ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «DEFORM 3D» ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается программный продукт «Deform 3D» (разработанный компанией SFTC, Канада) и его модули, как основные, так и дополнительные. На примере моделирования процесса фрезерования детали «Сектор» показано практическое применение данного комплекса. Применение «Deform 3D» в процесс конструкторско – технологической подготовки производства позволяет моделировать различные операции обработки металлов давлением и резанием, что позволяет на этапе проектирования проанализировать деформационные и температурные нагрузки инструмента на заготовку и позволит уменьшить процент брака при изготовлении детали, а также увеличить производительность.

Ключевые слова: «Deform 3D»; фрезерование; модуль; процесс моделирования.

Deform 3D – система конечно-элементного моделирования, которая предназначена для анализа трехмерного течения металла при различных процессов металла давлением и резанием. Это практичный и эффективный инструмент, позволяющий прогнозировать характер формообразования при операциях обработки металлов давлением и резанием без существенных затрат на экспериментальные исследования.

Использования в производстве программного комплекса Deform 3D позволяет:

• снизить долю затрат на испытание и модернизацию процессов и оснастки;
• усовершенствовать конструкцию инструмента, чтобы уменьшить стоимость его производства и расход материала;
• сократить затраты по времени от начала проектирования до внедрения готового решения.

Deform 3D – это набор специальных модулей для решения различных задач. Deform 3D включает в себя следующие модули:

1. Deform 2D - может моделировать плоскую деформацию и осесимметричные детали с помощью двухмерных моделей. Полностью укомплектованная всеми модулями программа содержит последние разработки в области конечно-элементного моделирования.
2. Deform 3D - основной модуль программного комплекса, который моделирует сложные трехмерные задачи, которые не решаются с помощью двухмерного модуля.
3. Deform 3F - модуль трехмерного моделирования холодных, теплых и горячих ковочных процессов.
4. Deform HT. Распространяется как модуль к Deform 2D и Deform 3D. Кроме моделирования деформаций данный модуль может моделировать воздействие тепловых процессов на твердость заготовки, объем фазовых включений в металлической структуре, остаточные напряжения и содержание углерода.
5. Deform 3D Machining позволяет моделировать обработку метал­лов резанием (точение, сверление, фрезерование, нарезание резьбы).

Для постановки задачи, ее решения и просмотр результатов Deform 3D использует следующие компоненты:

• Pre Processor необходим для создания, сбора или изменения данных, требуемых для проведения расчета;
• Simulator - для проведения вычислительных расчетов и записи полученных результатов;
• Post Processor - для просмотра результатов моделирования.

Препроцессор программы представляет собой графический интер­фейс для ввода необходимых параметров для моделирования процесса фрезерования.

Исходными данными для моделирования процесса фрезерования являются:

• описание объекта – геометрия, параметры сетки конечных элементов, температура процесса, материал объекта и так далее;
• данные материала объектов – это данные, описывающие поведения материалов при разных условиях;
• условия взаимодействия объектов – параметры, описывающие взаимодействие объектов друг с другом, включая характер взаимо­действия, силу трения, теплопередачу и так далее;
• управление моделированием – выбор метода решения, с помощью которых программа будет находить решения системы конечно-элементных уравнений, а также условия окружающей среды, количество шагов моделирования.

Основные команды, необходимые для задания расчета.

1.  Simulation Controls – настройка параметров, контролирующих процесс моделирования.

Методы расчета:

• Langrangain Incremental (Анализ Лангранжа) применяется по умолчанию во всех процессах, при моделирование свободной ковки, прокатки, механической обработки, волочение, штамповки и так далее;
• Ale Rolling применяется для расчета процессов прокатки;
• Ring Rolling применяется для расчета раскатки колец.

Для расчета задачи в данной статье используется Langrangaing Incremental.

Возможные режимы моделирования:

• деформирование, моделирует деформацию заготовки, вызванную механическим воздействием;
• теплопередача, моделирует образование тепла в зоне механи­ческих воздействий.

Для моделирования процесса фрезерования используют оба режима моделирования – деформирование и теплопередача.

Шаг – это точка, в которой PreProcessor будет производить расчет необходимых уравнений. Чтобы задать необходимое количество шагов для более точного расчета существуют разные способы. Также коли­чество шагов расчета зависит от функциональных возможностей ЭВМ, на которой будет производиться расчет.

2.  Inter - object – взаимодействие объектов.

В данном меню задается взаимодействие двух объектов друг с другом. При этом необходимо задать взаимодействие двух объектов – заготовка и инструмент. Главный объект – инструмент, подчиненный – заготовка. Их взаимодействие основано на коэффициенте трения. При моделирование процесса фрезерования будем принимать стандартный коэффициент трения между заготовкой и инструментом равным 0,1.

3.  Material – задание данных материала деформируемого объекта.

PreProcessor позволяет задавать следующие свойства материала:

• свойство пластичности материала;
• упругие свойства;
• тепловые свойства;
• диффузионные свойства;
• твердость материала;
• электромагнитные свойства;
• дополнительные.

В библиотеке материалов Deform имеется некоторое количество марок материалов и сплавов для проведения необходимых задач. Если необходимый материал отсутствует в библиотеке его необходимо добавить и ввести все его основные свойства. Если необходимый материал имеется в библиотеке, то свойства материала добавляются автоматически.

4.  Database Generation – генерация базы данных. С помощью данной команды все заданные параметры для решения задачи форми­руются в единую базу данных, которая решается с помощью Simulator.

Скорость решения задачи через Simulator зависит от сложности задачи, количества шагов, размера сетки, технических способностей ЭВМ и других факторов.

В окне Simulator можно видеть какой шаг рассчитывается в данный момент, какой вид расчета проводит решатель. Также в Simulator можно видеть, что происходит с базой данных, которую сформировали для решения задачи.

После окончания расчета результат можно просмотреть через Post Processor как в виде графиков, так и в виде эпюр нагружения.

Практическое применение программного комплекса «Deform 3D» рассмотрим на примере детали типа «Сектор». 3D модель детали «Сектор» представлена на рисунке 1.

Исходными данными для моделирования процесса фрезерования поверхности детали «Сектор» будут:

• Фреза Ø 12AL-3R-D12R1-AIR ZCC со скругленной режущей частью радиусом 1 мм (см. рисунок 2). Материал данной фрезы YK40F – это ультрамелкозернистый твердый сплав с хорошей износостойкостью. Предназначен для обработки алюминия на высоких скоростях.
• материал детали АМг6 ГОСТ 4784-97, свойства данного мате­риала представлены в таблице 1;
• режимы резания, по каталогу ZCC для Фрезы Ø 12AL-3R-D12R1-AIR ZCC для обработки материала АМг6, используют следующие режимы: 1. Скорость резания – 800 мм/мин. 2. Глубина резания 0,5‑2 мм. 3. Число оборотов шпинделя – 10000 об/мин. 4. Подача на зуб – 0,09 мм/зуб.
• деталь «Сектор» с тонкой стенкой толщиной 0,48 мм (см. рисунок 1).

Смоделируем процесс фрезерования в программном комплексе «Deform 3D» сначала с глубиной резания 1,5 мм, потом с глубиной резания 1 мм.

Рисунок 1. Деталь «Сектор»

Рисунок 2. Фреза Ø 12AL-3R-D12R1-AIR ZCC

Рисунок 3. Модель расчета

Таблица 1.

Механические свойства материала детали «Сектор» АМг6 ГОСТ 4784-97

Произведем расчет полученной модели фрезерования и проанали­зируем результаты.

Рисунок 4. Эпюра давления режущего инструмента на заготовку на 25 шаге расчета при глубине резания 1,5 мм.

Рисунок 5. Эпюра давления режущего инструмента на заготовку на 125 шаге расчета при глубине резания 1,5 мм.

Рисунок 6. График нагрузки режущего инструмента на заготовку по оси Y при глубине резания 1,5 мм.

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что при фрезеровании глубиной резания 1,5 мм на 25 и 125 шаге расчета давления фрезы на заготовку составит 530 и 532 МПа, что превышает предел текучести материала АМг6 (см. таблицу 1) в 490 МПа. Это явление приводит к так называемому «затягиванию» фрезы в мате­риал, что приводит к появлению брака на тонкостенных поверхностях, таких как: след от инструмента, коробление тонкостенной поверхности, выги­бание тонкостенной поверхности и других видов брака. Пиковая нагрузка при фрезеровании глубиной 1,5 мм составит 2220 Н (см. рисунок 6).

Проанализируем результаты моделирования при глубине фрезе­рования 1 мм.

Рисунок 7. Эпюра давления режущего инструмента на заготовку на 25 шаге расчета при глубине резания 1 мм.

Рисунок 8. Эпюра давления режущего инструмента на заготовку на 125 шаге расчета при глубине резания 1 мм.

Рисунок 9. График нагрузки режущего инструмента на заготовку по оси Y при глубине резания 1 мм.

Из эпюр нагружения (см. рисунок 7, 8) на шаге 25 и 125 при глубине фрезерования 1 мм давления режущего инструмента на заготовку составляет 381 и 431 МПа, что не превышает предел текучести материала в 490 МПа, таким образом возникновения брака на тонкостенных деталях снижается при уменьшении глубины резания.

Пиковая нагрузка при фрезеровании глубиной 1 мм составит 1710 Н (см. рисунок 9).

Таким образом, внедрение программного комплекса «Deform 3D» позволяет оптимально подобрать режимы резания для фрезерования, что позволит значительно снизить вероятность появления брака, тем самым повышая эффективность фрезерования.

Список литературы:

1. Паршин В.С., Карамышев А.П. «Практическое руководство к программному комплексу DEFORM – 3D»: учебное пособие. – Екатеринбург: УрФУ, 2010. – 266 с.