НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Букарев И.М. магистрант кафедры ТМС

Бабин Д.М. ассистент кафедры ТМС

Владимирский государственный университет, г. Владимир

Кафедра «Технология машиностроения»

ВВЕДЕНИЕ

Применение современных пакетов программ для проектирования технологий различных видов производств в основном ориентировано на уменьшение сроков подготовки производства, отладки технологии, а так же минимизации финансовых затрат. Проектирование технологических процессов в современных СAD/CАM/САЕ системах позволяет так же сократить затраты, которые могут появиться в процессе производства, так как сейчас возможно более точно прогнозировать дефекты различного рода связанные с недоработкой технологии.

Анализируя периодическую литературу можно с уверенностью сказать, что возрос интерес к CAE-системам в области обработки металлов давлением, как к надежному средству, с помощью которого можно за оптимально короткое время проектировать технологические процессы любой сложности. Однако еще на многих предприятиях не спешат внедрять в процесс проектирования современные CAE-системы, либо из-за высокой стоимости программных продуктов, либо просто пренебрегая современными достижениями в области технологии, откладывая этот переход на «завтра». Но тем не менее этот процесс неизбежен и в скором будущем интегрированные САD/САМ/САЕ-системы займут свое место в процессе проектирования и подготовки производства, а те кто этого не сделал, будут просто вытеснены с рынка.

В связи с этим возрастает заинтересованность в инженерах, владеющих современными специализированными программными продуктами, таких как QForm либо Deform 3D и умело, соединяющих эти навыки со знаниями в области обработки металлов давлением. Поэтому применение современных программ в процессе обучения позволяет молодым специалистам набираться опыта такой работы и становиться хорошими инженерами.

На кафедре «технология машиностроения» Владимирского Государственного Университета накоплен большой опыт работы с САЕ-системами обработки металлов давлением. В настоящее время проводятся исследования, в которых студенты и магистры принимают непосредственное участие при моделировании процессов штамповки и волочения. Такое участие в исследованиях помогает им более подробно разобраться в процессах обработки металлов давлением.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Одним из объектов исследования выбран процесс штамповки детали типа «тело вращения» с внутренней полостью.

Исходными данными для создания модели являлись чертежи детали и её заготовки. Модель заготовки представленная на рис. 1а выбрана в виде цилиндра определенных размеров: высота 91 мм, диаметр 56 мм. Размеры детали после обработки давлением (Рис.1б): высота 84 мм, диаметр в нижней части 57мм, диаметр в верхней части 66 мм, толщина стенки полости 6,25 мм. В процессе обработки использовался кривошипный пресс с установленном на нем закрытым штампом, материал заготовки – сплав алюминия с начальной температурой 460 °С, температура оснастки составляет 20 °С, скорость движения пуансона 128 м/с.

Расчет выполнен методом конечных элементов, в пакетах Deform 3D и QForm 3D. Использование двух современных пакетов позволило провести сравнение результатов моделирования.

Интерес моделирования данного процесса выбран в связи с тем, что в ходе технологического процесса возникает трещина на внутренней стенке углубления. Решено было изучить процесс с целью выявления причин возникновения дефекта

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Модель заготовки была выполнена по заводским чертежам в среде Pro Engineer. На первом этапе анализ выполняли с применением Deform 3D. Параметры процесса взяты в соответствии с информацией переданной работниками завода. На втором этапе расчет проводился в QForm 3D при тех же параметрах процесса.

При моделировании в Deform были заданы следующие условия процесса: материал заготовки, температура заготовки и штампа, коэффициент трения, скорость движения пуансона.

При моделировании в QForm были заданы следующие условия: смазка, материал заготовки, температура заготовки и штампа, конечное расстояние меду инструментами, параметры пресса.

При моделировании в QForm 3D проводилось моделирование оснастки, что позволило учесть параметры передачи теплообмена заготовки с инструментом и более точно выполнить расчет.

ИЗУЧЕНИЕ НДС В DEFORM 3D

Анализ результатов моделирования в Deform 3D (Рис.2) показал, что на начальных стадиях процесса в центре заготовки наблюдаются сжимающие напряжения, на поверхности растягивающие (выделено овалом). В процессе деформирования в результате движения материала к стенкам матрицы напряжения становятся сжимающими.

На рис.3 представлен график изменения напряжений в точке 1 изображенной на рис.2 и расположенной в месте образования дефекта. Из графика видно, что на начальных стадиях процесса в этой точке преобладают растягивающие напряжения, в конце процесса деформации, когда материал затекает в полость между матрицей и пуансоном напряжения становятся сжимающими.

В процессе деформирования заготовки в заводских условиях в детали обнаруживается дефект «трещина» на кромке углубления. В этом же месте в модели поставлена точка 1. В результате моделирования в Deform 3D выявлена зона где преобладают растягивающие напряжения, что может привести к дефекту.

ИЗУЧЕНИЕ НДС В QFORM 3D

Во время расчета в QForm 3D, так же как и в Deform 3D, можно следить за течением материала и любого из выбранных параметров (деформация, скорость деформации, средние напряжения, температура и т.д.). На рис. 4 представлена модель заготовки в штампе на последних стадиях процесса штамповки, на модели указана та же самая точка, что и при моделировании в Deform 3D. График на рис.5 показывает изменения напряжений в данной точке.

Из графика видно, что в точке 1 на протяжении всего процесса наблюдаются растягивающие напряжения, а в конце процесса в точке образуются сжимающие. Аналогичный график получен и с применением пакета Deform 3D. Это позволяет судить о количественном и качественном совпадении результатов моделирования в двух данных программах.

СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Сравнительный анализ расчетных картин также показал совпадение результатов моделирования. Изучив течения материала в двух программах, пришли к выводу об аналогичном заполнении штампа.

В начале движения пуансона материал заполняет полость штампа. Достигнув стенок матрицы, материал двигается вверх, огибая пуансон, стремясь в незаполненную полость между пуансоном и матрицей. На рис.6. представлено движение материала в заготовке в векторной форме.

На рисунках 7а и 7б приведены картины распределения температуры в заготовках .

Изучение распределения температуры показало различие в полученных картинах. Это различие вызвано тем, что в QForm в местах контакта со штампом задан теплообмен, а в Deform расчет выполнялся без теплообмена. На рис. 8 показан график сравнения распределения температуры в точке 1 в QForm и Deform. Из графика видно, что кривые изменения температур не совпадает, отклонение составляет 2,5%.

На рис. 9 изображено поле деформаций при вычислении в Deform и QForm. Картины распределения деформаций и в QForm и в Deform совпадают.

При работе в QForm пользовались таким инструментом как «Лагранжевы линии» (рис. 9а), которые значительно упрощают работу и из того, как они располагаются можно судить о напряжениях возникающих в металле в этом месте.

При моделировании было установлено, что в заводском технологическом процессе размеры заготовки были выбраны не верно. При помощи инструмента в Qform 3D вычислили размеры исходной заготовки: высота при диаметре 56 мм должна быть 87 мм, а не 91 мм как полагалось ранее. Эта ошибка в результате разработки технологии могла отрицательно сказаться на качестве детали и на стойкости оснастки.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ С ВЫВОДАМИ

Моделирование данного процесса в современных пакетах программ, специализирующихся на моделировании обработки металлов давлением, позволило увидеть рост растягивающих напряжений и увеличение деформаций именно в том месте, где в реальном производстве обнаруживается трещина.

Анализируя предварительные результаты моделирования, можно сделать вывод о возможности изменении габаритных размеров заготовки и увеличении температуры оснастки. Целесообразно продолжить изучение процесса с целью получения оптимальных условий штамповки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматизированная система ФОРМ-2Д для расчета формоизменения в процессе штамповки на основе метода конечных элементов. /Г.Я. Гун, Н.В. Биба, О.Б. Садыхов, С.А. Стебунов, А.И. Лишний, Кузнечно-штамповочное пр-во, 1992, ╧ 9-10, с.4-7

2. Benchmarks, In Metal Forming Process Simulation in Industry, International Conference and Workshop, Baden-Baden, Germany, v. 1,2, 1994

3. Forging Handbook, Ed. By T.G. Byrer, Forging Industry Association, 1985, pp. 112-114.

4. Смирнов С.В Совместное влияние структурного и напряженного состояния на пластичность углеродистой стали В кн.: Обработка металлов давлением, Межвузовск. сб-к., ╧ 121985, с. 59-65.