CC BY
19
Дмитриев Александр Михайлович, д-р техн. наук, профессор, чл-корр. РАН, mt-6@yandex. ru, Россия, Москва, МГТУ ««СТАНКИН»,
Коробова Наталья Василевна, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, mt-6@yandex.ru, Россия, Москва, МГТУ ««СТАНКИН»
DESIGNING DIES FOR COLD EXTRUSION OF GLASSES WITH THE CREATION OF ACTIVELY DIRECTED STRESSES OF CONTACT FRICTION OF THE WORKPIECE
ON THE MATRIX
A.M. Dmitriev, N. V. Korobova
Features of cold extrusion dies for mass production of parts such as glasses from materials that are hard to deform are considered in comparison with hot extrusion. The expediency of complex comparison of these two technologies is shown to take into account the high requirements for cold extrusion dies. Some well-proven elements of stamp designs are listed.
Key words. Details of the type of glasses, materials that are hard to deform, extrusion is cold, the design of reliable stamps.
Dmitriev Alexander Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, mt-6@yandex.ru, Russia, Moscow, MSTU "STANKIN",
Korobova Natalia Vasilevna, doctor of technical sciences, professor, head of chair, mt-6@yandex.ru, Russia, Moscow, MSTU "STANKIN"
УДК 621.73.043
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
А.В. Власов, Д.В. Кривенко
Проектирование предварительных переходов является ключевым этапом при разработке технологического процесса горячей объемной штамповки. Известен подход к оптимизации формы предварительных переходов на основе использования эквипотенциальных поверхностей электростатического поля между проводниками в форме начальной заготовки и конечной поковки. Предлагается для тех же целей использовать изотермические поверхности, полученные путем конечно-элементного моделирования в программе QForm стационарного теплового поля сплошной среды между двумя источниками различной температуры, имеющих форму заготовки и поковки. В дальнейшем полученная форма предварительного ручья проверяется прямым моделированием технологического процесса. Приведен пример использования предлагаемого подхода при проектировании технологического процесса штамповки шестерни.
Ключевые слова: горячая объемная штамповка, проектирование предварительных переходов, метод изотермических поверхностей, метод конечных элементов, QForm.
Введение Проектирование предварительных переходов является ключевым аспектом при разработке технологических процессов горячей объемной штамповки. Рациональная форма предварительного ручья
позволяет обеспечить полное заполнение окончательной гравюры при незначительных размерах облоя, снизить деформирующие нагрузки и износ штампов, обеспечить отсутствие поверхностных дефектов типа утяжин, зажимов и прострелов.
При молотовой штамповке плашмя деталей с вытянутой осью общепризнанной считается методика Брюханова и Ребельского [1], основанная на построении эпюры поперечных сечений. Однако для штамповки в торец эта методика не применяется.
Предложено большое количество различных методик расчета предварительных переходов. Ряд методик основан на эмпирических подходах, использующих формализованный опыт проектирования [2, 3, 4], обратное моделирование с помощью UBET (Upper Bound Elemental Technique) и его модификаций [6, 5], оптимизация с использованием различных критериев на основе конечно-элементных расчетов [7, 8, 9], обратный расчет от окончательной формы к заготовке на основе МКЭ и МГЭ [10, 11, 12, 13], использование прямого и обратного преобразования Фурье с выделением низких частот [14], метод электростатической аналогии [15, 16, 17] и др.
Несмотря на большое количество работ в данной области проектирование предварительных переходов, особенно при штамповке в торец, до настоящего времени осуществляется методом проб и ошибок. Поэтому поиск новых автоматизированных методов проектирования предварительных переходов является актуальным.
Настоящая работа базируется на идеях метода электростатической аналогии. В работе [15] на основе тестовых конечно-элементных расчетов показано, что эквипотенциальные линии электростатического поля сходны с контурами минимальной работы. Поэтому форма заготовки при деформации может быть описана эквипотенциальными линиями в электростатическом поле.
I v
Рис. 1. Эквипотенциальные линии между двумя заряженными проводниками, имеющими форму исходной заготовки (охватывающий внешний контур IV) и конечной поковки (внутренний контур 0У) [15]
Для нахождения формы заготовки строятся эквипотенциальные линии в электростатическом поле, образующемся между проводниками, имеющими форму начальной заготовки и конечной поковки. Предложено увеличить начальную форму заготовки таким образом, чтобы она охватывала
конечную форму (см. рис. 1). После этого к внутренней (конечная форма) и внешней (начальная форма) поверхностям прикладывают различные потенциалы (обычно используют значения соответственно 0 вольт для внутреннего и 1 вольт для внешнего проводника). Установившиеся значения эквипотенциальных поверхностей используют для проектирования предварительного ручья. Такой поход требует последующего масштабирования эквипотенциальных линий, поскольку они охватывают конечную форму поковки.
В работе [17] показано практическое использование метода эквипотенциальных поверхностей для проектирования предварительного перехода штамповки массивной поковки из стали 40Сг сложной геометрической формы (габаритные размеры 412х342х174 мм). Исходный технологический процесс приводил к появлению поверхностных дефектов (частичное незаполнение и зажимы). Спроектированная с помощью эквипотенциальных контуров геометрия предварительного ручья позволила получить бездефектную поковку с минимальным облоем.
При обратном подходе [16], когда начальная форма помещается внутрь конечной, масштабирование не требуется, кроме того автоматически решается вопрос позиционирования поковки в окончательном ручье. В этом случае штамп раскрывают по линии разъема и помещают заготовку внутрь полости. Так же, как и в первом случае к внутренней и наружной полостям прикладывают различные потенциалы и получают эквипотенциальные поверхности.
Практическое применение метода эквипотенциальных поверхностей связано с определением полей равного потенциала с помощью конечно-элементного моделирования в одной программе, выбор нескольких эквипотенциальных поверхностей для создания формы промежуточного ручья и последующий анализ конкурирующих форм с помощью одной из программ моделирования пластического формоизменения. При переходе от одного программного продукта к другому приходится вручную выполнять достаточно сложные геометрические преобразования, что затрудняет использование этого метода в САПР.
В то же время известно, что эквипотенциальные поверхности можно строить и на основании моделирования стационарного теплового поля. Поскольку программа QFoгm позволяет моделировать как тепловую, так и деформационную задачу, то появляется возможность реализовать метод эквипотенциальных поверхностей на основе одного программного продукта.
Цель настоящей работы - обоснование метода проектирования предварительных переходов на основе моделирования изотермических полей в программе QFoгm и демонстрация возможностей метода на примере проектирования технологического процесса штамповки шестерни.
Теоретическое обоснование метода изотермических поверхностей. В технике часто используют способ исследования различных процессов путем изучения явлений, имеющих различной физическое содержание, но описываемых одинаковыми математическими соотношениями.
Между распределением электрического потенциала и, установившемся распределением температуры Т и потенциалом (р при движении идеальной несжимаемой жидкости существует так называемая электрогидродинамическая аналогия [18]. Все эти явления описываются уравнением Лапласа
„2/Тч Э2Ф Э2Ф Э2Ф л
дх ду dz
Здесь Ф - скалярный потенциал, который в зависимости от физической природы явления может принимать значение и, Гили (р.
Согласно теореме Гельмгольца любое векторное поле может быть представлено в виде суммы потенциального и вихревого поля.
Если v = v(x,y,z) - поле скоростей, то rot v - вектор, пропорциональный вектору угловой скорости материальной частицы. Для потенциального течения rot v = 0 и отсутствует вращение материальных частиц. Скорость материальной точки в случае потенциального течения ортогональна поверхности равного потенциала, а линии тока совпадают с траекториями движения частиц [19].
Можно ожидать, что чем меньше вихревая составляющая поля скоростей при пластическом течении, тем лучше волокнистая структура готовой детали, поскольку будут сведены к минимуму переплетения и изгибы волокон.
Для поля скоростей v материальных частиц при пластической деформации несжимаемого тела справедлив закон постоянства объема
dv dvv dv
cxx^cyy^czz л л л ^ '
дх ду dz
При безвихревом течении (поле скоростей потенциально) скорость v является градиентом некоторой потенциальной функции (р:
v -gradcp^
dtp Ъ(р Ъ(р (3)
V =—— V =——, v =——. х дх' у ду' z dz
Подставив условия безвихревого течения (3) в условие несжимаемости (2), получим выражение (4) полностью совпадающее с (1):
г2„_д2<Р , д2(р | ЭУ дх2 ду2 dz'
Таким образом, изотермы стационарного термического поля будут соответствовать эквипотенциальным линиям поля скоростей потенциального течения несжимаемого идеально пластического тела и могут быть использованы для проектирования предварительного ручья.
= ^ + ^ + ^ = (4)
В реальном случае деформации упрочняющегося тела с учетом нелинейных граничных условий обязательно присутствует вихревая компонента поля скоростей. Однако можно ожидать, что чем ближе промежуточная форма поковки к форме ручья, тем ближе течение к потенциальному. Следовательно, для использования изотермических поверхностей в качестве формы предварительных ручьев следует в качестве заготовки использовать поковку, полученную в предыдущем ручье (для трехпереходной штамповки - форма заготовки после осадки, для двухпереходной - исходная заготовка). Предварительный ручей следует строить на основе изотерм, достаточно близко расположенных к поверхности окончательного ручья.
Объект исследования. В качестве примера использования изотермических поверхностей для проектирования геометрии предварительного перехода рассмотрен технологический процесс штамповки поковки шестерни из стали 35ХМ габаритными размерами 0162 x52мм (рис. 2). Высота мостика облойной канавки 2 мм.
Рис.2. 3Б эскиз поковки
Технологический процесс штамповки моделировался в программе QFoгm УХ у8, при моделировании использовали осесимметричную постановку задачи, конечно-элементная дискретизация сечения обеспечивала не менее 15 элементов на радиусных частях заготовки. Для описания трения использовался закон Леванова с фактором трения 0,4. Исходная заготовка считалась равномерно прогретой до температуры 1200°С. Скоростные условия деформации соответствовали КГШП с номинальным производительностью 70 ходов в минуту и ходом 350 мм. Использовался простой теплообмен заготовки с инструментом. Реологическая модель материала и теплофизи-ческие параметры материала заготовки, инструмента и контакта между инструментом и заготовкой взяты из базы данных программы. Локальная точность итерационного процесса деформационной задачи составляла 3 % по приращениям скоростей узлов. Шаг расчета выбирался по умолчанию.
Моделирование технологического процесса штамповки этой поковки в программе QFoгm за один переход из заготовки 075x110мм, обеспечивающей центрирование в окончательном ручье, показывает появление зажимов (рис. 3). Зажимы идентифицируются как визуально (красные точки), так и с помощью поля Гартфилд, значение которого превышает 1.4
и приповерхностные линии. Поле Гартфилд рассчитывается на основании анализа положительных деформаций в направлении нормали к поверхности деформируемой заготовки. По данным QuantoгFoгm при значениях поля от 0.7 и выше высока вероятность появления дефекта в этой части поверхности поковки.
Рис. 3. Образование зажимов при однопереходной штамповке
Предварительная осадка с фасонированием, обеспечивающая центрирование в окончательном ручье, также показывает возможность появления прострелов.
Расчет изотермических поверхностей. Для проектирования предварительных переходов рассматривались 2 варианта технологического процесса: двухпереходная штамповка, в которой на 1 -м переходе осуществляется осадка с фасонированием, и трехпереходная штамповка: осадка с небольшим фасонированием для обеспечения центрирования в предварительном ручье ^ предварительная штамповка ^ штамповка в окончательном ручье.
На рисунке 4, а представлены изотермы установившегося температурного поля сплошной среды между исходной заготовкой (внутренняя часть) и поверхностью верхнего и нижнего штампа. Выбор изотермы для построения контура предварительного перехода неоднозначен. В настоящей работе использовалась изотерма, равная 1 % от разности температур внутреннего и внешнего контура.
По выбранной изотерме (рис. 4, б) построен контур верхней и нижней вставки для осадки с фасонированием. Полость штампа остается открытой (внешняя часть изотермы не используется для построения контура штампа) для уменьшения силы деформирования при штамповке.
101
Рис. 4. Проектирование предварительного ручья с использованием изотерм: а - изотермы, б - построение предварительного ручья по контуру выбранной изотермы
При построении формы предварительного ручья для трехпереходной штамповки в качестве внутреннего контура в тепловой задаче использовали приближенную форму заготовки после осадки.
Верхняя вставка
Выбранная изотерма
Нижняя вставка
Рис. 5. Профиль предварительного ручья для трехпереходной
штамповки
102
Полученные формы предварительных ручьев использовали для моделирования процессов двух и трехпереходной штамповки.
Моделирование технологического процесса. Моделирование процесса двухпереходной штамповки показало, что уже на первом переходе прогнозируется образование зажима (рис. 6). Из этого можно сделать вывод, что течение металла в таком технологическом процессе далеко от потенциального. Вихревая составляющая поля скоростей в этом случае является слишком существенной и ею нельзя пренебречь.
На рис. 7 представлены траектории некоторых материальных частиц, расположенных на внешнем контуре заготовки в процессе штамповки на первом переходе. Анализ траекторий показывает, что течение можно считать потенциальным не на всем промежутке процесса. Существование изломов и отклонение траекторий от нормали к поверхности контуров свидетельствуют о существовании значительной вихревой составляющей поля скоростей.
Рис. 6. Образование зажима на первом переходе при двухпереходной штамповке
Поскольку построение траектории материальных частиц трудоемко, в качестве косвенного параметра, характеризующего потенциальность поля скоростей, предлагается использовать величину накопленной деформации и степень неравномерности распределения ее по объему заготовки.
Для однопереходного технологического процесса максимальная пластическая деформация на первом переходе составила по результатам моделирования 3.56, а средняя - 1.13, что свидетельствует о существенной неравномерности пластической деформации по объему заготовки.
Одним из способов уменьшения вихревой составляющей поля скоростей является использование большего числа переходов штамповки, что приводит к уменьшению как приращения пластической деформации за один переход, так и к снижению неравномерности пластической деформации.
Траектории материальных частиц
конечный контур
Рис. 7. Траектории материальных частиц на первом переходе при двухпереходной штамповке
Трехпереходный процесс штамповки (рис. 8) ближе к потенциальному течению.
V
Рис. 8. Результаты моделирования трехпереходного процесса
штамповки шестерни
На первом переходе (осадка) максимальная пластическая деформация 2.01, средняя - 1.02; на втором (предварительный ручей) соответственно 3,3 и 1,68; на третьем (окончательный ручей в момент полного заполнения полости) 4,48 и 2,31.
Рис. 9. Прогнозирование волокнистого строения поковки по результатам моделирования
В результате моделирования прогнозируется получение бездефектной поковки (рис. 9). Полное заполнение окончательного ручья происходит за 0,72 мм до крайнего нижнего положения ползуна. В этот момент металл только частично заполняет мостик облойной канавки, не выходя в магазин канавки. Следовательно, техпроцесс устойчив к колебаниям объема металла внутри поля допуска на отрезку и диаметр исходного проката.
Выводы. Проектирование предварительных переходов при горячей штамповке, основанное на моделировании теплового поля, позволяет использовать метод эквипотенциальных поверхностей и проверку течения металла в рамах одно программного продукта.
Использование изотерм для проектирования предварительных переходов при горячей объемной штамповке дает удовлетворительные результаты в том случае, если на каждом переходе течение металла остается близким к потенциальному и вихревая составляющая поля скоростей незначительна.
1. Брюханов, А.Н., Ребельский А.В. Горячая штамповка. Конструирование и расчет штампов. М.: Машгиз, 1952. 664 с
2. Yu G. B., Dean T. A. A practical computer-aided approach to mould design for axisymmetric forging die cavities //International Journal of Machine Tool Design and Research. 1985. Т. 25. №. 1. С. 1 - 13.
3. Kim D.Y., Park J.J. Development of an expert system for the process design of axisymmetric hot steel forging //Journal of Materials Processing Technology. 2000. Т. 101. №. 1-3. С. 223-230.
Список литературы
4. Володин И.М., Володин А.И., Золотухин П.И. Теория и практика проектирования ресурсосберегающих процессов горячей объёмной штамповки. Липецк, Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. 101 с.
5. Chang C. C., Bramley A. N. Forging preform design using a reverse simulation approach with the upper bound finite element procedure //Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2000. Т. 214. №. 1. С. 127 - 136.
6. Modified Upper Bound Elemental Technique (MUBET) for Preform Design in Closed Die Forging / M. Almohaileb [et al.] // AIP Conference Proceedings. AIP, 2004. Т. 712. №. 1. С. 2062 - 2067.
7. Lapovok R. Y., Thomson P. F. An approach to preform design //International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1995. Т. 35. №. 11. С. 1537 - 1544.
8. Behrens B. A., Nickel R., Stonis M. Simulation algorithm for the assessment and modification of multi-directional forging processes and tool geometries //Production Engineering. 2012. Т. 6. №. 2. С. 187 - 198.
9. Evolutionary forging preform design optimization using strain-based criterion / Y. Shao [et al.] // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Т. 71. №. 1 - 4. С. 69 - 80.
10. Park J. J., Rebelo N., Kobayashi S. A new approach to preform design in metal forming with the finite element method //International Journal of Machine Tool Design and Research. 1983. Т. 23. №. 1. С. 71 - 79.
11. Biglari F. R., Neyestani M. Z., Nickbin K. M. Blocker Forging Die Design Using Backward Deformation Method //ASME 8th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis. American Society of Mechanical Engineers, 2006. С. 597 - 605.
12. Вовченко А. В., Резников Ю. Н. Оптимизация процессов объемной штамповки, реализуемая направленным определением заготовительных форм полуфабрикатов на технологических переходах // Заготовительные производства в машиностроении. 2009. №7. С. 28 - 34.
13. Володин А.И. Реверсивная математическая модель расчета осе-симметричного деформированного состояния при штамповке // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. № 3. С.230 - 237.
14. Oh S. I., Yoon S. M. A new method to design blockers //CIRP Annals-Manufacturing Technology. 1994. Т. 43. №. 1. С. 245 - 248.
15. Lee S. R. et al. A new method of preform design in hot forging by using electric field theory //International Journal of Mechanical Sciences. 2002. Т. 44. №. 4. С. 773 - 792.
16. Cai J., Li F., Liu T. A new approach of preform design based on 3D electrostatic field simulation and geometric transformation //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. Т. 56. №. 5 - 8. С.579 - 588.
17. Guan Y. et al. Preform design in forging process of complex parts by using quasi-equipotential field and response surface methods //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Т. 79. №. 1 - 4. С. 21 - 29.
18. Гун Г. Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1980. 456 с.
19. Седов Л. И. Механика сплошной среды: учебник для вузов. 6-е изд. СПб.: Лань, 2004. Т. 1. 2004. 528 с.
Власов Андрей Викторович, д-р техн. наук, профессор, anvvlasovamail.ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана,
Кривенко Дмитрий Витальевич, аспирант, krivenko.dmtagmail.com, Россия, Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана
THE USE OF FINITE ELEMENT THERMAL MODEL FOR THE PREFORM DESIGN IN
HOT CLOSED DIE FORGING
Vlasov A. V., Krivenko D. V.
The preform design is a key step in the design of hot closed die forging. An approach to the optimization of the preform design based on the using of equipotential surfaces of the electrostatic field between the conductors with the shapes of the initial billet and the final forging is known. For the same purposes, it is proposed to use isothermal surfaces obtained by finite element simulation of a stationary thermal field between two sources of different temperature with the shapes of a workpiece andfinal forging in the QForm software. Preform shape obtained by this approach is validated by FEM simulation of the forming process. Closed die design of the gear forging is evaluated by using developed method.
Key words: hot closed die forging, preform design, method of isothermal surfaces, finite element method, QForm.
Vlasov Andrey Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, anvvlasova mail.ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University N.E. Bauman,
Krivenko Dmitry Vitalyevich, postgraduate, krivenko. dmtagmail. com, Moscow, Moscow State Technical University N.E. Bauman
