УДК 621.771 (075.8)                              Машеков С.А. (КазНТУ, Алматы)

Нуртазаев А.Е. (НК «Қазақстан Ғарыш Сапары, Алматы)

Удербаева А.Е. (КазНТУ, Алматы)

 

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НДС ЗАГОТОВКИ ПРИ ОСАДКЕ В ПЛОСКИХ БОЙКАХ И ПРОТЯЖКЕ В ВЫПУКЛЫХ БОЙКАХ

 

Исследование НДС заготовки в процессе осадки и протяжки с точки зрения математического моделирования является сложным процессом из-за очень большого числа определяющих параметров и неоднозначным характером их влияния. Корректная постановка задачи даже для простых случаев осадки и протяжки приводит к системе интегрально-дифференциальных уравнений, решить которую аналитически не представляется возможным. Однако в настоящее время для решения подобных задач широко применяется метод конечных элементов реализованный в программных продуктах конечно-элементного анализа. Одним из лидеров в программных продуктах конечно-элементного анализа специализированных для расчета процессов обработки металлов давлением является MSC.SuperForge. Достоверность расчетов и эффективность применения MSC.SuperForge для компьютерного моделирования процессов ковки и штамповки подтверждает опыт ведущих промышленных компаний Японии, США и ЕС, таких как Sumitomo Heavy Industries, Ford, BMW, Toyota Motor Co и DENSO. Комплекс программных продуктов MSC.SuperForge широко можно использовать в учебном процессе.

В данном докладе рассматривается процесс осадки в плоских боках и протяжки в выпуклых бойках. Задача исследования объемного НДС заготовки в процессе осадки и протяжки является контактной, упругопластической, нелинейной, с учетом температурного режима деформирования, а также больших перемещений и деформаций. Требуется произвести расчет НДС, температурное поле и скорости течения металла в заготовки при одном ходе бойка при выполнении операции осадки и протяжки.

Поковка представляет собой цилиндр размером Ø100*200 мм. В качестве материала заготовки выбран алюминиевый сплав с температурным диапазонам деформирования 300 – 450 оС и с механическими свойствами: модуль упругости 70000 МПа, коэффициент Пуансона 0,4 и плотность 2,67 г/см3. Для моделирования пластичности материала заготовки была выбрана упругопластическая модель Джонсона-Кука.

В MSC.SuperForge инструменты принимаются абсолютно жесткими и обеспечивают только свойства теплопроводности и теплопередачи, т.е. удельная теплопроводность, удельная теплоемкость и плотность приняты во внимание, а механические свойства игнорируются. Материал инструмента по умолчанию присваивается инструментальная сталь H13. Также для этого материала плотность и тепловые свойства будут назначены по умолчанию.

Взаимодействие между жестким инструментом и деформируемым материалом заготовки моделируется с помощью контактных поверхностей, которые описывают контактные условия между поверхностями инструмента и поверхностью заготовки. В процессе моделирования контактные условия постоянно обновляются, отражая движение инструмента и деформацию материала, что позволяет моделировать скольжение между инструментом и материалом обрабатываемой заготовки. Контакт между инструментом и заготовкой смоделирован трением по Кулону, коэффициент трения был принят 0,3.

Температурный режим при ковке состоит из обмена тепла между инструментом, заготовкой и окружающей средой, а также из теплового эффекта за счет деформации металла. Теплоперенос осуществляется при конвективном и лучистом обмене с окружающей средой и контакте инструмента с заготовкой.

Трехмерная геометрическая модель инструмента была построена в CAD программе Inventor, и импортирована в CAE программу MSC.SuperForge. При создании конечно-элементной модели заготовки и инструмента, был использован трехмерный объемный элемент CTETRA (четырехузловой тетраэдр) применяемый для моделирования трехмерных тел. Для модели заготовки и инструмента потребовалось 2518 элементов и 3180 узла. Время расчета процесса составила 24 мин на компьютере Pentium Duo c тактовой частотой 3,4 ГГц и оперативной памятью 2 Гбайта.

На рисунке 1 представлены картины распределения эквивалентных напряжений и деформаций, температурного поля в заготовке при осадке в плоских бойках.

На основе полученных результатов численного моделирования установлено, что

- при осадке в плоских бойках с увеличением контактной поверхности из-за действия контактных сил трения, часть объема геометрического очага деформации оказывается в зонах затрудненной деформации (рисунок 1, а и б);

- следствием появления зон затрудненной деформации является локализация преимущественного течения металла в форме ковочного креста (рисунок 1, а и б);

- локализация деформации в зоне ковочного креста приводит к повышению тепловыделения (рисунок 1, в) и опасности разрушения металла в этих зонах с одной стороны, и к недостаточной деформации структуры в остальном объеме заготовки и к разнозернистости структуры по сечению, с другой стороны;

- при осадке в плоских бойках с большими единичными обжатиями возникают опасные растягивающие напряжения и деформаций в местах перехода от деформируемой к недеформируемой части (рисунок 1, а и б);

- возникновение опасных растягивающих напряжений и деформаций могут привести к образованию трещин, что так же ухудшает качество металла.

На рисунке 2 представлены картины распределения эквивалентных напряжений и деформаций, температурного поля в заготовке при протяжке в выпуклых бойках.

На основе полученных результатов численного моделирования установлено, что

- при протяжке в выпуклых бойках в начальный момент протяжки эквивалентные напряжения и деформации локализуются в контактных зонах заготовки с инструментом;

- увеличение единичного обжатия при протяжке в выпуклых бойках приводит к переносу акцента эквивалентных напряжений и деформаций от контактной поверхности к центру и периферии заготовки (рисунок 2, а и б);

а)

б)

в)

Рисунок 1. Картина распределения эквивалентного напряжения (а), деформаций (б) и температуры (в) в заготовке при осадке в плоских бойках, ε = 60 %, t = 400 оC.

- в процессе протяжки в выпуклых бойках в зонах локализации деформации повышается температура (рисунок 2, г);

- при протяжке в выпуклых бойках с увеличением единичного обжатия максимальная величина контактного давления переносится от оси к периферии заготовки;

- при протяжке в выпуклых бойках степень деформации сдвига распределяется равномерно по сечению деформируемой заготовки;

- при осадке в плоских бойках и протяжке в выпуклых бойках характер скорости течения металла аналогичен развитию эквивалентной деформации во времени.

 

а)

 б)

в)

г)

Рисунок 2. Картина распределения эквивалентного напряжения (а), деформаций (б), пластической деформаций (в) и температуры (г) в заготовке при протяжке в выпуклых бойках, ε = 60 %, t = 4000C.

Выводы

1. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния показали, что схема НДС получается «жестким» при осадке в плоских бойках и «мягким» при протяжке в выпуклых бойках.

2. Расчет НДС с использованием комплексного программного продукта MSC.SuperForge дает достоверные результаты и поэтому данный программный продукт можно широко можно использовать в учебном процессе.