Исследование влияния основных технологических параметров на процесс формообразования деталей объёмной штамповкой средствами виртуального моделирования

Таким образом, отработанная в ИрГТУ технология применения средств технологического моделирования позволит при ее реализации в условиях авиастроительного производства снизить трудоемкость и затраты ресурсов при производстве самолетов и вертолетов.

Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (Минобрнауки Рос-

сии) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно Постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Библиографический список

1. ТР 1.4.1936-89. «Автоматизированное проектирование обтяжной оснастки для формообразования обшивок повышенной точности».

УДК 621.73, 621.77

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОЦЕСС ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКОЙ СРЕДСТВАМИ ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

1 9

© И.В. Колмогорцев1, А.К. Шмаков2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты виртуальной отработки процессов деформирования при объёмной горячей штамповке, представлены выводы о связи основных технологических параметров процессов горячей объёмной штамповки и теплового состояния деформируемой заготовки, а также напряжённого состояния инструментов. Описан выявленный эффект кратковременного возникновения локальных зон перегрева материала заготовки во время деформирования. Предложен метод определения рационального объёма заготовки, исходя из критериев заполнения гравюры и напряжений, возникающих в инструментах. Ил. 9. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: формовка; объёмная штамповка; объёмная штамповка с нагревом; технологические параметры.

STUDYING EFFECT OF MAIN TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON DIE FORGING OF PARTS BY MEANS OF VIRTUAL SIMULATION I.V. Kolmogortsev, A.K. Shmakov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article gives the results of virtual testing of deformation under hot die forging, introduces the conclusions on the relationships of the main technological parameters of hot die forging and the thermal condition of the workpiece being deformed, as well as the stress state of the tools. It describes the effect of short-term occurrence of areas of localized overheating of workpiece material during deformation. A method for determining a rational workpiece volume based on the criteria of cavity fill and the stresses arising in the tools is proposed. 9 figures. 5 sources.

Key words: forming; die forging; heated die forging; technological parameters.

Обработка методами объёмной штамповки характеризуется большим количеством факторов, влияющих на ход формообразования, высокой чувствительностью деформирования к этим факторам. Отработка таких технологических процессов в условиях реального производства выполняется методом последова-

тельных проб, что приводит к значительным затратам материальных ресурсов, труда и значительной продолжительности работ. Даже принятые к реализации технологические процессы могут оставаться неоптимальными из-за имевшихся ограничений по времени и материальным ресурсам на отработку. Основной за-

1 Колмогорцев Илья Владимирович, программист УНЦ «Autodesk» кафедры самолётостроения и эксплуатации авиационной техники, тел.: 89041587798, e-mail: ivk@istu.edu

Kolmogortsev Ilya, Programmer of Educational and Scientific center "Autodesk" of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, tel.: 89041587798, e-mail: ivk@istu.edu

2Шмаков Андрей Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры самолётостроения и эксплуатации авиационной техники, тел.: 89140074508, e-mail: shmakov@istu.edu

Shmakov Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, tel.: 89140074508, e-mail: Shmakov@istu.edu

дачей отработки технологических процессов является сокращение расходов на материал (заготовку), штам-повый инструмент, снижение времени, необходимого для выполнения операций штамповки за счёт оптимизации схемы операций и переходов деформирования.

Компьютерное моделирование позволяет значительно ускорить процесс разработки технологии производства штампованных деталей, заменяя отработку технологических операций на реальных объектах виртуальной отработкой и тем самым снижая затраты ресурсов и времени.

В качестве основных технологических параметров для процессов объёмной горячей штамповки рассматриваются: форма и объём материала заготовки, температура нагрева заготовки перед деформированием, температура нагрева оснастки перед деформированием, особенности формы и размеров гравюры оснастки, динамические характеристики оборудования, а также схема переходов деформирования с учётом последовательности и энергии отдельных ударов деформирования.

В процессе исследования учитывались характеристики деформируемого материала: зависимость величины сопротивления деформации от температуры, скорости деформации и величины относительной деформации, величины сопротивления деформации определялись по данным [4, 5]; зависимости плотности, теплопроводности, коэффициента теплового расширения, теплоёмкости и модуля упругости от температуры, величины приняты по данным [1, 5]; коэффициент Пуассона [1, 5].

Характеристики материала инструмента описывались следующими параметрами: зависимостью плотности, теплопроводности, теплоёмкости и модуля упругости от температуры, величины приняты по данным [1, 5], промежуточные значения вычислялись путём линейной интерполяции; пределом текучести, величины приняты по данным [1, 5]; коэффициентом Пуассона, величины приняты по данным [1, 5].

Применены следующие динамические характеристики оборудования:

для механических прессов: количество ходов в минуту; высота хода, мм; отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; максимальное развиваемое усилие, МН; жёсткость, МН/мм;

для молотов: энергия удара, МДж; масса инструмента, кг; жёсткость, МН/мм

Значения перечисленных характеристик приняты по данным [2, 5].

Для учёта механического взаимодействия между инструментом и деформируемой заготовкой принята модель контактного трения по Леванову. Теплообмен между инструментом и деформируемой заготовкой моделировался коэффициентом теплопередачи [3, 5].

Потери тепла от нагретых тел заготовки и инструментов во внешнюю среду моделировались через разность температур и коэффициент теплоотдачи по данным [5] при температуре окружающего воздуха 20°С.

Моделирование процесса деформирования выполнялось с помощью метода конечных элементов в

связанной теплодеформационной динамической постановке с учётом механического и теплового взаимодействия деформируемой заготовки и инструмента с решением явным методом с помощью программного обеспечения ОРогт 2й/3й. Конечными элементами моделировались только тела инструментов и деформируемой заготовки (рис. 1), оборудование моделировалось силовым воздействием на штамп.

Рис. 1. Части конструкции штампа и заготовка, моделируемые конечными элементами

Для учёта изменения теплового состояния заготовки перед и между этапами деформирования моделирование выполнялось с помощью следующей последовательности расчётных этапов:

• нагрев заготовки от комнатной температуры до заданной температуры деформирования, величина температуры нагрева и длительность нагрева задавались в соответствии с имеющимися технологическими документами;

• охлаждение заготовки на воздухе во время переноса из печи в штамп, время переноса составило 5...6 секунд, полученное неравномерное распределение температур заготовки (рис. 2) используется для дальнейшего моделирования с учётом изменения температурозависимых свойств материала в различных зонах заготовки;

• охлаждение заготовки на поверхности инструмента во время позиционирования заготовки, время позиционирования составило 1-2 сек, полученное изменение распределения температур заготовки в зонах контакта с инструментом (рис. 3) используется для дальнейшего моделирования с учётом изменения температурозависимых свойств материала в различных зонах заготовки;

• деформирование заготовки в соответствии с выбранными технологическими режимами (рис. 4),

полученное изменение формы и распределения температур используется для дальнейшего моделирования с учётом изменения свойств материала в различных зонах заготовки;

• охлаждение деформированной заготовки на воздухе во время переноса в обрезной штамп для обрезки облоя, время переноса составило 3-5 сек, полученное изменённое распределение температур заготовки (рис. 5) используется для оценки теплового

режима полученной штамповки и соответствующих изменений структуры её материала (размера зерна, изменения фазового состава и химического состава и других, в зависимости от диапазона температур и особенностей материала заготовки);

• последующее аналогичное моделирование циклов нагрева, деформирования и охлаждения, если они предусмотрены технологическим процессом.

Рис. 2. Пример распределения температур по телу заготовки в результате охлаждения на воздухе во время переноса из печи в штамп

Рис. 3. Пример распределения температур по телу заготовки с участками охлаждения по зонам контакта заготовки с поверхностями инструмента по завершении позиционирования заготовки на инструменте

г)

д)

Рис. 4. Пример этапов (ударов) деформирования заготовки в молоте в пределах одной технологической операции: а - исходная форма заготовки; б - форма заготовки после первого удара; в - после второго удара; г -

после четвёртого удара; д - после шестого удара

а) б)

Рис. 5. Пример изменения температуры деформированной заготовки за время переноса в обрезной штамп: а - в момент окончания деформирования; б - после трех секунд нахождения на воздухе

В результате обработки комплекса расчётных моделей для различных штамповок было проанализировано влияние основных технологических параметров на: максимальную и минимальную температуру штамповки в ходе деформирования, моменты и зоны возникновения максимальных нагрузок на инструменты штампов, а также возможность оптимизации схемы переходов и полезного использования материала.

Сопоставление изменения минимальной и максимальной температур материала заготовки в процессе деформирования с изменением исходных температур нагрева заготовки и инструментов показало, что:

• температура исходного нагрева заготовки (в пределах температур, обеспечивающих горячее деформирование) не оказывает влияния на минимальную температуру материала заготовки в процессе деформирования и определяет максимальную температуру материала заготовки во время деформирования;

• температура нагрева инструмента перед штамповкой не оказывает влияния на максимальную температуру материала заготовки во время деформирования и определяет минимальную температуру ма-

териала заготовки в процессе деформирования.

Анализ изменения и перераспределения температур во время деформирования заготовок показал, что во время деформирования возможны кратковременные (0,03-1 сек) локальные забросы температуры в зонах существенной деформации материала заготовки и/или течения материала заготовки вдоль поверхности инструмента и нагрева от трения (рис. 6).

Деформирование заготовки происходит за малое время (до 0,5 сек), что не позволяет теплу перераспределиться в теле заготовки непосредственно во время деформирования.

Температуры в небольших объёмах заготовки могут кратковременно превышать допустимые значения, что, потенциально, может привести к росту зерна, нежелательной рекристаллизации или изменению химического состава материала заготовки. Однако малое время существования высоких температур снижает риск рекристаллизации или роста зерна за счёт эффекта инкубационного периода рекристаллизации, существующего у большинства материалов.

Время перераспределения тепла и прихода заго-

товки к состоянию, близкому к равномерно нагретому, составляет, в зависимости от конфигурации заготовки, 5-30 сек (рис. 5).

Рис. 6. Зоны локального нагрева материала деформируемой заготовки во время деформирования

Анализ изменения зон и величин максимальных напряжений, возникающих в инструментах штампов, показал, что:

• максимальные величины напряжений возникают скачкообразно в момент полного заполнения гравюры инструмента за счёт образования замкнутого объёма материала, подвергающегося всестороннему сжатию;

• при продолжении процесса деформирования с момента практически полного заполнения гравюры штампов напряжения в инструментах с большой вероятностью превышают предельно допустимые и могут привести к недопустимому деформированию инструмента (рис. 7).

На основании оценок полноты заполнения гравюры штампов и уровня напряжений в инструментах может быть сделан вывод о достаточном объёме материала заготовки для заполнения гравюры к этим моментам. Таким образом, может быть выявлено использование заготовки с избыточным количеством материала (рис. 8), приводящим как к образованию большого количества облоя и неэффективному расходованию материала заготовки, так и к работе инструмента под избыточными нагрузками и, следовательно, снижению его ресурса.

а) б)

Рис. 7. Изменение напряжений в инструменте при заполнении гравюры (зоны максимальных напряжений показаны тёмным): а - заполнение гравюры, близкое к полному (~98%); б - полное заполнение гравюры

а) б)

Рис. 8. Заготовка с избыточного размера (объём материала детали - 64% от объёма материала заготовки): а - вид деформированной заготовки в момент полного заполнения гравюры; б - вид штамповки после обрезки

облоя

Уменьшение объёма заготовки до близкого к объёму формуемой штамповки (рис. 9) позволяет повысить не только полезное использование материала заготовки, но и ресурс инструмента за счёт снижения нагрузок от деформирования заготовки, а также за счёт снижения числа переходов деформирования при образовании формы штамповки.

• пути оптимизации размеров заготовки, исходя из условий полного заполнения гравюры штампа без увеличения допустимых напряжений в инструментах (при этом повышается полезное использование материала заготовки и ресурс инструментов).

Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Прави-

а) б)

Рис. 9. Применение заготовки рационального объёма (объём материала детали - 94%): а - форма деформированной заготовки в момент полного заполнения гравюры; б - форма штамповки после обрезки

Таким образом, проведённое виртуальное исследование позволило выявить:

• влияние температурных технологических параметров на тепловое состояние деформируемой заготовки и связь между этими параметрами и максимальными и минимальными температурами материала заготовки во время деформирования;

• высокую вероятность возникновения кратковременных локальных перегревов материала заготовки во время деформирования, а также длительность их существования;

тельства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно Постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Библиографический список

1. Марочник стали и сплавов [Электронный ресурс] // Национальный технический университет ХПИ [сайт]. [2013]. URL: http://www.splav.kharkov.com (дата обращения: 11.11.2013).

2. Молот ковочный паровоздушный двойного действия арочного типа М1345. Технические характеристики [Электронный ресурс] // Машинформ.ру [сайт]. [2013]. URL: http://www.mashinform.ru/kpo/moloty/m1345.shtml (дата обращения: 11.11.2013).

3. Солнцев В.В. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. М.: Машиностроение, 1984. 256 с.

4. Хензель А., Шпиттель Т. Расчёт энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением: справ. изд. / пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 360 с.

5. QFrom 2D/3D. База данных характеристики деформируемых материалов, материалов инструментов и технологических смазок. М.: ООО «КванторФорм», 2013, 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM).