CC BY
1
deformation zone was carried out using mathematical modeling based on computational and full-scale experiments. Defect formation was assessed based on the Garfield subroutine, which is available for calculation in the QForm program. Parameters have been identified (friction factor, workpiece size ratio, working stroke, etc.) that influence the flow of metal and defect formation during combined extrusion-type forging. The relationship between process parameters and the Garfield values was assessed.
Key words: aluminum alloy AMg6, hot isothermal forging, computer modeling, full-scale experiment, macrostructure, defects arising in metal during forging, Garfield subroutine.
Pham Van Ngoc, candidate of technical science, intern, nguyenngoc15101994@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical science, docent, petrov_p@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.73(07)
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-3 -267-268
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ КРУГЛЫХ В ПЛАНЕ ПОКОВОК НА КРИВОШИПНЫХ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫХ ПРЕССАХ
В.Н. Мещеряков, П.И. Золотухин, И.Д. Карпайтис
Представлена компьютерная программа для автоматизированного проектирования технологии горячей объемной штамповки (ГОШ) круглых в плане поковок с наметкой отверстия на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП). Рассмотрены три типа поковок: «кольцо», «фланец средний» и «фланец верхний». Определяемые в программе параметры: основные и дополнительные припуски на механическую обработку, радиусы закруглений, размеры поковки, допуски, технические требования (по ГОСТ 7505-89), усилие штамповки, размеры исходной цилиндрической заготовки. Программа разработана с использованием приложений Excel и Access. Код программы написан в редакторе VBA (Visual Basic for Applications) приложения Excel. База данных (БД) содержит информацию по проектированию стальных штампованных поковок из ГОСТ 7505-89, а также о химическом составе и механических свойствах 20 марок сталей. Приведено сравнение результатов расчета основных параметров технологии штамповки поковки «фланец верхний» в рассматриваемой программе с результатами создания 3D модели спроектированной поковки в приложении КОМПАС и вычислений, выполненных в приложении QForm 2D/3D.
Ключевые слова: горячая объемная штамповка, автоматизированное проектирование, компьютерное моделирование.
Применение процессов ГОШ в машиностроении позволяет получать поковки, максимально приближенные по форме и размерам к готовым деталям. Это существенно уменьшает потери металла в стружку при механической обработке и сокращает время на обработку заготовок [1.. .4].
Проектирование технологии ГОШ поковок можно условно разделить на три основные этапа: разработка чертежа поковки по чертежу детали, расчет усилия штамповки, расчет диаметра и высоты исходной заготовки.
Разработана компьютерная программа для расчета параметров технологии ГОШ на КГШП поковок для трех типов круглых в плане деталей с отверстием: «кольцо», «фланец средний», «фланец верхний».
Блок-схема программы представлена на рис. 1. Программа разработана с использованием приложений Excel и Access. Для ввода исходных данных и вывода результатов расчетов используются рабочие листы Excel. Код программы написан в редакторе VBA (Visual Basic for Applications) приложения Excel. Таблицы базы данных (БД) созданы в приложении Access. Обращения к таблицам выполняются из VBA.
На рис. 2 приведена схема детали «фланец верхний», на которой указаны обозначения размеров и шероховатости обрабатываемых поверхностей. Эти параметры являются исходными данными для программы.
Для определения химического состава заданной марки стали использованы данные из ГОСТ 1050-2013, 4543-2016, 5632-2014. В БД имеются данные для 20 марок нелегированных качественных конструкционных, конструкционных легированных и легированных нержавеющих сталей. Приведем ряд марок сталей: 30; 35; 40; 45; 50; 40Х; 18ХГТ; 30ХМ; 12ХН3А; 40Х13.
Проектирование поковки выполняется по ГОСТ 7505-89 [10]. По химическому составу определяют группу стали (М1, М2, М3). Затем определяют массу детали Мд, расчетную массу поковки Мпр, степень сложности поковки (С1, С2, С3, С4) и исходный индекс Ии (1, 2, ... ,23).
Следующим этапом является определение основных и дополнительных припусков на все обрабатываемые поверхности поковки, расчет размеров поковки, определение допусков на размеры. По ГОСТ 7505-89 [10] определяют наружные радиусы поковки п и r (см. рис. 3). Внутренний радиус п, радиус у вершины наметки R и толщины перемычки S вычисляют по формулам из работ [2, 3].
Названия всех таблиц БД, участвующих в выборе припусков, размеров и допусков, приведены на рис. 1. На рис. 3 представлена схема поковки с вычисляемыми программой размерами.
Проектирование поковки заканчивается определением технических требований, указываемых на чертеже поковке (см. нижнюю часть рис. 1).
На рис. 4 представлен чертеж конкретной поковки, все параметры которой определены в рассматриваемой программе. Исходные данные для расчета (см. рис. 1 и 2; размеры в мм): марка стали - сталь 45; D = 200; D1 =140;
d = 80; h =90; h1=30; Ra _D = 5; Ra _D1= 12,5; Ra _ d = 1,25; Ra _h = 5; Ra _hl = 20; Kp=1,5; Т4.
( Конец )
Рис. 1. Блок-схема программы автоматизированного проектирования технологии ГОШ
268
ФО
1
'Ш
Рис. 2. Схема детали «фланец верхний»
При проектировании технологии ГОШ одним из ответственных этапов является определение сопротивления деформации металла . От этого фактора напрямую зависит расчет усилия штамповки Р и, следовательно,
подбор КГШП с номинальным усилием Р . Для расчета о возможно использование уравнений регрессии (эмпири-
н о
ческих формул), полученных путем статистической обработки экспериментальных данных.
Рис. 3. Схема поковки «фланец верхний»
/17
1.0
1. Гаута стали - М2
2. Степень сложности - С1
3. Исходный индекс - %
4. Попускаемая беличина смещения по поверхности разъема штампа - 1,0мм
5. Допускаемая беличина остаточного облоя - 1,2мм
6. Допускаемая беличина бысоты заусенца по контуру обрезки облоя - 5,0мм Рис. 4. Чертеж конкретной поковки «фланец верхний»
В работе [5] для определения (МПа) предложено использовать формулу вида:
• §С
- ¿1 •г
(1)
где а, Ь, С, - коэффициенты, зависящие от марки стали; 8 - степень деформации; § - скорость деформации, с-1 ; е - основание натурального логарифма; г - температура деформации, 0 С. Диапазон параметров, входящих в формулу (1): г = 900...1200 о С; 8 = 0,05...0,4; § = 0,1...100 с-1.
Численные значения коэффициентов, входящих в формулу (1), для трех марок сталей приведены в табл. 1
[5].
Усредненные по объему поковки значения 8 и § рассчитывают по формулам [1]:
8 = (0 - Изг (2)
§ = V / К
(3)
где ^0 и Н8Г - соответственно высота осаженной заготовки и средняя высота поковки, мм; V - скорость перемещения
верхнего штампа (или ползуна пресса) в конце штамповки, мм/с. При ГОШ на КГШП можно приближено принимать §= 1.5 с-1 [1].
Таблица 1
Значения коэффициентов в формуле (1)__
Марка стали а ь С а
45 1330 0,252 0,143 0,0025
12ХН3А 2300 0,252 0,143 0,0029
40Х13 4300 0,28 0,087 0,0033
В литературе имеются также формулы, отличающиеся по структуре от формулы (1). Обзор формул приведен в работе [6].
Помимо формул данные по определению о5 могут быть представлены в виде таблиц и графиков [7]. Следует отметить, что в литературе имеется информация по значениям о5 для весьма ограниченного перечня углеродистых и легированных марок стали. Поэтому при расчете усилия штамповки Р для круглых и удлиненных в плане поковок по формулам, приведенным в работе [2], возможно принимать о5 = ов. Здесь ов - временное сопротивление при термомеханических условиях ГОШ.
Значения ов0 при температурах ГОШ и скоростях деформации ^д = 0,0002... 0,09 с-1 приведены в работе
[8] почти для 80-ти марок углеродистых и легированных сталей. Значения ^д - скорость деформации в опытах на растяжение образцов.
Табличные данные о зависимости ов0 от t из работы [8] авторами статьи аппроксимированы уравнением
регрессии:
ов0 = к • е-*•1, (4)
где к, / - коэффициенты, зависящие от марки стали.
В табл. 2 приведены полученные значения коэффициентов к, * для трех марок сталей.
Для всех трех приведенных марок сталей коэффициент корреляции уравнений (4) равен 0,98. Уравнения в целом статистически значимы при уровне надежности 95%. Также статистически значимы все коэффициенты регрессии.
Получены и используются в компьютерной программе для расчета параметров ГОШ поковок уравнения вида (4) для 20 марок нелегированных качественных конструкционных, конструкционных легированных и легированных нержавеющих сталей.
Таблица 2
Значения коэффициентов в формуле (4)__
Марка стали к / t, ° С £0 ■ с"
45 2331,9 0,0038 700.1200 0,009
12ХН3А 1580,5 0,0035 700.1250 0,002
40Х13 3159,4 0,0038 800.1200 0,009
Уточненное значение о при скорости деформации ГОШ можно определить по формуле: в
05 = °в = °в0 • Кс , (5)
где Кс - скоростной коэффициент, Кс = 1,1.3,5 [8]. В работе [8] приведена таблица (стр. 180, табл. 5) для приближенного определения К в зависимости от отношений £ / £п и t / / . Здесь / - температура плавления стали. с ^ "эо пл пл
По приведенным в указанной выше таблице данным авторами статьи с использованием методов математической статистики было получено уравнение регрессии:
Кс = 2,127 + 0,062—£--5,343— + 0,019I —|| — I- (6)
с 100£о 'пл №0 Л V) '
-0,000661 —| + 6,203| — I
V 100£0„
Коэффициент множественной корреляции уравнения (5) равен 0,93. Уравнение в целом статистически значимо при уровне надежности 95%. Также статистически значимы все коэффициенты регрессии.
Диапазон изменения входящих в уравнение параметров: £/£0 = 10.10000 (значения 10000 соответствуют «ударной нагрузке» [8]; t / tпл = 0,3.0,85.
При использовании формул (4).(6) в явном виде не учитывается степень деформации 8 . Можно отметить, что при использовании равенства о „ = 0„ полученные данные о сопротивлении деформации о „ соответствуют до-
5 в 5
статочно большим значениям 8 ~ 0,3...0,7 .
При автоматизированном проектировании технологии ГОШ возможен расчет о5 по формулам (1) или (5), а также ввод значений о5 в компьютерную программу в исходных данных в том случае, когда они определены по таблицам или графикам [7] (см. верхнюю часть рис. 1 (окончание)).
Следует отметить, что данные о величине о5 для рассматриваемой марки стали при одинаковых термомеханических условиях деформации (t, £, 8) могут существенно отличаться по разным литературным данным. Это
нужно учитывать, определяя значения оо как при проектировании технологии, так и при компьютерном моделировании спроектированного процесса в программах типа QForm [9].
После определения о о в программе последовательными приближениями выполняется расчет усилия штамповки Р с выбором номинального усилия ( Р ) КГШП и размеров облойного мостика (Ь, Но) (см. рис. 1 (окончание)).
н
При этом параметр «Код пресса» (Кпр) последовательно принимает следующие значения: Кпр = 1 (соответствует КГШП с Рн = 6,3 МН); Кпр = 2 (10 МН); Кпр = 3 (16 МН); Кпр = 4 (25) МН; Кпр = 5 (31,5 МН); Кпр = 6 (40 МН); Кпр = 7 (63 МН).
В работе рассматривали открытую штамповку с использованием облойной канавки типа I [1]. Усилие штамповки (Р ) круглых в плане поковок рассчитывали по формуле из работы [1] (стр. 218).
Последним этапом проектирования технологии является расчет объема (У ) и размеров (00ст, Н0) исходной цилиндрической заготовки (см. нижнюю часть рис. 1 (окончание)).
Значение Уз определяют путем суммирования объема поковки с перемычкой под пробивку (Уп), объема
облоя (Уо) и объема угара (Уу). При расчете объема поковки с перемычкой Уп к вертикальным размерам прибавляли
половину положительного отклонения соответствующего размера [3]. Радиусы закругления не учитывали. Сравнение расчета Уп для поковки, представленной на рис. 4, по рассматриваемой программе и значения объема, полученного по 3Б модели поковки в приложении КОМПАС показало, что отклонение составляет 0,8 %. Объемы облоя (Уо) и угара (Уу) рассчитывали по формулам из работы [1].
Для поковки из стали 45, представленной на рис. 4, при расчете по рассматриваемой программе усилия штамповки (Р) и размеров исходной заготовки (00ст, Н0) использовали следующие исходные данные (см. рис. 2):
5 = 0,8%; ц = 0,4; § = 7 с-1; г = 1130 °С; г = 1480 °С. Значения § иг задавали равными средним величинам по объему поковки, полученным расчетным путем при моделировании процесса в приложении QForm. Сопротивление деформации оо для стали 45 рассчитывали по формулам (4), (5) и (6).
Результаты расчета по программе: Р = 17,3 МН; Рн = 25 МН; 00ст = 105 мм; Н0 = 243 мм. Выполнено моделирование рассматриваемого процесса ГОШ в приложении QForm. Температура нагрева
исходной заготовки 1180 °С. Марка стали - сталь 45. Номинальное усилие КГШП - Р = 25 МН. При моделировании
н
задавали применение графитовой смазки. Время охлаждения заготовки на воздухе перед осадкой и перед окончательной штамповкой, а также время охлаждения металла при контакте с инструментом во время осадки и штамповки - по 3 с. Температура инструмента - 200 °С. Осадка заготовки выполнялась до высоты 113 мм.
В результате моделирования получены следующие значения параметров в конце процесса окончательной
штамповки: максимальное усилие штамповки Р = 20 МН; температура металла г 1130 °С; скорость деформации
ср
£ « 7 с-1. Индекс «ср» означает среднее по объему поковки значение.
Значения оо в приложении QForm рассчитываются в зависимости от термомеханических параметров г, §, 8 для каждого конечного элемента, на которые разбивается штампуемая заготовка. Зависимость оо = /(г, §, 8 ) для стали 45 «заложена» в базу материалов приложения.
Сравнение расчета усилия штамповки по рассматриваемой программе с результатами моделирования в приложении QForm показывает различие в 13%.
Представленная в работе компьютерная программа позволяет существенно сократить сроки проектирования технологии ГОШ трех типов круглых в плане поковок («кольцо», «фланец средний», «фланец верхний»). Результаты расчета объема исходной заготовки с использованием программы и в приложении КОМПАС отличаются на 0,8 ... 1 %. Различие в результатах расчета усилия штамповки с приложением QForm для рассмотренных типов поковки составляет 10 . 15 %.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: справочник. В 4 т. Т. 2. Горячая объемная штамповка / Под. общ. ред. Е.И. Семенова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 720 с.
2. Брюханов А.Н. Ковка и объемная штамповка: учеб. пособие для вузов / 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1975. 108 с.
3. Ковка и объемная штамповка стали: справочник. В 2 т. Т. 2 / Под общ. ред. М.В. Сторожева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1967. 436 с.
4. Володин И.М., Володин А.И., Золотухин П.И. Теория и практика проектирования ресурсосберегающих процессов горячей объемной штамповки: учеб. пособие для вузов. Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2014. 101 с.
5. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / 2-е изд. М.: Металлургия, 1973. 224 с.
6. Коновалов Ю.В., Остапенко А.Л., Пономарев В.И. Расчет параметров листовой прокатки: справочник. М.: Металлургия, 1976. 430 с.
7. Полухин Г.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: справочник / 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1983. 362 с.
271
8. Ковка и штамповка: справочник. В 4 т. Т. 1. Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / Под. общ. ред. Е.И. Семенова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 717 с.
9. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки: учебное пособие / под ред. А. В. Власова. Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. 383 с.
10. ГОСТ 7505-89. Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски.
Мещеряков Виктор Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, mesherek@yandex. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Золотухин Павел Иванович, канд. техн. наук, заведующий кафедрой, [email protected]. Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Карпайтис Илья Дмитриевич, магистрант, karpaytis9@mail. ru, Россия, Москва, НИТУ Московский институт стали и сплавов
AUTOMATED CALCULATION OF THE PARAMETERS OF VOLUMETRIC STAMPING OF ROUND FORCINGS IN TERMS OF CRANK HOT STAMPING PRESSES
V.N. Meshcheryakov, P.I. Zolotukhin, ID. Karpaitis
A computer program for computer-aided design of the technology of hot volumetric stamping (GOSH) of round forgings with a hole outline on crank hot stamping presses (KGSHP) is presented. Three types of forgings are considered: "ring", "middle flange" and "upper flange". The parameters defined in the program are: basic and additional allowances for machining, radii of rounding, forging dimensions, tolerances, technical requirements (according to GOST 7505-89), stamping force, dimensions of the initial cylindrical workpiece. The program is developed using Excel and Access applications. The program code is written in the VBA (Visual Basic for Applications) editor of the Excel application. The database contains information on the design of stamped steel forgings from GOST 7505-89, as well as on the chemical composition and mechanical properties of 20 grades of steel. The results of calculating the main parameters of the forging technology "upper flange" in the program under consideration are compared with the results of creating a 3D model of the designed forging in the COMPASS application and calculations performed in the QForm 2D/3D application.
Key words: hot stamping, computer-aided design, computer modeling.
Meshcheryakov Viktor Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, mesherekfaiyandex. ru. Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Zolotukhin Pavel Ivanovich, candidate of technical sciences, head of the department, zolotyhinpifai,rambler, ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Ilya Dmitrievich Karpaitis, undergraduate, karpaytis9@mail. ru, Russia, Moscow, NUSTMoscow Institute of Steel
and Alloys
