Моделирование методом конечных элементов процесса изготовления волноводного фланца закрытой объемной штамповкой Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Ж

УДК 621.7.043

А. А. Архипов, С. В. Любимский Моделирование методом конечных элементов процесса изготовления волноводного фланца закрытой объемной штамповкой

Выполнен анализ базового технологического процесса изготовления волноводных фланцев на предприятии ПАО «НПО «Алмаз» «Лианозовский электромеханический завод». Предложен способ оптимизации технологического процесса, проведено его теоретическое исследование методом конечных элементов. Проанализировано напряженно-деформированное состояние поковки фланца сложной формы при его изготовлении закрытой объемной штамповкой.

Ключевые слова: волноводный фланец, закрытая штамповка, штамп, цилиндрическая заготовка, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, теоретические исследования.

В процессе научно-исследовательской работы по повышению эффективности процесса изготовления волноводных фланцев (рис. 1) был проведен анализ базовой технологии их изготовления на предприятии Территориально обособленного подразделения «Лианозовский электромеханический завод» (ТОП «ЛЭМЗ»).

Данная технология представляет собой открытую горячую объемную штамповку в подкладном штампе, установленном на штамповочном молоте. Сначала производится обрезка облоя в обрезном штампе. Затем фланец механически обрабатывается для придания ему размеров в соответствии с ОСТ 4Г 0.206.203 [1]. 5 При таком способе изготовления коэф-

фициент использования материала составляет Ц не более 0,5...0,6, что приводит к значитель-Т ному расходу металла. Кроме того, при откры-£ той штамповке быстро остывающей заготов-< ки на падающем молоте процент брака среди « получаемых поковок повышается. Среди де-^ фектных поковок наиболее часто встречаются » такие виды брака, как неполная фигура - незаполнение ручья штампа металлом заготовки я (рис. 2), недоштамповка, забоины и зажимы. о Фланцы волноводов относятся к составным § частям радиоэлектронной аппаратуры. Вви-* ду этого предъявляются высокие требования ¡Е к точности их размеров и формы, которые затруднительно реализовать при использовании молотовой штамповки. ^ Для снижения расхода металла и уменьше-

^ ния процента брака вместо открытой молотовой 5 штамповки было предложено применение за-

2 -

(П

© Архипов А. А., Любимский С. В., 2018

А

>

с V / т

V у

4 1: 0 ю

А-А

Рис. 1. Эскиз получаемой поковки фланца с основными размерами

Рис. 2. Дефекты поковки при штамповке на молоте

| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 2, 2018

№

крытой объемной штамповки на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) [2]. Вместе с этим предложена замена и самой формы заготовки с прямоугольной на цилиндрическую. Последняя позволяет обеспечить более точную ее установку в полости штампа за счет особенностей его конструкции [3].

На рабочем торце контрпуансона выполнена впадина радиусом, равным радиусу заготовки. При этом номинальный продольный размер матрицы выполнен равным длине заготовки для ограничения течения металла в продольном направлении при заполнении полости штампа. На рис. 3 показаны цилиндрическая заготовка, установленная в рабочей зоне штампа и схема процесса.

Рис. 3. Установка заготовки в полости штампа (а) и схема процесса закрытой объемной штамповки фланца (б): 1 - матрица; 2 - контрпуансон; 3 - заготовка; 4 - пуансон

В качестве теоретического исследования и для оценки технологической возможности использования закрытой объемной штамповки было проведено компьютерное моделирование технологического процесса методом конечных элементов в программе Deform-3D (рис. 4).

Трехмерная модель поковки была разбита на 60 000 конечных элементов - тетраэдров 2-го порядка. Матрица, пуансон и контрпуансон рассматривались как абсолютно жесткие тела. Тип контактного взаимодействия обрабатываемого материала с оснасткой принят в соответствии с законом Кулона.

Исходной заготовкой для моделирования процесса выбран цилиндрический пруток диаметром 40,5-0,05 мм и длиной 130-0,05 мм из сплава алюминиевого АД00 согласно ГОСТ 4784-97. С учетом предварительной обработки заготовки из стандартного сортамента - прутка диаметром 45 мм по ГОСТ 21488-97, коэффициент использования материала составляет 0,8. Температура заготовки 450 °С, предварительно инструмент не нагревается. Коэффициент трения | = 0,4. Рабочий ход пуансона - 33,7 мм. При деформировании материал заготовки перемещается в направлениях, перпендикулярных в плане оси 2 и параллельных оси У до полного заполнения объема основания фланца. Затем металл затекает в труднодоступные полости матрицы, соответствующие ребрам жесткости и стенкам выступа фланца.

При моделировании получены значения силы деформирования для всех этапов процесса (рис. 5).

зооо

Щ 2500 2000 1500

со

о &

5

6

юоо

pt я

и

500

25( 50 кН

0

40

Рис. 4. Трехмерная модель поковки, разбитая на конечные элементы

10 20 30

Ход пуансона, мм

Рис. 5. График зависимости силы процесса от рабочего хода пуансона

На последних этапах деформирования поковки, когда металл заготовки уже достиг стенок полости матрицы, сила значительно возрастает (см. рис. 5). При этом происходит заполнение труднодоступных полостей ребер жесткости и прямоугольного выступа, а также окончатель-

ф о о.

I-

Ü о

Э

те

о см

см

О!

<

I

со та

г

I

0 ^

со та

1

о.

<и

3

и <и со

см ■ч-ю

с?

см ■ч-ю см

(П (П

ное формирование плоской поверхности торца фланца.

Высокий уровень силовых факторов по сравнению со свободной осадкой заготовки сопоставимых габаритных размеров можно объяснить тем, что при закрытой штамповке облой не образуется, заготовка полностью заполняет полость штампа. Следовательно, давление прессования очень велико. При этом необходим точный контроль объема заготовки для получения поковки с желаемыми размерами. Недостаточные размеры заготовки препятствуют заполнению полости штампа. Ее избыточные размеры создают чрезмерное давление и могут приводить к разрушению штампа или заклиниванию оборудования [4].

Для определения полей напряжений о2 и оу (рис. 6) выбрано поперечное сечение УХ посередине ребра жесткости, поскольку оно соответствует наиболее проблемной зоне заполнения металлом заготовки полости матрицы. Компоненты напряжений определены по осям У и Z для окончательной стадии процесса.

Рис. 6. Поля напряжений ог и оу в сечении

В ходе анализа полученных данных установлено, что в процессе деформирования в поковке превалируют растягивающие напряжения, имеющие максимальное значение в основании фланца и перемычке. Растягивающие напряже-

ния уменьшаются в зоне выступа. В течение первых 85 % всего процесса деформирования в зонах, соответствующих ребрам жесткости, действуют сжимающие напряжения, которые затем сменяются напряжениями растяжения.

Кинематика течения металла на окончательной стадии деформирования показана на рис. 7. На основе полученных данных моделирования можно сделать вывод, что благодаря выступу в пуансоне и соответствующей ему впадине в торце основания фланца зоны течения металла от плоской поверхности торца фланца, контактирующей с пуансоном, в направлении тыльной поверхности и ребер жесткости смещены к краям заготовки. Это обусловливает более благоприятные условия заполнения полости матрицы.

Рис. 7. Картина течения материала заготовки в конце процесса деформирования

В результате проведенного теоретического исследования были получены важные данные по напряженно-деформированному состоянию поковки фланца, а также кинематика течения металла в процессе деформирования. Была определена сила процесса для всех стадий деформирования и построена зависимость силы от величины рабочего хода пуансона. Окончательные результаты моделирования процесса в виде импортированной геометрии в программный комплекс САПР представлены на рис. 8, на котором полость матрицы полностью заполнена металлом заготовки.

Стоит отметить, что постоянно возрастающей ролью радиолокации в системах управления воздушным движением и контроля воздушного пространства, а также увеличением объемов производства радиоэлектронной аппаратуры обусловлена необходимость оптимизации процесса изготовления волноводных фланцев.

| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 2, 2018

ff

А А-А

-1

Рис. 8. Результаты моделирования

В результате проведенного исследования были созданы предпосылки для улучшения качества конечного изделия - волновода, главным образом за счет уменьшения количества брака.

Показано, что можно получить экономический эффект за счет увеличения степени использования металла заготовки и уменьшения отходов. При этом коэффициент использования материала увеличивается с 0,5.. .0,6 до 0,8. Получены важные данные по напряженно-деформированному состоянию поковки волноводного фланца, а также кинематике течения металла в процессе деформирования. Список литературы

1. ОСТ 4Г 0.206.203-75. Устройства сверхвысоких частот. Волноводы прямоугольные из алюминиевых сплавов. Соединения фланцевые контактные. Детали. Технические условия. Введ. 01.01.77. М.: Стандартиздат, 2012. 130 с.

2. Сосенушкин Е. Н., Архипов А. А. Повышение эффективности технологического процесса изготовления волноводных фланцев. Сб. науч. ст. и докл. XIII Конгресса «Кузнец-2017». Рязань, 12-19 сент. 2017. Рязань: Экспресс-печать, 2017. С. 99-103.

3. Сосенушкин Е. Н. Прогрессивные процессы объемной штамповки. М.: Машиностроение, 2011. С. 287-293.

4. Kalpakjian S., Schmid S. Manufacturing engineering and technology. Prentice Hall PTR, 2009. Р. 341.

Поступила 07.12.17

Архипов Андрей Алексеевич - начальник сектора ПАО «НПО «Алмаз» Территориально обособленного подразделения «Лианозовский электромеханический завод», аспирант ФГБОУ ВО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», г. Москва. Область научных интересов: обработка металлов давлением.

Любимский Семен Васильевич - инженер-конструктор первой категории ПАО «НПО «Алмаз» Территориально обособленного подразделения «Лианозовский электромеханический завод», магистр ФГБОУ ВО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», г. Москва. Область научных интересов: обработка металлов давлением.

FEM simulation of waveguide flange manufacture by closed bulk forming

The purpose of the study was to analyze the basic technological process of manufacturing waveguide flanges at PJSC "ALMAZ R&P Corp." LEMZ Division. A method for optimizing the process has been proposed, and a theoretical study using the finite element method has been carried out. The stress-strain state of the forging of a complex shaped flange during its manufacture with closed bulk forming has been analyzed as well. Keywords: waveguide flange, closed bulk forming, stamp, cylindrical workpiece, finite element method, stressstrain state, theoretical studies.

Arkhipov Andrey Alekseevich - head of section, PJSC "ALMAZ R&P Corp." LEMZ Division, post-graduate student of Moscow State University of Technology "Stankin", Moscow. Science research interests: metal forming.

Lyubimskiy Semen Vasil'evich - design engineer of first category, PJSC "ALMAZ R&P Corp." LEMZ Division, Master's Degree student of Moscow State University of Technology "Stankin", Moscow. Science research interests: metal forming.

o

CM

CM

Ol

<

I

(0

0

CO (5

1 Q. V

£

u

V CO