Разработка и верификация моделей материалов при моделировании процессов волнового деформационного упрочнения и аддитивного синтеза (3DMP)

Обоснование. Создание конкурентоспособных деталей машин, способных воспринимать нормативные и увеличенные эксплуатационные нагрузки, является актуальной задачей машиностроения. Развивающиеся технологии аддитивного синтеза совместно с упрочняющими технологиями позволяют создавать такие изделия, отличающиеся высокой несущей способностью. Однако для повышения эффективности данных технологий необходимо создание теоретических моделей исследуемых процессов. В статье приведены результаты первого этапа создания комплексных теоретических моделей комбинированного процесса 3DMP и волнового деформационного упрочнения (ВДУ), необходимых при проектировании технологических процессов изготовления деталей двигателей и тормозных систем автомобильной техники.

Цель работы — создание и оценка адекватности моделей материалов, применяемых при конечно-элементном моделировании процессов аддитивного синтеза с последующим упрочнением.

Методы. Создание теоретических моделей материала осуществлялось в программном комплексе ANSYS, позволяющем проводить мультидисциплинарные расчёты. Необходимые для подготовки моделей экспериментальные данные получены при испытаниях образцов на растяжение, изготовленных по стандартизованным методикам. Исследования твердости материалов проведены на автоматическом твердомере KB 30S. Оценка адекватности моделирования аддитивного синтеза проводилась по распределению температурных полей. Оценка адекватности моделей материала для процесса ВДУ осуществлялась по размерам единичных пластических отпечатков и эпюрам распределения глубины и степени упрочнения в поверхностном слое.

Результаты. Разработаны теоретические модели следующих материалов: сталь 45, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, бронзовый сплав БрАЖ 9-4, титановый сплав ВТ 1-0, алюминиевый сплав В-95. Теоретические данные, полученные по результатам моделирования, имеют высокий уровень значимости. Исследования проведены для различных режимов теплового (в диапазоне от +20°С до +800°С) и деформационного воздействия. Графические результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют получить качественную оценку изучаемых процессов с требуемой точностью.

Заключение. В результате оценки адекватности разработанных моделей установлено, что расхождение эмпирических и теоретических данных не превышает 7,4%. Полученные модели материалов являются статистически значимыми и могут корректно применяться в дальнейших исследованиях.