автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Оптимальное проектирование технологических процессов изготовления методами холодной объемной штамповки деталей с повышенными эксплуатационными свойствами

Введение.

Глава 1. Особенности и перспективы совершенствования методов проектирования технологии в холодноштамповочном производстве.

1.1. Особенности и перспективы развития технологии.

1.2. Структура технологического процесса холодной штамповки.

1.3. Проблемы и пути совершенствования традиционного проектирования.

1.4. Состояние научной базы построения моделей процессов холодной штамповки.

Цель и задачи исследования.

Глава 2. Разработка методики проектирования технологии холодной штамповки труднодеформируемых материалов.

2.1. Разработка методики оптимального проектирования технологии холодной штамповки труднодеформируемых материалов.

2.2. Математические модели технологических процессов холодной штамповки.

2.3. Требования, предъявляемые к математическим моделям и их оценка.

2.4. Модели качества заготовок и напряженно-деформированного состояния. Реологические модели.

2.5. Модели состояния материала в процессе обработки.

Выводы.

Глава 3. Моделирование параметров качества заготовки методом конечных элементов.

3.1. Основные уравнения. Методика расчета НДС.

3.2. Конечно-элементная дискретизация расчетной области.

3.3. Особенности реализации алгоритма.

3.4. Оценка точности расчета параметров НДС.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальная проверка параметров качества заготовки.

4.1. Методологические аспекты экспериментально-теоретического определения параметров НДС.

4.2. Методика расчета компонентов деформации.

4.3. Методика расчета компонентов напряжений.

Выводы.

Глава 5. Оптимальное проектирование технологии холодной штамповки труднодеформируемых материалов.

5.1. Методика оптимального проектирования.

5.2. Параметрическая оптимизация технологических параметров формоизменяющих переходов.

5.3. Примеры использования оптимального параметрического синтеза процессов холодной объемной штамповки.

Широкое применение в приборо- и машиностроении находят полые цилиндрические детали с фланцем, изготовляемые из материалов с повышенными эксплуатационными свойствами, к числу которых следует отнести алюминиевые сплавы Д16, АМгб, АК5, В95, медные сплавы типа ЛС59-1, БрАМц9-2, БрБ2, БрКН1-3, БрКМцЗ-1, низколегированные стали типа 12ХНЗА, 16ХСН, 38ХГНМ, 40Х, 40ХН и др. Основной технологией получения указанных деталей является резание, что приводит к их высокой себестоимости и трудоемкости. Кроме того, при резании происходит перерезание волокон металла, что снижает их эксплуатационные свойства.

Одним из путей совершенствования технологии изготовления деталей из материалов с повышенными эксплуатационными свойствами, является использование операций холодной объёмной штамповки. Изготовление изделий холодной штамповкой позволяет существенно снизить себестоимость изделий, улучшить эксплуатационные свойства и повысить качество. Однако, применению холодной штамповки препятствует низкая технологическая деформируемость заготовок.

Повышение технологической деформируемости заготовок - комплексная задача, связанная с анализом маршрутного технологического процесса, совершенствованием разупрочняющей термической обработки исходного материала, рациональным использованием промежуточных отжигов, управление кинематикой течения материала на формообразующих операциях.

Решение данной задачи возможно в рамках создания системы оптимального проектирования технологии изготовления деталей из материалов с повышенными эксплуатационными свойствами, учитывающей изменение технологической деформируемости заготовок на всех этапах маршрутного технологического процесса.

Одним из наиболее эффективных и, в настоящее время мало используемых, способов повышения технологической деформируемости является управление кинематикой течения материала с целью обеспечения протекания процесса в заданном интервале показателей напряженного состояния. Варьируемыми параметрами в этом случае являются параметры геометрии заготовки, полученной на предыдущем технологическом переходе.

Таким образом, оптимальный подбор формы и размеров заготовок на переходах позволяет существенно повысить технологическую деформируемость заготовок из материалов с повышенными эксплуатационными свойствами и расширить технологические возможности холодной штамповки. Решение поставленных задач требует наличие адекватных математических моделей, позволяющих исследовать влияние предварительной формы заготовки на технологическую деформируемость на основных операциях холодной штамповки.

Известные компьютерные модели рассчитываемых процессов не учитывали ряд важных особенностей штамповки материалов с повышенными эксплуатационными свойствами и не позволяют решать задачи оптимального проектирования.

Кроме того, слабо разработаны методы оценки надежности, точности и адекватности моделей процессов изготовления деталей из материалов с повышенными эксплуатационными свойствами методами холодной объемной штамповки, без чего невозможно решать задачи оптимизации. Решению данных проблем и посвящена данная диссертационная работа, чем и определяется её актуальность.

Работа выполнялась в соответствии с :

- государственной научно-технической программой «Университеты России», НИР № М18-6513 «Физико-механическое моделирование процессов конечного формоизменения»(1997-2000гг.)

- государственной научно-технической программой «Производственные технологии», НИР № М-18-3204 «Разработка основ вычислительной технологической механики»(2000-2003гг.)

Целью работы явлалась разработка и совершенствование методов оптимального проектирования технологических процессов изготовления методами холодной объёмной штамповки деталей с повышенными эксплуатационными свойствами.

Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе дан краткий обзор состояния и перспектив развития технологии холодной объемной штамповки трудно деформируемых материалов. Проанализированы основные направления повышения технологической деформируемости заготовок.

Во второй главе разработана методология оптимального проектирования технологии холодной штамповки трудно деформируемых материалов. Сформулированы основные этапы проектирования технологии.

В третьей главе разработана методика расчета параметров качества заготовки в процессах холодной объемной штамповки методом конечных элементов.

В четвертой главе разработан экспериментально-теоретический метод определения качества заготовки на основе метода делителя сеток.

В пятой главе разработана система автоматизированного проектирования технологии холодной объемной штамповки труднодеформируемых материалов, включающая экспертно-интеллектуальную систему отработки изделия на технологичность, блок оценки технико-экономической 9 эффективности применения холодной объемной штамповки, блок оптимального проектирования технологии холодной объемной штамповки.

Общие выводы.

1. Проведенный анализ литературных сведений показал, что повышение эффективности технологии холодной штамповки труднодеформируемых материалов со специальными свойствами связано с решением комплексной задачи повышения технологической деформируемости заготовок за счет использования разупрочняющей термической обработки и управления кинематикой течения материала на формообразующих операциях. Показано, что решение этой задачи не может быть осуществлено в рамках традиционной схемы «ручного» проектирования и требует привлечения современных средств вычислительной техники, систем САБ/САМ/САЕ, методов математического моделирования и процедур многокритериальной оптимизации.

2. Успешное применение методов автоматизированного проектирования и систем САГ)/С АМ/САЕ требует развития расчетных процедур и математических моделей, адекватно описывающих процессы штамповки труднодеформируемых материалов. Несмотря на большое количество исследований в области холодной штамповки, в настоящее время отсутствуют надежные и устойчивые математические модели процессов холодной объемной штамповки, позволяющие решать задачи оптимального проектирования. Недостаточно полно рассмотрены методологические вопросы параметрического и структурного синтеза технологии холодной штамповки.

3. В работе предложена методика оптимального проектирования, технологических процессов холодной объемной штамповки, позволяющая повышать технологическую деформируемость заготовок за счет подбора ее формы на промежуточных переходах. Реализована процедура оптимального параметрического синтеза геометрических параметров заготовки на технологических переходах.

4. Предложена система математических моделей процессов холодной объемной штамповки, позволяющая решать задачи оптимального проектирования. Разаработана методология построения математических моделей, рассмотрены основные этапы моделирования и их особенности. Особое внимание уделено вопросам оценки надежности и устойчивости моделей. Разработаны методики и оценены области эффективного использования априорных и апостериорных оценок. Центральное место в системе моделей занимают модели напряженно-деформированного состояния и состояния материала заготовки.

5. Разработана методика расчета параметров НДС на базе упругопластического анализа МКЭ в процессах холодной объемной штамповки. Особенностью методики является учет точности расчетов. Рассмотрены вопросы точности и устойчивости расчета НДС, получены априорные и апостериорные оценки точности. Показано, что обусловленность разрешающей системы МКЭ определяется в основном механическими свойствами и геометрической неравномерностью. Проведен вычислительный эксперимент по оценке точности расчетов. Установлены границы эффективного использования методики. Разработан алгоритм реализации методики расчета НДС на базе МКЭ с учетом дифференцированного подхода к оценке точности.

6. Разработан новый экспериментально-теоретический метод определения НДС на основе метода делительных сеток, предназначенный для оценки адекватности численных моделей на основе МКЭ и идентификации параметров моделей. Метод основан на сочетании современных методов локальной аппроксимации и численных методов решения систем дифференциальных уравнений второго порядка. Разработан помехозащищенный алгоритм реализации метода на ЭВМ. Разработанный метод существенно снижает трудоемкость экспериментальных исследований и повышает точность определения деформаций и напряжений.

7. Разработана система автоматизированного проектирования технологии холодной объемной штамповки труднодеформируемых материалов, включающая интеллектуально-экспертную систему отработки изделия на технологичность, блок оценки технико-экономической эффективности

149 холодной объемной штамповки, блок оптимального параметрического синтеза формы заготовок на технологических переходах. Система разработана на базе чертежно-графического редактора «КОМПАС-ГРАФИК 5.8» и системы технологического проектирования «АВТОПРОЕКТ 8.5» АО «АСКОН». Применение разработанной системы позволит существенно повысить эффективность технологической подготовки производства. Приведены примеры использования системы для параметрического синтеза технологии холодной штамповки изделий из материалов сталь 12ХНЗФ и 40Х.

1. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. М.: Машиностроение, 1983. - 200 с.

2. Головин В.А., Митькин А.Н., Резников А.Г. Технология холодной штамповки выдавливанием. М.: Машиностроение, 1970. 152 с.

3. Холодная объемная штамповка: Справочник/ Под ред. Г.А.Навроцкого, В.А.Головина и А.Ф.Нистратова. М.: Машиностроение, 1973. 496 с.

4. Ребельский A.B. Классификация поковок, штампуемых методом выдавливания, и выбор пресса. М.: МДНТП, 1957.

5. Исаченков Е.И., Мишунин В.А. Перспективы интенсификации процессов холодного пресеования/ЛСузнечно-штамповочное производство. 1965. № 9. С.1-8.

6. Базык A.C., Головин В.А. О классификации деталей, получаемых холодной объемной штамповкой/ЯСузнечно-штамповочное производство. 1973. № 9. С.4-9.

7. Рожков С.И., Кирсанов К.А. Одно- и двухстороннее выдавливание деталей с одним стрежневым отростком//Кузнечно-штамповочное производство. 1988. № 5. С.7-9.

8. Прозоров JI.B. Прессование стали. М.:Машгиз. 1956. 264 с.

9. Семенов Е.И. Ковка и объемная штамповка. М.: Высшая школа. 1972. -352 с.

10. Ковка и штамповка. Справочник в 4-х томах/Редсовет: Е.И.Семенов и др. М.Машиностроение, 1987. - т.3. Холодная объемная штамповка/Под ред. Г.А.Новроцкого. 1987. - 384 с.

11. Влияние разупрочняющей термической обработки на пластичность и деформируемость сталей 40Х и 12ХНЗ А/В .А.Белов, А.А.Богатов, В. А. Головин и др. Автомобильное производство, 1984, № 8. С.67-72.

12. Колмогоров B.JI. Критерии деформируемости металлов. М.Машиностроение, 1983. С.51-75.

13. Аксенов Л.Б. Системное проектирование процессов штамповки. JL: Машиностроение. 1990. 240 с.

14. Иванов K.M., Лясников A.B., Юргенсон Э.Е. Математическое моделирование процессов обработки давлением СПб., БГТУ, 1997. 268 с.

15. Майерс Г. Надежность программного обеспечения. М., Мир, 1980. -360 с.

16. Белякова Л.В., Рябинина И.О. Проектирование на ЭВМ оптимального раскроя заготовок при листовой штамповке. КШП. 1977. № 11, с. 25-28.

17. Алиев Ч.А., Тетерин Г.П. Система автоматизированного проектирования технологии горячей объемной штамповки. М.: Машиностроение. 1987. 224 с.

18. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение. 1977 -423с.

19. Лопухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия. 1982. 584 с.

20. Ганаго O.A. Состояние и актуальные проблемы развития теории обработки металлов давлением // Кузнечно-штамповочное производство, 1991. N9. с.2-4.

21. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности. М., Металлургия. 1987 -352 с.

22. Ивлев Д.Д., Быковцев Г.И. Теория упрочняющегося пластического тела. М.: Наука, 1971. 232 с.

23. Ильюшин A.A. Пластичность: Основы общей математической теории. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 272 с.

24. Васин P.A. Некоторые вопросы связи напряжений и деформаций при сложном нагружении. // Упругость и неупругость.М.: МГУ. 1971. вып. 1. с. 59-126.

25. Ильюшин A.A., Ленский B.C. О соотношениях и методах современной теории пластичности // Успехи механики деформируемых сред. М.: Наука, 1975. с.240-255.

26. Ильюшин A.A. О связи между напряжениями и малыми деформациями в механике сплошных сред // Прикладная математика имеханика. 1954. т.18, вып. 6. с.641-666.

27. Малый В.И. Разложение функционала напряжений по малому параметру // Вестник МГУ. Сер.1. Математика, механика. 1967. N 2. с.73-80.

28. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия. 1983. 352 с.

29. Ленский B.C. Современные вопросы и задачи пластичности в теоретическом и прикладном аспектах // Упругость и неупругость. М.: МГУ, 1978. вып. 5. с.65-96.

30. Поздеев A.A., Трусов П.В., Няшин Ю.И. Большие упругопластические деформации: Теория, алгоритмы, приложения. М.: Наука. 1986. 232с.

31. Jleeumac B.C. Большие упругопластические деформации металлов при высоком давлении. Киев: Наукова думка. 1987.-232 с.

32. Смирное-Аляее Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. JI.: Машиностроение. 1978. 307 с.

33. Победря Б.Е. Понятие простого процесса при конечных деформациях // Прочность и пластичность. М.: Наука, 1971. с.166-170.

34. Грин А., Адкинс Дж. Большие упругие деформации и нелинейная механика сплошной среды. М.: Мир, 1965. 455с.

35. Argyris J.H., Doltsinis J.S. On the natural formulation and analysis of large defomation covpled thermomechanical problems. Comput.Meth. Appl. Mech. And End., 1981, vol.25, N2, p.195-253.

36. Yantada Y. Nonlinear matrices, their implications and applications in inelastic large deformation analysis. Comput. Meth. Appl. Mech. and End., 1982, vol. 33, N1/3, p. 417-437.

37. Черных К.Ф. Нелинейная теория упругости в машиностроительных расчетах. Л.: Машиностроение. 1986. 336 с.

38. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 735 с.

39. Котляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов ММ. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. 352 с.

40. Самарский A.A. Введение в численные методы. М. 1987.

41. Михлин С.Г. Прямые методы в математической физике. М.: ГТТИД 957 -326 с.

42. Колмогоров B.JI. Напряжения, Деформации, Разрушение. Металлургия. 1970.- 229 с.

43. Тарновский И.Я., Поздеев A.A., Ганаго O.A. и др. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1963. 672 с.

44. Рвачев B.JI. Методы алгебры логики в математической физике. Киев: Наукова думка, 1974. 260 с.

45. Прессование алюминиевых сплавов (математическое моделирование и оптимизация)/ Гун Г.Я., Яковлев В.И., Прудковский Б.А. и др. М.: Металлургия, 1974. 336 с.

46. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением (теория пластичности). М.: Металлургия, 1980. 456 с.

47. Колмогоров B.JI. Некоторые актуальные задачи теории обработки металлов давлением. М.: ВИЛС, 1979. 124 с.

48. Применение теории ползучести при обработке металлов давлением/ Поздеев A.A., Тарновский В.И., Еремеев В.И. и др. М.: Металлургия, 1973. -192 с.

49. Качаное JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1970 420 с.

50. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. М.:Мир, 1987.-542 с.

51. Годунов М.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1977. -439 с.

52. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. 1977. 349с.

53. Бреббия К., ТеллесЖ., Вроубел Л. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987. 524 с.

54. Courant P. Uariaational metthods for the solution of problems of eguilleebbrium and vibration Bull. Amer. Math. Soc., 1943, vol 49, N 1, p. 1-23.

55. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.-318 с.

56. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир. 1979. 392 с.

57. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир, 1976. 464 с.

58. Oden J. Т. Variational inciples in nonlinear cotinium mechanics. Jn: Var. meth. end. Souf - hampton, 1973, vol. 1, p.2/1 - 2/20, 2/105 - 2/108.

59. Бреббия К, Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. М.: Мир, 1982. 248 с.

60. Бенерджи П., Баттерфильд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984. 494 с.

61. Теория пластических деформаций металлов / Е.П. Унксов, У. Джонсон, B.JI. Колмогоров и др.; Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1983. - 598 с.

62. Реже И. П. Теоретические основы эксперименмтальных методов исследования деформаций методом сеток. Тула. ТПИ. 1979. 96 с.

63. Сегал В.М., Макушок Е.М., Резников В.И. Исследование пластического формоизменения металлов методом муара. М.: Металлургия, 1974. - 197 с.

64. Экспериментальные методы механики деформируемых твердых тел ( технологические задачи обработки давлением) Воронцов В.К., Полухин П.И., Белевитин В.А., Бринза В.В. М.: Металлургия, 1990. - 480 с.

65. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений /Справочное пособие. Киев.: Наукова думка, 1981. - 583 с.

66. Чиченев H.A., Кудрин А.Б., Лопухин П.И. Методы исследования процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1977. 312 с.

67. Чиченев H.A. Автоматизация экспериментальных исследований. М.: Металлургия, 1983. 256с.

68. Бэкофен В. Процессы деформации. Пер.с англ. М.: Металлургия, 1977. -288 с.

69. Мешков Ю.Я. Физические основы разрушения стальных конструкций. Киев: Наукова думка. '1981.'- 240 с.

70. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. Киев: Наукова думка. 1974. 232 с.

71. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия. 1976. 272 с.

72. Миркин JI.H. Физические основы прочности и пластичности. М.: МГУ, 1968.-538 с.

73. Kommpenn А.Х. Теория дислокаций. М. 1969.

74. Kommpenn А.Х. Дислокация и пластическое течение в кристаллах. М.: Металлургиздат, 1958. 267 с.

75. ФридепьЖ. Дислокации. М.: Мир, 1967. 643 с.

76. Хакен Г. Синергетика. М.: 1980.

77. Панин В,Е.у Лахачее В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука, 1985.

78. Синергетика'. Прочность и разрушение металлических материалов/

79. B.C. Иванова, М.: Наука, 1992. 160 с.

80. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем.-М.:Мысль, 1978. 272 с.

81. Технология системного моделирования/ Е.Ф.Авращук, А.А.Вавилов,

82. C.В.Емельянов и др., Под общ.ред. С.В.Емельянова и др. -М.Машиностроение, Берлин: Техник, 1988. 590 с.

83. Анализ сложных сисем /Под ред. Э.Квейда. М.: Советское радио, 1969. -519с.

84. Ларичев О.И. Объективные модели и субъективные решения. М.: Наука, 1987. - 143 с.

85. Бонди Б. Методы оптимизации: Радио и связь, 1988. 128 с.

86. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. М.: Наука, 1981.- 208 с.

87. Райфа Г. Анализ решений. Введение в проблемы выбора в условиях неопределенности. М.: Наука, 1977. - 408 с.

88. Агеев Н.П. Диаграмма "oí £¡ " - обобщенная феноменологическая модель предельных состояний металла при пластической деформации//Сопротивление материалов пластическому деформированию в