Analysis of technological process of forging broaches with the simulation in DEFORM-3D

Abstract

The article describes simulation of the existing technological process of step forging that is used at JSC “Metallurgical Plant “Electrostal” for production a round profile by using the finite element method.

Full Text

Для оценки напряженно–деформационного состояния поковок при применяемом на ОАО «МЗ «Электросталь» технологическом процессе было произведено моделирование операции ковки–протяжки с использованием метода конечных элементов. Моделирование осуществлялось в программном комплексе DEFORM–3D. Согласно применяемому технологическому процессу, исходный слиток, изображённый на рисунке 1, сначала протягивается в плоских бойках до поковки квадратного сечения, затем происходит сбивка углов для получения восьмигранного профиля. Далее ковка ведётся в вырезных бойках для получения готового круглого профиля. Применяемые технологические переходы показаны на рисунке 2. Моделирование процесса осуществлялось следующим образом: в редакторе SolidWorks были созданы трёхмерные модели рабочего инструмента (плоски и вырезные бойки) и слитка, которые совмещались в сборку. Далее полученная сборка импортировалась в DEFORM, где модель слитка разбивалась на конечно–элементную сетку, состоящую из 40000 элементов (в процессе моделирования число элементов было увеличено до 65000). Модели бойков на КЭ сетку не разбивались. Слитку присваивались реологические свойства стали AISI–321 (база материалов DEFOEM не содержит отечественных марок, поэтому данная сталь была выбрана как наиболее близкий аналог 12Х18Н10Т, которая применяется в реальном процессе ковки). Затем в модуле DEFORM–3D Multiple Operations задавалась последовательность обжатий, подач и кантовок заготовки, соответствующая реальному маршруту ковки, и запускался расчёт. После моделирования серии проходов и увеличения длины поковки в 5 раз, она, в соответствии с реальным технологическим процессом, была разделена на несколько частей (при этом для облегчения данного процесса вместо моделирования рубки применялась операция отсечения части заготовки). После разделения и подогрева заготовки моделирование продолжалось до получения готового профиля. Модели бойков, слитка и заготовки во время ковки показаны на рисунке 3. Рисунок 1. Применяемый слиток Рисунок 2. Технологические переходы ковки а) – первоначальная стадия, б) – получение промежуточного квадрата, в) – проглажка заготовки в вырезных бойках Рисунок 3. Импортированные в DEFORM модели При расчёте моделировался только деформирующий ход бойков (подъем верхнего бойка и подача заготовки осуществлялись между шагами моделирования), поэтому время, затраченное на каждый проход в симуляции, оказывалось меньше времени реального процесса, что могло в итоге вызвать большие погрешности в тепловом поле заготовки. Для предотвращения этого несколько раз за каждый проход и во время кантовок бойки разводились и производилось охлаждение заготовки. Время охлаждения устанавливалось таким образом, чтобы оно совместно со временем деформации составляло время реального процесса. Далее производился анализ полученных данных. Были рассмотрены напряжённо–деформационное состояние, тепловое поле заготовки, оценена проработка структуры и повреждаемость. На заготовку наносились сечения: продольное и поперечное, это позволило оценить НДС в очаге деформации. На основании анализа можно сделать вывод, что большая часть формоизменения металла производится во время ковки в плоских бойках, а вырезные служат по большей части только для придания восьмигранной заготовке необходимого круглого сечения. Это заметно по распределению интенсивности деформаций в поковке: после основной протяжки слитка, показанной на рисунке 4а, максимальное значение интенсивности деформаций составляет 7. После сбивки углов, рисунок 4б – 10,7, а после ковки в вырезных бойках, рисунок 4в – 10,8. Сравнение рисунков 4б и 4в показывает, что применение вырезных бойков мало меняет общую картину распределения интенсивности деформаций. Рисунок 4. Распределение интенсивности деформаций Ковка в плоских бойках может привести к появлению растягивающих напряжений как по бокам заготовки, так и в осевой зоне. Данная картина показана на рисунке 5: в начальной стадии процесса слиток имеет исходное круглое поперечное сечение и бойки соприкасаются с относительно небольшой частью заготовки. При подобной деформационной схеме сжимающие напряжения возникают только в зоне непосредственно под бойками и практически не проникают до центра поковки. Высокие растягивающие напряжения наблюдаются также в боковых областях заготовки, это вызвано тем, что здесь течение металла свободное и не ограничено рабочим инструментом. Рисунок 5. Максимальные главные напряжения в начальной стадии процесса Когда заготовка приобретает прямоугольное поперечное сечение, НДС улучшается. Как видно из рисунка 6, сжимающие напряжения распространяются до осевой зоны поковки, однако, в боковых областях всё также сохраняются высокие растягивающие напряжения. При операции по сбивке углов, показанной на рисунке 7, НДС становится аналогичным начальной стадии процесса: контакт между поковкой и бойками происходит только в двух точках – ребрах квадрата поперечного сечения. Совместно с небольшими единичными обжатиями это вызывает появление растягивающих напряжений в осевой и боковых зонах заготовки. Сжимающие напряжения снова появляются только в областях, расположенных непосредственно под бойками. Рисунок 6. Максимальные главные напряжения в середине процесса Это вызвано особенностями протяжки восьмигранной поковки и вырезных бойков: на рисунке 9а показана схема контакта заготовки в первоначальный момент и после кантовки (кантовка производится после каждого единичного обжатия). Контакт происходит по углам поковки, при этом непосредственно под бойками возникают напряжения сжатия (хорошо видны на поперечном разрезе не рисунке 8). Но из–за небольших единичных обжатий (на рисунке 9б показано итоговое положение бойков), данные напряжения не проникают в осевую зону поковки. Таким образом, на всём протяжении протяжки образуется несколько небольших контактных поверхностей, которые и вызывают неблагоприятную картину НДС. Рисунок 7. Максимальные главные напряжения в конце процесса Дальнейшая ковка в вырезных бойках, как видно из рисунка 8, также периодически вызывает появление растягивающих напряжений в осевой и боковых зонах заготовки. Рисунок 8. Максимальные главные напряжения при ковке в вырезных бойках Рисунок 9. Схема обжатий в вырезных бойках Итоговый анализ результатов моделирования позволяет сделать выводы о неблагоприятной схеме НДС металла во время ковки по существующему технологическому процессу. Причиной этого является применение только плоских бойков для операции ковки–протяжки. Использование вырезных бойков в финальных стадиях не способствует улучшению состояния НДС металла, т.к. они применяются по большей части для проглаживания поковки. Как неоднократно описано в литературных источниках [1, 2], подобная схема ковки применима для сталей с высокой пластичностью (углеродистые, нержавеющие стали). Поэтому в данном случае возникающие растягивающие напряжения не приводят к возникновению дефектов. Однако при производстве поковок из жаропрочных сталей (составляющих большую часть производимой предприятием продукции) по подобной технологии высока вероятность появления трещин, разрывов и других дефектов, что и наблюдается при реальном процессе ковки.