Обработка

Компьютерное моделирование процессов объемной штамповки

В настоящее время как в объемной, так и в листовой обработке металлов давлением (ОМД) находит широкое применение виртуальное компьютерное моделирование процессов ОМД, в основе которого лежит комплексное использование современного программного обеспечения. Для конструкторской разработки ассоциативных моделей и формирования чертежей используются следующие системы объемного проектирования: Unigraphics NX (UG), CATIA, Pro/Engineer, Solid Edge, Solid Works, Tflex CAD, «Компас 3D», AutoCAD и др.

При этом для моделирования процессов ОМД и прогнозирования поведения металла под воздействием деформирующих нагрузок и условий деформирования все шире распространяются специализированные программные комплексы, например QForm 3D, Forge 3, Deform, PAM–STAMP, AutoForm и др.

Основными причинами создания и активного использования в ОМД этих компьютерных программ являются:

  • необходимость сокращения сроков разработки технологических процессов, времени проектирования штамповок, ковочной и штамповой оснастки и проведения опытных работ при внедрении процессов в производство;
  • обязательное снижение цены ошибочных технологических и проектных решений до начала промышленных экспериментов, повышение надежности разрабатываемых технических мероприятий, в том числе технологических процессов ОМД, так как в современном машиностроении находят широкое применение детали сложных форм, изготавливаемые из труднодеформируемых материалов (например, из высоколегированных жаропрочных сталей, титановых сплавов и т.п.), для которых предсказать характер течения металла и эффективность процесса при штамповке заготовки или детали зачастую достаточно проблематично даже для опытного специалиста;
  • активное развитие компьютерной техники и технологии с одновременным курсом системы образования на подготовку пользователей персональными компьютерами делает доступным привлечение программного моделирования процессов ОМД для предприятий и организаций различного уровня.

Компьютерное моделирование процессов ОМД включает в себя несколько этапов.

Разрабатывая технологию штамповки заготовки, на первом этапе выполняют анализ чертежа детали на технологичность. Затем проектируют чертеж штамповки, назначая напуски, припуски, допуски; создают при необходимости технологические и контрольные базы; выбирают плоскость или поверхность разъема штампов (если требуется); назначают радиусы сопряжения поверхностей, штамповочные уклоны; составляют маршрутную карту технологического процесса изготовления штамповки, в которой указывают вид или тип штамповки, предварительные операции фасонирования исходной заготовки, намечают необходимое оборудование и т.п.

Далее, например, в системе Unigraphics NX проектируют математическую модель штампуемой заготовки, разрабатывают (к примеру, в системе AutoCAD) чертеж штамповки, который согласовывают с техническими службами цехов – изготовителями детали.

На основе анализа математической модели штамповки, опираясь на накопленный опыт изготовления подобного класса деталей или технологические рекомендации, изложенные в научно-технической литературе, определяют вид и число предварительных (например, фасонирующих) переходов или операций штамповки. На каждый переход или операцию разрабатывают математическую модель изготавливаемого полуфабриката. Рассчитывают геометрию исходной заготовки, на которую также разрабатывают математическую модель. Полученные модели служат базой для компьютерного моделирования переходов или операций технологического процесса изготовления штамповки и проектирования формоизменяющей оснастки.

В зависимости от целей компьютерного моделирования или разрабатывают упрощенные математические модели (содержащие, например, только гравюру матрицы и пуансон) штамповой оснастки для моделирования переходов либо операций технологического процесса, или проектируют подробные математические модели инструмента для анализа его работоспособности при формоизменении заготовки. Дополнительно назначают технологические параметры анализируемого процесса (например, температуру нагрева заготовки перед деформированием, температуру подогрева штампа, скорость перемещения рабочих элементов пресса, силу, которую может развить пресс, тип используемой смазки и т.п.), а также свойства материала штампуемой заготовки, характерные точки, линии и поверхности в теле формоизменяемой заготовки для последующего анализа и определения параметров течения материала в процессе штамповки заготовки.

Выполненный затем компьютерный анализ переходов или операций штамповки позволяет, в частности, выявить такие дефекты анализируемого процесса, как заковы на поверхности заготовки, прострелы внутри штамповки (при помощи лагранжевых линий), проверить степень заполнения гравюры штампа, оценить температурные и скоростные поля на любой стадии формоизменения заготовки, определить степени и скорости деформации, напряжения в характерных зонах заготовки, потребные силы деформирования, нагрузку на инструмент и многое другое.

По результатам компьютерного анализа принимают решение об успешности разработанного технологического процесса. При положительном результате технологический процесс изготовления штамповки оформляют документально, проектируют и изготавливают штамповую оснастку. При отрицательных результатах вносят коррективы в анализируемый технологический процесс с последующим повторным его моделированием.

На основе разработанных математических моделей штамповой оснастки (например, в системе Unigraphics NX) изготовители оснастки разрабатывают управляющие программы для станков с числовым программным управлением, изготавливают оснастку, точность изготовления которой при необходимости сравнивают с математической моделью при ее контроле, например, на компьютеризированных контрольно-измерительных машинах (например, измерительном комплексе ОПТЕЛ-КЛ и др.). Аналогичному контролю подвергают и штамповки, изготавливаемые в кузнечном цехе.

Пример использования программы QForm 3d в производстве компрессорных лопаток ГТД

Компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) относятся к наиболее нагруженным и массовым деталям, которые должны обладать помимо повышенных требований к точности формы поверхностей и их взаимного положения, высокими механическими и антикоррозионными свойствами, а также хорошей циклической прочностью.

Условия работы компрессорных лопаток, особенно лопаток роторов компрессора ГТД, заставляют предъявлять к материалам, из которых они изготавливаются, требования сохранения прочности при температуре до 600 °С, высокой усталостной прочности и повышенной коррозионной стойкости. Для их изготовления широкое применение находят титановые сплавы (например, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9), коррозионностойкие стали (например, 13Х14НВФРА, 1Х12Н2ВРФ и ХН35ВТЮ-ВД), а также различные алюминиевые сплавы.

При этом вышеперечисленные серьезные требования к изготовлению и надежности в эксплуатации компрессорных лопаток ГТД в значительной мере удовлетворяются методом их изготовления – горячей штамповкой (изотермической, высокоскоростной и т.д.), позволяющей получить высокие механические характеристики деформированного материала. В свою очередь, эти характеристики могут быть обеспечены только путем разработки оптимального технологического процесса формоизменения исходной заготовки (традиционно прутковой заготовки) в готовое изделие – штамповку лопатки.

Рассмотрим частичное решение этой задачи с привлечением компьютерной программы QForm 3D, разработанной в России, для оптимизации условий формоизменения исходной заготовки в части исключения заковов и незаполнения гравюры штампа в процессе изготовления заготовки лопатки ротора компрессора ГТД.

В качестве исходной информации перед проектированием штамповки лопатки использована непосредственно математическая модель лопатки (рис. 1), разработанная конструктором, например, в системе Unigraphics NX.

На ее основе спроектирована математическая модель штамповки лопатки с припусками, допусками и технологическими бобышками (рис. 2), геометрия которой предварительно согласовывается с цехом, завершающим изготовление лопатки, например путем обработки технологических баз, электрохимической обработки перьевой части, обработкой резанием замка лопатки с последующей полировкой пера абразивной лентой.

Математическая модель готовой лопатки

Рис. 1. Математическая модель готовой лопатки: 1 – перо; 2 – замок лопатки (материал – титановый сплав ВТ8, длина лопатки 25 мм)

Математическая модель штамповки лопатки

Рис. 2. Математическая модель штамповки лопатки: 1 – перо; 2 – замок; 3, 4 – технологические бобышки

Математические модели исходной прутковой заготовки и полуфабрикатов после выполнения переходов прямого и комбинированного выдавливания

Рис. 3. Математические модели исходной прутковой заготовки (а) и полуфабрикатов после выполнения переходов прямого (б) и комбинированного (в) выдавливания

На следующем этапе разрабатывается схема технологического процесса штамповки заготовки лопатки (так называемая маршрутная карта технологического процесса), предусматривающая в качестве исходной заготовки пруток круглого поперечного сечения (рис. 3), объем которого равен объему изготавливаемой штамповки с учетом дополнительного объема металла, расходуемого на облой при окончательной штамповке заготовки. При этом имеется в виду прямое выдавливание определенного объема цилиндрической заготовки (расходуемого на оформление перьевой части заготовки и технологической бобышки с облоем), комбинированное выдавливание с преобладанием осадки оставшейся цилиндрической части заготовки (для набора металла, расходуемого на оформление замка штамповки лопатки и технологической бобышки на замке) и окончательная штамповка фасонной заготовки в молотовом штампе.

Для моделирования первого перехода прямого выдавливания исходной заготовки и моделирования второго перехода комбинированного выдавливания в системе QForm 3D проектируются пуансоны и матрицы (рис. 4 и 5); задают геометрические параметры заготовок, свойства материала, условия деформирования и выполняют непосредственно моделирование процессов выдавливания.

Затем моделируют операцию формоизменения полуфабриката в молотовом штампе (рис. 6).

Из результатов моделирования в QForm 3D видно (рис. 6, б), что на заготовке лопатки в процессе штамповки образуются заковы и наблюдается незаполнение гравюры штампа в областях замка и технологической бобышки на конце пера заготовки. При этом формируется чрезмерно большой по площади и объему облой в зоне замка штампуемой заготовки лопатки.

На основании полученных результатов моделирования корректируют первый переход прямого выдавливания: несколько увеличивают длину выдавленной части заготовки (для повышения надежности заполнения технологической бобышки на конце пера заготовки) и уменьшают длину исходной прутковой заготовки (для сокращения объема металла, расходуемого на образование облоя).

Кроме того, изменяют геометрию инструмента на втором переходе выдавливания заготовки: цилиндрическую форму осаженной части заготовки заменяют на форму параллелепипеда (рис. 7). Ожидается, что этот прием будет способствовать более надежному заполнению гравюры штампа в угловых зонах замка при одновременном уменьшении объема металла, расходуемого на образование облоя.

Начальный (а) и завершающий (б) этапы моделирования процесса прямого выдавливания

Рис. 4. Начальный (а) и завершающий (б) этапы моделирования процесса прямого выдавливания: 1 – заготовка; 2 – пуансон; 3 – матрица

Начальный и завершающий этапы моделирования процесса комбинированного выдавливания

Рис. 5. Начальный (а) и завершающий (б) этапы моделирования процесса комбинированного выдавливания

этапы деформирования полуфабриката в молотовом штампе

Рис. 6. Начальный (а) и завершающий (б) этапы деформирования полуфабриката в молотовом штампе

По откорректированным переходам проектируют инструмент для расчета в QForm 3D и выполняют повторное моделирование технологического процесса штамповки заготовки лопатки (рис. 8 и 9).

После повторного моделирования процесса штамповки заготовки лопатки (рис. 9, б) видно, что гравюра штампа целиком заполнена металлом заготовки, а заковы (складки) отсутствуют.

Корректировка математических моделей исходной заготовки, полуфабриката после прямого и комбинированного выдавливания

Рис. 7. Корректировка математических моделей исходной заготовки (а), полуфабриката после прямого (б) и комбинированного (в) выдавливания

Повторное моделирование переходов прямого и комбинированного выдавливания

Рис. 8. Повторное моделирование переходов прямого (а) и комбинированного (б) выдавливания

Важным фактором при штамповке титановых сплавов является соблюдение температурного интервала штамповки, верхняя граница которого не должна перекрывать температуру полиморфного превращения сплава для предотвращения его перегрева. Программа QForm 3D позволяет оценить температурные поля на поверхности и в объеме штампуемой заготовки на любой стадии формоизменения заготовки. На рис. 10 приведены температурные поля штампуемой заготовки на заключительной стадии ее формоизменения. Ясно, что различные зоны штамповки имеют различную температуру, но максимальное по величине температурное поле не превышает температурного диапазона деформирования титанового сплава ВТ8.

Дополнительно программа QForm 3D дает возможность определить потребную силу деформирования заготовки, например в зависимости от изменяющегося в процессе штамповки расстояния между штампами (рис. 11). Это позволяет рационально выбрать (или проверить) штамповочное оборудование для реализации процесса штамповки заготовки.

этапы повторного компьютерного моделирования процесса штамповки откорректированной промежуточной заготовки в молотовом штампе

Рис. 9. Начальный (а) и завершающий (б) этапы повторного компьютерного моделирования процесса штамповки откорректированной промежуточной заготовки в молотовом штампе

Температурные поля в конце штамповки заготовки. Интерфейс программы QForm3D

Рис. 10. Температурные поля в конце штамповки заготовки. Интерфейс программы QForm3D

График изменения силы деформирования при штамповке заготовки лопатки в зависимости от расстояния между верхним и нижним молотовыми штампами

Рис. 11. График изменения силы деформирования при штамповке заготовки лопатки в зависимости от расстояния между верхним и нижним молотовыми штампами

После того как моделирование технологического процесса штамповки заготовки лопатки в программе QForm 3D успешно завершено, приступают к разработке математических моделей формоизменяющей оснастки (штампов) разрабатывают при необходимости конструкторскую документацию на оснастку и оформляют комплект технологической документации на изготовление штамповки лопатки.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *