автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологических процессов штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов

На правах рукописи

?п од

ВАСИЛЬЕВА ГАЛИНА ВИКТОРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ШТАМПОВКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

Специальность 05.03.05 - «Процессы и машины обработки давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2000

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» Уральского государственного университета путей сообщения

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор,

Лауреат премии Совмина СССР Готлиб Б.М. Научный консультант - кандидат техических наук,

профессор ДобычииИ.А. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

Ведущее предприятие - ОАО «Каменск - Уральский

металлургический завод»

Защита состоится 29 декабря 2000г. в 14— на заседании диссертационного совета К 063.14.12. по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Уральском государственном техническом университете, ауд. М - 531.

Ваш отзыв, заверенный печатью, просим отправлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К - 2, УГТУ, ученому секретарю совета института, тел. 74-45-74.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке УГТУ.

Автореферат разослан « » ноября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

профессор Залазинский А.Г.

кандидат технических наук Карасев М.А.

кандидат технических наук, доцент

И.И.Некрасов

К623.Э 'Ь%0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время процесс производства крупногабаритных штамповок раздроблен на отдельные технологические операции, которые выполняются на разных участках и даже в разных цехах. Актуаль-ной является задача создания технологии штамповки крупногабаритных из-делий из легких сплавов с заданным уровнем механических свойств с минимальными транспортными, энергетическими и трудовыми затратами. Это возможно при использовании автоматизированных комплексов для производства крупногабаритных изделий, встроенных в единую автоматизированную линию.

Цель работы Разработка концепции математического и конструкторско - технологического обеспечения проектирования новых автоматизированных комплексов, встроенных в единую технологическую линию, и модернизация действующих прессовых установок для производства крупногабаритных изделий из легких сплавов.

Задачи исследования

• Провести сравнительный анализ существующих технологических процессов и комплексов для штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов.

• Предложить способы, позволяющие усовершенствовать существующие технологические процессы штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов.

• Разработать способ оптимизации формы рабочей поверхности штампов для предварительной штамповки с целью получения заготовок с максимально подготовленной для изотермической штамповки структурой, позволяющей вести штамповку в некоторых случаях в режимах близких к сверхпластичности.

• Сформулировать принципы управления процессом изотермической штамповки.

• Выполнить конструкторско - технологическое обеспечение функционирования автоматизированной линии для производства крупногабаритных изделий из легких сплавов и встроенного в нее изотермического комплекса.

• Обобщить опыт проектирования и эксплуатации автоматизированных комплексов для изотермической штамповки крупногабаритных изделий.

Методика исследования Применяется аналитический метод математического моделирования процесса горячей штамповки крупногабаритных изделий в фигурных штампах с использованием методов механики деформируемых тел. Принципы управления процессом изотермической штамповки разработаны с использованием основных положений теории управления техническими объектами и теории обработки металлов давлением. При разработке эскизного проекта автоматизированной линии изотермической штамповки применялись методы проектирования технологических систем.

Научная новизна

1. Результаты решения задачи оптимального проектирования профиля фигурного штампа, обеспечивающего получение заготовок в процессе неизотермической осадки с заданными свойствами для последующей изотермической штамповки.

2. Разработка структурной схемы автоматизированного комплекса изотермической штамповки в виде двух подсистем управления движения траверсы пресса.

3. Разработка математической модели и алгоритма упраления процессом нагрева крупногабаритного штампового набора и модели теплового взаимодействия заготовки и штампа в процессе штамповки.

4. Принципы и алгоритмы управления процессом изотермической штамповки крупногабаритных изделий в режимах близких к сверхпластичности.

Практическая ценность

1. Разработан эскизный проект автоматизированной линии изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов, которая позволяет получать заготовки с заданными свойствами для последующей их изотермической штамповки на изотермическом комплексе.

2. Совершенствование существующих процессов штамповки крупногабаритных изделий на мощных гидравлических прессах за счет:

• профилирования рабочей поверхности штампа (создание уклонов, компенсирующих упругопластическую деформацию гравюры штампа);

• упрочнения рабочей поверхности штампа путем создания в штампе за счет циклического деформирования определенного уровня остаточных напряжений;

• использования экзотермических смазок, позволяющих предохранить от быстрого подхолаживания поверхности штампуемой заготовки и способствующих повышению точности штамповок;

• рационализация выбора ритма скоростного режима процесса штамповки, позволяющих в определенной мере управлять тепловым режимом штамповки в горячих штампах.

3. Обобщен опыт проектирования и эксплуатации новых изотермических комплексов, а также производственный опыт штамповки крупногабаритных изделий на существующих мощных гидравлических прессах и комплексах изотермической штамповки.

Реализация результатов работы в промышленности Способы повышения точности штампуемых изделий за счет профилирования и упрочнения рабочей поверхности штампа, использования экзотермической смазки и

рационального выбора ритма (скорости процесса) штамповки в горячих штампах, а также результаты исследования механических свойств штамповых сталей в широком диапазоне температур были использованы на ОАО «ВСМПО» и в проектных работах НИИТЯЖМАШа ОАО «Уралмаш».

Основные положения выносимые на защиту

1. Результаты аналитического и экспериментального исследования существующих технологических процессов штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов.

2. Технологическое обеспечение процесса изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов и принципы управления процессом изотермической штамповки.

3. Результаты оптимизации формы рабочей поверхности штампов для предварительной штамповки.

4.. Математическая модель и алгоритмы управления процессом нагрева штампового набора и теплового взаимодействия заготовки и штампа в процессе штамповки.

5. Принципы и алгоритм управления процессом изотермической штамповки в режимах близких к сверхпластичности.

6. Эскизный проект автоматизированной линии изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов.

Апробация работы Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международных научно - технических конференциях: «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий», Москва - Сочи, 1999г., 2000г.; «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте», Самара, 1999 г.; семинаре научное наследие И.Я.Тарновского «Актуальные проблемы теории и практики обработки металлов давлением», г.Екатеринбург, УГТУ - УПИ, 1998; научно - технической конференции молодых ученых «Молодые ученые

транспорту», Екатеринбург, УрГАПС, 1999 г.; Всероссийской научно -технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования -транспорту», УрГУРС, 2000г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы Содержание работы изложено на 201 странице, иллюстрировано 52 рисунками, содержит 10 таблиц, библиографический список, включающий 85 наименования и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен сравнительный анализ существующих в мире мощных гидравлических прессов и отдельных комплексов и линий показывает, что они не оснащены в достаточной степени развитыми системами управления скоростными и температурными режимами штамповки. При этом следует отметить, что комплексы и линии для производства изделий из алюминиевых сплавов автоматизированы в большей степени по сравнению с аналогичными комплексами для производства изделий из титановых сплавов.

Принципиальный выход из сложившегося положения видится в создании автоматизированных изотермических комплексов (для производства крупногабаритных изделий), встроенных в автоматизированную линию. Это сопряжено с решением ряда задач:

1. Разработкой способов оптимизации рабочей поверхности штампов прессов для предварительной штамповки.

2. Формулировкой принципов управления процессом изотермической штамповки.

3. Выполнением конструкторско - технологического обеспечения функционирования автоматизированной линии для производства крупногабаритных изделий из легких сплавов и встроенного в нее изотермического комплекса.

Во второй главе исследованы механические свойства как традиционных марок штамповых сплавов (5ХНМ, 5ХНМШ, 5ХНВ), так и новых -4Х4НВЗФ, ЗХ2В8Ф. Построены диаграммы мгновенного упругопластичес-кого деформирования и кратковременной ползучести штамповых сталей в диапазоне температур 450 ... 650°С, а также получены данные о коэффициенте вязкости разрушения К^, характеризующем трещиностойкость штамповых сталей. Также обобщены теплотехнические свойства алюминиевых и титановых сплавов в широком диапазоне температур.

Описана система уравнений связанной краевой задачи термопластичности для низкоскоростных нестационарных процессов деформирования материалов.

Для решения связанной задачи использован единый вариационный подход к решению механической и тепловой частей задачи, суть которой состоит в совместном решении по шагам во времени вариационных уравнений теплопроводности для системы контактирующих тел и соответствующих вариационных уравнений теории пластичности. Общая система уравнений имеет вид

ак

дфП

п п с,

7

= 0,

п

С1 =уаг

(1)

В качетстве критерия оптимизации штампуемых изделий рассмотрен показатель неоднородности поля накопленной пластической деформации к моменту окончания процесса осадки заготовки

у- 1

N

I N (Аи - Ар п=1

(2)

/

Приведены результаты аналитического исследования процесса штамповки в горячих штампах. Исследование выполнено на базе решения упру-гопластической задачи единовременного определения напряженно - деформированного состояния штампа под действием осесимметричной нагрузки и нестационарных температурных полей в системе «штамп - заготовка».

Данные результатов аналитического исследования свидетельствуют, что приращение температуры рабочей поверхности штампа при использовании стеклоэмалей составляет 20 ... 30°С при штамповке каждого диска. Между штамповками штамп успевает охладиться на 5 ... 10°С при естественном охлаждении на воздухе, на глубине 250 мм температура штампа остается практически постоянной в течение всего времени штамповки (рис.1.). Максимальные перемещения имеют место на рабочей поверхности штампа, а радиальные напряжения <jrr затухают с ростом z быстрее, чем azz.

Изменение температуры точек гравюры штампа

Темпер атура, °С

0 30 120 150 240 270 360 390 480

время, сек

-г = 0; z = с

----г — а; г = с

-------г = a; z — 0

Рис. 1.

Результаты аналитического решения подтверждены экспериментальными данными, полученными в промышленных условиях на мощном вертикальном гидравлическом прессе усилием 750 МН.

Полученные данные использовались для совершенствования существующей технологии штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов за счет профилирования рабочей поверхности штампа с ее последующим упрочнением, применения экзотермической смазки и управления тепловым режимом штамповки.

Предложен эскизный проект автоматизированной линии изотермической штамповки крупногабаритных изделий с заданными свойствами (рис.2.). В состав линии входит автоматизированный ковочный комплекс (АКК), ради-ально - ковочная машина (РКМ) и заготовительный штамповочный пресс, на которых осуществляется подготовка структуры металла в заготовках, поступающих для окончательной штамповки на изотермический комплекс, замыкающий линию. Изотермический комплекс состоит из двух вертикальных гидравлических прессов, оборудованных изотермическими установками и автоматизированной системой управления скоростью движения подвижной траверсы.

В третьей главе решена задача оптимального проектирования профиля фигурного штампа в процессе неизотермической осадки и штамповки изделий из титановых сплавов.

Для определения оптимального проекта я0: (л0 е П), минимизирующий функционал качества

X

= гшп , (3)

ятеП

т

где Лу, =/0 Н (тт, т)с1т определяется из решения связанной краевой задачи неизотермической осадки цилиндра фигурными бойками для ? е [0, Т\

Линия изотермической штамповки

1 - печь для нагрева крупных слитков; 2 - манипуляторы; 3 - ковочный пресс; 4 - пресс-ножницы для разделения поковок; 6 - радиально-ковочная машина; 7 - печь для нагрева поковок перед резкой; 8 - пресс-ножницы; 9 - весы; 10 - кольцевая печь для нагрева заготовок; 11 - заготовительный пресс для штамповки; 12 - проходная печь; 13 - пресс для изотермической штамповки; 14 - накопитель; 15 - пульт управления.

Рис.2.

и

л,Vj,<д

-ггпгь

^ я-,0,0 . =0 (0 = уаг),

1 =

На рис. 3. изображена конфигурация профилированной поверхности штампа в цилиндрических координатах. Поверхность штампа может быть

* * 1

описана уравнениями трех окружностей с центрами О^ | ^,

С>2 1'Сг3' 2з] и пРям°й ^ = "

г = А{г) =

0, к

3ГР2 + ^-[Г-К1)2>Ге{ГГГ2.

(5)

А! "¿о

г-/г2] 'ГТ2'*2

"3 2 уз

~6ТГ>Я1■

Таким образом, уравнение поверхности штампа является функцией координаты и следующих девяти параметров: р\, рг,р$, г\, г2, Яи Яг, 5\,5г-Выражение (5), задающее пятипараметрическое семейство функций, позволяет описывать при различных значениях параметров широкий спектр различного рода поверхностей. Параметры проектирования удобнее брать

¿>1 ¿>2 ^ г\

безразмерными

Здесь 2Ло - начальная высота заготовки, Я0 - начальный радиус заготовки. В случае осадки профилированным штампом следует ориентироваться на сред-

О,-ГУ

нюю конечную высотную деформацию е, = —У-

°к--П

О

Расчетная схема к выбору профиля рабочей поверхности штампа

V1

\ г2

. п \

Рз

Я]

«2

Рис.3.

В разделе также приведен численный пример нахождения оптимального профиля фигурного штампа при осадке цилиндрической заготовки.

В четвертой главе сформулированы основные проблемы технологического обеспечения процесса изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов: стабилизация температуры рабочих поверхностей инструмента (и штампового набора); управление скоростным режимом штамповки, обеспечивающим необходимую скорость деформирования штампуемого изделия; учет упрутопластической деформации рабочей поверхности штампа, влияющей на точность штампуемых изделий; оптимизация рабочей поверхности штампов с целью формирования однородной структуры в объеме пггампу-гмых заготовок.

Предложена структурная схема автоматизированного комплекса изотермической штамповки, состоящая из двух подсистем управления: подсистемы управления нагревом штампового набора и подсистемы управления движением траверсы пресса.

Разработана математическая модель и алгоритмы управления процессом нагрева штампового набора, а также математическая модель теплового взаимодействия заготовки и штампа в процессе штамповки. На базе этой модели разработан алгоритм управления скоростным режимом штамповки за счет регулирования мощности деформирования.

Сформулированы принципы и алгоритм управления процессом изотермической штамповки крупногабаритных изделий в режимах близких к сверхпластичности. Особенностью системы управления скоростью движения траверсы является определение скоростного режима непосредственно в ходе процесса штамповки. Критерием достижения сверхпластического состояния в основных очагах сверхпластической деформации штампуемой заготовки является близость к максимуму следующего выражения: ^ = ' где ^ ~~

усилие штамповки, и - скорость хода подвижной половины штампа, И - путь, пройденный подвижной половиной штампа с начала штамповки.

Автоматизированная система управления штамповки содержит: подсистему управления температурным режимом штамповки, подсистему управления скоростным режимом штамповки и подсистему управления положением траверсы и обеспечивает следующие режимы штамповки:

• изотермическую штамповку в режиме сверхпластичности;

• изотермическую штамповку;

• квазиизотермическую штамповку;

• объемную горячую штамповку.

В работе представлены технологические алгоритмы изотермической штамповки в различных режимах.

Результаты расчетов, которые проводились для штампового набора, имеющего форму параллелепипеда со сторонами 2,0 м и высотой 1,8 м и цилиндра диаметром 2,0 м и высотой 1,8 м, показывают, что после пятичасового моделируемого процесса нагревания наблюдается большая однородность температур как на поверхности, так и в объеме штампового набора.

В диссертации обобщен опыт проектирования в ОАО «Уралмаш» изотермического комплекса, а также производственный опыт штамповки крупногабаритных изделий на существующих мощных гидравлических прессах и изотермических комплексах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Системный подход к проблеме производства крупногабаритных изделий из легких сплавов обусловил необходимость решения целого комплекса научно и инженерно - технических задач, на которых базируется модернизация существующих и разработка новых технологических процессов производства крупногабаритных изделий.

При таком подходе в диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Проведен аналитический обзор зарубежных и отечественных автоматизированных линий и комплексов для штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов. Просматривается необходимость создания автоматизированной линии изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов, оснащенную кузнечно - прессовым оборудованием для подготовки заготовок с однородной по объему структурой с последующей изотермической штамповкой (в некоторых случаях в режимах близких к сверхпластичности).

2. Приведены результаты исследования механических и теплофизичес-ких свойств штамповых сталей (5ХНМ, 5ХНМШ, 4Х4НВЗФ, ЗХ2В8Ф), а также алюминиевых и титановых сплавов. Для штамповых сталей были построены диаграммы мгновенного деформирования и кратковременной ползучести в диапазоне температур 450 ... 650°С. Обобщены теплофизические свойства алюминиевых и титановых сплавов в широком диапазоне температур.

3. Проведено аналитическое исследование процесса штамповки в горячих штампах осесимметричных изделий типа дисков из титановых сплавов. Определены упругопластические напряжения, деформации и перемещения в объеме штампа, температурные поля в системе «штамп - заготовка».

4. Методами оптимального проектирования решена задача определения оптимального профиля гравюры фигурного штампа и формы заготовки в процессе неизотермической осадки и штамповки изделий из титановых сплавов. В качестве критерия качества (критерия оптимизации) использован показатель неоднородности поля накопленной пластической деформации к моменту окончания процесса пластической деформации.

Приведен численный пример нахождения оптимального профиля гравюры штампа при осадке цилиндрической заготовки.

5. Предложено совершенствование существующих процессов штамповки на мощных гидравлических прессах за счет:

• профилирования и упрочнения рабочей поверхности штампа;

• использования экзотермических смазок,

• рационализации выбора ритма и скоростного режима процесса штамповки.

6. Предложен эскизный проект автоматизированной линии изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов.

7. Представлена структурная схема автоматизированного комплекса изотермической штамповки в виде двух подсистем управления нагревом штам-пового набора и управления движением траверсы пресса.

8. Разработана математическая модель и алгоритм управления процессом нагрева штампового набора (с помощью нагревателей, размещенных в его объеме), обеспечивающие асимптотический вывод температурного поля штампового набора (и рабочей поверхности штампа) на заданную температуру.

9. Разработана математическая модель теплового взаимодействия заготовки и штампа в процессе штамповки. На базе этой модели разработан алгоритм управления скоростным режимом штамповки крупногабаритных изделий за счет регулирования мощности деформирования заготовки.

10.Сформулированы принципы и алгоритм управления процессом изотермической штамповки крупногабаритных изделий в режимах близких к сверхпластичности (изотермическое деформирование при очень низких скоростях).

11. Обобщен опыт проектирования в ОАО «Уралмаш» изотермического комплекса, а также производственный опыт штамповки крупногабаритных изделий на существующих мощных гидравлических прессах и комплексах изотермической штамповки.

12.Результаты диссертационной работы использовались ОАО «Уралмаш» в процессе проектной разработки изотермического комплекса «130В» на базе вертикального гидравлического пресса усилием 300 МН.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Готлиб Б.М., Готлиб М.Б., Пащенко М.А., Васильева Г.В. Автоматизированные комплексы изотермического деформирования и гидроштамповки // УГТУ - УПИ. - 1997. - Семинар «Научное наследие И.Я.Тарновского: Актуальные проблемы теории и практики обработки металлов давлением». С. 18 -58.

2. Б.М.Готлиб, М.Б.Готлиб, Г.В.Васильева, Т.А.Юдакова. Глава 1: «Обзор автоматизированных кузнечно - прессовых комплексов». / Готлиб Б.М. и др. «Автоматизированные кузнечно - прессовые комплексы (опыт создания и эксплуатации)», - г.Екатеринбург, УрГАПС, 1998. С. 12-111.

3. Б.М.Готлиб, И.А.Добычин, Г.В.Васильева, К.С.Кувалкин. Глава 4: «Автоматизированные технологические комплексы изотермической штамповки». / Готлиб Б.М. и др. «Автоматизированные кузнечно - прессовые комплексы (опыт создания и эксплуатации)», - г.Екатеринбург, УрГАПС, 1998. С. 411 — 485.

4. Г.В.Васильева, М.Б.Готлиб. Автоматизироанная линия ковки и изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов. - «Молодые ученые - транспорту», тезисы докладов научно - технической конференции. - г.Екатеринбург. -УрГАПС, 1999. С. 143 - 144.

5. Б.М.Готлиб, М.Б.Готлиб, Г.В.Васильева. Автоматизированная система управления процессом изотермической штамповки. - «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте». Материалы международной конференции. 4.2 - г.Самара, СамГТУ,1999. С. 163 - 166.

6. Б.М.Готлиб, М.Б.Готлиб, Г.В.Васильева. Математическое моделирование и управление процессами кузнечно - прессового производства. - «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий». Материалы Международной научно - технической конференции. 4.5. -М.: НИИ «Автоэлектроника», 1999. С.127 - 131.

7. Б.М.Готлиб, И.А.Добычин, Г.В.Васильева, М.Б.Готлиб. К вопросу о модернизации производства крупногабаритных изделий из легких сплавов. -Теория машин металлургического и горного оборудования. Межвузовский сборник научных трудов. - г.Екатеринбург: «Полиграфист», 2000. С.75 - 82.

8. Б.М.Готлиб, И.А.Добычин, М.Б.Готлиб, Г.В.Васильева. Математическое моделирование, управление и оптимизация процессов обработки металлов

давлением. - «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий». Материалы Международной научно -технической конференции. 4.6. -М.: НИИ «Автоэлектроника», 2000. С. 114 -117.

9. Г.В.Васильева. Исследование течения металла в процессе штамповки железнодорожных колес. - «Фундаментальные и прикладные исследования -транспорту». Материалы Всероссийской научно - технической конференции. Ч. 1. - Екатеринбург. - 2000. С. 109 - 110.

Васильева Галина Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ШТАМПОВКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

Специальность 05.03.05. - «Процессы и машины обработки давлением» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 24.11.2000 Подписано к печати 24.11.2000

Формат 60*84 1/16 Объем 1,25 п.л.

Заказ: Тираж 100 экз.

АСМ-ЭЛЕКТРОНик/1 г. Ехд-тЕринБ-црг. у/1- Вое1оЗсц<а

Введение

1. Аналитичесский обзор существующих технологических процессов и комплексов для штамповки крупногабартных изделий из легких сплавов

1.1. Типовой технологический процесс объемной штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов.

1.1.1. Примерный технологический процесс штамповки дисков из титановых сплавов.

1.1.2. Примерный технологический процесс штамповки панели из алюминиевого сплава В-95очц (1973).

1.2. Действующие процессы и комплексы штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов.

4.6. Основные результаты

1. Сформулированы основные проблемы технологического обеспечения процесса изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов: стабилизация температуры рабочих поверхностей инструмента (и штампового набора); управление скоротным режимом штамповки, обеспечивающим необходимую скорость деформирования штампуемого изделия; учет упругопластической деформации рабочей поверхности штампа, влияющей на точность штампуемых изделий; оптимизация формы рабочей поверхности штампов с целью формирования однородной структуры в объеме штампуемых заготовок.

2. Предложена структурная схема автоматизированного комплекса изотермической штамповки, состоящая из двух подсистем управления: подсистемы управления нагревом штампового набора и подсистемы управления движением траверсы пресса.

3. Разработана математическая модель и алгоритмы управления процессом нагрева штампового набора, обеспечивающие асимптотический вывод

187 температуры штампового набора (и рабочей поверхности штампа) на заданную температуру.

4. Разработана математическая модель теплового взаимодействия заготовки и штампа в процессе штамповки. На базе этой модели разработан алгоритм управления скоростным режимом штамповки за счет регулирования мощности деформирования.

5. Сформулированы принципы и алгоритм управления процессом изотермической штамповки крупногабаритных изделий в режимах близких к сверхпластичности. Отличительной особенностью системы управления скоростью движения траверсы является определение скоростного режима непосредственно в ходе процесса штамповки (в отличие от априорного программного управления).

6. Обобщен опыт проектирования в ОАО «Уралмаш» изотермического комплекса, а также производственный опыт штамповки крупногабаритных изделий на существующих мощных гидравлических прессах и изотермических комплексах.

188

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Системный подход к проблеме производства крупногабаритных изделий из легких сплавов обусловил необходимость решения целого комплекса научно и инженерно - технических задач, на которых базируется модернизация существующих и разработка новых технологических процессов производства крупногабаритных изделий.

1. Необходимость производства крупногабаритных деталей из легких сплавов диктуется реальными потребностями современного машиностроения.

2. Аналитический обзор зарубежной и отечественной литературы свидетельствует, что производство штампованных крупногабаритных деталей повышенной точности из легких сплавов осуществляется на гидравлических прессах большой единичной мощности, дальнейшее увеличение которой сопряжено с большими техническими трудностями.

Высокотехнические зарубежные и отечественные автоматизированные линии и комплексы предназначены в первую очередь для штаповки изделий ограниченных габаритов из алюминиевых сплавов. Для штамповки же крупногабаритных изделий из алюминиевых сплавов в режимах близких к изотермическим могут быть приспособлены существующие мощные прессы усилием до 750 МН.

Для изотермической штамповки титановых сплавов существуют достаточно совершенные комплексы на базе прессов усилием 40 . 72 МН, которые позволяют производить детали диаметром до 914 мм и массой до 340 кг. Увеличение габаритов штампуемых изделий видится в создании новых мощных изотермических комплексов на базе гидравлических прессов усилием до 300 МН. Модернизацией существующих мощных гидравлических прессов можно приблизить условия штамповки к изотермическим, повысить температуру

189 штамповки до 550 . 650°С за счет установки нагревательных устройств и использовании штамповых вкладышей из стали на никелевой основе.

Кроме того, просматривается необходимость установки изотермических комплексов в единую автоматизированную технологическую линию, оснащенную кузнечно - прессовым оборудованием для подготовки заготовок с однородной по объему структурой, пригодной для изотермической штамповки (в некоторых случаях в режимах близких к сверхпластичности).

3. Технологическое обеспечение процесса изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов сводится к требованию: стабилизации температуры штампового набора (в том числе и рабочей поверхности штампа); регулирования скорости движения подвижной траверсы, обеспечивающей необходимую скорость деформирования материала; учета уругопласти-ческой деформации рабочей поверхности штампа, влияющей на точность штампуемых изделий; формы рабочей поверхности штампов с целью формирования структуры в объеме штампуемых заготовок.

4. Методами оптимального проектирования решена задача определения оптимального профиля гравюры фигурного штампа и формы заготовки в процессе неизотермической осадки и штамповки изделий из титановых сплавов. В качестве критерия качества (критерия оптимизации) использован показатель неоднородности поля накопленной пластической деформации к моменту окончания процесса пластической деформации.

Приведен численный пример нахождения оптимального профиля гравюры штампа при осадке цилиндрической заготовки. Оптимальной оказалась гравюра штампа, имеющая выпуклость в центральной части штампа. Такая форма штампа позволяет продеформировать центральную часть на оси цилиндрической заготовки и этим повысить однородность деформации по всему объему

190 заготовки. Осадка в выпуклых штампах осуществляется на стадии предварительной штамповки перед окончательной изотермической штамповкой.

5. Совершенствование существующих процессов штамповки на мощных гидравлических прессах можно осуществить за счет:

- профилирования (создания уклонов, компенсирующих упругопластическую деформацию гравюры штампа) рабочей поверхности штампа;

- упрочнения рабочей поверхности штампа путем создания в штампе за счет циклического деформирования определенного уровня остаточных напряжений;

- использования экзотермических смазок, позволяющих предохранить от быстрого подхолаживания поверхности штампуемой заготовки (в особенности заготовок из титановых сплавов) и способствующих повышению точности штамповок;

- рационализации выбора ритма и скоростного режима процесса штамповки, позволяющих в определенной мере управлять тепловым режимом штамповки в горячих штампах.

Профилирование и упрочнение рабочей поверхности штампа базировалось на результатах исследования механических и теплофизических свойств штамповых сталей (5ХНМ, 5ХНМШ, 4Х4НВЗФ, ЗХ2В8Ф), а также алюминиевых и титановых сплавов. Для штамповых сталей были построены диаграммы мгновенного деформирования и кратковременной ползучести в диапазоне температур 450 . 650°С.

Обобщены теплофизические свойства алюминиевых и титановых сплавов в широком диапазоне температур.

6. Структурная схема автоматизированного комплекса изотермической штамповки представлена в виде двух подсистем управления нагревом штам-пового набора и управления движением траверсы пресса.

191

В случае штамповки алюминиевых сплавов эти две системы могут функционировать независимо друг от друга, а при штамповке титановых сплавов необходимо взаимодействие этих систем, т.к. вседствие большого количества тепловой энергии, выделяемой при штамповке изделий из титановых сплавов, может существенно изменяться температурное поле штампового набора.

7. Разработана математическая модель и алгоритм управления процессом нагрева штампового набора (с помощью нагревателей, размещенных в его объеме), обеспечивающие асимптотический вывод температурного поля штампового набора (и рабочей поверхности штампа) на заданную температуру. Особенность модели состоит в том, что она учитывает инерционные задержки распределения тепловых потоков в массивных телах.

8. Разработана математическая модель теплового взаимодействия заготовки и штампа в процессе штамповки. На базе этой модели разработан алгоритм управления скоростным режимом штамповки крупногабаритных изделий за счет регулирования мощности деформирования заготовки.

9. Сформулированы принципы и алгоритм управления процессом изотермической штамповки крупногабаритных изделий в режимах близких к сверхпластичности (изотермическое деформирование при очень низких скоростях). При этом скоростной режим движения траверсы определяется непосредственно в ходе процесса штамповки (в отличие от априорного программного управления). Указанный метод управления был проимитирован методом математического моделирования.

10.Предложен эскизный проект автоматизированной линии изотермической штамповки крупногабаритных изделий из легких сплавов. В состав линии входит автоматизированный ковочный комплекс (АКК), радиально - ковочная машина (РКМ) и заготовительный штамповочный пресс, на которых осущест

192 вляется подготовка структуры металла в заготовках, поступающих для окончательной штамповки на изотермический комплекс, замыкающий линию.

Изотермический комплекс состоит из двух вертикальных гидравлических прессов, оборудованных изотермическими установками и автоматизированной системой управления скоростью движения подвижной траверсы.

1 ¡.Обобщен опыт проектирования в ОАО «Уралмаш» изотермического комплекса, а также производственный опыт штамповки крупногабаритных изделий на существующих мощных гидравлических прессах и комплексах изотермической штамповки.

Результаты диссертационной работы использовались ОАО «Уралмаш» в процессе проектной разработки изотермического комплекса «130В» на базе вертикального гидравлического пресса усилием 300 МН.

193

1. Гурьев Ю.Т., Горожанкин В.Н. и др. Кривошипные горячештампо-вочные прессы в современном кузнечно - штамповочном производстве: Обзор. - М.: НИИМаш, 1983. - 80 е., ил. - (сер. С-3. Кузнечно - прессовое машиностроение).

2. Филькин И.Н., Горожанин В.Н., Яковенко И.Ф. Автоматизированные комплексы и линии кузнечного производства на базе тяжелых механических прессов: Обзор. М.:НИИМаш, 1984, - 72 е., ил. - (сер. С-3. Кузнечно -прессовое машиностроение).

3. Бромберг А.Н., Новиков Н.Г., Подрабинник И.М. Состояние и перспективы развития кузнечно прессового оборудования: Обзор. - М.: НИИМаш, 1983. - 63 е., ил. - (сер. С-3. Кузнечно - прессовое машиностроение).

4. Подрабинник И.М. Состояние и тенденции развития кузнечно штамповочного производства за рубежом: Обзор. -М.: НИИМаш, 1984. - 56 е., ил. -(сер. С-3. Кузнечно - прессовое машиностроение).

5. Кривицкий A.A., Мальков Ю.В., Мотиков В.А. и др. Промышленные роботы для листовой и объемной штамповки: Обзор. М.: НИИМаш, 1983. -80 е., ил. - (сер. С-3. Кузнечно - прессовое машиностроение).

6. Лернер П.С. Технико экономические и социальные аспекты автоматизации и механизации технологических процессов обработки металлов давлением: Обзор. - М.: НИИМаш, 1983. - 56 е., ил. - (сер. С-6-2. Технология обработки давлением).

7. Автоматизированные кузнечно прессовые комплексы (опыт создания и эксплуатации) / Б.М.Готлиб, И.А.Добычин, М.Б.Готлиб,- Екатеринбург,: УрГАПС, 1998, 647 е., ил.

8. Ю.Васильковский В.П., Кузьминский М.Н. Состояния и проблемы развития оборудования для многополостной безоблойной штамповки: Обзор. -М.: НИИМаш, 1984. 32 е., ил. - (Сер.С-6-2. Технология обработки давлением).

9. П.Кохан Л.С., Курило A.B. Прогрессивная технология изготовления осе-симметричных и плоских крупных поковок на автоматических линиях и автоматизированных комплексах. М., 1986. - 57 с. - (сер 12. Обзорная информация / ВНИИТЭМР. Вып. 1).

10. Материалы фирмы SMS Hasenclever (Германия) на выставке «Алюминий 86» (г.Москва, 1986г.).

11. Metallurgia. 1986. - V.53. - №2. - Р.45.

12. Metallurgia Forging Supplement. 1987. - V.57. - №7. - P. 17.

13. Iron Age. 1986. - V.229. - №7. - P.54.

14. Пресс гидравлический для изотермической штамповки: Модель ПА2638. Изготовитель ПО «Прессмаш», г.Одесса. - М., 1980. - 2 с.-(Кузнечно - прессовые машины: Каталог / ЭНИКМАШ. Лист №2.25.03).195

15. Пресс гидравлический для изотермической штамповки: Модель ПА2638. Изготовитель ПО «Прессмаш», г.Одесса. - М., 1980. - 2 с.-(Кузнечно - прессовые машины: Каталог / ЭНИКМАШ. Лист №2.25.04).

16. Пресс гидравлический для изотермической штамповки: Модель ПА2642. Изготовитель ПО «Прессмаш», г.Одесса. - М., 1980. - 2 с.-(Кузнечно - прессовые машины: Каталог / ЭНИКМАШ. Лист №2.25.05).

17. Пресс гидравлический для изотермической штамповки: Модель ПА2646. Изготовитель Днепропетровское ПО по выпуску тяжелых прессов. -М., 1985. - 2 с. - (Кузнечно - прессовые машины: Отрасл. каталог / ЭНИКМАШ. Лист №2.25.13).

18. Работнов Ю.Н., Милейко С.Г. Кратковременная ползучесть. М.: Наука, 1970.-224 с.

19. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. - 456 с.

20. Dalheimer R., Schmacleke W.,Warmeübergrangszahlen für die Werhstaffparrung Stahl Aluminium // Ind. - Anz. - 1970. - 92. - S.37 - 39.

21. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1980. - 456 с.

22. Унксов Е.П., Джонсон У., Колмогоров ВЛ. и др. Теория пластических деформаций металлов. М.: Машиностроение, 1983. - 548 с.

23. Ильюшин A.A. Моделирование горячих и скоростных процессов обработки металлов давлением // Прикладная математика и механика. Т.XVI. - 1952.-№4.-С.385-398.

24. Поздеев A.A., Тарновский В.И., Еремеев В.И., Баакашвили B.C. Применение теории ползучести при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1973. - 192 с.196

25. Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Бурких С.П. и др. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1976. - 416 с.

26. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.600 с.

27. Б.М.Готлиб, И.А.Добычин, В.М.Баранчиков Адаптивное управление процессами обработки металлов давлением: М.: Металлургия, 1985. - 144 с.

28. Добычин И.А., Рыбкин М.В. Деформационный критерий качества и расчет рациональных технологических режимов радиальной ковки // Известия вузов. Машиностроение. 1989. - №11. - С. 117 - 120.

29. Белов А.Ф., Розанов Б.В., Линц В.П. Объемная штамповка на гидравлических прессах. М.: Машиностроение, 1971. -214 с.

30. Линц В.П. Анализ упугого сжатия штампа с учетом неравномерности нагрузки // Технология легких сплавов. 1981. - №6. - С. 35 - 40.

31. Упругопластические напряжения и деформации крупногабаритных штампов / Б.М.Готлиб, А.Н.Скляров, И.А.Добычин и др. // Вестник машиностроения. 1977. - №1. - С. 75 - 77.

32. Исследование нестационарных температурных полей в процессе штамповки титановых сплавов // Б.М.Готлиб, А.К.Зайнулин, В.К.Катая и др. // Технология легких сплавов. 1979. - №3. - С. 32 - 38.

33. Шевченко Ю.Н., Бабенко М.Е., Пискунов В.В., Савченко В.Г. Пространственные задачи термопластичности. Киев: Наукова думка, 1980. - 224 с.197

34. Лурье А.И. Пространственные задачи теории упругости. М. - Л.: Гостехиздат, 1955.-25 6с.

35. Изотермическое деформирование металлов / Фиглин С.З., Бойцов В.В., Калпин Ю.Г., Каплин Ю.И. М.: Машиностроение, 1978. -239 с.

36. А.с. 926042 СССР МКИ3 С21Д 9/22, С21Д 8/00. Способ упрочнения штампов / Б.М.Готлиб, Н.П.Гординов, И.А.Добычин и др.; УэМИИТ (СССР). -№2946931 / 22-02; заявлено 25.06.80. Открытия. Изобретения. - 1982. - №17. - с.103.

37. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях. М.: Изд. МГУ, 1965.-225 с.

38. Москвитин В.В. Циклические нагружения элементов конструкций. -М.: Наука, 1981.-344 с.

39. Готлиб Б.М. Смазка для горячей обработки давлением титановых сплавов // Известия АН СССР. Металлы. 1980. - №5. - С. 97 - 98.

40. Добычин И.А., Рыбкин М.В. Математическое моделирование неизотермического процесса протяжки на радиально ковочной машине // Известия вузов. Машиностроение. - 1988. - №9. - С. 131-135.

41. Добычин И.А., Рывкин М.В. Определение деформированного состояния круглой заготовки в процессе протяжки на радиально ковочной машине // Известия вузов. Машиностроение. - 1985. - №5. - С. 108 - 110.

42. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1979. - 224 с.52.0стрем К., Виттенмарк В. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1987.-480 с.

43. Кайбышев O.A. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975.

44. Чумаченко E.H., Кривонос Г.А., Макарова JI.T., Соломатин B.C. Определение рациональных скоростных режимов штамповки в условиях сверхпластичности // Кузнечно штамповочное производство. - 1987. - №3. - С. 16-17.

45. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981.199

46. Готлиб Б.М., Добычин И.А., Баранчиков В.М. Основы статистической теории обработки металлов давлением: методы решения технологических задач. М.: Металлургия, 1980. - 168 е., ил.

47. Аксенов Л.Б., Богоявленский К.Н. Современные методы проектирования процессов горячей объемной штамповки: учебное пособие. Л.: ЛПИ, 1982.-75 с.

48. Хог Э., Apopa Я. Прикладное оптимальное проектирование: механические системы и конструкции. М.: Мир, 1983. - 478 с.

49. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. Новосибирск: Наука, 1973.-326 с.

50. Сегерлинд Л. Применение методов конечных элементов. М.: Мир, 1979.-392 с.

51. Черноусько Ф.Л., Баничук Н.В. Вариационные задачи механики и управления. -М.: Наука, 1973. -238 с.200

52. Няшин Ю.И., Скороходов А.Н., Ананьев А.Н. Вариационный метод расчета температурных полей в процессах обработки металлов давлением // Известия вузов. Черная металлургия. 1973. - №9. - С. 91 - 94.

53. Добычин И.А., Готлиб Б.М., Румянцев С.А.,Замыслов В.Е. Нестационарные температурные поля при обработке титановых дисков сложной конфигурации // Промышленная теплотехника. 1983. - 5. - №3. - С. 33 - 37.

54. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1976. - 487 с.

55. Ремидович Б.П., Марок И.А., Шувалов Э.З. Численные методы анализа. М.: Наука, 1967. - 368 с.

56. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов / Л.А.Никольский, С.З.Фиглин, В.В.Бойцов и др. М.: Машиностроение, 1975. - 285 с.

57. Довнар С.А. Термомеханика упрочнения и разрушения штампов объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1975. - 255 с.

58. Вельский Е.И. Стойкость кузнечных штампов. Минск: Наука и техника, 1975.-240 с.

59. Демидов Л.Д., Ефимов A.C., Захаров Н.М. Инженерный метод теплового расчета штампов горячей штамповки и выбор оптимальных условий их работы // Физика и химия обработки металлов. 1981. - №6. - С. 97 - 104.

60. Асенов Л.Б., Богоявленский К.Н., Рудаков М.Ю. Влияние теплового фактора на эксплуатационные показатели штампов для горячего деформирования металлов // Физика и химия обработки металлов. 1981. - №6. -С. 139- 147.

61. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлурги я, 1986. - 688 с.201

62. Кошляков М.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Основные дифференциальные уравнения математической физики. М.: Физматгиз, 1962. - 634 с.

63. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высшая школа, 1987. - 328 с.

64. Братко A.B. Применение метода конечных элементов к решению пространственных задач термопластичности //Сопротивление материалов и теория сооружений. 1984. - №44. - С. 33 - 36.

65. Норри Д., Ж. де Фраз. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1982.-304 с.

66. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности. Т.1. М.: Высшая школа, 1982. - 328 с.

67. Био М. Вариационные принципы в теории теплообмена. М.: Энергия, 1975.-209 с.

68. Айнола Л.Я. Вариационные принципы для нестационарных задач теплопроводности // Инженерно физический журнал. - 1967. - т. 12. - №4. - С. 465-468.

69. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1968. - 400 е., ил.

70. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. -М.: Наука, 1970. 420 с.

71. Сегал В.М. Технологические задачи теории пластичности: методы исследования. Минск: Наука и техника, 1977. - 256 с.

72. Борисова Е.А., Бовгар Г.А., Брун М.Я. и др. Титановые сплавы: металлография титановых сплавов. М.: Металлургия, 1980. - 464 с.202