Возможности QFORM-EXTRUSION на примере прессоВания сложных профилей ©Ершов Александр Алексеевич Котов Вячеслав Валерьевич

32
И Н Ф О РМ А Ц И О Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И
Возможности QFORM-EXTRUSION на примере прессования
сложных профилей
©Ершов Александр Алексеевич, инженер службы технической поддержки;
Котов Вячеслав Валерьевич, канд. техн. наук, начальник службы технической поддержки
Группа компаний ООО «ПЛМ Урал», ООО «Делкам-Урал»
Логинов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф.
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина»
М Е ТА Л Л У РГ • № 10 • 2 0 1 1
П
роцесс прессования является одним из
наиболее высокопроизводительных и распространенных в обработке давлением цветных
металлов, но при этом и одним из наиболее сложных. Стабильность свойств и размеров готового
изделия зависит от многих параметров, таких как
распределение температуры на инструменте и заготовке, применяемой смазки, коэффициента вытяжки, параметров и размеров матрицы. Последнее особенно важно при прессовании профилей
и труб сложной формы из алюминиевых сплавов
– там, где точность формы и размеров является
одним из основных требований к качеству продукции, а операции правки применяются ограниченно.
Для быстрой и качественной разработки технологии и проектирования инструмента в последнее время все чаще применяют математическое моделирование, которое позволяет уйти от
метода «проб и ошибок» и перенести все эксперименты на экран компьютера.
Для решения задач прессования профилей
сложной формы, разработки инструментальной
наладки, подбора параметров процесса и определения возможных дефектов существует программа QForm-Extrusion[1] – разработка российской
компании «КванторФорм». Официальным представителем и центром технической поддержки
компании «КванторФорм» является группа компаний «Делкам-Урал» и «ПЛМ Урал».
Программный продукт QForm-Extrusion –
64-х разрядное Windows-приложение – может
работать как дополнительный модуль программы моделирования процессов обработки металлов давлением QForm или же как отдельная программа.
Моделирование процесса прессования в программе QForm-Extrusion полностью автоматизи-
ровано. Рассчитывается прессование профилей в
плоских матрицах и матрицах с рассекателями.
В программе реализована полная интеграция
препроцессора и постпроцессора и решателя. Соответственно 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 работает 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 выдает автоматическое формирование расчетных моделей (разбиение на конечные
элементы), что обеспечивает высокую точность
расчета, не зависящую от квалификации пользователей. Расчет позволяет оценить следующие
параметры процесса прессования профилей:
– скорость течения металла в любом сечении
очага деформации;
– скручивание и изгиб профиля;
– распределения температуры и степени деформации;
– влияние конструкций пояска и форкамер на
течение металла.
Для проведения моделирования были выбраны два вида прессуемых из алюминиевых сплавов
изделий, аналогичных продукции, выпускаемой
такими предприятиями, как ОАО «КУМЗ», ОАО
«Корпорация ВСМПО-АВИСМА» [2]. На примере использования редактора поясков матрицы
будет показано осуществление корректировки
профиля инструмента для достижения близких
к оптимальным параметров прессования двух
И Н Ф О РМ А Ц И О Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И
а
а
б
Рис. 1. Прессуемые изделия «труба» (а) и «уголок» (б)
Затем необходимо перейти к профилю пояска
матрицы и на открывшейся вкладке выбрать тот
поясок «Bearing x», который будет редактироваться в данный момент (рис. 2). Программа автоматически определяет нахождение пояска матрицы,
поэтому не требуется ввода никаких дополнительных данных. После этого открывается окно
редактора поясков, состоящее из нескольких областей (см. рис. 2), в верхней его части присутствуют кнопки сохранения, импорта–экспорта
отредактированной высоты. Ниже расположено
масштабируемое окно непосредственной корректировки пояска, где линией с точками показана
развертка контура пояска матрицы с указанием
высоты в каждой точке. Под этим окном слева
расположены два окна основного вида и масштабируемого вида контура пояска. Справа от них
находится вкладка, на которой представлены
кнопки настройки отображения и точной регулировки высоты пояска матрицы и углов наклона.
В первом приближении будем моделировать процесс прессования обоих профилей с пояском, имеющим постоянную высоту по всему
контуру (рис. 2, 3). После редактирования пояска матрицы создается рабочая модель, которая непосредственно может быть использована
б
Рис. 2. Переход к редактированию пояска матрицы (а) и окно редактора поясков: редактирование профиля «уголок» (б)
М Е ТА Л Л У РГ • № 10 • 2 0 1 1
сложных алюминиевых профилей: «уголок» и
«труба» (рис. 1).
Профиль «труба» назван так условно, он не является осесимметричным, поскольку на его наружной поверхности выполнены ребра неодинаковой
ширины и высоты, поэтому изначально процесс
деформации также не будет осесимметричным. Такой же вывод можно сделать о профиле «уголок».
Перед началом моделирования процесса
прессования следует подготовить геометрию во
внутреннем модуле QShape и создать конечноэлементную модель заготовки и, при необходимости, инструмента пресса.
Модель заготовки создается из топологии области расчета, определяемой конструкцией матричного узла, включающего питатели, сварочные зоны, саму матрицу и калибрующий поясок,
опорные кольца, а также размерами контейнера
пресса. Указывается высота заготовки внутри
контейнера, ее диаметр, определяются также параметры разбиения сетки конечных элементов.
После того как получена параметризованная модель области расчета и определен вид очага деформации, появляется возможность перейти к
редактированию высоты пояска матрицы.
Внутри модуля QShape встроен редактор поясков. Благодаря этому инструменту высоту пояска
матрицы можно регулировать на любом его участке без перехода к CAD-модели. При этом есть возможность работать отдельно с каждым пояском
многоочковой (многоканальной) матрицы, а также раздельно регулировать высоту пояска на внутренней и наружной сторонах матрицы при прессовании полых профилей (например, трубы).
33
34
И Н Ф О РМ А Ц И О Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И
а
б
Рис. 3. Исходная высота пояска по наружному (а) и внутреннему (б) контурам
изделия «труба»
М Е ТА Л Л У РГ • № 10 • 2 0 1 1
а
б
в
г
Рис. 4. Изгиб и скручивание профилей
«уголок» (а, б – виды сбоку и снизу)
и «труба» (в, г – виды сбоку и снизу)
при исходной высоте пояска
для моделирования в модуле
QForm-Extrusion.
В редакторе подготовки исходных данных требуется указать тип процесса,
используемую
геометрию,
технологические параметры
процесса, температуру и материал инструмента и заготовки. Для моделирования
процесса прессования обоих профилей были использованы алюминиевый сплав
АД31 с температурой нагрева
300 °С; температура нагрева
инструмента – 250 °С; скорость прессования – 5 мм/с;
прессование без смазки, коэффициент трения по Зибелю
между заготовкой и инструментом – 0,8; коэффициент
теплопередачи между заготовкой и инструментом пресса – 100 кВт/м2 К.
При проведении нескольких шагов моделирования становится заметным изгиб относительно оси прессования,
профиля «уголок» и профиля
«труба», кроме того, происходит скручивание профилей
из-за неравномерности истечения. К концу прессования
изгиб становится значительным (рис. 4). На рис. 5 показано распределение линейной
скорости истечения профилей.
Теперь для редактирования высоты пояска необходимо вернуться в модуль QShape
к параметризованной модели
заготовки и вновь обратиться
к редактору поясков. Для профиля «уголок» провели корректировку высоты пояска матрицы (рис. 6). Этот вариант
корректировки можно сохранить и в последующем использовать для более точной подстройки. После этого вновь
создается рабочая модель.
Далее был создан новый
вариант расчета, в который
И Н Ф О РМ А Ц И О Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И
а
35
б
Рис. 5. Поле линейной вертикальной
скорости истечения профилей
«труба» (а) и «уголок» (б)
а
б
в
Рис. 6. Окончательный вариант корректировки высоты пояска при прессовании профиля «уголок» (а), обеспечивающей
равномерность истечения при откорректированной высоте (б, в – виды сбоку и снизу)
б
в
Рис. 7. Распределение линейной
вертикальной скорости истечения
профиля «уголок» (а), поля
температуры (б) и степени
деформации (в)
М Е ТА Л Л У РГ • № 10 • 2 0 1 1
а
36
И Н Ф О РМ А Ц И О Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И
а
в
б
г
Рис. 8. Окончательный вариант корректировки высоты пояска по наружному (а) и внутреннему (б) контурам изделия
«труба», обеспечивающей равномерность истечения (виды сбоку, в, и снизу, г)
М Е ТА Л Л У РГ • № 10 • 2 0 1 1
а
б
в
Рис. 9. Распределение линейной
вертикальной скорости истечения
металла профиля «труба» (а),
поля температуры (б) и степени
деформации (в)
И Н Ф О РМ А Ц И О Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И
Таким образом, высота пояска матрицы является одним из важнейших факторов, гарантирующих получение качественного изделия. В статье
рассмотрен вариант регулировки высоты пояска
с помощью встроенного редактора поясков в
модуле QForm-Extrusion. Можно отметить качественное улучшение истечения металла готового
профиля: удалось практически избавиться от изгиба и скручивания в обоих случаях. Правку полученных изделий можно проводить в прави́льных
машинах либо установить дополнительные проводки на выходе пресса. Данные по высоте пояска могут быть переданы в инструментальный
цех. Весь процесс моделирования, включая первый, промежуточные и конечный варианты, а
также варианты редактирования пояска матрицы, и иная работа заняли не более двух дней для
каждого изделия. В реальных же условиях при
испытаниях физических прототипов сам процесс
наладки занял бы значительно большее время, с
бόльшим расходом сырья (заготовки), инструмента, трудовых затрат и загрузки оборудования.
Библиографический список
1. Сайт компании ООО «КванторФорм» http://qform3d.ru/
2. Сайт компании ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИС­
МА» http://www.vsmpo.ru/
М Е ТА Л Л У РГ • № 10 • 2 0 1 1
были импортированы данные из начального варианта и только заменена геометрия (уже с отредактированной конфигурацией пояска).
Результаты моделирования процесса экструзии изделия «уголок» представлены на рис. 6.
Видно, что удалось обеспечить практически прямолинейное истечение металла профиля. Распределение линейной скорости и распределение
температуры деформируемого металла, где явно
видны места деформационного разогрева, показано на рис. 7, также здесь отражено распределение степени деформации в готовом изделии.
Подобным образом редактируется поясок
второго профиля – «труба». Однако в этом случае при создании полого профиля требуется корректировка наружного и внутреннего контуров
пояска. Вид отредактированного профиля пояска
представлен на рис. 8.
В результате моделирования достигнута равномерность истечения профиля (см. рис. 8). На
рис. 9 показано распределение линейной скорости истечения профиля. Видно явное отличие
от первоначального варианта. Также на рис. 9
отражено распределение температуры металла:
деформационный разогрев около очага деформации и охлаждение металла на воздухе; показано
распределение степени деформации в изделии.
37