Технология проектирования сложных штампов на основе теории приспособляемости

До недавнего времени при проектировании оснастки для изготовления заготовок буровых шарошечных долот применялись, в основном,расчетные методы определения нагрузок, основанные на классической теории упругости . В этом случаенагрузки определялись в отдельных точках, без учета реальной геометрии, нелинейного поведения свойств материалов исследуемых заготовок, особенно при больших деформациях, возникающих в процессе штамповки.

В работе предложено использовать метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет производить компьютерный анализ нагружения и расчет, напряжений и деформаций сложных пространственных конструкций,обеспечивает высокую степень автоматизации построения моделей [ 1 ]. Особенностью применения данного метода связано с новым подходом к оценке циклической несущей способности штампов, который основан на теории приспособляемости с применением упругих компенсаций [2 ].

линейных задач вместо пошагового решения на каждом цикле нагружения.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для оценки границ приспособляемости использовалась статическая теорема Мелана [3]. В соответствии с которой приспособляемость в идеальном упругопластическом теле наступает, когда не зависящее от времени, поле суммар-∗ ных напряжений σ ij находится внутри полей текучести.

Внешние усилия, при которых рабочие на-

′

∗

пряжения σ ij и σ ij достигают предела теку-

∗ чести, обозначаются соответственно через Q _m и Q _m ′ . Меньшее из этих усилий является оценкой границы приспособляемости на данной итерации: Q _m = min( Q _m ^∗ , Q _m ′ ) . Окончательная оценка – это величина Q = max( Q_m ) . Она m ∗ достигается на той итерации, где нагрузки Q _m и Q _m ′ оказываются наиболее близкими друг к другу.

Для практического решения задачи определения циклической несущей способности элементов гравюры штампа заготовки лапы бурового долота применялась двухшаговая численная процедура конечно-элементного моделирования, согласно которой процесс штамповки сначала моделируется без учёта зависимости между тепловыми и механическими нагрузками.

При этом нижняя половинка штампа рассматривалась как абсолютно жёсткое тело, верхняя – как упругое тело, а заготовка имела термовязкоупругое поведение. Затем тепловые и другие поля напряжений в верхней половинке штампа рассчитывались с точностью, необходимой для решения задачи приспособляемости с применением пакета ANSYS. Геометрическая модель штампа строилась в CAD-системе Unigraphics, а затем передавалась непосредственно в ANSYS[4]. Анализ распределения напряжений и температур по поверхности гравюры и в сечениях штампа проводился на основе построениясоответствующих изолиний.

При моделировании процессавзаимодей-ствия контактных поверхностей между инструментом и заготовкой учитывались три аспекта: контактные напряжения, изменение коэффициента трения и коэффициент теплопередачи. Для описания процесса трения принимался закон трения Кулона. Эквивалентное касательное напряжение трассчитывалось в соответствии с условием текучести Треска

^ = цоп при цоп < m^=;

τ

σ m —рп при Ц ст„

3             ⁿ

где m – коэффициент трения скольжения, m– коэффициент касательных напряжений, σ _o – предел текучести, σ _n– нормальное напряжение на контактной поверхности.

Методика расчета предусматривала двухуровневое решение. Сначала гравюра верхней половины штампа (рис. 1) моделировалась с использованием относительно грубой конечноэлементной сетки. Затем на наиболее нагруженной часть штампа изменялась модель, в которой использовалась достаточно мелкая сетка.

Размер мелкой сетки подбирался таким образом, чтобы обеспечить достаточную точность аппроксимации градиента температур в приповерхностных слоях инструмента (рис. 2).

Решение задачи теплопроводности выполнялось для циклических условий нагружения, соответствующих реальным режимам процесса штамповки с использованием схематизированных диаграмм деформирования стали 5ХНМ.

Изменение температуры определялось в точке пересечения поперечного и продольного сечений, выбранной на наиболее нагруженной поверхности гравюры при последовательной штамповке нескольких заготовок. Исследования показали, что разница температур при штамповке 3 и 4 заготовки составляет менее 5%, что позволяет считать температурный цикл установившимся.

Расчет полей упругих напряжений производился для двух моментов времени: при третьем и четвертом ударе. Затем они складывались из температурных напряжений и напряжений от усилий со стороны заготовки в наиболее нагретой точке в пределах базовой геометрии. Результаты анализа показали, что в наиболее нагруженных областях упругие напряжения, вызванные температурным градиентом, составляют до 90% от общих напряжений.

В соответствии с выбранными границами приспособляемости был выполнен прямой пошаговый расчёт напряжённо-деформированного состояния верхней половинки штампа при штамповке заготовки с температурой нагрева 1100°С и 1200°С.

Оценка снизу границы приспособляемости проводилась по следующему условию

, I j I j l < I ■ (1) где σ _i ′ _j – поле остаточных напряжений после третьего удара при штамповке первой заготовки; σ _ij – поле упругих напряжений во время третьего удара при штамповке третьей заготовки, когда достигается установившееся циклическое температурное состояние; s_Т – предел

Рис. 1. 3-D модель верхней половины штампа

Рис. 2. Участок конечно-элементной сетки наиболее нагруженной части инструмента

♦ Исходная геометрия, 1200 С

■ Исходная геометрия, 1100 С

400 -

300 -

200 -

100 -

0 -

0        0,5         1         1,5        2        2,5

Глубина залегания, мм.

Рис. 3. Интенсивность упругих напряжений и их глубина залегания в наиболее нагретой точке при штамповке третьей заготовки (третий удар) с учетом температуры заготовки текучести соответствует температуре в момент третьего удара.

Прямыми скобками показано вычисление интенсивности напряжений, которые соответствуют температуре в момент третьего удара при штамповке третьей заготовки.

Выполнение условия (1) означает, что приспособляемость имеет место. Проведённые расчёты для интервала температур заготовки от 1100°С до 1200°С показали, что для верхней границы интервала при повышении интенсивности напряжений в левой части (1) превышает предел текучести на 24%, а при температуре заготовки 1100°С – ниже его на 5,7% (рис. 3).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Как видно из графика, снижение температуры заготовки на 1000С приводит к значительному и практически равномерному снижению интенсивности упругих напряжений в приповерхностных слоях штампа (примерно на 50-

60%), что, несомненно, должно способствовать повышению стойкости штампов.

Снижение интенсивности термоупругих напряжений на поверхности гравюры может быть также достигнуто за счёт изменения её геометрической формы и улучшения условий отвода тепла от поверхности.

Установлено, что наибольшее влияние на условие отвода тепла из зоны деформации (5070%) оказывает увеличение радиусов сопряжений поверхностей.

Произведен анализ напряженно-деформированного состояния гравюры штампов с измененной геометрией при температуре заготовки в 1200°С по предложенной методике. Исследования показали, что превышение левой части уравнения (1) над правой, составило примерно 3-8%.

Результаты исследования интенсивности упругих напряжений от глубины залегания при изменении геометрии штампа (увеличении радиусов скругления на 50-70%) приведены на рис. 4.

Рис. 4. Интенсивность упругих напряжений и их глубина залегания в наиболее нагретой точке при штамповке третьей заготовки (третий удар) с учетом изменения геометрии

Как видно из графика, изменение радиусов скругления приводит к перераспределению напряжений за счет существенного их снижения на поверхности (с 761 МПа до 517 МПа) и незначительного роста в глубине штампа (с 170 МПа до 193 МПа).

Исследования показали, что температура на поверхности в наиболее нагретой точке уменьшается на 94 oС, а на глубине практически остается неизменной (увеличение на 5 oС).

Таким образом, предложенный подход позволяет количественно оценивать влияние геометрии наувеличение сопротивления смятию гравюры штампа.

В работе исследовано применение нескольких марок стали для изготовления штампов : сталь 5ХНМ и сталь 5Х2НМФ. Физико-механические свойства этих сталей приведены в таблице, а теплофизические свойства этих сталей мало отличаются.

Расчеты показывают, что применение стали 5Х2НМФ практически не повлияло на распределение полей температур, а циклические напряжения оказались полностью в упругой области. Показано, что применение стали 5Х2НМФ существенно (на 90° и более) снижает температуру в наиболее напряженных зонах гравюры и до 60% интенсивность внутренних напряжений в поверхностных слоях.

Разработанная методика позволяет не только спрогнозировать выбор марки штамповых сталей с целью повышения стойкости инструмента, но и учесть такие механические свойств, как предел текучести, прочность, усталость, относительное удлинение при разрушении и др.

Для производства штамповой оснастки при изготовлении лап буровых долот создана сквозной технологии проектирования и изготовления штампов с применением CAD, CAM и CAE технологий (рис. 5).

ВЫВОДЫ

Произведенные исследования процесса штамповки позволили разработатьсхему сквозного автоматизированного проектирования по-

Таблица. Физико-механические свойства сталей 5ХНМ и 5Х2НМФ

Марка стали	Механические свойства
	о в , МПа	о т , МПа	E(t=20 0 C), МПа	δ 5 , %
5ХНМ	1570	1420	201490	9
5Х2НМФ	1750	1500	228570	10

Рис. 5. Схема процесса сквозного проектирования и изготовления изделия (CAD/CAM/CAE – технологии)

ковки и штамповой оснастки для ее изготовления, проектирования технологии изготовления штампов, отслеживания и необходимой модификации хода выполнения проектных процедур на всех его стадиях.

Из схемы видно, что концепция сквозного цикла использует 3-х -мерную модель как базовый элемент для объединения отдельных этапов подготовки и производства в единую информационную технологию. Предложено программное обеспечение для 2D- и 3D-моделирования, проектирования технологических процессов и инженерных расчетов, разработана методика и программный комплекс для построения 3D-моделей заготовки и штампа, созданы системы автоматизированного проектирования «САПР-Долото» [5].

Концепция сквозного цикла еще на стадии проектирования обеспечивает возможность оптимизации геометрических параметров поковки и штампа на основе применения метода конечных элементов в процессе проектирования. После выбора оптимальной геометрии штампа выполняется разработка управляющих программ станков с ЧПУ для его изготовления. Возможности программного обеспечения CAD/ CAM являются ключевыми в обеспечении эффективной высокопроизводительной обработки штампов.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

• 1.    Разработана технология проектирования сложных штампов с гарантированными прочностными параметрами на основе моделирования процесса их эксплуатации и применения теории приспособляемости.

• 2.    Предложена методика конечно-элементного моделирования процесса штамповки, установлены параметры нагрева заготовки, геометрическая форма гравюры в зависимости от механических свойств материала.

• 3.    Показано, что применениестали 5Х2НМФ существенно (на 90° и более) снижает температуру в наиболее напряженных зонах гравюры и до 60% интенсивность внутренних напряжений в поверхностных слоях.

• 4.    Разработана автоматизированная система сквозного проектирования технологической подготовки производства от заготовок лап буровых долот, до оптимизации геометрии штампов с учетом силовых и температурных режимов эксплуатации.