Tula, Russian Federation
Russian Federation
UDC 621.983.3
UDC 539.376
The article is devoted to the analysis of the potential for the introduction of modern computer technologies in metal pressure treatment (MPT) operations. It is shown that traditional manufacturing is being transformed into a high-precision digital environment by integrating a number of key areas. The integrated application of the considered technologies leads to the creation of a fully digital, automated and cost-effective production in the field of PMT, which also requires the transformation of engineering education for the training of a new generation of personnel. The CAE market offers a wide range of solutions, both multi-function and highly specialized. Several complexes are most widely used for the capability study of punching. The paper analyzes modern CAE modeling tools. The current research allows finding several key areas that determine the future of the industry. The use of modern CAE tools for the analysis of punching is an integral part of digital production. With the development of artificial intelligence technologies and multicriteria optimization methods, the role of CAE systems in metalworking will gradually increase, finally resulting in the transition from a physical experiment to a digital twin of technology. The paper considers modeling in DEFORM of the process of hot pressing of stainless steel pipe. It is used to produce eccentric adapters and stepped conical parts. Recommendations on the design of pressing technologies have been established. Rational modes of deformation are revealed. The performed crimping simulation made it possible to establish the influence of the taper angle, the working stroke of the tool, and the rate of deformation of contact friction. It is revealed that with the considered deformation type, the change in the angle of taper of the workpiece has the greatest effect on the force. It is found that the implementation of the deformation process at lower speeds reduces the force loads on the tool and the unevenness of the strain in the workpiece.
modeling, CAE systems, pressure treatment, crimping
Современные компьютерные технологии кардинально трансформируют обработку давлением, превращая её из традиционного производства в высокоточный цифровой процесс. Традиционный подход к отладке технологий штамповки, основанный на методе проб и ошибок с изготовлением физических прототипов оснастки, уходит в прошлое. Он требовал значительных временных и материальных затрат. На смену ему приходят системы инженерного анализа (CAE), которые позволяют перенести процесс отладки в виртуальную среду. Как отмечают эксперты, проведение виртуальных экспериментов частично заменяет натурные, требующие изготовления опытного инструмента и поиска оптимальных решений методом реальных проб и ошибок. Современные CAE-системы для штамповки – это специализированные программные комплексы, основанные на методе конечных элементов (МКЭ) или конечных объемов, которые с высокой точностью прогнозируют поведение металла в процессе деформации.
Рынок CAE предлагает широкий спектр решений как универсального, так и узкоспециализированного характера. Для анализа процессов штамповки наибольшее распространение получили несколько комплексов. Одним из лидеров в области листовой штамповки является AutoForm. Это программное обеспечение специализируется на прогнозировании дефектов, таких как складкообразование, разрывы и утонения, а также позволяет компенсировать пружинение деталей еще на этапе проектирования.
Для задач объемной и листовой штамповки широко используется российский программный продукт QForm. Он предназначен для прогнозирования деформаций, температурных полей, распределения напряжений и износа инструмента. Благодаря использованию метода конечных объемов (FVM), QForm обеспечивает высокую точность расчетов при сложной геометрии заготовок и учете термомеханического взаимодействия. Программа эффективно встраивается в технологические цепочки предприятий, позволяя разрабатывать и оптимизировать процессы до изготовления физических образцов.
Другим мощным решением является Ansys Forming, построенный на базе известного решателя LS-DYNA. Он предлагает сквозной рабочий процесс для моделирования всех этапов листовой штамповки, включая многопереходную формовку и анализ пружинения, с акцентом на скорость и точность вычислений. Также на рынке представлены специализированные системы, такие как AI-FORM, которая совмещает функции CAD и CAE с элементами искусственного интеллекта для многоцелевой оптимизации параметров процесса, что позволяет инженеру оценивать множество вариантов проекта в течение одного рабочего дня.
Ключевая ценность CAE-систем заключается в их диагностических и прогностических возможностях. Современные программные комплексы позволяют проводить виртуальный анализ штампуемости, выявляя зоны критических утонений (риск разрыва) и избыточных утолщений (риск складкообразования). Инженер может визуально оценить, как металл будет заполнять полость штампа, и на основе диаграмм предельного формоизменения (FLD) определить, находится ли процесс в зоне безопасных деформаций.
Несмотря на всю мощь компьютерного моделирования, наиболее надежной стратегией является подтверждение численных результатов экспериментальными исследованиями. Современный подход подразумевает максимальное соответствие виртуальной и реальной картины деформирования. Например, исследователи применяют метод делительных сеток, когда на заготовку перед экспериментом наносится сетка, искажение которой после деформации сравнивается с расчетной сеткой CAE-модели. Автоматизация обработки таких экспериментов позволяет добиться высокой точности верификации и корректировки математических моделей.
Важным аспектом является и интеграция CAE с CAM-системами. Современные решения тесно взаимодействуют с конструкторскими пакетами, что обеспечивает сквозной цикл проектирования: от создания 3D-модели детали и штампа до анализа технологичности и подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ. Это позволяет не просто выявлять ошибки, а создавать технологию, оптимальную по стоимости и качеству.
Применение программного комплекса DEFORM для анализа процессов штамповки трубных заготовок является общепризнанным и эффективным подходом в современном производстве. Этот инструмент позволяет моделировать сложные операции обработки металлов давлением, прогнозировать поведение материала и оптимизировать технологические параметры еще на этапе проектирования. Анализ научно-технической литературы и практических кейсов показывает широкий спектр возможностей DEFORM при работе с трубами.
Моделирование разнообразных операций штамповки труб DEFORM успешно применяется для виртуального анализа различных операций формоизменения трубных заготовок.
Одним из ярких примеров является моделирование производства штампосварных тройников для трубопроводов. Исследователи из Южно-Уральского государственного университета использовали DEFORM-3D для последовательного моделирования всего цикла: от частичного охлаждения нагретой заготовки и набора металла в зону отбортовки до вырезки отверстия и финальной отбортовки ответвления [1]. Моделирование позволило точно определить технологические параметры, а опытная штамповка подтвердила, что готовая деталь полностью соответствует требованиям. Также DEFORM применяется для анализа процессов раздачи торцов труб, включая сравнение традиционных методов с инкрементальной формовкой (SPIF) для понимания механики деформации и пределов формоизменения.
В Тульском государственном университете с помощью DEFORM моделировали процесс горячей высадки [2] для формирования внутреннего утолщения на тонкостенных конических трубных заготовках из титанового сплава. Целью было создание утолщенного края под сварку. Моделирование позволило оценить, как угол конусности заготовки, скорость деформирования и контактное трение влияют на напряженно-деформированное состояние и силовые параметры процесса. Исследование показало, что увеличение угла конусности может привести к четырехкратному росту необходимой силы.
DEFORM используется для моделирования процессов холодного обратного выдавливания с целью получения труб малого диаметра. Это позволяет определить оптимальные параметры операции для обеспечения высокой производительности и качества изделий за счет деформационного упрочнения материала.
Программа также эффективна для исследования комбинированных процессов, таких как холодная штамповка эксцентрических трубных переходов. Анализ в Deform-3D позволяет изучить влияние формы заготовки на конечную геометрию изделия и объем последующей механической обработки.
Главная ценность применения DEFORM заключается в возможности детального изучения процессов, которое невозможно или слишком дорого провести физически.
Моделирование позволяет установить количественные зависимости. Например, при высадке титановых заготовок было выявлено, что снижение скорости деформирования уменьшает неравномерность напряженного состояния, а рост угла конусности заготовки на нестационарной стадии процесса увеличивает интенсивность напряжений до 40 %.
DEFORM дает возможность сравнивать различные законы трения (Зибеля, Кулона). Исследования показывают, что выбор закона трения заметно влияет на прогнозируемую силу штамповки и конечную форму изделия, что критически важно для выбора оптимального режима.
Программа позволяет моделировать не только деформацию, но и сопутствующие тепловые задачи. Пример с тройником включал этап моделирования частичного охлаждения заготовки в ванне, что напрямую влияет на распределение температуры и, как следствие, на течение металла при последующей штамповке.
Важным этапом является сравнение результатов моделирования с данными, полученными при опытной штамповке. Как показано в работе по производству тройников, совпадение результатов может быть очень высоким, что подтверждает достоверность расчетов и возможность использования DEFORM для сокращения сроков внедрения новых изделий.
Таким образом, DEFORM выступает как мощный аналитический инструмент. Он позволяет заглянуть внутрь процесса, понять механику течения металла, выявить узкие места и подобрать оптимальные параметры штамповки трубных заготовок, экономя время и ресурсы предприятия.
Российские ученые активно применяют DEFORM для решения прикладных задач в нефтегазовом машиностроении и специальной технике, часто фокусируясь на работе с труднодеформируемыми материалами (титановые сплавы) и сложными термомеханическими процессами.
Моделирование [1] позволило точно определить оптимальные технологические параметры. Последующая опытная штамповка подтвердила высокую сходимость результатов, а готовое изделие полностью соответствовало техническим требованиям. Это доказывает, что применение DEFORM сокращает сроки внедрения новых изделий в производство.
В работе [2] установлено, что увеличение угла конусности заготовки может привести к четырехкратному росту необходимой силы штамповки. Снижение скорости деформирования уменьшает неравномерность напряженного состояния и силовые нагрузки на инструмент. Полученные данные позволяют оптимизировать режимы обработки и подбирать оборудование.
В работе [3] определены допустимые диапазоны внутренних давлений для получения качественных изделий. Экспериментальная гидроформовка подтвердила высокую точность моделирования, что валидировало предложенную концепцию с подвижной матрицей.
Авторами работы [4] смоделировано анизотропное пластическое поведение листа из нержавеющей стали. Для проверки точности моделирования результаты сравнивались с экспериментальными опытами. В статье поведение материала было исследовано с помощью функций текучести Мезиса-Хилла, Барлата и Лиана, YLD2000-2d. Было продемонстрировано, что модель YLD2000-2d более точно согласуется с экспериментальным формообразованием фестонов в исследуемом процессе.
Авторами работы [5] выполнено моделирование процесса вытяжки заготовки, обладающей анизотропией механических свойств, при учете изотропно-кинематического упрочнения и изотропно-пластической повреждаемости. Предложенная модель расчета сводит решение к трем нелинейным скалярным уравнениям. Разработанное решение можно считать реализуемым и конкурентоспособным с точки зрения времени моделирования процессов формообразования.
Выполнено моделирование вытяжки в целях минимизации фестонообразования при использовании многосоставных заготовок [6]. Они имеют высокую прочность на изгиб и гашение звуковых и механических колебаний.
Анализ доступных работ позволяет выделить некоторые различия в фокусе российских и зарубежных исследований.
Таким образом, анализ научных работ подтверждает, что DEFORM является зрелым и востребованным инструментом, позволяющим как решать узкие производственные задачи в российской промышленности, так и разрабатывать инновационные процессы формообразования в мировой научной практике. Общей тенденцией является стремление к увеличению сложности моделируемых процессов и обязательная верификация расчетов с помощью физического эксперимента.
Далее в работе рассмотрено моделирование в DEFORM процесса горячего обжима трубы из нержавеющей стали. Обжим металлических труб в машиностроении решает одну ключевую задачу – получение локальных сужений и точных геометрических переходов, которые невозможно или экономически нецелесообразно создавать другими методами (мехобработкой, сваркой). Обжим используется для получения эксцентричных переходников и ступенчатых конических деталей путем комбинирования обжима, и выдавливания в одном инструменте.
На рис. 1. дана схема обжима трубной заготовки. Исследование данного процесса было выполнено на основе его моделирования в DEFORM. Исходной заготовкой являлась труба наружным диаметром 
. Материал заготовки – сплав 12Х18Н10Т. Толщина стенки заготовки 
мм. Коэффициент обжима выбирался из интервала 
. Скорость формоизменения варьировалась в диапазоне 30…90 мм/мин.График зависимости силы от угла конусности матрицы при обжиме титановой трубы представлен на рис. 2.
Установлено, что увеличение скорости деформирования приводит к росту силы
в 2 раза для угла конусности на 60 % для угла конусности .
График зависимости силы от угла конусности матрицы при обжиме титановой трубы представлен на рис. 3.
Установлено, что увеличение угла конусности приводит к росту силы в 4 раза. Увеличение коэффициента трения приводит к росту силы на 55 %.
График зависимости силы от коэффициента обжима представлен на рис. 4.
Установлено, что увеличение коэффициента обжима приводит к снижению силы
в 5 раз.
График зависимости силы от толщины стенки заготовки при обжиме титановой трубы представлен на рис. 5.
Установлено, что увеличение толщины стенки заготовки приводит к росту силы
в 2,5 раза.
На рис. 6 – 8 представлены графики зависимости интенсивности напряжений от хода инструмента при обжиме.
Установлено, что увеличение скорости деформирования приводит к росту интенсивности напряжений на 38 % для угла конусности и на 33 % для угла конусности
. Увеличение угла конусности приводит к росту интенсивности напряжений
на 35 %. Наибольшую величину интенсивности напряжений имеют на внутренней краевой поверхности обжимаемого участка.
График зависимости интенсивности напряжений от скорости деформирования при обжиме представлен на рис. 9.
Установлено, что увеличение скорости деформирования приводит к росту интенсивности напряжений на 20 % для угла конусности на 31 % для угла конусности .
Выполненное моделирование обжима, позволило установить влияние угла конусности, рабочего хода инструмента, скорости деформирования контактного трения. Выявлено, что при рассматриваемой схеме деформирования наибольшее влияние оказывает изменение угла конусности заготовки на силу. Установлено, что реализация процесса деформирования при более низких скоростях позволяет снизить силовые нагрузки на инструмент и неравномерность напряжённого состояния в заготовке.
Использование современных CAE-средств для анализа процессов штамповки является неотъемлемой частью цифрового производства. Такие системы, как AutoForm, QForm, Ansys Forming и AI-FORM, предоставляют инженерам мощный инструментарий для виртуального прототипирования, позволяя прогнозировать поведение материала, выявлять и устранять дефекты на ранних стадиях проектирования, компенсировать пружинение и оптимизировать конструкцию оснастки. Это приводит к значительному сокращению сроков и стоимости технологической подготовки производства, повышению качества и надежности готовых изделий. По мере развития технологий искусственного интеллекта и методов многокритериальной оптимизации, роль CAE-систем в обработке металлов давлением будет только возрастать, окончательно закрепляя переход от физического эксперимента к цифровому двойнику технологии.
1. Torgonin K.S., Shirokov V.V. Simulation of pressure treatment operations in the production of stamp-welded pipe joints // Bulletin of the South Ural State University. Series: metallurgy. 2020. pp. 80–92.
2. Pasynkov A.A., Bessmertnaya Yu.V. Analysis of the process of hot precipitation of the rod blank element // Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Technicheskie nauki. 2023. No. 2. pp. 623–627.
3. Yeong-Maw Hwang, Chen-Hao Zhang, Chia-Chuan Chen, Shoichiro Yoshihara Feeding path and movable die design in tube hydroforming of metal bellows // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2023. V. 129. P. 2399–2414. (2023).
4. Ahn D.C., Yoon J.W., Kim K.Y. Modeling of anisotropic plastic behavior of ferritic stainless steel sheet // International Journal of Mechanical Sciences 51 (2009). P. 718–725.
5. Ghorbel O., Koubaa S., Mars J., Wali M., Dammak F. Non associate d-anisotropic plasticity model fully couple d with isotropic ductile damage for sheet metal forming applications // International Journal of Solids and Structures 166 (2019). P. 96–111.
6. Amir Atrian, Hamed Panahi Experimental and finite element investigation on wrinkling behavior in deep drawing process of AL3105/Polypropylene/steel304 sandwich sheets // Procedia Manufacturing 15 (2018). P. 984–991.
7. Larin S.N., Chudin V.N., Pasinkov A.A. Deposition of marginal thickening on hulls under unsteady-state viscoplastic deformation // Non-ferrous metals. 2020. pp. 88–78.
8. Chernyaev A.V., Chudin V.N., Gladkov V.A. IIsothermal extrusion of thicknesses and flanges on axisymmetrical workpieces // Procurement production in mechanical engineering. 2021. No. 4. pp. 164–167.
9. Chudin V.N. Hot extrusion of inner stages in housings // Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2018. No. 1. pp. 10–13.
10. Romanov K.I. Mechanics of hot forming of metals. Moscow: Mashinostroenie, 1993. 240 p.
11. Pasynkov A.A., Larin S.N., Isaeva A.N. Theoretical substantiation of reverse isothermal extrusion scheme of pipe billet with active friction and drawing of its edge part // Procurement in mechanical engineering. 2020. No. 10. pp. 462–465.
