Компьютерное моделирование процессов горячей объемной штамповки алюминиевых сплавов

УДК 621. 771; 669.716

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Ю.В. Горохов, И. Л. Константинов

Разработана методология модернизации технологических процессов горячей объемной штамповки поковок из алюминиевых сплавов для повышения их экономической эффективности на основе компьютерного моделирования в программных комплексах QFORM и DEFORM-3D. Изложен порядок модернизации, а в качестве примера технологического процесса-аналога использовали технологию штамповки поковок «Кронштейн» и «Диск» из алюминиевых сплавов. При этом ставилось условие, что модернизация должна обеспечить повышение экономичности технологического процесса и не сопровождаться заменой используемого деформирующего оборудования, существенной переделкой прессового инструмента, а также изменением формы и размеров штампованной поковки. Анализ технологии-аналога позволил сформулировать задачу по изысканию возможности сокращения количества переходов при штамповке за счет оптимизации условий трения при штамповке и скоростных условий штамповки. В результате штамповки по новой технологии в производственных условиях за один переход были получены поковки, геометрия и свойства которых удовлетворяли требованиям нормативных документов при уменьшении себестоимости поковок не менее чем на 10%.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, горячая объемная штамповка, компьютерное моделирование, штампованная поковка.

Эффективным инструментом при проектировании процессов обработки металлов давлением служит компьютерное моделирование. Так, для горячей объемной штамповки часто используют программные комплексы QFORM (Россия) и DEFORM (США), основанные на методе конечных элементов (МКЭ). В работах [1 - 10]показано, что применение компьютерного моделирования позволяет виртуально проследить картину деформирования металла, найти границы изменения энергосиловых параметров процесса штамповки, проиллюстрировать распределение напряжений и деформаций по объему деформируемого металла, определить причины брака получаемой продукции и т.д. При этом адекватность результатов моделирования в основном зависит от правильности выбора, полноты и точности вводимых граничных условий. Поэтому моделирование при разработке технологических процессов горячей объемной штамповки актуально, т.к. способно снизить затраты на проектирование имодернизацию-технологий, подтвердить их экономическую целесообразность. При этом важным является соблюдение определенного порядка проведения работ по совершенствованию технологий.

Моделирование технологии горячей объемной штамповкив программном комплексе QFORM (Россия). Следуя рекомендациям, приведенным в ряде опубликованных работ по моделированию штампо-

101

ванных поковок из разных сплавов, авторами проведен анализ реального технологического процесса горячей объемной штамповки поковки типа «Кронштейн» (рис. 1) из сплава АК6 с целью поиска возможности повышения его экономической эффективности.

Анализ показал, что для моделирования данного технологического процесса удобно использовать программный комплекс QFORM.

б

Рис. 1. Штампованная поковка «Кронштейн»: а - фронтальный вид; б - вид снизу

Для проведения виртуального эксперимента с помощью программы Unigraphics NX по чертежам составлялись трехмерные модели поков-ки«Кронштейн»и открытого штампа и загружались в препроцессор компьютерной программы QFORM в виде файлов. Перед включением процессора вводились реологические свойства сплава, температурные, скоростные и силовые режимы деформирования, условия трения. В результате была получена компьютерная модель технологического процесса штамповки.

На рис. 2 представлена модель пластической деформации заготовки в процессе штамповки по существующей технологии. На рис. 2,в виден сложный характер формоизменения заготовки в процессе первой окончательной штамповки, когда одновременно проходят процессы осадки, обратного выдавливания и гибки. Такая схема деформации не обеспечивала надлежащего оформления поковки и часто сопровождалась такими видами брака, как незаполнение, зажимы, прострелы и др.

102

Для совершенствования технологии предложено уменьшить объем заготовки приблизительно на величинуоблоя, обрезаемого после первой окончательной штамповки, что снижает массу заготовки приблизительно на 12%. После корректировки длина заготовки при том же диаметре стала на 10...12 мм меньше длины ручья штампа, что обеспечило хорошую центровку заготовки при подаче в ручей штампа.

г

в

д е

Рис. 2. Последовательное формоизменение заготовки в процессе горячей объемнойштамповки поковки «Кронштейн» из сплава АК6 по существующей технологии, смоделированной в программном комплексеОЕОЯМ: а - исходная заготовка; б - расплющивание;

в - гибка; г - первая окончательна штамповка; д - вторая окончательная штамповка; е - готовая штампованная поковка

Таким образом, изменив только размеры заготовки, далее вводили те же самые температурные, скоростные и силовые режимы деформирования и включали процессор. В результате получили компьютерную модель процесса (новая технология), в котором была исключено расплющивание, а штамповку в окончательном ручье проводили за одну операцию. Как следует из рис. 3, в этом случае формоизменение заготовки происходит за счет осадки и выдавливания.

в г

Рис. 3. Последовательное формоизменение заготовки в процессе горячей объемной штамповки поковки «Кронштейн» из сплава АК6 по новой технологии, смоделированной в программном комплексе ОЕОКШ: а - исходная заготовка; б - формирование полости выдавливанием; в - образование облоя; г - окончание штамповки

Программа позволила построить зависимость силы штамповки от рабочего хода пресса и поэтапно проиллюстрировать процесс деформирования от заготовки до конечной формы штампованной поковки по новой технологии (рис. 4).

100 90 80 70

0 2 4 6 8 10 12 14

Время штамповки, с

Рис. 4. Изменение силы штамповки и формы заготовки при моделировании горячей объемной штамповки поковки «Кронштейн» из сплава АК6 по новой технологии (номера точек накривой соответствуют номерам формы заготовки

на данной стадии) 104

Из графика на рис. 4 следует, что штамповка по новой технологии может производиться на том же самом прессе с номинальным усилием 100 МН.

Для подтверждения результатов моделирования было проведено опробование новой технологии в промышленных условиях. После первой штамповки было обнаружено, что уголки поковки не оформлялись, поэтому до полного заполнения операцию окончательная штамповка выполняли за два жима, при этом для устранения скопления воздуха в нижнем ручье штампа были выполнены газоотводящие каналы в количестве 4 штук диаметром 6мм. После указанной доработки штампа повторное опробование штамповки «Кронштейн» дало положительный результат, т.е. форма и размеры штампованной поковки полностью соответствовали чертежу. Сравнение существующей и предлагаемой технологии изготовления штамповки «Кронштейн» приведено в таблице.

Основные операции технологии-аналога и новой технологии при горячей объемной штамповке поковки «Кронштейн»

из сплава АК6

Операции Технология-аналог Новая технология

Нагрев инструмента (бойков) + -

Нагрев заготовки + -

Расплющивание (пресс 100МН) + -

Нагрев инструмента (штампов) + -

Нагрев заготовки + -

Штамповка 1 окончательная (пресс + -

100МН)

Обрезка облоя + -

Травление + -

Зачистка + -

Нагрев инструмента (штампов) + +

Нагрев заготовки + +

Штамповка окончательная (пресс + +

100МН)

Обрезка облоя + +

Закалка + +

Правка + +

Старение + +

Травление + +

Зачистка + +

Примечание. Знаки (+) и (-) обозначают, соответственно, наличие и отсутствие операции

Таким образом, компьютерное моделирование позволило обосновать внесение изменений в технологический процесс-аналог. В результате штамповки по новой технологии были получены поковки, геометрия и

105

свойства которых удовлетворяли требованиям нормативных документов, а снижение расхода металла составило 5 % при уменьшении себестоимости поковок приблизительно на 30 %.

Моделирование технологии горячей объемной штамповкив программном комплексе DEFORM (США). В качестве технологического процесса-аналога была выбрана технология штамповки поковки «Диск» из алюминиевого сплава АВ (рис. 5). При этом должно было выполняться условие, что модернизация данной технологии должна обеспечить повышение экономичности технологического процесса и не сопровождаться заменой используемого деформирующего оборудования, существенной переделкой применяемого прессового инструмента, а также изменением формы и размеров штампованной поковки.

Рис. 5. Штампованная поковка «Диск» из сплава АВ

Анализ существующей технологии, проведенный с учетом перечисленных выше ограничений, касающихся сохранения оборудования и инструмента, позволил сформулировать задачу по изысканию возможности сокращения количества переходов при штамповке. Было предположено, что сокращение количества переходов достигается за счет корректировки скорости деформирования и условий трения при штамповке.

Последовательность моделирования технологического процесса заключалась в следующем. После анализа действующей технологии по чертежам с помощью программы SolidWorks создавали трехмерные модели штампованной поковки «Диск» и штампа (рис. 6), которые затем загружали в препроцессор компьютерной вычислительной системы в виде файлов. После этого вводили температурные, скоростные и силовые режимы деформирования, которые согласно параметрам заводского технологического процесса составляли: температура нагрева штампа 360...450оС, температура нагрева заготовок 400...470оС скорость штамповки 2.10 мм/с, а сопротивление деформации для перечисленных значений бралось из [11]. На выходе получали базу данных процесса штамповки.

С учетом накладываемых ограничений, не позволяющих менять штамповую оснастку и температурно-скоростные параметры деформирования, были проведены исследования по влиянию показателя трения по Зибелю на эффективность заполнения штампа при штамповке. В производстве (технология-аналог) для нижней торцевой поверхности используют смазку, представляющую порошок графита с небольшим содержанием масла «Вапор-Т», которая обеспечивает показатель трения около 0,7. Эту величину показателя трения для нижней торцевой поверхности применяли и при моделировании. Для оформления поковки за один переход проводились эксперименты при различных показателях трения по боковой и верхней торцевой поверхностях, варьируя их в интервале от 0,2 до 0,5. При этом скорость рабочего хода пресса изменяли от 3 до 5 мм/с. В результате установили, что равномерное заполнение гравюры штампа за один переход достигается при показателе трения по верхней торцевой и боковым поверхностям составляющим 0,3 - 0,4, а скорость рабочего хода пресса при этом не должна превышать 5 мм/с.

Возможности программы позволили также изучить течение материала и проследить заполнение штампа металлом с привязкой к изменению усилия штамповки на разных этапах (рис. 7).

при виртуальном эксперименте

107

Таким образом, компьютерное моделирование позволило обосновать изменения в технологическом процессе-аналоге. В результате штамповки по новой технологии в производственных условиях за один переход были получены поковки, геометрия и свойства которых удовлетворяли требованиям нормативных документов при уменьшении себестоимости поковок не менее чем на 10%.

Список литературы

1. Элингхаузен Т., Стебунов C.A.QForm 7 - новое слово в моделировании процессов обработки металлов давлением // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2014. №2. С. 31 - 34.

2. Лисунец Н.Л., Соломонов К.Н., Цепин М.А. Объемная штамповка алюминиевых заготовок. М.: Машиностроение, 2009. 171 с.

3. Кононов B.B., Егорова Л.И. Новые возможности в области моделирования процессов штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. № 7. С. 35 - 38.

4. Оптимизация процесса горячей объемной штамповки путем моделирования в программном комплексе QFORM / А.К.Шмаков, А.В.Колесников,Н.В.Максименко, А.С. Станиславчик // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2013. №4. С. 28 - 31.

5. Вакалов А. А. Применение компьютерного моделирования при разработке процессов горячей штамповки поковок лопаток // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2012. № 1. С. 36 - 41.

6. Константинов И.Л., Губанов И.Ю., Горохов Ю.В. Компьютерное моделирование технологического процесса изотермической штамповки сложнопрофильных панелей из алюминиевых сплавов // Изв. вузов. Цветная металлургия. №2. 2013. С. 46 - 50.

7. Моделирование процесса горячей объемной штамповки поковки из алюминиевого сплава АК6 / И.Л.Константинов, И.Ю.Губанов, И.О.Астрашабов, С.Б.Сидельников, Н.А.Белан // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2015. № 1. С. 45 - 48.

8. Константинов Д.В., Корчунов А.Г. Мультимасштабное компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2015. № 1. С. 36 - 43.

9. Кинзин Д.И., Рачков С.С. Использование программного комплекса DEFORM-3D при моделировании процессов сортовой прокатки // Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. 2011. №2. С. 45 - 49.

108

10. Реологические модели как основной элемент моделирования процессов обработки металлов давлением / О.М.Смирнов, С.А.Тулупов, М.А.Цепин, Н.Л.Лисунец, В.В.Бегнарский, Чыонг Ан Нгуен// Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. 2008. №3. С. 45 - 52.

11. Микляев П.Г., Дуденков В.М. Сопротивление деформации и пластичность алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1973, 183 с.

Горохов Юрий Васильевич, д-р техн. наук, проф., 160949@Jist.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,

Константинов Игорь Лазаревич, канд. техн. наук, доц., ilcon@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет

COMPUTER SIMULATION BY PROCESSES HOT FORGING ALUMINUM ALLOY

Y. V. Gorokhov, I.L. Konstantinov

The methodology of the modernization processes of hot die forging of forgings of aluminum alloys to increase their economic efficiency based on computer modeling in software complex is QFORM and DEFORM-3D. In the procedure outlined modernization, and an exemplary process using analog technology stamping forgings «Bracket» and ' 'Disc" aluminum alloys. This stipulates that the modernization should improve the efficiency of the process and not be accompanied by the replacement of the equipment used by the deformation, significant alteration of a pressing tool, as well as changes in the shape and size offorgings. Analysis of analog technology has allowed to formulate the problem of finding the possibility of reducing the number of transitions at stamping by optimizing the conditions of friction in stamping and punching speed conditions. Because of forming the new technology in the production conditions for one transition were obtained by forging, the geometry and properties of which meet the regulatory requirements while reducing cost forging not less than 10%.

Key words: aluminum alloys, hot forging, computer modeling, forgings.

Gorokhov Yuriy Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, 160949@,list.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,

Konstantinov Igor Lazarevich, candidate of technical sciences, docent, il-con@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University