CC BY
23
УДК 621.7; 004.94; 531.7; 620.178 DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-366-377
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ И ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ
М.А. Петров, Д.А. Елесин, Д.А. Екимов
Разработка технологий ведётся с применением современных программ, требующих от инженера и технолога понимания места этих программ в цепочке проектирования новой технологии. Такой подход позволяет предопределить нежелательные явления, например, чрезмерный износ инструмента и за счёт моделирования перепроектировать инструмент до начала его изготовления. В статье рассмотрена реализация оценки степени износа пуансона для выполнения операции обратного выдавливания при помощи бесконтактных методов контроля качества, с последующим построением чертежа пуансона. При помощи численного моделирования проведена оценка износа поверхности пуансона, склонные к истиранию, определены значения износа и интенсивность локального нагрева пар трения.
Ключевые слова: реверсивный инжиниринг, 3Б-сканирование, инспектирование размеров, численное моделирование, износ инструмента, обратное выдавливание, QForm, ЛЬадш'
Введение. Современные технологии холодной объёмной штамповки для массового производства являются весьма дорогостоящими, так как требуют тщательного проектирования инструмента для изготовления крупной серии поковок, соответствующих одному чертежу. Износ штампового инструмента для холодной объёмной штамповки (ХОШ) является актуальной укрупнённой задачей, решение которой находится в нескольких плоскостях (рис. 1). К этим плоскостям можно отнести следующие: технологические условия проведения процесса ХОШ, инструменты и методы оценки износа, способы устранения износа или его уменьшения (покрытия, поверхностное и объёмное упрочнение). Подзадачи в каждой из этих плоскостей при их последовательном упорядочивании образуют технологический процесс изготовления штампового инструмента. Основные термины и определения отражены в ГОСТ 27674-88 и ГОСТ 2514282.
Рис. 1. Пример изношенной поверхности пуансона для выдавливания
При проектировании инструмента для обработки давлением с учётом его износа применяют как экспериментальные [1-7], теоретические [8], так и численные [9-13] методы. Распространение находит и совмещение нескольких техник, например, 3D-сканирование и численное моделирование, что позволяет одновременно получать решение несколькими способами и более объективно проводить анализ полученного результата [14-19].
Основными инструментами разработки процесса изготовления инструментов для обработки давлением в XXI веке становятся цифровые инструменты или компьютерные программы и комплексы. Цели и задачи по исследованию износа инструмента определяются по результатам численного или имитационного моделирования, а оценка точности изготовления или износа проводится системами контактного или бесконтактного сканирования. После получения данных об отдельных точках (координатно-измери-тельные машины) или облака точек (3D-сканеры) инструментами цифровой метрологии (англ. digital metrology) производятся измерения и определение попадания в поле допусков размеров, допуски формы и расположения поверхностей (англ. geometric dimensioning and tolerancing или сокр. GD&T), стандарты на которые более подробно изложены в ГОСТ 24642-81, ISO 1101 и ASME Y14.5-2009. Таким образом можно говорить о цифровом контроле качества изделия (англ. digital quality control).
Инструменты реверсивного инжиниринга. Технология реверсивного или обратного инжиниринга связана с ситуацией, при которой необходимо разработать конструкторскую документацию имеющегося физического объекта с заданной точностью. При бесконтактном способе оценки геометрической точности объекта проводится полное или частичное (интересующей области) 3D-сканирование и его реконструкция по полученному облаку точек, местоположение которых определяется пересчётом информации о расстоянии от регистрирующей камеры до точки и вычислением координат по известным формулам преобразования в сферических координатах. Таким образом прямые контактные измерения мерительным инструментом заменяются на бесконтактное 3D-сканирование, а моделирование в CAD-программе
заменяется на работу с полигональной сеткой. При сравнении полигональной геометрии применяют эталонную геометрию, представленную твердотельной CAD-моделью. Программными инструментами цифровой метрологии для оценки размеров и отклонений являются, например, следующие: GOM Inspect, Veri-Surf, Creaform VXinspect, Hexagon Inspire, PolyWorks Inspector, Mitutoyo MeasureLink и другие. Трёхмерное сканирование изделий, полученных методами штамповки, с последующей метрологической оценкой размеров и отклонений были рассмотрены в работах ряда авторов [20-26].
При построении качественных чертежей по результатам SD-сканирования требуется преобразование полигональной модели в твердотельную модель. Для подобной реконструкции наиболее распространённой программой является Geomagic Design X. Этот программный продукт предлагает полный набор необходимых функций - от обработки информации, полученной с 3D-сканера, до построения параметризованной твердотельной модели для последующих её преобразований.
Описание целей и задач исследования. Объектом исследования является пуансон для выполнения второй операции выдавливания поковки типа «Стакан». После снятия первой пробной партии деталей размеры пуансона были проконтролированы, проведена их доводка. После снятия второй партии деталей пуансон был снят и подвергнут исследованию поверхности на износ и определению геометрических размеров. При этом, определение размеров проводилось как по результатам оптического SD-сканирова-ния, выполненного с применением лазерного динамического 3D-сканера Thor Calibri (точность 0,1 мм на расстоянии до объекта в 1 м) [27], с последующей реконструкцией 3D-модели в программе Geomagic Design X и разработкой чертежа, так и через снятие размеров при помощи координатно-измерительной машины (КИМ) Jenoptics серии OpticLine, предназначенной для определения размеров удлинённых деталей [28].
Целью исследования является определение величины износа пуансона в процессе обратного выдавливания поковки «Стакан». Для её выполнения были сформулированы следующие задачи: построение чертежа пуансона для третьей операции выдавливания после двух изготовленных партий поковок «Стакан» по результатам 3D-сканирования и измерения на КИМ, сопоставление полученных результатов с результатами конечно-элементного (КЭ) моделирования износа пуансона, а также анализ влияния коэффициента или фактора трения на силовую характеристику процесса и изменение температуры в области пары трения при КЭ-моделировании.
Согласно общим представлениям о процессе обратного выдавливания, материал находится в условиях сжатия в двух направлениях и растяжения в третьем направлении. Площадь контактной поверхности возрастает и в следствии трения происходит интенсивный разогрев материала заготовки, что по реологическому описанию деформируемого материала должно приводить к снижению требуемой силы деформирования. Однако, с другой стороны, возникает рост влияния силы трения. Пуансон подвергается циклическому нагружению. Высокая прочность материала пуансона снижает значение его относительного удлинения и повышает склонность контактного слоя к износу.
Численное моделирование. Для изучения процессов, приводящих к износу рабочего инструмента при ХОШ, было проведено исследование температурного поля, которое возникает при трении поверхностей пуансона с материалом поковки. Задача о расчёте износа пуансона была разделена на две подзадачи: моделирование ХОШ методом осадки и обратного выдавливания заготовки из стали 15 и получения поковки «Стакан» с определением износа инструмента (выполнялась в программе QForm) и уточнённого моделирования репрезентативного объёма пары трения материала пуансона и заготовки (выполнялась в программе Abaqus). В табл. 1 показаны исходные данные для моделирования процессов. В качестве законов трения были выбрани законы трения по Кулону и Леванову (табл. 2).
Таблица 1
Исходные данные для КЭ-моделирования_
Параметры Материалы
Р6М5 (инструмент) Сталь 15 (поковка)
QForm Abaqus QForm Abaqus
Плотность, т/мм3 20°С 1 200°С 8,16*10-9 7,837* 10-9
8,16*10-9 7,85*10-9
Модуль упругости, МПа 20°С 600°С 200 000 201 000
220 000 180 000
Коэф. Пуассона 0,3 0,3
Коэф.теплопроводности, мДж/(с мм К) 200°С 675°С 25 55
21,3 28,9
Удельная теплоёмкость, мДж/(т К) 20°С 400°С 530*106 492*106
460*106 600*106
Коэф. линейного расширения, 1/°С 1,2*10-5 1,12*10-5 -
Предел текучести, МПа 2 320 -
Сопротивление деформации, МПа - = 00 + + от -
Показатель упрочнения 0,025 -
Таблица 2
Параметры применённых при моделировании законов трения_
Закон трения по Кулону по Леванову
Коэффициент трения 0,115 или 0,23 -
Фактор трения - 0,2
Коэффициент Леванова - 1,25
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К - 40 000
Коэффициент паузы - 0,05
В табл. 3 показаны четыре случая, для которых сравнивались результаты моделирования температур пар трения в Abaqus в контрольных точках (случаи 1...^) и сил деформирования в QForm (случаи А, Б, В). Зависимость между коэффициентом трения (ц) и фактором трения (т) определяется известным уравнением (1).
т = —==. л/3 (1)
Обозначение моделируемых, Таблица 3 расчётных случаев
Номер случая Амплитуда (рис. 2) КТ/ФТ по закону трения (табл. 2)
КЭ-моделирование вЛЬадш
случай I Амп-1 0,115 (Тр-1)
случай II Амп-1 0,23 (Тр-2)
случай III Амп-2 0,115 (Тр-1)
случай IV Амп-2 0,23 (Тр-2)
КЭ-моделирование в О^огт
случай А - ФТ по з. Леванова, т=0,2
случай Б - КТ по з. Кулона, ц=0,115
случай В - КТ по з. Кулона, ц=0,23
КЭ-моделирование в QForm. Формулы расчета износа в результате действия нормального и касательного напряжений представлены уравнениями (2) соответственно [29].
' 1 5* • - 1 5
где Wp и W- - износ при нормальном напряжении и при касательном напряжении соответственно; Кр и К- - эмпирические коэффициенты; а и Ь - эмпирические коэффициенты; Ц. - тангенциальная скорость узла контакта заготовки относительно инструмента, м/с; р - нормальное давление в точке контакта заготовки с инструментом, МПа; - - напряжение сдвига в точке контакта заготовки с инструментом, МПа; 5 - предел текучести материала инструмента, МПа; t - время контакта заготовки с инструментом, с.
При определении коэффициентов уравнения (2) были проведены калибровочные расчёты и результаты сопоставлены с результатами экспериментов. За коэффициенты принимались те величины, для которых были получены наименьшие отклонения от экспериментальных данных.
Дискретизация объектов проводилась при помощи пятиузловых тетраэдральных элементов. В процессе расчёта алгоритм автоматического сгущения сетки переразбивал первоначальную КЭ-сетку и локально уменьшал или увеличивал размер КЭ в случае локального уменьшения или увеличения элементов геометрии заготовки соответственно. Закон трения соответствовал законам трения по Кулону и Лева-нову (табл. 2).
КЭ-моделирование в ЛЬадш\ Для проведения численного расчета были определены параметры материалов пуансона и поковки также в соответствии с табл. 1. Пластическая деформация материала в программе Abaqus не учитывалась. Подготовлены два геометрических примитива, модели прямоугольных параллелепипедов, которые были условно названы «подвижное основание» (основание) и «неподвижная призма» (призма). Габаритные размеры объектов в миллиметрах составляли 200х50х10 для основания и 60х40х10 для призмы. Геометрия этих двух объектов была дискретизирована 8-ми узловыми темпера-турно-связанными гексаэдральными конечными элементами типа С3D8T. В результате дискретизации геометрия объектов была разделена на 360 узлов и 140 конечных элементов (рис. 2, а).
Приложенная схема нагружения, которая соответствует течению материала при обратном выдавливании, при неподвижном инструменте и подвижном деформируемом материале, представлена таким образом (рис. 2, б): к неподвижной модели инструмента (неподвижная призма) приложено давление, равное 500 МПа, рост которого соответствует двум случаям (рис. 2, в), а модель деформируемого материала (подвижное основание) движется относительно пуансона со скоростью 1 000 мм/с. Значения давления и скорости получены на этапе моделирования обратного выдавливания в программе QForm, Расчёт проводился по явной схеме интегрирования, как динамический процесс для связной температурно-деформаци-онной задачи, с учетом больших деформаций, трение учитывалось по закону трения Кулона.
(2)
_ ?
5
1,2
I
0,8
4 0.6
0,4
0,2
0
-. ! W'.' ;:1><Г, ■><! I
--АЛМЯunivda 2
0,02 0,0-1 0.06 0,OS 0,1 0,12 0,14 Время, /с/ в
Рис. 2. Постановка задачи в Abaqus: дискретизация областей (а), схема нагружения (б) и графики изменения давления на подвижную призму (в)
б
а
Результаты исследования. ЗБ-сканирование и построение чертежа пуансона. После сканирования пуансона была получена его полигональная сеточная 3D-модель (рис. 3, а). Построение CAD-модели по полигональной модели в программе Geomagic Design X начинается с автоматического распознавания отдельных сегментов. Программа распознает различные элементы детали и отображает их в виде разноцветных сегментов (рис. 3, б). Далее происходит выравнивание сканов по осям и построение профиля (эскиза) пуансона по размерам сечений (рис. 3, в).
г
Рис. 3. Порядок реконструкции полигональной геометрии в программе Geomagic Design X: отдельный скан (а), результат выравнивания, сегментирования и объединения сканов (б), эскизное построение профиля пуансона (в), полученная твердотельная модель пуансона (г)
При помощи операции «Вращение» полученный эскиз проворачивался на 360° для получения твердотельной 3D-модели (рис 3г). Построение скруглений и фасок велось в режиме сравнения твердотельной модели и исходных данных сканирования в ходе осуществления моделирования. В целях повышения точности поле допуска размеров было уменьшено до 0,05 мм. На рис. 4а видны зеленые участки, которые попадают в этот диапазон отклонений. Так как зеленых участков больше остальных, то принимаем значение радиуса, равное 0,75 мм. По результатам твердотельного 3D-моделирования проведено сопоставление итоговой, полученной твердотельной модели с результатами моделирования в программе GOM Inspect для полей допуска с симметричными отклонениями 0,1 мм (рис. 4б-1) и 0,6 мм (рис. 4б-П), а также показаны области брака из предположения о том, что размеры превышают отклонения на +0,05 мм (рис. 4б-Ш). Видно, что интенсивный износ пуансона наблюдается в передней его части, то есть в той области, в которой пуансон длительное время контактирует с деформируемым материалом. Согласно программе Geomagic Design X, максимальная величина износа в этой области составляет 0,16 мм. Для экспериментальной верификации результатов оптического сканирования размеры пуансона были определены при помощи КИМ Jenoptik серии OpticLine, основанной на системе регистрирующих камер высокого разрешения.
►jpi 1.00 ■ ом
£ез Г
ш
Я 0,8
а
негодно (брак)
условно годно
зодно
б
Рис. 4. Анализ отклонений геометрических размеров в программе: Geomagic Design X (а)
и GOM Inspect (б)
На чертеже указаны размеры (рис. 5), которые были определены в ходе реализованной методики реверсивного инжиниринга. Рядом с размерами в скобках указаны размеры, полученные при помощи КИМ (первое число) и соответствующие размерам исходного чертежа (второе число). Большинство полученных размеров совпадают с чертёжными, что подтверждает рациональность применения 3D-сканера на инструментальных производствах ХОШ для задач по оценке износа и обратного проектирования инструмента до исходных размеров.
Численное моделирование. По результатам моделирования в QForm были получены поля температур и время протекания трех операций технологического процесса ХОШ поковки «Стакан» для случая А (рис. 6а). Также были установлены давление на контактной поверхности поковки и инструмента, равное 500 МПа, и линейная скорость течения металла на поверхности инструмента, равная 1 000 мм/с. Минимальная температура изменятся не более, чем на 12° С, а изменение температуры металла в очаге деформации составляет 572,715 °С за общее время, равное 112,17 мс.
Полученный данные о давлении на контактной поверхности (Р) и линейной скорости течения металла по поверхности инструмента (V) были использованы для составления схемы нагружения. В результате моделирования в программе Abaqus было установлено, что для случая I за время t = 150 мс
мм Ш мм
0.05 0.30
0,04 0.23
0.03
- 0,15
0,02
0,01 0,08
0 - 0
-0,01
■0.08
-0,02
-0,15
-0,03
-0,04 -0.23
■0,05 ■0.30
■ ■
температура на контактной поверхности тела из Р6М5 поднимается до макс. 36,3 °С, а на поверхности тела из стали 15 поднимается до макс. 28,3 °С, т.е. разница между начальной и конечной температурами составляет ДТ=16,3 ° С и ДТ=8,3 °С соответственно.
На рис. 7 показаны графики изменения силы деформирования от перемещения пуансона для разных законов трения согласно табл. 3. Наибольшая разница (до 10%) по силе установлена для второй операции процесса или первой операции выдавливания (ОВ1, после перемещения 4 мм) и заключительной, третьей операции процесса или второй операции выдавливания (ОВ2), причём полученная сила, соответствующая закону трения Леванова, ниже силы по закону Кулона. С увеличением коэффициента трения по закону Кулона сила деформирования также увеличивается. Разница в силе на всём протяжении первой операции и в начале второй операции (ОВ1, до перемещения 4 мм) незначительна.
б
Рис. 6. Результаты моделирования процессов ХОШ (а, изменение температур в заготовке при проведении трёх операций ХОШ: осадки, 1-ой операции обратного выдавливания, 2-ой операции обратного выдавливания) и износа пуансона при нормальным (слева) и касательных (справа)
напряжениях в программе QForm (б)
Сравнение с результатами моделирования в программе QForm показало, что такая разница может быть достигнута на последней операции обратного выдавливания. При этом следует отметить, что, примерно, за 45 мс разогрев металла может подняться до ДТ = 34,16 °С, с учетом повышения температуры, в результате деформации металла на двух предыдущих операциях.
Графики изменения температур в исследуемых узловых точках, располагающихся вдоль основания на центральной линии (рис. 8, а), представлены на рис. 9. Было установлено, что более интенсивный разогрев наблюдается для материала Р6М5 (рис. 8, б, в). Поле температур для подвижного основания имеет чечевицеобразную форму, а для неподвижной призмы - слоистую структуру (рис. 8, г). На графиках, приведённых для четырёх случаев моделирования и трёх моментов времени, видно, как меняется температура в узловых точках с течением времени (рис. 9, а). По мере перемещения подвижного основания центр контакта и область максимальных температур перемещается от узла №126 к узлу №86. Для графика давления Амп-1 имеется чёткий максимум в окрестности узла №95. Для графика давления Амп-2 ярко выраженный экстремум функции отсутствует, что указывает на более равномерное распределение температур.
Перемещение, мм
Рис. 7. Графики изменения силы деформирования от перемещения
Рис. 8. Контрольные узловые точки (а) и макс. температуры согласно полям температур, для трёх моментов времени расчёта процесса (случай I), для подвижного основания (б) и неподвижной призмы (в); центральное сечение пары трения в конце расчёта (г)
Максимальные значения (рис. 9б) были аппроксимированы нелинейной функцией второго порядка, имеющую максимальную достоверность (Д = 1), для случая I и получены уравнения (3) для неподвижного основания (уравнение 3а) и неподвижной призмы (уравнение 3б).
у = 23,704х2 + 61,333х + 18,567, (3а)
у = 545,19х2 + 32х + 19,233. (3б)
Полученные результаты моделирования расчета износа от нормального и касательного напряжений пуансона после трёх операций ХОШ в программе QForm основывались на двухшаговой схеме: сначала подбирались коэффициенты для уравнений износа пуансона (первый шаг), полученного по результатам замеров после штамповки второй партии деталей (5 000 штук) и равного 0,02 мм, а далее определяли износ (второй шаг) в подпрограмме «Износ». Для определения степени влияния коэффициентов на первом шаге рассматривались два варианта. Сначала были подобраны следующие значения коэффициентов: К- = 0,45 (касательные напряжения), Кр = 0,25 (нормальные напряжения), при а = Ь = 1. Далее, значения К- и Кр были зафиксированы, а значения коэффициентов а и Ь варьировались в интервале от 1 до 10 с шагом s = 1. По результатам расчётов построены графики (рис. 10), по которым можно сказать, что коэффициенты а и Ь оказывают влияние на величину износа по экспоненциальному и гиперболическому законам.
с
г
с
I
40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18
-Амп-1_ -Амп-1 -Амп-2_ Амп-2 - Амп-1 _ -Амп-1_ -Амп-2 Амп-2
Тр-1_осн Тр-2_осн Тр-1_осн Тр-2_осн Тр-1_пр Тр-2_пр Тр-1_пр Тр-2_пр
80 35 90 95 100 105 ПО 115 120 Номер контрольной узловой точки а
125
130
Рис. 9. Температуры в контрольных точках для основания (а) и максимальные температуры в начале (0,0375 с или 5-ая запись решателя),
середине (0,075 или 10-ая запись решателя) и в конце (0,15 с или 20-ая запись решателя) расчёта для основания и призмы (б)
0,04 0,06
0,08 0,2 Бремя, с б
0,12 0,14 0,16
0,0025
2 3 4 Степень коэффициента
3 4 5 6 7 8 Степень коэффициента
б
9 10 11
Рис. 10 Ь = 1
График износа при нормальных напряжениях: с фиксированным значением коэффициента и варьированием коэффициента а = 1...6 (а); с фиксированным значением коэффициента а = 1 и варьированием коэффициента Ь = 1.10 (б)
Полученные гистограммы перцентилей износа (рис. 11) показывают, что 95% значений не превышают значение износа 0,002 мм после моделирования изготовления одной поковки. Это соответствует 10% от экспериментального износа пуансона или значению износа после изготовления 500 штук поковок.
а
5
ЙГ й
£
ЕЭ £33
1
1
In Т-ЛГГПнгп-л^] ~h
о о I <0 тОгч^-ФооОгч 3§88888888 ЭООООООООО
Износ (нормальные напряжения), [мм]
888888888 ОООООООООООС'ОООООО
Износ (касательные напряжения), [мм]
Рис. 12. Гистограммы перцентилей износа пуансона при действии касательных (слева)
и нормальных (справа) напряжений
Выводы. Представлены способы численного исследования износа методом конечных элементов (КЭ). На примере пуансона для обратного выдавливания поковки типа «Стакан» была успешно апробирована методика по 3D-сканированию с гарантированной точностью 0,1 мм, определены места и значения величин износа, подготовлен чертёж пуансона с восстановлением исходных размеров до износа. В программе QForm, было проведено моделировании трёхоперационного процесса, состоящего из операций осадки, первой и второй операций обратного выдавливания, определены значения износа при помощи подпрограммы «Износ», а также получены уточнённые модели разогрева двух соприкасающихся под давлением пластин из стали 15 и Р6М5 в программе Abaqus. Установлено, что материал инструмента более интенсивно разогревается, по сравнению с деформируемым материалом заготовки, что создаёт благоприятные условия для течения материала. Однако, увеличивающаяся площадь контактной поверхности приводит к росту силы трения и, как следствие, к росту силы деформирования, которая также меняется и от вида закона трения. Увеличение контактного давления способствует более равномерному разогреву материалов, образующих пару трения.
Определение наличия износа возможно вести методами 3D-сканирования, но при этом точность должна быть повышена до 0,01 мм, что требует высокой точности калибровки 3D-сканера и регламентированного числа слоёв наносимого матирующего спрея.
Определение величины износа методами КЭ-анализа также возможно, однако необходимо знать экспериментальное значение износа с целью калибровки численной модели по коэффициентам подпрограммы (Кт, Кр, а, Ь). Для оценки износа инструмента после изготовления партии поковок требуется проводить многократное моделирование отдельных операций процесса.
Список источников
1. Схиртладзе А.Г., Борискин В.П. Технологическая оснастка машиностроительных производств: учебное пособие. Старый Оскол: ТНТ, 2008. 152 с.
2. Проектирование технологической оснастки машиностроительного производства / Под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Высш. шк., 1999. 415 с.
3. Петров А.Н., Петров П.А., Петров М.А. Теория обработки металлов давлением: штампы, износ и смазочные материалы, 2-е изд., испр. и доп. Издательство «Юрайт», 2020. 130 с.
4. Гадалов В.Н. и др. Изучение процессов износа и разрушения штамповой оснастки // Известия Юго-Западного государственного университета, 2014. №. 3. С. 98.
5. Сережкин М.А., Мельников Э.Л. Повышение стойкости штамповой оснастки трибологиче-скими методами // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2013. №. 12. С. 17-19.
6. Степанкин И.Н., Кенько В.М. Стойкость холодновысадочной оснастки и методы ее повышения. 2014. 198 с.
7. Елесин Д.А., Петров М.А. Изучение изменения износостойкости штампового инструмента для обратного выдавливания, труды XII НПК «Инновационные технологии и технические средства специального назначения». БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова, 2020. Т. 2. С. 31 - 34.
8. Крагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ. Машиностроение, 1977. 520 с.
9. Петров М.А., Елесин Д.А., Исаков В.В. Определение степени износа и усталостной прочности инструмента для холодной объёмной штамповки при помощи численного моделирования // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, №7, 2020. С. 36 - 42.
10. Schongena F., Klocke F., Mattfeld P., Rjasanow S., Grzhibovskis R. FEM/BEM simulation of cold forging process considering press tool-workpiece interaction, Procedia Engineering 81, 2014. P. 2403-2408.
11. Jarfors A.E.W., Castagne S.J., Danno A., Zhang X. Tool Wear and Life Span Variations in Cold Forming Operations and Their Implications in Microforming, Technologies, 2017. 5. 3.
12. Biba N., Muntinga H., Stebunov S. Increasing of tool life in cold forging by means of fem simulation, 2005. [Электронный ресурс] URL: https://qform3 d.ru/publications?page=2 (дата обращения: 24.10.2020).
13. Биба Н.В., Мороз Б.С., Стебунов С.А., Мюллер К.В. Моделирование процессов прямого, обратного прессования и прессования с активными силами трения, Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2004. №9. С. 29 - 37.
14. Hawryluk M., Ziemba J. Application of the 3D reverse scanning method in the analysis of tool wear and forging defects. Measurement, 2018. Vol. 128. P. 204-213.
15. Hawryluk M. et al. Wear analysis of forging tools used in the hot forging processes using 3D reverse scanning techniques and cooling-lubricating system // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Т. 97. №. 5-8. P. 2009-2018.
16. Gronostajski Z., Hawryluk M., Kaszuba M., Widomski P., Ziemba J. Application of the reverse 3D scanning method to evaluate the wear of forging tools divided on two selected areas, International journal of automotive technology, 2017. Vol. 18 (4). P. 653-662.
17. Cabibbo M. et al. Reverse engineering and scanning electron microscopy applied to the characterization of tool wear in dry milling processes // Procedia CIRP. 2017. Т. 62. С. 233-238.
18. Martín-Viveros J.I., Ollé A. Use-wear and residue mapping on experimental chert tools. A multi-scalar approach combining digital 3D, optical, and scanning electron microscopy // Journal of Archaeological Science: Reports. 2020. Т. 30. P. 102236.
19. Selvaraj S., Madhavan M. Geometric imperfection measurements and validations on cold-formed steel channels using 3d noncontact laser scanner, Journal of Structural Engineering. 2018. Т. 144. №. 3. P. 04018010.
20. Петров М.А., Эльдиб И.С.А., Исследование процесса 3D-сканирования изделий и создание виртуальных копий изделий для оценки качества внутри производственных линий, ПРОМ-ИНЖИНИРИНГ 2018 труды III международной научно-технической конференции ФГБОУ ВО «ЮжноУральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), 2018. С. 202 - 207.
21. Эльдиб И.С.А., Петров М.А., Применение системы 3D-сканирования RangeVision для подготовки качественных stl-моделей, труды XXXI Международной инновационной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС-2019). ИМАШ РАН, 2020. С. 711 - 714.
22. Петров М.А., Эльдиб И.С.А., Получение 3D-моделей листовых и объёмных деталей, изготовленных методами холодного деформирования, при помощи оптического сканирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2019. Вып. 9. С. 471 - 479.
23. Petrov M.A., El-Deeb I.S.A., Applying 3D-scan systems RangeVision for precision preparing of polygonal 3D-models, 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), IEEE Xplore, 2020. P. 1 - 6.
24. Zhao X., Tootkaboni M., Schafer B.W., Laser-based cross-section measurement of cold-formed steel members: Model reconstruction and application //Thin-Walled Structures. 2017. Т. 120. С. 70-80.
25. Петров М.А., Эльдиб И.С.А., Азатьян Э.М. Оптическое 3D-сканирование и оценка точности изготовления деталей и прототипов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2019. Вып. 12. С. 151 - 158.
26. Петров М.А., Кириков А.В., Сапрыкин Б.Ю. Моделирование, 3D-печать и контроль точности прототипа «Крыльчатка» // Сборник юбилейной кафедральной конференции «Инновационные разработки в обработке материалов давлением и аддитивном производстве. Качество выпускаемых изделий», 2019. С. 142 - 148.
27. Описание и технические характеристики 3D сканера Calibry. [Электронный ресурс] URL: https://calibry3d.ru/products/calibry (дата обращения: 13.10.2022).
28. The Opticline CS measurement systems. [Электронный ресурс] URL: https://www.iemp-tik.com/products/optical-test-measurement-solutions/optical-shaft-metrology/opticline-cs-series (дата обращения: 13.10.2022).
29. Руководство пользователя QForm, версия 10.2.0. [Электронный ресурс] URL: https://qform3 d.ru/products/documentation (дата обращения: 13.10.2022).
Петров Михаил Александрович, канд. техн. наук, доцент, т.a.petrov@mospolytech.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Елесин Дмитрий Андреевич, аспирант, dimkersel@rambler.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Екимов Дмитрий Андреевич, технический эксперт отдела метрологии, dmitryekimov@mail.ru, Россия, Москва, ГК «i3D»
ACCESSMENT OF THE TOOL'S WEAR DURING COLD BULK FORMING USING EXPERIMENTAL
AND NUMERICAL METHODS
M.A. Petrov, D.A. Elesin, D.A. Ekimov
Technology development is carried out using modern software that require the engineer and technologist to understand the place of this software in the design chain of the new technology. This approach makes it possible to predict undesirable cases such as excessive tool's wear and, through modelling, to redesign the tool before its manufacturing. In the paper, the assessment of a punch wear _ for backward extrusion by means of con-tactless methods of quality assurance, with the subsequent construction of its drawing is considered. By means of numerical simulation the evaluation of the punch surface prone to abrasion, as well its values and local temperature increase due to _ friction of the tool and workpiece materials were determined.
Key words: reverse engineering, 3D-scanning, dimension inspection, numerical simulation, tool's wear, backward extrusion, QForm, Abaqus.
Petrov Mikhail Alexandrovitch, candidate of technical sciences, docent, m.a.petrov@mospolytech.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Elesin DmitriyAndreevitch, postgraduate, dimkersel@rambler. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Ekimov Dmitriy Andreevitch, technical expert of metrology department, dmitryekimov@mail.ru, Russia, Moscow, Group of Companies «i3D»
