8) От марки сплава зависит реология исследуемого материала, а, следовательно, математическая модель, принятая для описания процесса. Как известно [28], кривые деформационного упрочнения для различных сплавов существенно отличаются друг от друга. Например, сплав АК6 практически не упрочняется в процессе деформирования.

Третий признак характеризует сложность расчетов с учетом следующих особенностей формы поковок.

1) Количество ребер жесткости, которое характеризует сложность геометрии поковки в плане.

2) Количество ячеек контура поковки, по которому оценивают многосвязность контура, а, следовательно, и сложность расчетов. При этом ячейками следует считать, как открытые (не ограниченные со всех сторон ребрами жесткости), так и закрытые (ограниченные со всех сторон ребрами жесткости) участки многосвязного контура.

3) Форма поперечного сечения ребер жесткости, которая определяет граничные давления. Чем проще форма поперечного сечения ребра жесткости, тем проще расчетные формулы. Если в одной поковке имеются ребра жесткости разной формы поперечного сечения, то схема течения металла усложняется. Существенную роль играет наличие контурного оребрения, т.к. форма контурного ребра жесткости отличается от центрального, а, следовательно, должны использоваться иные соотношения для расчета граничных давлений.

4) Наличие прямолинейных и криволинейных участков, а также их соотношение. Существенную роль играет форма криволинейных участков: если это дуги окружностей, то не требуется их аппроксимировать, т.к. они напрямую соответствуют расчетным схемам. В противном случае точность расчетов уменьшается. Наличие большего количества прямолинейных участков делает построение картины течения металла по полотну заготовки более точным, но усложняет расчет формоизменения ребер жесткости. Следует иметь в виду, что участки сопряжения прямолинейных отрезков контура (с небольшим радиусом сопряжения, не более 20% от длины прямолинейного участка) между собой можно не относить к криволинейным участкам.

5) Наличие в поковке ребер жесткости различной толщины определяет схему течения металла по полотну поковки. Варьирование толщины применяемых в технологии штамповки «ложных ребер» жесткости позволяет регулировать течение металла по полотну заготовки.

6) Ребра жесткости разной высоты существенным образом влияют на принимаемую схему течения металла, поскольку целью может быть одновременное формирование всех ребер жесткости поковки, и тогда усложняется как расчетная схема, так и технология штамповки, в зависимости от выбора технологических приемов, приводящих к достижению поставленной цели.

Четвертый признак характеризует моделирование по величине коэффициента сложности поковок.

В соответствии со сложностью расчетов Соломонов К.Н [29] ввел понятие коэффициент сложности поковок, который дает количественную характеристику сложности расчета параметров объемной штамповки. Этот коэффициент зависит от количества ребер жесткости и ячеек контура поковки, формы поперечного сечения ребер жесткости, наличия прямолинейных и криволинейных участков поковки, а также от наличия разнотолщинности и разной высоты ребер жесткости. Каждый из этих параметров имеет количественную характеристику.

Формула для вычисления коэффициента сложности поковок выглядит так:

С = Крж +Кпс + 2Кя +3Кку+ 5Крт + 10Крв, (1.1)

где Крж - учитывает количество ребер жесткости в поковке, незначительно влияет на сложность расчетов, поэтому весовой коэффициент для него выбран равным 1;

Кпс - учитывает количество ребер жесткости с различной формой поперечного сечения, мало усложняет расчеты (известны соотношения [29] для вычисления граничных давлений на контуре наиболее часто употребляемых конфигураций ребер жесткости);

Кя - зависит от количества ячеек контура поковки и в большей степени влияет на сложность расчетов, чем наличие ребер жесткости;

Кку - учитывает количество криволинейных участков, меняет схему расчетов по сравнению с поковками, содержащими только прямолинейные участки;

Крт - учитывает количество ребер жесткости, имеющих различную толщину, значительно усложняет расчеты, поскольку схема течения металла по полотну поковки зависит в большой степени от этого параметра;

Крв - количество ребер жесткости отличающихся по высоте друг от друга, оказывает наибольшее влияние на сложность расчетов, т.к. ведет к неравномерности формирования поковки в целом и требует применения технологических приемов, устраняющих или уменьшающих эту неравномерность.

В зависимости от величины коэффициента сложности поковки можно делить на простые, сложные и очень сложные в смысле сложности их расчетов,

простые: С < 10;

сложные: 50 > С > 10;

очень сложные: С > 50.

Таким образом, из рассмотренных поковок можно считать:

простой - поковку 2;

сложными - поковки 1,3 - 5, 7, 10

очень сложными - поковки 6,8, 9

4 Моделирование горячей объемной штамповки алюминиевых сплавов

Важным моментом при компьютерном моделировании горячей объемной штамповки является интерпретация процесса течения металла при формообразовании различных изделий.

В работе [31] предлагается подход к компьютерному моделированию, сочетающий наглядность представления о процессе и оперативную интерактивность исследования операции. Разработанная компьютерная модель в среде «Visual Basic» с интерфейсом, позволяет технологу быстро определить режимы деформирования и геометрии инструмента в соответствии с заданным чертежом изделия.

На его основе разработаны различные программные системы. В частности, система FORM-2D [32], в основном предназначенная для расчета горячей обработки давлением, которая характеризуется большими пластическими деформациями в объеме, ограниченном инструментами произвольной и часто весьма сложной формы.

Начальным этапом при моделировании объемной штамповки является подготовка исходных геометрических данных для моделирования, вид, структура и форматы которых определяют систему моделирования.

На этом этапе, авторы [24] рекомендуют решить следующие задачи:

1. Проектирование поковки, максимально приближенной по форме и размерам к получаемой детали, которая, с одной стороны, определяет гравюру штампа, а с другой - зависит от выбранной схемы штамповки, плоскости разъема штампа, расположения поднутрений, компенсаторов и т.д. При этом для назначения допусков, припусков и напусков должны учитываться требования и рекомендации соответствующих нормативных документов (ГОСТов, ОСТов или отраслевых ТУ).

2. Выбор схемы штамповки и проектирование штампового инструмента, наиболее упрощенного по внешней геометрии, но максимально приближенного по форме внутренней гравюры к получаемой штампованной поковке. При этом должны быть учтены вид используемого деформирующего оборудования, конструкция штамповой оснастки и штампового блока. Важными дополнительными факторами являются условия свободного извлечения поковки из штампа, а также благоприятная схема течения металла для предотвращения образования дефектов (зажимов, прострелов, незаполнений и др.) и формирования благоприятной макроструктуры. Имеют значение предварительные оценки допустимых степеней местных деформаций, которые не должны превышать значений максимальной пластичности для предотвращения локальной повреждаемости металла (нарушения сплошности, образования трещин, макродефектов) поковки или ее разрушения.

3. Расчет объема поковки с компенсаторами или другими неизбежными технологическими напусками на удаляемые отходы и определение формы и размеров заготовки соответствующего объема. Как правило, верхняя поверхность заготовки - плоская, а форма боковой и нижней части заготовки может быть достаточно сложной, так как она должна полностью повторять часть боковой и всю нижнюю часть гравюры матрицы.

4. Согласование совмещения геометрических форм и взаимного расположения заготовки, верхней (пуансона) и нижней штамповых вставок, сопряжений их контактных поверхностей и задание расчетной величины хода штампа.

В работе [33] было рассмотрено моделирования течения металла в процессах объемной штамповки оребренных поковок. Разработанный программный комплекс позволил провести анализ формообразования поковок с тонким полотном, а также были предложены параметры технологических вырезов.

Характер заполнения полости штампа при моделировании технологического процесса можно разделить на три стадии: первая стадия, соприкосновение пуансона с металлом, осадка переходит в объемную штамповку; вторая стадия, соприкосновение металла со стенками штампа, при этом начинает расти усилие штамповки; третья стадия, заполнение облойной канавки, усилие максимальное.

Важным фактором является равномерность нагрева заготовки, так как есть вероятность возникновения трещин внутри поковки. Максимальная температура в большинстве случаев наблюдается на последних стадиях, в области перехода металла в облойную канавку.

Одним из наиболее эффективных считается математическое моделирование, основанное на построении модели физического процесса с помощью математического аппарата.

При постановке краевых задач технологической пластичности в качестве модели деформируемого материала наиболее часто используют изотропную идеальную жесткопластическую среду и определяющие уравнения теории пластического течения.

С помощью данной системы, разработанной в нашей стране, которая также применяется и за рубежом, были проведены моделирования и анализ процессов объемной штамповки, ковки и прессования [34].

Программа дает возможность двухмерного и осесимметричного моделирования течения материала и указывает на дефекты, вызванные неравномерностью формообразования. Она базируется на модели, в соответствии с которой материал рассматривается как жесткопластичный. С помощью компьютерного моделирования по системе FORM-2D на основе анализа кинематики течения металла и распределения внутренних напряжений в работе [35] произведена оптимизация выбора переходов штамповки.

Авторами работы [36] была разработана методика расчета формоизменения заготовки и энергосиловых параметров процесса штамповки с кручением, позволяющая определить неоднородное напряженно-деформированное состояние заготовки при штамповке с учетом графика изменения угловой скорости вращения инструмента и свойств материала заготовки.

В работе [37] описаны результаты анализа многооперационных процессов объемной штамповки с использованием жестко-пластичной модели на основе МКЭ, проведенного с помощью программы SPID, которая позволяет решать двухмерные и осесимметричные задачи, и открывает новые возможности: учета трения между материалом и инструментом; оценки усилий пуансона; графического представления необходимых количественных величин и т.п.

В настоящее время существует множество коммерческих пакетов программ для математического моделирования процессов штамповки, базирующихся на МКЭ. Такие виды моделирования дают точные результаты, которыми часто трудно воспользоваться. Кроме того, время расчетов для моделирования очень велико.

Наиболее серьезными проблемами моделирования процессов горячей формовки металлов с использованием МКЭ являются термомеханические условия, большие пластические деформации и резкие изменения сетки. Для устранения этих проблем предложен [38] специальный код МКЭ и представлены результаты моделирования горячего выдавливания одной из деталей.

В работе [39] показано исследование на основе МКЭ геометрических и механических параметров горячей штамповки осесимметричных деталей. Моделирование осуществляется по программе для упругопластической среды в трехмерном пространстве. Сетка конечных элементов моделируемой заготовки в поперечном сечения состояла из 380 элементов и 852 узлов.

При моделировании процессов объемной штамповки считается, что металл в штампе течет в направлении наименьшего сопротивления. Усилие деформирования определяется в зависимости от размеров заготовки, ее формы, трения и формы инструмента. Кроме того с помощью моделирования можно определить такие важные параметры заготовки, как накопленная деформация, распределение напряжений и температуры в ее объеме, направление волокна, предсказать опасность разрушения и оценить степень износа инструмента.

Общие вопросы и взаимосвязи решения проблем по оптимизации параметров достаточно подробно рассмотрены в книге [40]. Показаны подходы по оптимизации в горячештамповочном производстве. В зависимости от сложности формы детали рассматривается проектирование технологических процессов и штампов, также представлено решения задач по выбору оптимального варианта загрузки штамповочного оборудования и оптимальных вариантов технологических процессов штамповки.

Из-за ограниченных возможностей получения общего решения задач, возникают трудности на этапе применения методов оптимизации к решению практических задач, поэтому возникает подмена оптимизации простым подбором параметров по каким либо критериям. Выбор чаще всего осуществляется вручную.

Методы оптимизации при решении задач ОМД применяются к выбору оптимальных параметров штампов и заготовок, технологии получения изделия, а также оптимального управления процессом.

Работа [41] посвящена вопросам оптимизации параметров штампов, рассмотрены оптимизации формы и размеров заготовительных ручьев для поковок, изготовляемых объёмной штамповкой, на основе применения компактно описываемых форм рациональных заготовок, где неравномерность деформации по сечению поковок оценивается комплексом критериев качества. Авторами работы [42] представлена оптимизация геометрических параметров многослойных матриц с твердослойной вставкой. Традиционно используемая теория наибольших касательных напряжений приводит к значительно заниженным значениям расчетного разрушающего внутреннего давления. Отсутствие на рабочей поверхности матриц окружных растягивающих напряжений приводит к повышению износостойкости инструмента, но при этом снижается расход дорогостоящего твердого сплава.

Не менее важным способом, обеспечивающим экономию металла, является оптимизация размеров исходной заготовки. В работе [43] рассмотрена методика выбора оптимальных параметров формы штампов для кольцевых заготовок. На основе компьютерного было получено решение, которое позволяет устранить причины возникновения дефектов в изделии.

При однопереходной штамповке авторами работы [44] были получены результаты оптимизации первоначальной формы заготовки и штампа, в том числе и предварительного штампа при штамповке в два перехода. Была рассмотрена задача по оптимизации первоначальной формы заготовки при осадке в плоских штампах.

В статье [45] рассмотрены задачи оптимального управления непрерывными и дискретными технологическими процессами, а также дано описание основных методов решения таких задач. Приведены постановки еще не решенных задач кузнечно-штамповочного производства: определения оптимального режима трения при осадке, оптимизации управления многопереходной штамповки корпусных деталей.

Интерес представляет опыт использования экспертных систем для решения задач оптимизации. При решении многих задач проектирования разработчик приходит к приемлемому решению путем последовательного многократного анализа математической модели проектируемого объекта. При этом метод подбора, может оказаться достаточно сложным и громоздким при его реализации в экспертной системе. Использование численной оптимизации для отыскания наилучшего решения позволяет существенно сократить объем базы правил проектирования и упростить работу в ней. В статье [46] представлен пример экспертной системы, которая заключается в постановке задачи оптимизации и анализе полученного решения. Благодаря возможности обращения к алгоритмам оптимизации экспертная система смогла показать лучшие результаты, чем специалист.

Выводы

Проведенный обзор источников литературы показал актуальность применения компьютерного моделированию для процессов горячей объемной штамповки алюминиевых сплавов. При этом наиболее перспективно применение для этих целей таких программных комплексов, как QFORM и DEFORM, хорошо зарекомендовавших себя при решении подобных задач. Но при этом в большинстве рассмотренных примеров показаны только отдельные фрагменты технологических процессов горячей объемной штамповки и практически отсутствуют сведения о компьютерном моделировании реальных процессов штамповки в полном объеме, от начала и до конца с их подробным анализом. Что позволило бы внести определенные коррективы в эти процессы и послужить ориентиром при последующей разработке технологических процессов для подобных поковок.

Особенно важна задача оптимизации технологического процесса. Одним из основных показателей эффективности производства при штамповке является коэффициент использования металла (отношение массы детали к массе материала поступившего в обработку). Относительно большие потери металла требуют тщательного подбора многих параметров технологического процесса (например, размеров заусенечной канавки) для их минимизации. Применение систем анализа пластического формоизменения для решения подобной задачи приводит к перебору большого числа вариантов технологического процесса, основанных на применении численных методов, которые отличаются длительным временем расчета, что значительно увеличивает срок разработки технологии.

На основании изложенного в работе были поставлены следующие задачи.

1. Сделать анализ действующего технологического процесса горячей объемной штамповки поковки из алюминиевого сплава.

2. Провести компьютерное моделирование выбранного технологического процесса.

3. Подготовить рекомендации по корректировке действующего технологического процесса.

Список использованных источников

1. Бреббия К. Методы граничных элементов. / Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел Jl. -М.: Мир, 1987. -- 524 с.

2. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов -- М.: Мир, 1979. -- 392 С.

3. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. -- М.: Мир, 1984

4. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике -- М.: Мир, 1975.

5. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. -- М.: Мир, 1986

6. Деклу Ж. Метод конечных элементов: Пер. с франц. -- М.: Мир, 1976

7. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. -- 428 с.

8. Ю.И. Рыбин, А.И. Рудской, А.М. Золотов. Математеическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением. СПб, Изд-во СПбГПУ: 2004

9. ASM Hanbook. Vol. 22B. Metals Process Simulation, ASM International, 2010.

10. J.M. Cabrera, A. Al Omar, J.M. Prado. Simulation de la fluencies en client de un aero microaleado con un contenido medio de carbono. II parte. Recristalizacin dinmica: inicio y cintica. Rev. Metal Madrid, 33 (3), 1997, pp. 143-152

11. Ю.М. Чижиков -- Моделирование процесса прокатки, М: Металлургиздат, 1963

12. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: Наука, 1976. -- 280 с.

13. Лунев В.А. Математическое моделирование и планирование эксперимента[Электронный ресурс] <URL:http://dl.unilib.neva.ru/dl/2691.pdf>.

14. Григорьев А.К., Коджаспиров Г.Е. Термомеханическое упрочнение стали в заготовительном производстве. Л.: Машиностроение, 1985. -- 143 с.

15. Mynors D.J., Tildesley J.C.A., Bonnavand F. Forging simulation: ForgeRond: A fast numerical simulation package // Metallurgia. -- 1999. -- 66, № 2. -- P. 4.

16. Hans Raj K., Chenot J.L., Fourment L. Finite element modelling of hot metal forming // J. Eng. and Mater. Sci. -- 1996. -- 3, № 6. -- P. 234-238.

17. Janjic M., Vukccevic M., Domazetovic V. // J. Technol. Plast. --1997. -- 22, № 1-2. -- C. 40-48.

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

19. Макаров А.Н. Исследование процесса формообразования ребристых деталей. Дисс. канд. техн. наук: 05.16.05. -- М., 1975.

20. Костарев И.В. Разработка методов проектирования технологических процессов и штампов для изготовления качественных ребристых штампованных поковок из алюминиевых сплавов с тонким полотном. Дисс. докт. техн. наук: 05.03.05. -- М., 1986.

21. Татарников И. 3D шагает в массы с AutoCAD 2011 // САПР и Графика. -- М.: КомпьютерПресс, 2010, № 5, с. 14--18.

22. Ушаков Д. «Бесплатный» Inventor Fusion в составе AutoCAD 2012 кардинально меняет расклад на рынке трехмерных САПР. Isicad, 2011.

23. Справочник кузнеца / под ред. В.Ф. Безъязычного. М.: Машиностроение, 2011.360с.:ил.

24. Лисунец Н.Л., Соломонов К.Н., Цепин М.А. Объемная штамповка алюминиевых заготовок. - М.: Машиностроение, 2009, с.84-87.

25. Ильюшин А.А., Полная пластичность в процессах течения между жесткими поверхностями, аналогия с песчаной насыпью и некоторые приложения// Прикладная математика и механика 1955, Т.XIX. №6, с. 693-713

26. Диссертация Соломонова, можно ли ссылаться?

27. Костарев И.В. Определение усилий осаживания тонких поковок // Пластическая деформация металлов и сплавов. -- М., 1969. -- С. 232-234.

28. Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства. -- М.: Машиностроение, 1976. -- 560 с.

29. Костарев И.В., Казьмин А.В. Исследование процесса формообразования деталей с одно- и двухсторонними ребрами жесткости // Изв. вузов. Машиностроение. -- 1980. -- № 1. -- С. 106-109.

30. СПРАВОЧНИК

31. Yang D.Y., Han C.H. A New Formulation of Generalized Velocity Field for Axisymmetric Forward Extrusion Through Arbitrarily Curved Dies // J. of Eng. for Indust. -- 1987. -- № 2. -- P. 161.

32. Беккер П.В., Евдокимов А.К. Компьютерное моделирование при исследовании процессов многоканального выдавливания // Кузнечно-штамповочное производство. -- 1999. -- № 12. -- С. 25-27.

33. Соломонов К.Н., Моделирование течения металла в процессах объемной штамповки оребрённых деталей//Технология легких сплавов 2005, №1-4, с. 142-149

34. Полищук Е.Г., Жиров Д.С., Вайсбурд Р.А. // Система расчета пластического деформирования РАПИД // Кузнечно-штамповочное производство. -- 1997. -- № 8. -- С. 16-18.

35. Голонков В.А., Радченко С.Ю., Тюков В.М. ППП для моделирования процессов обработки металлов давлением // Новые материалы и технологии. -- М., 1994. -- С. 123.

36. Автоматизированная система ФОРМ-2Д для расчета формоизменения в процессе штамповки на основе МКЭ / Г.Я. Гун, Н.В. Биба,

37. О.В. Садыков и др. // Кузнечно-штамповочное производство. -- 1992. -- № 9-ю. -- С. 4-7.

38. Manabu G., Gang S. Z.,. Masaki К // Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. C. -- 1996. -- 62, № 602. -- P. 4099-4106.

39. Joun M.S., Moon H.K., Shivpuri R. Automatic simulation of a sequence of hot-former forging processes by a rigid-thermoviscoplastic finite element method // J. Eng. Mater, and Technol. -- 1998. -- 120, № 4. -- P. 291-296.

40. Петров А.И., Корольков В.И. Моделирование геометрического преобразования контура заготовки в процессе обработки // Кузнечно-штамповочное производство. -- 2000. -- № 11. -- С. 40-42.

41. Автоматизированная подготовка технологической документации для производства штампованных деталей / Г.И. Тимофеев, Ю.А. Ар-замаскин, О.И. Леушин и др. // Кузнечно-штамповочное производство. -- 1998. --№5. --С. 31-32.

42. Осадчий В.А. Информационно-обучающая система в области обработки металлов давлением // Изв. вузов. Черная металлургия. -- 2000. -- № 3. -- С. 45-47.

43. Добровольская М.К., Исаевич JI.A., Полойко О.О. Автоматизированное проектирование штампов в системе «КОМПАС-ШТАМП 5» // Кузнечно-штамповочное производство. -- 1999. -- № 11. -- С. 6-8.

44. Резников Ю.Н., Калинин Г.Г. Оптимизация заготовительных ручьев для поковок, изготовляемых объемной штамповкой // Кузнечно-штамповочное производство. -- 1998. -- № 10. -- С. 8-10.

45. Белоновская И.Д., Глинская Н.Ю., Осадчий Ю.С. Автоматизация выбора оптимальной исходной заготовки // Машиностроитель. --1999. --№ 12. --С. 22.

46. Fourment L., Balan Т., Chenot J.L. Optimal design for поп-steady--state metal forming processes. II. Application of shape optimization in forging // Int. J. Numer. Meth. Eng. -- 1996. -- 39, № 1. -- P. 51-65.

47. Воронов С.М. Процессы упрочнения сплавов AL-Mg-Si и их новые промышленные композиции. М.: Оборонгиз,1946

48. ПИ 1.2.085-78 (ВИЛС) Ковка и штамповка деформируемых алюминиевых и магниевых сплавов. Типы технологических процессов,1978

Размещено на Allbest.ru