автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Система создания алгоритмов проектирования процессов обработки давлением и исследование условий образования дефектов при выдавливании

Введение.'.

1. Состояние вопросов диссертационного исследования. Постановка основных задач.

1.1. Процессы выдавливания и методы их исследования.

1.2. Обзор и сравнение современных систем моделирования и расчета напряженно-деформированного состояния в процессах обработки металлов давлением

1.3. Постановка основных задач диссертационного исследования.

2. Исследование условий образования утяжины в процессах прессования и закрытой прошивки.

2.1. Выдавливание в щелевую полость (плоское деформированное состояние).

2.2. Прессование (плоское деформированное состояние).

2.3. Обратное выдавливание (плоское деформированное состояние).

2.4. Закрытая прошивка (осесимметричное деформированное состояние).

2.5. Совмещенное прямое и обратное выдавливание (плоское деформированное состояние).

2.6. Анализ полученных теоретических решений.

2.7. Сравнение расчетных и экспериментальных данных

3. Система исследования деформированного состояния в процессах пластической обработки материалов

3.1. Основные компоненты системы.

3.2. Математическое ядро.

3.2.1. Структуры для представления, хранения и преобразования выражений.

3.2.1.1. Представление выражений в виде дерева.

3.2.1.2. Каноническая форма представления выражений.

3.2.2. Методы выполнения аналитических и численных операций над выражениями

3.2.2.1. Дифференцирование выражений

3.2.2.2. Интегрирование выражений.

3.2.2.3. Решение уравнений.

3.2.2.4. Упрощение выражений.

3.2.2.5. Вычисление значений выражений.

3.3. Схема работы системы.

3.4. Блок решения.

3.5. Представление исходных данных вариационной задачи. Пример решения задачи с использованием системы.

- 5

4. Решение задач при помощи системы исследования деформированного состояния в процессах пластической обработки материалов

4.1. Прессование

4.2. Обратное выдавливание.

Выводы.

В обработке металлов давлением вопросы получения качественных изделий всегда имели первостепенное значение. В практике инженерной деятельности на конкретных предприятиях эти вопросы в большинстве случаев решаются «методом проб и ошибок». Технолог, ведущий процесс, оказавшись перед фактом получения бракованного изделия, пытается найти объяснение и исправить ситуацию, меняя параметры заготовки, инструмента и термомеханических режимов.

В последние 20-30 лет вопросы прогнозирования качества изделий получили научно-обоснованный фундамент [4,37,40,52,57], а для их решения были созданы методы расчета запаса пластичности в любой области деформируемого тела [2,3,5,35,43,44,50,53, 64]. Эти методы позволяют в зависимости от материала, схемы процесса, термомеханических режимов и других факторов рассчитать напряженно-деформированное состояние и запас пластичности в любой точке обрабатываемого изделия и определить зоны появления внутренних или поверхностных разрывов (нарушений сплошности), что во многих случаях приводит к получению бракованной продукции, а в ряде случаев может быть полезным явлением, например при производстве труб.

Однако указанные работы не дают возможности описать причины и условия появления такого распространенного в объемной штамповке вида брака, как «зажимы», что связано лишь с особенностями кинематики течения металла при изготовлении изделий сложной формы.

Зажимы образуются в результате появляющейся в процессе деформации разницы в скоростях перемещений металла и инструмента на их границе и последующего образования складки, которая при последующей деформации не залечивается.

Известны работы, которые содержат большой экспериментальный материал по образованию утяжины при прессовании [6,25,55,72] и закрытой прошивке [22,32,33,51,72]. В некоторых довольно редких исследованиях даются расчеты этих явлений [6,25,33]. Однако таких работ явно недостаточно, чтобы прогнозировать появление зажимов в сложных процессах объемной штамповки, в которых имеют место элементы процессов прессования, закрытой прошивки и других разновидностей выдавливания.

Систематические теоретические исследования обсуждаемых вопросов проведены в [25]. Однако они касаются только плоской деформации и выполнены методом характеристик, что, во-первых, не позволяет распространить результаты на осесимметричное и объемное деформированные состояния, а, во-вторых, требует трудоемкого, не поддающегося автоматизации, построения сетки линий скольжения.

В ряде опубликованных нами работ [12-16] систематический подход к постановке и решению рассматриваемого класса задач основан на вариационных методах обработки металлов давлением [68]. Принципиальными основой и особенностью предложенного нами подхода является замена областей, где скорости течения незначительны, жесткими зонами, что позволяет описать имеющую место в реальных процессах разницу в скоростях перемещений металла и инструмента. Конечно, в разных процессах выдавливания описанный подход приводит к разным моделям течения металла, но все они имеют общую указанную выше принципиальную осно

- 8

При выполнении данной работы совершенно естественным образом возникла идея автоматизировать методику решения задач обработки металлов давлением вариационными методами.

В [68], а в дальнейшем и в многочисленных работах последователей методика эта успешно применялась и выдержала проверку временем. Однако создаваемые в настоящее время системы расчета и моделирования напряженно-деформированного состояния в пластически обрабатываемых материалах не используют указанной методики, а базируются в основном на методе конечных элементов.

Программная реализация вариационных методов обработки металлов давлением требует не только использования численных методов математики, но и выполнения различных аналитических операций (дифференцирование, интегрирование, решение уравнений и систем, упрощение алгебраических выражений). Поэтому система, реализующая указанную методику, будет численно-аналитической. В диссертации разработан экспериментальный вариант такой системы [54], а также техническое задание на разработку коммерческой версии данной системы.

Система позволит решать достаточно широкий класс плоских, осесимметричных, а позже, возможно, и объемных задач для различных моделей сред. Созданная на данный момент экспериментальная версия позволяет решать некоторый класс плоских задач, в который входят и задачи выдавливания, являющиеся предметом данного исследования, для жесткопластической и вязкопластиче-ской моделей сред.

Не отрицая чрезвычайно продуктивного для исследования различных процессов обработки металлов давлением подхода, основанного на методе конечных элементов, программная реализация численно-аналитического метода дает новый инструмент исследования, а также, что немаловажно, проектирования этих процессов. Преимущества и недостатки обоих подходов при создании и использовании соответствующих программных систем подробно проанализированы ниже в тексте диссертации.

Резюмируя обозначенные выше основные идеи, развернутые в последующем при изложении содержания диссертации, сформулируем здесь цель работы, ее научную новизну и практическую значимость, а также положения, выносимые на защиту.

Цель работы.

1. Исследование причин и условий образования утяжины и расчет ее формы в заключительной стадии различных процессов выдавливания, что позволит прогнозировать и предотвращать брак по зажимам и незаполнению полостей штампов.

2. Разработка программного продукта, позволяющего автоматизировать решение задач рассматриваемого в работе класса.

Научная новизна.

1. Предложены модели течения металла в ряде процессов выдавливания (прессование, закрытая прошивка и др.), позволяющие, с одной стороны, описать сложную кинематику при образовании утяжины в заключительной стадии указанных процессов, а с другой - получить сравнительно простые решения и закономерности определения основных параметров утяжины.

2. Для рассмотренных в работе процессов выдавливания получены аналитические зависимости, позволяющие определить момент начала образования утяжины и рассчитать ее контуры при последующем формоизменении.

Сформулированы принципиальные положения и предложена структура новой численно-аналитической системы расчета и исследования напряженно-деформированного состояния для проектирования процессов обработки металлов давлением, основанной на вариационных методах решения задач математической физики. )актическая значимость.

Разработана методика постановки и решения задач формоизменения при выдавливании, дающая возможность получить основные закономерности появления брака по зажимам и незаполнению в различных технологических процессах кузнечно-штамповочного производства.

Для ряда разновидностей выдавливания получены формулы для условий образования утяжины и ее формы, позволяющие при проектировании технологических процессов объемной штамповки прогнозировать появление брака по зажимам и незаполнению полостей штампа металлом. Разработана экспериментальная численно-аналитическая система расчета и исследования деформированного состояния для проектирования процессов обработки давлением, позволяющая при некоторых ограничениях решать класс задач пластического формоизменения. Система протестирована на задачах с известными решениями; с ее помощью также получен ряд новых решений.

Разработано техническое задание на создание численно-аналитической системы расчета и исследования напряжен

8. Результаты работы получают распространение в машиностроительной промышленности и используются при проектировании технологических процессов (см. приложения).

- 149

1. Аргирис Дж. Современные достижения в методах расчета конструкций с применением матриц. М.: Стройиздат, 1968. -241 с.

2. Богатов A.A. О разрушении металлов при обработке давлением // Кузнечно-штамповочное производство, 1997. №8. - С. 27.

3. Богатов A.A. Особенности реологического поведения и раз-ршения металла при монотонной и знакопеременной деформации // Пластическая деформация сталей и сплавов. М.: Изд-во МИСиС, 1996. - С. 90-98.

4. Богатов A.A., Мижирицкий О.П., Смирнов C.B. Ресурс пластичности металлов при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1984. - 144 с.

5. Богатов A.A., Смирнов C.B., Швейкин В.П., Нестренко A.B. Методики определения технологических свойств металла и его отдельных структурных составляющих в условиях сложного нагру-жения // Известия вузов. Цветная металлургия, 1995. №2. - С. 42-52.

6. Бокман М.А. Кинематика образования утяжины при осадке с затеканием в аксиальную полость // Кузнечно-штамповочное производство. 1970. - №6. С. 3-6.

7. Бочаров Ю.А. XIII Международная конференция по исследованиям производственной технологии (г. Беркли, США) // Кузнечно-штамповочное производство. 1986. - №7. С. 38-40.

8. Бочаров Ю.А. Первая международная конференция по обработке давлением в г. Токио // Кузнечно-штамповочное производство. 1985. - №7. С. 37-40.- 150

9. Вайсбурд P.A. Автоматизированное проектирование технологических процессов обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. - 44 с.

10. Вайсбурд P.A., Жиров Д.С. Исследование деформаций при осадке дисков на плите с отверстием // Известия вузов. Машиностроение. 1988. - №5. С. 119-124.

11. Вайсбурд P.A., Жиров Д.С. Исследование течения металла в заключительной стадии процесса прессования // Известия вузов. Черная металлургия. 1989. - №12. С. 39-42.

12. Вайсбурд P.A., Каплунов Б.Г., Партии A.C. Исследование условий образования утяжины при обратном выдавливании // Машины и технология обработки металлов давление: Сборник научных трудов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999. - 242 с.

13. Вайсбурд P.A., Партии A.C. Исследование условий образования утяжины и расчет ее формы при выдавливании материала в щелевую полость // Изв. вузов. Машиностроение. 1999. - №1. С. 30-34.

14. Вайсбурд P.A., Партии A.C. Исследование условий образования утяжины при закрытой прошивке и определении ее формы // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. - №2. С. 17-19.

15. Вайсбурд P.A., Партии A.C. Расчет пресс-утяжины при прессовании // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1999. - №2. С. 3941.

16. Вайсбурд P.A., Партии A.C. Условие образования утяжины при обратном выдавливании и расчет ее формы // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1999. - №5. С. 51-54.

17. Вариационные принципы механики в теории обработки металлов давлением / И.Я. Тарновский, A.A. Поздеев, B.JI. Колмого- 151 ров, P.A. Вайсбурд, Г.Я. Гун, В.П. Котельников, В.И. Тарновский, А.Н. Скороходов. М.: Металлургиздат, 1963. - 54 с.

18. Воронцов В.К., Полухин П.И. Фотопластичность. Применение метода к исследованию процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1969. - 400 с.

19. Выдрин В.Н. Процесс непрерывной прокатки. М.: Металлургия, 1970. - 456 с.

20. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. - 428 с.

21. Генки Г. О некоторых статически определимых случаях равновесия в пластических телах // Теория пластичности. М.: ГИИЛ, 1948. - С. 80-101.

22. Гринфельд J1.A. Исследование формоизменения при закрытой прошивке кольцевых поковок // Кузнечно-штамповочное производство, 1980. №2. - С. 13-15.

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

24. Деформации и напряжения при обработке металлов давлением. Применение методов муар и координатных сеток / Полухин П.И., Воронцов В.К., Кудрин А.Б., Чичинев H.A. М.: Металлургия, 1974. - 336 с.

25. Джонсон В., Кудо X. Механика процессов выдавливания металла. М.: Металлургия, 1965. - 174 с.

26. Друянов Б.А., Непершин Р.Н. Теория технической пластичности. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.

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

28. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975. - 541 с.- 152

29. Ивлев Д.Д. Об определении перемещений в упругопласти-ческих задачах теории идеальной пластичности // Успехи механики деформируемых сред. М.: Наука, 1975. - С. 236-240.

30. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. 3-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1990. - 310 с.

31. Ильюшин A.A. Пластичность. Часть 1. M.-JL: ГТИ, 1948.- 346 с.

32. Каплунов Б.Г. Определение условий возникновения и устранения угловой утяжины // Известия вузов. Черная металлургия, 1982. №4. - С. 55-58.

33. Каплунов Б.Г. Развитие теории и технологий процессов горячей объемной штамповки на основе моделирования напряженно-деформированного состояния: Дис. докт. техн. наук. Челябинск, 1997. 494 с.

34. Качанов A.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. - 420 с.

35. Качанов M.JI. Основы механики разрушения. М: Наука, 1974. - 312 с.

36. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением.- М.: Металлургия, 1986. 688 с.

37. Колмогоров B.JI. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1970. 229 с.

38. Корнеев В.Г. О методе конечных элементов для решения задач упругого равновесия // Сб. науч. работ, посвященный 100-летию со дня рождения академика Б.Г. Галеркина. Л.: ЛПИ, 1971. - С. 28-46.

39. Корнеев В.Г., Розин Л.А. Дифференциальная форма метода конечных элементов применительно к задачам теории упругости // Сб. «Успехи механики деформируемых сред. К 100-летию со дня- 153 рождения академика Б.Г. Галеркина». М.: Наука, 1975. - С. 297306.

40. Красневский С.М., Макушок Е.М., Щукин В.Я. Разрушение металлов при пластическом деформировании. Минск: Наука и техника, 1983. - 173 с.

41. Кузьменко В.И., Балакин В.Ф. Решение на ЭВМ задач пластического деформирования: Справочник. К.: Техника, 1990. -136 с.

42. Курант Р. Методы математической физики. M.-JL: Гос-техиздат, 1951. - 544 с.

43. Лабутин A.A., Коротаев Ф.Ф. Методика определения предельной степени деформации при кручении // Зав. лаб., 1971. -№11. С. 1367-1377.

44. Лариков Л.Н. Залечивание дефектов в металлах. Киев: Наукова думка, 1980. - 280 с.

45. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.

46. Марков A.A. О вариационных принципах в теории пластичности // Прикладная математика и механика, 1947. —№11. — С.339.350.

47. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Т. 2: Пер. с англ. М.: Мир, 1969. - 864 с.

48. Новожилов В.В. Теория упругости. М.: Судпромгиз, 1958. - 370 с.

49. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1981. - 304 с.

50. Няшин Ю.И., Селянинов A.A. Деформация тела в твердо-жидком состоянии // Актуальные проблемы теории и практики об- 154 работки металлов давлением. Воспоминание об учителе: Сборник научных трудов. Екатеринбург: УГТУ. 1998. - С. 179-185.

51. Овчинников А.Г., Головин A.A., Дмитриев A.M. Деформируемость сплавов при холодном обратном выдавливании полых цилиндрических изделий // Кузнечно-штамповочное производство, 1980. №1. - С. 7-10.

52. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке металлов давлением. Киев: Вища школа, 1983. - 175 с.

53. Оценка поврежденности непрерывнолитого металла при выпучивании корки слитка между поддерживающими роликами МНЛЗ / A.A. Богатов, С.П. Коротов, Г.Н. Мигачева, A.B. Грачев // Проблемы пластичности, 1988. №3. - С. 79-83.

54. Партии A.C., Вайсбурд P.A. Система аналитического исследования деформаций и усилий при пластической обработке материалов // Теория машин металлургического и горного оборудования: Межвузовский сборник. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2000. - 165 с.

55. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1975. 448 с.

56. Пластическое формоизменение металлов / Г.Я. Гун, П.И. Полухин, В.П. Полухин, Б.А. Прудовский. М.: Металлургия, 1968. - 416 с.

57. Пластичность и разрушение / Под ред. Колмогорова В.Л. -М.: Металлургия, 1977. 336 с.

58. Прагер В., Ходж Ф.Г. Теория идеально пластических тел. -М.: Издательство иностр. лит., 1956. 398 с.

59. Прандтль Л. Примеры применения теоремы Генки к равновесию пластических тел // Теория пластичности. М.: ГИИЛ, 1948. - С. 102-113.

60. Ребельский A.B. Основы проектирования процессов горячей объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1965. - 248 с.

61. Сафаров Ю.С. Моделирование процессов пластического формоизменения с использованием поляризационно-оптического метода «замораживания» деформаций // Кузнечно-штамповочное производство. 1975. - №2. С. 3-7.

62. Сегал В.М., Макушок Е.М., Резников В.Н. Исследование пластического формоизменения металлов методом муара. М.: Металлургия, 1974. 200 с.

63. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. -М.: Мир, 1979. 392 с.

64. Смирнов C.B. Совместное влияние структурного и напряженного состояний на пластичность углеродистой стали // Обработка металлов давлением: межвузовск. сб. Вып. 12. Свердловск: изд-во УПИ. 1988. - С. 59-65.

65. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление матрериалов пластическому деформированию. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1978. 368 с.

66. Соколовский В.В. Теория пластичности. М.: Высшая школа, 1969. - 608 с.

67. Тарновский И.Я., Поздеев A.A., Ганаго O.A. Деформации и усилия при обработке металлов давлением. М.: Машгиз, 1959. -304 с.

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

69. Теория пластических деформаций металлов / Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др. М.: Машиностроение, 1983. -598 с.- 156

70. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972. - 408 с.

71. Томсен Е., Янг Ч., Кобаяши Ш. Механика пластического формоизменения при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1969.

72. Торхов A.C. Теоретическое и экспериментальное исследование операции обратного выдавливания осесимметричных и плоскосимметричных деталей: Дис. канд. техн. наук. М., 1971. -166 с.

73. Унксов Е.П. Инженерная теория пластичности. 2-е изд. -М.: Машгиз, 1959. 328 с.

74. Унксов Е.П., Сафаров Ю.С., Малыгин Ф.К. Исследование кузнечной протяжки поковок методом «замораживания» деформаций в объемных моделях из оптически чувствительных материалов // Кузнечно-штамповочное производство. 1975. - №6. С. 2-6.

75. Хилл Р. Математическая теория пластичности: Пер. с англ. Э.И. Григолюка. М.: ГИТТЛ, 1956. - 407 с.

76. Шофман Л.А. Основы расчета процессов штамповки и прессования. М.: Машгиз, 1961. - 340 с.

77. Eisbein W., Sachs G. Kraftbedarf und Fließvorgänge beim Strangpressen. Mitt. Mat. Prüf. Anst., 1931.

78. Hill R. A Theoretical Analysis of Stresses and Strains in Extrusion and Pressing. J. Iron and Steel Inst., 1948.

79. Johnson W. Estimation of Upper Bound Loads for Extrusion and Coining Operations. Proc. Inst. Mech. Engrs., 1959.

80. Johnson W. Upper-Bound Loads for Extrusion trough Circular Dies. App, Sei., Res., 1958.- 157

81. Johnson W., Mellor P.B., Woo D.M. Extrusion trough SingleHole Staggered and Unequal Multi-Hole Dies. J. Mech., Phys. Solids, 1952.

82. Kudo H. An Upper-Bound Approach to Plane-Strain Forging and Extrusion, I. Int. J. Mech. Sei., 1960.

83. Kudo H. Some Analytical and Experimental Studies of Axi-Symmetrical Cold Forging and Extrusion, I. Int. J. Mech. Sei., 1960.

84. Kudo H. Studies on Forging and Extrusion Processes, I. -Kokenshuho, Univ. Tokyo, 1958 (in Japanese).

85. Pearson C.E. The Extrusion of Metals. Chapman and Hall, London, 1953.

86. Siebel E., Fangmeier E. Untersuchungen über den Kraftbedarf beim Pressen und Lochen. Mitt. K.W.I. Eisenforsch., 1931.

87. Tresca H. Sur l'Ecoulement des Corps Solides Soumis ä de Fortes Pressions. Comp. Rend., Acad. Sei. Paris, 1864.158