Расчет штамповки ступицы вентилятора в сиcтеме QForm 2D/3D

Freeman 15.06.2009

Часть 1. Постановка задачи

 

Вентилятор, представленный на рис. 1, состоит из двух элементов - лопастей и ступицы.

 

 

Ступицу для вентиляторов обычного назначения часто получают при помощи операций литья, однако в случае повышенных требований к эксплуатационным свойствам, ее можно выполнить операциями обработки металлов давлением, которые будут включать в себя:

1. Осадку цилиндрической заготовки (биллета) на плоских плитах.

2. Подготовительный переход штамповки с приданием заготовке формы приближенной к форме ступицы.

3. Окончательный переход штамповки с получением требуемой формы и размеров.

Вышеуказанные переходы позволяют получить требуемый уровень проработки структуры, обеспечивающий высокий уровень механических свойств.

В рамках данного примера рассмотрим один из переходов штамповки - объединяющий 2 и 3 переход, т.е. штамповку осаженной заготовки с приданием ей окончательной формы.

Вследствие того, что ступица имеет центральную ось симметрии, рассмотрим задачу как осесимметричную, в 2D постановке. По сравнению с решением задачи в полном 3D это позволяет повысить несколько точность расчета и сократить его время примерно в 15-50 раз.

Для создания геометрической модели очага деформации применялся встроенный в программу QForm редактор геометрии QDraft, который ускоряет создание 2D моделей при не слишком большой их сложности.

На рис. 2 приведена геометрическая постановка задачи штамповки: двухмерные модели гравюр верхнего и нижнего штампа и заготовки. Ось симметрии находится слева.

 

На вертикальных поверхностях гравюры штампа применены штамповочные уклоны равные 4 градусам, для того, чтобы готовое изделие можно было удалить из штамповой области. Справа на моделях штампов находится шпоночная канавка для удаления излишков металла из очага деформации.

Помимо первого варианта гравюры штампов (рис. 2), предложен также вариант штамповки, в котором центральное отверстие в ступице частично производится штамповкой (рис. 3). Это позволяет снизить расход металла при последующем сверлении и снизить нагрузки на сверло, что повышает его стойкость. Помимо этого такая штамповка приводит к некоторой экономии материала (в районе 3 %). Осуществление сквозной прошивки или просто увеличение размеров центрального отверстия, получаемых при штамповке, в данном случае нецелесообразно из-за резкого увеличения усилий на центральную часть инструмента, то приведет к более быстрому выходу его из строя.

 

 

После создания моделей и введения обозначений: инструмент 1 (TOOL1), инструмент 2 (TOOL2), деформируемая заготовка (WPIECE) геометрия сохраняется в файл CRS, применяемый для расчета (рис. 4).

 

 

Следующим этапом является задание параметров процесса.
В качестве оборудования предложено использовать гидравлический пресс усилием 50 МН (рис. 5).

 

 

Остальные параметры процесса приведены в табл. 1.
Таблица 1

Параметры процесса штамповки

Оборудование:	Гидравлический пресс
Смазка:	На основе графита. Параметр трения 0.4
Материал заготовки:	Сталь 45
Размеры заготовки:	?120х50 мм (1 вариант) ?122х47 мм (2 вариант)
Температура заготовки в начале процесса:	1200°С
Температура верхнего и нижнего инструментов:	300°С
Тип задачи:	Совместная: тепловая и деформационная
Материал инструментов:	5ХНМ

 

Постановка задачи в программе QForm2D/3D реализована с помощью специального мастера, который показывает какие данные необходимы для расчета того или иного процесса.

В первом окне мастера QForm (рис. 6) выбираем деформация в гидравлическом прессе.

 

На второй вкладке (рис. 7) выбираем осесимметричную постановку задачи, моделирование тепловых процессов и прочностной расчет инструмента.

 

 

На вкладке «Геометрия» (рис. 8) выбираем файл геометрии в формате crs. Слева в окне находится отображение геометрии данного файла, которое помогает в выбором правильного варианта.

 

 

Вкладка дополнительных операций в данном случае не использовалась, расчет производился для условий без учета времени охлаждения при переносе заготовки о печи на пресс и укладке.

На вкладке «Оборудование» (рис. 9) выбираем гидравлический пресс усилием 50 МН, который находится в базе данных. Т.к. мы выбрали деформацию в гидравлическом прессе, то среди вариантов другого оборудования не появляется.

 

 

На вкладке параметров процесса (рис. 10) указываем конечное расстояние между инструментами равное 0 в точке, определяемой автоматически. Это расстояние - между двумя ближайшими по нормали (оси y) точками верхнего и нижнего инструмента.

 

 

В окне параметров заготовки вводим значение температуры заготовки 1200 градусов Цельсия, указываем марку стали - 45.

 

 

На последней вкладке указываем значение температуры для каждого из инструментов, их материал - сталь 5ХНМ и применяемую смазку - на основе графита.

 

 

На этом постановка задачи завершена. Нажимаем «ОК» и запускаем расчет (рис. 13).

 

Процесс визуализации идет одновременно с расчетом, таким образом, в режиме реального времени можно получать информацию о формоизменении, заполнении гравюр штампов, напряженно-деформированном состоянии, о распределении температур, а также графики усилия, работы, мощности и т.д. от времени. Суммарное время расчета составило 12 минут.

 

Результаты расчета: