Применение CAD/CAE-систем в исследовании процессов формообразования тонкостенных тройников

Игорь Попов
Д.т.н., профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева. Национальный исследовательский университет. Кафедра обработки металлов давлением
Валентин Маслов
К.т.н., доцент, Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева. Национальный исследовательский университет. Кафедра обработки металлов давлением
Антон Севериненко
Аспирант, Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева. Национальный исследовательский университет. Кафедра обработки металлов давлением

В статье рассматриваются моделирование и анализ процесса формообразования тонкостенных тройников в программном продукте ANSYS-LS/DYNA. На основе результатов моделирования была разработана методика проектирования технологического процесса штамповки и изготовлена деталь с минимальной разнотолщинностью.

Задача формообразования тонкостенных тройников, которые широко применяются как в трубопроводах авиационно­космической техники, так и в технологических трубопроводах предприятий перерабатывающих отраслей промышленности, до сих пор не решена в полном объеме. Имеются проблемы как в технологии изготовления тройников, так и в конструкции устройств для их осуществления.

Наиболее рациональным процессом формообразования тройников является штамповка из трубной заготовки, в которой осуществляется осевое сжатие заготовки с одновременной формовкой отвода на боковой поверхности трубы [1, 2, 3  и др.]. При этом минимальную металлоемкость (минимальное утонение формуемого отвода и минимальное утолщение торца заготовки) можно обеспечить при рациональном сочетании деформации сжатия трубной заготовки вдоль ее оси с деформацией формовки отвода на боковой поверхности.

Существующие методики анализа процессов формообразования подобных деталей [1, 2, 4 и др.] имеют определенные ограничения  —  они грубо схематизируют процесс и не позволяют  количественно определить деформации изменения толщины заготовки вдоль образующей штампованной детали в процессе штамповки. Для управления процессом формообразования тройников необходима такая методика анализа, которая позволила бы вскрыть особенности формоизменения заготовки и разработать пути управления процессом, обеспечивающие минимальное изменение толщины заготовки и минимальную металлоемкость штампованного изделия.

Определить напряженно­деформированное состояние заготовки в процессе изготовления тройника без грубой схематизации процесса в любой точке заготовки и в любой момент деформирования позволяет конечно­разностное моделирование процесса штамповки. В настоящей работе выбран конечно­элементный программный продукт ANSYS­LS/DYNA.

Процесс изготовления тройника из трубной заготовки, моделирование которого выполнено в данной  работе, осуществляется в устройстве для формо­образования тройника [5], схема которого приведена на рис. 1. Моделируется процесс изготовления равнопроходного тройника с наружным диаметром d = 53 мм, с толщиной стенки s = 1,5 мм из коррозионно­стойкой стали аустенитного класса Х18Н9.

Рис. 1. Схема устройства для формообразования тройника

Особенность штамповой оснастки для формообразования тройников заключается в том, что она должна обеспечивать встречное движение пуансонов осевого сжатия трубы навстречу друг другу с одинаковыми величинами перемещения. С этой целью штамп оснащен двумя клиньями 8, расположенными на верхней плите. В процессе рабочего хода устройства осуществляется горизонтальное перемещение осевых пуансонов 6 в направлении формующего элемента 4. Осевые пуансоны 6 своими рабочими торцами, которые имеют наклонные плоскости под углом 45°, начинают вытеснять формующий элемент 4 вертикально вверх, за счет чего происходит деформация трубной заготовки. На цилиндрической поверхности пуансонов 6 имеется проточка, в которую упирается кромка исходной трубной заготовки, в результате чего происходит осевое сжатие трубной заготовки.

Для моделирования деформируемой заготовки  был выбран элемент SHELL 163 — оболочечный элемент с четырьмя узлами, возможностью изгиба и пружинения. Элемент имеет 12 степеней свободы в каждом узле. Модель деформируемого металла — упрочняемый трансверсально­анизотропный. Деформационное упрочнение материала в процессе формо­образования описывается кривой упрочнения  при испытании образца на одноосное растяжение (рис. 2).

Рис. 2. Кривая упрочнения материала

Рис. 3. Геометрия оснастки: 1 — матрица; 2 — заготовка; 3 — формующий пуансон; 4 — оправка; 5 — осевой пуансон

Модель материала оснастки (матрицы, оправки, пуансонов и выталкивателя) — твердое тело.

Для сокращения количества конечных элементов жесткие тела (оснастка) представлены в виде поверхностей (оболочек), непосредственно контактирующих с заготовкой. Каждая оболочка имеет толщину, и все расчеты производятся относительно ее срединной поверхности.

Геометрия оснастки построена в CAD­системе КОМПАС­3D V12 (рис. 3) с последующим импортированием в ANSYS/ LS­DYNA.

После задания перемещения элементов штамповой оснастки выполнено моделирование процесса формообразования тройника. На рис. 4 в качестве примера показано исходное состояние заготовки (а) и конечная (б) стадия формообразования заготовки тройника. С целью сокращения времени расчета моделирование формообразования тройника осуществлялось на половине заготовки, симмет­рично разрезанной по оси симметрии тройника.

В результате компьютерного моделирования процесса формообразования, которое позволило без грубой схематизации процесса воспроизвести формоизменение деформируемой заготовки, появилась возможность проанализировать особенности изменения толщины заготовки и определить  пути регулирования  разнотолщинности, а следовательно, и металлоемкости изготавливаемой детали.

Рис. 4. Стадии моделирования процесса формообразования тройника: а — исходное состояние заготовки; б — завершающая стадия формообразования

Поскольку различные участки штампуемой заготовки деформируются по толщине с различной интенсивностью,  поставлена задача: определить, какие участки заготовки наиболее весомо влияют на изменение общей разнотолщинности и металлоемкости детали в целом.

С этой целью на рассматриваемой детали были выбраны три наиболее характерных, на наш взгляд, сечения. Эти сечения показаны на рис. 5: 1 — сечение, проходящее через верхнюю образующую заготовки, включая формуемый отросток и его полюс; 2 — сечение, проходящее через срединную образующую трубной заготовки; 3 — сечение, охватывающее образующую заготовки, расположенную на противоположной от формуемого отростка стенке. На этих участках выбраны 12 элементов, равномерно расположенных по образующей заготовки.

Значение показателя разнотолщинности деформируемой заготовки в сечении 1

В качестве количественной меры, возникающей в процессе формоизменения разнотолщинности, предложено использовать следующий показатель:

,

где Sk и S0 — конечная и начальная толщины рассматриваемого элемента на образующей деформируемой заготовки соответственно.

В качестве примера в таблице  показана обработка результатов компьютерного моделирования при определении показателя разнотолщинности штампованной заготовки в сечении 1.

В результате анализа величины показателей разнотолщинности, определенных в трех рассматриваемых сечениях, установлено, что в сечении 1 коэффициент разнотолщинности имеет максимальную из всех рассматриваемых сечений величину (SΣ_S = 0,2934). Если эту величину принять за 100%, то в сечениях 2 и 3 эти показатели будут равны 9 и 1,6% соответственно.

Рис. 5. Сечения, выбранные на моделируемой заготовке, и расположение элементов на ее образующей

Таким образом, на основании анализа результатов моделирования установлено, что наибольший вклад в образование разнотолщинности готового тройника вносят элементы, расположенные в сечении 1 деформируемой заготовки. Именно воздействие на это сечение и позволяет регулировать разнотолщинность и изготовить деталь с минимальной металлоемкостью. Регулирование изменением толщины заготовки в двух оставшихся сечениях нецелесообразно.

Рис. 6. Готовая деталь тройника, изготовленная в штампе предлагаемой конструкции

Использование результатов моделирования процесса формообразования тройника позволило разработать методику проектирования технологического процесса штамповки и изготовить деталь с минимальной разнотолщинностью.

Используя результаты, полученные при определении наиболее рационального соотношения между величинами осевого сжатия заготовки и величины (высоты) боковой формовки отвода на боковой поверхности стенки заготовки, была спроектирована оснастка и разработана методика проектирования технологического процесса формообразования тонкостенного тройника из трубной заготовки. На рис. 6 показана деталь после отбортовки отверстия в полюсе отвода и подрезки торцов детали.

Список использованных источников

1. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машиностроение, 1967. 367 с.
2. Изготовление сложных полых деталей / К.Н. Богоявленский, Е.И. Серяков, А.Н. Кобышев, Н.Ф. Воронина; Под ред. К.Н. Богоявленского Л.: Машиностроение, 1979. 218 с.
3. Эрбейгель С.А., Письменный Э.И., Запорожан Л.Д.  Схемы формообразования осесимметричных деталей из трубчатых заготовок эластичной средой на гидропрессе. // Кузнечно­штамповочное производство. 1988. № 12. С. 21­23.
4. Давыдов О.Ю., Егоров В.Г., Невструев Ю.А. Штамповка неравнопроходных тройников из трубных заготовок в разъемных матрицах // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. № 6. С. 40­43.
5. Устройство для формо­образования тройников. // Патент на полезную модель. № 67486. Опубл. 27.10.2007. Бюл. № 30.

САПР и графика 1`2012