УДК 621.7
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
© Карамышев Андрей Павлович, канд. техн. наук, доцент; Некрасов Игорь Иванович, канд. техн. наук, доцент; Паршин Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, проф.; Пугин Александр Игоревич; Федулов Артем Анатольевич
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет». Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19. Тел.: +7 (343) 375 44 19, e-mail: mirm@mmf.ustu.ru
Статья поступила 12.08.2009 г.
Рассмотрена проблема выбора программного комплекса конечно-элементного анализа DEFORM в качестве метода исследования нестационарных процессов обработки металлов давлением (ОМД). Возможности данного пакета в решении нестационарных задач, достаточно сложных для моделирования, опробованы авторами на примере двух различных процессов ОМД - ковки на радиально-ковочной машине AVS со сложным движением инструмента и прокатки полос с односторонним оребрением. Результаты решения задач в полной мере проанализированы с использованием возможностей постпроцессора DEFORM. Наличие экспериментальных данных по исследованиям процессов прокатки полосы с односторонним оребрением и ковки прутков на машине AVS позволили оценить адекватность полученных результатов теоретическому расчету. Сделан вывод об эффективности использования программного комплекса DEFORM при рассмотрении нестационарных процессов ОМД. Полученные при этом данные позволяют проектировать новые и совершенствовать уже существующие технологии и машины обработки металлов давлением.
Ключевые слова: метод конечных элементов; комплекс DEFORM; нестационарный процесс ОМД; радиально-ковочная машина; прокатка полосы с оребрением; эквивалентные напряжения; усилие прокатки.
Аля получения достоверных сведений об изучаемых процессах обработки металлов давлением (ОМД), а также нагрузках, действующих на оборудование, применяют экспериментальные, теоретические и экспериментально-теоретические методы исследования. Экспериментальные методы исследования хотя и позволяют получить наиболее точные результаты, но достаточно часто из-за использования соответствующих технических средств либо слишком затратны, либо мало реализуемы в реальных условиях эксплуатации изучаемого оборудования. В связи с этим все более широкое распространение получают методы теоретического исследования процессов и машин, особенно благодаря развитию математических методов расчета, опирающихся на создание конечно-элементных моделей.
Метод конечных элементов (МКЭ) с появлением мощной вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения достиг такой степени развития и популярности, что вряд ли существует другой подход, способный конкурировать с ним по широте возможностей и простоте реализации. На сегодняшний день существует масса пакетов программ, универсальных и узкоспециализированных, расчетный модуль которых реализует МКЭ в том или ином объеме. Среди наиболее известных - ANSYS, DEFORM, LS-DYNA, NASTRAN, ABAQUS и др.
На кафедре «Металлургические и роторные машины» Уральского государственного технического университета ведутся теоретические исследования S нестационарных процессов ОМД с применением про-7 граммного комплекса DEFORM, разработанного аме-^ риканской компанией Scientific Forming Technologies ï Corporation (SFTC), являющейся лидером в области I моделирования процессов обработки металлов дав-< лением. Основные преимущества DEFORM - универ-s сальность, совместимость с другими программными
продуктами, широкие возможности моделирования, простой и удобный интерфейс.
Примерами нестационарных процессов ОМД являются ковка прутков и труб на радиально-ковочной машине AVS [1] и прокатка листов и полос с односторонним оребрением в холодном состоянии, характеризующиеся переменными во времени значениями напряжений и деформаций в объеме обрабатываемых заготовок. Причина появления переменных параметров очага деформации в одном случае - сложное движение бойков машины, а в другом - наличие верхнего валка с профилированной зубчатой поверхностью. Моделирование нестационарных процессов ОМД сталкивается с определенными трудностями, особенно с учетом упрочнения материала заготовок.
Моделирование ковки и прокатки с применением DEFORM и системы автоматизированного проектирования SolidWorks включало в себя на первом этапе построение виртуальных прототипов инструмента и заготовок в среде SolidWorks и перенос геометрии в препроцессор DEFORM. На рис. 1 показана схема процесса деформирования на радиально-ковочной машине AVS, включающая четыре бойка, заготовку и подающие ролики. Схема на рис. 2 упрощенно отображает очаг деформации при прокатке листов и полос с односторонним оребрением. Созданные инструмент и заготовки отражали процессы ковки прутка из стали 0Х18Н10Т диам. 30 мм на радиально-ковочной машине AVS-63 с переходом на диам. 26,5 мм, а также прокатки полосы из стали 20 толщиной 1,5 мм и шириной 70 мм на лабораторном стане кварто 55x260x220 с целью получения одностороннего поперечного оре-брения трапецеидального профиля сечения высотой 0,1-0,25 мм. Опорные валки в случае прокатки было решено исключить из рассмотрения, поскольку они не влияют на изучаемые параметры процесса.
Step 1370
Stress - Effective (МРа)
Рис. 1. Процесс деформирования на радиально-ковочной машине AVS
Рис. 2. Очаг деформации при прокатке листов и полос с односторонним оребрением
Заготовка
Воск
I
(500C
о ем Mm
1280 Mai
0
r-f
Оалок- с оребрением S,ress *Effective
Step 375
I Iojiocu
Гладкий валок
И
0,000 Min 666 Max
I
Далее созданные объемные модели в DEFORM разбивали конечными элементами, определяли законы движения инструмента, выбирали способ закрепления заготовок, задавали физико-механические характеристики материала заготовок и инструмента и выбирали закон трения в зоне их контакта. С помощью препроцессора DEFORM назначали также величины, относящиеся к работе процессора и позволяющие полностью контролировать ход решения задачи.
Результаты решения в полной мере позволяют анализировать постпроцессор программного комплекса DEFORM. Получены значения всех компонентов тензоров деформаций и напряжений, эквивалентные напряжения и деформации, значения усилий, действующих на инструмент при обработке заготовок. В качестве примера на рис. 3, а показано распределение величин эквивалентных напряжений в металле прутка для определенного момента обжатия на машине AVS, а на рис. 3, б — в материале полосы при прокатке листов и полос с односторонним оребрением в холодном состоянии на определенном шаге деформирования.
Рис. 3. Распределение величин эквивалентных напряжений в прутке для определенного момента обжатия на машине
AVS (а) и в полосе при прокатке с односторонним оребрением на определенном шаге деформирования (б)
Экспериментальные данные, полученные при исследовании процессов прокатки полосы с односторонним оребрением на стане кварто и ковки прутков на машине AVS, позволяют оценить адекватность результатов расчета, полученных с применением программного комплекса DEFORM.
Экспериментальные значения напряжений при ковке прутков на AVS-63 были получены с использованием метода Г.Д.Деля [2] посредством замера величин твердости по Виккерсу в поперечном сечении прутка от продольной оси к поверхности. В соответствии с методом зависимость между твердостью | и интенсивностью напряжений (в DEFORM исполь- 1 зуется понятие эквивалентных напряжений) являет- ^ ся единой для различных напряженных состояний, • следовательно, определенному распределению вели- | чин твердости будет соответствовать распределение < величин интенсивности напряжений. Различие экс- s
периментальных и теоретических величин эквивалентных напряжений в точках поперечного сечения, расположенных вдоль радиуса заготовки с интервалом 0,83 мм, не превышает 9,2%. Кроме того, достаточно равномерное распределение эквивалентных напряжений по сечению заготовки при ковке подтверждает установленный практически факт получения заготовок с высокими физико-механическими характеристиками при их обработке на радиально-ковочной машине ЛУБ.
Экспериментальные значения усилий прокатки полосы с односторонним оребрением были получены при проведении прокатки на лабораторном стане кварто 55x260x220, оборудованном тензометрической аппаратурой. Прокатку полос производили при относительных обжатиях в диапазоне 7-20%. Отклонение теоретических значений усилий прокатки от экспериментальных в данном процессе не превышает 4,8%.
Выводы. Проведенные теоретические исследования нестационарных процессов ОМД в программном комплексе DEFORM подтверждают эффективность его использования при определении параметров процессов ОМД, в том числе достаточно сложных с точки зрения моделирования. Полученные при этом данные позволяют проектировать новые и совершенствовать уже существующие технологии и машины обработки металлов давлением.
Библиографический список
1. Карамышев А.П., Некрасов И.И., Паршин В.С., Сыстеров В.А. Определение усилия обжатия заготовок на радиально-ковочной машине AVS // Металлург. - 2009. - № 3. - С. 61-64.
2. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. - М. : Машиностроение, 1971. - 200 с.
Экспресс-информация
ММК осваивает оцинкованный прокат из двухфазной стали
В цехе покрытий Магнитогорского металлургического комбината успешно освоено производство горячеоцинкованного высокопрочного листового проката из двухфазной феррито-мартенситной стали марки HCT500X (по EN 10336-2007) толщиной 0,8-1,5 мм шириной 1000-1250 мм.
Сталь марки HCT500X, произведенная в условиях ОАО ММК, по механическим свойствам (стт = 330+355 Н/мм2, ств = 535+555 Н/мм2, §4 = 25+27%) полностью удовлетворяла требованиям стандарта EN 10336-2007. Аналогом данной марки стали является марка стали DP500 (по стандарту ОАО «АВТОВАЗ» ТТМ 1.25.1255-2007). Данная сталь находит все более широкое применение при производстве деталей каркаса кузова автомобиля. В цехе покрытий отобраны и подготовлены к отправке акцептационные образцы горячеоцинкованного проката из стали марки HCT500X, компаниям: Benteler Automobiltechnik, Volkswagen
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.