Дослідження процесу штампування заготовки деталі «муфта» із використанням програми DEFORM Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 56 Каразей В.Д., Соколан К.С., Решетник П.П. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail:wkarazey@mai.ru ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ШТАМПУВАННЯ ЗАГОТОВКИ ДЕТАЛІ «МУФТА» ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ ПРОГРАМИ DEFORM УДК 621.777.4 Проектування технологічних процесів в сучасних CAD/CAM/CAE системах дозволяє скоротити витрати, що можуть появитися у процесі виробництва, оскільки є можливість більш точно прогнозувати дефекти різного ро- ду, що пов’язані із недосконалою технологією. Це дає можливість вивчити процеси деформування металів при різ- них видах руху інструментів, змінюючи умови тертя, моделі пластичності та реологічні характеристики матеріалу. Програма DEFORM призначена для аналізу тривимірної текучості металу при різних процесах обробки металів тис- ком. Використання програми дає можливість прогнозувати характер формозміни металів при обробці тиском, за ра- хунок чого суттєво знижуються витрати на експериментальні дослідження. Використання програми DEFORM дає можливість дослідження зміни величини переміщень та напружень, що виникали, в залежності від часу перебігу процесу. Ключові слова: штампування видавлюванням, обробка тиском, моделювання, пуансон. Вступ Холодне об`ємне штампування є одним із прогресивних ресурсозберігаючих методів отримання виробів високої якості, при застосуванні якого витрати металу зменшуються у 2 … 3 рази. Холодним об`ємним штампуванням отримують вироби з точністю до 8 - 9 квалітету та шорсткістю поверхні Ra 1,25 - 6,3 мкм, із високими і стабільними механічними властивостями, тобто покращується якість по- ковок в цілому, що призводить до зменшення припусків на подальшу обробку [1, 2]. Штампування видавлюванням застосовують для отримання поковок із низьковуглецевих та ни- зьколегованих сталей, у яких сталей границя міцності на розрив (у стані поставки) не перевищує 600 МПа. Сталь для отримання хорошої мікроструктури підлягає термообробці – відпалюванню. Застосування сучасних пакетів прикладних програм для проектування технологічних процесів для різних видів виробництв в основному орієнтовано на зменшення строків підготовки виробництва, ві- дпрацювання технології, а також мінімізації фінансових витрат. Проектування технологічних процесів виготовлення заготовок в сучасних CAD/CAM/CAE системах дозволяє також скоротити витрати на ви- робництво готових деталей, оскільки сучасні інтерактивні технології дають можливість з більшою точні- стю прогнозувати дефекти заготовок різного роду. Програма DEFORM [3, 4] призначена для аналізу тривимірної текучості металу при різних про- цесах обробки металів тиском. Використання програми дає можливість прогнозувати характер формо- зміни металів при обробці тиском, за рахунок чого суттєво знижуються витрати на експериментальні до- слідження; також дає можливість вивчити процеси деформування металів при різних видах руху інстру- ментів, змінюючи умови тертя, моделі пластичності та реологічні характеристики матеріалу. Мета і постановка задачі Метою роботи є дослідження технологічного процесу холодного видавлювання пустотілої заго- товки деталі «Муфта М25 SP» із заданою конфігурацією та геометричними розмірами. Результати дослідження DEFORM – система кінцевого елементного моделювання, яка призначена для аналізу тривимір- ного потоку металу при різних процесах обробки металу тиском. Програма являє собою практичний і ефективний інструмент, що дозволяє прогнозувати характер формоутворення при операціях обробки ме- талів тиском без значних витрат на експериментальні дослідження. В даній програмі є можливість автоматичного розбиття сітки скінчених елементів під час моде- лювання (адаптивна побудова сітки). Генератор сіток дозволяє створювати сітку скінчених елементів, розміри яких в окремих частинах моделі будуть розрізнятися в залежності від специфіки процесу, що аналізується. Це значно понижує об’єм поставленої задачі та вимоги до апаратних засобів для їх розв’язання. Важливою особливістю програми є те, що користувач може настроювати щільність сітки і спів- відношення розмірів кінцевих елементів при роботі у ручному режимі. Другою перевагою програми є можливість побудови геометричних моделей заготовок та інструменту без додаткових САD-систем. Дослідження процесу штампування заготовки деталі «муфта» із використанням програми DEFORM Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 57 Програма дозволяє моделювати пластичну текучість матеріалу для гарячих, напівгарячих та хо- лодних процесів, причому це можуть бути як ізотермічні так і неізотермічні процеси. Теплопередача між об’єктами та всередині них може бути проаналізована як окремий процес або сумісно із процесом дефо- рмування по спряженій схемі. При розрахункові приймаються до уваги всі фактори, що впливають на процес штампування: конвекція, випромінювання, тепловиділення при фазових переходах та пластичних деформаціях; виділення теплоти при терті, втрати теплоти у зоні контакту між заготовкою та інструмен- том, вплив температури на коефіцієнт тертя і термомеханічні характеристики матеріалу, вплив тиску на трибологічні характеристики. Інструмент може бути нерухомим або переміщуватися у будь-якому напрямку залежно від пара- метрів заданого устаткування. Також інструмент може бути абсолютно жорстким або пружним, що де- формується. Є можливість аналізу міцності штампу, однокроковий алгоритм дозволяє це зробити як для жорсткого, так і пружного інструменту на кожному крокові процесу. Кінцеві елементи та моделі матері- алів дозволяють відслідковувати місця руйнування матеріалів. Для складних процесів присутня можли- вість задавати параметри багатоперехідних процесів. Для запуску процесу моделювання необхідні такі вихідні дані: - опис об’єкту – геометричні параметри, параметри сітки кінцевих елементів, температура про- цесу, матеріал об’єкту; - дані матеріалу об’єкта – дані, що описують поведінку матеріалу в умовах, в яких буде моделю- ватися віртуальний процес; - умови взаємодії об’єктів - параметри, що описують взаємодію об’єктів, включаючи характер взаємодії, тертя і теплопередачу між ними; - управління моделюванням, тобто вибір методів рішення, за допомогою яких програма буде знаходити розв`язок системи кінцево-елементних рівнянь, а також умови стану середовища процесу, кі- лькість кроків моделювання; - властивості матеріалу – властивості, що описують фізичні процеси , що проходять в матеріалі під час міжфазового перетворення при моделюванні термічної обробки. На рис. 1 зображено головний інтерфейс програми. Система DEFORM складається з трьох основних компонентів: - PreProcessor (Препроцесор) використовується для створення, збору чи зміни інформації, необ- хідної для проведення розрахунків і для створення файлу бази даних для розрахунку; - Simulator (Процесор) необхідний для проведення розрахунку і запису отриманих результатів в кінцевий файл бази даних. Разом з вирішенням задачі працює система перерозподілу елементів, яка при необхідності може створити нову сітку скінченних елементів. Одночасно відбувається запис інформації про статус рішення, в тому числі і помилки, в файли з розрішенням MSGі .LOG. - PostProcessor (Постпроцесор) необхідний для зчитування бази даних після завершення моде- лювання і відображення результатів в вигляді графіків, а також витяг числових даних. Рис. 1 – Інтерфейс програми DEFORM При використанні першої підпрограми (препроцесор) задаємо основні компоненти процесу ви- давлювання та визначаємо геометричні параметри складових частин. Модель симуляції складається з верхнього інструменту (пуансона), заготовки, що буде деформу- ватися, та матриці. Дослідження процесу штампування заготовки деталі «муфта» із використанням програми DEFORM Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 58 Важливо відмітити, що для успішної симуляції пуансон та матрицю ми вказуємо як тверді та жо- рсткі елементи, а заготовку як пластичний елемент. Далі вибираємо з бази матеріалів необхідний матеріал заготовки (в даному випадку AISI 1013 Machining, по своїх властивостях відповідає Сталі 20), та температуру обробки (100 °С). Рух пуансона окреслимо його переміщенням у напрямку осі (-Z) зі сталою швидкістю (0,5 мм/с). Матриця в свою чергу закріплена жорстко і є нерухомою. Програма DEFORM виконує симуляцію і розрахунки поступово, крок за кроком. Найважливі- ший і, водночас, кінцевий етап внесення даних - це розрахунок кількості кроків симуляції та інших чин- ників, що характеризують ці кроки. Після успішної генерації бази даних для розрахунку зберігаємо її для подальшого використання, відкривши підпрограму Симулятор. Час розрахунку може бути різний (залежить від складності процесу, кількості скінченних елеме- нтів тощо). По завершенні обрахунків можемо переглянути симуляцію у постпроцесорі. На рисунках 2 і 3 зображено початкове положення пуансона (початок симуляції) та кінцеве положення пуансона (кінець симуляції). Рис. 2 – Початкове положення пуансона Рис. 3 – Кінцеве положення пуансона Також програма DEFORM дає можливість дослідження зміни величин переміщень та напружень, що виникали, в залежності від часу перебігу процесу. Розглянемо епюру переміщень та графік переміщень заданих точок, що виникли в процесі вида- влювання (рис. 4). Графік ілюструє зміну положення точок в часі. Як видно із епюри, дно муфти зазнало певної деформації. Маючи змогу відслідкувати рух будь- якої точки, та знаючи її чисельне переміщення, можна спрогнозувати та покращити сам процес видавлю- вання. Дослідження процесу штампування заготовки деталі «муфта» із використанням програми DEFORM Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 59 а б Рис. 4 – Дослідження зміни величин переміщень та напружень: а – епюра переміщень; б – графік залежності величини переміщення від часу симуляції Розглянемо також епюру напружень та графік зміни напружень відносно часу (рис. 5). а б Рис. 5 – Дослідження зміни величини напружень: а – епюра напружень; б – графік залежності величини напруження від часу симуляції Найбільші напруження виникли в заготовці збоку, тому що при стисканні циліндра змінюється його форма на бочкоподібну. Але в даному випадку стінки матриці не дають металу рухатися в горизон- тальному напрямку і він змушений підійматися вгору. Уже пізніше, коли певна частина металу уже під- нялася вгору, напруження концентруються на дні заготовки і, як наслідок, найбільша деформація стаєть- ся саме всередині при стінках дна. На рис. 6 показано результат деформування заготовки. Аналіз результатів моделювання в DEFORM-3D показав, що на початкових стадіях процесу в центрі заготовки спостерігаються напруження стискання, а на поверхні – розтягування. В процесі дефо- рмування в результаті руху матеріалу до стінок матриці, коли метал затікає в порожнину між матрицею та пуансоном, залишаються напруження стискання. В процесі деформування заготовки в деталі виявляється дефект на кромці заглиблення із-за поя- ви напружень розтягу. Основним видом дефектів, що знижують якість і технологічні можливості процесу видавлюван- ня є похибки форми у вигляді утяжин, що виникають при поздовжньому видавлюванні муфти. Дослідження процесу штампування заготовки деталі «муфта» із використанням програми DEFORM Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 60 Рис. 6 – Здеформована поверхня заготовки При поздовжньому видавлюванні заготовки муфти утяжина у вигляді зазору між заготовкою й торцем пуансона з'являється внаслідок нерівномірності витікання металу і спостерігається на заключних стадіях процесу. Дефект збільшується пропорційно зменшенню стінки дна заготовки, що призводить до порушення технічних умов виробу та розмірів, що задаються робочим кресленням. На початку руху пуа- нсона матеріал заповнює порожнину штампа, при досягненні стінок матриці матеріал рухається вверх, огинаючи пуансон, і заповнює порожнину між пуансоном і матрицею. Результати використання моделювання в DEFORM-3D дозволяють оцінити фізико-механічний стан деформованого металу. Висновки Аналіз результатів моделювання в DEFORM-3D показав, що на початкових стадіях процесу в центрі заготовки спостерігаються напруження стискання, а на поверхні – напруження розтягування. В процесі деформування, в результаті руху матеріалу до стінок матриці, напруження трансформуються в напруження стискання. При різній товщині дна деталі сила, що необхідна для видавлювання, залишається практично од- наковою для всіх досліджуваних розмірів. При зменшенні товщини дна деталі проявляється дефект типу «утяжина», збільшення дефекту відбувається пропорційно зменшенню стінки дна. Для запобігання появи утяжини необхідно забезпечити переміщення матриці в напрямку, проти- лежному витіканню металу. Література 1. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Изд-во Уральского ГТУ, 2001.– 836 с. 2. Шестаков Н.А. Расчеты процессов обработки металлов давлением. Решение задач энергетиче- ским методом: Учебное пособие. – М.: МГИУ, 2008. – 344 с. 3. Паршин В.С. Практическое руководство к програмному комплексу DEFORM -3D: Учебное пособие. Екатеринбург: УрФу, 2010. – 122 с. 4. Автоматизированная система DEFORM -3D для расчета формоизменения в процессе штампо- вки на основе метода конечных элементов / Г.Я Гун, С.А. Стебунов, А.И. Лишний // Кузнечно- штамповочное производство. – 1992 – №9-10. – С. 4-7. Поступила в редакцію 21.04.2017 Дослідження процесу штампування заготовки деталі «муфта» із використанням програми DEFORM Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 61 Karazey V.D., Sokolan K.S., Reshetnik P.P. Research of the stamping process of “coupling” component billet using DEFORM program. Designing technological processes using modern CAD/CAM/CAE systems allows reducing costs that can appear during production process, since there is a possibility of more precise forecasting of defects of different type, which are con- nected with imperfect technology. It gives a possibility to study processes of metal deformation under different types of in- strument movement by changing friction conditions, plasticity model and rheological characteristics of the material. DEFORM program is intended for analysis of three-dimensional yield of metal under different process of metal forming op- eration. Usage of the program gives a possibility to forecast the character of metal forming during forming operation, and due to this fact, costs of experimental researches are considerably reduced. Using DEFORM program allows to research changes of movement and stresses values that appeared depending on time of process running. Key words: extruding, forming operation, modelling, stamping punch. References 1. Kolmogorov V.L. Mechanics of metal forming. Ekaterinburg: publ. of Ural STU, 2001. 836 p. 2. Shestakov N.A. Calculations of metal forming processes. Solutions of tasks by energy methods: Teaching aid. M.: MSIU, 2008. 344 p. 3. Parshin V.S. Practical manual to DEFORM -3D program complex: Teaching aid. Ekaterinburg, Ur- Phu, 2010. 122 p. 4. DEFORM -3D computer-based system for calculating forming during stamping process on the basis of finite element method / G.Ya. Gun, S.A. Stebunov, A.I. Lishniy. Press forging production, 1992, №9-10, p. 4-7.