автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка процессов формообразования и проектирование инструмента для объемной штамповки и прессования изделий с заданными характеристиками на основе математического моделирования



о*

0 «я»

На правах рукописи

ЧУМАЧЕНКО Сергей Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ И ПРЕССОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ЗАДАННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.05 "Обработка металлов давлением"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва- 1998

Работа выполнена в проблемной научно-исследовательской лаборатории деформации сверхпластичных материалов Московского государственного института стали и сплавов (Технологического Университета).

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки РФ, член-корр. РАЕН, проф., д.т.н. Смирнов О.М. с.н.с., к.т.н., Цепин М.А.

Официальные оппоненты

проф., д.т.н. Романов К.И. с.н.с., к.т.н., Гук В.О.

Ведущее предприятие

АО НПО "Композит"

Зашита состоится " 1998 г. в IО часов

на заседании диссертационного совета К05^Ю8.02 в Московском Государственном институте стали и сплавов (Технологическом Университете), 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4, ауд. 436.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Автореферат разостлан

-Ю-

1998 года.

Ученый секретарь диссертациошюро-еовета кандидат технических наук-

Ионов С.М.

Актуальность проблемы. В настоящее время многие вопросы, связанные с проектированием прогрессивной техники и технологии металлообработки в условиях ограничений на добычу сырья и энергии, решаются с привлечением - энерго- и металлосберегающих малооперационных технологических процессов, основанных на высокоэффективных методах обработки металлов давлением (ОМД).

Экспериментальные исследования в этой области чрезвычайно дорогостоящи, требуют привлечения высококлассных специалистов и специальной техники и могут значительно повысить стоимость и замедлить разработку новых техпроцессов или усовершенствование существующих. Условия же рынка и конкуренции между предприятиями требуют расширения и удешевления выпускаемой номенклатуры изделий, оперативной возможности переналадки оборудования при переходе от штамповки одной поковки к штамповке другой и мобильной разработки новых техпроцессов.

В настоящее время все большее распространение получают материалы, имеющие высокую прочность при небольшой их плотности. Такими показателями обладают изделия из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, получаемых прессованием. Однако эти сплавы отличаются чрезвычайной чувст-виггельностью к условиям формоизменения и небольшим ресурсом пластичности, поэтому определение режимов их деформирования является важной задачей для возможности получения высококачественной продукции при сокра-щешга времени на разработку технологии ее получения.

Решение этих актуальных задач невозможно без создания соответствующей компьютерной системы проектирования ответственных элементов техпроцессов, основанной на математическом моделировании, методах и алгоритмах, позволяющих прогнозировать напряженное состояние деформируемого материала при обработке его давлением.

Цель работы. Разработка методики принятия технологических и конструкторских решений для процессов штамповки и прессования, направленных на получение заданного комплекса конечных характеристик изделий на основе создания вычислительных систем имитационного моделирования процессов ОМД применительно к расчетам напряженно-деформированного состояния (НДС) штамповои оснастки и анализу течения металла.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать математические модели, достаточно адекватно описывающие формоизменение металла при штамповке и прессовании, а также позволяющие оценить характеристики НДС в штамповом инструменте и оснастке.

2. Разработать алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее эффективно, в интерактивном режиме анализировать процессы штамповки и прессования, и на этой основе модернизировать существующие технологические процессы и разрабатывать новые.

3. Разработать на основе метода конечных элементов (МКЭ) вычислительную систему расчета НДС штампов и элементов кузнечно-прессового оборудования (КПО). Реализовать для нее интерактивный режим в среде того же математического и прикладного аппарата, что и для операций штамповки и прессования. Построить численные оценки устойчивости и сходимости предлагаемых алгоритмов решения.

4. Провести комплексное теоретическое и экспериментальное исследование с использованием созданных вычислительных систем технологических процессов штамповки и прессования на конкретном КПО с целыр выработки рекомендаций по совершенствованию этих технологических процессов, улучшению качества получаемых изделий, исключению дефектообразования.

5. Разработать концептуальные рекомендации по подходу к проектированию технологических процессов штамповки и прессования с использованием предлагаемого аппарата вычислительных систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели и алгоритмы решения задач формоизменения металла в процессах штамповки и прессования. Предложен алгоритм построения комплексного решения этих задач с учетом НДС штам-повой оснастки, основанный на едином подходе и использовании только базовых вычислительных систем программного комплекса БРЬЕЫ.

2. Впервые с использованием созданной вычислительной системы решена задача формоизменения плоской-шайбы с разворотом в кольцо, позволившая решить проблему комплексного использования дисковых отходов после штамповки "башенных" поковок под подшипниковые кольца.

3. Впервые с использованием специально созданной вычислительной системы теоретически обоснованы режимы прессования сплава АМгб, обеспечивающие требуемую однородность получаемых пресс-изделий по длине и по-

перечному сечению. Наличие таких режимов ранее было экспериментально обнаружено и качественно описано рядом отечественных и зарубежных авторов.

4. На основе решения упругой задачи проектирования штампового инструмента и легатей кузнечно-прессового оборудования выполнены оригинальные расчеты по разработке композитных конструкций, применяемых в самолетостроении, ракетной технике и в медицине.

Практическая полезность.

1. Разработанная модификация вычислительной системы SPLEN-K, предназначенная для расчетов НДС и оптимизации элементов штамповой оснастки, а также для анализа локально-однородных неодносвязных конструкций специального назначения, в настоящее время используется в учебном процессе на кафедре "Обработка металлов давлением" в Московском Государственном институте стали и сплавов, на кафедре МТ-10 «Машиностроительные технологии» научно учебного комплекса «Автоматизированные металлургические машины и агрегаты» Московского Государственного Технического Университета имени Н.Э.Баумана, на кафедре ММФМС Московского Государственного Института электроники и математики и в отделении ортопедии в Московском медицинском стоматологическом институте имени Н.А.Семашко.

2. Разработанные модификации вычислительных систем комплекса SPLEN, предназначенные для анализа технологических процессов штамповки и прессования, установлены и успешно эксплуатируются на ряде машиностроительных предприятий и других организаций. Это позволило значительно снизить проектный брак, сократить сроки проектирования новых изделий и процесса доведения их до промышленного изготовления. На Курском подшипниковом заводе применение новых вычислительных методов позволило разработать и внедрить принципиально новую ресурсосберегающую технологию штамповки подшипниковых колец.

Апробация работы. Материаты диссертации докладывались на международных конференциях по сверхпластичности (International Conference on Super-plasticity in Advanced Materals) 1CSAM-94, Москва, 1994 г. и 1CSAM-97, Бангалор, Индия, 1997 г.; на 50-ой научной конференции студентов и молодых ученых МГИСиС в 1996 г.; на IV международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные технологии", 1996 г.; на VI международной студен-

ческой школе-семинаре "Новые информационные технологии", 1998 г.

Публикации. По основному содержанию диссертации опу бликовано 12 работ*.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, $ глав и общих.выводов, изложена.на 193 страницах машинописного текста, включает 3 таблицы, 91 рисунок, 2 приложения, библиографический список из 96 наименований.

Основное содержание.

В первой главе выполнен краткий обзор существующих методов исследования НДС, возникающего в конструкциях штамповой оснастки и деформируемого объекта. Рассмотрено два основных способа моделирования элементов технологических процессов - экспериментальный и теоретический. Показано, что получение полной картины напряженного состояния в процессе деформирования невозможно без применения теоретических .методов исследования, основанных на современных методах механики сплошных сред, теории ОМД и вычислительных методах.

Наиболее распространенным вычислительным методом является МКЭ, широко применяемый для решения задач ОМД не только у нас в стране, но и за рубежом. Существует большое количество программных средств, реализующих те или иные элементы технологического процесса методом конечных элементов. Обзор существующих подходов к разработке пакетов программного обеспечения позволил выделить основные направления. В первую очередь это создание проблемно-ориентированных пакетов программ, целевого назначения. Основным их преимуществом является высокое быстродействие и невысокие требования к ресурсам ЭВМ, необходимым для выполнения расчетов, а также специально ориентированный сервис, который позволяет, не перегружая пакет дополнительными программными модулями, организовать подготовку данных и выдачу результатов в удобной и привычной для конструкторов и технологов форме. Вместе с тем проблемно-ориентированные пакеты обладают и рядом недостатков. Главный из них заключается в трудности использования этих пакетов в смежных областях инженерных расчетов ОМД.

Второе направление связано с созданием универсальных пакетов общего назначения, что обусловлено широким применением электронно-вычислительных машин (ЭВМ) в смежных отраслях, а также значительной стоимостью и трудоемкостью разработки программного обеспечения в условиях какого-то одного предприятия или организации. Это направление выгля-

дит более перспективным и экономически целесообразным, но реализованный здесь универсатьный сервис предъявляет повышенные требования к-ЭВМ в части быстродействия и требуемой оперативной памяти, а также к наличию соответствующих периферийных устройств, реализующих программные средства интерактивной и машинной графики. Наибольшее распространение такие пакеты получили в ведущих Европейских государствах (Англия, Франция, Германия) и, прежде всего, в США. •

С целью создания программного продукта, объединяющего преимущества первого и второго направления, в 1981 году Скороходовым А.Н. и Чума, ченко Е.Н, был разработан новый подход к созданию проблемно-ориентированных пакетов, состоящих из универсальных блоков и модулей. Это позволило создавать пакеты программ, которые не требуют больших вычислительных ресурсов ЭВМ и могут быть быстро адаптированы для различных конструкторских и технологических задач без существенных дополнительных затрат. Результатом данного направления стал программный комплекс БРЬЕМ, в котором реализован модульный подход к созданию вычислительных систем. В настоящее время многие отечественные и зарубежные исследователи пошли по этому пути, что подтверждает его актуальность и перспективность.

Проведенные в диссертации исследования, созданные вычислительные модули и полученные результаты направлены на дальнейшее развитие этого перспективного направления, связанного с разработкой новых математических моделей процессов, поддерживаемых программным комплексом БРЬЁМ, а также методик его использования для комплексного проектирования новых и усовершенствования существующих технологий обработки металлов давлением.

Вторая глава посвящена моделированию и расчету напряженно-деформированного состояния в элементах штамповой оснастки и конструкциях специального назначения. При расчете конструкций наиболее важными факторами являются: 1)ее жесткость и прочность; 2) отсутствие возникновения пластических деформаций при критических" нагрузках; 3) снижение металлоемкости изделия. В связи с этим задача расчета и оптимизации элементов ш гамповой оснастки и конструкции специального назначения ставится в упругой постановке с линейным пластическим упрочнением. При этом исследуется только начато возникновения зон пластической деформации.

Математическая постановка задачи сводится к известным уравнениям теошш упттости:

^Ofi rn

уравнение равновесия сплошной среды —ü- + pF = 0; • (1)

Av J

aXi

закон Гука 0 ¡j = 2 ц еи + (К - =■. р.) 6 5 у(2)

соотношения Коши

-I £ij_2

Su

+

dxj 5xj

(3)

где g,j , £у - компоненты тензора напряжений и деформаций, u, , iij - компоненты вектора перемещения частиц среды, 8,j-символ Кронекера, 0-относительное изменение объема, р-плотность материала, Fj- массовые силы, ц - константа Ламе, К - коэффициент объемного сжатия.

Совместно с граничными условиями в напряжениях, перемещениях или смешанного типа мы получаем классическую постановку задачи в перемещениях.

Решение системы уравнений осуществляется МКЭ. Для получения системы разрешающих уравнений относительно узловых перемещений используется принцип минимума полной энергии (принцип возможных изменений деформированного состояния). Один из способов реализации этого принципа состоит в задании произвольного (виртуального) перемещения и приравнивания внешней и внутренней работ, совершаемых' различными силами и напряжениями на этом перемещении. Линеаризация уравнений выполняется с помощью метода "упругих решений" Ильюшина A.A.

Разработанная вычислительная система SPLEN-K ориентирована на расчет плоско-напряженного, плоско-деформированного и осесимметричного состояния основных деталей КПО, штамповой оснастки и конструкции специального назначения.

Выполнена проверка сходимости и достоверности получаемых приближенных решений. Проведенный анализ показал, что получаемые результаты вполне приемлемы для подавляющего большинства инженерных и конструкторских расчетов.

При проектировании нового деформирующего оборудования, как правило, требуется всестороннее исследование характеристик НДС основных деталей и узлов главных приводов с целыо выбора их рациональных конструктивных параметров. Особое внимание уделяется при этом выбору рациональной конструкции корпусных деталей редукторов, которые являются одним из наиболее нагруженных элементов привода, и поэтому часто выходят из строя

из-за разрушения. На основании расчетов средней части корпуса редуктора было установлено, что при его изготовлении следует уделить особое внимание системе определения и фиксации усилия затяжки болтовых соединений, от качества которой во многом зависит работоспособность и долговечность редуктора. Внесенные предложения по усилению болтового соединения были в частности учтены при проектировании новой конструкции корпуса редуктора.

Широкое применение в промышленности, строительстве и в медицине получили композитные конструкции, состоящие из жесткого, прочного, часто металлического каркаса и значительно менее жесткого и, возможно, хрупкого . наполнителя. Такие конструкции сочетают в себе легкость, изящество и простоту получения сложных форм, свойственную наполнителю, и повышенные прочностные характеристики, обеспечиваемые специальным каркасом. В настоящее время композитные конструкции, обладающие достаточным запасом прочности при минимальных весовых и габаритных характеристиках, получают все большее распространение не только в традиционных областях применения, таких как аэрокосмическая промышленность н электроника, но и в областях, где применение композитных материалов не обуславливается жесткими физико-химическими требованиями и весовыми показателями. Имеются в виду проблемы дизайна и прочности строительных и металлургических конструкций, КПО, протезирования и т.д. На примере проектирования рациональных композитных металлокерамических конструкций с каркасом из сплава БиРЕЯРАЬ, содержащего редкоземельные металлы, показана эффективная возможность получать их рациональные формы при минимальном расходе дорогостоящего материала и сохранении необходимого запаса прочности всей конструкции. При этом приемы проектирования рациональных форм неоднородных конструкций представляют несомненный интерес для специалистов в области медицины, ортопедии, и строительной механики. Полученные результаты нашли применение при проектировании рационатьных форм зубных протезов.

Третья глава посвящена проектированию и анализу процессов осесим-метричной объемной штамповки, а также разработке ачгоритмов и программных средств построения комплексного решения этих задач с учетом НДС штамповой оснастки.

Система уравнений, описывающая в общем случае процесс горячего формоизменения металла без учета градиента температуры, сводится к еле-

дующим интегрально-дифференциальным уравнениям:

уравнение равновесия а^ j = 0; (4)

соотношения Навье ¿^ = (й^ + и (.)/2; - (5)

связь девиаторов скоростей деформаций и напряжений

Оу = 2ц-£в, где сто=сч-0-5ц, ст = стц-5у/3, (6)

^ = ¿„-¿•8,, ¿ = ёч-8,/3 = ё/3 ;

среда считается сжимаемой, шаровые части тензоров напряжений и деформаций связаны законом Гука

о = К-в = к{ёА=К

о

п-1

'п-1

= а' + К.Д1п-ёп> (7)

где а" = ДГ, -, ¿ц - компоненты тензора скорости деформации,

й, - скорость перемещения частиц среды, 0 - скорость изменения объема.

Система уравнений (4)-(7) с граничными условиями, заданными на поверхности деформируемого объекта в напряжениях, в скоростях или смешанного типа, образуют замкнутую систему уравнений механики сплошной среды в скоростях перемещений. Решение строится методом конечных элементов с применением соответствующих линейных приближений.

Разработанная модификация системы ЗРЬЕМ-Б ориентирована на расчет осесимметричной объемной штамповки и штамповки с разворотом.

' При проектировании технологических процессов представляет интерес информация о последовательном нагружении рабочей поверхности штампов в процессе заполнения их ручьев деформируемым металлом. Для решения такой задачи разработан механизм обмена файлами данных, позволяющий принять результаты расчета, получаемые пакетом БРЬЕМ-Б, за исходные данные для пакета БРЬЕЫ-К. Тогда при поэтапном совместном решении можно получить картину прогибов рабочих поверхностей штампов во время всего процесса . деформирования. При проектировании многопереходной штамповки диска для Казанского-Моторостроительного ПО основной задачей было не только . рассчитать исходную заготовку и определить форму гравюры штампов на каждом переходе, но и обеспечить требуемое качество верхней плоскости диска с целью минимизации ее дальнейшей мехобработки. Вследствие высоких давлений, возникающих на поверхности штампа при получении детали, необхо-

димо было найти батане между допустимой чечевидностью изделия (отклонение от плоскостности) и массивностью штамповой оснастки. Анализ полученных результатов позволил сделать'вывод о возможности облегчения нижнего штампа первого перехода в области стенки и уменьшения толщины верхнего штампа на 0,8 мм при сохранении его технических характеристик и обеспечении величины отклонен™ от плоскостности в пределах 0,04 мм. Таким образом, в целом облегчены элементы штамповой оснастки из дорогостоящего сплава ЖС6 более чем в 1,2 раза при сохранении их прочности и жесткости.

Исследование влияния радиусов закругления на течение металла при штамповке поковок типа шестерни показало, что наличие недостаточных по величине внешних радиусов в месте стыка полотна и обода шестерни приводит к тому, что поток металла от ступицы устремляется к ободу шестерни и, встречая ограничивающее действие боковых стенок штампа, течет вверх, образуя во внутренней нижней части обода небольшую полость, а затем осаживается при продолжающемся интенсивном течении металла из ступичной части. Образующийся встречный поток металла приводит к складке (рис. 1,а). При увеличении внешних радиусов (рис. 1,в) металл растекается вдоль поверхности полости, образуя нормально выполненнуго тюковку.

50. 100. 150. 200. 250. -300. 350. б)

50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. В)

Рис. 1 Влияние наружных радиусов закругления и размеров штампов на дефектообразование в поковке

При этом даже незначительное изменение размеров конечной поковки, при неправильно выбранных радиусах закругления, может привести к образованию дефекта уже в другом месте (рис. 1,6).

При проектировании новой многопереходной технологии получения подшипниковых колец из "башенной" поковки перед технологами Вологодского подшипникового завода стояла задача оптимизации формы промежуточного штампа с целью получения окончательной поковки на последнем переходе без дефектов и заданной формы. Расчеты, выполненные вычислительной системой БРЬБЫ-Б для заготовки из прутка сплава ШХ15 при температуре Т=900 °С, позволили спроектировать форму штампов и поковок на каждом га переходов (рис. 2).

5 10. 15 10, 15. ». 55. 0. 3. 10. 15. 10. и. 50. 35.

а б

Рис. 2 Рассчитанные переходы штамповки Рис. 3 Фрагмент дефектно-башенной поковки 30306.01 -256907АБ.02 го (а) и нормального (б) за-а) осадка б) второй переход в) третий переход полнения полости штампа

Однако, при внедрении в производство на автоматической, поточно-механизированной линии Л-309, штамповка этих "башенных" поковок привела к браку. В результате было обнаружено, что при изготовлении штампов допущена ошибка. Внутренний радиус закругления на втором переходе был уменьшен с 10 мм до 5 мм, что, вообще говоря, соответствует общим рекомендациям теории ОМД. Компьютерное имитационное моделирование показало, что именно этот отход от рассчитанной конфигурации штампов на втором переходе и приводит к браку на третьем переходе (рис. 3). После переточки пуансона и увеличения радиуса закругления до 10 мм, промышленное освоение технологии получения "башенной" поковки 30306.01-256907АБ.02 не вызвало никаких затруднений.

На примере расчета другой "башенной" поковки, выполненного для

Курского подшипникового завода, показана методика подбора оптимальных форм штамповой оснастки при многопереходной штамповке. Рассчитана исходная заготовка, выбрано количество предварительных формообразующих переходов с учетом бездефектного заполнения гравюр штампов, необходимого уровня проработки структуры поковки и оценки силовых показателей процесса.

Повышение коэффициента использования металла (КИМ) всегда было актуально во всех отраслях промышленности. Особенно остро эта проблема стоит перед металлоемкими отраслями, такими как производство подшшши-ков. Здесь повышение КИМ только на 0,1 снижает себестоимость продукции не менее чем на 10%, а средний КИМ по отрасли равен 0,2-й),25 при механической обработке прутка, 0,4+0,55 при изготовлении из трубы и 0,3+0,50 при

г

штамповке. Понятно, что КИМ существенным образом зависит как от вида применяемой заготовки (труба, пруток), так и от способа получения конечного продукта (штамповка, токарная обработка).

На Курском подшипниковом заводе, в целях повышения КИМ при изготовлении подшипниковых колец, внедрена комплексная технология использования горячекатаного прутка. Суть ее заключается в следующем. Из горячекатаного прутка, после рубки, на кузнечной автоматизированной линии Л-309 штампуется так называемая "башенная" поковка одновременно для двух колец подшипника, наружного и внутреннего. При этом образуется отход в виде диска, так называемая "выдра" и концевой отход. Их вес зависит от размеров поковок подшипниковых колец. Ранее дисковый и концевой отход шел в металлолом и на переплавку. По новой технологии отход используется для повторного изготовления колец. Технология переработки дискового отхода включает в себя его нагрев, осадку и вырубку кольцевой заготовки. Датее осуществляется специальная операция разворота кольцевой заготовки-шайбы в заготовку под радиальное"кольцо и изготовление заготовки кольца упорного подшипника. Концевой отход в свою очередь перерабатывается по технологии переработки «выдры» в поковку радиапьного кольца

Общие преимущества приведенной технологии очевидны. Трудности при ее реализации связаны в основном только с одной операцией - операцией штамповки с разворотом заготовки типа шайбы в кольцевую поковку подшипника. При неправильно выбранном размере шайбы и профиле штамповой оснастки, штамповка с разворотом приводит либо к неустранимому браку в виде больших внутренних утяжин в верхней части кольца и даже срезу части

металла, либо к высокому заусенцу, обработка которого требует дополнительной операции, которая усложняет и заметно замедляет процесс изготовления подшипниковых колец. В последнем случае высокий заусенец часто сопровождается недопустимой утяжкой нижней части кольца.

Экспериментальным подбором решение этих проблем крайне затруднительно и, как показала практика, этот дорогостоящий процесс может и не дать положительных результатов. Разумной альтернативой является математическое моделирование с последующей компьютерной реализацией.

Проектирование рабочих поверхностей штампов и размеров кольцевых заготовок, выполненных с помощью вычислительной системы 5Р[_ЕМ-8(У), позволило внедрить описанную выше технологию. На дату расчета стоимость одной тонны трубных заготовок из ШХ15 равнялась 7,250 млн.руб., а соответствующей тонны металлолома, образованной дисковым отходом - 0,35 млн.руб. Общая эффективность по затратам на основные материалы при внедрении следующих типов колец: 202.01, 203.01, 204.01, 205.01, 180902.0, 20803.01, 302.01, 206.01, 20703.01 в расчете на условное производство в 1000 штук, составляет 6,8 млн.руб. При этом, как показали расчеты, эффективность предлагаемого процесса в части КИМ можно еще заметно повысить. Это особо касается колец малого диаметра с толстой стенкой. На рис. 4 показано формоизменение кольца и его конечная форма, которая является оптимальной

СТРУКТУРНЫЕ линии

).15 го.и. 0. 5. 10.13 20.25. 0. 5. 10.(5.20.25. 0. 5. 10.15.20.25. О. 5. 10.1. ХОД ШТАМПА: I. Ч 20. % 50.'. 70.% 80.%

12! 14. 16.

Рис. 4 Поэтапное заполнение гравюры штампв при развороте шайбы постоянного сечения (И|, - чистовые размеры готового кольца)

для данного штампа и заготовки типа шайбы. В штампах с уменьшенными припусками из заготовки-шайбы переменного сечения была получена поковка, близкая к цилиндрической (рис. 5). В настоящее время на Курском подшипниковом заводе вдет освоение и этой технологии.

Рис. 5 Поэтапное заполните гравюры штампа при развороте шайбы переменного сечения (Я|, Я2 - чистовые размеры готового кольца)

В четвертой главе рассмотрены возможности управления распределением деформаций по объему пресс-изделия в процессе прессования.

Одной из основных причин несовершенства процессов прямого и обратного прессования является неравномерность истечения металла в канал матрицы из осевой и периферийной частей контейнера, что обуславливает широкий разброс свойств в конечном пресс-изделии. Возможность оценки и регулирования распределения деформаций по объему пресс-изделия является определяющим фактором управления его качеством.

- Реальной возможностью для получения равномерной структуры является разработка такого технологического процесса, который позволил бы управлять кинематикой истечения металла с целью уменьшения неравномерности распределения деформаций по объему прессуемой заготовки.

К таким процессам можно отнести способ скоростного прессования с активным действием сил трения (СПАТ). Активное воздействие на течение металла обеспечивается посредством опережающего движения контейнера относительно пресс-штемпеля, что позволяет повысить скорость перемещения

периферийных слоев заготовки и замедлить осевые слои. Исследования закономерностей течения металла при таком способе прессования подтвердило возможность получения пресс-изделий с одинаковой деформацией в поперечном сечении.

Для моделирования специфического контактного взаимодействия, возникающего на поверхности контакта контейнера и заготовки, использована формула, предложенная Левановым А.Н.:

в которой кп - константа поверхности; стГ1С - сопротивление деформации пограничного слоя ( =0,586 ст л;). При больших норматьных давлениях Р формула (8) асимптотически эквивалентна закону трения Зибеля, при малых Р - закону трения Амонтона.

Краевая задача, описывающая процесс прессования, относится к задаче с изменяющимися во времени границами. На первом этапе решения задачи известны только начальные условия на границе деформируемого тела. Граничные условия в момент времени =1; + Д^ определяются напряженно-деформированным состоянием заготовки в момент времени I; и могут быть найдены га решения задачи при 1 = 1,.

Полная граница тела Б может быть, разбита на три участка с различными типами граничных условий: За, Б*, 5си, где Б = 5а+ Б* + 5ац (рис. 6). На части поверхности 5,- действуют поверхностные силы Рп, на другой части поверхности Б * заданы смешанные граничные условия с учетом вектора скорости контейнера Ук, на участке Бпц заданы смешанные граничные условия контактного типа

(В)

V///,

- Рис. 6 Типы граничных условий на контуре пресс-изделия

При этом введенные критерии скольжения и прилипания граничных узлов сетки конечных элементов позволяют моделировать процесс течения металла и его взаимодействие с инструментом.

Реализация модели осуществлена на основе МКЭ в вычислительной системе SPLEN-S (PRESS).

Для проверки адекватности результатов, полученных при имитационном моделировании физических процессов, протекающих в пресс-изделии при его деформировании,, выполнены расчеты, позволившие сравнить прогнозы течения металла с известными экспериментальным данными (рис. 7). В серии опытов исследованы отличия процессов' прессования с различной направлен

Экспериментальные данные

Расчетные данные

Рис. 7 Характер течения сплава Амгб при прессовании в условиях активного действия сил трения (Но = 80 мм, Э0 = 50 мм): ^ = 1к =400°С, Хф =13.5, Упш = 2 мм/с, =1.55 а)-К„= 1.06; . б)-Ку= 1.15; в)-Ку = 1.41; г)-Ку=1.55;

ностью сил трения на контакте заготовки с контейнером. Рассмотрены случаи с обратным истечением металла и с активным действием сил трения. Показано влияние скоростного режима прессования на напряженно-деформированное

состояние прессуемого изделия и пресс-остатка в контейнере, соответствую>

щее экспериментальным данным (рис. 8). Изучено влияние формы контейнера на течение металла.

Анализ результатов моделирования позволил сделать предположение о существовании кинематического режима, обеспечивающего максимальную однородность получаемого пресс-изделия, и определил пути его поиска.

0.00 3.30 6 60 9.90 13.50 • 16.50 19 80 23.10 26.40 29.70 33.00

Рис. 8 Характер течения и распределение интенсивностей деформации при прессовании сплава АМгб (Н3 = 60 мм, Оэ= 50 мм, (1пр = 18 мм, Х-1.1) а) Ку = 1 б)Ку=1.25 в) Ку = 1.9 г)Ку = 3.5

Чтобы подобрать оптимальный, с точки зрения проработки структуры, режим для процесса прессования прутка из сплава АМгб с Но = Я0мм, В0= 50 мм в очко конической матрицы <1=18мм (К =7.7), а = 50° при температуре Т = 400 °С, были выполнены ряд расчетов с различными кинематическими характеристиками моделируемого процесса. Скорость пресс-штемпеля принималась постоянной и равной 2 мм/с, а скорость контейнера изменялась с целью получения однородной деформации в пресс-изделии. В результате проведенных исследований удалось обеспечить достаточно высокую степень однородности получаемого пресс-изделия. При этом величина неоднородности получена в пределах 5.5% в поперечном сечении и 4.8% в продольном. Приведенные результаты расчетов качественно согласуются с ранее выполненными Щербой В.Н. и Ефремовым Д.Б. экспериментальными исследованиями. Пятая глава посвящена обобщению изложенного материала и формированию комплексного подхода к проектированию технологических процессов объемной штамповки и расчетов элементов штампового инструмента, оснастки и оборудования с помощью вычислительных систем 8РЬЕЫ-К и 5РЬЕЫ-8. Возможность разработки такого подхода в первую очередь опирается на особенности реализации данных программных систем. Они обладают взаимосвязью не только по форме организации процедуры подготовки исходной информации, ее ввода, визуального контроля и интерактивного управления вычислительной процедурой, единого подхода в представлении результатов расчетов, но и на уровне согласования входной и выходной информации между системами.

Д сталь, ТУ и тип производства <-

Выбор способа формоизменения

осадка, штамповка

высадка

выдав ливание

прессование и др.

V

Разработка чертежа поковки

V

Выбор формы и размеров заготовки

V = V

* заготовки ' поковки

V

Назначение термомеханического режима деформирования, соответствующего выбранному - оборудованию

температура скорость штампа !<-предельные деформ. смазка и др._

6

Уточнение физ. свойств материала заготовки и инструмента

Изменение гравюры штампов

V

Расчет формоизменешм по переходам с помощью вычислительной системы БРЬЕЫ-Б

Достигнуто полное заполнение гравюры _штампов_

Выполнены критерии уровня проработки

~Жл

у

Расчет энергосиловых параметров процесса по переходам (БРЬЕЫ-Б) и их оптимизация.

Достигнуто равномерное распределение усилий на __каждом из переходов

Не превышены допустимые усилия

нет

©

<5 да й

Рис. 9 Блок-схема выполнения этапов технологической разработки процесса объемной штамповки, выполняемых с использованием систем БРЬЕЫ-К и БРЬЕЫ-З

Рис. 9 продолжение

За основу предложенной методики была принята известная схема основных этапов технологической разработки, описанная в монографии Охри-менко Я.М. На рис. 9 представлена укрупненная блок-схема, отражающая взаимосвязи и определяющая основные контролируемые и задаваемые пара-метрй разработанной методики. Применение такого подхода для разработки новых и усовершенствования старых технологий показало, что, используя программные средства SPLEN и следуя предложенной методике варьирования соответствующих параметров процесса, можно в короткие сроки выполнить все основные этапы проектирования технологии и рассчитать режимы, обеспечивающие необходимый уровень свойств в конечном изделии. Основные результаты й выводы.

1. Разработана математическая модель и создана вычислительная система SPLEN-K, предназначенная для расчетов НДС иггамповой оснастки и конструкций специального назначения. Численно исследованы устойчивость и сходимость предложенного алгоритма решения.

2. Разработаны математические модели и алгоритмы решения задач формоизменения металла в процессах штамповки и прессования. Предложен алгоритм построения комплексного решения этих задач с учетом НДС иггамповой оснастки, основанный на едином подходе и использовании только базовых элементов вычислительного комплекса SPLEN.

3. Выполнены комплексные расчеты всех элементов технологии течения металла и НДС штампов го жаропрочного сплава на основе никеля ЖС6 при изготовлении дискового изделия из титанового сплава ВТ6. Анализ расчетов позволил составить технологию изотермической штамповки по переходам правильно выбрать заготовку, составить технологическую карту, решить вопросы экономического характера. Из анализа НДС'штампов сделан вывод о возможности облегчения нижнего штампа первого перехода в области стенки. Это сократило расход дорогостоящего сплава ЖС6 на инструмент в 1.2 раза при сохранении его прочности и жесткости. Определены наилучшее место расположения выталкивателя в штампе и его размеры. Все рекомендации по данной технологии учтены при ее внедрении на Казанском моторостроительном ПО.

4. Впервые о использованием созданной математической модели и модернизировашюй системы SPLEN-S (PRESS) построены режимы прессования сплава АМгб, обеспечивающие требуемую однородность получаемых

пресс-изделий по длине и по поперечному сечению. Так при обратном прессовании прутка га АМгб с Н0 = 80 мм, 00 = 50 мм в очко конической матрицы <1= 18мм (А -1.1), а = 50° при температуре Т = 400°С максимальный перепад значений интенсивности деформации в поперечном сечении составил около 25%, а в основной годной части пресс-изделия около 50%. После разработки специального кинематического режима процесса прессования эти значения удалось снизить соответственно в поперечном сечении до 5.5%, а в продольном-до 4.8%.

5. Впервые с применением созданной вычислительной системы решена задача комплексного использования дисковых отходов после штамповки башенных поковок под подшипниковые кольца. Внедрение рассчитанных элементов технологии штамповки с выворотом позволило значительно снизить себестоимость продукции и увеличить коэффициент использования металла на отдельных типах подшипников до 0.65-0.7. В среднем себестоимость каждого подшипника, полученного в результате внедрения малоотходной технологии на Курском подшипниковом заводе, была снижена на 10%.

6. Анализ результатов расчетов, полученных с помощью вычислительной системы БРЬЩ-К, применительно к локально-однородным неодно-связным композитным конструкциям, позволил модернизировать несущие каркасы метатлокерачических зубных протезов. При этом экономия сплава БиРЕЯРАЬ, содержащего редкоземельные металлы, для сборных протезов на зри зуба достигала 35%, а для цельных 50%. Для "висящего" протеза экономия металла достигла 45%.

7. Разработанная модификация вычислительной системы БРЬЕЫ-К, предназначенная для расчетов НДС и оптимизации элементов штамповой оснастки, а также для анализа локально-однородных неодносвязйых конструкций специального назначения, в настоящее время'используется в учебном процессе на кафедре "Обработка метатлов давлением" в Московском Государственном институте стати и сплавов, па кафедре МТ-10 «Машиностроительные технологии» научно учебного комплекса «Автоматизированные металлургические машины и агрегаты» Московского Государственного Технического Университета имени Н.Э.Баумана, на кафедре Математического моделирования физико-механических систем Московского Государственного Института электроники и математики, в отделении ортопедии в Московском медицинском стоматологическом институте имени Н.А.Семашко.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Chumachenko E.N., Logachina I.V., Chumachenko S.E. Automatization of calculations when developing the technological regimes of the isothermic deforming ICSAM-94, Materials Science Forum, Vols.l70-172(1994), p.657-662

2. Чумаченко C.E. Расчет конструкций и узлов кузнечно-прессового оборудования с помощью пакета SPLEN-K //Тезисы 50-ой научной конференции студентов МИСиС. -М.: Изд-во МИСиС, 1996. с.69

3. Чумаченко С.Е. Элементы оптимизации проектирования изделий специального назначения //Тезисы IV международной студенческой школы-семинара: Новые информационные технологии. В 2-х томах. -М: МГИЭМ, 1996. 1 том. с.159-160

4. Чумаченко E.H., Смирнов О.М., Чумаченко С.Е. Оптимизация проектирования штамповой оснастки и ответственных узлов металлургических машин. В кн. "Теория и технология процессов пластической деформации". -М.: МГИСиС, 1997. с.377-380 -

5. Чумаченко E.H., Лебеденко И.Ю., Чумаченко С.Е., Козлов В.А. Математическое моделирование НДС металлокерамических конструкций зубных протезов. Вестник машиностроения, 1997, №10. с.12-18

6. Chumachenko E.N., Smirnov О.М., Chumachenko S.E. Stress-Strain State of a Blank in Superplastic Bulk Forming Under Mutual Influence of Material Rheology and Contact Friction. ICSAM-97, Materials Science Forum, Vols.243-245(1997), p.745-750

7. Чумаченко C.E., Арутюнов С.Д., Чумаченко E.H., Смирнов О.М. Проектирование рациональных форм несущих каркасов в металлокерамических конструкциях. Вестиик машиностроения, 1998, №1. с.7-9

8. Смирнов ОМ., Ершов А.Н., Чумаченко С.Е., КропотовВ.А. Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе осесимметричной штамповки осадкой с кручением. Кузнечно-штамповочное производство, 1998, №6. с.9-12.

9. Чумаченко E.H., Чумаченко С.Е. Математическое моделирование процесса прессования с активным действием сил трения, Вестник машиностроения, 1998, №8. с.15-17.

10. Чумаченко С.Е. Моделирование и анализ НДС при проектировании оптимальных режимов прессования //Тезисы VI международной студенческой школы-семинара: Новые информационные технологии. -М.: МГИЭМ, 1998. с.72-73

11. Чумаченко E.H., Троицкий В.П., Чумаченко С.Е. Автоматизированный расчет- тяжело нагруженных деталей и узлов металлургических машин и конструкций специального назначения. Учебное пособие. -М.: МГИСиС, 1998.-120с.

12. Чумаченко E.H., ЩербаВ.Н., Чумаченко С.Е., Суханова A.B. Применение имитационной компьютерной модели течения металла для расчета параметров прессования. Металлург, 1998, №10. с.31-33

£1: +

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ЧУМАЧЕНКО Сергей Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ И ПРЕССОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ЗАДАННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.05 - "Обработка металлов давлением"

Диссертация на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Заслуженный деятель науки РФ,

член-корр. РАЕН, профессор, д.т.н. О.М.Смирнов

Кандидат технических наук, с.н.с. М.А.Цепин

Москва - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................................................4

1. Основные направления развития программного обеспечения и организации пакетов МКЭ, предназначенных для расчетов и проектирования технологических процессов ОМД........................................................8

2. Моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния в элементах штампового инструмента оснастки и специальных конструкциях...................................................................................................21

2.1. Постановка задачи о деформировании твердого тела............................21

2.2 . Конечно-элементная аппроксимация задач расчета

элементов КПО...........................................................................................27

2.2.1 Дискретизация многосвязных областей............................................27

2.2.2 Основные уравнения МКЭ..................................................................42

2.3. Структура и функциональные возможности пакета SPLEN-K............56

2.4. Проверка точности и оценка сходимости алгоритмов решения...........67

2.5. Расчет корпуса редуктора..........................................................................72

2.6. Расчет и проектирование рациональных форм неоднородных неодносвязных металлокерамических конструкций..............................81

3. Проектирование и анализ процессов осесимметричной объемной штамповки........................................................................................................95

3.1. Постановка краевой задачи о формоизменении металла под действием давления...................................................................................95

3.2. Получение разрешающих уравнений МКЭ и алгоритм

построения решения...................................................................................98

3.3. Моделирование, анализ и решение технологических задач, возникающих при проектировании процессов штамповки.................111

3.3.1 Комплексный расчет формоизменения заготовки и конфигурации штампов для получения фрикционного

диска из титанового сплава ВТ6.......................................................111

3.3.2 Устранение дефектов течения металла при штамповке шестерен и расчет элементов многопереходной технологии получения подшипниковых колец...................................................118

3.3.3 Усовершенствование операций малоотходной технологии

получения подшипниковых колец из горячекатаного прутка на основе повторного использования дисковых отходов..............130

4. Моделирование и расчет рациональных режимов прессования труднодеформируемых алюминиевых сплавов с использованием активного действия сил трения....................................................................142

4.1. Возможности управления свойствами пресс-изделий при прессовании труднодеформируемых алюминиевых сплавов.....................142

4.2. Моделирование и оптимизация процессов СПАТ................................145

4.2.1 Условия трения на поверхности контакта заготовки и инструмента и их реализация...........................................................145

4.2.2 Моделирование СПАТ и сравнение построенных имитационных прогнозов течения металла с известными экспериментальными данными..............................................................................................152

4.2.3 Примеры расчета эффективных режимов СПАТ с точки зрения получения равномерного распределения деформаций

в пресс-изделии..................................................................................161

5. Методические рекомендации по использованию вычислительных систем SPLEN-K, SPLEN-S и их модификаций для проектирования технологических процессов объемной штамповки и расчетов элементов штампового инструмента, оснастки и оборудования.............167

5.1. Формализация задачи принятия решений при проектировании.........167

5.2. Функциональные возможности вычислительных систем программного комплекса SPLEN...........................................................171

5.3 Методика и особенности применения систем SPLEN-K и

SPLEN-S при проектировании технологий КШП.................................176

5.4. Практическое использование системы SPLEN-K в учебном

процессе.....................................................................................................182

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.....................................184

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................186

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................194

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время многие вопросы, связанные с проектированием прогрессивной техники и технологии металлообработки в условиях ограничений на добычу сырья и энергии, решаются с привлечением энерго- и ме-таллосберегающих малооперационных технологических процессов, основанных на высокоэффективных методах обработки металлов давлением (ОМД).

Экспериментальные исследования в этой области чрезвычайно дорогостоящи, требуют привлечения высококлассных специалистов и специальной техники и могут значительно повысить стоимость и замедлить разработку новых техпроцессов или усовершенствование существующих. Условия же рынка и конкуренции между предприятиями требуют расширения и удешевления выпускаемой номенклатуры изделий, оперативной возможности переналадки оборудования при переходе от штамповки одной поковки к штамповке другой и мобильной разработки новых техпроцессов.

В настоящее время все большее распространение получают материалы, имеющие высокую прочность при небольшой их плотности. Такими показателями обладают изделия из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, получаемых прессованием. Однако эти сплавы отличаются чрезвычайной чувствительностью к условиям формоизменения и небольшим ресурсом пластичности, поэтому определение режимов их деформирования является важной задачей для возможности получения высококачественной продукции при сокращении времени на разработку технологии ее получения.

Решение этих актуальных задач невозможно без создания соответствующей компьютерной системы проектирования ответственных элементов техпроцессов, основанной на математическом моделировании, методах и алгоритмах, позволяющих прогнозировать напряженное состояние деформируемого материала при обработке его давлением.

Целью работы является разработка методики принятия технологических и конструкторских решений для процессов штамповки и прессования, направленных на получение заданного комплекса конечных характеристик изделий, на основе создания вычислительных систем имитационного моделирования процессов ОМД применительно к расчетам напряженно-деформированного состояния (НДС) штамповой оснастки и анализу течения металла.

Анализ рассмотренных экспериментальных и теоретических методов моделирования элементов технологических процессов показал, что для получения полной и достоверной картины напряженно-деформированного состояния поковки в процессе формоизменения, расчета элементов штамповой оснастки и инструмента наиболее эффективным является метод конечных элементов. В работе обоснован выбор компоновки вычислительных систем с использованием объектных модулей универсального типа. Показано, что такие системы не требуют больших вычислительных ресурсов ЭВМ, могут быть быстро адаптированы для различных конструкторских и технологических задач без существенных дополнительных затрат, позволяют совместить основные достоинства как универсальных, так и проблемно-ориентированных пакетов. Результатом разработки и развития данного направления является вычислительный комплекс 8РЬЕ1чГ.

Разработана математическая модель упругопластического формоиз-

«

менения и создана вычислительная система 8РЬЕ1чГ-К, предназначенная для расчетов плоско-напряженного, плоско-деформированного и осесимметрич-ного НДС штамповой оснастки и специальных конструкций. Численно исследованы устойчивость и сходимость предложенного алгоритма решения. Реализованы алгоритмы разбиения неодносвязных областей на конечные элементы с последующей процедурой регуляризации построенной сетки и перенумерацией ее узлов с целью уменьшения размерности матрицы жесткости системы и ускорения расчетов. Разработанная система представления результатов расчетов позволяет конструктору, работающему с системой: 1) в наглядном виде представить рассчитанное НДС конструкции; 2) определить прогибы конструкции или поверхности штампа при заданных нагрузках; 3) определить концентраторы напряжений и оценить прочностные характеристики анализируемых конструкций; 4) оперативно изменить конструкцию с целью снижения (изменения) концентраторов напряжения, повышения работоспособности и жесткости, исключения или определения зон пластической деформации.

На основе построенной модели, выполнены расчеты по проверке надежности крепления корпуса редуктора. Осуществлен выбор рациональных форм композитных конструкций с каркасом из сплава, содержащего редко-

земельные металлы, с целью сокращения его расхода при сохранении необходимого уровня жесткости и прочности всей конструкции. Исследовано влияние различных вариантов приложения нагрузок к металлокерамической конструкции и установлено с достаточной степенью достоверности, в каком диапазоне и с каким запасом прочности она может выполнять свои основные функции. Найдены углы приложения нагрузки, предельные для данной конструкции, т.е. углы, при которых возникающее напряженное состояние является критическим и возможно разрушение.

Разработана математическая модель и алгоритмы решения задач формоизменения металла при ОМД в процессах объемной штамповки. Приведена методика выполнения комплексного проектирования технологических процессов штамповки и прессования на конкретном кузнечно-прессовом оборудовании (КПО) с использованием созданных вычислительных систем с целью выработки рекомендаций по совершенствованию этих технологических процессов, улучшению качества получаемых изделий и получению заданного комплекса их характеристик. Использование этой методики при разработке технологии получения диска из титанового сплава ВТ6 позволило не только спроектировать гравюры штампов, обеспечивающих бездефектное течение металла, но и дать рекомендации по конструкции штампового инструмента на основе анализа характеристик его НДС с учетом реальных нагрузок, возникающих в процессе формоизменения.

На примере расчета течения металла и формообразования "башенных" поковок разработана методика подбора оптимальных форм штамповой оснастки при многопереходной объемной штамповке. Впервые с использованием созданной вычислительной системы решена задача комплексного использования дисковых отходов после штамповки "башенных" поковок под подшипниковые кольца. Внедрение рассчитанных элементов технологии штамповки с выворотом позволило значительно снизить себестоимость продукции и увеличить коэффициент использования металла.

На базе вычислительного комплекса БРЬЕИ реализован алгоритм решения физически нелинейной задачи с заранее неизвестными границами и заданными на них специфическими граничными условиями, имитирующими активное действие сил трения. Для проверки адекватности результатов, по-

лученных при имитационном моделировании физических процессов, протекающих в пресс-изделии при его деформировании, выполнены расчеты, позволившие сравнить прогнозы течения металла с известными экспериментальными данными. Показано, соответствующее экспериментальным данным влияние скоростного режима деформирования на напряженно деформированное состояние прессуемого изделия и пресс-остатка в контейнере. Показано, что предложенный алгоритм построения прогноза НДС в изделии при активном прессовании может быть эффективно использован при разработке систем управления для получения изделий с заданным набором свойств.

Обобщение изложенного материала позволило сформировать комплексный подход к проектированию технологических процессов объемной штамповки и расчету элементов штампового инструмента, оснастки и оборудования с помощью разработанных вычислительных систем.

Работа выполнена в проблемной научно-исследовательской лаборатории деформации сверхпластичных материалов Московского государственного института стали и сплавов (Технологического Университета).

На защиту выносится:

1. Разработанные математические модели и алгоритмы решения задач формоизменения металла в процессах штамповки и прессования, а также методика построения комплексного решения этих задач с учетом НДС штам-повой оснастки, основанная на использовании базовых вычислительных систем программного комплекса 8РЬЕ1чГ.

2. Методика расчета формообразующих операций при многопереходной штамповке и формоизменении плоской шайбы с разворотом в кольцо.

3. Теоретически обоснованные режимы прессования сплава АМгб обеспечивающие требуемую однородность получаемых пресс-изделий по длине и поперечному сечению.

4. Решение упругой задачи проектирования штампового инструмента и деталей кузнечно-прессового оборудования и выполненные оригинальные расчеты по разработке композитных конструкций.

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИИ ПАКЕТОВ МКЭ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ РАСЧЕТОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОМД

Разработка технологий получения изделий давлением обычно связана с преодолением таких нежелательных локальных явлений как плохое заполнение полостей штампов, расслоение металла, быстрый износ отдельных участков поверхности инструмента и т.п. Решение задачи совершенствования существующих и разработки новых технологических процессов, а также проектирования и создания оптимальных конструкций кузнечно-прессового оборудования должно начинаться с исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в конструкциях штамповой оснастки и деформируемого объекта. Методы механики и обработки металлов давлением (ОМД) позволяют описать основные закономерности кинематики процесса с учетом скоростей, деформации, упрочнения, изменения температуры и других технологических параметров процесса. Математическое моделирование процессов формоизменения при ОМД базируется на теории напряженно-деформированного состояния и уравнениях, описывающих реологическое поведение сплошной среды. Существуют два основных способа моделирования элементов технологических процессов - теоретический и экспериментальный. Так как постановка любого эксперимента основана на определенных теоретических предпосылках, экспериментальные методы принято называть экспериментально-теоретическими. В этом случае искомые величины определяются либо непосредственно путем их измерения и наблюдения, либо после математической обработки первичных опытных данных. Наибольшее распространение для анализа работоспособности инструмента и оборудования получили метод электротензометрии и поляризационно-оптический метод. При анализе пластического формоизменения широко используются делительные сетки, муар, измерение твердости, оптически чувствительные покрытия и др. [1]. Однако для получения достоверной информации по той или иной величине целесообразно выбирать тот экспериментальный метод, который позволил бы непосредственно определять эту величину с целью уменьшения погрешности метода.

Кроме того, на выбор метода большое влияние оказывают условия проведения эксперимента. Так часть методов практически неприемлемлема для испытаний в производственных условиях, а необходимость специального оборудования ограничивает возможности использования других. Таким образом, применение экспериментально-теоретических методов исследования не только требует значительных затрат на проведение испытаний, но и не позволяет получить полный объем информации по исследуемому процессу.

Теоретические методы подразумевают исследование реальных процессов с помощью математических моделей. При этом построить и получить аналитическое решение такого процесса возможно лишь в исключительных случаях. Как правило, это удается только для простых областей и несложных моделей. В теории ОМД разработан ряд способов решения задач, которые используют различные упрощения и гипотезы о состоянии сплошной среды. Примером этому может служить метод "линий скольжения" [2], основанный на ряде гипотез. В частности, при построении сетки линий скольжения полагают, что тело может принимать только два состояния - абсолютно жесткое и пластическое.

Другим методом, дающих возможность получения приближенных решений, является метод "плоских сечений". При его исп