Доцент, к.т.н. А. Ф. Фомичев

Проблемы кузнечного производства, решаемые посредством компьютерного моделирования.

При освоении новой продукции специалистам в кузнечных цехах приходиться решать целый ряд вопросов. Большинство из них являются рутинными и их решения хорошо отражены в технической литературе, но всречаются и нештатные ситуации, когда нужно принимать нестандартные решения. В таких случаях заводские специалисты полагаются на свой опыт или интуицию. Положительный результат , естественно, не гарантирован. Отрицательный же, как правило, влечет материальные потери. Неоценимую помощь в таких случаях могут оказать компьютерные программы, позволяющие смоделировать любой процесс, связанный с обработкой металлов давлением, Они известны специалистам и обладают примерно одинаковыми возможностями. Большая часть выдаваемой информации носит научной характер, но в целом ряде случаев может быть полезной при решении производственных проблем.

Одной из проблем является расчет усилия деформации, по которому выбирают кузнечную машину. В большинстве случаев заводские специалисты используют эмпирические зависимости, не отражающие всех особенностей деформации, а значит не обеспечивающие достоверность расчета. А для некоторых видов поковок нет и таких зависимостей. При использовании компьютерных программ все условия деформации довольно точно моделируются. Одним из факторов, оказывающих влияние на усилие деформации является выбор места разъема штампа. В эмпирических зависимостях влияние этого параметра учесть невозможно, но оно может быть существенным. Компьютерным расчетом было показано, что при моделировании штамповки даже несложной осесимметричной поковки расчетное усилие может отличаться в два раза в зависимости от того как располагать разъем штампа.

Другой проблемой кузнечных цехов является качество кузнечных поковок. Оно складывается из выполнения целого ряда требований. Рассмотрим некоторые из них. Одно из них заключается в том , чтобы не допускать встречных движений металла заготовки в процессе штамповки. Оно может быть выполнено посредством правильного выбора переходов штамповки и правильной конструкции штампов. Невыполнение этого требования может привести к появлению неисправимых кузнечных дефектов. Рекомендации по этому вопросу существуют лишь для отдельных частных случаев. Моделирование же дает полную картину течения металла на протяжении всего процесса штамповки. Поэтому есть возможность проверить различные варианты техпроцесса.

При штамповке поковок из жаропрочных сплавов контролируемым параметром является получаемая зернистая структура, так как она определяет рабочие характеристики уже готовых деталей. Проверка

структуры производится трудоемким металлографическим способом. И если отрабатывается новый механический режим штамповки, то он может оказаться трудоемким. Программы для моделирования позволяют определять размеры получаемых зерен. В некоторых из них есть модели роста зерна. Правда, чтобы ими воспользоваться, необходимо вводить эмпирические коэффициенты, методика получения который, как правило, не поясняется. Но остается возможность использовать диаграммы рекристаллизации, так как программы выводят значения температур и деформаций. Эти диаграммы для большего числа сплавов приведены в справочной литературе. При таком подходе металлографичесикй метод можно оставить для проверки только опасных зон поковок.

Известно, что существует область критических деформаций, при которых размеры зерен резко возрастают. Чтобы избежать получения крупнозернистой структуры используют различные приемы, проверить эффективность которых можно посредством компьютерного моделирования. Проиллюстрировать это можно на примере проведенного моделирования выдавливания осесимметричной детали из жаропрочного сплава АК6. Оказалось, что при комбинированном выдавливании за один переход детали появляются зоны с критической деформацией. Если же процесс разбить на два перехода, то по всему объему детали значения деформации, выше критических. Естественно, что такая проверка, проведенная на реальных деталях, оказалась бы более трудоемкой.

В случае больших деформаций возможно местное разрушение поковки из-за исчерпания пластичности. Существующие экспериментальные методы для определения величины деформации несовершенны. Компьютерное моделирование, напротив, дает полную картину по распределению и величине деформации. Используя эту информацию и диаграммы пластичности можно установить насколько величина накопленной деформации близка к критичесокой.

Существуют в программах и модели разрушения, но при их использовании возникают такие проблемы как и в моделях роста зерна.

Проблема качества поковок связана и с изменением их размеров после штамповки. Причиной этого при холодной штамповке являются упругие деформации, а при горячей — перераспределение напряжений. Чтобы компенсировать эти изменения в ряде случаев назначают повышенные припуски на последующую механическую обработку. Следствием этого является увеличение расхода металла. Иногда требуемую форму удается восстановить посредством дополнительных операций.

Точно рассчитать аналитически вышеуказанные изменения формы поковок практически невозможно. И это еще одна сфера использования компьютерного моделирования. Проиллюстрируем это на примере. В этом случае объектом моделирования было сферическое днище из стали 15Х2НМФА с размерами: внутренний диаметр 4960 мм; высота 1600 мм, толщина 230 мм. Исходную плоскую заготовку нагревали до температуры 1200°С. Припуск на механическую обработку компенсировал вышеуказанные изменения размеров и возможные отклонения в техпроцессе. Последние, естественно, смоделировать невозможно. Расчет показал, что после штамповки и охлаждения внутренний диаметр днища увеличился на 5 мм. Величина, казалось бы небольшая, но, принимая во внимание большие размеры изделия, корректировка инструментов позволила бы избежать ощутимых потерь металла.