Материал: Горячая объемная штамповка металлов

Горячая объемная штамповка металлов

Введение

В производстве металлообрабатывающей промышленности, использующих в качестве материалов алюминиевые сплавы, применяют различные заготовки полученные методом литья, ковки и штамповки. Сплавы на основе алюминия получают все более широкое применение благодаря своим технико-эксплуатационным, эргономическим и экономическим свойствам: высокой удельной плотности, коррозионной стойкости, теплопроводности и т.п., способности воспринимать отделочную обработку, покрытия, а так же - рециркуляции (утилизации и повторному использованию).

В условиях рыночной экономики важную роль приобретают время внедрения изделия в производство и его эффективность. Сокращение времени и материальных затраты на производство проектируемых объектов и повышение их качества достигается применением систем автоматизированного проектирования (САПР). Основным преимуществом САПР является идея «виртуального производства», согласно которой с помощью специализированного программного обеспечения осуществляется моделирование полного цикла изготовления изделия, включая выполнение комплекта чертежной документации, разработку трехмерной модели поковки, проектирование технологии изготовления и моделирование самого процесса изготовления (штамповки).

Представленные на рынке программные продукты, такие как FORGE 3 (Франция), DEFORM 3D (США), SuperForge (США), QFORM3D (Россия), используют метод конечных элементов. Функционирование этих систем требует наличия внешних средств трехмерного моделирования для формирования геометрии штамповочного инструмента и разработки технологии штамповки, что затрудняет внесение изменений в технологический процесс в случае выявления дефектов.

Оценка разработанной технологии и выявление возможных дефектов (зажимов, прострелов, незаполнения профиля и др.) позволяет уже на этапе проектирования технологии уменьшить вероятность серьезной корректировки разработанного технологического процесса и изготовления нескольких комплектов оснастки для проведения опытной штамповки, что дает возможность сократить время технологической подготовки производства, и расходы на внедрение технологии в производство.

Кроме того, существующие программы лишь частично охватывают процесс проектирования и не полностью реализуют открывающиеся при использовании вычислительной техники возможности. Даже если совместить на одном рабочем месте технолога программные системы, отвечающие за трехмерное геометрической моделирование, автоматизированную разработку технологического процесса и моделирование пластического формоизменения, каждая из которых имеет достаточно высокую стоимость, остаются нерешенными несколько важных задач, таких как автоматизированное конструирование поковок по чертежам или моделям деталей и оптимизация технологического процесса.

1 Методы моделирования обработки металлов давлением

объемный штамповка металл

В последние годы все больше внимания уделяется моделированию различных технологических процессов, в том числе и процессам обработки металлов давлением. Это объясняется тем, что мы живем в условиях рыночной экономики, и основная задача производства заключается в получении максимальной прибыли с минимальным затратами, а одними из многочисленных пунктов затрат являются опробование новой продукции, запуск нового оборудования и т.д.

Исследования и эксперименты в реальном производстве имеют свои недостатки:

большие энергозатраты и риск получения некачественной продукции, которую скорее всего придется отдавать в переплав;

невозможность изменения параметров процесса в широких диапазонах;

вероятность аварии и поломки оборудования.

Поэтому совершенствование технологических процессов обработки металла давлением (ОМД), а также получение новых видов продукции ОМД требует дополнительных затрат.

Прогресс не стоит на месте, и многое сегодня может быть решено с помощью моделирования, преимущество которого состоит в том, что, прежде чем осуществлять опыты в условиях производства и тратить драгоценное время и сырье, эксперименты изначально проводят либо на лабораторном оборудовании, либо на компьютерах.

Была предложена следующая классификация методов моделирования для ОМД:

математическое моделирование с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

физическое моделирование с применением пластометов;

физическое моделирование с применением теорем подобия;

статистические модели;

моделирование с помощью нейросетей;

аналоговое моделировании;

аналитическое моделирование;

графическое моделирование;

численное

Математическое моделирование осуществляется с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

Метод основан на решении дифференциальных уравнений. Исследуемые области, например, деформируемое тело и элементы штампа разбиваются на конечное количество элементов (потому и метод так называется), составляется и решается система уравнений, где количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах (на границах элементов). Значения функций на границах элементов - это и есть решение задачи. Более подробно о методе можно узнать из работ [1-8], а в части его применения к моделированию ОМД - из работы [8].

Широкое применение этого метода связано с ростом производительности компьютеров (см. рис. ниже). Понятно, что такую систему уравнений решить без вычислительной техники просто нереально, и даже сегодня решение некоторых задач может занять несколько суток даже при производительности работы компьютера несколько миллионов операций в секунду.

МКЭ позволяет решать такие задачи, как:

моделирование течения металла внутри оснастки (при экструзии) или между матрицей и пуансоном (при штамповке) и т.п.

позволяет установить распределение деформаций и температур по сечению.

Рис. 1. Эволюция компьютерной техники за последние двадцать лет

В табл. 1 приведен список программного обеспечения, которое позволяет осуществлять расчеты с применением МКЭ.

Таблица 1. - Компьютерные программы и их разработчики

Результат решения выводится в виде картинки, на которой цветами размечены различные области с разной деформацией или температурой:

Для моделирования в программу необходимо ввести реологические свойства материала:

кривые его пластического течения при различных температурах и скоростях деформации;

физические характеристики материала, такие как теплопроводность, температуропроводность, плотность и т.д.;

для стали -- критические точки превращения при различных скоростях охлаждения (термокинетические диаграммы).

Рис. 2. Результат моделирования процесса получения клапана. Цвет показывает распределение деформации.

В качестве примера результат моделирования штамповки коленчатого вала в программе QForm:

а б

Рис. 3. Поковка коленчатого вала:

а - фотография; б - модель

При физическом моделировании с применением пластометров испытания проводят на специальных образцах и в особых условиях деформирования (температура, степень деформации, скорость деформации, скорости охлаждения и нагрева), используя испытаний различные схемы нагружения: сжатие, растяжение, кручение [9].

Результатом таких испытаний и будет серия кривых «напряжение-деформация» при различных скоростях и температурах деформации:

Рис. 4. Кривые «напряжение-деформация» [10]

Полученные кривые загружают в компьютерную программу, работающую по алгоритму МКЭ.

Рис. 5. Проведение эксперимента для изучения эволюции микроструктуры

Таким образом при испытании каждого нового образца процессу позволяют идти чуть дальше, чем в предыдущем. Далее изучают микроструктуру образцов на каждом этапе деформации. Таким образом, перед глазами исследователя открывается картина эволюции микроструктуры по ходу деформации (рис. 6).

Рис. 6. Эволюция микроструктуры

После обработки результатов всех опытов строят модели, которые позволяют предсказывать:

микроструктуру конкретной стали или сплава при различных условиях деформации;

ход самой кривой «напряжение-деформация» при любых сочетаниях параметров деформирования.

Это очень полезно, т.к. можно провести всего несколько опытов, а потом на их основе получить одно уравнение, которое описывает широкий диапазон изменения параметров.

Физическое моделирование с применением теорем подобия.

Основное положение, на котором основывается применение данного метода, состоит в том, что процессы в природе протекают одинаково в подобных системах независимо от их размера. Всего таких положения три, и называются они теоремы подобия [11].

Испытания проводят на миниобразцах исследуемого материала с геометрически подобными размерами. Например, при моделировании прокатки, если размеры сляба составляют 2,5х1,5х0,25 м, то уменьшенная копия будет бруском 250х150х 25 мм.

Как и везде, здесь есть свои нюансы. Самый простой и легко бросающийся в глаза - маленький брусок остынет быстрее, чем большой. Более подробно о методе и его применении можно узнать из работы [11].

Часто такие эксперименты осуществляются с привлечением планирования эксперимента, одной из целей которого является уменьшение числа опытов без существенной потери информативности. Этому посвящены работы [12, 13]. А вот при обработке результатов такого планируемого эксперимента прибегают к статистическим методам. Так что данный вид моделирования тесно связан со следующим.

Статистические модели, можно разделить эти модели на две группы:

Модели, которые получены из запланированного или активного эксперимента.

То есть проводящий эксперимент сам влияет на параметры. На выходе исследователь получает формулы, например, зависимости временного сопротивления разрыву от параметров обработки металлов давлением, как это сделано в работе [14].

Модели, основанные на обработке большого массива данных, например, производственных.

Здесь исследователь имеет в своем распоряжении массив чисел и ему остается должным образом обработать этот массив и получить зависимости, например, установить влияние параметров прокатки на механические свойства.

Модели с использованием нейросетей - такие модели, которые построены по принципу нервной системы живых существ и представляют собой сеть соединённых и взаимодействующих между собой простых элементов (нейронов) (рис. 7).

Рис. 7. Схема модели нейросетей

Аналоговое моделирование заключается в создании предметного образа процесса, системы или изменения каких-либо параметров, схожих по форме с реальным объектом. Это один из важнейших видов моделирования, основанный на аналогии (в более точных терминах - изоморфизме) явлений, имеющих различную физическую природу, но описываемых одинаковыми математическими (дифференциальными, алгебраическими или другими) уравнениями.

Аналоговое моделирование было основным способом "предметно-математического моделирования" многих процессов (распространение электромагнитных и звуковых волн, диффузия газов и жидкостей, кручение стержней и др.), поэтому его часто называли просто математическим моделированием. Причём для каждой конкретной задачи моделирования строилась своя модель, основными элементами которой служили соединённые в плоскую сеточную схему электрические сопротивления различных видов. Аналоговые вычислительные машины позволяли проводить моделирование целых классов однородных задач. В настоящее время значение аналогового моделирования значительно уменьшилось, заменяется компьютерным моделирование, которое имеет по сравнению с ним большие преимущества в отношении точности и универсальности. При этом для решения ряда специальных задачах оно имеет свои преимущества с точки зрения простоты и дешевизны технического выполнения. Применяется также и совместное использование методов аналогового и компьютерного моделирования.

При аналитическом моделировании процессы функционирования элементов системы записываются в виде математических соотношений (алгебраических и т.д.). Аналитическую модель можно исследовать следующими методами:

- аналитическим (получают в основном точные решения);

- численным (получают приближенные решения);

- качественным (в явном виде можно найти только некоторые свойства решения).

Ход решения задач ОМД наиболее наглядно отображают геометрические модели. Графическая интерпретация помогает проанализировать качественную картину исследуемого процесса, в тех случаях, когда не удается получить количественную оценку тех или иных параметров, что в немалой степени способствует выработке конкретных рекомендаций по улучшению технологии производства изделий либо улучшению конструкции инструмента. Кроме того, ввиду сложности формализация некоторых задач ОМД графический способ является единственным для их решения.

В работе [15] рассматриваются графические построении, позволяющие легко получить расположение линий раздела течения металла на плоскости контакта.

Графическое моделирование в последние годы интенсивно развивается, благодаря совершенствованию компьютерной базы. В частности, задачу описания пластического течения тонкого слоя металла по жестким поверхностям, наблюдаемого в процессах ОМД, можно свести к чисто геометрической за счет упрощения математической модели. В этом случае есть возможность, как показано в работе [16], получить полный алгоритм для решения задачи формообразования штампованных поковок и реализовать его на компьютере. Разработанный алгоритм позволяет до конца решить задачу лишь для узкого класса контуров штампуемых поковок.

Много внимания вопросам графического моделирования уделено в работах А.И. Петрова. Так, в работе [17] показана последовательность при разработке алгоритма проектирования технологии прессования профилей: предложены алгоритмы проектирования калибровок, рассмотрены вопросы анализа и кодирования чертежа профиля, а также изложены методы и последовательность разработки алгоритма автоматизированного проектирования технологических процессов. В работе [18] описывается проектный модуль автоматического построения «скелета контура», который является эквидистантой для контура детали, т.е. геометрическим местом точек, равноудаленных от контура детали. В работе [19] рассмотрено создание комплексной методики проектирования технологических процессов многопереходной объемной горячей объемной штамповки заготовок для деталей пространственной формы, включающей в себя: методику геометрического моделирования; проектирование геометрии заготовок по переходам штамповки с учетом технологических характеристик процессов; конструирование штампового инструмента.