ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ ПРИ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКЕ

PREDICTING OF FOLDING DURING DIE FORGING

Victoria Filyakova

engineer, Stupino Metallurgical Company,

Russia, Stupino

Alexey Pchelnikov

head of engineer group, Stupino Metallurgical Company,

Russia, Stupino

АННОТАЦИЯ

Одним из способов получения полуфабрикатов для последующей механической обработки является объемная штамповка. Штамповкой получают детали различной конфигурации. В процессе штамповки могут образовываться складки на поверхности поковки. Чем сложнее конфигурация поковки, тем выше вероятность образования дефектов и тем сложнее подобрать форму заготовки для исключения дефектов при штамповке. Моделирование позволяет спрогнозировать появление дефектов. Однако недостатки метода конечных элементов имеет недостатки при расчете формирования дефектов. Это создает сложности для выявления дефектов при моделировании. В данной работе предложен способ прогнозирования дефектов и их глубины по деформационному состоянию при формоизменении заготовки в штампе.

ABSTRACT

One of methods of producing work piece for mechanical working is die forging. Die forging is producing different shape workpiece. Fold can be formed on forging surface during die forging. The more complex the forging shape, the more likelihood of defects forming, the more difficult to make workpiece shape. Simulation can predicting fold forming. However, there are shortcomings in FEM (Fine Element Method) in forging simulation. This make work of engineers more difficult. In this work offered a simple method of predicting fold depth in simulation.

Ключевые слова: Qform, зажим, штамповка, дефекты при штамповке.

Keywords: Qform, fold, die forging, forging defects.

Горячая объемная штамповка позволяет получать заготовки для последующей механической обработки различной и довольно сложной формы. При штамповке происходит постепенной заполнение штампа металлом заготовки. Течение металла по фигуре штамп происходит неравномерно и возможно образование дефектов в виде складок на поверхности поковки. При этом форма существенно влияет на вероятность появления поверхностных дефектов [1]. Правильный выбор формы заготовки может полностью исключить образование дефектов на поверхности. Для этого существует довольно много программ, основанных на численных методах расчета, которые позволяют спрогнозировать течение металла в гравюре штампа и выявить образование дефектов. Наиболее известные программы на сегодняшний день это программы Deform и Qform, которые с большой точностью позволяют смоделировать процесс формоизменения заготовки при штамповке. Эти программы основаны на методе конечных элементов (КЭ) и заготовка в них представляется в виде конечно-элементной сетки. В работах [2-5] показано прогнозирование дефектов с помощью этих программ. При расчете деформации КЭ сетка переразбивается и при образовании складок форма заготовки «залечивается», что является недостатком при прогнозировании дефектов. Однако в данных программах так же существуют инструменты для прогнозирования дефектов на поверхности поковки. В данной работе рассмотрим прогнозирование поверхностных дефектов в программе Qform V8 при моделировании сложноконтурных изделий.

Поверхностные дефекты по характеру образования разделяют на утяжины, прострелы, зажимы и сдиры [6]. Сдиры образуются в результате несоответствия формы предварительного перехода окончательному. Из-за чего происходит соскабливание металла возвышающихся элементов предварительной поковки окончательным штампом (рис.1а). Зажимы образуются в результате встречного течения  металла в гравюре штампа (рис.1б). Утяжины при штамповке образуются в результате разной скорости течения металла (рис.1в). Прострелы возникают при раннем заполнении высоких элементов и затягивания металла в основание этого элемента из-за интенсивного течения металла (рис.1г).

Рисунок 1. Виды дефектов: а – сдир, б – зажим, в – утяжина, г – прострел

При моделировании, в большинстве случаев, образование дефектов выявляется визуально - при оценке процесса заполнения штампа. Однако некоторые виды дефектов, например, прострел, не выявляются при оценке формообразования поковки либо невозможно достоверно определить будет ли сформирован дефект. Еще одним признаком сформированного дефекта может быть локализация деформации. Это особенно характерно для прострела (рис.2).

Рисунок 2. Поля накопленной деформации и приповерхностные линии при простреле

Для более точной оценки возможно применение приповерхностных линий, которые достаточно точно могут показать наличие дефекта на поверхности (рис.2). По величине искажения приповерхностных линий можно определить глубину дефекта. Однако при моделировании сложноконтурных поковок применение приповерхностных линий весьма трудоемко и некоторые дефекты может легко пропустить.

Дефекты в виде прострела, сдира, утяжины и т.д. представляют собой складку на поверхности поковки, а значит, имеют сходства в напряженно-деформированном состоянии (НДС), отличающиеся от НДС остального металла поковки. Глубину дефекта можно вычислить по накоплению деформации в месте дефекта. При этом формула для расчета глубины дефекта может быть следующего вида:

где ɛ_xyz – сумма модулей главных компонентов тензора деформации.

Данный расчет в Qform V8 легко проводить с помощью пользовательской подпрограммы в поспроцессорном режиме, т.е. после проведения моделирования. Содержание подпрограммы представлено ниже.

set_target_workpiece()

Strain_dif   =result("Strain_dif", 0)

Cum_str_dif   =result("Cum_str_dif", 0)

Fold_size   =result("Fold_size", 0)

function UserFields(strain, strain_1, strain_2, strain_3, prev_Strain_dif, prev_Cum_str_dif)

Cum_str_loc=prev_Cum_str_dif

Stain_sum=((strain_1^2)^0.5+(strain_2^2)^0.5+(strain_3^2)^0.5)

if (prev_Strain_dif-Stain_sum)<0.1 then

   if prev_Strain_dif>Stain_sum then

   Cum_str_loc=prev_Cum_str_dif+(prev_Strain_dif-Stain_sum)

   end

end

Fold_size_loc=2*(2.71828^Cum_str_loc-1)

store (Strain_dif,Stain_ sum)

store (Cum_str_dif,Cum_str_loc)

store (Fold_size,Fold_size_loc)

end

В результате расчета на поверхности заготовки отображаются цветовые поля Fold_size, которые показывают глубину складки в миллиметрах.

Рисунок 3. Формирование утяжины

На рисунке 3 показан пример прогнозирования и расчета глубины дефекта в виде утяжины на поковке. По цветовым полям видно, что глубина дефекта приблизительно 2,8мм.

Данный способ прогнозирования дефектов позволяет определить глубину складки на поверхности металла и, самое главное, позволяет выявить дефекты в неочевидных местах. Это существенно снижает вероятность того, что формирование дефекта будет незамечено при моделировании.

Список литературы:

1. Ковка и штамповка : Справочник. В 4-х томах / Ред. Совет: Е.И. Семенов и др. – М.: Машиностроение, 1986. – Т.2. Горячая штамповка / Под ред. Е.И. Семенова, 1986. С 570-573.
2. J.J. Park , H.S. Hwang Preform design for precision forging of an asymmetric rib-web type component // Journal of materials processing technology. 2007. C. 595-599
3. Jong-Bong Kim1, Won-Sang Seo, Keun Park Damage Prediction in the Multistep Forging Process of Subminiature Screws// International journal of precision engineering and manufacturing. 2012. №9. С 1619-1624
4. Бовтало Я.Н. Прогнозирование возникновения дефекта – утяжины металла при комбинированном прямом, радиальном и обратном выдавливании детали типа «втулкас фланцем// Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 4. ч. 2. С 64-65.
5. M. K, Ласточкин, С. A. Стебунов, Н. В. Биба, разработка и совершенствование технологии ковки и штамповки с помощью Qform3D// Литье и металлургия. 2006. №2. С 201-207
6. Пчельников А.В., Трошин А.В. Эффективное применение моделирования для предотвращения брака в процессах горячей объемной штамповки титановых сплавов// Сборник трудов пятой всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России – 2012». МГТУ им.Баумана, 2012. -  1 электрон. опт. диск.