Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

Д.т.н. Качанов И.В., к.т.н Кудин М.В., ст. преп. Шаталов И.М., преп. Ленкевич С.А., студент Быков К.Ю., студент Мурашко Д.А.

Белорусский национальный технический университет, Республика Беларусь

Белорусская государственная академия авиации, Республика Беларусь

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СФЕРОДВИЖНОЙ ШТАМПОВКИ КОНИЧЕСКОГО ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА В DEFORM-3D

В конструкциях современных высоконагруженных узлов широкое применение находят детали сложного рельефа, к которым относятся конические зубчатые колёса в дифференциальном механизме. Вследствие несовершенства применяемой технологии изготовление таких деталей связано с большим объёмом черновой механической обработки и повышенным расходом дорогостоящих и дефицитных материалов. Одним из путей решения этой проблемы является разработка и внедрение новых процессов, обеспечивающих получение заготовок с минимальными припусками на механическую обработку и высоким коэффициентом использования металла. К числу таких процессов, основанных на локальном приложении нагрузки, относится сферодвижная штамповка. Несмотря на ряд очевидных преимуществ по сравнению с традиционными методами обработки, сферодвижная штамповка находит пока ещё ограниченное применение. Это объясняется недостаточной теоретической изученностью этого метода обработки, отсутствием разработанных схем и способов формообразования деталей сложного рельефа из легированных сталей и практических рекомендаций по проектированию технологического процесса, оснастки и оборудования [1,2].

DEFORM - 3D является системой конечно-элементного моделирования разрабатываемой компанией Scientific Forming Technologies Corporation (SFTC), и предназначеной для анализа трехмерного течения металла при различных процессах обработки металлов давлением. Данная система позволяет прогнозировать характер формоизменения с высокой точностью и минимальными затратами на экспериментальные проверки.

Перед компьютерным моделированием ставятся следующие задачи:

- визуально оценить процесс формования детали;

- определить основные технологические параметры: точные размеры заготовки, усилия прикладываемых инструментов и т.п.;

- подобрать правильный режим скорости движения инструментов, смазку и т.п. [3]

Моделирование, представленное в данной работе, разбито на несколько этапов (Рис.1), а именно: графическое моделирование (создание геометрии рабочих инструментов); расчёт в программе DEFORM (ввод необходимых данных: граничные условия, свойства материала, скорости и усилия деформирующего инструмента; анализ результатов.

Рис.1. Этапы проектирования компьютерной модели в DEFORM-3D

Процесс сферодвижной штамповки, представляет собой одну из разновидностей обработки металлов давлением (ОМД) и сводится к изменению формы заготовки в соответствии с требуемыми очертаниями изделия путём периодического обжатия рабочими органами, совершающими относительно оси заготовки осевое и обкатывающее движение (Рис. 2). Заготовка при этом остается неподвижной.

Тогда, взаимосвязь угловых скоростей, следующая для главного штампового инструмента:

где ω₁ – угловая скорости относительно оси О₁;

ω₂ – угловая скорости относительно оси О₂;

φ – угол наклона инструмента.

Рис. 2. Схема движения главного штампового инструмента в DEFORM-3D

Объектом исследования, является процесс холодного деформирования при сферодвижной штамповке детали конического зубчатого колеса в два перехода с использованием DEFORM-3D.

Исходными данными для создания модели являются чертежи детали и её заготовки. Материал деталей – сталь 20ХН3А.

Исходный чертеж и модель детали конического зубчатого колеса представлены на Рис 3.

а) б)

Рис. 3. Чертеж (а) и твердотельная модель (б) детали конического зубчатого колеса

В процессе компьютерного моделирования в DEFORM модель может быть представлена как копия объекта, выполненная из другого материала, в другом масштабе или с отсутствием некоторых деталей, а также выражена в абстрактной форме. Проектирование процесса ОМД с заданными исходными ведется в препроцессоре.

Для моделирования процесса штамповки изделий сложной формы необходимо учитывать его основные особенности:

- нестационарностъ поля скоростей течения металла на протяжении всего процесса (от начала деформирования исходной заготовки до получения готового изделия);

- переменный характер кинематических, силовых и температурных граничных условий для краевых задач определения соответствующих величин.

Начальным этапом проектирования, является построение общей сборочной модели, состоящей из штампового инструмента (пуансон и матрица) и заготовка, а также их взаимосвязанное расположение. Таким образом, из общей компоновки сферодвижного прессователя можно выделить главные элементы для компьютерной модели: пуансон, заготовка и мастер-матрица.

Процесс формоизменения при двухпереходной штамповке разбивается на последовательные во времени стадии. В первом приближении можно считать продолжительность стадий одинаковой и проводить «разбивку» процесса, исходя из заполнения на каждой стадии определенной полости штампа. При этом окончательным критерием является наименьшее изменение поля скоростей деформации внутри стадии.

Величины, характеризующие процесс, рассчитываются постадийно с учетом совокупности условий, переходящих от стадии к стадии. Каждая из них характеризуется совокупностью своих кинематических, динамических и температурных граничных условий. Конечные значения ряда величин (например: температуры, накопленной степени деформации сдвига), полученные на каждой стадии, используются как начальные при расчете процесса на следующей стадии.

Литература

1. Сурков, В.А. Технология штамповки кольцевых и фланцевых заготовок обкатывающим инструментом / В.А. Сурков, Н.А. Корякин, Э.Р. Галимов // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. -№ 7.

2. Сурков, В А. Штамповка обкатыванием точных заготовок ГГД типа зубчатое колесо / В.А. Сурков, В.П. Гордий, Р.Ф. Гильманов, В.С. Чистяков // Авиационная промышленность. 1989. № 10.

3. Паршин, В.С. Практическое руководство к программному комплексу DEFORM-3D: учебное пособие [Текст] / В.С. Паршин А.П. Карамышев, И.И. Некрасов и др., научн. Ред. Ю.Б. Чебулин. –Екатеринбург: УрФУ 2010. – 266 c. .