Стебунов С.А., кандидат технических наук, генеральный директор Гладков Ю.А., кандидат технических наук
Каневский С. С.
(ООО «КванторФорм») Пьянков И.Б., генеральный конструктор
Елисеева О.А., кандидат технических наук, заместитель генерального дире-кора по науке
(Научно-технический центр «Комплексные модели»)
ОБЗОР ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОГРАММЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ШТАМПОВКИ И МЕТАЛЛООБРАБОТКИ «ММТПМ (ШТАМПОВКА)»
Рассмотрены возможности программного комплекса для параллельных вычислений по математическому моделированию технологических процессов металлообработки («ММТПМ»). Комплекс разработан для использования на этапах проектирования высокотехнологичных технически сложных объектов с целью повышения качества проектирования и снижения издержек на их разработку. Показаны результаты моделирования процессов металлообработки (объемная штамповка, ковка, облойная и безоблойная штамповка, вальцовка), произведенных в разработанном программном комплексе.
Ключевые слова: штамповка, металлообработка, математическое моделирование.
OVERVIEW OF THE FEATURES OF MMTPM (SHTAMPOVKA) PRESSWORKING AND METAL WORKING TECHNOLOGY PROCESSES MATHEMATICAL
MODELING SOFTWARE
The possibilities of software for parallel computing for the mathematical modelling of technological processes of metals treatment («MMTPMT») are examined. The complex is designed to be used during the design of highly complicated systems to improve design quality and reduce costs for their development. The results of modelling of metal processing are displayed (die forging, blacksmithing, blanking, roll forging), produced in the designed complex.
Keywords: forging, metal-working, mathematical modeling.
Введение
Программы для моделирования металлообработки приобретаются заводами после тестов и сравнений с результатами экспериментов. Многочисленные тесты программных продуктов в промышленных условиях показали, что качество ПО характеризуется интегрированным показателем, объединяющим следующие характеристики: точность и скорость расчета, обеспеченность базами данных материалов и оборудования, простотой использования и качеством обслуживания. По данному интегральному показателю программный комплекс «ММТПМ (штамповка)» можно отнести к передовому программному обеспечению.
Программа «ММТПМ (штамповка)» является российской разработкой для моделирования процессов металлообработки: объемная и листовая штамповка, ковка, облойная и безоб-лойная штамповка, вальцовка, сортовая прокатка, раскатка колец и термообработка. Программа «ММТПМ (штамповка)» разработана научным коллективом ООО «КванторФорм» и НТЦ «Комплексные модели», опираясь на многолетний опыт исследований в области моделирования процессов обработки металлов давлением. Разработка велась в контакте с производителями поковок.
Особенности «ММТПМ (штамповка)»
Среди особенностей, отличающих «ММТПМ» и делающих ее эффективной для технологов, необходимо выделить то, что это единая программа для двумерного и трехмерного моделирования. В сложных технологических процессах, где требуемая конечная форма поковки достигается за несколько штамповочных переходов и соответствующим усложнением формы поковки и инструмента, программа предлагает легкий переход от 2Б к 3Б моделированию.
Интерфейс программы понятен и прост для понимания пользователем, а время подготовки данных для расчета минимально (рис. 1).
Рис. 1. Окно программы «ММТПМ(штамповка)»
Подготовка проекта выполняется пошагово. При помощи «мастера» и следуя указаниям программы, пользователю необходимо импортировать из любой CAD системы файл с геометрией штампов и заготовки, выбрать из базы данных материал, оборудование, смазку, задать температуру нагрева и запустить расчет. Имеется возможность сохранения расчета в виде анимации или рисунков.
Моделирующее ядро программы основано на методе конечных элементов (МКЭ). Конечно-элементная модель, следуя за движением «частиц» металла, позволяет детально отследить аспекты деформации по всему объему тела и обнаружить дефекты не только на поверхности поковки (складки и соскрёбы), но возникающие внутри «прострелы». «Вмороженные» в деформируемое тело «лагранжевые» линии наглядно показывают картину течения и форму «волокон» (макроструктуру) металла. Также, при помощи «лагранжевых» линий
можно определить дефекты, возникающие внутри тела раскатанных поковок, которые можно выявить в эксперименте только при помощи ее разреза. В отличие от многих конечно-элементных программ «ММТПМ (штамповка)» использует не линейную, а квадратичную аппроксимацию геометрии инструментов и поковки, что делает расчет значительно более точным и надежным.
Одним из узких мест для любой программы инженерного анализа (CAE) является передача геометрической информации из CAD системы. Вместо импорта STL геометрии, содержащей линейную аппроксимацию геометрии штампов, в «ММТПМ (штамповка)» был применен импорт полноценных твердотельных моделей через STEP и IGES форматы.
В процессе расчета от пользователя не требуется вмешательства в процесс моделирования. Программа самостоятельно определяет места, требующие различной плотности сетки, и автоматически генерирует ее с учетом оптимального распределения размеров элементов.
Высокое быстродействие обеспечивается применением современных алгоритмов для разреженных матриц, основанных на прямых и итерационных методах, и параллельных вычислениях на многопроцессорных и многоядерных ЭВМ. На современном компьютере доступно моделирование самых сложных поковок, включая коленчатые валы, рычаги подвески, шатуны и др.
Использование программы
«ММТПМ (штамповка)» позволяет моделировать весь технологический процесс получения изделий, включая заготовительные операции, нагрев, собственно деформацию ковкой или штамповкой в несколько переходов, обрезку облоя, термообработку и охлаждение. Особые преимущества дает применение программы для разработки малоотходной технологии, включающей в себя вальцовку заготовки для придания ей оптимальной формы.
Для примера был рассмотрен вариант изготовления шатуна с несимметричной головкой (рис. 2). Технология, для которой выполнялось моделирование, состоит из четырех переходов вальцовки, осадки, плющения, предварительной и окончательной штамповки, т.е. восьми переходов. Данная технология была предложена, как альтернатива существующей технологии, в которой получалось неблагоприятное волокнистое строение. Новая технология решила эту проблему, однако, имела недостаток - сравнительно большой излишек металла вытекал в облой, что было выявлено в ходе моделирования. Этот пример хорошо демонстрирует возможности программы для расчёта длинной цепочки различных операций.
Рис. 2. Фотография поковки шатуна с несимметричной головкой
«ММТПМ (штамповка)» моделирует течение металла в калибрах при вальцовке и выдает получаемую форму заготовки, которая в силу сложности процесса может существенно отличаться от предполагаемой (рис. 3).
Рис. 3. Моделирование вальцовки перед штамповкой шатуна: а, б, в, г -стадии вальцовки
Таким образом, моделирование позволяет внести корректировку в форму калибров и гарантировать их оптимальное заполнение еще на этапе проектирования, что позволяет избежать потерь на изготовление дорогостоящего инструмента для проведения эксперимента.
В рамках этого же расчетного проекта заготовка, полученная при моделировании вальцовки, передается далее по технологической цепочке для моделирования деформации металла при штамповке на прессе (рис. 4 - 6).
Рис. 4. Моделирование предварительных операций горячей штамповки шатуна из вальцованной заготовки: а - осадка; б - плющение
Рис. 5. Моделирование штамповки шатуна - предварительная штамповка
Рис. 6. Моделирование штамповки шатуна - конечная форма поковки после окончательной штамповки (синий цвет - зона контакта металла с гравюрой штампа для оценки его заполнения)
При моделировании анализируется заполнение штампов, требуемое усилие, распределение температуры, проработка структуры заготовки, а также напряжения и деформации в штампах. При обнаружении каких-либо дефектов (складок, прострелов и т.д.) можно внести изменения в форму заготовки и повторить расчет, создав в рамках проекта новый «вариант». При этом нет необходимости заново задавать все исходные данные. Они автоматически копируются из исходного варианта за исключением тех, которые претерпели изменения. Такая организация данных значительно ускоряет работу.
«ММТПМ (штамповка)» позволяет моделировать течение металла при свободной ковке, при помощи метода конечных элементов. В качестве примера на рис. 7 показана схема процесса развертки особо крупной кольцевой заготовки клиновым штампом с углом разворота 90о.
Рис. 76. Схема процесса развертки кольцевой заготовки клиновым штампом
Основной особенностью процесса является отрыв центральной части заготовки от нижнего штампа на заключительной стадии развертки (рис.8).
а б в г
Рис. 8. Развертка кольцевой заготовки клиновым штампом: а - начальное положение; б, в - промежуточное положение; г - конечная форма поковки
Структура данных «ММТПМ (штамповка)» удобна для переноса задач с компьютера на компьютер и поддержки на удаленном доступе через интернет. База данных материалов содержит более 500 марок сталей, десятки сплавов цветных и тугоплавких металлов, что обеспечивает потребности подавляющего большинства пользователей.
Параметры технологического оборудования легко задаются пользователем: механические, винтовые и гидравлические прессы, молоты, электровысадочные машины, ковочные вальцы и прокатные станы. Число независимо движущихся инструментов может достигать 20, что позволяет моделировать современные технологические процессы в сложных штампах с пружинными и пневматическими прижимами. При этом сами штампы могут быть составными и предварительно напряженными (собранными с натягом) и также подлежат расчету напряженно-деформированного состояния.
Повышение эффективности производства и качества поковок
«ММТПМ (штамповка)» позволяет моделировать разнообразные процессы обработки давлением в горячем, теплом и холодном состоян
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.