CC BY
37
УДК.621.735.79
М.М. Радкевич, В.С. Мамутов, Д.Ю. Фомин
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ШТАМПОВКЕ ПОКОВОК УДЛИНЕНОЙ ФОРМЫ В ОТКРЫТЫХ ШТАМПАХ НА КГШП
M.M. Radkevich, V.S. Mamutov, D.Yu. Fomin
FINITE ELEMENT MODELLING OF FORMING STEEL'S PREFORM UNDER FORGING THE ELONGATED METAL UNITS IN OPEN STAMPS ON KGSHP
На базе результатов компьютерного моделирования штамповки поковок удлиненной формы изучается влияние понижения температуры деформирования на усилия штамповки, контактное давление в полости штампа, эффективную пластическую деформацию. Сделана попытка оценить износ штампа.
ШТАМПОВКА. ОТКРЫТЫЙ ШТАМП. ПОКОВКА УДЛИНЕННОЙ ФОРМЫ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
By results of the finite element modelling are investigated the influence of decreasing temperature of de formation under the forging of elongated performs on the force of forging, the contact pressure in stamp cavities, effective plastic strain. Attempt to evaluate wear of stamp is made.
FORGING. OPEN STAMP. ELONGATED PREFORM. COMPUTER MODELLING. FINITE ELEMENT METHOD.
Применение режимов термомеханической обработки (ТМО) при штамповке стальных поковок обеспечивает улучшение механических свойств заготовок и готовых изделий по сравнению со стандартными заводскими режимами. В основе стандартного заводского технологического процесса, как правило, лежит принцип задания постоянного температурного интервала, обычно в пределах Те [1200—1400] °С. Указанный температурный интервал обеспечивает высокую пластичность металла, низкое напряжении текучести и, тем самым, минимальный износ штамповочного инструмента.
Технологические процессы ТМО могут быть использованы в комбинации с теплой штамповкой для изготовления поковок из легированной и высоколегированной стали и предусматривают назначение пониженных температур деформационного воздействия в момент формообразования. На основании проведенных нами экспериментальных исследований [1—3] рациональным
можно считать следующий температурно-вре-менной цикл: нагрев до температуры Тн = 1200— 1300 °С; аустенизация; свободное охлаждение до температуры деформации; деформации в интервале температур Тд = 800—950 °С с последующей временной паузой тп = 20—40 с, а затем термообработка в соответствии с техническими условиями. Выбор температурного интервала штамповки подтверждается графическими зависимостями [4] напряжения течения, допустимой пластической деформации, величины окалинообразова-ния от температуры деформирования для сталей основных структурных классов. Например, для углеродистых сталей заметное падение напряжения течения происходит выше температуры 400 °С, повышение пластичности (формуемо-сти) — выше 500 °С, резкий рост образования окалины — выше 900 °С.
Общий анализ зависимостей показал, что начиная с температуры 750—800 °С сталь имеет уже достаточный, но еще весьма высокий по
сравнению со стандартным заводским техпроцессом горячей штамповки предел текучести для начала процесса формообразования. Указанное повышенное сопротивление металла, в свою очередь, должно приводить к росту усилий штамповки и, как следствие, к повышенному износу штамповой оснастки. При этом также возникают вопросы перегрузки штамповочного оборудования.
Экспериментальные исследования усилий штамповки на КГШП при изготовлении машиностроительных поковок горячей объемной штамповкой с применением ВТМО и НТМО в зависимости от температуры штамповки и степени деформации для сталей 12Х2Н4А, 18ХНВА, 40ХНМА с использованием КГШП усилием 2500 Т производилось ранее авторами работы [5]. Усилие измерялось с помощью тен-зометрических датчиков, наклеенных на боковые поверхности станины пресса. Штамповая оснастка не подогревалась. Непонятно, каким образом измерялась температура заготовки. Было установлено, что усилия штамповки пустотелых поковок при степенях деформации 25 и 50 % увеличивались по сравнению с усилиями штамповки по обычной технологии в 1,7— 2,9 раза, а расчетные усилия в 3—7 раз превышали усилия, измеренные опытным путем. Можно ожидать, что эти результаты в значительной степени определялись методикой эксперимента и обработки экспериментальных данных, а расчетная методика не учитывала ряд факторов, значимо влияющих на процесс штамповки.
Благодаря развитию конечно-элементного (КЭ) моделирования процессов горячей объемной штамповки и возможностям вычислительной техники, можно учесть большинство наиболее важных факторов исследуемых процессов. Поэтому изучение с применением современных КЭ комплексов вопроса о влиянии температуры деформирования при штамповке поковок на усилие деформирования и на износ штампа при ТМО — весьма актуальная задача.
С целью определения влияния понижения температуры деформирования при теплой штамповке в комбинации с процессом ТМО удлиненных поковок из легированных сталей на усилия штамповки и износ штампового инструмента проводилось конечно-элементное моделирование с применением программного комплекса
Simufact.Forming (MSC.SuperForge), который позволяет решать нелинейную связную краевую задачу термо-упругопластичности с учетом реальных граничных условий по температуре и контакту заготовки с ручьем штампа. Выходными результатами являются поля температур, эффективных (накопленных) деформаций, напряжений, в том числе контактных, усилие штамповки и другие параметры для каждого момента формоизменения.
Кривая деформационного упрочнения задавалась в виде трехчленной степенной зависимости по Людвигу с учетом влияния интенсивности тензора деформаций ег- и температуры T на сопротивление деформированию as = ст5(ег-, T). Параметры данной зависимости для конкретных российских марок сталей брались из библиотеки для их зарубежных аналогов: 45 (AISI 1045), 40Х (DIN1.7035), 20Х13 (DIN 1.4021), 08Х18Н10 (AISI 302), 08Х13 (AISI 403), где в скобках указан зарубежный аналог.
Начальная температура штамповки варьировалась в диапазоне температур Тд е [600— 1300] °С с шагом в каждом новом расчете 50— 100 °С. В расчете также задавались параметры трения материала заготовки о материал инструмента. Задавался коэффициент кулоновского трения: на начальном этапе — 0,2, а на этапе пластического деформирования — 0,5. Начальный размер элемента задавался равным 2 мм с автоматического перестроения при искажении конечно-элементной сетки. Коэффициент теплопередачи в среду принят равным 50 Вт/Км2, а коэффициент теплопередачи с заготовкой — 20 000 Вт/К-м2. Задавались также упругие константы и плотность материала.
Геометрическая модель заготовки и чистового штамповочного ручья создавалась в графическом редакторе SolidWorks 2012 (рис. 1, а, б), а затем в виде файла с расширением stl экспортировалась в конечно-элементный комплекс (рис. 1, в). При этом максимальный размер ручья штампа составлял 175 мм, а минимальный диаметр — 30 мм. Расчетным путем был определен размер заготовки, обеспечивающий полное заполнение ручья штампа: длина 180 мм, диаметр 50 мм.
В результате проведенных расчетов были получены компьютерные данные (см. таблицу), изменяющиеся по времени цикла, о параметрах
Рис. 1. Геометрические модели нижней плиты штампа (а), заготовки, нижней и верхней плиты штампа (б), экспортированные в конечно-элементный комплекс (в)
реализованного процесса — усилиях на верхней и нижней половинах штампа, температуре поковки, параметрах напряженно-деформированного состояния, таких, как контактное давление в формующей полости (ручье штампа), эффективная пластическая деформация. Пример компьютерного расчета параметров процесса для варианта — сталь 20Х13, температура начала штамповки Тд = 1200 °С — представлен на рис. 2.
Анализ и систематизация расчетных данных, полученных в результате компьютерного моделирования, позволили построить кривые зависимостей усилия штамповки и контактного давления, развиваемого в ручье штампа, от температуры деформационного воздействия (рис. 3 и 4).
Анализ кривых на рис. 3 показал, что для стали 45 наблюдается снижение усилия штамповки в диапазоне температур деформации от 900 к 1200 °С, что в относительном выражении составляет 22 % на граничных точках темпера-
турного диапазона штамповки. Минимальное усилие развивается в инструменте при температуре штамповки около 1100 °С, после чего происходит повышение усилия. Для стали 40Х наблюдается снижение усилия штамповки в диапазоне температур деформации от 800 к 1200 °С, т. е. в относительном выражении равно 44 % на граничных точках рассматриваемого температурного диапазона штамповки. В температурном диапазоне от 900 к 1200 °С рост усилия штамповки в относительном выражении составляет 32 %. Для стали 20Х13 наблюдается снижение усилия штамповки в диапазоне температур деформации от 800 к 1200 °С, т. е. составляет 20 % на граничных точках рассматриваемого температурного диапазона штамповки. Для стали 08Х18Н10Т наблюдается снижение усилия штамповки в диапазоне температур деформации от 600 к 1200 °С, что в относительном выражении составляет 38,5 % на граничных точках рассматриваемого температурного диапазона штамповки.
Результаты КЭ моделирования термо-упругопластической деформации МН для разных марок сталей
Температура деформации, °С Усилие, MN Контактное давление, МПа Эффективная пластическая деформация
Сталь 45
900 11 3 2096 2,237
950 11,3 2055 2,237
1000 11,0 1981 2,232
1050 10,2 1861 2,232
1100 9,3 1819 2,232
1150 9,5 1894 2,228
1200 9,5 1889 2,230
Сталь 40Х
800 11,1 1760 2,239
900 10,2 1702 2,235
1000 8,5 1590 2,234
1100 8,4 1564 2,235
1200 7,7 1516 2,228
Сталь 08Х18Н10Т
600 11,5 2082 2,232
700 11,9 2131 2,236
800 10,7 2091 2,236
900 10,5 1904 2,236
1000 10,0 1910 2,228
1100 9,3 1817 2,226
1200 8,3 1719 2,224
Сталь 08Х13
800 10,3 1877 2,234
900 10,1 1919 2,234
1000 8,8 1739 2,229
1100 8,6 1790 2,228
1200 8,2 1737 2,226
Сталь 20Х13
800 10,2 1773 2,235
1200 8,5 1548 2,226
Рис. 2. Пример расчета параметров процесса в момент окончания формоизменения заготовки для стали 20Х13 при температуре начала штамповки Тд = 1200 °С: температура
заготовки в момент окончания штамповки (а), контактное давление в ручье штампа в момент окончания штамповки (б), величина усилия штамповки по времени цикла (в)
Усилие, кН
11500 11000 10500 '10000 9500 9000 8500 8000 7500
э.ЬО 603 6S0 /00 УЬО 800 8Ь0 900 9Ь0 ЮОО Ю50 1100 USO Температура, °С
Рис. 3. Изменение усилия деформирования от температуры (1 - сталь 45; 2 - сталь 40Х; 3 - сталь 55Х12; 4- сталь 08Х18Н10Т)
Контактное давление, МПа
гюо 2000 1900 1800 1700 1600 1500
ОЬО 600 6Ь0 700 7Ь0 800 8ь0 900 9Ь0 1000 ЮЬО 1100 ИЬО Температура, °С
Рис. 4. Изменение контактного давления в полости штампа от температуры
(1 - сталь 45; 2 - сталь 40Х; 3 - сталь 55Х12; 4- сталь 08Х18Н10Т)
В температурном диапазоне от 900 к 1200 °С рост усилия штамповки в относительном выражении составляет 26,5 %. Для стали 08Х13 наблюдается снижение усилия штамповки в диапазоне температур деформации от 800 к 1200 °С, что в относительном выражении составляет 26 % на граничных точках рассматриваемого температурного диапазона штамповки.
Анализ кривых на рис. 4 показал, что развиваемое в штампе контактное давление, воздейству-
ющее на формующие полости, для стали 45увеличивается в диапазоне температур штамповки от 1200 к 900 °С, т. е. составляет 15 % в граничных точках рассматриваемого диапазона штамповки. Для стали 40Хконтактное давление в формующей полости увеличивается в диапазоне температур штамповки от 1200 к 800 °С, что составляет 16 % в граничных точках рассматриваемого диапазона штамповки. Для стали 20Х13 контактное давление увеличивается в диапазоне температур штамповки
от 1200 к 800 °С, что составляет 3,5 % в граничных точках диапазона штамповки. Для стали 08Х18Н10Т контактное давление в формующей полости увеличивается в диапазоне температур штамповки от 1200 к 600 °С, т. е. составляет 21 % в граничных точках рассматриваемого диапазона штамповки, а для диапазона температур 1200-900 °С — 11 %. Для стали 08Х13 контактное давление увеличивается в диапазоне температур штамповки от 1200 к 800 °С на 8,5 % в граничных точках рассматриваемого температурного диапазона штамповки.
Основные выводы
По результатам компьютерного моделирования упругопластического формоизменения заготовок из стали 45, 40Х, 20Х13, 08Х13, 08Х18Н10Т установлено, что при понижении температуры Тд деформационного воздействия на заготовку в интервале от 1200 к 900-800 °С наблюдается рост усилия штамповки Р в среднем на 25 %, а контактного давления на формующую полость в среднем на 14 %.
Зависимость величины усилия штамповки Р от температуры деформации Тд — нелинейная, т. е. Р не пропорционально Тд.
Поскольку износ штампа определяется работой на истирание формующей полости ручья штампа, а работа на истирание тем больше, чем выше контактное давление в ручье штампа, то мы считаем, что понижение температуры штамповки Тд до 900-850 °С увеличит износ формующей полости ручья штампа на 20-30 % в диапазоне температур деформирования от 1200 к 900-850 °С.
Негативный эффект увеличения износа штампа может быть частично нивелирован за счет его предварительной подготовки по средствам смазки. Анализ научно-практической литературы показал, что в нашем случае рационально применять теплую смазку, например БегаШ 935, активно используемую машиностроительными предприятиями Западной Европы. Причем необходимо смазывать как штамп, так и заготовку.
Результаты работы могут быть полезны при принятии инженерных решений, касающихся назначения рациональных режимов ТМО при штамповке поковок на КГШП и молотах, а также ускорить внедрение в производство техпроцесса теплой штамповки с применением ТМО.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Радкевич, М.М. Влияние последеформацион-ной паузы на структуру поковок при полугорячей термомеханической обработке [Текст] / М.М. Радкевич, Д.Ю. Фомин // Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы 2-й Междунар. науч.-практ. конференции.— СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012.— С. 645-650.
2. Радкевич, М.М. Применение полугорячей деформационно-термической штамповки поковок [Текст] / М.М. Радкевич, Д.Ю. Фомин // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2012.— №2-1(147).— С. 149-152.
3. Радкевич, М.М. Физическое моделирование
технологического процесса полугорячей штамповки [Текст] / М.М. Радкевич, Д.Ю. Фомин // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— СПб.— 2012. №1(142).— С. 143-146.
4. Dahme, M. Forged Components [Тех^.— Germany: Egger, Landsberg am Lech, 2011.
5. Атрошенко, А.П. Исследование усилий штамповки на КГШП при изготовлении поковок из специальных сталей и сплавов с применением ТМО [Текст] / А.П. Атрошенко, К.Н. Богоявленский, Я.М. Дитят-ковский, Ю.И. Егоров, Р.Е. Пигаревский, В.И. Федоров, В.Г. Хорошайлов // Сб. тр. ЛПИ имени М.И. Калинина.— №287.— Л., 1967.— С. 94-101.
REFERENCES
1. Radkevich M.M., Fomin D.U. Influence of the pause after the deformation on preforms structure under semihot thermomechanical treatment [Text] // Modern mechanical engineering. Science and education: materials of the 2nd International scientific and practical conference.— 2012.— P 645-650.
2. Radkevich M.M., Fomin D.Yu. Application of semi-hot deformation and thermal forging [Text] //
Nauchnotecnicheskie vedomosti SPbGPU.— 2012. №2-1(147).— P. 149-152.
3. Radkevich M.M., Fomin D.Yu. Physical modeling of technological process semi-hot punching [Text] // Nauchnotecnicheskie vedomosti SPbGPU.— 2012. №1(142).— P. 143-146.
4. Dahme M. Forged Components [Text]. — Germany: Egger, Landsberg am Lech, 2011.
5. Atroshenko A.P., Bogoyavlensky K.N., Dityatkovsky Ya.M., Egorov Yu.I., Pigarevsky Ruble E., Fedorov V.I., Horoshaylov V.G. Research efforts of punching on KGShP
under producing special stells using TMT // The collection of works LPI of name of M.I. Kalinin.— № 287— Leningrad, 1967.— P. 94-101.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ /AUTHORS
РАДКЕВИЧ Михаил Михайлович — доктор технических наук профессор директор института металлургии, машиностроения и транспорта, заведующий кафедрой технологии конструкционных материалов и материаловедения Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая д.29; e-mail:radmich@mail.ru
RADKEVICH Michal M. — St.-Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St.-Petersburg, Russia; e-mail: radmich@mail.ru
МАМУТОВ Вячеслав Сабайдинович — доктор технических наук профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая д. 29; e-mail: vmamutov@mail.ru
MAMUTOV Viacheslav S. — St.-Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St.-Petersburg, Russia; e-mail: vmamutov@mail.ru
ФОМИН Дмитрий Юрьевич — аспирант кафедры технологии конструкционных материалов и материаловедения Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая д.29; e-mail:DmitryFMN@yandex.ru
FOMIN Dmitry Yu. — St.-Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St.-Petersburg, Russia; e-mail: dmitryfmn@yandex.ru
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
