Моделирование операций обработки давлением при производстве тройников штампосварных

Применение моделирования методом конечных элементов в металлургии является очень важным и зачастую необходимым этапом подготовки производства, поскольку позволяет прогнозировать возможные трудности при выполнении технологических операций, учитывать влияние множества факторов [1]. Оно способствует экономии денег, требуемых на производство оснастки, пробных партий, и времени, которое было бы потрачено на освоение технологии [2].

Особенно эффективно применение моделирования методом конечных элементов может быть на предприятиях, имеющих широкую номенклатуру выпускаемых деталей, в особенности если эти детали имеют достаточно крупные размеры, вследствие чего достаточно дорого и долго производить опытные партии и подбирать параметры технологических операций непосредственно в условиях производства.

Моделирование технологических процес- сов проводилось в программе DEFORM-3D, поскольку данный программный комплекс хорошо зарекомендовал себя при моделировании процессов обработки металлов давлением [3–9].

Целью данной работы является исследование возможности использования программного комплекса моделирования методом конечных элементов DEFORM-3D в производстве ШСДТ [10, 11] на примере тройников, изготавливаемых по различным технологиям.

В ходе выполнения работы необходимо было решить следующие задачи:

• •    получение требуемой геометрии в программном комплексе DEFORM;

• •    определение необходимых параметров технологических операций с помощью программного комплекса DEFORM;

• •    проведение опытной штамповки тройника в соответствии с подобранными параметрами на базе предприятия по производству штампосварных деталей трубопровода ООО «ЭТЕРНО»;

• •    сравнение результатов, полученных в процессе моделирования и опытной штамповки, формулировка выводов о достоверности расчетов и возможности применения моделирования при производстве ШСДТ.

Тройники штампосварные применяются в трубопроводах различного назначения для присоединения к магистральному трубопроводу боковых ответвлений.

Существует множество известных способов изготовления тройников штампосварных. К ним относятся:

• 1.    Технология отбортовки ответвления из круглой обечайки с помощью специальных приспособлений – штамповка «на брусе».

• 2.    Технология отбортовки ответвления с помощью тянущего устройства – штока.

• 3.    Технология радиального обжима заготовки с последующей отбортовкой ответвления с помощью тянущего устройства – штока.

• 4.    Технология радиального обжима заготовки с последующей отбортовкой ответвления с неполным циклом.

• 5.    Технология гидроштамповки.

В данной статье рассмотрены три из вышеперечисленных технологий, которые применяются на предприятии ООО «ЭТЕРНО».

Технология радиального обжима заготовки с последующей отбортовкой ответвления с помощью тянущего устройства

Технология радиального обжима заготовки с последующей отбортовкой ответвления применяется на тройниках с диаметром ответвления от 530 до 1420 мм при диаметрах магистрали от 530 до 1420 мм и позволяет производить как переходные, так и равнопроходные тройники.

Технологический процесс включает в себя следующие основные операции:

• 1.    Вырезка заготовки.

• 2.    Вальцовка круглой обечайки.

• 3.    Сварка продольного шва.

• 4.    Овализация круглой обечайки.

• 5.    Нагрев заготовки и частичное охлаждение.

• 6.    Операция набора металла в зону отбортовки.

• 7.    Вырезка отверстия для отбортовки.

• 8.    Нагрев заготовки.

• 9.    Отбортовка ответвления.

• 10.    Термическая обработка.

• 11.    Механическая обработка.

Моделирование, проведение опытной штамповки и сравнение результатов расчетов и опытной работы представлены в статье «Моделирование операций обработки давлением при производстве штампосварных деталей трубопровода» [12]. Работа выполнялась применительно к тройнику переходному 1020х426 30х22.

Моделирование осуществлялось в программе DEFORM-3D v.11, решатель – Conjugate gradient, Direct iteration.

Для моделирования процесса штамповки были созданы 3D-модели штамповой оснастки и инструмента, применяемых в процессе. Для этого был использован программный комплекс САПР SolidWorks 2017 [13]. Модели комплекта матриц и пуансона представлены на рис. 1.

а)

б)

Рис. 1. Модели: а) комплекта матриц; б) пуансона

ляются достаточно простыми, то для сокращения времени моделирования в качестве исходной была использована заготовка «пластическое тело» в форме овала из стали AISI 1015 [14]. При опытном производстве использовалась заготовка из стали 09Г2С. Количество элементов в заготовке – 90000–100000. Размер элемента – 15, коэффициент вариации – 1, в зоне загущения размер элемента – 5. Трение на контакте с инструментом задавалось как Type: Shear, коэффициент трения – 0,3 (для горячей штамповки со смазкой).

Овализированная заготовка и ее модель представлены на рис. 2.

Первая операция, моделирование которой было выполнено, – операция частичного охлаждения заготовки.

Заготовку, согласно технологии предприятия, нагревают в печи до температуры 1000 °С. Затем часть нагретой заготовки охлаждают. Это охлаждение способствует лучшему затеканию металла в зону отбортовки. Поскольку транспортировка заготовки из печи до ванны может занять некоторое время, то, чтобы это учесть, при моделировании начальная температура заготовки принималась равной 850 °С. Как правило, высота охлаждения примерно равна 2/3 высоты овализиро-ванной заготовки. Охлаждение осуществляется путем опускания заготовки в специальную ванну на необходимое расстояние и выдержки в течение определенного времени. При охлаждении параметры теплопередачи задавались следующим образом: коэффициент теплопередачи – 2 [15], температура среды – 50 °С.

Геометрические параметры созданных моделей полностью соответствуют параметрам применяемой оснастки. Размеры инструмента, применяемого при штамповке, рассчитаны с учетом необходимых параметров готового изделия и коэффициента теплового расширения, весь инструмент подобран исходя из набора существующей оснастки. Параметры инструмента представлены в работе далее.

Исходной заготовкой для производства тройника является лист толщиной, равной толщине стенки магистрали, т. е. в данном случае 30 мм.

Длина листа рассчитывается с учетом диаметра магистрали готового тройника, коэффициента обжима и длины прямых участков для вальцовки обечайки.

С помощью операции гибки на вальцах из исходного листа получают круглую обечайку с увеличенным наружным диаметром.

Следующей операцией является овализа-ция круглой обечайки. Данная операция предназначена для того, чтобы обеспечить возможность размещения заготовки в матрице. Как уже говорилось ранее, заготовка вальцуется увеличенного диаметра для набора необходимого объема металла в зоне отбортовки. Величина овализации (H) рассчитывается как величина развала магистрали матрицы минус 15...20 мм. В данном случае диаметр магистрали тройника равен 1020 мм, диаметр матрицы с учетом коэффициента теплового расширения равен 1030 мм, поэтому была принята величина овализации (H), равная 1015 мм.

Поскольку вышеописанные операции яв-

а)                                      б)

Рис. 2. Овализированная обечайка и ее модель: а) модель; б) заготовка

По принятой на предприятии методике ориентировочное время охлаждения рассчитывается как 1 с на 1 мм толщины стенки, поэтому для данной модели с толщиной стенки 30 мм, был установлен шаг итерации в 1 с и задано 30 шагов. При выполнении опытной штамповки время охлаждения длилось также 30 с.

Распределение температуры металла по заготовке до и после охлаждения и ход выполнения операции на производстве представлены на рис. 3.

Далее следует операция набора металла в зону отбортовки. Данная операция предназначена для набора необходимого объема металла в зоне отбортовки для получения необхо- димой высоты и толщины стенки ответвления после операции отбортовки.

При моделировании скорость движения верхней матрицы задавали равной 10 мм/с, что соответствует средней скорости движения верхней траверсы пресса при рабочем ходе. Устанавливали шаг итерации равным 3 мм, а условием остановки – зазор между матрицами, равный 20 мм.

Так как данная деталь имеет две плоскости симметрии, то для сокращения времени расчёта и уменьшения количества конечных элементов на заготовке моделирование проводилось для четверти детали с условием симметричности. Моделирование операции набора металла в зону отбортовки представлено на рис. 4.

а)

б)

в)                             г)                               д)

Рис. 3. Операции частичного охлаждения заготовки: а) модель горячей заготовки; б) модель частично охлажденной заготовки; в) нагрев заготовки в печи; г) охлаждение заготовки в специализированной ванне; д) частично охлажденная заготовка

В результате выполнения операции была получена выпуклость высотой 95 мм. При выполнении опытной работы результат оказался аналогичным.

После выполнения этой операции заготовка охлаждается на воздухе.

Перед заключительной операцией ОМД – отбортовкой – необходимо вырезать отверстие в получившейся выпуклости. Производится это методом газокислородной резки.

Для определения необходимых размеров отверстия при моделировании заключительной операции – отбортовки ответвления – были использованы модели с различными отвер- стиями, после чего измерялись параметры полученных ответвлений и выбирались наилучшие параметры отверстия.

Перед операцией отбортовки заготовка нагревается в газовой печи до температуры 1000° для повышения пластичности металла. Отбортовка осуществляется в том же комплекте матриц, что и операция набора металла. При этом сначала происходит дообжатие заготовки в матрицах, а затем пуансоном, помещенным внутрь тройника, с помощью тянущего устройства, находящегося в нижней части пресса, осуществляется отбортовка ответвления.

а)                                           б)

в)                             г)                               д)

Рис. 4. Моделирование операции набора металла в зону отбортовки: а) начальное положение при моделировании операции; б) результат моделирования операции; в) установка заготовки в матрице; г) смыкание матриц при операции; д) результат выполнения операции

При моделировании заготовкам назначалась начальная температура, равная 850 °C. Скорости движения инструмента составляли 10 мм/с. Для получения более точного результата по толщине стенки ответвления в зоне отбортовки было произведено загущение сетки конечных элементов. Этапы моделирования представлены на рис. 5.

После измерения ответвления были определены размеры отверстия для отбортовки. Наилучшим оказалось отверстие 230 x 190 мм.

Соответствие размеров вырезанного отверстия размерам, выбранным на основе моделирования, было проконтролировано.

Как видно на рис. 6, размеры отверстия равны 230 x 190 мм, что полностью соответствует требуемым размерам.

Процесс выполнения операции отбортовки представлен на рис. 7.

Для оценки результатов моделирования и опытной штамповки были измерены высота ответвления и толщина стенки ответвления на минимальной высоте отбортовки.

В табл. 1 представлено сравнение результатов моделирования и опытной штамповки.

Полученная модель тройника и результаты замеров готового изделия представлены на рис. 8.

б)

а)

в)

Рис. 5. Моделирование операции отбортовки: а) результат дообжатия заготовки; б) результат отбортовки – продольное сечение; в) результат отбортовки – поперечное сечение

а)

Рис. 6. Замер отверстия под отбортовку: а) размер «А»; б) размер «В»

а)                             б)                                 в)

Рис. 7. Операция отбортовки: а) обжатие заготовки; б) отбортовка ответвления; в) отбортованная деталь

Таблица 1

Сравнение результатов моделирования и опытной штамповки

Параметр	Моделирование	Опытная штамповка
Высота ответвления, мм	140	147…150
Толщина стенок ответвления на минимальной высоте отбортовки (100 мм), мм	22,4…22,6	22…23

а)

б)

Рис. 8. Результат: а) моделирования; б) опытной штамповки

Технология радиального обжима заготовки с последующей отбортовкой ответвления с неполным циклом

Технология радиального обжима заготовки с последующей отбортовкой ответвления с неполным циклом абсолютно идентична вышеописанной. Исключается только операция набора металла в зону отбортовки.

Технологический процесс включает в себя следующие основные операции:

• 1.    Вырезка заготовки.

• 2.    Вальцовка круглой обечайки.

• 3.    Сварка продольного шва.

• 4.    Овализация круглой обечайки.

• 5.    Вырезка отверстия для отбортовки.

• 6.    Нагрев заготовки.

• 7.    Отбортовка ответвления.

• 8.    Термическая обработка.

• 9.    Механическая обработка.

Моделирование осуществлялось в программе DEFORM-3D v.11, решатель – Conjugate gradient, Direct iteration. Работа выполнялась применительно к тройнику переходному 1420х530 38х14.

Для моделирования процесса штамповки были созданы 3D-модели штамповой оснастки и инструмента, применяемых в процессе. Для этого был использован программный комплекс САПР SolidWorks 2017 [13].

Длина листа рассчитывается с учетом диаметра магистрали готового тройника, коэффициента обжима и длины прямых участков для вальцовки обечайки.

С помощью операции гибки на вальцах из исходного листа получают круглую обечайку с увеличенным наружным диаметром.

Как и в вышеописанном примере, для сокращения времени моделирования в качестве исходной была использована заготовка «пластическое тело» в форме овала из стали AISI 1015 [14]. Количество элементов в заготовке – 180000–190000. Размер элемента – 20, коэффициент вариации – 1, в зоне загущения размер элемента – 5. Трение на контакте с инструментом задавалось как Type: Shear, коэффициент трения – 0,3 (для горячей штамповки со смазкой).

Технологический процесс отличается от вышеописанного отсутствием операции «предварительная штамповка». Поэтому следующей технологической операцией после овализации является вырезка отверстия. При моделировании использовалась заготовка с отверстием. Модель заготовки и заготовка для штамповки представлены на рис. 9.

В данной работе оптимальные размеры отверстия под отбортовку также были определены с помощью моделирования.

Перед операцией отбортовки заготовка на- гревается в газовой печи до температуры 1000° для повышения пластичности металла. При моделировании заготовкам назначалась начальная температура, равная 850 °C. Скорости движения инструмента составляли 10 мм/с. Для получения более точного результата о толщине стенки ответвления в зоне отбортовки было произведено загущение сетки конечных элементов.

В результате моделирования были определены оптимальные размеры отверстия для отбортовки – 255 х 210 мм. Соответствие размеров вырезанного отверстия размерам, выбранным на основе моделирования, было проконтролировано. Как видно на рис. 10, размеры отверстия равны 255 х 210 мм, что полностью соответствует требуемым размерам.

Для оценки результатов моделирования и опытной штамповки были измерены высота ответвления и толщина стенки ответвления на минимальной высоте отбортовки.

В табл. 2 представлено сравнение результатов моделирования и опытной штамповки.

Полученная модель тройника и результаты замеров готового изделия представлены на рис. 11.

Технология отбортовки ответвления с помощью тянущего устройства

Технология отбортовки ответвления с помощью тянущего устройства применяется для производства тройников с диаметром ответвления от 159 до 530 мм при диаметрах магистрали от 530 до 1420 мм. Технология позволяет получать достаточно невысокие ответвления.

а)

б)

Рис. 9. Заготовка: а) модель заготовки; б) заготовка для штамповки

а)

б)

Рис. 10. Замер отверстия для отбортовки: а) размер «А»; б) размер «В»

Таблица 2

Сравнение результатов моделирования и опытной штамповки

Параметр	Моделирование	Опытная штамповка
Высота ответвления, мм	215	225…235
Толщина стенок ответвления на минимальной высоте отбортовки (185 мм), мм	13,8…14,9	13,6…14,7

а)                                           б)

Рис. 11. Результат: а) моделирования; б) опытной штамповки

Технология изготовления тройников включает в себя следующие основные операции:

• 1.    Вырезка заготовки.

• 2.    Вальцовка круглой обечайки.

• 3.    Сварка продольного шва.

• 4.    Вырезка отверстия под отбортовку.

• 5.    Локальный нагрев зоны отбортовки.

• 6.    Отбортовка ответвления.

• 7.    Термическая обработка.

• 8.    Механическая обработка.

Операцией ОМД в данном процессе является отбортовка ответвления. Перед выполне- нием отбортовки в круглой обечайке вырезается отверстие, затем с помощью газовых горелок выполняется локальный нагрев зоны отбортовки. Далее заготовка устанавливается в матрицу, к тянущему устройству крепится пуансон и выполняется непосредственно отбортовка ответвления.

Моделирование осуществлялось в программе DEFORM-3D v.11, решатель – Conjugate gradient, Direct iteration. Работа выполнялась применительно к тройнику переходному 530х325 18х12.

Для моделирования процесса штамповки были созданы 3D-модели штамповой оснастки и инструмента, применяемых в процессе. Для этого был использован программный комплекс САПР SolidWorks 2017 [12].

В качестве исходной заготовки была использована круглая трубная заготовка «пластическое тело» из стали AISI 1015. Количество элементов в заготовке – 50000–60000. Размер элемента – 10, коэффициент вариации – 1, в зоне загущение размер элемента – 5. Трение на контакте с инструментом задавалось как Type: Shear, коэффициент трения – 0,3 (для горячей штамповки со смазкой). С помощью программного комплекса Deform-3D были по- добраны все параметры технологического процесса, после чего данный тройник был изготовлен в условиях предприятия ООО «ЭТЕРНО».

На рис. 12 представлен результат моделирования отбортовки тройника.

На рис. 13 представлены замеры штампованного тройника.

Результаты замеров приведены в табл. 3.

Выводы

Сходимость результатов моделирования и опытной штамповки, выполняемых с одинаковыми параметрами, различается для каждой технологии.

Рис. 12. Результат моделирования изготовления тройника 530х325 18х12

Рис. 13. Отштампованный тройник 530х325 18х12

Таблица 3

Сравнение результатов моделирования и опытной штамповки

Параметр	Моделирование	Опытная штамповка
Высота ответвления, мм	59…67	60…67
Толщина стенок ответвления на минимальной высоте отбортовки, мм	12,4…12,5	12,2…12,5

Замер параметров готовых изделий, изготавливаемых по технологиям радиального обжима и радиального обжима с неполным циклом, показал, что результаты расчета оказались очень близки к результатам опытной штамповки. Разница высоты ответвления при расчете и при опытной штамповке составила 10 мм (95 %). Это происходит вследствие того, что моделирование производится в идеальных условиях. На практике же влияние оказывает множество дополнительных факторов. В первую очередь, это глубина охлаждения при выполнении операции «предварительная штамповка», так как данный параметр очень трудно контролируется на практике. Также большое влияние оказывает установка заготовки в штампе, которую достаточно сложно выполнить идеально, вследствие больших габаритов заготовки.

При этом следует заметить, что получение ответвления большей высоты не переводит изделие в брак и потому является менее значимым, чем толщина стенки ответвления.

Исходя из замеров тройника, изготавливаемого по технологии отбортовки ответвления с помощью тянущего устройства, можно сделать вывод о том, что результаты моделирования максимально точно отражают процесс отбортовки. Сходимость результатов составила 99 %. Более высокие результаты сходимости можно объяснить снижением влияния сторонних факторов. В частности, данная технология не подразумевает выполнения частичного охлаждения заготовки, что значительно снижает риск отклонения практики от теории. Также заготовки, применяемые при данной технологии, значительно меньше, что упрощает ее ровную установку в матрице.

В результате выполнения опытной штамповки были получены три партии годных тройников разных типоразмеров, изготавливаемых по различным технологиям и полностью удовлетворяющих требованиям технических условий.

По итогам работы можно сделать вывод о том, что применение программного комплекса DEFORM на предприятиях, производящих штампосварные детали трубопровода, представляется весьма целесообразным, поскольку позволит сократить срок ввода в производство нового изделия, сократить издержки на производство опытной партии и подгонку технологии, сократить расход металла и поможет оптимизировать производственный процесс предприятия.