.

Основными выходными данными, полученными в результате конечно-элементного моделирования процесса пластического деформирования, являются величины деформаций Effective Strain, возникающие в узлах системы. По полученному экспериментально графику зависимости «напряжение-деформация» и по соответствующим значениям деформаций определялись величины напряжений. Далее по рассчитанным величинам напряжений пересчитывалась твёрдость материала HB по известной зависимости HB=c×σ, где коэффициент с характеризует исследуемый материал [8, 9].

Для экспериментального исследования твёрдости поверхностного слоя, исследуемые образцы разрезались по центру дорожки с пластическими отпечатками, в полученном сечении выполнялась серия замеров с помощью автоматического твердомера KB 30S.

В результате сравнения размеров единичных отпечатков установлено, что погрешность моделирования составляет: стали 45 — 3%; БрАЖ 9-4 — 4,2%; ВТ 1-0 — 3,3%; В-95 — 5%.

Результаты сравнения экспериментальных и теоретических данных твёрдости, (сталь 45, БрАЖ 9-4; ВТ 1-0; В-95) представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Сравнение теоретических (2, 4) и экспериментальных (1, 3) зависимостей изменения твёрдости (HB, МПа) по глубине (h, мм) поверхностного слоя: 1, 2 — неупрочненного материала; 3, 4 — упрочненного с коэффициентом перекрытия отпечатков К=0,2.

Fig. 3. Comparison of theoretical (2, 4) and experimental (1, 3) dependencies of hardness change (HB, MPa) by depth (h, mm) of the surface layer: 1, 2 — a non-reinforced material; 3, 4 — a reinforced with an indentation overlap coefficient К=0.2.

 

Таким образом, разница значений твёрдости поверхностного слоя, полученных эмпирическим путем и по расчётным данным (сталь 45, БрАЖ 9-4; ВТ 1-0; В-95) составляет, соответственно, 7,4; 4; 3,8; 2%. Разница значений глубины упрочненного слоя для исследуемых материалов (сталь 45, БрАЖ 9-4; ВТ 1-0; В-95) составляет, соответственно, 3; 6; 6; 2,5%.

Второй этап верификации модели материала заключался в оценке адекватности распределения тепловых полей в процессе аддитивного синтеза. В качестве объекта исследования выбрано типовое изделие «оболочка» с наружным диаметром 112,7 мм, толщиной стенки 17 мм и высотой 42 мм (рис. 4).

 

Рис. 4. Пример распределения температур в модели «оболочка» после 10 секунд остывания (цветовая шкала отображает температуру материала в °С).

Fig. 4. Example of temperature distribution in the “shell” model after 10 seconds of cooling (the color scale shows the temperature of the material in °С).

 

Исследования проводились для стали 12Х18Н10Т. Аддитивный синтез производился при следующих технологических параметрах:

• сила тока — 110 А;
• напряжение — 21 В;
• высота наплавляемого слоя — 2,34 мм;
• тепловой поток, необходимый для расплавления элементарного объема материала за секунду 24,15 Дж/(сек×мм³) [1].

Экспериментальный контроль распределения тепловых полей в процессе аддитивного синтеза производился по внешней стенке изделия при помощи тепловизора (рис. 4 и 5).

 

Рис. 5. Сравнение теоретических и экспериментальных данных температуры внешней стенки синтезированной детали «оболочка».

Fig. 5. Comparison of the theoretical and experimental data on the temperature of the outer wall of the synthesized “shell” part.

 

Оценка полученных данных с помощью статических характеристик проводилась по критерию Фишера. Согласно приведённой в [10] методике расчёта получены F_расч = 1,43, из справочных таблиц F_крит = 2,352 (при уровне значимости 5%). Соотношение F_расч< F_крит, позволяет принять гипотезу о корректности полученных теоретических данных.

Заключение

В результате проведенных исследований установлено, что расхождение эмпирических и теоретических данных составляет для моделей материалов при ВДУ составляет не более 7,4%. Полученные теоретические данные попадают в доверительный интервал при уровне доверительной вероятности 95%. Таким образом, созданы и верифицированы модели материалов для комбинированного процесса 3DMP и ВДУ. Модели учитывают как распределение температурных полей в процессе 3DMP, так и влияние основных технологических параметров при обработке ВДУ.

Дополнительная информация

Вклад авторов. А.В. Киричек — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, обработка результатов теоретических и экспериментальных данных, написание текста и редактирование статьи; С.В. Баринов — разработка теоретических моделей материалов в программном комплексе ANSYS, обзор литературных источников, обработка теоретических данных, написание текста статьи; А.В. Яшин — подготовка и проведение экспериментальных исследований по определению характеристик материалов, обработка экспериментальных данных, написание текста статьи; С.О. Федонина — разработка теоретической модели аддитивного синтеза, обзор литературы и анализ литературных источников, написание текста статьи; К.Ю. Андросов — проведение экспериментальных исследований по определению распределения тепловых полей при аддитивном синтезе, обработка и анализ экспериментальных данных, написание текста статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование и подготовка публикации финансировались за счёт средств федерального бюджета — базовой части государственного задания Минобрнауки РФ по теме № 075-00150-24-03 «Разработка технологической стратегии и теоретико-экспериментальное исследование ключевых элементов технологии аддитивного синтеза из металлической проволоки деталей 3DMP-методом и волнового термодеформационного упрочнения синтезируемых деталей машин».

Additional information

Authors’ contribution. A.V. Kirichek — literature review, collection and analysis of literary sources, processing of theoretical and experimental data, writing the text and editing the manuscript; S.V. Barinov — development of theoretical models of materials in the ANSYS software package, literature review, processing of theoretical data, writing the text of the manuscript; A.V. Yashin — preparation and conducting of experimental studies to determine the characteristics of materials, processing of the experimental data, writing the text of the manuscript; S.O. Fedonina — development of a theoretical model of additive synthesis, literature review and analysis of literary sources, writing the text of the manuscript; K.Yu. Androsov — conducting experimental studies to determine the distribution of thermal fields in additive synthesis, processing and analysis of experimental data, writing the text of the manuscript. All authors confirm that their authorship complies with the international ICMJE criteria (all authors made a significant contribution to the development of the concept, the conduct of the study and the preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. The research and preparation of the publication were financed by the federal budget - the basic part of the state assignment of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation on topic No. 075-00150-24-03 “Development of a technological strategy and theoretical and experimental study of key elements of the technology of additive synthesis of parts from metal wire using the 3DMP method and wave thermodeformation hardening of the synthesized machine parts”.

About the authors

Andrey V. Kirichek

Bryansk State Technical University

Email: avkbgtu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3823-0501
SPIN-code: 6910-0233

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Vice-Rector for Prospective Development

Russian Federation, Bryansk

Sergey V. Barinov

Vladimir State University named after A. G. and N. G. Stoletov

Email: box64@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-1341-446X
SPIN-code: 3565-9623

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Mechanical Engineering Technology Department

Russian Federation, Vladimir

Alexander V. Yashin

Vladimir State University named after A. G. and N. G. Stoletov

Author for correspondence.
Email: yashin2102@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3186-1300
SPIN-code: 3473-4047

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Mechanical Engineering Technology Department

Russian Federation, Vladimir

Svetlana O. Fedonina

Bryansk State Technical University

Email: fedonina.sv2015@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0472-4845
SPIN-code: 5236-7473

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Metal-Cutting Machines and Tools Department

Russian Federation, Bryansk

Kirill Y. Androsov

Bryansk State Technical University

Email: androkirl@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7894-5405
SPIN-code: 6833-7985

Postgraduate of the Metal-Cutting Machines and Tools Department

Russian Federation, Bryansk

References

Supplementary files