ISSN 0236-235X (P)
ISSN 2311-2735 (E)

Публикационная активность

(сведения по итогам 2016 г.)
2-летний импакт-фактор РИНЦ: 0,493
2-летний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования: 0,389
Двухлетний импакт-фактор РИНЦ с учетом цитирования из всех
источников: 0,732
5-летний импакт-фактор РИНЦ: 0,364
5-летний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования: 0,303
Суммарное число цитирований журнала в РИНЦ: 5022
Пятилетний индекс Херфиндаля по цитирующим журналам: 355
Индекс Херфиндаля по организациям авторов: 499
Десятилетний индекс Хирша: 11
Место в общем рейтинге SCIENCE INDEX за 2016 год: 304
Место в рейтинге SCIENCE INDEX за 2016 год по тематике "Автоматика. Вычислительная техника": 11

Больше данных по публикационной активности нашего журнале за 2008-2016 гг. на сайте РИНЦ

Вход


Забыли пароль? / Регистрация

Добавить в закладки

Следующий номер на сайте

4
Ожидается:
16 Декабря 2017

Автоматизированное проектирование инструментов на основе моделирования технологии выдавливания металлов

Automation design of tools using metal extrusion technology modeling
Статья опубликована в выпуске журнала № 3 за 2012 год. [ на стр. 225-230 ][ 12.09.2012 ]
Аннотация:В условиях современного производства все большее распространение находят процессы обработки давлением малопластичных и труднодеформируемых металлов и сплавов. Наиболее перспективным для обработки таких мате-риалов является процесс прямого гидромеханического выдавливания. Для исследования данного процесса разработана система автоматизированного проектирования. Осуществлена интеграция MATLAB с пакетом твердотельного моделирования SolidWorks и системой DEFORM 2D (3D). Проведены моделирование исследуемого процесса, расчет основных энергосиловых параметров, проверка на прочность и разработка сборочных чертежей и деталей оснастки для гидромеханического выдавливания. Решена задача включения нового технологического процесса в существующую программную среду. Практическое применение программного комплекса проиллюстрировано на примере мо-делирования процесса выдавливания труднодеформируемого сплава алюминия. Результаты моделирования показали значимость применения активного действия сил трения для снижения усилия выдавливания.
Abstract:Present day production systemы involve growing number of chipless shaping processes for low moldable and difficult-to-form metals and alloys. The most promising process to perform works with such materials is hydraulic-mechanical extrusion. Hydraulic-mechanical extrusion process of difficult-to-form metals is studied with automation design system. MATLAB is integrated with solid state modeling package SolidWorks and DEFORM 2D (3D) system. The process modeling was performed; there were calculated basic power consumption features; lasting quality was tested and assembly drawings were produced together with accessories for hydraulic-mechanical extrusion process. Practical application of this software solution was illustrated using model example of extrusion of difficult-to-form aluminum alloy. The model showed how important is the use of active force of friction that reduce extrusion forces.
Авторы: Агапитова О.Ю. (agapitova@e1.ru) - Институт машиноведения УрО РАН, г. Екатеринбург, , , Бывальцев С.В. (s_ikar@mail.ru) - Институт машиноведения УрО РАН, г. Екатеринбург, , , кандидат технических наук, Залазинский А.Г. (zal@imach.uran.ru) - Институт машиноведения Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия, доктор технических наук
Ключевые слова: deform., solidworks, matlab, деформирование, выдавливание, программный комплекс
Keywords: deform, solidworks, matlab, deforming, extrusion, software package
Количество просмотров: 5783
Версия для печати
Выпуск в формате PDF (7.64Мб)
Скачать обложку в формате PDF (1.33Мб)

Размер шрифта:       Шрифт:

На ряде промышленных предприятий при обработке давлением (выдавливании и волочении) высокоточных профилей из благородных и труднообрабатываемых цветных металлов и сплавов, а также из металлических композитов волокнистого строения возникают существенные трудности. Эти профили наряду с заданной точностью размеров по сечению должны иметь высокую чистоту поверхности, сохранять химический состав в пределах технических условий при обработке (не допускается загрязнение поверхности, которое возможно при обработке давлением), принимать требуемые физико-механические свойства [1]. Известны различные способы решения подобных задач. Так, в цветной металлургии профили из цветных металлов (алюминия, меди, титана и др.) изготавливают методами горячего выдавливания круглых литых заготовок с последующими операциями прокатки и волочения. Такие технологии целесообразно применять при изготовлении значительных объемов продукции (десятки и сотни тонн профилей), а при малых объемах затраты оказываются слишком высокими и процесс становится экономически неэффективным. Основные недостатки существующей промышленной технологии выдавливания заготовок: большие затраты энергии на нагрев металла; необходимость использования нескольких видов сложного оборудования; высокая цикличность производства, связанная с наладкой нескольких видов оборудования; возможность загрязнения прецизионных сплавов при обработке, а также наличие пресс-остатка, масса которого составляет до 30 % массы заготовки. Все это вызывает необходимость удлинить заготовки, в результате существенно увеличивается давление на инструмент.

На рисунке 1 показана зависимость удельного давления на инструмент от отношения длины контейнера к диаметру заготовки для значений вытяжки µ=5, 7, 9. Расчеты выполнены по следующей формуле:

                   (1)

где  – вытяжка заготовки; R3 – радиус заготовки; R1 – радиус калибрующего пояска матрицы; α – полуугол рабочего конуса матрицы;  – коэффициент пропорциональности в законе трения Зибеля; L1 – длина заготовки, находящейся в полости контейнера; L2 – длина заготовки, находящейся в калибрующем пояске матрицы; pd – напряжение противодавления;  – усредненное по объему очага деформации значение предела текучести деформируемого материала при растяжении [1].

В (1) знак «плюс» используется для расчета процесса прямого выдавливания, знак «минус» – для процесса выдавливания с активным трением [2].

Очевидно, что увеличение длины заготовки возможно лишь в ограниченных пределах до значения удельного давления на инструмент, равного p/ss£3,6, где p – давление на инструмент, /ss – напряжение текучести материала.

Уменьшить давление на инструмент при сопоставимых вытяжках и длине исходной заготовки позволяют методы обратного выдавливания, гидроэкструзии и выдавливание с активным действием сил трения (индикаторные диаграммы см. на рис. 2) [2].

На рисунке показано, что при прямом выдавливании на начальной стадии происходит резкое повышение усилия, что характеризует стадию распрессовки заготовки, далее усилия выдавливания снижаются из-за уменьшения влияния силы трения, возникающей на боковой поверхности «заготовка–контейнер» по мере уменьшения контактной поверхности. Увеличение длины заготовки приводит к росту максимального значения усилия выдавливания. В рассматриваемом случае более 60 % усилий пресса уходит на преодоление сил трения. Ограничение длины заготовки, которая обычно не превышает четырех диаметров, не позволяет получить однородную деформацию по всей длине и сечению заготовки, что приводит к неоднородности свойств деформируемого материала.

При обратном выдавливании основная масса выдавливаемой заготовки остается неподвижной относительно контейнера, в связи с чем диссипация мощности на поверхности «заготовка–контей­нер» равна нулю. Соответственно усилие, необходимое для обратного выдавливания, значительно ниже, чем для прямого выдавливания.

Подпись:  Примечание: 1 – прямое выдавливание, 2 – обратное вы-давливание, 3 – гидроэкструзия.
Рис. 2. Индикаторные диаграммы различных 
способов выдавливания
При гидроэкструзии (рис. 2, график 3) на большей части граничной поверхности «заготовка–контейнер» реализуется режим жидкостного трения, в результате чего создаются благоприятные условия для выдавливания. Это позволяет обеспечить большую равномерность распределения деформации по сечению и почти полностью устранить действие растягивающих напряжений.

Усилие F, необходимое для выдавливания, рассчитывается по следующей формуле:

F=R+T,                                                                     (2)

где R – сила для преодоления сопротивления деформации; Т – сила для преодоления трения, возникающего на поверхности выдавливаемой заготовки.

Увеличение силы трения снижает стойкость прессового инструмента, повышает энергосиловые параметры и неоднородность деформации. В связи с этим для обеспечения однородности деформации, снижения энергосиловых затрат и износа инструмента необходимо снижать силу трения, что возможно благодаря применению гидроэкструзии [3]. Этот процесс позволяет получать точные профили без нагрева заготовок и с минимальным трением поверхности заготовки о стенки контейнера. Однако использование подобной схемы вызывает немалые технические трудности при попытках создания полунепрерывного процесса деформации по схеме «заготовка за заготовкой». Кроме того, из-за значительного изменения объема жидкостей при высоких давлениях (упругом сжатии) в процессе деформации возможны ускорение движения заготовки, а в конце процесса даже ее выстрел. Для предотвращения этих отрицательных явлений применяют меры, существенно усложняющие технологию гидроэкструзии. В частности, известны методы гидромеханического выдавливания, сочетающие высокое гидростатическое давление с механическим усилием. При их использовании обеспечивается полное управление движением заготовки и изделия в процессе деформации, а следовательно, можно реализовать полунепрерывный производительный процесс по схеме «заготовка за заготовкой». Ряд схем гидромеханического выдавливания описан в [3].

При гидромеханическом выдавливании производятся установка заготовки в контейнер и ее деформация на заданную длину, сброс давления жидкости, установка следующей заготовки и ее деформация и т.д. Процесс происходит с приложением к задним торцам заготовок усилия, составляющего 10–15 % от общего усилия деформации. Технологической особенностью этого процесса является охват всей заготовки рабочим телом и замена сухого трения выдавливаемого металла о стенки контейнера и канал матрицы трением жидкостным с соответствующим, часто очень большим, снижением давления выдавливания.

Подпись:  
Рис. 3. Процесс гидромеханического выдавливания
Известен также ряд способов выдавливания заготовок с применением активного действия сил трения (в формуле (2) знак плюс меняется на знак минус), при которых уменьшаются неравномерность деформации и необходимое усилие выдавливания. После анализа современных энергоэффективных способов реализации выдавливания заготовок авторы пришли к выводу, что наиболее полно описанным выше требованиям удовлетворяет гидромеханическое выдавливание заготовок. В связи со сложностью реализации этого процесса существует необходимость в разработке современной системы управления им. Основой для создания АСУ является математический аппарат по моделированию данного процесса. Математическое моделирование рассматривается авторами статьи в качестве базы для последующего создания автоматизированных систем: технологической подготовки производства, проектирования оснастки и инструмента, управления технологическим процессом, управления машинами и агрегатами, управления качеством продукции.

Приведем результаты компьютерного моделирования процесса гидромеханического выдавливания. На рисунке 3 показана схема разработки и исследования процесса гидромеханического выдавливания с использованием программных средств. Согласно этой схеме, проектирование нового технологического процесса не ограничивается только созданием математической и компьютерной моделей процесса – необходимы разработка технологии изготовления деталей, проведение инженерного анализа и мониторинга поврежденности заготовок, разработка соответствующей технологической оснастки с учетом ограничений применяемого оборудования, планирование экспериментальных исследований. Для реализации поставленных задач проведена интеграция различных программных средств CAD- и CAE-сис­тем (пакеты SolidWorks и DEFORM 2D (3D)) с системой MATLAB. В основу системы проектирования положен предложенный в [4] програм- мный комплекс SimulaTMP, который предназначен для моделирования процессов ОМД. При его разработке была заложена возможность добавления новых математических и имитационных моПодпись:    
Рис. 4. Интерфейс программного комплекса для моделирования гидромеханического выдавливания
делей технологических процессов. В результате исследований в БЗ программного комплекса была добавлена математическая модель гидромехани­ческого выдавливания.

Рассмотрим работу с программным комплексом на примере исследования процесса гидромеханического выдавливания при варьировании вытяжки m от 4 до 14 и коэффициента трения y от 0 до 0,5 и заданном диаметре заготовки (рис. 4).

На начальном этапе работы исследователем вводятся исходные данные, после чего выполня- ется предварительный расчет геометрии инструмента и основных параметров технологического процесса с учетом ограничений по производительности оборудования, по удельным давлениям на инструмент, по неоднородности деформации заготовки.

При гидромеханическом выдавливании, как и при обычном, имеется оптимальный угол конусности матрицы. Этот угол минимизирует необходимое давление выдавливания. Оптимальный угол определяют согласно [5] с помощью дифференцирования и приравнивая к нулю уравнения (1). С развитием вычислительной техники и увеличением ее производительности становится возможным численное нахождение оптимального угла матрицы путем подбора по уравнению (1) посредством его минимизации.

Подпись:  Рис. 5. Зависимость усилия выдавливания от угла матрицы и коэффициента трения Рис. 6. Оптимальный угол матрицы a Рис. 7. Зависимость усилия выдавливания от коэффициента тренияПосле ввода исходных данных производится минимизация усилия выдавливания при заданных начальных условиях. Определяются исходные параметры геометрии (угол матрицы) в зависимости от значения коэффициента трения и величины вытяжки. Результаты выводятся в виде таблицы в отдельное окно.

Давление выдавливания зависит не только от углов матриц, но и от величины коэффициента трения (рис. 5): с его увеличением давление выдавливания также увеличивается.

Оптимальный угол выдавливания имеется для любого сочетания вытяжки и коэффициента трения (рис. 6, 7).

Зависимость усилия выдавливания от величины вытяжки при постоянном исходном диаметре заготовки для условий оптимальной конструкции матрицы показана на рисунке 7.

После определения исходной геометрии инструмента в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 3, создается параметрическая трехмерная модель технологической оснастки и заготовки и передается в формате *.XLS в CAD-пакет SolidWorks. Исследователь имеет возможность корректировки модели.

На основе исходных данных в результате определения усилия выдавливания и оптимального угла матрицы производится расчет размеров инструментальной оснастки для обеспечения необходимой жесткости конструкции.

После завершения редактирования модели технологической оснастки параметрическая модель (данные о конфигурации деталей) посредством экспорта и импорта данных передается в формате *.igs (*.stl) в CAE-пакет DEFORM 2D (3D) для имитационного моделирования процесса гидромеханического выдавливания. Далее проводится инженерный анализ данных, полученных с помощью компьютерного моделирования.

Подпись:  
Примечание: а) модель гидромеханического выдав-ливания; б) распределение интенсивности деформаций по сечению заготовки; в) распределение средних нормальных напряжений по сечению заготовки; г) распределение интенсивности напряжений по сечению заготовки
Рис. 8. Результаты исследования заготовки 
в DEFORM
В пакете DEFORM выполнены необходимые расчеты с применением метода конечных элементов (рис. 8). Результатом компьютерного моде- лирования процесса гидромеханического выдавливания в пакете DEFORM 2D является прог- нозирование заполнения зоны деформирования, возможности возникновения дефектов, определения потребной силы деформирования, энергии деформирования, напряженно-деформированного состояния, скорости течения материала заготовки и смазочного слоя. Сила деформирования определялась в зависимости от размера заготовки, ее формы, трения и свойств материала. Кроме того, при помощи моделирования определены такие параметры, как накопленная деформация, напряжение, направление волокна заготовки, возможность разрушения заготовки, износ инструмента.

На рисунке 8а видно, что между заготовкой и оснасткой расположен слой смазки. В процессе деформирования смазочный слой опережает заготовку, что возможно благодаря активному действию сил трения. На рисунке 8б показано, что наибольшее значение интенсивности деформаций (обозначено стрелкой), равное 0,168, наблюдается в очаге деформации на оси симметрии заготовки.

На рисунке 8в в очаге деформации преобладают сжимающие напряжения. Минимальное значение среднего нормального напряжения (обозначено стрелкой), равное –95,4 МПа, наблюдается на оси симметрии заготовки в области, расположенной в рабочем конусе матрицы. Рисунок 8г показывает распределение интенсивности напряжений по сечению заготовки.

В пакете DEFORM выполнено численное моделирование исследуемого процесса, определены напряжение и деформации узловых точек конечно-элементной сетки и усилия выдавливания на каждом шаге итерации. На втором этапе исследуются напряжения на инструменте (рис. 9). Исследователь также имеет возможность взаимодействия с пакетом DEFORM для оперативной коррекции хода расчетов.

Подпись:  
Рис. 9. Результаты исследований оснастки 
в DEFORM
На рисунке 9а показано распределение интенсивности напряжений по сечению инструмента, максимальное значение, равное 180 МПа, обнаружено в точке 1. На рисунке 9б изображено распределение главных максимальных напряжений по сечению инструмента. Максимальное растягивающее напряжение, равное 105 МПа, наблюдается в точке 2.

Инженерный анализ процесса гидромеханического выдавливания позволяет определить оптимальные условия деформирования, минимизируя усилие выдавливания и неоднородность деформации. Прогнозирование повреждений материала заготовки дает возможность еще на этапе проектирования обнаружить возможные дефекты и создать условия для их предотвращения. Расчет на прочность инструмента обеспечивает выбор материала для изготовления оснастки.

По результатам компьютерного моделирования разрабатываются чертежи для изготовления оснастки.

Таким образом, в статье представлена разработанная методика автоматизированного инженерного анализа и проектирования нового технологического процесса, к которому относится процесс гидромеханического выдавливания. В авторском программном комплексе в результате интеграции нескольких специализированных пакетов была создана САПР технологии и оснастки для реализации высокопроизводительного процесса гидромеханического выдавливания, осуществляющая моделирование процесса, расчет основных энергосиловых параметров, проверку на прочность и разработку сборочных чертежей и деталей оснастки. Анализ результатов моделирования процесса гидромеханического прессования представлен в наглядном виде и показывает, что активное действие сил трения снижает усилие выдавливания.

При разработке ПО решена задача включения нового технологического процесса в существующую программную среду. Созданный програм- мный комплекс может найти широкое применение при разработке новых и оптимизации существующих технологий, а также использоваться как учебное пособие для построения сложных интегрированных программных комплексов.

Литература

1.     Залазинский А.Г. Пластическое деформирование структурно-неоднородных материалов. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 492 с.

2.     Данилин А.В Исследование напряженно-деформи­рованного состояния и особенностей течения металла при прессовании прямым и СПАТ способами труднодеформируемых сплавов // Изв. вузов, Черная металлургия. 2004. № 5. С. 45.

3.     Береснев Б.И., Гайворонский А.Т., Замараев В.К., Хамитов А.А. Гидропрессование. Екатеринбург: Изд-во ИПМ УРО РАН, 1998. 241 с.

4.     Залазинский А.Г., Бывальцев С.В. Программный комплекс для реализации экспериментально-аналитического метода моделирования процессов деформации металлических заготовок // Вестн. компьютер. и информ. технологий. 2006. № 11. С. 46–51.

5.     Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2001. 836 с.


Постоянный адрес статьи:
http://swsys.ru/index.php?page=article&id=3248
Версия для печати
Выпуск в формате PDF (7.64Мб)
Скачать обложку в формате PDF (1.33Мб)
Статья опубликована в выпуске журнала № 3 за 2012 год. [ на стр. 225-230 ]

Возможно, Вас заинтересуют следующие статьи схожих тематик: