Моделирование процесса штамповки детали «Кольцо»: оптимизация параметров и минимизация утонений
Проект выполнен для ООО «Завод металлоизделий» и относится к категории экономически эффективных инженерных решений: стоимость работ для заказчика составила всего 80 тысяч рублей. Основная цель — исследовать процесс формоизменения заготовки при штамповке детали «Кольцо» и подобрать оптимальные параметры технологического процесса для минимизации утонений материала.
Моделирование проводилось в программном комплексе ESI PAM‑STAMP методом конечных элементов в 3D‑постановке с применением оболочечных элементов для заготовки. В качестве исходных данных использовались пластические характеристики стали Ст3пс из справочника Полухина, Гуна, Галкина «Сопротивление материалов пластической деформации». Инструмент рассматривался как абсолютно жёсткое недеформируемое тело, коэффициент трения по закону Кулона между заготовкой и инструментом принят равным 0,12.
Результаты моделирования подтвердили, что при выбранных параметрах штамповки деталь формируется без видимых дефектов, а утонение на большей части поверхности не превышает 10 %.
ЗАДАЧА
- исследовать процесс формоизменения заготовки в ходе штамповки детали «Кольцо»;
- определить оптимальные параметры штамповки для минимизации утонений и исключения дефектов;
- проверить соответствие конечных размеров детали заданным допускам;
- оценить распределение толщины, напряжений и накопленной деформации по поверхности изделия;
- рассчитать усилия на пуансонах на разных этапах формообразования;
- предоставить заказчику данные по полям толщины, напряжённо‑деформированному состоянию и контрольным размерам готового изделия;
- подтвердить технологическую реализуемость процесса и стабильность качества продукции при заданных условиях.
РЕШЕНИЕ
- выполнено 3D‑моделирование процесса штамповки в ESI PAM‑STAMP с использованием оболочечных конечных элементов для заготовки;
- в качестве исходных механических свойств материала приняты пластические характеристики стали Ст3пс по справочнику Полухина, Гуна, Галкина;
- инструмент задан как абсолютно жёсткое недеформируемое тело; коэффициент трения между заготовкой и инструментом — 0,12 (по закону Кулона);
- смоделированы все этапы формообразования детали, включая отбортовку;
- рассчитаны и визуализированы поля толщины, утонений, напряжений и накопленной деформации;
- определены контрольные размеры конечного изделия с учётом особенностей оболочечного моделирования (корректировка на толщину — 0,75 мм);
- проанализированы графики усилий на первом и втором пуансонах в течение всего цикла штамповки;
- проведена проверка попадания размеров детали в заданные допуски;
- подготовлены анимации формоизменения заготовки и карты распределения параметров для наглядной оценки качества штамповки.
РЕЗУЛЬТАТЫ
- подтверждено, что на большей части поверхности детали утонение не превышает 10 %, видимых дефектов (разрывов, гофр, складок) не возникает;
- получены следующие размеры детали:
- внешний диаметр — 145,83 мм (расчёт: 144,33 мм + 2 × 0,75 мм) — в пределах допуска;
- внутренний диаметр — 126,29 мм (расчёт: 127,79 мм − 2 × 0,75 мм) — в пределах допуска;
- общая высота за счёт утонения — около 32 мм; меньшая высота — 11,25 мм, большая (со стороны пазов) — 22,25 мм; с учётом оболочечной модели расчётные значения на рисунках чуть меньше: 10,5 мм и 21,5 мм;
- усилия на инструменте:
- на первом пуансоне усилие стабильно держится на уровне около 120 кН;
- на втором пуансоне при отбортовке наблюдается пик усилия примерно 130 кН;
- отмечено, что фактические значения усилий и деформаций могут незначительно отличаться в зависимости от реальных механических свойств материала (если сталь окажется мягче или жёстче справочных значений);
- подтверждена технологическая реализуемость штамповки детали «Кольцо» с требуемым качеством;
- заказчик получил полный набор расчётных данных (поля толщины, напряжений, деформаций, графики усилий, контрольные размеры) для внедрения технологии в производство;
- проект продемонстрировал эффективность CAE‑моделирования даже для относительно простых деталей — это позволяет заранее исключить риски брака и оптимизировать оснастку.
