автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии объемной штамповки на основе анализа формоизменения

I la кранах рукописи

I' ,ч

УДК621.73.0-43

чЛЛМПИП !>!!íia;isiii Грш opi.eiupi

СОНЕРШЬНС I HUUAHULi ТЕХНОЛОГИИ ОЬЪЬМИОЙ Ш I АМПОВКИ НА OCHOUU АНАЛИЗА ФОРМОИЧМННКНИЯ

05.03.05 -1 (роцсссм и машины обработки давлением

АНТОРКФКРАТ дисесрищии на соискании ученой сплюни кандидат юхничсскнх наук

Ростов-на-Дону

Работа выполнена и Донском государственном техническом университете (ДГГУ)

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Резников Ю.Н.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Дорошко В. И. - кандидат технических наук, доцент Шальисв Л.С. Ведущее предприятие - АО «Красный Аксай»

Защита состоится «22» декабря 1998 г. в часов на заседании диссертационного совета Д063. 27. 04 в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) но адресу: 344010, Ростов-на-Дону, ид. Гагарина 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим высылать в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан «/¿» НО »Л & клЛ 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета _ /

к.т.н., доцент (^/^/уС^С^*-^/^ Шипулин А.И.

()1>1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 1>А!ЮТЫ. ___________________

Люо'^п.носгь гд^оТУ^ Одной из важнейших чадам научно-1емшческо1 о пршресса » тсмю.кинн кучпечио-ипамповочпою производства являете® р:;! работка и создание новых н совершенствование существующих технологически* процессов, коюрые обеспечивали бы снижение оперто- и мстхшозатраг на получение готовых поковок н нзделнн из них, гараш провали бы требуемое качество продукции, обеспечивая выполнение этих требований посгроешгсм рациональных или оптимальных схем процессов.

11ерснектиш1ым методом решения указанной проблемы является развитие методики проектирования процессов объемной штамповки на базе анализа формоизменения с целью управления течением металла при заполнении полости многоного ручья. Из многих исследований известно, что рациональность или оптимальность формы заготовок состоит не и приближении их к форме и размерам гатвои поковки, а к

обеспечении такою заполнения полости чистового ручья, при котором технологический процесс реализовьпкися бы гак. тюбы обеспечить получение поковок без каких либо дефектов формы, например, невыполнения малых радиусом в углах поковки, зажимов, прострелов и г.п, при достаточно высокой стойкости штампов и возможно малой энергоемкости процесса.

Принципиальными достоинствами совершенствования технологии штамповки на базе анализа формоизменения является возможность закономерного достижения поставленных целей и раскрытий дополнительных возможностей, опирающихся как на достигнутые технологические решения, так и па возможности теоретических методов в решении технологических задач.

Практической реализацией этого положения является, и частности, применение методики решения обратных задач формоизменения, которая дала к настоящему времени существенные положительные результаты практически во всех разновидностях процессов ОМД; в том числе и в объемной штамповке.

I IpiiMciiciittc jToii методики ne предполагает пшену традиционных методов прямою моделирования, по дополняет их, обеспечивая направленное решение задач интенсификации технологических процессов обт.ем1Юи штамповки (ОШ) и улучшение качества продукции.

Реаипацня как прямого так и обратного Mai estai ичсского моделирования и совершенствование на этой основе технологии объемной штамповки наиболее эффективна в случае применения в расчетах современных численных методов анализа. Наряду с методами конечных разностей и конечных элементов, являющихся в настоящее время, но существу, традиционными, все большее применение находит метод граничных элементов (МЮ). Применение МГО для математического моделирования процессов ОШ в значительной мере основыва-егся на том, что математическая сущность метода хорошо согласуется с физической сущностью расчетов формоизменения при обьемнон нмамионке: в обоих случаях пользователя штгсресутот прежде всего величины параметров {перемещении, скоростей и напряжений) на границе расчетной области.

Настоящая работа посвящена совершенствованию технологических процессов объемной штамповки путем раэшпия меюднки расчеюв и проектирования рационатьных и оптимальных заготовок и схем штамповки на базе анализа формоизменения металла, выполняемого численным методом /раиичных элементов.

Актуальность темы определяется возможностью применения исследованных методов совершенствования технологических процессов объемной игтамиовки для улучшения качества поковок, прежде всего в направлении получения поковок без дефектов формы и с минимальной неравномерностью деформации по сечению.

Цель работы. Повышение качества поковок - предотвращение дефектов формы и получение готовых изделий с минимальной неравномерностью деформации но сечению. Поставленная цель достигается применением рациональных

и оптимальных заготовок н тсхноло! ических схем, рассчитанных па основе моделирования течения моалла при штамповке с применением метода »-рапичпых"

ЭЛСМСНТОВ.

Мсюди исследования. Теоретические исследования формой'эменения выполнены с применением основных положений к меюдов 1сорпи пласшчно-аи, механики сплошной среды с использованием численною метола |ранични\ элементов (МГ'З) с последующей рсалпмцнен па ЭВМ. Экспериментальные исследования - физическое моделирование процессов нпамионкн - прсводплис». н лабораюрных условиях па слоне(их моделях и свинцовых образцах.

Автор защищает (результаты теоретических н экспериментальных исследований формоизменения при штамповке поковок сложной формы, выполненных методом имитационного моделирования, направленные на совершенствование форм и размеров заготовок, обеспечивающих получение поковок без дефектов формы и с минимальной неравномерностью деформации по сечению.

Научная повшна.

1. Развита методика моделирования формоизменения, основанная на применении прямого метода граничных элементов (ПМГЭ) к расчету ностадийпого деформирования, позволяющая с использованием обрапюго и прямого расчета определять рациональные формы и размеры ручьев и заготовок. Рассчитанные но указанной методике заготовки обеспечивают полное заполнение полое! и чистового ручья без излишнего истечения металла в облой и изшювлепие поковок без дефектов формы.

2. Предложен и обоснован интегральный критерий оценки неравномерности деформации по сечению поковки.

3. Предложена и разработана методика оптимизационного расчета процессов объемно!! штамповки, основанная на применении компактно описываемых форм промежуточных заготовок с минимальным числом варьируемых параметров.

Практическая ценность и реализация работы, Из вы полис.....>г\ теоретических и жепериментадьных исследований следует практическая ценность полученных результатов, состояшая в применимости разработанной методнкн расчетов и оптимизации заготовок и схем иггамповки к поковкам любой слож-носгн формы ш материалов с достаточно сложными реологическими свойствами в целях направленного управления качеством го юных шделий.

Результаты исследований апробированы в производственных условиях па заводе "Красный Аксап". Отдельные результагы исследований включены в разделы лекционных курсов "Инженерная механика твердого тела" и "Механика процессов обработки давлением", использованы при проведении лаборатрпых рабог и практических -занята но указанным дисциплинам.

А пробами работы. Результагы исследовании доложены на Международной научно-технической конференции "Надежность машин и технологического оборудования" (г. Ростов-на-Дону, 1994г.), V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (г. Ростов-на-Дону, 1997г.), а также на ежегодных научно-гехническнх конференциях профессорско-преподавательского состава Донскою государственного технического университета (г. Ростов-на-Дону, 1994-1998 гг.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех I лав, основных выводов, списка литературы, приложения. Работа выполнена на _страницах машинописного текста, содержит рисунок,_таблиц, список литературы из_наименований. Обший объем работы -_страниц.

ОСНОВНОЙ СОДГЛ'ЖЛ! IHK l'AI>( )ТЫ

__________Вовведении обоснована актуальность темы исследований, се научная

повита, практческая ценность работы, сформулированы цель и задачи исследовании, крап«) раскрыт содержание разделов диссертации.

1? первой jjumc paccMoipeii анализ литературных данных и» расчету, оп-шмтпипн и приMCKCHIBO методов расчета формоизменения в решении тсхноло-i ичсских задач об^миой штамповки.

Значикмьнмй вклад » совершенствование процессов объемной штамповки посредством управления течением металла и в исследования, необходимые для решения -пой задачи, внесли отечественные ученые J[.l>. Аксенов, Ю.А.Ллюнши, Ь.11.1)срсгшвский, М.Я.Бровмап, Р.А.Вайсбурд, СИ.Губкин, Г.Я Гун, В.И Дорошко, Л.З.Журавлев, И.Г.Канлупов, В.Л.Колмогоров, В.Г.К ондратенко, И.П.Костарев, Н.М.Макушок, Л.С.Митусснич, Л.Г.Овчиипиков, В.И Одиноков, i().II. Резников, В 1 КСевередепко. И.И.Семенов, Л.Г.С)епапским, Г.1 I.Tcrcpnn, Л.О.Харшопов и др. Среди выполненных исследований за рубежом можно отметить работы A.N. Bramlcy, S.Kobaya.shi, T.Allan, R.Kopp, R.Nono, l\l I.Osman, J.J. i'ark, J.M. /hang и др.

AiiíutiH указанных работ показывает, чю развитие методов расчета формоизменения в процессах об1лмной штамповки может служить средством решения технологических задач, п частости, позволяющим итготапллиап. поковки без дефекюв формы и с минимальной неравномерностью деформации по сечению. От Зою, насколько правильно была определена исходная форма заготовки зависят не только силоч.мс и деформационные параметры процесса, но п качество получаемых изделий. Традиционным подходом при анализе формоизменения является расчет, в котором последовательные расчетные стадии следует одна за другой в том порядке, что и в реальном процессе штамповки. Такой анализ и расчет- называется прямым, он актуален и эффективно использует ся и р

настоящее время, но ограничен формами и размерами заготовок, принятыми заранее. 11одучение рациональных исходных и промежуточных заготовок для поковок, ппогавлнваемых обтлмпон штамповкой можно рассчитан, с помощью метода обращения движения деформирования, путем поегадийного моделирования па основе последовательного решения обратных задач формоизменения.

Расчеты формоизменения в настоящее время чище всею выполняются современными численными методами с реализацией на ')ИМ. Наиболее часто применяется метод конечных элементов. Однако и другие численные методы в расчетах формоизменения используются достаточно широко У чип,тая, что в пас южнее время МГО оценивается как конкурентоспособный по ошошеншо к МЮ и друз им численным методам практически во всех задачах механики сплошной среды, применение в настоящем исследовании М1~) представляется соответствующим требованиям современного уровня расчетов формоизменения.

Одно» из существующих возможностей достижения наилучших показателей процесса нпамповки является оптимизация формы и рагмеров загоювок. Имеющийся опыт исследований свидетельствует о возможности решения эюн задачи уже в настоящее время для поковок сравнительно простои формы. Дальнейшее развитие таких расчетов применительно к поковкам сложной формы представляет теоретический и практический шперес.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1, Выполнить теоретические исследования причин возникновения дефектов формы в поковках и наметить пути их устранения, основанные на ностаднй-иом решении задач формоизменения. Разрабо!а1ь соответствующую методику математического моделирования, алгоритм базирующийся на методе граничных элементов, и расчетную программу для ЭВМ;

2. Исследовать эффективность применения разработанной методики расчет» формоизменения для обеспечение наименьшей неравномерное! ГГдефор-

--машш по"сёчению поковок сложной форм!.!;

3. Прадюжнть и обосновать критерий колнчест пенной оценки неракно-мсрносш распределения де||>ормацш> но сечению нокошж.

4. Разработать методику одношагового оптимизационно!о расчет заготовок л"я поковок, изготавливаемых обьемиой штамповкой. В процессе разработки методики учесть реальную возможность оптимизации заготовок при наличии не более 3-4х варьируемых параметров.

Но второй главе приведена методика выполнения теоретических и экспериментальных исследований. Методика теоретических исследований, примененная в настоящей работе, основана на расчетах формоизменения в процессах штамповки методом граничных элементов. Гранично-элементная формулировка расчетной задачи основывается па том, что исходные дифференциальные уравнения сводятся к интегральным уравнениям которые в процессе решения заменяются разностными. Особенностью расчетного подхода, используемого в настоящей работе, является применение известной аналогии деформации несжимаемою упругого тела и несжимаемой вязкой жидкости. При постановке задач использован метод упругих решений в соответствии с которым исходная нелинейная задача сводится к последовательности линейных, путем применения линеаризующего алгоритма. В настоящей работе в качестве линеаризующего применен алгорит м переменной вязкости. Все сказанное в виде математических зависимостей можно записать следующим образом.

Системе уравнений (1) соответствует интегральное уравнение, матмаш-чески описывающее принцип взаимности работ':

/ (а, • и\ -ых„ ■ и\ = \ (а\ и, т ип) (2)

с с

где С - котур интегрирования; о„ а„, и„ и„ - напряжения и перемещения, относимые к рассматриваемой задаче; а'г, а\, и'„ и'п- эти же величины и "контрольной" задаче, которые в данном случае задаются известным решением Кельвина.

Для практических расчетов вместо уравнения (2) используют его разностный аналог:

N N

2 ¡(а,-и\.+а„ + &„-и„)си (3)

где N - количество граничных элементов, АХ1 - площадь ]-го отрезка длина которого составляет 2а. При линейных граничных элементах величины а„, и,. и„ - на каждом ,|-ом граничном элемекге постоянны, что позволяет упростить алгоритм решения задачи. В этом случае уравнение (3) примет вид:

2>/ (4)

ах' м м-/ м ^

где а{ >о'п - значения напряжений и смещений в центре,]-го отрезка.

Экспериментальные исследования выполнялись для образцов, находящихся в условиях плоской деформации. Для обеспечения таких условий была использована специальная оснастка

Эксперименты выполнялись на слоистых моделях из пластилина и на свинцовых образцах, на внутренние стороны половинок которых была нанесена сетка с шагом 2 мм. В экспериментальных исследованиях формоизменения слоистых моделей применялись деревянные вставки, когорые служили сменным инструментом для того же штампа, в котором выполнялись эксперименты на свинцовых образцах, деформируемых вставками из инструментальной стали. Для возможности непрерывного наблюдения формоизменения слоистых моделей, одна из плит была выполнена из прозрачного материала. Это позволило фиксировать наблюдаемую картину течения слоистых моделей на видеокамеру.

В процессе выполнения экспериментов на пластилиновых и свинцовых образцах были получены данные о соответствии расчетных и наблюдаемых в ходе эксперимсшов картин течения моделей. Это позволило отработать методику решения практических задач, в частности уменьшение опасности возникновения зажима в поковках и формирование изделий с наименьшей неравномерностью распределения деформации по сечению.

Третья глава диссертации посвящена исследованию формоизменения при штамповке как средству предотвращения дефектов формы в поковках и уменьшению неравномерности деформации. Последовательно рассматриваются данные теоретического анализа и экспериментов причин появления дефектов в поковках как следствия плохо организованного течения металла при заполнении полости чистового ручья; результаты формоизменения при дитамповке в одном и том же чистовом ручье различных расчетных заготовок; возможности фасонирования заготовок как средства уменьшения неравномерности деформации по сечению готовых поковок; возможность уменьшения неравномерности деформации в поковках путем изменения схемы деформирования.

При теоретических исследованиях причин появления дефектов в поковках и методов их устранения выполнено имитационное моделирование процесса штамповки, основанное на постаднйном решении последовательности прямых и обратных задач формоюмснсния. Для возможности решения задачи о рациональной заготовке необходимо было заранее, до начала расчетов, принять определенную форму и размеры заготовок. Последовательные процедуры подбора рациональных заготовок позволяют улучшить формоизменение при заполнении полости чистового ручья и, в принципе, идя но этому пут и можно добиться существенного снижения опасности возникновения дефектов формы, в частности дефектов типа "зажим" в тюковке, поскольку, выполняя теоретические расчеты, можно установить момент начала образования зажима и последовательно улучшать форму заготовки. Более эффективной в этом отношении является иропеду-

ра, состоящая в последовательности решения обратных задач формоизменения. Расчет в этом случае начинается с последней стадии процесса от готовой поковки без каких либо дефектов формы. Краевая <ранпчно элементная задача решается в предположении дальнейшего деформирования поковки, т.е. при опускании верхнего штампа вниз. По рассчшанпым с помощью М1Т) значениям скоростей, течения металла в отдельных точках фаницы поковки, обращением движения деформирования совершается переход от готовой поковки к заготовке на предпоследней стадии ипампопчи весьма близкой к завершающей. Разница между двумя соседними положениями штампа принималась такой, чтобы условие постоянства объема поковки соблюдаюсь с точностью до 5 %. При расчетном подъеме штампа на величину д // приращение толщины поковки на участке соответствующем /'-.чу граничному элементу равно д у- /Км)-дЛ; где /7-вертикачьиая составляющая скорости »-го граничного элемента, а Уш - принятая скорость штампа.

Ранее расчеты формы и размеров заготовок, основанные на решении обратных задач выполнялись методом линий скольжения, а чаще методом верхней оценки. Применение для таких расчетов метода фаничных элементов довольно существенно расширяет возможности применения имитационного моделирования в решении технологической задачи получения поковки без дефектов формы. В МГЭ легко учесть реальные реологические свойства материала. Гак в наших расчетах использованы модели в виде степенных зависимостей, учитывающих скоростное упрочнение магтериала: для свинца а. - 3.295 - ¿,012, ,чля стали 45 при температуре деформирования 1100°ст, =7.9-г.;0Применение метода граничных элементов дает возможность достаточно подпою описания формы поковки и заготовки на всех расчетных стадиях путем деления границы контура на большое количество граничных элемаггов. В среднем количество граничных элементов, которые выделялись на границе расчетной области, составляло не

менее 100-140. IIa каждой расчетной стадии сходимость решения оценивались

по постоянству к пределах 5% величины среднею коэффициента жесткости --------'

3 ¿;

Количество расчетных стадии при иерехоле or поковки к заготовке (или от заготовки к поковке при прямом моделировании) было не менее 5-6. 11а каждой стадии дли сходимости расчетов требовалось 6-8 итераций. Следовательно, расчеты размеров заготовок по заданным размерам поковок при обратном моделировании, или размеров поковок ио заданным размерам заготовок при прямом мАделировапии требовалось около 40-50 расчетных циклов. Пстсственно, что в л их условиях важное значение приобрели те расчетные особенности метода граничных элементов, которые отмечены в главе 2, в частности, сравнительно малое время расчета на ЭВМ. В наших исследованиях время расчета каждой стадии составляло для IBM 1'С 486 менее 5 минут. С учетом количества стадий каждая шииовка рассчитывалась в течении 40 минут. Весьма существенным является и упрощение подготовки исходных данных ддя расчетов. Обший вывод из выполненной совокупности расчета подтверждает утвердившиеся недавно мнение о юм, что в краевых задачах механики сплошной среды метод граничных элементов по крайней мере конкурентоспособен по отношению к такому эффективному методу как метод конечных элементов. Конкретным результатом расчетов является показанная теоретически возможность получения поковки сложной формы из расчетной заготовки без образования дефекта типа "зажим". Данные имитационного моделирования для поковки сложной формы приведены на ржь 1.

Данные экспериментальных исследований па свинцовых образцах и слоистых моделях из нлаепшша покачали хорошее совпадение с данными теоретического исследования, что свидетельствует о применимости и надежности

расчетного подхода для включения в качестве модуля в соответствующую подсистему технологической подютовки производства.

Рис.1. Результаты теоретического расчета влияния формы заготовки на образование в поковках дефектов типа "зажим": а, б- расчеты выполнялись по прямой схеме; в - расчет заготовки выполнен по обратной схеме.

Требования получения поковок с минимальной неравномерностью деформации по сечению находится в противоречии с требованиями простоты технологической схемы процесса и требованиями повышения производительности. Имеющийся опыт показывает, что для улучшения качества поковок, часто необходимо введение заготовительных ручьев. Рассмотрение такой задачи как оптимизационной требует специального анализа с применением аппарата многошаговой оптимизации и выходит за рамки настоящего исследования.

11ижс рассмотрена возможность снижения неравномерности деформации

но сечению поковки типа шатуна путем введения двух заготовительных ручьев.---------

Моделирование показывает, что принятая схема оказалась эффективной: ди.-тнгнуто снижение неравномерности деформации по сечению поковок. Неравномерность деформации по сечению поковки при различных схемах штамповки исследовались экспериментальным и расчетным путем. Расчет неравномерности деформации, выполнены па основе подхода, разработанного в работах Я.М.Охримсико и В.Л.Тюрина применительно к процессам свободной ковки с кантопками. Эксперименты выполнены на слоистых моделях нз пластилина. Расчетные данные выборочно приведены на рис.2.

Очередность стадий Очередность стадий

а) Ъ)

Рис.2 Изменение приращенной неравномерности деформации в процессе штамповки: а) без заготовительных ручьев; б) с примененном заготовительных ручьев; номера соответствуют слоям пластилина в модели.

i ia рис.2 no оси абсцисс отложены номера стадий процесса шгамновкн. Каждая стадия определялась неличиной хода пуансона и соответствующим деформированием заготовки но высоте. При штамповке с заготовительными ручьями (pue.2G) первая н вторая стадия соответствовали деформированию заготовки в заготовительных ручьях, 3 и ¡ стадия в окончательном - чистовом ручье. По оси ординат на рис.2 отложено нрнращеннс неравномерности деформации определяемая величиной изменения размеров слоев модели. Приведены данные изменения средних расстояний между центрами ячеек в одних и тех же слоях модели в процессе деформации без заготовительных ручьев и с применением двух заготовительных н чистового ручьев. Из нрнисдсниых данных следует, что разница в величине приращения неравномерности деформации в первом случае составляет 60%, а во втором 22%. Это свидетельствует о возможности снижения неравномерности деформации путем применения рациональной схемы штамповки, содержащей в данном случае кроме чистового ручья двух заготовительных ручьев.

Выполнение такого анализа на стадии технологической подготовки производства позволит прогнозировать этот параметр качества и определять рациональное сочетание сложности процесса и качества поковок.

Четвертая глава посвящена оптимизации форм и размеров промежуточных заготовок по критерию минимальной неравномерности деформации по сечению поковок. Выполнен анализ возможности количественной оценки величины неравномерности распределения деформации по сечению поковки. Использованы имеющиеся в литературе данные (R.Kopp). Рассматривались различные кршерии для двух по:<овок, одна из которых экспортно признана неудовлетворительной по распределению деформации, а другая удовлетворительной. В результате анализа установлено, что численная оценка величины распределения неравномерности деформации по ряду рассмотренных критериев оказывается невозможной, так как величины этих критериев одинаковы или близки для по-

конок с существенно разным распределением деформации по сечению. Лналт показывает, чго эффективная оценка распределения деформации по сечению может быть выполнена но критерию качества ¡Гниде:

N

где rír - средняя степень деформации но сечешно готовой поковки; цкш„ - (фактическая степень деформации по сечению готбпой поковки; Si - площадь /-го участка сечения поковки; ]ГЛ', - суммарная площадь сечения поковки.

Анализ показывает также, что эффективно оптимизационные расчеты могут выполняться при количестве варьируемых параметров пс более 3-4. Для удовлетворения лих требований разработана методика, основанная на использовании заранее выбранных компактно описываемых заготовок. Ранее такая методика применялась в поисковом конструировании. Выбор исходной формы заготовок может производиться на основе имеющеюся производственного опыта, анализа литературы, предварительных экспериментов или расчетов обращением движения деформирования. После выбора предварительной формы заготовок производится обычный оптимизационный расчет до достижения минимума целевой функции (5).

Методика опробована при изготовлении поковки показанной нарис.За, изготовленной из компактно описанной загот овки показано на рис. 36.

Изменение варьируемых размеров заготовки позволяет принципиально менять характер течения при заполнении полости чистового ручья: некоторые заготовки заполняют полость чистового ручья осаживанием, другие - вдавливанием. Расчеты показали, а эксперимент подтвердили, что изменение характера заполнения полости чистового ручья существенно влияет на неравномерность деформации но сечению готовых поковок и работу деформирования при шгам-

иовкс. Поиск оптимальных значений варьируемых нарамефов выполнялся прямым безградиентным методом (метод 1 (елдера-Мпда).

СО

а

с'

А

5}

Рис.3 Сечение расчетной поковки (а), и исходная форма рациональной

компактно описываемой заготовки (б). В результате выполнения расчетов доказана минимизации неравномерности распределения деформации по сечению поковок (рис.4а,б).

Ю

Рис. 4 Распределение деформации по сечению поковки, отштампованной из нсопткмалыюй (а) и оптимальной (6) заготовок.

Для исследованного процесса штамповки поковки, покатанной на рие.4, установлено, «по применение оптимальной заготовки снижает неравномерность распределения деформации по сечению поковки на 46%, а раГкпу деформирования па 38%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РЛНО'Пл

В настоящей работе изложены научно-обоснованные технологические разработки, обеспечивающие решение важных приклад!1ых задач совсршенст-вовапия технологии объемной штамповки - получение поковок без дефектов формы и с минимальной неравномерностью деформации по сечению.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

!. Выполнены теоретические исследования причин возникновения дефектов формы в поковках и возможностей их устранения, основанные на анализе формоизменения.

2. Показана эффективность развитой в настоящей работе методики моделирования процессов объемной штамповки, основанной па иостадийном решении прямых и обратных задач формоизменения методом граничных элементов. Применение такою подхода позволяет рассчитывать поковки сложной

' -7

формы с учетом реатьных реологических свойств материалов и их изменения в процессе деформирования.

3. Показана возможность количественного анализа изменения неравномерности распределения деформации по сечению поковки при изменении схемы штамповки. В приведенных исследованиях введение рациональных заготовительных ручьев и промежуточной кантовки позволило уменьшить неравномерность распределения деформации но ссчсшпо поковки типа шатун в 1.6 раза.

4. Показано, что оценка неравномерности деформации может быть вы-

¿ср

полнена по интегральному критерию: J = ----.

5. Разработана методика оптимизационного расчета процессов объемной штамповки, основанная па применении априорно выбранных компактно описываемых фор;.«, промежуточных заготовок, позволяющая существенно снизить количество варьируемых параметров.

6. Результаты исследований прошли апробацию в промышленных условиях ЛО "Красный Аксай" и применены в учебном процессе.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Резников Ю.Н., Быкодоров А.О., Калинин Г.Г. Повышение надежности технологических процессов объемной штамповки и деталей машин, изготовленных из штампованных заготовок. / Международная научно-техническая конференция "Надежность машин и технологического оборудования": Тез. докл. Ростов-на-Дону, 1994а с.188-190.

2. Резников 10.11., Калинин Г.Г., Быкодоров А.О. Методические указания к лабораторной работе "Расчет процессов пластической деформации методом граничных элементов". /ДГТУ.-Ростов н/Д,1995,12с.

3. Резников Ю.Н., Калинин Г.Г Совершенствование формы и методов расчета заготовительных ручьев для поковок, изготавливаемых объемной штамповкой. /Надежность и эффективность станочных и инструментальных систем: Сб. науч.тр.-Ростовн/Д,1997.с.:109-113.

4. Резников Ю.Н., Калинин Г.Г., Истомин В.Ю., Котов В.Ю Возможности предотвращения дефектов и уменьшения неравномерности деформации поковок при объемной штамповке. /Термическая обработки стали (теория, техно-

логин, техника эксперимента): Мсжиуз.сб.,1>оето1)-па-Дону(Д|ТУ),1(197, стр.:93-97. __________________________________________________________________________

5. Калинин Г.Г., Речников Ю.П. Тезисы докладов V Международной иа-учно-технической конферегпши по динамике технологических систем том 1, ДГГУ. Ростов-на-Дону, ! 997г. с.139-140.

6. Речников Ю.М., Калинин Г.Г Оп тимизация зпгш они тельных ручьев для поковок, изготавливаемых объемной штамповкой. /Кузнечно-штампояочное производство 1998, N И) (в печати).

7. Калинин Г.Г., Вовчепко Л.В. Решение технологических задач обчлм-ной штамповки па основе расчета формоизменения. / Оптимизация процессов обработки металлов давлением: Мсжвуз.сб.науч.тр. -Ростов н/Д, 1998.-е.59-66.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ НА ОСНОВЕ РАСЧЕТОВ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ.

1.1 Расчет Форш изменения в проц ессах объемной штамповки как 9 средство решения технологических задач.

1.2 Возможности методов расчетов формоизменения в решении технологических задач объемной штамповки.

1.3 Оптимизационнш расчета формоизменения в процессах объемной 27 штамповки.

1.4 Выводы и постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Методика выполнения теоретических исследований.

2.1.1 Постановка задачи.

2.1.2 Алгоритм решения задачи.

2.1.3 Структура вычислительной программы.

2.2 Методика экспериментальный исследований.

2.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ШТАМПОВКЕ КАК СРЕДСТВО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ФОРМЫ В ПОКОВКАХ И УМЕНЬШЕНИЯ

НЕРАВНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМАЦИИ.

3.1 Теоретические исследования причин возникновения в поковках дефектов Формы и пути их устранения.

3.2 Экшжриментальнш исследования устранения дефекта гшпа " зажим".

3.3 Уменьшение неравномерности деформации за счет предварительного фасонирования заготовок.

3.4 Анализ возможности уменьшения неравномерности дефоршщт в 83 поковках путем изменения схемы деформирования.

3.5 Устранение дефектов формы поковок, связанный с незадолненмем 91 формы чистового ручья Спо данным апробации) расчетной методики на АО "Красный Аксай".

3.6 вывода ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМ И РАЗМЕРОВ ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ РУЧЬЕВ.

4.1 Алгоритм поиска оптимального решения. 9В

4.2 Данные экспериментальных исследований.

4.3 Разработка критерия оценки неравномерности деформации по

4.4 Постановка задачи расчета оптимальным форм и размеров 132 промежуточный заготовок.

4.5 Моделирование формоизменения в процессе отишшзащт загото- 139 вок.

4.6 вывода ПО ГЛАВЕ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Актуальность работы. Одной из важнейших задач научно-технического прогресса в технологии кузнечно-штамповочного производства является разработка и создание новых и совершенствование существующих технологических процессов, которые обеспечивали бы снижение знерго- и шталлозатрат на получение готовых поковок и изделий из ним, гарантировали бы требуемое качество продукции, обеспечивая выполнение этап требований построением рациональных или оптимальных схем процессов.

Перспективным методом решения указанной проблемы является развитие методики проектирования процессов объемной штамповки на базе анализа формоизменения с целью управления течением металла при заполнении полости чистового ручья. Из многих исследований известно, что рациональность или оптимальность формы заготовок состоит не в приближении их к форме и размерам готовой поковки, а в обеспечении такого заполнения полости чистового ручья, при котором технологический процесс реализовывался бы так, чтобы обеспечить получение поковок без каких либо дефектов формы, например, невыполнения малых радиусов в углах поковки, зажимов, прострелов и т.п, при достаточно высокой стойкости штампов и возможно малой энергоемкости процесса.

Принципиальными достоинствами совершенствования технологии штамповки на базе анализа формоизменения является возможность закономерного достижения поставленных целей и раскрытие дополнительных возможностей, опирающихся как на достигнутые технологические решения, так и на возможности теоретических методов в решении технологических задач.

Практической реализацией этого положения является, в частности. ь применение методики решения обратным задач формоизменения, кото-роя дала к настоящему времени существенные положительные результаты практически во всех разновидностях процессов ОМД, в том числе и в объемной штамповке.

Применение этой методики не предполагает замену традиционных методов прямого моделирования, но дополняет их, обеспечивая направленное решение задач интенсификации технологических процессов объемной штамповки СОЮ и улучшение качества продукции.

Реализация как прямого так и обратного математического моделирования и совершенствование на этой основе технологии объемной штамповки наиболее эффективна в случае применения в расчетах современных численных методов анализа. Наряду с методами конечных разностей и конечных элементов, являющихся в настоящее время, по существу, традиционными, все большее применение находит метод граничных элементов СМГЗЗ. Применение МГЭ для математического моделирования процессов 01 в значительной мере основывается на том, что математическая сущность метода хорошо согласуется с физической сущностью расчетов формоизменения при объемной штамповке! в обоих случаях пользователя интересуют прежде всего величины параметров С перемещений, скоростей и напряжений) на границе расчетной области.

Настоящая работа посвящена совершенствованию технологических процессов объемной штамповки путем развития методики расчетов и проектирования рациональных и оптимальных заготовок и схем штамповки на базе анализа формоизменения металла, выполняемого численным методом граничных элементов.

Актуальность темы определяется возможностью применения исследованных методов совершенствования технологическим процессов объемной штамповки для улучшения качества поковок, прежде всего в направлении получения поковок без дефектов Формы и с минимальной неравномерностью деформации по сечению.

Цель работа. Повышение качества поковок - предотвращение дефектов формы и получение готовых изделий с минимальной неравномерностью деформации по сечению. Поставленная цель достигается применением рациональных и оптимальным заготовок и технологических схем, рассчитанных на основе моделирования течения металла при штамповке с применением метода граничных элементов.

Методы исследования. Теоретические исследования формоизменения выполнены с применением основный положений и методов теории пластичности, механики сплошной среды с использованием численного метода граничных элементов СМГЭ) с последующей реализацией на ЭВМ. Экспериментальные исследования - физическое моделирование процессов штамповки - проводились в лабораторных условиям на слоистым моделях и свинцовых образцам.

Автор защищает результаты теоретических и экспериментальных исследований формоизменения при штамповке поковок сложной формы, выполненных методом имитационного моделирования, направленные на совершенствование форм и размеров заготовок, обеспечивающих получение поковок без дефектов формы и с минимальной неравномерностью деформации по сечению.

Научная новизна

1. Развита методика моделирования формоизменения, основанная на применении прямого метода граничных элементов СПМГЭ) к расчету постадийного деформирования, позволяющая с использованием обратного и прямого расчета определять рациональные формы и размеры ручьев и заготовок. Рассчитанные по указанной методике заготовки обеспечивают полное заполнение полости чистового ручья без излишнего истечения металла в облой и изготовление поковок без дефектов формы.

2. Предложен и обоснован интегральный критерий оценки неравномерности деформации по сечению поковки.

3. Предложена и разработана методика оптимизационно го расчета процессов объемной штамповки, основанная на применении компактно описываемых Форм промежуточных заготовок с минимальным числом варьируемых параметров.

Практическая ценность и реализация работа. Из выполненных теоретических и экспериментальных исследований следует практическая ценность полученных результатов, состоящая в применимости разработанной методики расчетов и оптимизации заготовок и схем штамповки к поковкам любой сложности формы из материалов с достаточно сложными реологическими свойствами в целях направленно го управления качеством готовых изделий.

Результата исследований апробированы в производственных условиях на заводе "Красный Аксай". Отдельные результаты исследований включены в разделы лекционных курсов "Инженерная механика твердого тела" и "Механика процессов обработки давлением", использованы при проведении лабораторных работ и практических занятий по указанным дисциплинам.

Апррбапмя работы. Результаты исследований доложены на Международной научно-технической конференции "Надежность машин и технологического оборудования" С г. Ростов-на-Дону, 1994г.3, V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем С г. Ростов-на-Дону» 1997г.3, а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Донского государственного технического университета С г. Ростов-на-Дону, 1994-1998 г. гЗ

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура м п^гьрм работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав» основным выводов, списка литературы, приложения. Работа выполнена на страницам машинописного текста» содержит