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

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СФЕРОДВИЖНОЙ ШТАМПОВКИ КОНИЧЕСКОГО ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОГРАММЕ DEFORM-3D

В процессе компьютерного моделирования процесса сферодвижной штамповки конического зубчатого колеса задавались следующие параметры: оборудование (гидравлический пресс), одинаковая смазка между заготовкой и матрицей (трение между заготовкой и пуансоном равно нулю), угол конусности у обкатного инструмента. Угол наклона оси инструмента к вертикальной оси соответствует углу его конусности, соответственно в начальный момент времени линия контакта инструмента и заготовки проходит по всему радиусу заготовки.

По требованиям DEFORM-3D к геометрии инструмента [1] важно, чтобы обкатный инструмент на вершине конуса имел радиус скругления. Кромки матрицы также должны иметь скругления.

Особенности подготовки расчёта: начальная температура заготовки – 20ᵒС. Характерной особенностью данного моделирования является отсутствие трения между заготовкой и обкатным инструментом, что необходимо для задания граничных условий, сходных с условиями, полученными вращательным движением обкатного инструмента вокруг своей оси.

На Рис.1 представлена созданная в DEFORM-3D модель для исследования процесса сферодвижной штамповки конического зубчатого колеса.

Количество заданных конечных элементов заготовки равнялось ~150 000. На Рис.2 представлена продеформированная заготовка, полученная на первом переходе.

Рис. 1. Модель сферодвижной штамповки конического зубчатого колеса

Рис. 2. Модель продеформированной заготовки на первом переходе

Основными параметрами для исследования режимов обработки при сферодвижной штамповке на первом переходе являлись: угол наклона оси инструмента, характер колебательного движения инструмента; величина подачи инструмента на один оборот водила, скорость вертикальной подачи, окружная скорость, степень деформирования, величина силы деформирования, изменение температуры в процессе деформирования, количество циклов нагружения и геометрические параметры заготовки.

Второй переход штамповки конического зубчатого колеса сопровождается максимальными значениями усилий, воспринимаемыми инструментом, поэтому дополнительно исследовались энергосиловые параметры сферодвижной штамповки и напряженно – деформированное состояние поковки.

Анализ энергосиловых параметров проводился путем исследования графика зависимости усилия по времени деформирования (Рис.3).

Рис. 3. График усилия по времени на втором переходе

Указанная в процессе сила деформирования – 4 000 кН. Полученная сила деформирования по результатам программы – 4400 кН. Следует обратить внимание на то, что при расчете силы существует погрешность, связанная как с разбиением сетки на конечные элементы, так и с возможным расхождением реального и расчетного коэффициентов трения между заготовкой и инструментом.

Поэтому, несмотря на расхождения в усилии деформирования в 10%, можно считать полученные результаты адекватными с учетом указанных выше погрешностей.

Расчет напряжений на инструменте в программе производится на основе распределения напряжений на заготовке. Ввиду того, что на определенном этапе анализа необходима лишь оценочная картина распределения параметров, здесь и далее будем приводить распределение параметров на заготовке.

Для начала рассмотрим зону контакта заготовки и инструмента на втором переходе (Рис.4).

а) матрица-заготовка; б) пуансон-заготовка

Рис. 4. Пятна контакта инструмента с заготовкой

Далее рассмотрим интенсивность распределения напряжений по заготовке (Рис.5).

Рис. 5. Интенсивность распределения напряжений по заготовке в момент окончания штамповки

Зона максимальных напряжений соответствует пятну контакта заготовки с инструментом в данный момент обкатки, т.е. локальной зоне деформирования. Возникновение максимальных напряжений в этой зоне закономерно и никаких вопросов не вызывает. Однако, нужно обратить внимание на пятна максимальных напряжений у оснований зубьев матрицы. Здесь также происходит деформация, и возникают напряжения, хотя, по технологии сферодвижной штамповки такого быть не должно – напряжения должны возникать только в локальной зоне контакта, а остальные элементы матрицы должны «разгружаться». В данном случае этого не происходит.

Картина максимальных главных напряжений (Рис.6) дает возможность увидеть распределение сжимающих и растягивающих напряжений (напряжения со знаком «-» сжимающие, со знаком «+» растягивающие).

Рис. 6. Максимальные главные напряжения на поковке

Легко заметить, что у основания зуба (эта зона наиболее интересна для исследования) существуют границы перехода значительных сжимающих напряжений в растягивающие. Знакопеременная нагрузка на штампе увеличивает риск возникновения трещины и, как следствие, разрушения инструмента (матрицы).

На данном этапе необходимо провести сравнение расчетных данных с реальными, чтобы провести необходимую корректировку коэффициентов расчета и в дальнейшем получать объективные данные для подбора новых параметров техпроцесса.

Литература

1. Харламов, А. DEFORM – программный комплекс для моделирования процессов обработки металлов давлением. / А. Харламов, А.Уваров. // САПР и графика. – 2003. – №6. – 5 с.