Математическое моделирование процессов горячего деформирования при штамповке башенных поковок

В условиях рыночной экономики для выживания предприятий большое значение имеет снижение себестоимости продукции и уменьшение сроков разработки новых изделий, что достигается, прежде всего, автоматизацией деятельности предприятия на основе современных компьютерных технологий. И хотя наибольший эффект может быть получен лишь внедрением комплексной автоматизации, локальная автоматизация отдельных участков технологического процесса также может принести существенную экономию материальных и временных затрат. Одним из таких участков является проектирование элементов технологии кузнечного производства.

Компьютерное моделирование позволяет отработать технологию кузнечных процессов на стадии проектирования без дорогостоящих натурных экспериментов, а также оптимизировать уже имеющуюся — конфигурацию штамповой оснастки, размер и температуру заготовки и т. д. Оптимизация технологии подразумевает как получение качественной поковки, так и вопросы связанные с износом оборудования, уменьшением энергоемкости производства.

Часто бывает трудно или невозможно получить экспериментальные данные об интересующих параметрах процесса. Это связано с экстремальными рабочими условиями кузнечных машин горячей штамповки: большая скорость, высокое давление и температура.

Поэтому, с развитием персональной вычислительной техники появилось множество математических моделей и реализующих их программных комплексов, призванных помочь проектировщикам-технологам.

Наибольшее распространение среди таких программных комплексов получили системы, основанные на методе конечных элементов (МКЭ). Поскольку он является наиболее универсальным методом, практически не накладывает ограничений на геометрию детали, свойства материала и граничные условия.

В данной работе на основе МКЭ построена модель неизотермического течения металла при многопереходной штамповке, а также термоупруго-пластическая модель для расчета штамповой оснастки. Последняя применима также к элементам конструкций и деталям машин. Модели реализованы в рамках вычислительной системы ЭРЬЕК, предъявляющей умеренные требования к мощности вычислительной системы и компьютерным навыкам пользователя.

В первой главе приведен обзор существующих МКЭ-систем, моделирующих обработку металлов давлением. Определена цель работы. Это дальнейшее развитие актуального и перспективного направления в создании проблемно-ориентированных пакетов состоящих из универсальных блоков и модулей. А именно разработка новых математических моделей процессов, поддерживаемых программным комплексом 8РЬЕЫ, а также методик его использования для комплексного проектирования новых и усовершенствования существующих технологий основанных на эффективном применении теории механики деформируемого твердого тела.

Во второй главе построены модели температурных полей в сложно-профильных локальнооднородных плоских и осесимметричных конструкциях. Выведены соответствующие соотношения МКЭ и рекурсивная по времени система линейных уравнений относительно вектора температур.

Рассмотрены тестовые задачи, имеющие аналитическое решение в виде рядов. Сравнение аналитического решения с решением, полученным МКЭ, показало хорошее совпадение. Отклонения составили десятые доли процента.

Приведены примеры расчета температурных полей промышленных изделий и результаты сравнения расчетных полей с экспериментальными данными. Разница в контрольных точках находится в пределах 3−5%.

В третьей главе построена математическая модель термо-упруго-пластического формоизменения изделий при термомеханическом воздействии, выведены соотношения МКЭ для плоскодеформированного, плосконапряженного и осесимметричного состояний.

Описан пакет БРЬЕМ-КТ, в котором реализован алгоритм расчета температурных полей и термонапряженного состояния.

На примере задачи о толстостенной трубе под давлением и с неоднородным распределением температуры проверена точность и сходимость получаемых в пакете БРЬЕТЧ-КТ результатов. Погрешность составляет доли процента.

Проведено моделирование термо-напряженно-деформированного состояния (ТНДС) в окрестности электрического ввода в конструкции кольцевого лазера типа ЗЛК-16 при его изготовлении и эксплуатации. Изучена зависимость нежелательных деформаций в конструкции при изменении температуры и найдены пути их уменьшения.

Проведенные в НПК-470 НИИ «Полюс» эксперименты по измерению кривизны поверхности оптического контакта в широком температурном диапазоне с помощью лазерного интерферометра подтвердили эффективность предложенных рекомендаций и высокую степень достоверности полученных в пакете БРЬЕИ-КТ результатов. Среднее статистическое отклонение экспериментальных данных от рассчитанных прогнозов не превышает 25%, при погрешности измерений кривизны — 15%.

В четвертой главе построена математическая модель процесса горячей штамповки осесимметричных изделий, описывающая поле скоростей течения металла при штамповке и эволюцию поля температур заготовки при прохождении технологической цепи. Получены МКЭ соотношения для математической модели неизотермического пластического течения, изложен алгоритм решения задачи.

Приведены результаты моделирования штамповки башенных поковок 7510А1 и 7207А на линии Л-309 в условиях Волжского подшипникового завода.

Проведено сравнение расчетной конфигурации поковки 7510А1 с экспериментальными данными, полученными в промышленных условиях. А также сравнение изотермической и не изотермической моделей штамповки. Для всех трех переходов отклонение формы поковки от опытного образца находится в пределах 1 мм., что соответствует заводским допускам и точности измерений. По отношению к радиусу поковки последнего перехода (45 мм.) наибольшее отклонение предсказанной формы от формы опытных образцов составляет 2%.

Моделирование показало, что не изотермическое течение металла в угловых точках и вблизи границы заметно отличается от изотермического. А эти участки имеют практическое значение при проектировании процессов, поскольку тенденции течения металла в поковке определяют не только развиваемые механические усилия, но и конечную износостойкость, и коррозию изделий во время эксплуатации. Таким образом, неизотермическая модель более точно отражает действительную ситуацию и является предпочтительной в тех случаях, когда требования к точности прогноза достаточно высоки.

По результатам моделирования башенной поковки 7207А, предложено усовершенствование профиля штамповой оснастки, которое должно привести к выравниванию усилия штампа на втором и третьем переходах за счет снижения усилия на третьем переходе, к синхронизации срока службы штампов второго и третьего переходов. То есть, в конечном счете, к уменьшению времени простоя линии.

На основании расчетов штамповой оснастки принят ряд решений конструкторского характера. Определено наилучшее расположение выталкивателя в штампе. Цилиндрическая поверхность выталкивателя должна пересекать рабочую поверхность штампа в зоне средних напряжений близких к нулю. Если она находится в зоне сжимающих напряжений, возможно заклинивание выталкивателя, а если в зоне растягивающих напряжений, то возможно раскрытие щели в рабочей поверхности штампа, которое может привести к непоправимой порче изделия и штампового инструмента.

Достоверность основных результатов работы обеспечена применением хорошо изученных вычислительных методов и подтверждена сравнением результатов расчета с экспериментальными и промышленными данными, с аналитическими решениями модельных задач. А также практическим применением системы в промышленности.

На защиту выносится:

1. Математическая модель процессов горячего деформирования при штамповке башенных поковок, описывающая неизотермическое течение металла и термо-напряженно-деформированное состояние (ТНДС) штамповой оснастки.

2. Алгоритм решения конструкционных задач с учетом ТНДС, построенный с использованием базовых вычислительных систем программного комплекса БРЬЕЫ.

3. Результаты расчетно-экспериментальных исследований течения металла в рамках технологического процесса получения башенных поковок на кривошипных горячештамповочных прессах и предложение по их усовершенствованию.

В заключении автор считает необходимым выразить свою глубокую признательность профессору, доктору технических наук Е. Н. Чумаченко за научное руководство и моральную поддержку при написании работы и И. В. Логашиной за оказанную помощь.

Заключение

и выводы.

1. Разработана математическая модель термо-упруго-пластического формоизменения изделий при термомеханическом воздействии. На основе МКЭ построен алгоритм расчета термо-напряженно-деформированного состояния. Создана новая версия пакета БРЬЕИ-КТ позволяющая, с учетом разработанных алгоритмов, рассчитывать температурные поля и термо-упруго-пластическое формоизменение разнообразных конструкций. В частности термонапряженное состояние штам-повой оснастки.

2. Анализ результатов моделирования ТНДС в окрестности электрического ввода в конструкции кольцевого лазера типа ЗЛК-16 позволил выявить температурные зависимости нежелательных деформаций, возникающих при высокотемпературном соединении оптических деталей и деталей из металлов с низким пределом текучести, а также при эксплуатации сварного ввода газового лазера.

3. В результате проведенных исследований предложена новая технологическая операция охлаждения части конструкции лазера, находящейся в состоянии активного температурного пластического нагруже-ния, до уровня ниже требуемой температуры с последующим нагревом до номинальной температуры оптического контакта, что позволило обеспечить его высокую надежность. Кроме этого, предложен способ локализации деформаций путем выполнения проточки вокруг зоны приварки алюминиевого электрода. Даны конкретные рекомендации по размерам проточки для различных вариантов сварной конструкции.

4. Проведенные в НПК-470 НИИ «Полюс» эксперименты по измерению кривизны поверхности оптического контакта в широком температурном диапазоне с помощью лазерного интерферометра подтвердили эффективность предложенных рекомендаций и высокую степень достоверности полученных в пакете 8РЬЕЫ-КТ результатов. Среднее статистическое отклонение экспериментальных данных от рассчитанных прогнозов не превышает 25%, при погрешности измерений кривизны — 15%. Пакет БРЬЕМ-КТ рекомендован НПК-470 НИИ «Полюс» для использования при моделировании напряженно-деформированного состояния оптических приборов, работающих в широком интервале температур.

5. Вычислительная система 8РЬЕ? ч[-КТ в настоящее время установлена и используется в учебном процессе и научных исследованиях Московского государственного института стали и сплавов для подготовки специалистов и расчетов термонапряженнодеформированного локально-однородного упругопластического состояния тяжело нагруженных деталей металлургических машин.

6. Разработана математическая модель процесса горячей штамповки осесимметричных изделий. На основе МКЭ построен алгоритм расчета неизотермического течения металла при штамповке с учетом трения.

Компьютерная реализация алгоритмов осуществлена в вычислительной системе.

SPLEN-ST.

7. При помощи пакета SPLEN-ST проведено моделирование получения башенных поковок 7510А1 и 7207А на линии JI-309 в условиях Волжского подшипникового завода. Проведено сравнение формы опытных образцов поковки 7510А1 с расчетной формой. Установлено, что для всех трех переходов отклонение формы поковки от опытного образца находится в пределах 1 мм., что соответствует заводским допускам и точности измерений. По отношению к радиусу поковки последнего перехода (45 мм.) наибольшее отклонение предсказанной формы от формы опытных образцов составляет 2%.

8. Сопоставление изотермической и неизотермической моделей штамповки башенной поковки 7510Al показало, что не изотермическая модель дает прирост максимального усилия штампа по переходам относительно изотермической модели соответственно на 7,36%, 16,55% и 4,01% вследствие захолаживания металла, ведущего к увеличению сопротивления деформированию.

9. На примере получения башенной поковки 7207А показана методика разработки профиля штамповой оснастки. Проведен расчет течения металла и термонапряженного состояния штамповой оснастки. Предложено усовершенствование профиля штамповой оснастки, которое должно привести к выравниванию усилия штампа на втором и третьем переходах за счет снижения усилия на третьем переходе, к синхронизации срока службы штампов второго и третьего переходов. То есть, в конечном счете, к уменьшению времени простоя линии.

10. Вычислительный комплекс SPLEN-ST успешно прошел опытно-промышленное опробование на Волжском подшипниковом заводе и в настоящее время используется, как основной элемент САПР ТП, при проектировании новых технологических процессов и усовершенствовании существующих элементов промышленных технологий.