1. Досвід застосування комп'ютерного моделювання процесів ОМТ
2. Перспективи розвитку на найближче майбутнє
3. Зміни, що відбуваються в машинобудівній індустрії

Наше деловое партнерство www.banwar.org

Олександр Сидоров

Досвід застосування комп'ютерного моделювання процесів ОМТ

Перспективи розвитку на найближче майбутнє

Зміни, що відбуваються в машинобудівній індустрії

Комп'ютерне моделювання процесів обробки металів тиском (ОМТ) дозволяє прогнозувати заповнюваність порожнин штампу, потрібну силу деформування, енергію деформування, можливість виникнення дефектів в заготівлі. В даний час в усьому світі спостерігається тенденція до все більш широкому впровадженню технологій моделювання процесів ОМТ в виробничий процес як великих, так і середніх підприємств.

Початок 80-х років XX століття можна вважати часом першого впровадження комп'ютерного моделювання процесів ОМТ в промисловість. Тоді кілька машинобудівних компаній США почали використовувати програмний пакет ALPID (Analysis of Large Plastic Incremental Deformation), розроблений раніше Баттельскім меморіальним інститутом за сприяння ВВС США. Цей програмний продукт мав безліч технічних проблем, таких як мала функціональність препроцесора і великі временн и е витрати на моделювання штампування поковок навіть простої форми. Зокрема, моделювання процесу штампування диска турбіни найпростішої форми займало кілька днів. Крім того, в цей період користувачеві доводилося кілька разів зупиняти моделювання, щоб внести деякі необхідні поправки в вихідні дані. Пакет ALPID дозволяв вирішувати лише двовимірні задачі (2D), а саме - моделювати протягом металу при штампуванні осесиметричних (круглих) деталей. Тривимірне моделювання в той час здавалося неможливим внаслідок відповідного рівня розвитку обчислювальної техніки, складнощів з генерацією сітки кінцевих елементів і т.д. Незважаючи на всі ці проблеми, ALPID показав вельми гідні результати, що дозволяють підприємствам-користувачам значно економити кошти, необхідні для проведення експериментальних досліджень при розробці нових технологічних процесів.

Підсумком вдалого досвіду застосування пакета ALPID було рішення співробітників Баттельского меморіального інституту, які брали участь в його розробці, створити новий програмний продукт для моделювання процесів ОМТ під назвою DEFORM. У 1991 році вони заснували компанію Scientific Forming Technologies Corporation, SFTC ( www.deform.com ).

Крок за кроком моделювання процесів ОМТ стало важливим елементом розробки технологічного процесу. Сьогодні більше 80% великих (250 і більше співробітників), більше 75% середніх (100-249 співробітників) і більше 50% дрібних (50-99 співробітників) машинобудівних компаній США використовують моделювання процесів ОМТ при розробці технологічних процесів. Програмний комплекс DEFORM на поточний момент є визнаним лідерів в цій області.

Нагадаємо, що комп'ютерне моделювання процесів ОМТ використовується для прогнозування заповнення порожнини штампа, виникнення дефектів, визначення потрібної сили деформування, енергії деформування і т.д. Моделювання процесів ОМД базується на тому факті, що метал в штампі тече в напрямку найменшого опору. Сила деформування визначається в залежності від розміру заготовки, її форми, тертя і властивостей матеріалу. Крім того, за допомогою моделювання можна визначити такі важливі параметри заготовки, як накопичена деформація, напруга, температура, напрям волокна заготовки, можливість руйнування заготовки, знос інструменту.

Досвід застосування комп'ютерного моделювання процесів ОМТ

Досвід застосування комп'ютерного моделювання процесів ОМТ широко висвітлюється в різних наукових журналах і на наукових конференціях. У цій статті розглядаються найбільш типові завдання, які вирішуються за допомогою моделювання:

• Прогнозування виникнення дефектів в заготівлі. На рис. 1 (ліворуч) представлений результат моделювання процесу пресування деталі з алюмінію в програмному комплексі DEFORM 3D. Як добре видно на малюнку, на дні чарки утворюється складка. Цей дефект був виявлений і в ході заводських випробувань (рис. 1, справа).

Мал. 1. Пресування деталі з алюмінію моделювався в програмному комплексі DEFORM 3D

• Розробка нових технологічних процесів. В умовах жорсткої конкуренції сучасного ринку перед технологічними службами підприємств постає завдання отримання в стислі терміни поковок складної форми при жорстких допусках на розміри і малої собівартості.

Ще десять років тому косо зубне зубчасте колесо отримували механообработкой з круглої поковки або з прутка. Сьогодні такі поковки можна отримувати шляхом холодного пресування або гарячого об'ємного штампування з зубами, близькими за формою до остаточного вигляду. При розробці технологічного процесу одержання такого типу поковок методами ОМТ широко застосовується комп'ютерне моделювання в DEFORM 3D (рис. 2).

Мал. 2. Моделювання широко застосовується при розробці технологічних процесів холодного пресування зубчастих коліс (зліва) або отримання їх методами гарячого об'ємного штампування

• Оптимізація існуючої технології. На рис. 3 представлені технологічні переходи штампування вушка балона для стисненого повітря. Цей процес мав ряд недоліків, таких як швидкий знос інструменту, утворення складок, труднощі видалення заготовки з порожнини штампа. Внаслідок цього на виході виходило близько 11% браку. Для мінімізації всіх небажаних ефектів було запропоновано кілька різних варіантів незначної модернізації процесу. Моделювання цих варіантів (нагрів заготовки і подальша її штампування) проводилося за допомогою програмного комплексу DEFORM 3D.

Мал. 3. Завдяки моделюванню процесу отримання вушка балона для стисненого повітря відсоток браку вдалося знизити з 11 до 3%

Моделювання дозволило оцінити вплив на кінцевий результат кожного з цих варіантів. Зокрема, було визначено оптимальну кількість ударів (з максимальною енергією) молота, необхідних для заповнення порожнини штампа. Крім того, в процесі моделювання проводилося незначне варіювання геометрією інструменту, що дозволило знайти її оптимальну форму. Також були надані рекомендації щодо оптимальної температури нагріву заготовки з урахуванням часу її транспортування від печі до молота. Таким чином, відсоток браку при виробництві вушка був знижений до 3.

Мал. 4. Ковані балка моста до термообробки (білим) і після (жовтим)

Як видно з перерахованих вище прикладів, на даний момент моделювання дозволяє заглянути в суть технологічного процесу ОМД (оцінити напружено-деформований стан в заготівлі), оптимізувати параметри процесу, але не розробити його за технолога. Таким чином, досвід технолога і його кваліфікація як і раніше залишаються найважливішими складовими розробки технологічного процесу, а моделювання лише допомагає йому підтвердити або спростувати свої ідеї. Однак подальший розвиток засобів оптимізації, швидше за все, призведе до все більшого втручання машини в процес розробки технологічного процесу.

Перспективи розвитку на найближче майбутнє

Моделювання технологічних процесів продовжує свій подальший розвиток. Найбільш перспективними напрямками на сьогодні є наступні:

• Моделювання процесів термічної обробки. Моделювання процесів термічної обробки - набагато складніше завдання, ніж моделювання процесів формозміни. Це обумовлено більш складними процесами в матеріалі заготовки, що проходять на мікроструктурному рівні. На практиці найбільш цікавим для технолога представляється прогнозування механічних властивостей заготовки і викривлення її форми. На рис. 4 представлений результат моделювання за допомогою DEFORM HT3 термообробки кованої балки моста. Білий колір відповідає формі балки до термообробки, жовтий - після. В даному випадку найбільша зміна обсягу заготівлі відбулося під час переходу матеріалу з аустеніту в мартенсит.
• Спотворення при механічній обробці. ОМД і термічна обробка ведуть до виникнення в заготівлі внутрішньої напруги. Ці внутрішні напруги після зняття всіх навантажень внаслідок спотворення форми заготовки приходять в рівновагу. При подальшій механічній обробці з поверхні заготовки видаляється частина матеріалу, і рівновагу внутрішньої напруги порушується. Результатом цього також є спотворення форми заготовки. На рис. 5 показаний диск турбіни, підданий механічній обробці після штампування і термічної обробки. Жовтим кольором показаний контур заготовки, закріпленої в затискному пристрої після механічної обробки. А після зняття заготовки з затискного пристрою внаслідок дії неврівноважених внутрішніх напружень заготівля викривляється (контур заготовки після зняття обмежень показаний помаранчевим кольором). На даний момент DEFORM дозволяє здійснювати лише моделювання виникнення спотворень при механічній обробці осесиметричних заготовок. Робота по впровадженню цієї функції в DEFORM 3D триває.

Мал. 5. Контур заготовки після механічної обробки до вилучення її з затискного пристрою (жовтим) і після (помаранчевим)

• Оптимізація геометрії гравюри штампа. Робота над засобами оптимізації, що дозволяють проектувати в повністю автоматичному режимі геометрію поверхні струмка штампа, ведеться вже давно. На сьогодні найкращим проектувальником штампового оснащення залишається людина. Однак напрацювання, які існують вже зараз, дозволяють припустити, що вже в недалекому майбутньому цей процес буде практично повністю автоматизований.

Зміни, що відбуваються в машинобудівній індустрії

Впровадження комп'ютерного моделювання в виробництво супроводжувалося серйозними змінами в підході до розробки технологічних процесів. Двадцять п'ять років тому далеко не всі технологи користувалися такими поняттями, як напруга плинності, інтенсивність деформацій, інтенсивність швидкостей деформацій. При моделюванні процесів ОМД ці показники досить істотні.

На даний момент вузи вже усвідомили важливість моделювання процесів ОМТ при розробці технологічних процесів і в зв'язку з цим приділяють даному питанню все більше уваги. Моделювання процесів ОМД часто виділяється в окрему дисципліну. По-перше, це дозволяє студентам краще освоїти теорію обробки металів тиском - не тільки за малюнками і діаграм з довідників, а й на основі розрахунків і аналізу результатів. По-друге, проведення лабораторних робіт допомагає студентам краще зрозуміти специфіку кожного технологічного процесу обробки металів, вивчити його особливості та проблеми. По-третє, робота на комп'ютері для сучасних студентів набагато привабливіше роботи в читальному залі бібліотеки.

Важливою вимогою до програмного забезпечення для моделювання процесів ОМТ є простота призначеного для користувача інтерфейсу. Моделювання вже протягом 25 років широко використовується в різних НДІ і університетах під час наукових досліджень. Тому такі поняття, як розмір елемента, умови збіжності, граничні умови і т.д., дослідникам знайомі і зрозумілі. Технологам ж, що працюють в умовах реального виробництва, часто необхідно розбиратися з цими поняттями за допомогою інтуїції, а також методом проб і помилок. З цією метою компанія SFTC випустила в 2004 році модуль DEFORM F3, який максимально спрощує процес введення вихідних даних для моделювання.

Моделювання процесів ОМД знаходить все більш широке застосування на російських промислових підприємствах. Компанія «ТЕСИС» ( www.tesis.com.ru ) Є офіційним представником фірми SFTCorporation в Росії з 1999 року. Сьогодні користувачами DEFORM є такі великі промислові підприємства Росії, як корпорація «ВСМПО-Авісма», ВАТ «ТЯЖПРЕССМАШ», ВАТ «Трубодеталь», ВАТ «КУМЗ» та ін. Компанія «ТЕСИС» впроваджує вказане програмне забезпечення на металургійних і машинобудівних підприємствах, проводить навчання фахівців замовника і надає послуги з технічної підтримки користувачів.

САПР і графіка 10`2007