Прогностическая ценность моделирования процессов и продуктов методом конечных элементов помогла в холодной ковки крепежа. В этом случае пуансон, используемый в ковровой штамповке, был пересмотрен и переработан, чтобы исключить «прилипание» пуансона в полом разрезе ковки.
Сила моделирования конечных элементов в нашей отрасли за последнее десятилетие увеличилась благодаря их высокой прогностической способности во всех прикладных дисциплинах, особенно в металлообрабатывающих операциях. Металлообрабатывающие симуляции используются для разработки уникальных технологий обработки путем исключения большого количества лабораторных испытаний, требуемых в таких исследованиях, но они также широко используются для интеллектуального обнаружения возможных сбоев материала, определения силы ковки, правильного проектирования матрицы и оптимизации топологии в индустрия.
Хотя моделирование влияет на затраты, они также облегчают работу людей в производстве. Например, увеличение срока службы штампов с результатами численного моделирования в офисе приводит к уменьшению числа операций по замене, которые выполняются рабочими.
По сравнению с горячей ковки, поток материала при холодных ковочных работах менее жидкий. Следовательно, проектирование требует большого опыта и способности прогнозировать возможные проблемы с помощью моделирования конечных элементов на этапе проектирования. В этой статье показано, что, несмотря на все усилия, могут возникнуть непредсказуемые сбои процесса, хотя полный процесс проектирования был связан с конечно-элементным моделированием. Поразительно, однако, причины этих неудач снова были решены с помощью симуляций, которые показывают влияние инженерного программного обеспечения на кузнечную промышленность.
Процесс холодной штамповки имеет важное значение для изготовления болтов из-за жесткой пластической деформации, поставляемой на заготовку прессами, что значительно усиливает материал, не тратя ни одного материала в виде стружки. Однако материал заготовки находится при комнатной температуре, и кованый материал может находиться на критической линии его силы разрушения во время деформации. Хотя во всех учебниках упоминаются такие типы проблем с материалами, ошибки могут также рассматриваться как часть всей системы штампов. Примером этого является тема этой статьи.
Во время изготовления колесных болтов M12x1.5×12 на четвертой стадии кузнечного производства наблюдался отказ пуансона, что заставило нас увеличить количество ударов, необходимых для завершения заданного крепежа. Шестиугольную форму головки болта готовят на третьей ступени, а конечный размер шестиугольника и полого участка головки формируют одновременно на четвертой стадии ковки (рис. 1). Здесь, как видно, пуансон вставлялся в сформированный полый участок, вероятно, во время выталкивания пуансона в ковочную последовательность, и он разрушался (рис. 2).
Система кузнечной штамповки включает в себя стационарные и движущиеся штампы. Система подвижной пресс-формы включает пружину матрицы, которая позволяет деформировать шестигранную головку болта и перемещение пуансона через полу-болт. В конце деформации шестиугольная матрица и пуансон перемещаются одновременно в противоположных направлениях, чтобы вытащить. Здесь очень важно понять поток материала во время процесса. Многие программные пакеты для моделирования металла включают в себя штамповочные пружины в своих библиотеках, но точное моделирование движения пружины невозможно. Однако сложные движения штампов можно легче моделировать, определяя конкретные движения штампа как функцию времени.
Подготовлено конечно элементное моделирование этого четырехстадийного процесса ковки. Сначала операции формовки и выталкивания на четвертой стадии ковки были смоделированы без пуансона для определения величины уменьшения диаметра отверстия (рис. 3).
Шестиугольная матрица состоит из деформирующей части и релаксационной части. В то время как деформирующая часть подделывает материал, стенка матрицы была под углом, чтобы уменьшить трение между текучим материалом и матрицей в релаксационной части. Это позволило материалу течь более легко. Было замечено, что деформирующая часть толкает материал во время выталкивания, однако это привело к уменьшению диаметра отверстия в болте на ковки. В результате диаметр отверстия, который был установлен между 11,01 и 11,05 мм, был уменьшен примерно до 10,62 мм. Это привело к значительному увеличению контактного давления между пуансоном и материалом.
После критической точки пуансон не может двигаться в полости из-за повышенного давления, и он разрушается в результате высокого напряжения. Чтобы устранить это, геометрия пуансона была пересмотрена из-за предопределенного уменьшения диаметра отверстия, как показано на рисунке 4. Поэтому было предсказано, что контактное давление между материалом и пуансоном уменьшилось.
Моделирование на конечных элементах дает разработчикам кузнечных изделий возможность доказать свои решения, не проводя пробных проб и ошибок на цехе. Чтобы доказать предлагаемое решение, новый пробой может быть разработан в САПР и легко адаптирован к симуляции. Как упоминалось ранее, геометрия пуансона была пересмотрена из-за проведенных нами кузнечных моделирования.
Лучший способ сделать правильный вывод — повторить симуляции с пересмотренными проектами и сравнить с ними значительные механические переменные (например, силы ковки и генерируемые напряжения) с предыдущими результатами. Эта методология была выполнена, и силы ковки текущих и пересмотренных конструкций сравнивались, как показано на фито 5а и 5b. Можно предположить, что кованые силы в направлении осей x и y отвечают за забивание пуансона в отверстии полуширина. Как видно на рисунках 5a и 5b, в то время как ревизия не изменяла историю сил во время формирования болта, при удалении силы на пуансоне уменьшались. Это показывает, что пересмотренный пуансон не будет испытывать высоких нагрузок, что приведет к пластической деформации и разрушению.
Благодаря усовершенствованному программному обеспечению моделирования легко проводить анализ напряжений на определенном компоненте системы штамповки. Как мы знаем, проведение формообразующих симуляций с упругими матрицами требует большой вычислительной мощности и длительного времени процессора. Однако в промышленности время является критичной переменной и не может быть потрачено впустую.
В программном обеспечении для моделирования пользователям не нужно запускать трехмерное моделирование с помощью эластичных матриц для определения распределения напряжений на штампах и пуансонах. Специальные модули выгрузки позволяют пользователям применять силы ковки, рассчитанные по предыдущим симуляциям, проводимым с помощью жестких штампов, и применять эти нагрузки к эластичным штампам. Таким образом, время CPU значительно уменьшается.
Используя этот модуль, были определены максимальные и минимальные принципиальные распределения напряжений на пересмотренном пуансоне и сравнивались с текущей конструкцией, как показано на рисунках 6a и 6b. Значения напряжения собирались по пути по периметру поверхности пуансона. Эти распределения очень важны для определения усталостной жизни пуансона. Можно видеть, что оба напряжения были значительно уменьшены с дизайном нового удара.
Важность и эффективность моделирования конечных элементов, используемых в холодных кузнечных приложениях, были проиллюстрированы в этой статье, представляя уникальную проблему, возникшую при ковровой штамповке. Некоторое время, потраченное на подготовку и запуск симуляций, устранило большие усилия в области труда и дизайна, потерю времени на неактивных ковочных прессах, потребляемой энергии и стоимости испытаний. На основе полученных численных результатов были изготовлены новые штампы, проведены испытания кузнечных работ, которые показали, что результаты моделирования согласуются с фактическим применением. Колесный болт был успешно проложен с помощью одного дня числовых работ. Кроме того, жизнь пуансона была увеличена в четыре раза по сравнению с предыдущим дизайном.
