Обработка материалов давлением №1 (19), 2008
23
УДК 621.7
Миленин А. А.
Афанасьев В. А.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТРАНСФОРМАЦИИ
ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ СЛИТКА ПРИ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКЕ
ЗАГОТОВОК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
Введение. Анализ условий эксплуатации, причин разрушения и современных тенден-
ций производства железнодорожных колес показывает, что мировой уровень требований к
их свойствам постоянно возрастает [1-3]. Одним из таких требований является обеспечение
бездефектной поверхности заготовки на всех переделах. Возможным источником дефектов
являются начальные неровности поверхности слитка разного происхождения, трансформа-
ция которых при штамповке может
привести к появлению дефектов на поверхности штампо-
ванной заготовки. Поскольку обнаружение на поверхности заготовки замкнутых дефектов и
определение механизмов их возникновения является достаточно сложной задачей, представ-
ляет интерес моделирование этих явлений, которое позволит выяснить следующие вопросы:
- определение участков поверхности слитка, соответствующих конкретным участкам
поверхности отштампованной заготовки, например – рабочей поверхности обода
;
- прогнозирование участков поверхности слитка, начальные дефекты на которых
представляют повышенную опасность в связи с неблагоприятным напряженно-
деформированным состоянием в процессе штамповки;
- анализ механизма формообразования дефектов в зависимости от их размеров и на-
чального положения на поверхности слитка.
Попытки решения этих вопросов эмпирическими методами в условиях производства
существуют, однако такой
подход является ограниченным по возможностям, трудоемким и
требует большого числа экспериментов для каждого типоразмера колеса.
В данной статье поставлена цель разработки на основе численной модели метода оп-
ределения участков поверхности слитка, соответствующих наиболее неблагоприятным усло-
виям дефектообразования, а также теоретического анализа механизма формообразования
дефектов в зависимости от их положения на поверхности
слитка и размеров.
1. Состояние вопроса
Железнодорожное колесо воспринимает на себя статические, динамические и тепло-
вые нагрузки [1, 2]. Цельнокатаные колеса состоят из трех элементов – ступица, диск и обод.
Каждый из них выполняет свою специфическую функцию. Так, если диск это своеобразный
демпфер конструкции, то обод работает в паре трения с рельсом и
должен обладать, в пер-
вую очередь, высокой твердостью и износостойкостью. В ходе эксплуатации обод испыты-
вает знакопеременные нагрузки, вследствие чего существует опасность зарождения и разви-
тия в нем усталостных трещин. Таким образом, моделирование дефектообразования в облас-
ти обода является приоритетным направлением при выполнении численного анализа много-
переходной штамповки заготовок железнодорожных колес
[3].
Для выполнения моделирования использована программа Qform, которая наряду с
другими преимуществами содержит алгоритм анализа возникновения и трансформации по-
верхностных дефектов типа впадин и складок [4].
2. Описание используемой математической модели
Используемая математическая модель основана на теории пластического течения, в
рамках которой металл представляется как несжимаемое жесткопластическое тело. Система
уравнений, описывающая пластическое деформирование
включает: