Эл Н ФС 77 - 30569. Государственная регистрация N0420800025. ISSN 1994-0408

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССА ЗАФЛАНЦОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Горьков Максим Александрович

группа МТ6-Д2

Научный руководитель: Власов Андрей Викторович, д.т.н., проф. кафедры МТ-6

Проектирование нового технологического процесса (ТП) включает в себя длительный процесс расчета и постановку экспериментов. В случае неудачи вносятся коррективы и эксперимент повторяется. Данный подход требует достаточно больших затрат. Применение современных вычислительных средств, в частности систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяет в значительной степени экономить временные и материальные ресурсы. Математическое моделирование позволяет инженеру оптимально подобрать параметры процесса, применяя принцип "что-если", в результате чего, потребуется проведение всего двух физических экспериментов, один для подтверждения адекватности модели, а второй для проверки готовой технологии.

Существует большое количество программ, позволяющих проводить численные эксперименты в области листовой штамповки (ABAQUS, AUTOFORM, FASTFORM, LS-DYNA). Первые три программы являются специализированными и позволяют рассчитывать только типовые ТП. LS-DYNA, являясь универсальной, широко применяется для анализа операций листовой штамповки любой сложности. Математическая основа программы LS-DYNA представляет собой метод конечных элементов в явной постановке. Как наиболее универсальный и распространенный, он является строго обоснованным и экспериментально доказанным методом, применяемым для решения практически любых задач математической физики, в том числе связных.

В настоящей работе проведено математическое моделирование нового ТП зафланцовки с последующей постановкой физического эксперимента. Зафланцовкой называется процесс гибки фланца на 180 градусов. Он применяется в автомобильной промышленности для сборки корпусных деталей (внутренней и внешней панелей). Зафланцовка стальных деталей в отличие от алюминиевых не представляет сложностей, так как алюминиевые сплавы (АС), обладающие необходимой прочностью, имеют низкий запас пластичности. Поэтому применение существующих технологий приводит к появлению трещин. Повысить ресурс пластичности можно двумя способами: нагревом металла и увеличением гидростатического давления в очаге деформации. Первый способ связан с привлечением дополнительного оборудования и учетом в конструкции штампа линейного расширения металла. Второй способ влечет за собой увеличение сложности штампа, но он предпочтительнее, так как является более дешевым и позволяет экономить площадь цеха. В разработанной технологии повышение пластичности достигается за счет увеличения гидростатического давления в очаге деформации с использованием контактных сил трения.

Геометрическая модель процесса создана в программе трехмерного твердотельного проектирования SolidWorks. Начальное положение всех инструментов и заготовки определялось с учетом их толщин. Моделирование проводилось с использованием конечного элемента типа SHELL (оболочка). Коэффициент трения на всех контактных поверхностях равен 0,15. Закон движения деформирующих инструментов принят трапецеидальным с максимальной скоростью 1,6 м/с. Такое увеличение скорости не сказывается на результатах, но позволяет значительно сократить время расчета. Деформированное состояние при гибке широких заготовок с прямой линией гиба можно рассматривать как плоское. В этом случае ширина заготовки не играет большой роли, и при создании модели была принята равной 10 мм. На краях заготовки наложены соответствующие граничные условия, воспроизводящее плоское деформированное состояние.

Модель материала принята упруго-пластической с линейным упрочнением. Характеристики АС 6111-Т4 следующие:

·                 предел текучести, σ_T=130 МПа;

·                 плотность, ρ=0.27∙10^-8  т/мм³;

·                 модуль Юнга, E=0.71∙10⁵ МПа;

·                 модуль упрочнения, T=1000 МПа;

·                 коэффициент Пуассона, υ=0.33;

·                 толщина листа 1 мм.

Для определения наиболее оптимальных условий формоизменения заготовки, в процессе моделирования создано несколько конечно-элементных моделей, отличающихся геометрией инструмента. Результаты численного (распределение интенсивности напряжений) и физического экспериментов представлены на рис.1.

                                                                     а)                                                                  б)

Рис.1. Окончательная деталь:

а – моделируемый образец; б – физический образец

Деформированное состояние образцов различается на 6%, что подтверждает удовлетворительную точность расчетов. Поведение моделируемого образца при формоизменении полностью адекватно физическому процессу.

Разработанная технология в настоящее время опробована только на плоских образцах. Полученная деталь имеет прочное соединение и высокое качество поверхности. Результаты математического моделирования позволяют использовать параметры плоской модели для расчета более сложных образцов. В дальнейшем планируется разработать технологию для зафланцовки деталей любой формы.