Моделирование методом конечных элементов процесса изготовления волноводного фланца закрытой объемной штамповкой

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»).

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.

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.

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.

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).

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 σ_z и σ_y (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.

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.

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.

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.