Работа [20] посвящена геометрическому моделированию процесса формообразования технологических оболочек при их поверхностном пластическом деформировании.
В последнее время при разработке технологических процессов обработки металлов давлением применяются компьютерные технологии. Компьютерное моделирование - это математическое моделирование, которое формулируется в виде алгоритма (программы для ПК), что позволяет проводить вычислительные эксперименты. В свою очередь, компьютерное моделирование делится на численное, статистическое и имитационное.
Численное моделирование предусматривает использование методов вычислительной математики (отличается от аналитического возможностью задания различных параметров модели).
Статистическое моделирование представляет собой обработку данных о системе (модели) в целях получения статистических характеристик системы.
При имитационном моделировании осуществляется воспроизведение (имитация) на компьютере процесса функционирования исследуемой системы при соблюдении логической и временной последовательностей протекания процессов, что позволяет получить данные о состоянии системы или ее отдельных элементов в определенные моменты времени.
Необходимо отметить, что классификация методов моделирования носит
достаточно условный характер, поскольку при исследовании и описании того или
иного процесса сегодня используются сразу несколько видов моделирования в
сочетании с компьютерным.
Компьютерные программа, применяемые для разработки конструкторской
документации и моделирования процессов ОМД
Основой компьютерного моделирования в ОМД служит использование современного программного обеспечения. Для конструкторской разработки моделей технологических процессов и формирования чертежей используются следующие системы объемного проектирования: Pro/Engineer, Solid Edge, SolidWorks, "Компас 3D", AutoCAD, ZWCAD и др.
При этом непосредственно для моделирования процессов ОМД и прогнозирования поведения металла под действием деформирующих нагрузок и условий деформирования все шире распространяются специализированные программные комплексы, например, QFORM, Forge 3, DEFORM, ANSYS, PAM-STAMP, AutoForm и др.
Основными причинами создания и активного использования в ОМД этих компьютерных программ являются:
необходимость сокращения сроков разработки технологических процессов, времени проектирования штамповок, ковочной и штамповочной оснастки и проведения опытных работ при внедрении процессов в производство;
обязательное снижение цены ошибочных технологических и проектных решений до начала промышленных экспериментов, повышение надежности разрабатываемых технических мероприятий, в том числе технологических процессов ОМД;
активное развитие компьютерной техники и технологии с одновременным курсом системы образования на подготовку пользователей персональными компьютерами делает допустимым привлечение программного моделирования процессов ОМД для предприятий и организаций различного уровня [23].
Применение современных систем САD/САМ дает возможность достичь значительной оптимизации процессов конструирования.
Для конструкторской разработки моделей технологических процессов и формирования чертежей используются следующие системы объемного проектирования:- программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства, который обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения и работает в среде Microsoft Windows. Программа появилась в 1993 году и составила конкуренцию таким продуктам, как AutoCAD и Autodesk Mechanical Desktop, SDRC I-DEAS и Pro/ENGINEER.- двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения, разработанная компанией Autodesk. Первая версия системы была выпущена в 1982 году. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности.
Текущая версия программы (AutoCAD 2014) включает в себя полный набор инструментов для комплексного трёхмерного моделирования (поддерживается твердотельное, поверхностное и полигональное моделирование). AutoCAD позволяет получить высококачественную визуализацию моделей с помощью системы рендеринга mental ray. Также в программе реализовано управление трёхмерной печатью (результат моделирования можно отправить на 3D-принтер) и поддержка облаков точек (позволяет работать с результатами 3D-сканирования). Тем не менее, следует отметить, что отсутствие трёхмерной параметризации не позволяет AutoCAD напрямую конкурировать с машиностроительными САПР среднего класса, такими как Inventor, SolidWorks и другими [21]. В состав AutoCAD 2012 включена программа Inventor Fusion, реализующая технологию прямого моделирования [22].- универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в сфере автоматических инженерных расчётов (CAE, Computer-Aided Engineering) и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей.
В США компанией Scientific Forming Technologies Corporation (SFTC) <#"868442.files/image009.gif">
Рисунок 8 - Недоштамповка поковки
Перекос - это смещение сверх установленного допуска одной половины поковки относительно другой половины по плоскости разъема. Причиной перекоса может быть неисправности оборудования (увеличенный зазор в направляющих, выработка плоскостей штамподержателя).
Заусенец - это несрезанный остаток облоя при плохой установке и подгонке штампов, либо при смещении поковки в обрезной матрице. Удаляется заточкой наждачным кругом.
Кривизна - отклонение осей и плоскостей поковки от их правильного геометрического положения. Возникает при обрезке заусенца у поковок со сложным контуром обрезки, с тонкими сечениями при большой длине, при использовании неправильных обрезных пуансонов или штампов неправильной конструкции.
Ослабление размера - появляется вследствие недостаточного припуска на обработку резанием или уменьшения рабочего сечения детали в необрабатываемых местах вследствие штамповки поковок с толстым слоем окалины или в изношенных штампах.
Отклонение по длине - возникает из-за разной температурной усадки по объему поковок при штамповке или нестабильности длины заготовок.
Для моделирования технологического процесса горячей объемной штамповки обычно необходимы следующие исходные данные: чертеж поковки, объем и форма заготовки, реология материала заготовки, начальная температура заготовки, температура окружающей среды, температура штампа, вид смазки и коэффициент трения, скорость деформирования.
Для обеспечения технологичности получаемых штампованных поковок необходимо правильное построение чертежа поковки, определяющего оптимальное формоизменение деформируемого металла. Важным также является задача моделирования картины течения металла по поверхности инструмента.
Компьютерное моделирование процессов ОМД в работе [25] позволило изучить процессы формообразования, рассчитывать энергосиловые затраты, разработать меры по предотвращению образования дефектов изделии
Номенклатура этих поковок, а также мелкосерийность производства могут определять высокую стоимость штамповочного производства. При этом целесообразно применение компьютерного моделирования на стадии проектирования штамповой оснастки.
Основываясь на обзоре различных методов моделирования процессов обработки металлов давлением, а также новых технологических разработок в производстве штампованных деталей можно сделать вывод о том, что классификация деталей с ребрами жесткости из алюминиевых сплавов недостаточно изучена. Актуальными на сегодняшний день остаются вопросы расчета параметров. Поковки подобного класса находят широкое применение в различных отраслях машиностроения.
В связи с этим представлена классификации поковок указанного типа.
В работе [24] приведена классификация поковок на группы и подгруппы, которые можно штамповать с использованием различных схем формоизменения:
К группе I относятся преимущественно массивные поковки простой формы, которые получают прямым выдавливанием.
Группу II делят на две подгруппы. В подгруппу А преимущественно включены поковки с углублениями и отверстиями, которые можно изготовлять как при прямом, так и при обратном выдавливании. Как правило, эти поковки имеют плоские торцы и полости (отверстия).
Подгруппа Б включает поковки, предназначенные для изготовления в условиях прямого выдавливания. Эти поковки имеют либо глубокие полости, либо отверстия.
В группу III входят поковки типа фланцев, крышек, панелей и тому подобные формы, которые можно изготовлять при прямом и комбинированном выдавливании или только при комбинированном выдавливании.
Группа IV включены преимущественно мелкие поковки; которые могут штамповаться по групповой технологии - несколько поковок в одном штампе одновременно.
Важным моментом является деление исследуемых параметров, которые можно использовать для характеристики поковок, по нескольким признакам, чтобы с одной стороны подчеркнуть сложность изготовления и уникальность поковок, а с другой выявить какую математическую модель целесообразно использовать для описания формоизменения; с третьей, - оценить сложность расчетов параметров процесса штамповки рассматриваемой поковки.
В работе предлагается [26] классификация деталей на типы по признакам, которые характеризуют поковку набором параметров, присущих рассматриваемому признаку.
Первый признак оценивает уникальность поковки и сложность ее изготовления, учитывая при этом размеры поковки в плане и коэффициент использования металла (КИМ). Согласно этому признаку линейные размеры поковки характеризуют габаритные размеры детали. Производство крупногабаритных деталей уникально, т.к. требует больших усилий деформирования, а, следовательно, и применения мощных гидравлических прессов. Наряду с линейными размерами представление о размерах получаемой детали дает площадь поковки, которую указывают в конструкторской документации. КИМ характеризует рациональность формы и технологии ее изготовления. Небольшой КИМ говорит о том, что значительная часть металла идет в отходы и указывает на необходимость совершенствования технологии штамповки поковок данного класса.
) По отношению характерного линейного размера к толщине полотна поковки определяют насколько слой металла по полотну штампуемой поковки можно считать тонким. В качестве характерного размера выбирают минимальный размер межреберных зон. Чем больше указанное отношение, тем более обоснованно слой можно считать тонким.
) Отношение толщины ребра жесткости к толщине полотна поковки показывает пригодность выбранной теории моделирования данного процесса штамповки. Так, если полость под ребро жесткости имеет большую ширину по сравнению с толщиной полотна, то возможно образование «утяжин» в процессе деформирования (из-за нехватки металла перемещаемого с полотна в полость), а слишком узкая полость вызывает затрудненность затекания в нее металла. Желателен выбор рассматриваемого отношения в некотором диапазоне, обеспечивающем получение изделия без механических дефектов.
) Высота ребер жесткости по сравнению с толщиной полотна в значительной степени определяет количество переходов, т.к. относительно высокие ребра жесткости нельзя получить за один переход.
) Наличие наклонных ребер жесткости. Под наклоном ребер жесткости подразумевается их наклон к плоскости полотна в продольном направлении. Наклонные ребра жесткости формируются аналогично прямым на стадии свободного затекания, но для описания их формирования на стадии доштамповки математическая модель усложняется. Для ребер жесткости с небольшим наклоном (5 - 10°), можно принять ту же модель, что и для ребер жесткости, не имеющих уклона.
) Разнотолщинность полотна. Полотно конечной поковки может иметь клиновидную форму, что значительно усложняет исходные расчетные соотношения в рамках выбранной теории.
) Наличие бобышек. Бобышка (или, так называемый, «магазин») определяет специфические граничные условия. При этом, строго говоря, для расчета ее формообразования не совсем корректно применять тот же подход, что и для расчета формоизменения ребер жесткости.
) Одностороннее или двухстороннее оребрение. Наличие двухсторонних ребер жесткости может не играть принципиальной роли в усложнении исходной модели [27], т.к. потоки металла распределяются в зависимости от положения ребер жесткости на полотне поковки, что и определяет граничные условия. Определяющим эти граничные условия, очевидно, является форма поперечного сечения каждого из ребер.
) От марки сплава зависит реология исследуемого материала, а, следовательно, математическая модель, принятая для описания процесса. Как известно [28], кривые деформационного упрочнения для различных сплавов существенно отличаются друг от друга. Например, сплав АК6 практически не упрочняется в процессе деформирования.
Третий признак характеризует сложность расчетов с учетом следующих особенностей формы поковок.
) Количество ребер жесткости, которое характеризует сложность геометрии поковки в плане.
) Количество ячеек контура поковки, по которому оценивают многосвязность контура, а, следовательно, и сложность расчетов. При этом ячейками следует считать, как открытые (не ограниченные со всех сторон ребрами жесткости), так и закрытые (ограниченные со всех сторон ребрами жесткости) участки многосвязного контура.
) Форма поперечного сечения ребер жесткости, которая определяет граничные давления. Чем проще форма поперечного сечения ребра жесткости, тем проще расчетные формулы. Если в одной поковке имеются ребра жесткости разной формы поперечного сечения, то схема течения металла усложняется. Существенную роль играет наличие контурного оребрения, т.к. форма контурного ребра жесткости отличается от центрального, а, следовательно, должны использоваться иные соотношения для расчета граничных давлений.
) Наличие прямолинейных и криволинейных участков, а также их соотношение. Существенную роль играет форма криволинейных участков: если это дуги окружностей, то не требуется их аппроксимировать, т.к. они напрямую соответствуют расчетным схемам. В противном случае точность расчетов уменьшается. Наличие большего количества прямолинейных участков делает построение картины течения металла по полотну заготовки более точным, но усложняет расчет формоизменения ребер жесткости. Следует иметь в виду, что участки сопряжения прямолинейных отрезков контура (с небольшим радиусом сопряжения, не более 20% от длины прямолинейного участка) между собой можно не относить к криволинейным участкам.
) Наличие в поковке ребер жесткости различной толщины определяет схему течения металла по полотну поковки. Варьирование толщины применяемых в технологии штамповки «ложных ребер» жесткости позволяет регулировать течение металла по полотну заготовки.
) Ребра жесткости разной высоты существенным образом влияют на принимаемую схему течения металла, поскольку целью может быть одновременное формирование всех ребер жесткости поковки, и тогда усложняется как расчетная схема, так и технология штамповки, в зависимости от выбора технологических приемов, приводящих к достижению поставленной цели.