Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Моделирование методом конечных элементов процесса изготовления волноводного фланца закрытой объемной штамповкой

Полный текст:

Аннотация

Выполнен анализ базового технологического процесса изготовления волноводных фланцев на предприятии ПАО «НПО «Алмаз» «Лианозовский электромеханический завод». Предложен способ оптимизации технологического процесса, проведено его теоретическое исследование методом конечных элементов. Проанализировано напряженно-деформированное состояние поковки фланца сложной формы при его изготовлении закрытой объемной штамповкой.

Для цитирования:


Архипов А.А., Любимский С.В. Моделирование методом конечных элементов процесса изготовления волноводного фланца закрытой объемной штамповкой. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(2):60-64.

For citation:


Arkhipov A.A., Lyubimskiy S.V. FEM simulation of waveguide flange manufacture by closed bulk forming. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(2):60-64. (In Russ.)

В процессе научно-исследовательской рабо­ты по повышению эффективности процесса изготовления волноводных фланцев (рис. 1) был проведен анализ базовой технологии их изготовления на предприятии Территориаль­но обособленного подразделения «Лиано­зовский электромеханический завод» (ТОП «ЛЭМЗ»).

 

Рис. 1. Эскиз получаемой поковки фланца с основными размерами

 

Данная технология представляет собой открытую горячую объемную штамповку в под­кладном штампе, установленном на штампо­вочном молоте. Сначала производится обрезка облоя в обрезном штампе. Затем фланец меха­нически обрабатывается для придания ему раз­меров в соответствии с ОСТ 4Г 0.206.203 [1].

При таком способе изготовления коэф­фициент использования материала составляет не более 0,5...0,6, что приводит к значитель­ному расходу металла. Кроме того, при открытой штамповке быстро остывающей заготов­ки на падающем молоте процент брака среди получаемых поковок повышается. Среди де­фектных поковок наиболее часто встречаются такие виды брака, как неполная фигура - незаполнение ручья штампа металлом заготовки (рис. 2), недоштамповка, забоины и зажимы. Фланцы волноводов относятся к составным частям радиоэлектронной аппаратуры. Вви­ду этого предъявляются высокие требования к точности их размеров и формы, которые за­труднительно реализовать при использовании молотовой штамповки.

 

Рис. 2. Дефекты поковки при штамповке на молоте

 

Для снижения расхода металла и уменьше­ния процента брака вместо открытой молотовой штамповки было предложено применение закрытой объемной штамповки на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) [2]. Вме­сте с этим предложена замена и самой формы заготовки с прямоугольной на цилиндрическую. Последняя позволяет обеспечить более точную ее установку в полости штампа за счет особен­ностей его конструкции [3].

На рабочем торце контрпуансона выпол­нена впадина радиусом, равным радиусу заго­товки. При этом номинальный продольный раз­мер матрицы выполнен равным длине заготовки для ограничения течения металла в продольном направлении при заполнении полости штампа. На рис. 3 показаны цилиндрическая заготовка, установленная в рабочей зоне штампа и схема процесса.

 

Рис. 3. Установка заготовки в полости штампа (а) и схе­ма процесса закрытой объемной штамповки фланца (б): 1 - матрица; 2 - контрпуансон; 3 - заготовка; 4 - пуансон

 

В качестве теоретического исследования и для оценки технологической возможности использования закрытой объемной штамповки было проведено компьютерное моделирование технологического процесса методом конеч­ных элементов в программе Deform-3D (рис. 4). Трехмерная модель поковки была разбита на 60 000 конечных элементов - тетраэдров 2-го порядка. Матрица, пуансон и контрпуансон рас­сматривались как абсолютно жесткие тела. Тип контактного взаимодействия обрабатываемого материала с оснасткой принят в соответствии с законом Кулона.

 

Рис. 4. Трехмерная модель поковки, разбитая на конеч­ные элементы

 

Исходной заготовкой для моделирования процесса выбран цилиндрический пруток диа­метром 40,5-0,05 мм и длиной 130-0,05 мм из спла­ва алюминиевого АД00 согласно ГОСТ 4784-97. С учетом предварительной обработки заготовки из стандартного сортамента - прутка диаметром 45 мм по ГОСТ 21488-97, коэффициент исполь­зования материала составляет 0,8. Температура заготовки 450 °С, предварительно инструмент не нагревается. Коэффициент трения μ = 0,4. Рабочий ход пуансона - 33,7 мм. При дефор­мировании материал заготовки перемещается в направлениях, перпендикулярных в плане оси Z и параллельных оси Y до полного заполне­ния объема основания фланца. Затем металл затекает в труднодоступные полости матрицы, соответствующие ребрам жесткости и стенкам выступа фланца.

При моделировании получены значения силы деформирования для всех этапов процес­са (рис. 5).

 

Рис. 5. График зависимости силы процесса от рабочего хода пуансона

 

На последних этапах деформирования по­ковки, когда металл заготовки уже достиг стенок полости матрицы, сила значительно возрастает (см. рис. 5). При этом происходит заполнение труднодоступных полостей ребер жесткости и прямоугольного выступа, а также окончательное формирование плоской поверхности торца фланца.

Высокий уровень силовых факторов по сравнению со свободной осадкой заготовки со­поставимых габаритных размеров можно объ­яснить тем, что при закрытой штамповке облой не образуется, заготовка полностью заполняет полость штампа. Следовательно, давление прес­сования очень велико. При этом необходим точ­ный контроль объема заготовки для получения поковки с желаемыми размерами. Недостаточ­ные размеры заготовки препятствуют заполне­нию полости штампа. Ее избыточные размеры создают чрезмерное давление и могут приво­дить к разрушению штампа или заклиниванию оборудования [4].

Для определения полей напряжений σz и σy (рис. 6) выбрано поперечное сечение YZ по­середине ребра жесткости, поскольку оно соот­ветствует наиболее проблемной зоне заполнения металлом заготовки полости матрицы. Компо­ненты напряжений определены по осям Y и Z для окончательной стадии процесса.

 

Рис. 6. Поля напряжений σz и σy в сечении

 

В ходе анализа полученных данных уста­новлено, что в процессе деформирования в по­ковке превалируют растягивающие напряжения, имеющие максимальное значение в основании фланца и перемычке. Растягивающие напряже­ния уменьшаются в зоне выступа. В течение первых 85 % всего процесса деформирования в зонах, соответствующих ребрам жесткости, дей­ствуют сжимающие напряжения, которые затем сменяются напряжениями растяжения.

 

Рис. 7. Картина течения материала заготовки в конце процесса деформирования

 

Кинематика течения металла на оконча­тельной стадии деформирования показана на рис. 7. На основе полученных данных модели­рования можно сделать вывод, что благодаря выступу в пуансоне и соответствующей ему впадине в торце основания фланца зоны течения металла от плоской поверхности торца фланца, контактирующей с пуансоном, в направлении тыльной поверхности и ребер жесткости сме­щены к краям заготовки. Это обусловливает более благоприятные условия заполнения по­лости матрицы.

В результате проведенного теоретического исследования были получены важные данные по напряженно-деформированному состоянию по­ковки фланца, а также кинематика течения метал­ла в процессе деформирования. Была определена сила процесса для всех стадий деформирования и построена зависимость силы от величины ра­бочего хода пуансона. Окончательные результаты моделирования процесса в виде импортирован­ной геометрии в программный комплекс САПР представлены на рис. 8, на котором полость ма­трицы полностью заполнена металлом заготовки.

 

Рис. 8. Результаты моделирования

 

Стоит отметить, что постоянно возраста­ющей ролью радиолокации в системах управ­ления воздушным движением и контроля воз­душного пространства, а также увеличением объемов производства радиоэлектронной ап­паратуры обусловлена необходимость опти­мизации процесса изготовления волноводных фланцев.

В результате проведенного исследования были созданы предпосылки для улучшения ка­чества конечного изделия - волновода, главным образом за счет уменьшения количества брака. Показано, что можно получить экономический эффект за счет увеличения степени использова­ния металла заготовки и уменьшения отходов. При этом коэффициент использования матери­ала увеличивается с 0,5.0,6 до 0,8. Получены важные данные по напряженно-деформирован­ному состоянию поковки волноводного фланца, а также кинематике течения металла в процессе деформирования.

Список литературы

1. ОСТ 4Г 0.206.203-75. Устройства сверхвысоких частот. Волноводы прямоугольные из алюминиевых сплавов. Соединения фланцевые контактные. Детали. Технические условия. Введ. 01.01.77. М.: Стандартиздат, 2012. 130 с.

2. Сосенушкин Е.Н., Архипов А.А. Повышение эффективности технологического процесса изготовления волноводных фланцев. Сб. науч. ст. и докл. XIII Конгресса «Кузнец-2017». Рязань, 12-19 сент. 2017. Рязань: Экспресс-печать, 2017. С. 99-103.

3. Сосенушкин Е.Н. Прогрессивные процессы объемной штамповки. М.: Машиностроение, 2011. С. 287-293.

4. Kalpakjian S., Schmid S. Manufacturing engineering and technology. Prentice Hall PTR, 2009. Р. 341.


Об авторах

А. А. Архипов
ПАО «НПО «Алмаз» Территориально обособленное подразделение «Лианозовский электромеханический завод»
Россия


С. В. Любимский
ПАО «НПО «Алмаз» Территориально обособленное подразделение «Лианозовский электромеханический завод»
Россия


Для цитирования:


Архипов А.А., Любимский С.В. Моделирование методом конечных элементов процесса изготовления волноводного фланца закрытой объемной штамповкой. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(2):60-64.

For citation:


Arkhipov A.A., Lyubimskiy S.V. FEM simulation of waveguide flange manufacture by closed bulk forming. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(2):60-64. (In Russ.)

Просмотров: 37


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)