Modeling of upsetting process of a cylindrical workpiece

Abstract


The modeling of upsetting process of a cylindrical workpiece in the software package QForm 2D/3D presented. Numerical experiment allowed us to determine the rational technological parameters of the process and to assess the stability of the shape of the workpiece during the deformation with the aim of obtaining quality products. The features of the process of deformation at a deposit of the workpieces were investigate, related to the physical characteristics of the material, a scale factor types of equipment and technological parameters of the process. The obtained results can be used to solve technological problems related to the improvement of processes of production with the aim of increasing automation of production and quality of finished products, reduce the cost of their production.

Full Text

Основой многих прогрессивных ресурсосберегающих технологий является обработка металлов давлением, среди известных методов которой наиболее эффективным является осадка, позволяющая значительно экономить материал при производстве поковок [1-6]. Повышение эффективности технологии обработки металлов давлением является актуальной задачей. С точки зрения экономичности при разработке оптимальной технологии обработки металлов давлением преимущество имеет программная реализация численных методов [7]. Задачи производства, связанные с минимизацией затрат на освоение и отладку новых технологий, усовершенствование и оптимизацию форм рабочего инструмента и заготовки, успешно решаются путем применения математического моделирования процессов обработки металлов давлением. В этом отношении большое значение имеет реализация численных экспериментов процесса осадки в программном пакете QForm 2D/3D, который является комплексом инжинирингового программного обеспечения для разработки, анализа и оптимизации технологий обработки металлов давлением. Данный пакет разработан компанией ООО «КванторФорм». Суть моделирования при этом заключается в дискретизации объема заготовки и многократной автоматической перестройке сетки конечно-элементной расчетной модели с учетом краевых условий, при этом обеспечивается необходимая точность решения пластических задач. Работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния цилиндрической заготовки при осадке путем проведения численного эксперимента с применением конечно-элементного анализа в программном комплексе QForm 2D/3D. При этом проведен анализ напряженно-деформированного состояния цилиндрической заготовки при осадке с учетом различных конфигураций прессового инструмента, масштабного фактора заготовки и технологических параметров осадки (температуры деформирования, скорости деформирования, условий трения между прессовым инструментом и заготовкой, уровня осадки, физико-механических характеристик материала заготовки). Рассмотрена задача пластического деформирования при осадке заготовки в осесимметричной постановке, основанной на разрешающих уравнениях, полученных на основе принципа минимума полной потенциальной энергии для системы перемещений, реализуемой в деформированной заготовке, с учетом граничных условий на ее поверхности [2, 3, 6]. В модели учтена полная система дифференциальных уравнений теории пластичности [2-6]: (1) , (2) Т = Т (Г), , (3) где , - компоненты тензора напряжений и деформаций соответственно; - компоненты вектора перемещений; Т - интенсивность касательных напряжений; Г - интенсивность деформаций сдвига. Система уравнений (1)-(3) включает дифференциальные уравнения движения, которые при условии малости удельных массовых сил и ускорений движения частиц тела имеют вид (1), кинематические соотношения для малых деформаций (2), физические уравнения (3). Решена система уравнений (1)-(3) с учетом граничных условий в перемещениях и напряжениях на соответствующих поверхностях модели с применением метода конечных элементов. Была создана математическая модель процесса осадки как сплошной, так и полой цилиндрической заготовки с учетом реальных свойств материала и конкретных условий деформирования, исследовано напряженно-деформированное состояние осаживаемых заготовок, проведен анализ полученных результатов. Были осуществлены следующие численные эксперименты: осадка сплошной и полой цилиндрической заготовки, выполненной из стали (Ст45) и алюминия. В качестве инструментов были выбраны механический пресс 80 МН и молот 23 т. Расчеты проводились с учетом осадки с деформацией от 10 до 75 %, режим трения определялся выбором вида смазки из базы данных пакета QForm - либо отсутствие смазки, либо идеальная смазка (графит + вода). Был исследован процесс осадки цилиндрических заготовок разных видов: а) между параллельными плоскими плитами; б) между параллельными плоскими плитами с отверстием в основании; в) между параллельными плоскими плитами с двумя отверстиями. Численный эксперимент процесса осадки цилиндрических заготовок позволил проанализировать возникающие напряженные состояния при деформировании с применением различных видов оборудования, учета сопротивления деформации разных материалов, масштабного фактора и разных условий трения. Например, на рис. 1 представлено распределение среднего напряжения по сечению осаживаемой без смазки сплошной цилиндрической заготовки, выполненной из стали 45. Полученные при численном эксперименте результаты, подобные тем, что изображены на рис. 1, хорошо согласуются с экспериментальными данными, которые известны из научной литературы [2, 4, 6], и подтверждают теоретические основы, описывающие особенности процесса деформирования при осадке сплошной и полой цилиндрической заготовки. Одним из многих проведенных численных экспериментов является расчет напряжений при решении задачи об устойчивости формы заготовки. Рис. 1. Анализ напряженного состояния сплошной цилиндрической стальной заготовки, осаживаемой без применения смазки между плоскопараллельными плитами пресса Рис. 2. Деформирование полой цилиндрической заготовки при осадке без смазки Основным дефектом осадки полых (кольцевых) заготовок является потеря устойчивости формы вследствие тонкостенности заготовки. На рис. 2 представлено распределение среднего напряжения по сечению полой заготовки при потере устойчивости формы (расчет был проведен для осадки без смазки). На рис. 2 видно, что потеря устойчивости формы полой заготовки сопровождается неравномерным распределением напряжений по сечению заготовки и искажением внутренней и внешней поверхности заготовки. Это связано с характером двустороннего радиального течения металла при осадке полой заготовки. На внешней поверхности наблюдается явно выраженная выпуклость, а на внутренней поверхности образуются складки смятия поверхности. Анализ параметров осадки позволяет выбрать такие режимы деформирования, при которых будет сохраняться устойчивость ее формы. Таким образом, моделирование технологического процесса осадки цилиндрической заготовки в программном пакете QForm 2D/3D позволяет решать задачи рационального выбора технологических параметров с целью получения качественного изделия. Полученные результаты могут быть полезны предприятиям машиностроительной промышленности, заинтересованным в совершенствовании технологических процессов обработки металлов давлением с целью повышения уровня автоматизации производства и качества готовых изделий, снижения себестоимости их производства.

About the authors

T. E Mel’nikova

Perm National Research Polytechnic University

Email: dpm@pstu.ru

Iu. A Kazarinova

Perm National Research Polytechnic University

Email: monic17@mail.ru

References

  1. Килов А.С. Обработка материалов давлением в промышленности / Оренбург. гос. ун-т. - Оренбург, 2003. - 266 с.
  2. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2001. - 836 с.
  3. Малинин Н.Н. Технологические задачи пластичности и ползучести. - М.: Высшая школа, 1979. - 119 с.
  4. Деформации и напряжения при обработке металлов давлением / П.И. Полухин, В.К. Воронцов, А.Е. Кудрин [и др.]. - М.: Металлургия, 1974. - 336 с.
  5. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. - М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.
  6. Теория обработки металлов давлением / И.Я. Тарновский, А.А. Поздеев, О.А. Ганаго [и др.]. - М.: Металлургиздат, 1963. - 672 с.
  7. Боровик П.В., Усатюк Д.А. Новые подходы к математическому моделированию технологических процессов обработки давлением / Дон. гос. техн. ун-т. - Алчевск, 2011. - 299 с.

Statistics

Views

Abstract - 1

PDF (Russian) - 1

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies