НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 669.245.018.44.620.16

Зайцев А.А.

Ступинский филиал МАТИ-РГТУ им. Циолковского

Кафедра «Технология и автоматизация обработки материалов»

Научный руководитель: д.н.т., проф. Носов В.К.

Введение

 Проведено компьютерное моделирование с использованием системы моделирования QForm процесса открытой и закрытой штамповки заготовки диска АКП-103 из жаропрочного никелевого сплава ЭП 742-ИД массой 228 кг и отношением  при D=620мм. Рассмотрены действующий трехпереходный технологический процесс открытой штамповки и закрытой штамповки. Путем двухмерного численного моделирования показаны преимущества двухпереходной штамповки в закрытом штампе.

Методика проведения работы

Компьютерное моделирование процесса штамповки заготовки диска из жаропрочного никелевого сплава ЭП 742-ИД проводили с использованием конечно-элементной программы QForm.

         Исходными данными для моделирования являлись: действующая технология штамповки, параметры процесса, постоянные величины, конфигурация заготовки и ручья штампа, характеристики оборудования, данные о материале заготовки, штампа и смазки.

         Параметры процесса: начальная температура заготовки 1070 , время охлаждения в нижнем штампе, температура окружающей среды, температура штампа , скорость перемещения траверсы гидравлического пресса  и др. задавали в соответствии с технологическими рекомендациями и хронометрированием процесса штамповки.

         Постоянные величины: степень черноты, коэффициент теплоотдачи между заготовкой и воздухом, коэффициент перехода работы деформации в тепло и др. выбирали из базы данных системы программы QForm. Эффективный и истинный коэффициент теплоотдачи в модели «штамп-теплоизолирующая прокладка-заготовка» определяли расчетным путем с учетом материала теплоизолирующей прокладки из муллитокремнеземного войлока.

         Свойства материала штампа из стали 5ХНМ брали из базы данных программы, а сопротивление деформации сплава ЭП 742-ИД — из результатов изотермических испытаний на сжатие в интервале температур  при скоростях деформации .

         Моделирование процесса штамповки заготовки диска проводили по трем вариантам:

1. Действующая технология трехпереходной штамповки с окончательной штамповкой в открытом штампе.
2. Экспериментальная технология трехпереходной штамповки с окончательной штамповкой в закрытом штампе.
3. Экспериментальная технология двухпереходной штамповки с окончательной штамповкой в закрытом штампе.

Результаты моделирования

Действующий технологический процесс трехпереходной штамповки с окончательной штамповкой в открытом штампе включает: осадку исходной заготовки  , штамповку в предварительном ручье на прессе усилием 100МН и окончательную штамповку в открытом  штампе на прессе усилием 300МН (рис.1).

Из результатов моделирования следует, что процесс характеризуется:

   - недоштамповкой по высоте на 25мм при штамповке в предварительном ручье при полном усилие пресса 100МН;

   - недоштамповкой по высоте 12мм при штамповки в окончательном ручье при полном усилии пресса 300МН;

   - максимальными сжимающими напряжениями в верхнем штампе 1023МПа на окончательной стадии штамповки в окончательном ручье;

   - максимальными сжимающими напряжениями в нижнем штампе 1034МПа на окончательной стадии штамповки в окончательном ручье;

   - распределением поля температур  в объеме обточенной под термообработку заготовки, захолаживанием до  в местах контакта поковки с верхним и нижним штампами, максимальной температурой  в месте перехода тела штамповки в заусенечную канавку;

   - относительно равномерным распределением накопленной деформации от 1,2 в центре до 1,3 в ободе.

         Для полного смыкания штампов при штамповке в окончательном ручье требуется усилие пресса 590МН с соответствующим возрастанием максимальных напряжений в нижнем штампе до 1922МПа, значительно превышающих предел текучести материала штампа.

         В случае трехпереходной штамповки с окончательной штамповкой в закрытом штампе уменьшение высоты исходной заготовки с 580 до 520мм и соответственно ее массы на 27кг снижают усилие штамповки в предварительном и окончательном ручьях. Так при штамповке в предварительном ручье усилия пресса в 100МН достаточно для полного смыкания штампов, а при недоштамповке по высоте в 25мм, как при открытой штамповке для заготовки , усилие штамповки составляет 70МН. При штамповке в окончательном закрытом штампе усилия пресса 300МН достаточно для полного смыкания штампов. Общее увеличение абсолютной деформации при штамповке в окончательном закрытом штампе на 12мм повышает накопленную деформацию до 1,4 и 1,5 соответственно в центре и ободе штампованной поковки, а максимальные сжимающие напряжения снижаются до 1020 и 1031МПа в нижнем и верхнем штампах соответственно. Отсутствие течения металла в заусенец исключает локальное повышение температуры в области  течения металла в заусенец, характерное для штамповки в открытом штампе.

         Третий вариант моделирования двухпереходной штамповки предполагает совмещение осадки со штамповкой в предварительном ручье (рис.2). Это позволяет снизить число переходов и сохранить все преимущества трехпереходной штамповки с окончательной штамповкой в закрытом штампе.

При двухпереходной штамповке в торце исходной  заготовки  и массой 229кг выполняется сферическая выемка  с целью точной установки в нижний штамп, конфигурация ручья, которого соответствует конфигурации ручья верхнего штампа при трехпереходной штамповке для свободного расположения в плоской части нижнего штампа заготовки.

а)

б)

в)

г)

Рис.1 Технологические переходы штамповки заготовки диска из сплава ЭП 742-ИД с окончательной штамповкой  в открытом штампе: а) исходная заготовка , б) осадка, в) штамповка в предварительном ручье, г) штамповка в окончательном ручье

а)

б)

в)

Рис.2 Рекомендуемые технологические переходы штамповки заготовки диска из сплава ЭП 742-ИД с окончательной штамповкой в закрытом штампе: а) исходная заготовка, б) штамповка в предварительном ручье, в) штамповка в окончательном ручье

При совмещении осадки со штамповкой в предварительном ручье усилие штамповки составляет 55МН при недоштамповке по высоте 25мм и 110МН при штамповке до смыкания штампов.

Усилие штамповки до смыкания штампов в окончательном закрытом штампе составляет 280МН. Поле температур равномерно распределено по объему обточенной под термообработку заготовки и составляет  в месте ступицы и  в месте вырезки образцов на механические испытания и края обода диска. Максимальная температура  соответствует центральной части наметки под отверстия.

Наиболее захоложенными являются места контакта плоской поверхности штампов с поверхностью поковки диска . Накопленная степень деформации возрастает от 1,2 в крае ступицы обточенной под термообработку заготовки диска до 1,8 у края обода. В технологическом припуске под механические испытания накопленная степень деформации -1,5.

Выводы

1.                    Проведено с использованием системы моделирования QForm моделирование процесса штамповки заготовки диска по трем вариантам: действующая технология трехпереходной штамповки с окончательной штамповкой в открытом штампе, технология трехпереходной штамповки с окончательной штамповкой в закрытом штампе и технология двухпереходной штамповки с окончательной штамповкой в закрытом штампе.

2.                    Из результатов моделирования следует, что наиболее предпочтительным является вариант, двухпереходной штамповки с окончательной штамповкой в закрытом штампе и совмещением осадки со штамповкой в предварительном ручье. В этом случае варианта штамповки сокращается число переходов с трех до двух, масса заготовки снижается на 27 кг, снижаются усилия предварительной и окончательной штамповки, облегчаются условия работы штампов.