Д.т.н., проф. Качанов И.В., к.т.н, доц. Шарий В.Н.,
аспирант Власов В.В.

Белорусский национальный технический университет

Компьютерное моделирование в DEFORM-3D для анализа пластического течения при скоростном горячем выдавливании биметаллических стержневых деталей штамповой оснастки

В БНТУ разработана новая ресурсосберегающая технология получения биметаллического стержневого инструмента (пуансоны, толкатели, матричные вставки, фрезы и пр.), реализуемая в клиновых и конических матрицах при совместном протекании формообразования и сварки рабочей и основной части инструмента методом скоростного горячего выдавливания (СГВ).

Использование метода СГВ обеспечивает получение точных заготовок под инструмент с повышенными механическими свойствами. При этом в качестве основы в составной заготовке используются конструкционные стали, а для рабочей части – высоколегированные штамповые стали, с их значительной экономией (до 90%).

Для интенсификации процесса разработки технологических операций скоростного горячего выдавливания (СГВ) необходим анализ пластического течения, а также сведения об откликах системы штамп – инструмент – деформируемый образец на изменение технологических параметров. Для получения соответствующей информации могут быть использованы методы экспериментального исследования и теоретического моделирования, а также их комбинация.

Главная трудность при использовании всех методов экспериментального исследования заключается в необходимости изготовления технологической оснастки – инструмента и штампа. При проработке нескольких вариантов стоимость изготовления оснастки становится весьма значительной.

Существенным недостатком теоретических методов является трудность или невозможность их применения к исследованию сложных процессов СГВ. Кроме того, к недостаткам следует отнести неадекватность принимаемых допущений физической природе реальных процессов СГВ; принятие гипотезы идеальной пластичности или усреднение интенсивности напряжений по очагу пластической деформации; затруднённость или вовсе невозможность учёта контактных условий и правильной оценки формоизменения деформируемого образца на каждом этапе течения процесса; произвольное задание полей скоростей и перемещений в таких методах как метод верхней оценки и баланса работ (мощностей); сложность или практическая невозможность учёта динамических эффектов [1, 2].

Альтернативой экспериментальному исследованию и теоретическому анализу является использование имитационного моделирования процессов объёмной штамповки с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Неоспоримым и весьма ценным достоинством этого метода является возможность проведения комплексного физико-механического анализа на стыке таких дисциплин, как прочность, пластичность, усталость и ползучесть при скоростных, многоцикловых и квазистатических нагрузках; термодинамика; электромагнетизм; динамика жидкостей и газов; динамические свойства твердых тел (распространение упругих и пластических волн, колебательные процессы). Корректная модель в МКЭ максимально приближена к реальному физическому процессу и позволяет учитывать весьма тонкие физические эффекты.

На основе исходных данных, (размеры и форма составной заготовки, пуансона и полуматриц, создадим модель для анализа пластического течения (рис. 2) применительно к биметаллической составной заготовке, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1. Модель составной заготовки:
1 – Сталь 5ХНМ; 2-Сталь 40Х

Рисунок 2 Модель для анализа пластического течения до ударного нагружения составной заготовки: 1 – промежуточный боек;
2 – полуматрица;
3 – сталь 40Х; 4 – сталь 5ХНМ;

После создания исходной модели в препроцессоре программы
DEFORM-3D задаем следующие исходные данные:

– начальную скорость деформирования v₀ = 70-80 м/с [3];

– температуру составной заготовки T = 1150⁰ С (учитываем, что потеря температуры ΔT при переносе от печи до штампа составляет 50⁰ С);

- учет потери тепла заготовки при взаимодействии с инструментом и приращение температуры в ходе деформирования (программа определяет автоматически);

– коэффициент трения f = 0,3 (указанная величина f принимается по данным работы [2]);

– количество конечных элементов в объеме заготовки 20000 (задается в зависимости от требуемой точности расчета).

После ввода данных запускается пошаговый процесс симуляции с возможностью ввода линии раздела биметалла и просмотра картины течения на любом шаге, т.е. при любом перемещении пуансона, например, момент завершения процесса деформирования (рис. 3) и т.д.

Рисунок 3 Модель пластического течения в момент завершения процесса деформирования составной заготовки

Сравнительный анализ пластического течения реального образца и полученной модели можно провести визуально по анализу образцов на рисунок 4, где видно значительное сходство в характере пластического течения сравниваемых образцов, а некоторые отличия обусловлены упрощением принятых для модели и неучтенных физических явлений при деформации реального образца. В целом же моделирование пластического течения биметаллических составных заготовок можно считать качественным и достоверным.

а) б)

Рисунок 4 . Внешний вид биметаллических образцов после деформации реальных образцов (а) и моделей (б)

Список использованных источников

1. 1. Иванов К. М. Исследование технологических возможностей поперечного выдавливания методом конечных элементов / Иванов К. М., Лясников А. В., Гуменюк Ю. И., Матвеев С. А. – Металлообработка. – 2001.– №2. С. 24…27.

2. Иванов К. М. Метод конечных элементов в технологических задачах ОМД: Учебное пособие / Иванов К. М., Шевченко В. С., Юргенсон Э. Е.С-Пб: Институт Машиностроения, 2000. 217 с.

3. Качанов, И.В. Скоростное горячее выдавливание стержневых изделий с плакированием торцовой части / И.В. Качанов [и др.]. Минск: БНТУ, 2011. – 199 с.