Моделирование холодной и горячей объемной штамповки в QForm

Андрей Мазурин

Основные особенности системы

Что предлагает QForm технологам

Как работает программа

Примеры решения конкретных задач с использованием QForm

   Штамповка стального цилиндрического корпуса с фланцем

   Трехмерная деформация на примере штамповки кулачка

Cтремления технолога кузнечно-прессового производства без проведения эксперимента, на основе расчета, определить необходимую деформирующую силу, рассчитать требуемое число переходов получения поковки заданной формы, предельное формоизменение без разрушения деформируемого материала, получить исходные данные для расчета на прочность и стойкость деформирующего инструмента, а также технологические параметры во многом осуществимы благодаря использованию современных специализированных программных средств. На сегодняшний день для решения конкретных технологических задач ковки и штамповки предлагаются различные компьютерные программы как на Западе, так и в России. Общепризнанными лидерами в этом направлении считаются американские компании SFTC с системой DEFORM и MSC с системой Autoforge/Superforge, французская компания TRANVALOR с системой FORGE и российская компания «Квантор-Софт» с системой QForm. О последней разработке и пойдет речь в данной публикации.

Работы по моделированию процессов пластического формоизменения начались 20 лет назад. В России они велись во многих хорошо известных вузах, таких как Московский институт стали и сплавов (МИСиС), МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ «Станкин», Уральский политехнический институт (г.Екатеринбург). В МИСиС эти работы велись на кафедре «Сопротивление материалов» под руководством профессора Геннадия Яковлевича Гуна. Здесь проводились теоретические исследования процесса пластического деформирования, разрабатывались методы его анализа, компьютерные программы. Первоначально разработки велись для мэйнфреймов, но в 90-х годах стало ясно, что программы надо создавать для персональных компьютеров. При этом они должны быть доступны не только подготовленным специалистам, владеющим методами анализа процессов пластического деформирования, но и технологам, вынужденным ежедневно решать задачи получения требуемых поковок на производстве и не имеющим глубоких знаний в области моделирования. В 1991 году в Москве была открыта фирма «Квантор» (впоследствии ЗАО «Квантор-Софт»), главным направлением деятельности которой стала разработка программного обеспечения для моделирования холодной и горячей объемной штамповки. Костяк фирмы составили главным образом специалисты кафедры «Сопротивление материалов» МИСиС.

Основные особенности системы

Первая программа компьютерного моделирования ковки и объемной штамповки, разработанная специалистами «Квантор-Софт», получила название FORM-2D. В качестве расчетного метода использовался метод конечных элементов. Программа работала в операционной среде MS-DOS и уже тогда позволяла достаточно успешно решать целый ряд технологических задач. В 1997 году стало очевидно, что в рамках реализуемого на тот период проекта сделать программу эффективной и современной невозможно. Были выработаны основные критерии, которым должна отвечать система данного класса:

• программа должна быть понятна технологам, работающим в цехе, и конструкторам, проектирующим штамповую оснастку;
• программа должна быть доступна широкому кругу специалистов, вовлеченных в процесс конструкторско-технологической подготовки производства;
• программа должна автоматически обеспечивать моделирование большого числа вариантов ковки-штамповки за короткий промежуток времени.

Эти требования были приняты как руководство к разработке принципиально новой системы. Практически программу пришлось переписывать заново. Это был непростой и даже рискованный проект — полностью переделать систему и не только ничего не потерять, но и качественно ее улучшить. С этой задачей коллектив разработчиков справился успешно. Новый программный продукт получил название QForm. Первая рабочая версия системы вышла в мае 1998 года. При разработке новой версии был учтен весь опыт, накопленный как в области моделирования процессов деформирования, так и в области программирования. Был реализован улучшенный алгоритм расчета. Говоря об особенностях системы QForm, следует выделить следующие основные моменты:

• QForm является полнофункциональным объектно-ориентированным приложением Windows. Простой и интуитивно понятный графический интерфейс делает систему доступной и легкой в использовании даже для начинающих пользователей персональных компьютеров. Благодаря наличию анимационной системы помощи и подсказки система удобна в изучении.
• Полностью интегрированная архитектура QForm обеспечивает синхронное выполнение работ любой части программы. Нет никакого жесткого разделения системы на препроцессоры и постпроцессоры. Визуализация процессов формоизменения происходит одновременно с расчетом, что позволяет немедленно интерпретировать получаемые результаты и вносить в технологию необходимые изменения.
• При подготовке исходных данных пользователь оперирует исключительно технологическими понятиями и общается с системой на привычном языке конструктора-технолога, а мастер подготовки исходных данных в режиме «вопрос-ответ» позволяет быстро и легко ввести все необходимые для расчета параметры.
• QForm обеспечивает автоматическое формирование расчетных моделей (разбиение на конечные элементы), что позволяет обеспечить высокую точность расчета, не зависящую от квалификации пользователей.
• QForm позволяет проанализировать всю технологическую цепочку получения поковки, включая нагрев, охлаждение и пластическое деформирование на всех переходах, изменение свойств материала. Имитационное моделирование такой технологической цепочки выполняется автоматически и дает возможность пользователю быстро и эффективно проанализировать несколько различных вариантов по принципу «что, если…».

Из всех перечисленных особенностей наиболее существенное отличие системы QForm от аналогов заключается в ее предельной простоте для пользователей. Это абсолютный рекорд, который «Квантор-Софт» держит на рынке CAE-систем моделирования пластического деформирования уже несколько лет. Программа понятна и доступна любому технологу как с высшим образованием, так и без оного. Наверное, для российских предприятий это выглядит непривычно, но для западных производств технологи без высшего образования — явление не столь уж редкое. На Западе дипломированные инженеры, как правило, в цехах технологами не работают. В лучшем случае на этих местах работают специалисты, образование которых приравнивается к тому, что получают выпускники российских техникумов. Разработчики фирмы «Квантор-Софт», накопившие немалый опыт внедрения системы QForm на предприятиях, рассказывают, что им довольно часто приходилось иметь дело с пользователями, которые не имели ни малейшего представления о том, что такое напряжение или относительная и логарифмическая степень деформации и зачем они нужны. Компании «Квантор-Софт» даже пришлось выпустить специальное учебное пособие «Основы терминологии обработки металлов давлением», за что пользователи были им очень благодарны.

В то же время западные аналоги ориентированы в первую очередь на дипломированных инженеров, владеющих расчетными методами и имеющих соответствующий уровень подготовки для работы с такими системами.

Анализ объемной штамповки в системе QForm может быть выполнен в одной плоскости, когда форма штампуемой детали представляет собой тело вращения. В этом случае достаточно эффективно выполняется анализ в продольном, проходящем через ось детали сечении. Столь же эффективен анализ в сечении для случая, когда тело имеет вытянутую в одном направлении форму (например, балка). Здесь расчет выполняется для поперечного сечения. Если деталь по длине имеет переменное сечение, то исследуется несколько наиболее характерных сечений. И третий, наиболее сложный случай — когда штампуемая деталь не имеет ярко выраженных плоскостей сечения. В этом случае решается трехмерная задача, которая до сих пор во всем мире считается наиболее сложной и, к сожалению, пока не имеет удовлетворительного решения.

Анализ процессов пластического деформирования с использованием метода конечных элементов существенно отличается от прочностного анализа. Одной из важных особенностей в прочностном анализе является предположение о несущественном формоизменении нагруженного изделия, поэтому для выполнения прочностного анализа в расчетной модели достаточно построить только одну конечно-элементную сетку. При анализе процессов пластического деформирования необходимо проследить и проанализировать всю историю формоизменения от заготовки до готовой поковки. Поэтому приходится решать сотни и даже тысячи нелинейных задач, прежде чем пользователю будет выдано решение конечной конфигурации. Кстати, это одна из основных причин, по которым решение трехмерных задач в области штамповки существенно отстает от решения трехмерных задач в области прочностного анализа.

Что предлагает QForm технологам

Прежде чем перейти к непосредственному описанию работы системы Qform, рассмотрим некоторые задачи, решаемые технологом-штамповщиком при подготовке производства изделия.

Работа технолога начинается с момента получения от конструктора чертежа детали, которую следует изготовить. На базе чертежа разрабатывается технология изготовления детали. Для случая включения в маршрут обработки операции штамповки проектируется поковка и разрабатывается штамповая оснастка. Поковка выступает в качестве промежуточной заготовки между исходной заготовкой и готовой деталью. Получение готовой детали на этапе пластической обработки возможно, но на практике встречается редко. Необходимость включения в маршрут обработки операций, связанных с удалением стружки, диктуется требованиями, предъявляемыми к качеству поверхности детали, достижимому только в результате дополнительной механообработки, под которую назначаются соответствующие припуски, и другими технологическими отклонениями по форме штампованной детали от детали, спроектированной конструктором. При проектировании штамповой оснастки необходимо предусмотреть штамповые уклоны для извлечения поковки из рабочей полости штампа, а в местах сопряжения поверхностей — радиусы переходов, так как острые кромки являются концентраторами напряжений и могут привести к разрушению инструмента. Более того, не все конструктивные элементы могут быть получены операцией штамповки (например, различные пазы или канавки), поэтому в таких местах детали назначаются напуски¹.

После того как спроектированы поковка и штамп, выбраны смазка и оборудование, можно переходить к изготовлению оснастки и непосредственному процессу штамповки. И здесь начинается самое неприятное. Вместо ожидаемой поковки зачастую выходит брак. Оказывается, правильно спроектировать новую поковку и инструментальную оснастку далеко не всегда удается с первого раза. На этапе разработки технологии изготовления поковки возникает масса проблем: неполное заполнение полостей штампа, образование складок, задиров, прострелов, нарушение целостности материала поковки (образование трещин) и, наконец, разрушение самого инструмента. В результате приходится изготавливать не один штамп и проводить не один десяток экспериментов, прежде чем дело дойдет до внедрения процесса изготовления нового изделия в производство.

Здесь мы подошли к самому главному — назначению системы QForm. По большому счету основной задачей QForm является замена натурного эксперимента компьютерным моделированием. Технологу предлагается инструмент, при помощи которого он мог бы методом проб и ошибок проектировать поковку и штамп, проводя все необходимые исследования не в цехе у стойки пресса, а за дисплеем компьютера, более углубленно изучая сам процесс пластического деформирования и осознанно внося все необходимые конструктивные изменения.

Как работает программа

Работа с программой начинается с задания исходных данных. В качестве исходных данных в первую очередь выступает чертеж. В QForm имеется упрощенный двухмерный графический редактор QDraft, ориентированный на создание графических моделей поковки, исходной заготовки и рабочих частей штампа в виде эскизов. Редактор позволяет импортировать и экспортировать графические данные форматов DXF и IGES. Это одна из важных функций QDraft, так как все чертежи деталей создаются в различных ориентированных на эти задачи CAD-системах. QDraft необходимо использовать для диагностики ошибок, связанных с построением импортированного изображения детали (разрыв в местах сопряжения конструктивных элементов, многократная прорисовка одного и того же участка контура изображения и т.п.), и для доработки графической модели до требуемого для расчета вида (рис. 1). Основными требованиями, предъявляемыми к графической модели, являются наличие непрерывных линий, описывающих контуры рабочей полости штампа, а также плавных переходов в местах сопряжения элементов контура (дуг окружностей и/или отрезков прямых линий).

Подготовленная в QDraft модель далее передается в QForm.

Рассмотрим типовой сценарий работы пользователя с QForm после завершения подготовки графических моделей исходной заготовки, поковки и верхней и нижней частей штампа.

Для начала выполнения анализа с помощью мастера подготовки исходных данных пользователь описывает процессы, которые намеревается анализировать (рис. 2). Это могут быть:

• охлаждение на воздухе;
• охлаждение в инструменте;
• пластическое деформирование на механическом прессе;
• пластическое деформирование на винтовом прессе;
• пластическое деформирование на молоте;
• пластическое деформирование на гидравлическом прессе;
• пластическое деформирование электровысадкой.

Например, при выборе горячей объемной штамповки заготовка должна быть нагрета до заданной температуры (например, для стали нагрев материала заготовки осуществляется до 1200° С). В печи она нагревается равномерно по всему объему. В момент извлечения заготовки из печи начинается процесс ее охлаждения на воздухе. Поэтому первым этапом является моделирование охлаждения равномерно нагретой заготовки после выхода из печи (рис. 3, 4).

На этом этапе вводятся уже готовые данные по геометрии заготовки, из базы данных выбирается ее материал, задаются температура нагретой заготовки и время ее охлаждения на воздухе.

Следующий этап анализа — охлаждение части нагретой заготовки, находящейся в контакте с нижней частью штампа. Исходное состояние заготовки наследуется с предыдущего перехода. Пользователь задает только время охлаждения заготовки на нижней части штампа до момента ее соприкосновения с верхней частью штампа, а также такие параметры, как тип смазки (например, графит с водой) и температура штампа (например, 200° С — типичная температура нагрева штампа для горячей объемной штамповки).

В случае когда поковку предполагается получать за один переход, назначается заключительный этап — непосредственный процесс пластического формоизменения заготовки. В качестве исходных данных пользователь из базы данных выбирает пресс (например, механический), задает расстояние между верхней и нижней частями штампа в закрытом состоянии (фактически это толщина облоя). Данные об инструменте и заготовке автоматически передаются с предыдущего перехода.

На этом построение цепочки физического преобразования заготовки заканчивается, и программа запускается на расчет. Ни на одном из этапов от пользователя не потребовалось каких-то специальных знаний, кроме чисто технологических. Всю работу, связанную с построением конечно-элементной сетки и с ее последующей модификацией в процессе выполнения расчета, программа выполнила автоматически незаметно для самого пользователя. Тем не менее, если посмотреть на автоматически сгенерированную сетку, можно увидеть, что она неоднородна и имеет наибольшую плотность там, где происходят наиболее интенсивные деформации (рис. 5). На каждом шаге деформации строится своя конечно-элементная сетка, с таким расчетом, чтобы составляющие ее элементы по форме были как можно более близки к равносторонним треугольникам (известно, что если элемент искажен, например сильно вытянут, то точность аппроксимации существенно падает). Автоматическая перестройка сетки на каждом шаге деформирования — дорогое удовольствие, но если этого не делать, то на следующем шаге анализа вытянутые конечные элементы приведут к существенному снижению точности оценки². Создателям QForm за десять лет работы в области моделирования процесса пластического моделирования удалось разработать эффективный алгоритм быстрой и качественной перестройки сеток. На это уходят всего доли секунды на каждом шаге деформирования.

Каждый этап процесса моделирования пользователь может наблюдать как по завершении расчета, так и во время выполнения компьютерного анализа. В частности, он может наблюдать:

• как изменяется температура поковки (с точной ее оценкой в любой интересующей его точке исследуемого сечения);
• конфигурацию так называемых лагранжевых линий, которые с физической точки зрения представляют собой не что иное, как волокна макроструктуры материала;
• как распределяются накопленные деформации внутри и на поверхности поковки;
• в какой последовательности заполняются полости инструмента и т.д.

На каждом этапе возможно построение различных графиков. Например, зависимость изменения усилия от времени на этапе пластического деформирования.

Полученная в результате численного моделирования поковка может быть подвергнута дополнительному анализу на предмет ее последующей механообработки.

Известно, что одним из преимуществ применения объемной штамповки при изготовлении детали по сравнению с литьем является обеспечение более высокого качества изделия. Это связано с тем, что кристаллизация металла по мере остывания отливки идет от центра к ее поверхности, и хаотичная ориентация кристаллических зерен внутри материала зачастую оставляет желать лучшего по отношению к направлению действия основных нагрузок, воспринимаемых деталью. Использование операции штамповки позволяет достичь в целом более высоких свойств металла, обеспечить требуемую ориентацию волокон и тем самым дополнительно повысить прочность детали.

Но здесь есть один нюанс, который также следует учитывать. Дело в том, что в подавляющем большинстве случаев форма поковки отличается от формы изготовляемой детали, поэтому ее подвергают механообработке. В результате некоторые волокна оказываются подрезанными. Чтобы это визуально контролировать, QForm показывает изображение контура детали, наложенное на изображение поковки (рис. 6).

Кроме того, свойства материала по объему поковки будут неодинаковыми в силу неравномерной деформации и, следовательно, упрочнения (рис. 7). Информация по распределению деформации также представляет интерес для специалиста по термообработке. Проанализировав все данные по накопленной деформации, он может назначить какие-либо режимы последующей термообработки детали, что особенно важно для холодной объемной штамповки.

И последнее, на что следует обратить особое внимание, — это выполнение анализа напряженного состояния деформирующего инструмента. Здесь при помощи системы QForm пользователь имеет возможность учитывать упругие деформации инструмента, приводящие к отклонению формы поковки от заданной, прогнозировать появление пластической деформации в критических зонах инструмента (рис. 7, 8), что при большом количестве циклических нагрузок приводит к образованию трещин.

Анализ упругой деформации инструмента позволяет точно спрогнозировать форму конечной поковки, которая может не совпадать с построенной в CAD-системе. Программа позволяет доработать форму деформирующего инструмента таким образом, что на выходе будет получена поковка, форма которой будет максимально соответствовать заданной на чертеже. Например, для получения плоской поверхности фланца, как это показано на рис. 9, рабочая поверхность инструмента должна быть выпуклой.

Моделирование таких сложных процессов, как пластическое деформирование, невозможно без тщательно проработанных баз данных о штампуемых материалах, инструментальных сталях, смазках и оборудовании. В QForm имеется мощная база по материалам (только марок сталей более 500 наименований), которая постоянно пополняется. И в этом немалую роль играет более чем десятилетнее сотрудничество компании «Квантор-Софт» с АО «ВИЛС».

В QForm используется мощная база данных оборудования, которую пользователь также легко может модифицировать и дополнять новыми данными. В примере, приведенном на рис.10, диаграмма изменения скорости перемещения рабочих частей механического пресса в зависимости от времени учитывается при определении скорости пластического деформирования.

Базы данных, накопленные в QForm, действительно очень большие, поэтому при поставке программы делается запрос, в котором пользователю предлагается указать, с какими материалами и на каком оборудовании он предполагает работать. В случае работы пользователя с уникальным сплавом проводятся необходимые исследования его свойств, и обработанные данные вводятся в базу.

Подготовка базы данных для конкретного пользователя входит в предлагаемые компанией «Квантор-Софт» услуги.

Примеры решения конкретных задач с использованием QForm

Штамповка стального цилиндрического корпуса с фланцем

Итак, перед нами задача: спроектировать штамп для изготовления корпуса с плоским фланцем на торце. Корпус будем получать за один переход из цилиндрической заготовки методом горячего обратного выдавливания. На рис. 11 показаны начальный, промежуточный и конечный этапы штамповки корпуса, смоделированные в QForm. Как видно из рисунка, для заданных условий можно наблюдать появление складки в области внутренней части фланца.

Визуальное наблюдение моделируемого процесса показало, что на этапе формирования фланца произошла потеря устойчивости осаживаемой части, что и послужило причиной образования складки.

Для устранения брака было рассчитано несколько вариантов, и в результате численного эксперимента найдено оптимальное решение. Плоскость разъема штампов была смещена книзу, и изменена форма плоского участка верхнего штампа в районе фланца. При этом в процессе деформации выдавливаемый металл смещается наружу, но упирается в выступ верхнего штампа, что позволяет избежать потери устойчивости осаживаемой части и образования складки.

В данном примере образование дефекта удалось легко избежать за счет небольших конструктивных изменений в штампе без значительного изменения формы поковки.

Штамповка крышки амортизатора

Пример получения алюминиевой поковки крышки амортизатора интересен тем, что в отличие от предыдущего случая деформируемый материал все время находится в контакте с рабочими поверхностями инструмента, и никакой видимой причины для образования дефектов не наблюдается (рис. 12). Тем не менее поковка получается с браком. В основании верхней части цилиндрического стержня, недалеко от фланца, образуется так называемый прострел (рис. 13).

Это другой тип дефекта, и для того чтобы его выявить, в системе QForm для анализа процесса пластического деформирования используются так называемые приповерхностные линии, которые строятся на небольшом расстоянии от поверхности поковки (рис. 14). Теперь, когда исследуется процесс течения металла, можно наблюдать, что при полном заполнении верхней полости штампа (обратное выдавливание) и при продолжении не закончившегося на этот момент процесса прямого выдавливания в нижней части штампа в исследуемой критической зоне существенно изменяется поле скоростей (см. рис. 14). Это приводит к тому, что поверхностные слои в результате образования встречных потоков материала начинают течь внутрь поковки, образуя тем самым утяжину. Вместе с поверхностными слоями внутрь материала проникают смазка и окислы алюминия, образуя дефект.

Для устранения брака было предложено изменить угол наклона стенки верхней части поковки и радиус скругления перехода стержня во фланец. Эти меры позволили обеспечить плавное течение выдавливаемого материала и избежать образования прострелов.

Это еще одна из многочисленных возможностей использования программы. Для наглядности в обоих примерах окончательная поковка получается за один переход, что не всегда бывает возможным. Однако это не является серьезным препятствием, поскольку QForm не имеет ограничения числа переходов, и вся технологическая цепочка моделируется в автоматическом режиме.

Разбивка получения поковки на переходы — это очень сложная задача, требующая немалого опыта технолога. Во многих случаях решение этой задачи сродни искусству. Система QForm не предлагает готового решения задачи разбиения операции штамповки по переходам, зато помогает удобно и быстро решать эту задачу методом проб и ошибок.

Трехмерная деформация на примере штамповки кулачка

В случае если поковка не является телом вращения и не имеет существенно вытянутой формы, расчет необходимо проводить с использованием трехмерной модели, которая входит в QForm начиная с версии 3.0. При этом очень важно, что двухмерная и трехмерная модели деформации полностью интегрированы в одну программу, работа с которой в обоих случаях, с точки зрения пользователя, почти одинакова. Пользователь работает при помощи того же мастера подготовки данных, однако в качестве геометрической исходной информации используются не плоские контуры поперечного сечения, а трехмерные геометрические модели штампов и заготовки. Они импортируются из CAD-систем через IGES-файл и визуально отображаются в окне выбора геометрии детали (штампа) мастера подготовки данных. Расчет, так же как и в двухмерном случае, происходит автоматически, однако требования к быстродействию процессора, объему оперативной памяти и свободному пространству на жестких магнитных накопителях очень высоки. Тем не менее в силу большой сложности задачи время расчета значительно больше, чем для двухмерных случаев; но этого не стоит пугаться, поскольку программа постоянно совершенствуется и ее эффективность повышается.

На рис. 15 показаны различные этапы деформации кулачка, получаемого объемной горячей штамповкой. Так как деталь симметрична, расчет выполняется только для одной половины тела. Выступ верхнего штампа расположен несимметрично по отношению к полости нижнего штампа, и из-за этого металл вначале заполняет «тупой» конец кулачка, а затем частично перетекает в «острый». Следствием такого тангенциального течения металла является образование дефекта типа утяжины на внутренней поверхности поковки напротив «острого» конца кулачка. Изменение положения заготовки позволило добиться перераспределения потока металла и тем самым исключить условия образования дефекта.

Еще один пример успешного решения сложных трехмерных задач объемной штамповки — это получение крестовины (рис. 16). В данном случае анализ проводился с целью минимизации облоя и уменьшения тем самым потери металла в виде отходов.

***

Многолетняя практика использования QForm на различных российских и зарубежных предприятиях показала, что, чем сложнее процесс, тем меньше он используется на производстве и тем меньше спрос на его решение. Наибольшим спросом на производствах пользуется решение сравнительно несложных технологических задач, аналогичных приведенным выше примерам.

И тем не менее иногда появляются уникальные задачи, с которыми успешно справляется система QForm. Одним из примеров решения такой задачи является получение вала-шестерни с применением электровысадки в качестве заготовочной операции. Подобная технология получения вала-шестерни широко применяется в Италии. Трудность создания модели для этого процесса заключается в том, что необходимо решать связанную задачу термопластического деформирования совместно с задачей выделения джоулева тепла от прохождения электрического тока, причем оба эти процесса взаимно влияют друг на друга. Специалисты «Квантор-Софт» — первые, кто смог смоделировать процесс электровысадки (рис. 17).

Кроме электровысадки, в системе реализована возможность моделирования пластического деформирования порошкового материала, выдавливания (экструзии) сложных профилей (рис. 18). Проводятся исследования в области решения других уникальных задач. Одним словом, система QForm постоянно развивается и совершенствуется, получая все более широкое признание на мировом рынке CAE-систем.

Автор благодарит директора компании «Квантор-Софт» Николая Биба за помощь, оказанную при подготовке материала. С автором можно связаться по e-mail: andrmaz@aha.ru.

«САПР и графика» 8'2000