Расчёт и анализ процессов объёмной штамповки с вращающимся инструментом при помощи конечно-элементного моделирования

Металлургия и материаловедение

2022. Т. 29. № 1. С. 226-244.

DOI: 10.34759/vst-2022-1-226-244

Авторы

Петров М. А.*, Матвеев А. Г.**, Петров П. А., Сапрыкин Б. Ю.***

ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет», ул. Б. Семеновская, 38, Москва, 107023, Россия

*e-mail: m.a.petrov@mospolytech.ru
**e-mail: a.g.matveev@mospolytech.ru
***e-mail: b.yu.saprykin@mospolytech.ru

Аннотация

Рассмотрены процессы объёмной штамповки поковки «Шестерня коническая» из алюминиевого сплава, в которых применяется вращающийся верхний инструмент. Результаты моделирования сопоставлены с результатами стандартного процесса холодной объёмной штамповки (ХОШ). Было установлено, что традиционный процесс ХОШ требует оборудования, имеющего в несколько раз более высокую силу деформирования для практической реализации процесса, но требует меньше расчётного времени для численного анализа по методу конечных элементов (МКЭ). Кроме этого, применение вращающегося инструмента снижает его напряжённо-деформированное состояние (НДС), улучшает течение материала, но увеличивает его износ. В зависимости от процесса варьируется и точность поковки, а также требуется специальный подход при проектировании инструмента.

Ключевые слова:

холодная объёмная штамповка, сферодвижная штамповка, инкрементальная штамповка, штамповка с кручением, расчёт штампов, АД35, численное моделирование, МКЭ, QForm

Библиографический список

  1. Slick E.E. The Slick Wheel Mill // The iron age. 1918. Vol. 102. No. 9, pp. 491–498.

  2. Slater R.A.C., Barooah N.K., Appleton E., Johnson W. The Rotary Forging Concept and Initial Work with an Experimental Machine // Institution of Mechanical Engineers. 1969. Vol. 184. No. 1, pp. 577–592. DOI: 10.1243/PIME_PROC_1969_184_046_02

  3. Massey H.F. Rotary forging machine. British Patent Specification. 1929. No. 319065.

  4. Tekkaya A.E., Homberg W., Brosius A. (eds.) 60 Excellent Inventions in Metal Forming. – Springer Vieweg, 2015. – 456 p.

  5. Marciniak Z. Rocking die technique for cold forming operations // Machinery and Production Engineering. 1970. Vol. 117, pp. 792–797.

  6. Feintool Fineblanking Technology URI: https://www.feintool.com/fileadmin/user_upload/Produkte_Services/Pressen_Komplettsysteme/Pressen_und...  

  7. Standring P.M., Appleton E. Rotary forging developments in Japan. Part I. Machine development and forging research // Journal of Mechanical working technology. 1980. Vol. 3, pp. 253–273.

  8. Standring P.M., Appleton E. Rotary forging developments in Japan. Part II. Theoretical investigation and analysis: powder compaction and sinter-forging // Journal of Mechanical working technology. 1980. Vol. 4, pp. 7–29.

  9. Kubo K., Hirai Y., Ogiso S., Ito S. Preliminary Work of Rotary Forging Process with an Experimental Press // Journal of Japan Society for Technology of Plasticity. 1973. Vol. 14, pp. 648–655.

  10. Samołyk G. Studies on stress and strain state in cold orbital forging a AlMgSi alloy flange pin // Archives of Metallurgy and Materials. 2013. Vol. 58. No. 4, pp. 1183–1189. DOI: 10.2478/amm-2013-0149

  11. Shivpuri R. Past development and future trends in the rotary or orbital forging process // Journal of Material Shaping Technologies. 1988. Vol. 6(1), pp. 55–71. DOI: 10.1007/BF02833583

  12. Han X., Jin Q., Hua L. Research on Cold Orbital Forming of Complex Sheet Metal of Aluminum Alloy // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2017. Vol. 139. No. 6. DOI: 10.1115/1.4035124

  13. Han X., Hu Y., Hua L. Cold orbital forging of gear rack // International Journal of Mechanical Sciences. 2016. Vol. 117, pp. 227–242. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.09.007

  14. Nowak J., Madej L., Ziolkiewicz S., Plewinski A., Grosman F., Pietrzyk M. Recent development in orbital forging technology // International Journal of Material Forming. 2008, pp. 387–390. DOI: 10.1007/s12289-008-0076-2

  15. Behrens B.-A., Hübner S., Müller P., Besserer H.-B., Gerstein G., Koch S., Rosenbusch D. New Multistage Sheet-Bulk Metal Forming Process Using Oscillating Tools // Metals. 2020. Vol. 10. No. 5. DOI: 10.3390/met10050617

  16. Samołyk G. Numerical investigation of producing a Ti6Al4V alloy jaw coupling sleeve-disk by orbital forging // Metalurgija. 2014. Vol. 53. No. 4 pp. 497–500. URI: https://hrcak.srce.hr/122172

  17. Jin Q., Gu Z., Hua J. Preform designing approach in cold orbital forging of flange gear // Advances in Mechanical Engineering. 2018. Vol. 10. No. 10. DOI: 10.1177/1687814018808620

  18. Субич В.Н., Дёмин В.А., Шестаков Н.А., Власов А.В. Штамповка с кручением: Монография. – М.: МГИУ, 2008. – 389 с.

  19. Шестаков Н.А., Субич В.Н., Дёмин В.А. Уплотнение, консолидация и разрушение пористых материалов. – М.: Физматлит, 2011. – 266 с

  20. Суслов А.Г. (ред.). Наукоёмкие технологии в машиностроении. – М.: Машиностроение, 2012. – 528 с.

  21. Степанов Б.А., Субич В.Н., Шестаков Н.А., Максименко А.Е. Штамповка с кручением на прессе с кривошипно-кулисным исполнительным механизмом // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. № 4. С. 15–21.

  22. Степанов Б.А., Петров М.А. Винтовой пресс для штамповки с кручением // Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. № 11(1). С. 271–277.

  23. Petrov M.A., Subich V.N., Petrov P.A. Experimental and numerical research on forging with torsion // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1896. DOI: 10.1063/1.5008237

  24. Наумова Е.А., Петров М.А., Степанов Б.А., Васильева Е.С. Штамповка с кручением заготовки из Al–Ca–сплава с высоким содержанием интерметаллида Al4Ca // Цветные металлы. 2019. № 1. С. 66–71. DOI: 10.17580/tsm.2019.01.10

  25. Бач В.Ч., Бурлаков И.А., Степанов Б.А., Петров П.А. О технологических возможностях штамповки с кручением при изготовлении низких промежуточных заготовок из титана ВТ1-0 // Технология легких сплавов. 2019. № 2. С. 51–58.

  26. Бурлаков И.А., Забельян Д.М., Петров П.А., Бач В.Ч., Степанов Б.А. Определение рациональных режимов осадки с кручением заготовок титана ВТ1-0 с применением метода активного эксперимента // Заготовительные производства в машиностроении. 2019. № 5. С. 203–207.

  27. Бурлаков И.А., Бач В.Ч., Петров А.Н., Логинов Б.А. Эволюция микроструктуры технического титана ВТ1-0 при интенсивной пластической деформации // Цветные металлы. 2019. № 6. С. 71–77. DOI: 10.17580/tsm.2019.06.10

  28. Hesselbach J., Behrens B.-A., Dietrich F., Rathmann S., Poelmeyer J., Flexible forming with hexapods // Production Engineering. 2007. Vol. 1(4), pp. 429–436. DOI: 10.1007/s11740-007-0063-3

  29. Wonnenberg B., Müller A., Dröder K. Comparison of design approaches to generate tools for a forming process with a six degree of freedom press // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2113. DOI: 10.1063/1.5112648

  30. Han X., Hua L., Zhuang W., Zhang X. Process design and control in cold rotary forging of non-rotary gear parts // Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 214. No. 11, pp. 2402–2416. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2014.05.003

  31. Petrov M.A., Petrov P.A., Yafaev R.R. To the question on the friction assessment methods applied for metal forming operations // Key Engineering Materials. 2015. Vol. 651–653, pp. 522–529. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.651-653.522

  32. Petrov M., Petrov A., Petrov P. Numerical investigation of the material behavior during compression tests for samples with rough surfaces represented in different geometry scale factors // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 716, pp. 736–752. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.716.736

  33. Presz W. Ultrasonic Orbital Microforming – A New Possibility in the Forming of Microparts // Metals. 2018. Vol. 8. No. 11. DOI: 10.3390/met8110889

  34. Хайрнасов К.З. Моделирование процесса штамповки деталей авиационной техники // Вестник Московского авиационного института. 2013. Т. 20. № 5. С. 96-104.

  35. Бобылёв А.А., Белашова И.С., Кузьмин С.Д. Контактная задача о вдавливании в функционально-градиентное покрытие выпуклого штампа заданным усилием // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 3. С. 151-160.

  36. Комков В.А., Кокорева О.Г., Курсаков А.В. Исследование возможностей упрочнения поверхностей тонкостенных элементов летательных аппаратов методом поверхностной пластической деформации // Вестник Московского авиационного института. 2015. Т. 22. № 2. С. 132-136.

  37. Галкин В.И., Галкин Е.В., Палтиевич А.Р., Преображенский Е.В., Борунова Т.И. Изучение технологических схем производства деталей типа «СЕГМЕНТ ШПАНГОУТА» // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 2. С. 210-220.

  38. Амосов А.П., Воронин С.В., Лобода П.С., Ледяев М.Е., Чаплыгин К.К. Определение влияния поверхностного натяжения на механические свойства алюминиевого сплава методом компьютерного моделирования // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 2. С. 214-222. DOI: 10.34759/vst-2020-2-214-222

  39. Магеррамова Л.А., Кратт Е.П., Ясинский В.В. Конструктивно-технологическое моделирование биметаллических блисков для газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. № 3. С. 82-88.

  40. Диски Корпорации ВСМПО-АВИСМА, http://www.vsmpo.ru/ru/products/Diski

  41. Aerospace from Aubert & Duval, https://www.aubertduval.com/markets/aerospace/

  42. Lianggang G., He Y. Numerical Modelling and Simulation of Radial-Axial Ring Rolling Process // Numerical Analysis – Theory and Application. 2011. DOI: 10.5772/24643

  43. Stebunov S., Biba N., Vinnichenko S. Industrial Ring and Wheel Rolling Simulations // Forging. 2017. https://www.qform3d.com/files_com/1217QFormSim.pdf

  44. DEFORMTM News. 2016. Vol. 14. No.3. URI: https://www.deform.com/wp-content/uploads/2016/08/DEFORM_News_Summer_2016.pdf

  45. Hamilton S., Long H. Analysis of conventional spinning process of a cylindrical part using finite element methods // Steel Research International. 2008. Vol. 79 (1), pp. 632 – 639.

  46. Cioca T., Oancea G., Filip A.C. Software Tool Used for Simulation of Metal Spinning Process for Complex Rotational Parts // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 657, pp. 153–157. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.657.153

  47. Filip A.C., Neagoe I. Simulation of the Metal Spinning Process by Multi-Pass Path Using AutoCAD/VisualLISP // 3rd International Conference on Engineering Mechanics, Structures, Engineering Geology (22–24 July 2010; Corfu Island, Greece), pp. 161–165.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024