автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Научные основы проектирования технологии высокоточной многопереходной горячей пластической обработки с использованием компьютерного моделирования

На правах рукописи

ЗОЛОТОВ Александр Максимович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОТОЧНОЙ МНОГОПЕРЕХОДНОЙ ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность: 05.16.05 - Обработка металлов давлением,

05.03.05 - Технологии и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт- Петербург 2003

ч

Работа выполнена на кафедре «Пластическая обработка металлов» ГОУ «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Официальные оппоненты:

- заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Дурнев Василий Дмитриевич,

- доктор технических наук, профессор Виторский Ярослав Михайлович,

- доктор технических наук, профессор, Иванов Константин Михайлович.

Ведущее предприятие - ОАО Завод турбинных лопаток г. Санкт-Петербург

Защита состоится 5 декабря 2003 в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.03 при ГОУ «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, химический корпус, ауд. 51.

Ваш отзыв на автореферат (1 экз., заверенный гербовой печатью) просим направлять по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.229.03.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Автореферат разослан <г ноября 2003.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В. А. Кархин

2<=о?-А

—. 0 -7-^7 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы горячей пластической обработки (ГПО) относятся к широко и весьма успешно применяемым промышленным технологиям. Высокие механические свойства и другие эксплуатационные характеристики заготовок и готовых изделий при высоких показателях использования материала являются отличительной чертой процессов ГПО в сравнении с другими технологическими процессами.

Повышенные требования к точности и качеству изделий и деталей, получаемых методами точной и прецизионной ГПО, в частности горячей объемной штамповки (ГОШ), в свою очередь ведут к значительному повышению требований к технологическому процессу, как с точки зрения надежности результатов проектирования, так и при его промышленной реализации.

Эффективным методом решения этих проблем, весьма интенсивно развивающимся в последнее время, является использование систем автоматизированного проектирования и математического моделирования, в частности на базе метода конечных элементов (МКЭ).

Вместе с тем при проектировании многопереходных процессов ГПО для изготовления изделий повышенной точности, например, многопереходной штамповки заготовок турбинных лопаток, возникает целый ряд специфических проблем, связанных как с математическим моделированием процессов пластического деформирования металла, например, решение контактных задач системы заготовка -инструмент, моделирование тепловых деформаций при остывании заготовок, так и определением переходов формообразования при ГОШ, методики проектирования деформирующего инструмента и других.

В связи с этим разработка научных основ проектирования многопереходных процессов горячей пластической обработки, в частности, процессов горячей объемной штамповки (ГОШ), изделий повышенной точности с использованием компьютерного моделирования является весьма актуальной проблемой современного машиностроительного производства.

Цель работы:

Решение актуальной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и состоящей в создании методики и алгоритмов компьютерного проектирования многопереходных технологических процессов получения изделий повышенной точности методами горячей объемной пластической обработки и оценки качества результатов проектирования, обеспечивающих повышение эффективности производства, качества изделий и надежности технологий.

Задачи исследования:

1. Анализ факторов, влияющих на характеристики точности готовых изделий и

заготовок при горячем пластическом, рования.

БИБЛИОТЕКА (

проекти-

С. Петербург^ - , «

9Э N4 1

2. Сравнительный анализ моделей материала для исследования процессов финишной пластической обработки, в частности калибровки поковок.

3. Определение термомеханических условий работы деформирующего инструмента при штамповке и калибровке.

4. Решение контактной задачи взаимодействия заготовки и штампа при штамповке и калибровке.

5. Анализ процесса коробления поковок (термомеханических и структурных деформаций) при остывании после деформирования.

6. Проверка адекватности (правомерности) результатов математического моделирования процессов калибровки.

7. Оценка значимости отдельных технологических параметров процесса калибровки.

8. Разработка методики управления параметрами технологического процесса штамповки и калибровки.

9. Анализ основных этапов разработки технологических процессов ГОШ и создание формальных алгоритмов проектирования процессов.

10. Разработка методики определения последовательности операций штамповки и геометрии штамповых переходов на основе методов трехмерного геометрического моделирования.

11. Разработка комплексного алгоритма проектирования многопереходных процессов горячего пластического деформирования заготовок и изделий повышенной точности.

Научная новизна.

1. На основе комплексного анализа технологических процессов сформулирован перечень основных параметров, определяющих точность готовых изделий и заготовок при горячем пластическом деформировании, обоснован выбор математической модели материала для моделирования финишных операций пластической обработки и термомеханических процессов охлаждения заготовок, дана оценка влияния структурных превращений на формоизменение после деформирования. По результатам проведенного анализа разработана и реализована методика прогнозирования характеристик точности получаемых изделий при многопереходных процессах пластической обработки.

2. Разработаны научные основы проектирования многопереходных технологических процессов горячей пластической обработки для изготовления высокоточных заготовок и изделий сложной формы с использованием систем компьютерного моделирования, реализованных на базе твердотельного трехмерного геометрического моделирования и МКЭ.

3. Формализован процесс проектирования технологических переходов ГОШ, разработаны и реализованы методики определения видов, последовательности и геометрии переходов штамповки для поковок пространственной формы, основанные на определении частных критериев сложности отдельных элементов поковок и генерировании геометрии этих элементов по переходам деформирования.

4. Разработана методика и алгоритмы решения задачи контактного взаимодействия при упруговязкопластическом течении металла заготовки и упругом деформировании двух штамповых вставок, с учетом податливости их опорных поверхностей.

5. На основе математического моделирования термомеханических процессов, происходящих на всех стадиях технологического процесса формообразования, показана возможность прогнозирования точности получаемых изделий (поковок) и оценки влияния технологических параметров на показатели качества изделий.

6. Сформулирован алгоритм построения замкнутой системы проектирования технологического процесса ГПО, включающий конструирование заготовки и формообразующего инструмента по переходам деформирования, моделирование процессов деформирования заготовки, работы инструмента и термомеханических процессов охлаждения заготовок, позволяющий прогнозировать точность и качества металла готовых изделий.

Практическая ценность.

1. Разработанные методики компьютерного моделирования, включающие геометрическое и математическое моделирование процессов ГПО, позволяют формализовать этапы конструкторско-технологического проектирования, произвести первичную оценку результатов разработки, повысить качество и сократить сроки подготовки и реализации процессов.

2. Разработанная методика математического моделирования позволяет определить напряженно-деформированное состояние системы заготовка - штамповый инструмент с учетом теплообмена и жесткостных характеристик оборудования, а также термические деформации в заготовке при остывании. Полученные результаты позволяют прогнозировать геометрию получаемых поковок, определить значимость отдельных технологических параметров.

3. Разработана методика компьютерного конструкторско-технологического проектирования, включающая методику определения последовательности операций штамповки и геометрии штамповых переходов для пространственных поковок сложной формы на основе методов пространственного геометрического моделирования и определения частных критериев сложности конструктивных элементов поковок.

4. Разработаны и реализованы алгоритмы комплексного проектирования многопереходных процессов горячего пластического деформирования заготовок и изделий повышенной точности.

5. На базе разработанных методик геометрического моделирования создан ряд программных комплексов, используемых в системах поиска аналогов технологических процессов в базах данных, автоматизации систем управления качеством, визуализации систем измерений геометрии пространственных деталей и др.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на конференции СПбГТУ «Инновационные технологии» (1995г.), меж-

дународной научно-технической конференции «Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов» (1995г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном металловедении» (1997г.), научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (1997 г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» (1999г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» (2001г.), Юбилейной научно-технической конференции Академии инженерных наук РФ Северо-западное отделение (2001г.)

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа в журналах и сборниках научных трудов, в виде докладов, тезисов докладов научно-технических конференций и одной монографии.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов по работе, изложена на 3$У страницах, включая <? таблиц, ¿^рисунков и список литературы изЛЛгнаименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. Анализ технологических процессов горячего пластического деформирования деталей и заготовок повышенной точности и методов их проектирования.

Детали и изделия, полученные методом горячего пластического деформирования, называются точными или прецизионными, если их важные функциональные элементы и поверхности готовы к сборке или имеют припуск под финишную обработку, например под шлифование.

Основные причины изготовления прецизионных заготовок и изделий следующие:

-изготовление форм, которые нерационально или вообще невозможно изготовлять обработкой резанием;

-использование улучшенных эксплуатационных характеристик заготовок и изделий, полученных в результате горячей пластической деформации; -сокращение стадий производства и, тем самым, сокращение капиталовложений; -снижение себестоимости готовых изделий.

Наиболее широкое применение для изготовления точных и прецизионных заготовок и изделий получили следующие технологические процессы горячей пластической обработки:

-горячее прессование профилей сложной формы,

-горячая объемная штамповка в закрытых и открытых штампах и др.

Предварительный анализ факторов, влияющих на эффективность производства изделий повышенной точности методами горячего пластического деформирования, показал, что на геометрию получаемых изделий оказывают влияние все основные технологические параметры процесса (температура нагрева заготовок и инструмен-

та, временные характеристики процесса, жесткостные параметры системы заготовка- инструмент- машина, условия контактного взаимодействия между заготовкой и деформирующим инструментом, а также стабильность значений этих параметров в ходе процесса). В значительной степени влияние этих параметров зависит от сложности геометрии получаемых изделий.

В качестве объекта исследования был выбран технологический процесс штамповки заготовок турбинных лопаток (ЗТЛ) повышенной точности. Этот процесс имеет все основные особенности, присущие многопереходным процессам горячей пластической деформации и отличается значительной сложностью как с точки зрения проектирования, так и при его реализации. Это связано прежде всего со сложностью геометрии получаемых поковок, жесткими технологическими характеристиками материалов и повышенными требованиями к качеству изделий, с точки зрения их эксплуатационных характеристик.

Существующие в настоящее время системы автоматизированного проектирования технологических процессов ГПО позволяют провести практически полный цикл проектирования процессов формообразования для однопереходных процессов деформирования, начиная от проектирования геометрии поковок заканчивая управляющими программами для изготовления и контроля деформирующего инструмента на оборудовании с ЧГГУ. Основной проблемой при применении этих систем для многопереходных процессов ГПО является проектирование переходов деформирования.

Современные системы математического моделирования процессов ГПО в основном реализованы на базе метода конечных элементов (МКЭ) и позволяют проанализировать практически все основные операции и этапы процессов. Включают всеобъемлющий перечень моделей материала, позволяют задавать всевозможные типы граничных условий. Вместе с тем при моделировании многопереходных процессов получения изделий повышенной точности необходимо решить ряд специфических задач, что связанно с разработкой специализированных многоэтапных алгоритмов применения МКЭ, выбором расчетной модели материала и процесса, методики проектирования геометрии деформирующего инструмента и др.

На основании предварительного анализа состояния вопроса были сделаны следующие выводы:

1. Повышенные требования к точности и качеству изделий, получаемых методами ГПО ведут к значительному повышению требований к качеству и надежности результатов проектирования и промышленной реализации технологического процесса.

2. При проектировании процессов горячей пластической обработки, в частности ГОШ, широко применяются системы автоматизированного проектирования (САПР), математического моделирования (на базе МКЭ) и технологической подготовки производства (САБ-САЕ-САМ).

3. При разработке технологических процессов многопереходной ГПО с использованием компьютерного проектирования возникает необходимость решения целого комплекса различных задач математического моделирования для каждого из

последовательности этапов деформирования заготовок, включая задачи термопластического и термоупругопластического течения металла для формообразующих операций, и термоупругопластического деформирования металла при моделировании остывания заготовок и работы деформирующего инструмента.

4. При разработке процессов получения заготовок повышенной точности, в частности прецизионной штамповки, необходимо решение задачи контактного взаимодействия системы заготовка - инструмент для условий термоупругопластического нагружения.

5. В настоящее время отсутствует методика проектирования переходов деформирования, в частности для процессов многопереходной штамповки сложных пространственных деталей.

6. В настоящее время отсутствуют методики комплексного проектирования процессов получения заготовок повышенной точности методами ГПО, в частности определения геометрии деформирующего инструмента, позволяющего получать изделия требуемой точности.

2. Математическое моделирование формоизменения и контактного взаимодействия заготовки н формообразующего инструмента.

Предварительный анализ процесса калибровки. Выбор модели материала.

Технологический процесс изготовления поковок ЗТЛ представляет собой определенную последовательность операций, включающих в себя

1. резку исходных заготовок из проката, в основном с использованием методов механической обработки;

2. профилирование заготовок на горизонтально-ковочных машинах, ковочных вальцах, ротационно-ковочных машинах и др.;

3. штамповку поковок на прессах за один или несколько переходов;

4. обрезку облоя;

5. горячую калибровку поковок;

6. термическую обработку.

Определяющее влияние на характеристики точности получаемых поковок ЗТЛ оказывает финишная операция пластической обработки - горячая калибровка. Процесс горячей калибровки поковки турбинной лопатки сопровождается упругопла-стическими и объемными температурными деформациями поковки, а также упругими деформациями штамповых вставок, штампового блока и конструкции пресса.

Неравномерное остывание поковки и неравномерный разогрев штамповых вставок в ходе технологической операции горячей калибровки приводит к неравномерному распределению предела текучести и модуля упругости по объему поковки и штамповых вставок, что, в свою очередь, оказывает влияние на точность готовой поковки. Поскольку пластические деформации поковки при горячей калибровке относительно малы, упругие, пластические и температурные деформации поковки и деформации инструмента соизмеримы и должны быть в равной степени корректно учтены.

У=432

У=130

Рис. 1 Сетка конечных элементов поков-

Каждое из трех тел, участвующих во взаимодействии: поковка, верхняя и нижняя штамповые вставки - аппроксимируются сетками конечных изопа-раметрических элементов (рис. 1-4).

Решение задачи термоупруго-пластичности включает последовательное решение задач нестационарной теплопроводности и теории упругости или пластичности.

В ходе решения задачи теплопроводности определяется распределение температур по объему поковки и штампов, а также объемные термические изменения, соответствующие последовательным шагам по времени, для которых затем определяются напряжения и деформации.

Горячая калибровка в штампе :-:<-ракге-ризуется относительно малыми обжатиями, которые определяются величиной припуска под калибровку или величиной «недоштамповки» в

Рис. 2 Сетка конечных элементов верхне- окончательном штампе.

В рассматриваемых ниже тестовых примерах величина припуска под калибровку принималась постоянной для всей перовой части поковки лопатки и равной сШ=0.3мм. Поэтому этот процесс нельзя рассматривать с точки зрения общепринятых закономерностей теории обработки металлов давлением, типичных для больших пластических деформаций.

Для качественной оценки влияния различных моделей материала на характеристики напряженно-деформи-Рис. 3 Сетка конечных элементов нижне- рованного состояния металла при опе-го штампа. рации горячей калибровки были -

проведены предварительные исследования этого процесса для характерного поперечного сечения перовой части ЗТЛ в условиях плоской деформации. При моделировании использовались три расчетные модели: малых упругопластических деформаций и два варианта теории течения: упруговязкопластическая, то есть с

_ ____

щт

, „____, .

учетом упругих деформаций и жест-ковязкопластическая, с использованием условия несжимаемости.

•В соответствии с моделью упру-говязкопластического материала компоненты девиатора напряжений ву являются функцией скорости деформации, гидростатического давления и напряженного состояния, сформировавшегося на предшествующем этапе процесса (значок-*).

Рис. 4 Сечение (у= 130мм) сеток конечных элементов.

8 =

1

20Ат 2р.

ЮАх

- + 8,

Сто__5 Аф

и ЗКАт и Ах

J.

где скорость деформации представлена в виде трех составляющих: скоростей упругой, пластической и температурной деформаций гц = + + ф ,

+ 8 -скорость упругой деформации,

1 ЗК

-скорость пластической деформации,

^" 26 " 2ц

|д. - коэффициент вязкости.

Скорость объемной деформации в произвольный момент времени

¿0 = Зф + — —. С и К - модули сдвиговой и объемной деформации. К ск

Процесс горячей калибровки на предварительном этапе исследования рассматривался как процесс жесткого нагружения поковки (вертикальное перемещение верхнего штампа на АЬ = 0,3мм) за 6 шагов деформирования.

На рис. 5-7 приведены эпюры контактных напряжений аг по этапам нагружения для сечения У=360 мм, полученные на основе двух вариантов теории течения и теории малых упругопластических деформаций. Для исключения влияния температурного фактора рассматривался изотермический процесс при температуре металла Т = 1100°С.

На первых стадиях нагружения при обжатии АЬ = 0,1мм, качественных различий в эпюрах контактных напряжений, полученных на основе теории упруго-вязкопластического течения и теории малых упругопластических деформаций, нет; количественные различия соизмеримы с точностью численных расчетов.

По мере увеличения величины обжатия различия становятся все более заметными; при обжатии АЬ = 0,3мм имеем две принципиально разные эпюры

контактных напряжений. Эпюра напряжений, полученная по теории течения, имеет характерный куполообразный вид, типичный для многих процессов обработки металлов давлением (рис. 5).

Эпюра напряжений, полученная по теории малых упругопла-стических деформаций, имеет два , максимума, соответствующих (по им -во -бо -40 -го о го до бо 8о юо 120 месту) максимальным относи-Рис. 5 Эпюры контактных напряжений сгг (тео- тельным деформациям. При одинаковых абсолютных обжатиях

рия упруго-вязкопластичсского течения).

-с,

-100 -ВО -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

Рис. 6 Эпюры контактных напряжений а2 (теория малых упругопластических деформаций).

-С^МТв

ЛЬ относительное обжатие тем больше, чем меньше высота профиля. В районах выхода металла в облойную канавку значения напряжений от максимальных резко снижается до величины, соизмеримой с пределом текучести материала (рис. 6). Максимум контактных напряжений на выходной кромке пера лопатки (на эпюре справа) выше значения • максимума в районе передней кромки лопатки. Положение максимума напряжений стг по теории течения (рис. 5) смещено в сторону задней более узкой кромки пера.

Решение, полученное на основе модели вязкопластической среды (модель Шведова), с соблюдением условия постоянства объема, дает классическую для обработки давлением эпюру контактных напряжений (рис. 7).

Рис. 7 Эпюры контактных напряжений ог (теория вязкопластического течения).

Чтобы объяснить причину сходства и различий в эпюрах контактных напряжений (рис. 5 и 6) следует иметь в виду что на ранних стадиях нагружения (АЬ< 0,1мм) фактором, определяющим характер эпюры контактных напряжений,

является упругое изменение объема. При расчете по теории малых упругопластиче-ских деформаций в условиях плоской деформации (еу = 0) и относительно тонкого

клиновидного с внешних сторон профиля поковки, течение металла в заусенец затруднено. Схема напряженного состояния, близкого к гидростатическому сжатию, обусловливает объемные деформации тем большие, чем выше относительные обжатия. В результате эпюра контактных напряжений приобретает два максимума.

При расчете по теории упруговязкопластического течения в соответствии с принятой реологической моделью материала включается механизм демпфирования, что приводит к качественным изменениям эпюры контактных напряжений: напряжения нарастают от свободных поверхностей (выходов в заусенец) к середине сечения.

Приведенные модельные примеры позволяют сделать вывод, что рассматриваемый процесс обработки давлением (калибровка) целесообразно трактовать как процесс жесткого нагружения с упруговязкопластическими деформациями, что позволяет учитывать изменения характера напряженно-деформированного состояния в поковке при калибровке в зависимости от значений относительных обжатий.

Рис. 8 Эпюра контактных напряжений ст2 при плоской деформации сечения У = 130мм (ДЬ = 0,3мм).

1 - по теории малых упругопла-стических деформаций;

2 - по теории упруговязкопластического течения;

3 - по теории жесткопластиче-ского течения.

Рис. 9 Эпюра контактных напряжений аг при плоской деформации сечения У = 360мм (АЬ = 0,3мм).

1 - по теории малых упругопла-стических деформаций;

2 - по теории упруговязкопластического течения.

3 - по теории жесткопластиче-ского течения.

На рис. 8 и 9 для модельного варианта еу =0, Т = 1100° = сош! показан характер деформированного состояния наиболее массивного У = 130мм и наиболее тонкого У=360мм сечения пера лопатки при обжатии АЬ = 0,3 мм. В большей части се-

/ 1 к \

\

1 1

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 -о, МПа

чения перемещения вдоль оси X отсутствуют; лишь па небольшом расстоянии от боковых кромок происходит течение металла в направлении облойных канавок. Именно в этих объемах металла происходят пластические деформации; в остальной части сечения интенсивность пластических деформаций близка к нулю. Выход металла в облой в сторону передней кромки пера лопатки - в пределах 1мм; в сторону задней кромки, где относительные деформации выше из-за меньшей толщины профиля - в пределах 2мм.

Для проверки адекватности применения предлагаемой модели упруго-вязкопластического течения для расчета процесса калибровки поковок были проведены исследования и сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследований деформированного состояния с использованием оптически чувствительных покрытий (ОЧП) при осадке стальных образцов в условиях плосконапряженного состояния для малых упругопластических деформаций. Сравнение показало хорошее качественное и количественное совпадение результатов исследований по распределению деформаций в образцах в пределах 5-20%. Большая величина погрешности относится к области малых значений деформаций.

Исследование температурных полей в поковке.

При моделировании температурных полей в поковке использовались следующие начальные условия и данные процесса. Нагретая до температуры Т = 1100° поковка переносится из печи к прессу, укладывается в нижний штамп, и далее происходит рабочий ход пресса. Хронометрирование процесса показывает, что в течение 2 секунд поковка охлаждается на воздухе (перенос поковки от печи к прессу), далее 0,5 секунд нижняя поверхность поковки отдает тепло нижнему штампу, а верхняя охлаждается на воздухе; во время рабочего хода обе поверхности охлаждаются в штампе. Таким образом, реальный процесс калибровки происходит не при Т= 1100°, а в условиях неравномерного распределения температур по объему поковки. При этом поверхность поковки турбинной лопатки охлаждаются до Т и 800°. Термомеханические характеристики материала распределяются в заготовке в зависимости от распределения температурного поля. Поле температур в поковке строится на основании решения задачи нестационарной теплопроводности с граничными условиями 3 рода.

Коэффициент теплоотдачи при охлаждении поковки в нижнем штампе без на-

Вг

грузки принимался равньм h = 1000—--; при охлаждении поковки в штампе во

м град

Вт

время рабочего хода (под нагрузкой) - h = 8000—г-. Эти значения коэффициен-

м град

тов теплоотдачи получены последовательным подбором и решением задачи теплопроводности до достижения температуры поверхности поковки, известной из эксперимента. Переход от температуры, известной на момент окончания рабочего хода, к значениям коэффициента теплоотдачи необходим для построения полей температур для нескольких моментов времени, соответствующих этапам решения задачи термо-упругопластичности.

В данном расчете процесс калибровки с общим обжатием ДЬ = 0,3мм прослеживался за 6 этапов с обжатием на каждом из них ДЬ = 0,05мм. Каждому из 6 этапов нагружения соответствовали поля температур в моменты времени, отсчитанные от момента укладки поковки в нижний штамп.

Распределение температур характеризуется высокой неравномерностью как в пределах каждого сечения, так и в различных сечениях вдоль пера лопатки. В массивных сечениях (близких к замковой части) основная часть металла сохраняет исходную температуру Т = 1100°; пониженную температуру имеет лишь тонкий поверхностный слой, пределах 1-1,5 мм.

Напряженно-деформированное состояние металла поковок в неизотермических условиях калибровки.

Неравномерное температурное поле вносит определенные коррективы в распределение напряжений по объему поковки, показанные на рис. 10. Влияние неравномерного поля температур проявляется через два основных фактора:

- во-первых, изменение термомеханических свойств материала в зависимости от температуры в точке;

- во-вторых, свободные объемные температурные деформации, приводящие к формированию растягивающих напряжений в остывающих поверхностных слоях.

Рис. 10. Эпюры контактных напряжений по сечениям пера лопатки с учетом температурных полей. X - координата вдоль ширины лопатки; У - координата вдоль пера лопатки.

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

Поскольку наиболее интенсивно охлаждаются тонкие сечения, именно в них повышаются механические свойства. Если учесть, что в этих же тонких сечениях формировались высокие напряжения, обусловленные геометрическим фактором, влияние температурного фактора в данном случае суммируется с влиянием фактора геометрии. Общий уровень сжимающих напряжений, оказывается выше, чем при калибровке в изотермических условиях.

Для Y = 130мм эпюра контактных напряжений почти полностью совпадает с изображенной на рис. 10 для случая калибровки при Т = 1100° = const. Более того, за счет охлаждения поверхностных слоев и наведения в них растягивающих напряжений, пропорциональных а • ДТ (а - коэффициент линейного расширения), в массивной (средней) части сечения, сжимающие напряжения оказываются несколько ниже.

-Сг.МПа

По мере уменьшения высоты сечения (Y = 250, Y = 360мм) возрастает относительная деформация, уменьшается температура, что обусловливает более высокий уровень контактных напряжений, превышающих аналогичные значения для рассмотренных ранее изотермических условий. Понижение контактных напряжений в сечении Y = 432мм, более тонком, чем сечение Y = 360мм, объясняется концевым эффектом - расположением сечения у края поковки.

Исследование температурных полей в калибровочном штампе.

Температурные режимы работы верхней и нижней штамповых вставок, как было показано выше, несколько различаются. Верхний штамп соприкасается с поковкой только во время рабочего хода (0,2с); нижний штамп контактирует с поковкой до ее извлечения из ручья 1,2с. Все остальное время штампы охлаждаются на воздухе.

Построение полей температур в штамповых вставках выполняется аналогично тому, как это описано для полей температур в поковке. Для расчета использовались граничные условия 3 рода с теми же коэффициентами теплоотдачи на воздухе, во время рабочего хода для верхнего и нижнего штампов и во время нахождения в нижнем штампе без нагрузки. В качестве температуры окружающей среды задавалась Тю = 50° для охлаждения на воздухе и Т„= 1100° - во время нахождения поковки в штампе.

При ритме калибровки At-ЗОсек, примерно к десятому циклу происходит выход на установившийся температурный режим. При этом на поверхностях штампо-вой вставки, контактирующих со штамповым блоком, поддерживается практически постоянная температура 210°-220°; температура поверхности ручья изменяется в пределах 280° - 550°. Термический цикл работы, штампов в установившемся процессе показан на рис. 11.

тс

Рис. 11. Термические циклы работы верхнего и нижнего штампов - изменение температуры на гравюре штамповой вставки при ритме штамповки Д1 = ЗОсек.

Распределение температур по гравюрам штампов, в перовой зоне лопатки, близко к равномерному, за исключением краев штамповой полости - на стыке с неконтактными поверхностями. Градиенты температур имеются в углах полости, соответствующей замковой части лопатки.

Моделирование контактного взаимодействия системы заготовка - инструмент.

Решение задачи термоупругопластичности МКЭ для поковки и для штампов может быть выполнено только при условии задания граничных условий в перемещениях или напряжениях на поверхностях контакта. В анализируемом процессе горячей калибровки поковки эпюры контактных перемещений и контактных напряжений не могут быть заданы, т.к. они являются основными искомыми параметрами и подлежат определению в ходе решения контактной задачи - задачи о взаимодействии поковки, верхней и нижней штамповых вставок.

Математическая постановка контактной задачи формулируется следующим образом: при заданном перемещении верхнего штампа на поверхностях контакта поковки с инструментом вертикальные перемещения точек поверхности поковки и штампа должны быть одинаковы, а узловые силы - одинаковы по абсолютной величине и противоположны по направлению (для напряжений только одинаковые значения). Выполнение этих условий на обеих контактных поверхностях соответствует точному решению контактной задачи Герца.

При численном решении выполнение контактных условий возможно лишь с некоторой заданной (требуемой) точностью. Эта точность может быть достигнута методом последовательных приближений - путем поочередного численного решения задачи термоупругопластичности для поковки, верхней и нижней штамповых вставок - с постепенным уточнением граничных (контактных) условий для каждого из анализируемых тел.

На рис. 12 представлена схема расчета задачи контактного взаимодействия системы заготовка - инструмент.

При решении контактной задачи на каждом шаге моделирования задавались фиксированные перемещения угловых точек (узлов) на опорной поверхности штамповых вставок (иг/2).

Влияние воздействия штампового блока, стола пресса (для нижней вставки) и ползуна (для верхней вставки) на опорную поверхность вставок при нагружении задавались при помощи задания жесткости на поверхности соответствующих элементов.

Боковые поверхности вставок фиксируются в штамповом блоке при помощи клина, то есть на них также воздействует определенная жесткость.

Как показали предварительные исследования влияние этого параметра на прогиб штамповых вставок в вертикальном направлении незначителен по сравнению с опорной поверхностью. При моделировании горизонтальные перемещения боковых поверхностей в пределах их контакта со штамповым блоком задавались нулевыми.

Алгоритм поиска векторов перемещений {11} и напряжений аг выглядит следующим образом.

Методом конечных элементов решается задача формоизменения одного тела (поковки) при заданных граничных условиях в перемещениях {и}(0), обусловленных перемещением другого тела (штампа) как жесткой не-деформируемого тела. Результатом такого решения являются, в частности, приведенные напряжения по контуру области. Рассчитанные для сторон граничных элементов напряжения, являющиеся реакцией на перемещение штампа, могут быть использованы для расчета напряженно-деформированного состояния штампа в качестве граничных условий силового нагружения. Результатом решения методом конечных элементов задачи о штампе явля-Рис. 12 Схема расчета контактного взаи- ются= в частности, перемещения узлов модействия системы заготовка - инстру- контактной поверхности {и}шт. мент.

Если вычисленные перемещения узлов штампа {и}^ отличаются от перемещений соответствующих узлов поковки, необходимо сделать следующее приближение, задав в качестве граничных условий для расчета поковки

{и}(1,=р{и}Ш1+(1-р){и}^ Здесь р < 1 - итерационный параметр, подбираемый с целью ускорения сходимости итерационного процесса нахождения контактных перемещений.

Поскольку контактные напряжения передаются из решения задачи о поковке в качестве граничных условий для расчета напряженно-деформированного состояния штампа, итерационный процесс решения контактной задачи заканчивается по условию

|{и}<а,-{и}„|<8,

где {и}(п) - п-приближение вектора перемещений, задаваемого в качестве граничного условия при расчете поковки;

5 - требуемая точность сходимости итерационного процесса. В случае упругопластического взаимодействия трех тел (поковка и два штампа) равенство контактных напряжений и распределения перемещений контактирующих тел должно быть соблюдено во всех точках обеих контактных поверхностей. При численном решении контактной задачи с тремя телами поочередно решаются две контактные задачи взаимодействия поковки с верхним и нижним штампами.

.-Чг«

Следует иметь в виду, что при решении контактной задачи нас интересует только конечные деформации штамповых вставок на последнем этапе процесса калибровки. В этом случае, как показал анализ взаимодействия итерационных процессов на модельных задачах, целесообразно использовать следующий алгоритм.

При решении контактной задачи общее перемещение верхнего штампа ДН следует представить в виде последовательности малых перемещений ДЬ поочередно верхнего и нижнего штампов, где ДН = £[ДЬ|-суммарное обжатие поковки.

На каждом шаге моделирования, начиная с первого, определяется напряженно-деформированное состояние металла поковки. Полученные из решения контактные напряжения на гравюре затем задаются в качестве граничных условий при решении задачи нагружения верхней и нижней штамповых вставок. В результате расчета получаем распределение параметров напряженно-деформированного состояния в инструменте, перемещений гравюры штампов и ее новую геометрию. На следующем шаге моделирования течения металла поковки (¡+1) в качестве граничных условий задаются перемещения узлов на контактной поверхности, полученные из новой геометрии гравюры штампа на предыдущем шаге. При этом величина шага перемещения ДЬн-1 должна быть увеличена на величину максимального перемещения гравюры. Такая последовательность задания граничных условий в перемещениях позволяет поддерживать примерное равенство суммарных узловых сил по верхней и нижней контактной поверхностям. После достижения равенства ДН = ^|ДЬ| достаточно двух-трех итераций при ДЬ = 0, чтобы достичь приемлемой точности выполнения условий равновесия поковки, находящейся под действием усилий - реакций со стороны верхнего и нижнего штампов.

Полученное в результате решения контактной задачи распределение прогибов верхней и нижней штамповых вставок имеет весьма неравномерный характер и представляет собой куполообразную фигуру, у которой положение максимума прогиба соответствует приблизительно середине перовой части, а максимальная величина суммарного прогиба соизмерима с величиной обжатия.

Чтобы дать количественную оценку влияния упругих деформаций штампа на напряженно-деформированное состояние поковки, необходимо сопоставить эпюры контактных напряжений, полученные исходя из представления о жестком недефор-мируемом штампе и в результате решения задачи о взаимодействии поковки и штампа (контактной задачи); и в том, и в другом случае необходимо решить трехмерную задачу.

На рис. 13 и 14 показаны эпюры контактных напряжений для двух характерных сечений поковки У = 360мм и У = 130мм, полученные на стадии процесса ДЬ = 0,05мм из условий абсолютно жесткого и упруго деформирующегося штампа. Эпюры 1 и 2 получены из решения контактной задачи и относятся к первой и последней итерации.

Нетрудно было предвидеть, что учет упругих деформаций штампа в тонком сечении поковки (У = 360мм) с высокими контактными напряжениями должен привести к снижению общего уровня напряжений. Изменился также характер распреде-

ления напряжений по ширине сечения. В районе передней кромки лопатки положение и величина максимума напряжений практически не изменились. В центральной части сечения за счет общего прогиба штампа напряжения резко снизились. Ориентация поковки, общий прогиб штампа и неравномерное распределение напряжений привели в районе задней кромки к значительному снижению и смещению максимума напряжений в сторону облойной канавки.

-О..МП»

—1— 1 ! 1 1 | /г\ 1

ТХ;/и

/: V _ и м |/,

/1 ■ 1

- !Т^^т-Гг 1-

Рис. 13 Эпюры контактных напряжений

для сечения У = 360мм, 1 - жесткий Рис" 14. Эпюра контактных напряжений

штамп, 2 - упруго деформирующийся для сечения ¥ = 130мм' 1 " жесткии штамп штамп, 2 - упруго деформирующийся

штамп.

Таким образом, общий прогиб поверхности ручья штампа вносит существенные изменения не только в эпюру контактных напряжений, полученную из условия абсолютно жестких штампов, но и оказывает значительное влияние на конечную геометрию поковок после калибровки. Важно также отметить, что прогиб оказывает влияние на такой важный параметр, как равномерность припуска под механическую обработку, характеризующий геометрию поковок повышенной точности. Для обеспечения равномерности припуска необходимо вводить коррекцию гравюры калибровочного штампа, компенсирующую его прогиб.

Второй весьма важный вывод, следующий из решения контактной задачи, заключается в том, что равномерный припуск под калибровку не может быть получен на предыдущем переходе штамповки, без соответствующей коррекции гравюры штампа.

Таким образом, характеристики геометрии поковок после калибровки в значительной степени зависят от геометрии заготовки после первого перехода штамповки, главным образом от распределения и величины припуска под калибровку, то есть наблюдается явная наследственность процесса.

Исследование влияния первого перехода штамповки на величину припуска на калибровку поковок.

Для определения характеристик геометрии поковок после первого перехода штамповки с учетом прогиба штамповых вставок было проведено моделирование течения металла при формообразовании на первом переходе штамповки.

Как и при исследовании процесса калибровки при моделировании первого перехода штамповки решалась нестационарная задача термоупругопластичности с учетом условий нестационарного теплообмена заготовки с инструментом. Все основные характеристики процесса задавались аналогично описанным выше при мо-

делировании процесса калибровки. Коэффициент трения принимался равным |1=0,3, температура нагрева заготовки Т=1180°С. Процесс разбивался на 50 шагов деформирования, на начальных этапах АЬ=1 мм, на конечных этапах ЛЬ=0,2 мм. В связи с тем, что течение металла в перовой части полости штампа происходит в основном в поперечном направлении, за исключением замковой части и внешней торцевой части пера, для ускорения процесса моделирования расчеты производились для контрольных сечений перовой части при условии плоско-деформированного состояния £у=0. В процессе моделирования, по мере искажения сетки конечных элементов, производилась переразбивка сетки с последующей аппроксимацией параметров температурного поля и напряженно-деформированного состояния в металле. На рис. 15 представлены исходные (после переразбивки) и деформированные сетки конечных элементов для на различных стадиях процесса штамповки заготовки турбинной лопатки для сечения У=130мм. Следует отметить, что полученное распределение контактных напряжений при моделировании течения металла практически совпадало по характеру с распределением, представленным на рис. 5 для ДЬ=0,3 мм, и отличалось для различных сечений только по величине максимального значения.

На основании полученных распределений контактных напряжений по сечениям перовой части производилась их аппроксимация по поверхности контакта. В торцевых областях перовой и замковой части (облойная канавка) значения принимальсь равными пределу текучести при минимальной температуре штамповки.

Решение контактной задачи проводилось по аналогичной методике, описанной выше при моделировании калибровки. Коррекция геометрии гравюры штампа проводилась на каждом пятом шаге для первых 45 этапов, а затем на каждом шаге моделирования.

Рис. 15 Исходные и деформированные сетки конечных элементов на различных стадиях процесса штамповки заготовки турбинной лопатки для сечения У=130мм.

Полученное распределение прогибов гравюры штампов имеет куполообразный характер, с положением максимума приблизительно в центральной части пера. Мак-

симальный относительный прогиб гравюры Аита51= итях - ит|„ составляет для верхней вставки Аишах= 0,91 мм , для нижней Дитах=0,88 мм.

Следует отметить, что упругое пружинение заготовки после снятия нагрузки относительно ее толщины на порядок меньше и составляет сотые доли мм.

Моделирование контактного взаимодействия заготовки и штампового инструмента при калибровке с учетом неравномерного припуска на калибровку.

Полученная в результате моделирования геометрия поковки после первого перехода штамповки задавалась в качестве исходных данных при последующем моделировании процесса калибровки поковок (сетка КЭ). При моделировании процесса калибровки с переменной величиной припуска (под калибровку) в начальный момент контакт заготовки со штампом происходит в точке. Затем контактная поверхность постепенно увеличивается по длине и ширине до момента заполнения полости калибровочного штампа. Расчеты процесса горячей калибровки выполнены при коэффициенте трения ц=0,3.

На рис. 16 показано исходное и конечное положение верхнего и нижнего калибровочных штампов и конечноэлементной модели поковки турбинной лопатки для сечения У=360мм. В увеличенном масштабе показаны фрагменты поковки и штампов в районах выхода металла в облойную канавку.

Рис.16 Исходное и конечное положение поковки в калибровочном штампе сечения У=360мм.

На рис. 17 и 18 представлены распределения вертикальных напряжений и прогибы верхней вставки калибровочного штампа при неравномерном припуске под калибровку, полученные в результате моделирования.

Рис. 17 Эпюры контактных напряжений в верхней вставке

I

иъ мм

Рис. 18 Эпюра контактных перемещений верхним штампом по сечениям поковки.

3. Термические деформации заготовок при охлаждении после калибровки (коробление поковок).

Моделирование термомеханических процессов охлаждения поковки после калибровки предполагает совместное решение уравнений нестационарной теплопроводности и теории упруговязкопластических деформаций. Процесс прослеживается

во времени от момента снятия нагрузки после калибровки. Расчет полей температур и формоизменения выполнялся за 31 этап, охватывая промежуток времени 3 часа.

В связи с разными условиями охлаждения до рабочего хода, во время рабочего хода пресса и при охлаждении поковки на воздухе поле температур и его изменение во времени носят достаточно сложный характер.

Наиболее высокую температуру к концу рабочего хода сохраняют объемы металла массивных сечений (у = 130мм), близкие к замковой части; наиболее низкую температуру имеют тонкие кромки (входная и выходная) удаленных от замка сечений. Перепад температур по объему поковки к концу рабочего хода приближается к ДТ = 300°.

В связи с кратковременностью пребывания заготовки в штампах (Дт = 0,7 с) потери тепла невелики (охлаждается только тонкий поверхностный слой). Поэтому влияние термической усадки на этой стадии процесса не является определяющим или заметным на фоне формоизменения, вызываемого деформированием поковки.

Кинетика изменения прогиба в точке А (в самом тонком месте поковки) представлена на рис. 19. На этом же рисунке показано изменение температуры в той же точке Айв точке В, расположенной в центре замковой части и имеющей максимальную в объеме поковки температуру.

!А -в

и, мм

4 2 0 -2

-4

-Б 1пТ

Рис. 19 Изменение прогиба и температуры поковки при остывании

1 — минимальная температура поковки (в точке А);

2 - максимальная температура поковки (в точке В);

3 - перемещение и7 точки А.

Кинетика изменения прогиба продольной оси поковки определяется соотношением температур, распределенных вдоль длины, ширины и толщине поковки.

Структурные превращения в металле происходят в узком интервале температур и сопровождаются резким изменением объема. Поскольку причиной коробления поковки является неравномерное охлаждение и связанные с ним неравномерные

л

объемные температурные изменения, структурные превращения должны в какой-то степени отразиться на кинетике формоизменения при охлаждении поковки.

На рис. 20 показана типичная зависимость свободных объемных температурных изменений от температуры. Это - часть дилатограммы материала, соответствующая периоду охлаждения.

Расчет кинетики деформирования с учетом структурных превращений выполнен по той же схеме. До момента т = 100 с ни одна точка в объеме поковки не охладилась до точки М„, и эта часть графика, изображающего кинетику прогиба точки торцевого сечения поковки (рис. 21), повторяет соответствующую кривую из рис. 19.

200 160 120 80 40 О

Дф хЮ

Мк

- м, -1

ТС

200

400

600

800

1000

1200

Рис. 20 Часть дилатограммы материала поковки (аустенитно-мартенситная стальХ16Н5М4), соответствующая периоду охлаждения.

и2тах, мм

\\2

1 \\ 10 30 20 30 30 30 40 30 50

х, сек

га

Рис. 21 Изменение во времени величины максимального прогиба и™"* пера лопатки:

1 - расчет с учетом структурных превращений;

2 - расчет без учета структурных превращений.

В рассматриваемом технологическом процессе начало мартенситного превращения совершенно случайно совпадает по времени с моментом максимального прогиба пера лопатки вверх (и™3* =+6,92мм). Прогиб поковки вверх, вызван преиму-

щественным охлаждением и, следовательно, уменьшением ширины (размера вдоль оси X) тонкой торцевой части пера лопатки. Одновременно происходило увеличение кривизны профиля и разворот сечения (закрутка пера лопатки). Структурные превращения, начавшиеся в раньше всех остывшей торцевой части поковки, резко меняют механизм формоизменения. Торцевая часть, продолжая остывать, с момента времени т = 100с начинает уширяться, причем в очень значительной степени В остальной части поковки остывание вызывает деформации укорочения.

Помимо прогиба продольной оси поковки, структурные изменения в материале влияют на формоизменение в направлении оси X, вызывая изменение кривизны сечения лопатки и его разворот (закручивание).

Таким образом, учет структурных превращений, по данным приведенных исследований, практически не отразился на окончательных характеристиках формоизменения, что в основном связано с геометрией поковки лопатки.

Сравнение результатов моделирования процесса с экспериментальными данными.

Сравнение результатов моделирования технологического процесса изготовления поковки лопатки с натурными поковками проводился по характеристикам геометрии их перовых частей. Следует отметить, что сравнение проводилось для условий изготовления первой пробной партии поковок при запуске технологического процесса в производство. Этим объясняются значительные отклонения геометрии полученных поковок лопаток от номинальных размеров.

Измерения координат реальной поковки проводились на координатно измерительной машине фирмы Zeiss. Фактически производились измерения геометрии контрольных поперечных сечений перовой части поковки. По измеренным координатам реальной поковки и сетки КЭ модели после полного остывания были построены две геометрические модели (рис.22).

Затем с использованием системы геометрического моделирования обе модели совмещали в трех точках на выпуклой поверхности перовой части. При помощи горизонтальных Рис. 22 Геометрические модели плоскостей с фиксированной координатой вдоль

расчетной (1) и реальной (2) по- оси поковки обе модели Рассекались и доводилось сравнение координат контуров сечений.

ковок>

Результаты сравнения во- первых показали хорошее качественное совпадение распределений прогиба пера лопатки вдоль ее оси, высоты профиля в поперечных сечениях и угла закрутки пера вдоль оси. Максимальное отклонение толщины про-

гЖфЛк

тщл1

i

I

I

филя пера в области максимального прогиба штампов составило 0,2-0,25 мм, в области входной и выходной кромок 0,1-0,15 мм.

Сравнение величины прогиба вдоль оси и разворота поперечных сечений перовой части реальной и модельной поковок показали достаточно большие отклонения. После уточнения условий остывания поковок после калибровки и внесение необходимых изменений в граничных условия при моделировании были получены следующие результаты. Максимальное отклонение по прогибу поковок составило порядка 0,5-0,8 мм, по развороту поперечных сечений перовой части — 0,4-0,6 мм. Это связано в основном с достаточно грубой сеткой КЭ и неточностью задания граничных условий остывания поковки. В дальнейшем при стабилизации условий охлаждения поковок и более точной КЭ модели, точность моделирования этих параметров повысилась в 2-3 раза.

4.Разработка методики и алгоритмов проектирования переходов формообразования поковок для многопереходных процессов ГОШ.

В данном разделе проведен анализ последовательности необходимых этапов и процедур проектирования, применяемых при разработке технологических процессов горячей объемной штамповки, а также система показателей и параметров, позволяющих описывать эту последовательность с учетом альтернативных вариантов реализации технологии изготовления поковок.

Рассмотрим последовательность этапов проектирования технологического процесса ГОШ. Эта последовательность состоит из трех основных этапов:

1. проектирование геометрии поковки;

2. проектирование технологических операций процесса штамповки,

3. конструирование формообразующего инструмента.

Исходными данными для первого этапа проектирования является геометрическая модель детали и характеристики материала. На этом этапе реализуются следующие проектные процедуры:

- задание положения поковки в штампе,

- определение поверхности разъема штампов,

- назначение припусков и технологических напусков.

В результате проектирования получаем геометрическую модель поковки. Как правило, в современных трехмерных систем автоматизированного проектирования (3-D CAD- системы) перечисленные выше процедуры являются стандартными.

Наиболее важным этапом проектирования процессов, является второй- проектирование операций штамповки.

В качестве исходных данных для этого этапа проектирования используется геометрическая модель поковки в каком-либо стандартном формате, например STL.

Определение вида и последовательности переходов формообразования основывается на оценке показателей сложности, с точки зрения технологии штамповки, как поковки в целом, так и ее отдельных конструктивных элементов. Для проведения такого анализа необходимо создать геометрическую модель поковки с облоем и перемычками в отверстиях.

Далее на основе специальной системы анализа формы производится расчет эпюр площадей сечений поковки с облоем и ее характеристик, в частности коэффициента подкатки. На основании данного параметра определяется необходимость предварительного профилирования исходной заготовки перед штамповкой и производится выбор вида процесса профилирования (вальцовка заготовок, высадка, подкатка, формовка и т.д.), а также отделочных операций штамповки (обрезка облоя, пробивка перемычек, правка или калибровка поковок).

Для определения необходимых переходов штамповки применяется оценка показателей сложности отдельных конструктивных элементов поковки. Как правило, форму любой поковки можно представить в виде набора стандартных конструктивных элементов: «бобышек», «стержневых» элементов, ребер, вертикальных и горизонтальных выступов, кольцевых элементов, «вилок» и т.д. Положение этих элемен-I тов относительно оси или какой либо базы поковки, а также соотношения их габаритных и относительных размеров, определяет необходимый минимум операций и ^ их вид, позволяющий с высокой надежностью изготовить данный элемент методами ГОШ. Для такого анализа используется оригинальная специализированная система, позволяющая получать наборы сечений отдельных элементов вдоль или поперек их локальной оси. Оценка значений показателей сложности каждого элемента произво-^ дится по геометрии наиболее сложного контура из набора сечений. В зависимости от значений данного показателя и вида элемента, на основе данных, приведенных в справочной литературе по проектированию ГОШ, а также собственного опыта технолога, определяются необходимые переходы для формообразования этих элементов. Для этого удобнее всего воспользоваться преобразованием геометрии контуров сечений для каждого из необходимых операций. После этого, для создания геометрии соответствующего элемента на текущем переходе, на контура «натягивается» сетка, состоящая из граней многоугольной или треугольной формы. Элементы размещаются на своих позициях относительно оси или базы поковки, а затем, с исполь-^ зованием процедуры синтеза, создаются модели для каждого из переходов.

Этап конструирования формообразующего инструмента, включает следующие процедуры проектирования:

- проектирование геометрии ручьев штампов (гравюры для каждого из пере-> ходов) на основе геометрических моделей переходов штамповки, полученных на втором этапе,

- компоновка ручьев в штампе или во вставке,

- определение дополнительных элементов штамповых вставок (замков, выталкивателей и т.д.),

- компоновка вставок в штамповом блоке.

Необходимо иметь в виду, что приведенная выше методика позволяет получить во-первых, геометрию полости штампа для каждого из переходов и вариант геометрии исходной заготовки, во-вторых, только первое приближение варианта технологического процесса из множества возможных. Правильность выбора варианта технологии может быть проверена при помощи математического моделирования процесса течения металла при заполнении полости штампа на каждом их переходов

(

I

штамповки. Следует также отметить, что предлагаемая методика не позволяет полностью формализовать процесс проектирования и зависит от опыта технолога. Вместе с тем она позволяет всегда получить вариант технологического процесса, хотя возможно не наилучшего.

На рис. 23 и 24 представлены результаты проектирования варианта технологического процесса многопереходной штамповки поковки рычага передней подвески легкового автомобиля.

Предварительная штамповка

Рис. 23 Поковка рычага передней подвес- рис. 24 Вариант переходов штамповки ки, эпюра площадей сечений поковки с поковки рычага передней подвески облоем и переходы профилирования за- автомобиля, готовки на ковочных вальцах.

5. Проектирование технологических процессов многопереходной штамповки поковок повышенной точности с использованием компьютерного моделирования.

На рис. 25 представлена блок- схема алгоритма проектирования процессов штамповки поковок повышенной точности с использованием математического моделирования. Далее рассмотрим более подробно отдельные процедуры проектирования, указанные в алгоритме.

Рис.25 Блок-схема алгоритма проектирования процесса многопереходной штамповки использованием математического моделирования.

Методика проектирования переходов штамповки поковок повышенной точности.

В качестве исходных данных используется геометрическая модель поковки с назначенными припусками и технологическими напусками. Проектирование происходит в обратном порядке последовательности этапов технологического процесса. 1. Определение геометрии поковки после процесса калибровки ( перед охлаждением на воздухе).

Производится расчет размеров и геометрии поковки после нагрева в печи (так называемые «горячие» размеры). Затем моделируем температурные поля и термические деформации в заготовки в соответствии с этапами, описанными в разделах 2 и 3, то есть перенос заготовки от печи к прессу, контакт заготовки со штампом и охлаждение на воздухе. Деформирование заготовки в калибровочном штампе не моделируется. В результате получаем первое приближение геометрии заготовки после калибровки (рис. 26)

42

Рис. 26 Схема расчета первого приближения искомой геометрии заготовки. 1-исходная геометрия, 2- геометрия после моделирования.

Для получения второго приближения решаем обратную задачу. Для этого задаем распределение температур в исходной модели поковки, полученное в результате расчета при определении первого приближения, в обратном порядке по шагам времени, то есть от последнего к первому( аналог нагрева заготовки в условиях неравномерного температурного поля). Далее определяются термические деформации и новая геометрия поковки после нагрева в печи (рис.27).

77^

Щв

Рис. 27 Схема расчета второго приближения искомой геометрии заготовки. 1-исходная геометрия, 2- геометрия после моделирования.

На последующих итерациях с использование какого-либо итерационного метода (например метода деления отрезка пополам) определяются новые приближения геометрии «горячей» поковки и производится моделирование задачи охлаждения до достижения необходимой точности.

2. Определение геометрии поковки перед калибровкой (после последнего перехода штамповки).

В качестве исходных данных используется геометрия поковки, полученная в момент окончания процесса калибровки. На этом шаге проектирования должен быть назначен припуск для калибровки. Предлагается, для уменьшения неравномерности распределения деформаций в поковке при калибровке, задавать припуск переменным по ширине профиля пера, величина которого должна зависеть от высоты профиля.

3. Определение геометрии заготовки на промежуточных переходах штамповки.

4. Определение геометрии исходной заготовки.

Процедуры проектирования для 3 и 4 шага были описаны выше.

Проектирование геометрии штамповых вставок с учетом их деформаций при калибровке.

Для определения искомой геометрии штамповых вставок предлагается следующий трехшаговый алгоритм проектирования.

При расчетах принимается допущение, что штамповая вставка при нагружении деформируется только упруго. То есть решается задача термоупругости.

В качестве исходных данных задается модель штамповой вставки, геометрия гравюры которой определяется по размерам поковки после окончания процесса калибровки. Расчет температурного поля во вставке производится в соответствии с описанием в разделе 2. Далее производится моделирование напряженно- деформированного состояния в поковке при калибровке, в соответствии с описанной ранее методикой в условиях деформирования заготовки в жестких штампах. Полученное распределение контактных напряжений стк на последнем шаге процесса используется в дальнейшем в качестве граничных условий.

На первом шаге проектирования производится моделирование напряженно- деформированного состояния в штамповой вставке при калибровке. Схема задания граничных условий представлена слева на рисунке и соответствует условиям при решении задачи контактного взаимодействия заготовки и штампового инструмента.

Е (Х,у,2,Т)

м^ТП

Е (х,у,г,Т) О (Х,У,2,Т)

В результате моделирования получаем геометрию штамповой вставки под нагрузкой. На основании полученной новой геометрии опорной поверхности штамповой вставки производится коррекция исходной модели (сетки КЭ) штамповой вставки.

На втором этапе расчета для новой сетки конечных элементов производится новый расчет напряженно- деформированного состояния в штамповой вставке при калибровке. При этом величина жесткости на опорной поверхности и модуля упругости задаются на несколько порядков больше Е*= ЕЮ5 и с = с105. При заданных значениях жесткости и модуля упругости значения деформаций в штампе практически равны 0.

На третьем этапе производится моделирование разгрузки штамповой вставки, после снятия контактной нагрузки. Полученное на втором этапе распределение напряжений во вставке являются начальными условиями. Модуль упругости задается для материала вставки как и на первом этапе.

Полученная в результате моделирования разгрузки новая геометрия штамповой вставки является искомой геометрией, которая обеспечивает требуемую геометрию и точность поковки при калибровке.

Аналогично производится проектирование геометрии штамповых вставок для окончательной штамповки.

Описанная выше методика реализована и прошла опробование. Предлагаемые методики и алгоритмы проектирования технологических процессов не позволяют получить полностью готовое решение. Однако при их использовании, как показала практика за рубежом, можно в 2-3 раза сократить количество итераций при запуске технологии в производство.

Общие выводы по работе.

1. Разработана методика конструкторско-гехнологического проектирования многопереходных технологических процессов горячей объемной штамповки на базе трехмерного геометрического моделирования.

2. Формализован процесс проектирования технологических переходов ГОШ, разработаны и реализованы методики определения видов, последовательности и геометрии переходов штамповки для поковок пространственной формы, основанные на определении частных критериев сложности отдельных элементов поковок и генерировании геометрии элементов по переходам деформирования.

3. Разработана и реализована методика расчета (прогнозирования) конечной геометрии поковок, с учетом термического режима работы и упругопластических деформаций штампового инструмента, термомеханического режима остывания поковки после деформирования, фазовых и структурных превращений в металле поковки.

4. Решена задача контактного упругопластического взаимодействия поковки со штамповым инструментом при операции штамповки и калибровки, позволяющая определить влияние жесткостных, термических и др. параметров на геометрию поковок.

5. На основе математического моделирования термомеханических процессов, происходящих на всех стадиях технологического процесса формообразования, показана возможность прогнозирования точности получаемых изделий (поковок) и оценки значимости технологических параметров на показатели качества изделия.

6. Разработанные методики компьютерного моделирования, включающие геометрическое и математическое моделирование процессов ГПО, позволяют формализовать этапы конструкторско-технологического проектирования, произвести первичную оценку результатов разработки, повысить качество и сократить сроки подготовки и реализации процессов.

7. Разработанная методика математического моделирования позволяет определить напряженно-деформированное состояние системы заготовка - штамповый инструмент с учетом теплообмена и жесткостных характеристик оборудования, а

также термические деформации в заготовке при остывании. Полученные результаты позволяют прогнозировать геометрию получаемых поковок, определить значимость отдельных технологических параметров.

8. Создана база компьютерного конструкторско-технологического проектирования, включающая методику определения последовательности операций штамповки и геометрии штамповых переходов для пространственных поковок сложной формы на основе методов пространственного геометрического моделирования и определения частных критериев сложности конструктивных элементов поковок.

9. Разработаны и реализованы алгоритмы комплексного проектирования многопереходных процессов горячего пластического деформирования заготовок и изделий повышенной точности.

10. На базе разработанных методик геометрического моделирования создан ряд программных комплексов, используемых в системах поиска аналогов технологических процессов в базах данных, автоматизации систем управления качеством, визуализации систем измерений геометрии пространственных деталей и др.

Публикации.

1. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Разработка условий получения точных поковок сложной конфигурации на кривошипных горячештамповочных прессах. Сборник трудов конференции "Повышение эффективности кузнечно-штамповочного производства". Кишинев, 1977г.

2. Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Автоматизированная система оптимального выбора оборудования-для штамповки точных поковок сложной конфигурации. Сборник трудов конференции "Повышение эффективности кузнечно-штамповочного производства". Кишинев, 1977г.

3. Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Исследование возможности автоматизации участка штамповки заготовок турбинных лопаток. Сборник трудов конференции "Совершенствование кузнечно-штамповочного оборудования ударного действия", Москва 1978г

4. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Автоматизированная система подготовки и управления качеством процессов штамповки заготовок турбинных лопаток. Сборник трудов конференции "Научные основы автоматизации производственных процессов и управления качеством в машиностроении и приборостроении", Москва 1979г.

5. Völkner W., Aksenov L. Zolotov A. Ermittlung der Kontaktspannungen bei komplizierten Werkzeugen. Neue Hütte N6 1979

Богоявленский K.H., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Исследование деформаций при штамповке высоколегированных сталей и сплавов. Известия ВУЗов "Черная металлургия" N 7, 1981г.

6. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M., Мальчиков B.C. Повышение стойкости штампов для поковок энергетического машиностроения на основе прогнозирования характера их износа. «Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением». Сборник1 JlЬНАЯ1

БИБЛИОТЕКА 1 С Петербург *

ОЭ 100 «кт ( 33

7. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов А.М. Деформирование жаропрочных сплавов. Машиноведение N1 1982г.

8. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Проектирование штампов для горячего деформирования металла с учетом формы их износа. Сборник трудов конференции "Расчет и конструирование машин и механизмов"

Алма-Ата 1982г.

9. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Штамповка жаропрочных сплавов. НИИмаш, Москва 1983г.

10. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Расчет деформационных полей с использованием координатных функций. Известия Вузов "Черная металлургия" N 5, 1984г.

11. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Имитационное моделирование при проектировании процессов штамповки жаропрочных сплавов в энергомашино-стрении. Энергомашиностроение N 7,1984 г.

12. Золотов A.M. Масленников Б.А. Применение сплайн-функций при исследовании неоднородных полей деформаций. Сборник трудов конференции. "Роль инженерной графики машинного проектирования в подготовке специалистов для народного хозяйства", Л. ЛПИ 1984г.

13. Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Повышение качества поковок на основе диалога с ЭВМ при проектировании технологических процессов штамповки. Автомобильное производство N 11, 1984г.

14. Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Прогнозирование качества металла поковок в процессах объемной штамповки. "Ресурсосберегающая технология машиностроительного производства" Сборник трудов Л. ЛДНТП 1985г.

15. Волошинов Д.В. Золотов A.M. О пространственной композиции геометрических объектов при автоматизированном проектировании поверхностей деталей машин. "Автоматизация проектирования в машиностроении" Труды ЛПИ, Л., ЛПИ 1987г.

16. Аксенов Л.Б., Золотов A.M., Пегов А.Ю. Автоматизированное проектирование технологических процессов штамповки круглых в плане поковок. Уч. пособие Л. ЛПИ 1989г.

17. Золотов A.M., Шарапов Ю.М. Автоматизированное проектирование многопереходных процессов штамповки поковок типа тел вращения. Сборник трудов конфе- j ренции "Автоматизированное проектирование прогрессивных процессов ковки и горячей штамповки" Л. ЛДНТП 1989г.

18. Золотов A.M., Зуйков И.Л. Проектирование процессов горячей штамповки поковок повышенной точности. Сборник трудов конференции "Автоматизированное проектирование прогрессивных процессов ковки и горячей штамповки" Л. ЛДНТП, 1989г.

19. Гецов Л.Б., Голубов К.Б., Золотов A.M., Совершенствование технологии штамповки лопаток из жаропрочных сплавов. Судостроительная промышленность вып. 17 1989г.

20. Золотов А.М., Зуйков И.Л. Прогнозирование точности поковок с уменьшенными припусками при горячей штамповке. Сборник трудов конференции "Повышение качества изготовления изделий в машиностроении" Л., Политехник 1990г.

21. Аксенов Л.Б., Золотов A.M., Мальчиков B.C. Точная штамповка поковок энергетического машиностроения. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием, Л., Политехника 1991г.

22. Аксенов Л.Б., Золотов A.M., Мальчиков B.C. Проектирование процессов горячей штамповки с использованием математического моделирования. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием, Л., Политехника 1991г.

23. Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Штамповка поковок с повышенными механическими свойствами. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием, Л., Политехника 1991г.

24. Аксенов Л.Б., Вагин В.А., Золотов A.M., Мамутов B.C. Проектирование процессов и машин обработки давлением с использованием ЭВМ. Учебное пособие. С.П. ЛГТУ 1992г.

* 25. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Комплексная САПР многопереходных процессов горячей объемной штамповки. Сборник материалов конференции СПбГТУ, "Инова-ционные технологии" 1995 г. Y 26. Золотов А.М., Рыбин Ю.И. Комплексная система автоматизированного проектирования технологических процессов горячей объёмной штамповки. Сборник трудов Международной научно-технической российско-германской конференции " Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов" 1995 г. С.-Петербург..

27. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Комплексная система технологического проекшро-вания процессов горячей объемной штамповки. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ N463, 1996

28. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Напряженно-деформированное состояние прессового штампа при циклических нагружениях. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ №463,1996

29. Золотов A.M., Рыбин Ю.И., Лоскутов В.Н. Моделирование методом конечных элементов неустановившегося процесса прокатки толстого листа. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ №463, 1996

^ 30. Золотов А.М., Рыбин Ю.И., Кархин В.А. Моделирование работы сварной конструкции с учетом остаточных напряжений. В сб. Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в современном материаловедении" С.-Петербург 1997

31. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Моделирование пластического течения уплотняемых материалов. В сб. Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в современном материаловедении" С.-Петербург 1997

32. Золотов А.М., Рыбин Ю.И., Павлов H.H. Прогнозирование эксплуатационных характеристик изделий, изготавливаемых методами обработки давлением. Материалы научно- технической конференции 16-17 июня 1997 г. «Фундаментальные исследования в технических университетах» С.-Пб. СПбГТУ.

33. Золотов А.М., Рыбин Ю.И. Кинетика формоизменения поковки турбинной лопатки при остывании после калибровки. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ №473,1998

34. Золотов А.М., Рыбин Ю.И. Лю Мин Анализ напряженно-деформированного состояния поковки турбинной лопатки при горячей калибровке. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ №473, 1998

35. Золотов А.М., Рыбин Ю.И. Комплексная система проектирования многопереходных процессов пластического деформирования. В сб. Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в современном материаловедении». С.-Петербург 1999

36. Золотов А.М., Рыбин Ю.И., Елкин Н.М. Математическое моделирование как средство конструкторско-технологического проектирования В сб. Международная научно- техническая конференция «Высокие технологии в современном материаловедении». С.-Петербург 2001

37. Золотов А.М., Рыбин Ю.И. Кинетика формоизменения поковки после горячей калибровки. В сб. Международная научно- техническая конференция «Высокие технологии в современном материаловедении». С.-Петербург 2001

38. G. Hartke, А. Zolotov, Р. Wolter Kommunikation im Qualitätsmanagement. Fachzeitschrift „QZ Qualität und Zuverlässigkeit" 3/2001 Германия

39. Золотов A.M., Рудской А.И. Проектирование и прогнозирование качества процессов объемной штамповки на основе математического моделирования. В сб. трудов Юбилейной научно-технической конференции Академии инженерных наук РФ Северо-западное отделение. С.-П. СПбГТУ 2001

40. Золотов А.М. Основы проектирования технологии прецизионной многопереходной горячей пластичекой обработки с использованием компьютерного проектирования. Спб.: Изд-во СПбГПУ, 2002 ISBN 5-7422-0264-4

41. Агасьянц Г.А., Рыбин Ю.И. Золотов А.М. Математическое моделирование методом конечных элементов процессов продольной прокатки в неприводных валках. Металлообработка №3 (15)/2003г.

I 1

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 31.10 2003 _Тираж 100_

Объем в п.л. 2,25 Заказ № $52.

Отпечатано с готового оригинала-макета, предоставленного автором, в типографии издательства СПбГПУ 195220, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29

2-е>о?-А

'S J17

»1837?

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕГО ПЛА- 16 СТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ЗАГОТОВОК ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ И МЕТОДОВ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

1.1 Виды и особенности технологических процессов горячего пластиче- 16 ского деформирования для получения заготовок и изделий повышенной точности.

1.1.1. Горячее прессование профилей сложной формы.

1.1.2 Горячая прокатка профилей сложной формы.

1.1.3 Прецизионная штамповка в закрытых штампах. 23 1.1.4. Прецизионная штамповка в открытых штампах.

1.2 Анализ многопереходных технологических процессов штамповки 30 заготовок турбинных лопаток.

1.2.1. Характеристики геометрии и точности поковок заготовок турбин- 30 Щ ных лопаток.

1.2.2 Анализ факторов и параметров технологического процесса штам- 32 повки, влияющих на точность поковок турбинных лопаток.

1.3. Проектирование многопереходных процессов горячей объемной 43 штамповки.

1.3.1. Этапы проектирования технологического процесса многопере- 43 ходной горячей объемной штамповки.

1.3.2. Классификация поковок и выбор технологических процессов на 48 основе описания их топологии.

1.4 Применение систем автоматизированного проектирования при раз- 53 работке технологии ГОШ.

1.5 Системы математического моделирования процессов горячей объ- 65 емной пластической деформации.

1.5.1 Метод конечных элементов.

1.5.2 Системы моделирования технологических процессов ГПО с ис- 68 пользованием МКЭ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ И 90 КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАГОТОВКИ И ФОРМООБРАЗУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

2.1. Теория математического моделирования процессов обработки 90 металлов давлением.

2.1.1. Определяющие уравнения.

2.1.1.1. Теория пластического течения.

2.1.1.2. Деформационная теория пластичности.

2.1.2. Математическая постановка задачи теории малых упругих дефор- 95 маций.

2.1.3. Математическая постановка задачи пластического течения.

2.1.4. Моделирование граничных условий на контактной поверхности 99 2.1.5 Нестационарные задачи теории поля.

2.1.5.1. Соотношения, определяющие элементы

2.1.5.2. Конечно-разностное решение дифференциальных уравнений.

2.2. Постановка расчетной задачи многопереходной горячей объемной 109 штамповки заготовок турбинных лопаток.

2.2.1. Постановка задачи.

2.2.2 Математическая модель материала.

2.2.3 Проверка адекватности модели упруго-вязкопластического течения для расчета параметров НДС для процессов с малыми упругопла-стическими деформациями

2.3. Моделирование напряженно-деформированного состояния поковки 141 при горячей калибровке в условиях жестких штампов.

2.3.1. Анализ напряженно-деформированного состояния поковки при горячей калибровке в изотермических условиях.

2.3.2. Поле температур в поковке.

2.3.3. Напряженно-деформированное состояние металла в неизотерми- 151 ческих условиях калибровки.

2.4. Моделирование термоупругого нагружения штамповых вставок

2.4.1 Температурные поля в штамповых вставках.

2.4.2 Влияние жесткости упругого основания штамповых вставок. 161 2.4.3. Анализ напряженно-деформированного состояния штамповых 167 вставок.

2.5. Моделирование контактного взаимодействия системы заготовка - 176 инструмент.

2.5.1. Постановка и разработка алгоритма решения контактной задачи.

2.5.2. Анализ распределения напряжений и перемещений на поверхно- 190 сти контакта поковки и штампа.

2.6. Исследование влияния первого перехода штамповки на величину 199 недоштамповки (припуска на калибровку) заготовки турбинной лопатки.

2.6.1 .Моделирование процесса штамповки заготовок турбинных лопа- 199 ток на первом переходе.

2.6.2. Определение величины и распределения недоштамповки в поков- 216 ке лопатки после первого перехода штамповки.

2.7. Моделирование контактного взаимодействия заготовки и штампо- 219 вого инструмента при калибровке с учетом неравномерного припуска на калибровку.

3. ТЕРМИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ ЗАГОТОВОК ПОСЛЕ КАЛИБ- 227 РОВКИ ПРИ ОСТЫВАНИИ (КОРОБЛЕНИЕ ПОКОВОК). 3.1. Кинетика формоизменения при охлаждении поковки после горячей 227 калибровки на воздухе.

3.2. Влияние структурных превращений в металле на кинетику формо- 240 изменения при остывании поковки.

3.3. Сравнение результатов моделирования процесса с эксперименталь- 252 ными данными.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 260 ПЕРЕХОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОКОВОК ДЛЯ МНОГОПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ГОШ.

4.1. Функциональный анализ этапов проектирования технологического 260 процесса многопереходной горячей объемной штамповки.

4.1.1. Процедура проектирования геометрии поковки

4.2 Проектирование геометрии поковки.

4.3 Анализ процесса проектирования технологических операций штам- 269 повки.

4.3.1 Процедуры проектирования операций ГОШ.

4.3.2. Распознавание образа поковок по характеристикам их геометрии.

4.3.3. Проектирование операций штамповки поковок. 275 4.3.4 Определение вида и последовательности операций тсхнологиче- 276 ского процесса штамповки на основе частных критериев сложности поковок.

4.4. Проектирование штампового инструмента.

4.5. Методика проектирования технологических процессов ГОШ.

4.6 Примеры проектирования технологических переходов штамповки 294 поковок.

4.6.1 Проектирование переходов штамповки поковки поворотного кула- 294 ка.

4.6.2 Проектирование переходов штамповки поковки рычага подвески 301 автомобиля.

4.6.3 Проектирование переходов штамповки поковки фланца.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ MHO- 317 ГОПЕРЕХОДНОЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

5.1 Общий алгоритм проектирования технологических процессов с ис- 317 пользование математического моделирования.

5.2. Методика проектирования переходов штамповки поковок повы- 321 шенной точности.

5.2.1. Определение геометрии поковки после процесса калибровки (пе- 321 ред охлаждением на воздухе).

5.2.2. Определение геометрии поковки перед калибровкой ( после по- 323 следнего перехода штамповки).

5.3 Проектирование геометрии штамповых вставок с учетом их дефор- 324 маций при калибровке.

Процессы горячей пластической обработки (ГПО) относятся к широко и весьма успешно применяемым промышленным технологиям. Высокие механические свойства и другие эксплуатационные характеристики заготовок и готовых изделий при высоких показателях использования материала является отличительной чертой процессов ГПО в сравнении с другими технологическими процессами.

В настоящее время на фоне возрастающей конкуренции между производителями, как в промышленно развитых странах, так и в странах третьего мира, а также все более жестких требований потребителей к стоимости изделий и их качеству промышленные предприятия и научно-исследовательские организации уделяют повышенное внимание проблемам снижения расхода материала и энергии при их производстве. Это привело к созданию и широкому внедрению целого ряда новых технологических процессов горячей пластической обработки, позволяющих приблизить геометрию получаемых заготовок к геометрии готовых изделий и деталей, что в свою очередь позволяет значительно снизить объем и трудоемкость последующих этапов обработки, например механической обработки.

Идеальным вариантом являются технологические процессы получения заготовок и изделий повышенной точности, так называемые прецизионные процессы горячего деформирования. Изделия, получаемые с их помощью, имеют, как правило, частично или полностью готовые функциональные поверхности [1]. Так, например, при прецизионной штамповке заготовок зубчатых колес для автомобильной промышленности точность получения функциональных поверхностей детали соответствует IT 8-10 по сравнению с IT 10-16 для обычных процессов горячей штамповки.

Повышенные требования к точности и качеству изделий и деталей, получаемых методами прецизионного горячего деформирования, в свою очередь ведут к значительному повышению требований к технологическому процессу.

Для их реализации необходимы не только стандартные методы управления качеством в процессе производства, но и использование специальных методов на предварительных этапах (при проектировании процессов и подготовке производства), позволяющих обеспечить соблюдение высокого и воспроизводимого качества получаемых изделий.

Одной из особенностей систем управления качеством процессов горячей пластической обработки является то, что конкретные значения характеристик и показателей качества изделий могут быть определены только после полного их остывания, т. е. спустя некоторое время после окончания процесса, которое измеряется десятками минут. В связи с этим непосредственное реагирование на изменение выходных характеристик продукции или вообще не может быть реализовано или реализуется только частично. Поэтому весьма актуальной проблемой является создание моделей управления качеством процессов, например, на основе планирования экспериментов. Этот метод успешно применяется в большинстве систем управления качеством процессов горячей штамповки, особенно при изготовлении поковок повышенной точности (прецизионная штамповка). Вместе с тем, этот метод может быть эффективно реализован только в условиях серийного или массового производства.

При производстве деталей сложной формы в условиях мелкосерийного производства применение таких моделей приводит к значительному повышению стоимости продукции, так как количество необходимых для проведения экспериментов изделий соизмеримо с размерами выпускаемой партии. Это относится, в частности, к деталям энергетического машиностроения, например, турбинным лопаткам, изготавливаемым методами прецизионной штамповки.

Для уменьшения влияния или исключения возможности возникновения систематических погрешностей, которые главным образом возникают в процессе проектирования технологии и изготовления инструмента, используются специальные процедуры управления качеством, в частности FMEA (анализ причин (видов) и последствий отказов), "design review" (анализ проекта), планирования эксперимента. Широкое распространение при разработке технологических процессов за последние несколько лет получили методы математического моделирования, в частности с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

Данная работа посвящена решению ряда методических и прикладных проблем, связанных с применением систем автоматизированного проектирования и методов компьютерного моделирования при разработке многопереходных технологических процессов горячей пластической обработки высокоточных (с уменьшенными припусками) изделий сложной формы.

Актуальность работы. Процессы горячей пластической обработки (ГПО) относятся к широко и весьма успешно применяемым промышленным технологиям. Высокие механические свойства и другие эксплуатационные характеристики заготовок и готовых изделий при высоких показателях использования материала являются отличительной чертой процессов ГПО в сравнении с другими технологическими процессами.

Повышенные требования к точности и качеству изделий и деталей, получаемых методами точной и прецизионной ГПО, в частности горячей объемной штамповки (ГОШ), в свою очередь ведут к значительному повышению требований к технологическому процессу, как с точки зрения надежности результатов проектирования, так и при его промышленной реализации.

Эффективным методом решения этих проблем, весьма интенсивно развивающимся в последнее время, является использование систем автоматизированного проектирования и математического моделирования, в частности на базе метода конечных элементов (МКЭ).

Вместе с тем при проектировании многопереходных процессов ГПО для изготовления изделий повышенной точности, например, технологического процесса многопереходной штамповки заготовок турбинных лопаток, возникает целый ряд специфических проблем, связанных как с математическим моделированием процессов пластического деформирования металла, например, решение контактных задач системы заготовка -инструмент, моделирование тепловых деформаций при остывании заготовок, так и определением переходов формообразования при ГОШ, методики проектирования деформирующего инструмента и других.

В связи с этим разработка научных основ проектирования многопереходных процессов горячей пластической обработки, в частности, процессов горячей объемной штамповки (ГОШ), изделий повышенной точности с использованием компьютерного моделирования является весьма актуальной проблемой современного машиностроительного и металлургического производства.

Цель работы:

Решение актуальной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и состоящей в создании методики и алгоритмов компьютерного проектирования многопереходных технологических процессов получения изделий повышенной точности методами горячей объемной пластической обработки и оценки качества результатов проектирования, обеспечивающих повышение эффективности производства, качества изделий и надежности технологий.

Задачи исследования:

1. Анализ факторов, влияющих на характеристики точности готовых изделий и заготовок при горячем пластическом деформировании, создание методики проектирования.

2. Сравнительный анализ моделей материала для исследования процессов финишной пластической обработки, в частности калибровки поковок.

3. Определение термомеханических условий работы деформирующего инструмента при штамповке и калибровке.

4. Решение контактной задачи взаимодействия заготовки и штампа при штамповке и калибровке.

5. Анализ процесса коробления поковок (термомеханических и структурных деформаций) при остывании после деформирования.

6. Проверка адекватности (правомерности) результатов математического моделирования процессов калибровки.

7. Оценка значимости отдельных технологических параметров процесса калибровки.

8. Разработка методики управления параметрами технологического процесса штамповки и калибровки.

9. Анализ основных этапов разработки технологических процессов ГОШ и создание формальных алгоритмов проектирования процессов.

10.Разработка методики определения последовательности операций штамповки и геометрии штамповых переходов на основе методов трехмерного геометрического моделирования.

11.Разработка комплексного алгоритма проектирования многопереходных процессов горячего пластического деформирования заготовок и изделий повышенной точности.

Научная новизна.

1. На основе комплексного анализа технологических процессов сформулирован перечень основных параметров, определяющих точность готовых изделий и заготовок при горячем пластическом деформировании, обоснован выбор математической модели материала для моделирования финишных операций пластической обработки и термомеханических процессов охлаждения заготовок, дана оценка влияния структурных превращений на формоизменение после деформирования. По результатам проведенного анализа разработана и реализована методика прогнозирования характеристик точности получаемых изделий при многопереходных процессах пластической обработки.

2. Разработаны научные основы проектирования многопереходных технологических процессов горячей пластической обработки для изготовления высокоточных заготовок и изделий сложной формы с использованием систем компьютерного моделирования, реализованных на базе твердотельного трехмерного геометрического моделирования и МКЭ.

3. Формализован процесс проектирования технологических переходов ГОШ, разработаны и реализованы методики определения видов, последовательности и геометрии переходов штамповки для поковок пространственной формы, основанные на определении частных критериев сложности отдельных элементов поковок и генерировании геометрии этих элементов по переходам деформирования.

4. Разработана методика и алгоритмы решения задачи контактного взаимодействия при упруговязкопластическом течении металла заготовки и упругом деформировании двух штамповых вставок, с учетом податливости их опорных поверхностей.

5. На основе математического моделирования термомеханических процессов, происходящих на всех стадиях технологического процесса формообразования, показана возможность прогнозирования точности получаемых изделий (поковок) и оценки влияния технологических параметров на показатели качества изделий.

6. Сформулирован алгоритм построения замкнутой системы проектирования технологического процесса ГПО, включающий конструирование заготовки и формообразующего инструмента по переходам деформирования, моделирование процессов деформирования заготовки, работы инструмента и термомеханических процессов охлаждения заготовок, позволяющий прогнозировать точность и качество металла готовых изделий.

Практическая ценность.

1. Разработанные методики компьютерного моделирования, включающие геометрическое и математическое моделирование процессов ГПО, позволяют формализовать этапы конструкторско-технологического проектирования, произвести первичную оценку результатов разработки, повысить качество и сократить сроки подготовки и реализации процессов.

2. Разработанная методика математического моделирования позволяет определить напряженно-деформированное состояние системы заготовка -штамповыи инструмент с учетом теплообмена и жесткостных характеристик оборудования, а также термические деформации в заготовке при остывании. Полученные результаты позволяют прогнозировать геометрию получаемых поковок, определить значимость отдельных технологических параметров.

3. Разработана методика компьютерного конструкторско-технологического проектирования, включающая методику определения последовательности операций штамповки и геометрии штамповых переходов для пространственных поковок сложной формы на основе методов пространственного геометрического моделирования и определения частных критериев сложности конструктивных элементов поковок.

4. Разработаны и реализованы алгоритмы комплексного проектирования многопереходных процессов горячего пластического деформирования заготовок и изделий повышенной точности.

5. На базе разработанных методик геометрического моделирования создан ряд программных комплексов, используемых в системах поиска аналогов технологических процессов в базах данных, автоматизации систем управления качеством, визуализации систем измерений геометрии пространственных деталей и др.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на конференции СПбГТУ «Инновационные технологии» (1995г.), международной научно-технической конференции «Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов» (1995г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном металловедении» (1997г.), научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (1997 г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» (1999г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» (2001г.), Юбилейной научно-технической конференции Академии инженерных наук РФ Северо-западное отделение (2001г.)

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа в журналах и сборниках научных трудов, в виде докладов, тезисов докладов научно-технических конференций и одной монографии.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов по работе, изложена на 351 странице, включая 8 таблиц, 193 рисунка и список литературы из 152 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработана методика конструкторско-технологического проектирования многопереходных технологических процессов горячей объемной штамповки на базе трехмерного геометрического моделирования.

2. Формализован процесс проектирования технологических переходов ГОШ, разработаны и реализованы методики определения видов, последовательности и геометрии переходов штамповки для поковок пространственной формы, основанные на определении частных критериев сложности отдельных элементов поковок и генерировании геометрии элементов по переходам деформирования.

3. Разработана и реализована методика расчета (прогнозирования) конечной геометрии поковок, с учетом термического режима работы и упругопластических деформаций штампового инструмента, термомеханического режима остывания поковки после деформирования, фазовых и структурных превращений в металле поковки.

4. Решена задача контактного упругопластического взаимодействия поковки со штамповым инструментом при операции штамповки и калибровки, позволяющая определить влияние жесткостных, термических и др. параметров на геометрию поковок.

5. На основе математического моделирования термомеханических процессов, происходящих на всех стадиях технологического процесса формообразования, показана возможность прогнозирования точности получаемых изделий (поковок).

6. Разработанные методики компьютерного моделирования, включающие геометрическое и математическое моделирование процессов ГПО, позволяют формализовать этапы конструкторско-технологического проектирования, произвести первичную оценку результатов разработки, повысить качество и сократить сроки подготовки и реализации процессов.

7. Разработанная методика математического моделирования позволяет определить напряженно-деформированное состояние системы заготовка - штамповый инструмент с учетом теплообмена и жесткостных характеристик оборудования, а также термические деформации в заготовке при остывании. Полученные результаты позволяют прогнозировать геометрию получаемых поковок, определить значимость отдельных технологических параметров.

8. Создана (разработана) база компьютерного конструкторско-технологического проектирования, включающая методику определения последовательности операций штамповки и геометрии штамповых переходов для пространственных поковок сложной формы на основе методов пространственного геометрического моделирования и определения частных критериев сложности конструктивных элементов поковок.

9. Разработаны и реализованы алгоритмы комплексного проектирования многопереходных процессов горячего пластического деформирования заготовок и изделий повышенной точности.

Ю.На базе разработанных методик геометрического моделирования создан ряд программных комплексов, используемых в системах поиска аналогов технологических процессов в базах данных, автоматизации систем управления качеством, визуализации систем измерений геометрии пространственных деталей и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Изложенные выше результаты исследований процессов многоперходной ГПО, на примере процесса штамповки поковок турбинных лопаток повышенной точности, позволяют использовать разработанные алгоритмы и методики для анализа и проектирования других процессов ГПО. Они являются мощным и современным инструментом при проектировании технологических процессов горячего пластического деформирования.

Более широкое практическое применение разработанных методик проектирования сдерживается отсутствием экспериментальных данных по теплофизическим, структурным и термодеформационным характеристикам материалов.

Предлагаемые алгоритмы проектирования и моделирования процессов могут с успехом использоваться в коммерческих системах, описанных в первой главе.

Приведенные методики проектирования процессов штамповки поковок повышенной точности не позволяют, к сожалению, получить полностью готовый для практического использования результат. Однако, с их применением возможно значительное снижение трудоемкости (в 1.5-2 раза) отладки и запуска технологии в производство. Особенно эффективно ее применение для мелкосерийного производства поковок сложной геометрии.

1. Е. Doege, D. Besto, Н. Haferkamp, Н. К. ToenshofT Forschritte in der Werkzeugtechnik Schmieden- Blechumformung- Organisation. Verlag Meisenbach Bamberg, 1995

2. E. Doege, D. Besto, H. Haferkamp, H. K. Toenshoff Werkzeuge und Werkzeugsysteme der Metallbearbeitung. Universitaet Hannover, Shaker Verlag Aachen, 1998

3. Атрошенко А.П., Федоров В.И. Горячая штамповка труднодеформируемых материалов. -Л.: Машинострение, 1979. — 287 с.

4. Е. Doege u. a. Innovative Entwicklungen in der Umformtechnik Maschinen und Verfahren van ante zur Sicherung hoher Genauigkeit in verkurzten Prozessen. Umformtechnik an der Schwelle zum nachsten Jahrtausend. 16-Umformtechnisches Kolloquium, Hannover 1999

5. Аксенов JI.Б., Золотов A.M., Мальчиков B.C. Точная штамповка поковок энергетического машиностроения. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием, JI.: Политехника, 1991

6. Moderne Technologie der Fertigung von Turbinenschaufeln. Symposium Thyssen Engineering GmbH, Turbinenschaufelwerk- Leningrad 1988

7. Аксенов JI.Б., Золотов A.M. Автоматизированная система оптимального выбора оборудования для штамповки точных поковок сложной конфигурации. Сборник трудов конференции "Повышение эффективности кузнечно-штамповочного производства". Кишинев, 1977г.

8. Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Исследование возможности автоматизации участка штамповки заготовок турбинных лопаток. Сборник трудов конференции "Совершенствование кузнечно-штамповочного оборудования ударного действия", Москва 1978г.

9. П.Аксенов Л.Б., Богоявленский К.Н., Золотов A.M. Штамповка жаропрочных сплавов. НИИмаш, Москва, 1983

10. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Деформирование жаропрочных сплавов. Машиноведение N1 1982г.

11. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Проектирование штампов для горячего деформирования металла с учетом формы их износа. Сборник трудов конференции "Расчет и конструирование машин и механизмов" Алма-Ата 1982г.

12. Гсцов Л.Б., Голубов К.Б., Золотов A.M., Совершенствование технологии штамповки лопаток из жаропрочных сплавов. Судостроительная промышленность вып. 17 1989г.

13. Аксенов Л.Б., Золотов A.M., Мальчиков B.C. Точная штамповка поковок энергетического машиностроения. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием, Л., Политехника 1991г.

14. Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М. «Металлургия»,. 1969.

15. Ланская К. А. Высокохромистые жаропрочные стали. М., «Металлургия», 1976.

16. Никольский Л. А., Фиглин С. 3. и др. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов. М., «Машиностроение», 1975.

17. Дзугутов М. Я. Пластическая деформация высоколегированных сталей и сплавов. Изд. 2-е. М. «Металлургия», 1977.

18. Горелик С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М., «Металлургия», 1978.

19. Полухин П. И., Горелик С. С., Воронцов Б. К. Физические основы пластяческой деформации. М„ «Металлургия», 1982.

20. Гуляев А. П. Металловедение. М„ «Металлургия», 1978.

21. Клейманов В.Я., Сазонова Т.Н., Ар ж а к о в В. М. Ковка и горячая штамповка титановых сплавов. М., ЦНИИТЭИЛегпищемаш, 1971.

22. Вайнблат Ю. Л., Горелик С. С., Сагалов Т. Б. Физика металлов н металловедение, т. 32, 1971, вып. 4.

23. Напряжения н разрывы при обработке металлов давлением. М., «Металлургия», 1974.

24. Колмогоров В. J1. Напряжения, деформации, разрушение. М. «Металлургия», 1976.

25. Колмогоров В. JI. Некоторые актуальные задачи обработки металлов давлением. М., ВИЛС, 1979.

26. Малоокислительный и безокислительный нагрев сталей под штамповку в газовых печах и устройствах. М., НИЛТ, 1975.

27. Штамповка заготовок лопаток турбины ГТД РТМ1465—74. М., НИАТ, 1976.

28. Генерсон И. Г., Тихонов В. И. и др. Технологические особенности изготовления штамповаяных заготовок турбинных лопаток из сплава ЭИ893.—«Кузнечно-штамповочное производство», 1974, № 6.

29. Казаринов Б. Н. и др. Уменьшение разнозернистости в поковках турбинных дисков из сплава ЭИ437БУ-ВД. — «Кузнечно-штамповочное производство», 1971, № 7.

30. Атрошенко А. П. н др. Штамповка крупногабаритных лопаток из титановых сплавов. — "Кузнечно-штамповочное прггизводстно", 1974, № 1.

31. Авт. с вид. СССР № 617147. Михайлов В. Г., Костава А. А. и др. Способ получения изделий из труднодеформируемых материалов. — Б. И., 1977. №28.

32. Авт. свид. СССР № 489815. Павл.ов И. А. и др. Способ обработки малопластичных сплавов на основе никеля.—Б. И., 1975, № 40.

33. Авт. спид. СССР № 269686. Ливашов В. А. и др. Способ изготовления поковок.—Б.И. 1970, № 15.

34. Авт. свид. СССР № 461783. Тихонов В. И. и др. Штамп для предварительного формообразования заготовок турбинных лопаток. Б. И., 1975, №8.

35. Проектирование типовых технологических процессов высокоскоростной штамповки поковок (рекомендации). Воронеж, ЭНИКмаш, 1971.

36. Кайбышев О. А. Пластичность и сверхпластичность металлов. М., «Металлургия», 1975.

37. Смирнов О. М. и др. Деформация сплава ЖС6-КП в состоянии сверхпластичности как новый способ точной штамповки лопаток газотурбинных двигателей. "Научные труды МИСиС", 1975, № 81.

38. Авт. свид. СССР № 260382. Филин С. 3. и др. Способ изготовления лопаток.—Б. И., 1970, № 3.

39. Смирнов В.К. Вальцовка заготовок под штамповку. М., Машгиз, 1964.

40. Соколов H.JI. Горячая штамповка выдавливанием стальных деталей. М., Машиностроение, 1967.

41. Радюченко Ю.С. Ротационное обжатие. М., Машиностроение, 1972.

42. Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Прогнозирование качества металла поковок в процессах объемной штамповки. "Ресурсосберегающая технология машиностроительного производства" Сборник трудов JI. ЛДНТП 1985г.

43. Смирнов В.К., Литвинов К.И., Харитонин С.В. Горячая вальцовка заготовок. М.: Машиностроение, 1980.

44. G. Hartke, A. Zolotov, P. Wolter Kommunikation im Qualitatsmanagement. Fachzeitschrift ,,QZ Qualitat und Zuverlassigkeit" 3/2001 Германия

45. Брюханов A.H., Ребельский A.B. Горячая штамповка. Конструирование и расчет штампов. М.: МАШГИЗ, 1952

46. Головнев М.А., Атрошенко А.П. Оборудование и технология горячей штамповки. Л.: МАШГИЗ, 1962

47. Ковка и штамповка. Справочник. Под ред. Е. И. Семенова т.2. М.: Машиностроение, 1986

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

49. Тарновский И.Я., Вайсбурд Р.А., Еремеев Г.А. Автоматизация проектирования технологии горячей штамповки. — М.: Машиностроение, 1969

50. Аксенов Л.Б. Системное проектирование процессов штамповки. — Л.: Машиностроение, 1990

51. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Имитационное моделирование при проектировании процессов штамповки жаропрочных сплавов в энергомашинострснии. Энергомашиностроение N 7, 1984 г.

52. Золотов A.M., Зуйков И.Л. Проектирование процессов горячей штамповки поковок повышенной точности. Сборник трудов конференции "Автоматизированное проектирование прогрессивных процессов ковки и горячей штамповки" Л. ЛДНТП, 1989г.

53. Аксенов Л.Б., Золотов A.M., Пегов А.Ю. Автоматизированное проектирование технологических процессов штамповки круглых в плане поковок. Уч. пособие Л. ЛПИ 1989г.

54. Золотов A.M., Шарапов Ю.М. Автоматизированное проектирование многопереходных процессов штамповки поковок типа тел вращения. Сборник трудов конференции "Автоматизированное проектирование прогрессивных процессов ковки и горячей штамповки" Л. ЛДНТП 1989г.

55. Аксенов Л.Б., Вагин В.А., Золотов A.M., Мамутов B.C. Проектирование процессов и машин обработки давлением с использованием ЭВМ. Учебное пособие. С.П. ЛГТУ 1992г.

56. Н. Friedrich Schmiedeteilkonstruktion mit CAD/CAM. // Extra Schmiede Info, С AX in deutsche Schmieden Sonderdruck IDS 138 (1996)

57. W. Eversheim, R. Grassier CAD/CAM Technologie in der Schmiedeindustrie. . // Extra Schmiede Info, CAX in deutsche Schmieden Sonderdruck IDS 138 (1996)

58. R. Herbertz, J. Labs, R. Labs Zeit und Kostenkalkulation fur 3D CAD/CAM -Modelle im Werkzeug- und Formenbau. // Extra Schmiede Info, CAX in deutsche Schmieden Sonderdruck IDS 138 (1996)

59. R. Bieker Wirtschaftliche Bearbeitung aufgeschweiBter Schmiedegesenke: Erodieren oder Frasen? // Extra Schmiede Info, CAX in deutsche Schmieden Sonderdruck IDS 138 (1996)

60. R. Herberz, H. Heringhaus Digitalisierung und Flachenriickftihrung von 3D-Geomctrien im Werkzeugbau. // Extra Schmiede Info, CAX in deutsche Schmieden Sonderdruck IDS 138 (1996)

61. R. Herberz Aktiver Technologietransfer als Voraussetzung fur erfolgreiche Forschungs- und Entwicklungs- Projekte. // Extra Schmiede Info, CAX in deutsche Schmieden Sonderdruck IDS 138 (1996)

62. M. Muckelbauer, G. Klawitter Rechnerunterstiitzte Schmiedewerkzeug-konstruktion mit Pro/ENGINEER Schmiede Journal Marz 1999

63. Матвеев C.A., Мамутов B.C., Иванов K.M. Возможности конечно-элементного анализа при решении технологических задач обработки металлов давлением. //Металлообработка №1(13), 2003.

64. Михлин С.Г. Численная реализация вариационных методов. М.: Наука, 1966.

65. Поздеев А.А., Тарновский И.Я. О применении метода Ритца в теории обработки металлов давлением. //Известия ВУЗов. Черная металлургия, №10, 1962.

66. Хайкин Б.Е., Тарновский И.Я. К вопросу использования метода Ритца в вариационных задачах прокатки. //Труды У ПИ, №162. Свердловск, 1967.

67. Argiris I.H. Energy theorems and structural analysis Aircraft Engineering. //General theory, 1954, v.27/

68. ASKA Automatic System for Kinematic Analysis. User, S. Manuel //Research report №73. ISD, Stuttgart, 1971.

69. Araldson P.O., Holmsmark G., Rorem E.M. Analysis of oil tanker by SESAM-69. //Techn. University of Norway, Jan., 1971.

70. Розин JI.A. Расчет гидротехнических сооружений на ЭЦВМ. Метод конечных элементов. JL: Энергия, 1971.

71. Розин J1.A. Основы метода конечных элементов в теории упругости. Л, ЛПИ им. М.И. Калинина, 1972.

72. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. J1.: Судостроение, 1974.

73. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.

74. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. Справочник. Под общей редакцией В.И. Маченкова. М.: Машиностроение, 1989.

75. Корнеев В.Г., Схемы метода конечных элементов высоких порядков точности. JI.: ЛГУ, 1977.

76. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.

77. ДеклуЖ. Метод конечных элементов. М.: Мир, 1976.

78. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир, 1976

79. Ссгсрлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.

80. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.

81. Морозов Е.М., Никишов Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980.

82. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983.

83. Mori К., Osakada К. Simulation of Three-dimensional Deformation in Rolling by the Finite Element Method //International Journal of Mechanical Sciences, v.26 № 9-10, 1984.

84. FORGE 3 Werbung, Losung besonderer Problemstellungen in der Umformtechnik mit Hilfe der FEM- Simulation,- Umformtechnik an der Schwelle zum nachsten Jahrtausend. 16- Umformtechnisches Kolloquium, Hannover 1999

85. MARC/Autoforge Die ncue Version 2.3 Werbung, Schmiede Journal Marz 1999

86. E.Doege, A. Kroff, J. Dittman, Ch. Kaminsky Losung besonderer Problemstellungen in dcr Umformtechnik mit Hilfe der FEM- Simulation,-Umformtechnik an dcr Schwelle zum nachsten Jahrtausend. 16-Umformtechnisches Kolloquium, Hannover 1999

87. M. Muckelbauer, R. Bohm, T. Bertram Einsatz dcr Stofffluss- Simulation zur Optimierung von SchmiedeprozessesUmformtechnik ErschlieBung wirtschaftlicher und technologischer Potentiale, 17- Umformtechnisches Kolloquium, Hannover 2002

88. В. V. Mchta , 1. Al-Zkeri, J. S. Gmiasekera, A. Buijk, P. J. Mendoza Evaluadon of MSC.SuperForge for 3D Simulation of Streamlined and Shear Extrusion Dies //M.S. Thesis Ohio University, Athens, Ohio, USA

89. A. Buijk Application of The Finite Volume Method to Upset Forging of Cylinders, // Forging Fair 2000, April 13, 2000 Columbus Ohio

90. Slagter W, Florie C, Venis A; Advances in Three-Dimensional Forging Process Modelling. //Proceedings of the 15th National Conference on Manufacturing Research, pp73-78, 1999.

91. Slagter W., Florie C., Venis A Advances in Three Dimensional Forging Process Modeling. // Proceedings of the 15th National Conference on Manufacturing Research pp73-78, 1999

92. Slagter W. 3-D forging simulation using an Eulerian approach. //Proceedings of the 5th U.S. National Congress on Computational Mechanics, 1999

93. Buijk A. Application of The Finite Volume Method to Upset Forging of Cylinders. // Presented at the SME conference: FORGING Technology Solutions, 2002, Columbus Ohio

94. Ding P., de Vries E. Simulation of Academic Forging Problems by a Finite Volume Method. // 16th International Forging Congress, 2000

95. Mehta В., Al-Zkeri 1., Gunasekera J., Buijk A. 3D Flow Analysis inside Shear and Streamlined Extrusion Dies. // Asia Pacific Conference on Materials Processing (APCMP), 2000

96. Mehta В., Al-Zkeri I., Gunasekera J. Evaluation of MSC.SuperForge for 3D Simulation of Streamlined and Shear Extrusion Dies. // Automotive User's Conference MSC.Software Corporation - Detroit 2000

97. P. Ding* D.-Y. Ju, T. Inoue, E. de Vries Numerical Simulation of Forging and Subsequent Heat Treatment of a Rod by a Finite Volume Method //ACTA Mctallurgica Sinica (Englislih Letters) Vol. 13,No. l,pp270-280.February 2000

98. W. Slagter Forging Simulation Tool Based on Breakthrough Technology // 2 International Conference on Design and Production of Dies and Molds, 2001

99. H. C. Altmann, W. J. Slagter Quality of Simulation Packages for Flashless Hot Forging Operations /Simulation oF Materials Processing: Theory, Methods and Applications, Mori (ed.) © 2001 Swets & Zeitlinger; Lisse. ISBN 90 2651 822 6

100. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Моделирование пластического течения уплотняемых материалов. В сб. Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в современном материаловедении" С.-Петербург 1997

101. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986.

102. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1980.

103. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности. М.: Металлургия, 1987.

104. Хилл Р. Математическая теория пластичности / Пер. с англ. М.:ИИЛ, 1956.

105. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1973.

106. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. Киев: Наукова думка, 1976.

107. ИЗ. Великоиваненко Е.А., Махненко В.И. Вопросы расчета сварочных напряжений и деформаций с применением ЭЦВМ. //Физика и химия обработки материалов, №4, 1967.

108. Великоиваненко Е.А., Махненко В.И. Численное решение плоской задачи теории неизотермического пластического течения применительно к сварочному нагреву. //Физика и химия обработки материалов, №4, 1968.

109. Гатовский К.М. Разработка и совершенствование методов расчета деформаций и напряжений при сварке элементов судовых конструкций. Докт. дисс. Л.: ЛКИ, 1974.

110. Ортега Дж., Рейнболдт В. Итерационные методы решения нелинейных систем уравнений со многими неизвестными. М.: Мир, 1975.

111. Yamada Y., Yoshimura N., Socarai Т. Plastic stress-strain matrix and its application for the solution of elastic-plastic problems by the finite element method. // International Journal of Mechanical Sciences, v.10, 1984.

112. Рыбин Ю.И. Система математического моделирования термомеханических процессов. Докт. дисс. СПб.: СПбГТУ, 1999.

113. Zienkiewicz О.С. Numerical analysis of Forming Pronsses Swansa. J. Wiley and Sons, 1984, p. 1-44.

114. Рыбин Ю.И., Скорняков A.H., Стрелецкий B.B. Анализ поперечной осадки цилиндрической заготовки тремя бойками в условиях обобщенной плоской деформации. //Известия АН СССР. Металлы, №4, 1984.

115. Гун Г.Я., Лишний А.И., Садыхов О.Б. К реализации смешанных граничных условий на контактной поверхности при математическом моделировании процессов ОМД. //Известия ВУЗов, Черная металлургия, №7, 1988.

116. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Справочник. Под ред. Б.Е. Неймарка М.: Энергия, 1967

117. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1976 г. 488с.

118. Gese Н., BibaN. Simulation und Analyse von Gesenkschmicdenprozessen mit dem FE-Programm FORM-2D. Umformtechik, vol.29, 1995, №3, p. 176177.

119. Рыбин Ю.И. Математическая модель нсизотермического упруго-вязкопластического течения. Материалы международной научно-технической конференции «Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов» 3-4 июня 1999, С.-Петербург.

120. Hill R. Mathematical Theory of Plastisity. Claredon Press. Oxford, 1950.

121. Агасьянц Г.А., Рыбин Ю.И. Золотов A.M. Математическое моделирование методом конечных элементов процессов продольной прокатки в неприводных валках. Металлообработка №3 (15)/2003г.

122. Агасьянц Г.А. Исследование условий влияния упрочняющей прокатки на свойства пальцев из сталиЗО ХГСА// Сталь. 2002, №12

123. Штампы для горячего деформирования металлов. Под ред. М.А. Тылкина. Уч. пособие для вузов. М.6 Высшая школа, 1977

124. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Напряженно-деформированное состояние прессового штампа при циклических нагружениях. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ №463, 1996

125. Золотов A.M. Основы проектирования технологии прецизионной многопереходной горячей пластической обработки с использованием компьютерного проектирования. Спб.: Изд-во СПбГПУ, 2002 ISBN 57422-0264-4

126. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Лю Мин Анализ напряженно-деформированного состояния поковки турбинной лопатки при горячей калибровке. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ №473, 1998

127. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Напряженно-деформированное состояние прессового штампа при циклических нагружениях. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ №463, 1996

128. Volkner W., Aksenov L. Zolotov A. Ermittlung der Kontaktspannungen bei komplizierten Werkzeugen. Neue Hiitte N6 1979

129. Богоявленский K.H., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Исследование деформаций при штамповке высоколегированных сталей и сплавов. Известия ВУЗов "Черная металлургия" N 7, 1981г.

130. Богоявленский К.Н., Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Расчет деформационных полей с использованием координатных функций. Известия Вузов "Черная металлургия" N 5, 1984г.

131. Золотов A.M. Масленников Б.А. Применение сплайн-функций при исследовании неоднородных полей деформаций. Сборник трудов конференции. "Роль инженерной графики машинного проектирования в подготовке специалистов для народного хозяйства", Л. Л ПИ 1984г.

132. Золотов A.M., Рыбин Ю.И., Кархин В.А. Моделирование работы сварной конструкции с учетом остаточных напряжений. В сб. Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в современном материаловедении" С.-Петербург 1997

133. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Кинетика формоизменения поковки после горячей калибровки. Сборник Международная научно- техническая конференция «Высокие технологии в современном материаловедении» С.-Петербург 2001.

134. Золотов A.M., Зуйков И.Л. Прогнозирование точности поковок с уменьшенными припусками при горячей штамповке. Сборник трудов конференции "Повышение качества изготовления изделий в машиностроении" Л., Политехник 1990г.

135. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Комплексная система технологического проектирования процессов горячей объемной штамповки. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ №463, 1996

136. Ребельский А.В. Основы проектирования процессов горячей объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1965.

137. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Комплексная САПР многопереходных процессов горячей объемной штамповки. Сборник материалов конференции СПбГТУ, "Иновационные технологии" 1995 г.

138. Золотов A.M., Рыбин Ю.И. Комплексная система проектирования многопереходных процессов пластического деформирования. В сб. Международная научно- техническая конференция «Высокие технологии в современном материаловедении». С.-Петербург 1999

139. Аксенов Л.Б., Богоявленский К.Н. Современные методы проектирования процессов горячей объемной штамповки. Учебное пособие Л.-ЛПИ 1982г.

140. Аксенов Л.Б., Золотов A.M. Штамповка поковок с повышенными механическими свойствами. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием, Л., Политехника 1991г.

141. Волошинов Д.В. Золотов A.M. О пространственной композиции геометрических объектов при автоматизированном проектировании поверхностей деталей машин. "Автоматизация проектирования в машиностроении" Труды ЛПИ, Л., ЛПИ 1987г.

142. Аксенов Л.Б., Золотов A.M., Мальчиков B.C. Проектирование процессов горячей штамповки с использованием математического моделирования. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием, Л., Политехника 1991г.

143. Золотов A.M., Рыбин Ю.И., Елкин Н.М. Математическое моделирование как средство конструкторско-технологического проектирования В сб. Международная научно- техническая конференция «Высокие технологии в современном материаловедении». С.-Петербург 2001.