Перейти к:
Моделирование методом конечных элементов процесса изготовления волноводного фланца закрытой объемной штамповкой
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-2-60-64
Аннотация
Ключевые слова
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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-2-60-64
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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-2-60-64
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. АрхиповРоссия
С. В. Любимский
Россия
Рецензия
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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-2-60-64
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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-2-60-64