Конечно-элементное моделирование процессов сверхпластической формовки

В работе рассматриваются вопросы совершенствования процесса изготовления трёхслойных полых конструкций из титанового сплава ВТ6, изготовленных по технологии, комбинирующей сверхпластическую формовку (СПФ) и сварку давлением (СД). Для оптимизации процесса формовки целесообразно использовать конечно-элементное моделирование, для которого необходимо задание адекватных определяющих соотношений, описывающих отклик материала на термомеханическое воздействие, а также феноменологический закон трения на поверхности контакта деформируемого материала с формообразующей матрицей. Для нахождения материальных констант в определяющих соотношениях и коэффициента трения прибегают к тестовым формовкам листового материала в матрицы различных форм. В таких экспериментах реализуется двухосное нагружение, как и в реальных процессах изготовления сложнопрофильных конструкций из листовых материалов методом СПФ. С этой целью выполнено конечно-элементное моделирование СПФ листовых заготовок в матрицы двух типов: протяжённую, имеющую в поперечном сечении форму равнобедренного треугольника, и коническую. Даны рекомендации по выбору оптимального угла при вершине, определяющего геометрию матриц, при котором обеспечивается постоянство действующих напряжений в ходе формовки при постоянном давлении, что позволяет существенно упростить анализ результатов эксперимента. Установлено, что на выбор угла матриц оказывают влияние различные факторы: для протяженной матрицы это коэффициент трения на границе заготовка — матрица, а для конической матрицы – образующаяся при формовке разнотолщинность.
На основании численного моделирования процесса формовки листовых заготовок в матрицы дана методика оценки коэффициента трения на контактной поверхности заготовка — матрица. С использованием материальных констант определяющего соотношения, рассчитанных по предложенным методикам и рекомендациям, проведено конечно-элементное моделирование процесса СПФ трёхслойных полых конструкций. Установлены технологические ограничения на геометрические параметры конструкций такие, как угол наклона рёбер жёсткости и отношение толщины обшивки к толщине заполнителя, обеспечивающие формовку без образования складок на обшивках и минимальную разнотолщинность рёбер жёсткости.