Содержание к диссертации
Введение
1. Современное представление о проблеме проектирования, технологии изготовления и повышения стойкости штампов для заготовок со сложной объёмной геометрией
1.1 Особенности процесса проектирования и технологии производства заготовок со сложной объёмной геометрией на базе модели поковки
1.2 Анализ опубликованных работ, касающихся проектирования, изготовления и эксплуатации штампов 25
1.3 Анализ проблем проектирования технического уровня изготовления сложных штампов и штамповой оснастки в РФ и за рубежом 27
1.4. Современное представление о процессах механической обработки штампов
Выводы 51
2. Исследование напряженно - деформированного состояния штампов при эксплуатации 53
2.1 Анализ факторов, влияющих на процессы деформирования металла, форму и долговечность штампов
2.2 Разработка метода конечно-элементного моделирования процесса штамповки заготовки лапы бурового долота
2.2.1 Анализ термомеханического состояния штампа. Поля температур и интенсивности упругих напряжений
2.3 Расчет приспособляемости штампа
2.4 Оптимизация температурного режима процесса штамповки и выбора материала штампа 83
Выводы 90
3 Разработка системы сквозного автоматизированного проектирования и изготовления штампов для заготовок со сложной объемной геометрией 92
3.1 Ввод исходных данных для проектирования поковки лапы 94
3.2 Методика автоматизированного проектирования «САПР-Долото» 96
3.3 Методика проектирования S-D-модели поковки лапы долота 99
3.4 Методика проектирования З-Б-модели штампа по результатам анализа НДС от механического и теплового воздействия 108
3.5 Разработка алгоритма оптимального проектирования технологических процессов механической обработки штампов для изготовления поковок лап буровых долот
3.6 Выбор стратегии обработки, оптимальных режимов и параметров инструментов в интерактивном режиме с применением симуляции мехобра -ботки на базе 3-D модели штампа 112
- расчет оптимальных усилий резания, момента и мощности из
-выбор оптимального оборудования с учетом финансовых затрат 114
3.7 Методика контроля профиля заготовок 115
Выводы 120
4 Опытно-промышленная проверка результатов исследований... 122
4.1 Апробирование методики конструкторского проектирования заготовок лап и штампов 122
4.2 Выбор стратегии обработки штампов і
4.3 Выбор инструмента і
4.4 Определение режимов резания 134
4.5 Обоснование выбора оборудования для изготовления штампов 136
5 Внедрение результатов исследований и расчет экономического эффекта 139
5.1 Результаты внедрения новой системы сквозного проектирования и изготовления штамповои оснастки для выпуска заготовок со сложной объемной геометрией 139
- методика расчета экономического эффекта от внедрения разработок,
- определение стойкости штампов 140
- стойкость прессовых штампов 145
- стойкость молотовых штампов .146
5.2 Расчет экономического эффекта от внедрения результатов исследований 147
Выводы , 165
Общие выводы 167
Условные обозначения 168
Список литературы , 169
- Анализ проблем проектирования технического уровня изготовления сложных штампов и штамповой оснастки в РФ и за рубежом
- Разработка метода конечно-элементного моделирования процесса штамповки заготовки лапы бурового долота
- Методика проектирования З-Б-модели штампа по результатам анализа НДС от механического и теплового воздействия
- Результаты внедрения новой системы сквозного проектирования и изготовления штамповои оснастки для выпуска заготовок со сложной объемной геометрией
Введение к работе
Буровые шарошечные долота - основной породоразрушающий инструмент для строительства глубоких и сверхглубоких скважин в нефтяной и газовой промышленности, геологоразведке, при бурении взрывных скважин на открытых карьерах добычи руд для черной и цветной металлургии, добычи угля, шахтной добычи золота и алмазов, щебня для строительства дорог, сложных инженерных сооружений, мостов, тоннелей, морских платформ, молов, портов и др.
Разнообразие буримых пород, способов бурения, конструкций скважин и др. условий обуславливает необходимость выпуска около 700 самых различных типоразмеров долот для любых видов бурения.
От наличия, стойкости и эффективности работы долот прямо зависят показатели и затраты на бурение во всех этих отраслях в РФ и за рубежом, исчисляемые многими сотнями миллионов долларов. Во всем мире ведутся интенсивные исследования и затрачиваются большие средства на решение проблем, касающихся улучшения проектирования, технологий и материалов для изготовления буровых долот.
Поэтому производство долот отнесено if особо важному, стратегическому.
Ни в одной отрасли нет механизмов, работающих в таких экстремальных условиях, как буровое долот. Это и многотонные знакопеременные нагрузки, колебания колонны, абразивная среда, давление в сотни атмосфер.
В долоте необходимо выполнять высокоточные многорядные комбинированные подшипники качения и скольжения, а также упорные подшипники в опорах лап и подвижно закрепленных шарошках с породораз-рушающими элементами в виде фрезерованных наплавленных или вставных твердосплавных зубьев. Технология включает использование механо-обрабатывающих центров, плазменную наплавку твердого сплава на опор-
ные поверхности подшипников лап, собственное производство твердых сплавов, высокоточную шлифовку, твердое точение, серебряное покрытие подшипниковых поверхностей, компьютерную сборку секций, а затем и долот из секций со сваркой электродом или тепловым лучом, новейшие печи для ХТО, включая вакуумные печи для цементации - вот далеко не полный перечень этапов изготовления долот. Для производства также необходимы более 300 наименований первоклассных основных и вспомогательных материалов. Поэтому технология отнесена к особо сложной.
В ее ряду особо выделяется производство заготовок лап массой от 1,5 до 300 кГ для различных по конструкциям долот диаметром от 120,4 до 660 мм, для которых необходимо проектировать, изготавливать и постоянно обновлять множество тяжелых и трудоемких штампов массой до 2,5 тонн. Изготовление поковок лап долот до 0215,9 осуществляется на горя-чештамповочных прессах с усилием до 4000 тс, а для долот 0244,5 и более - на штамповочных молотах с массой падающих частей до 10 тн.
Технология изготовления заготовок деталей долот горячей штамповкой доказала свою относительную эффективность с точки зрения прочностных свойств и точности получаемой конфигурации.
Однако, большие сроки проектирования, изготовления и освоения штампов по базовой технологии, а также их недостаточная стойкость стали настоящим тормозом на пути освоения новых типоразмеров и выпуска серийных долот.
Стоимость штампов велика. Например, чистовой штамп для лапы долота 0215,9 мм - более 40000 руб., а чистовой штамп для лапы 0269,9 мм - более 200000 рублей. Сроки от проектирования до изготовления по базовой технологии составляли 4-4,5 месяца.
При таком положении разработки и освоения новых конструкций не могла обеспечиться конкурентоспособность продукции предприятия на внутреннем и внешнем рынках из-за частой потери важных заказов.
Возникла жизненно важная для долотостроения задача - в короткие сроки радикально снизить продолжительность всех этапов проектирования и освоения новой продукции. Для этого необходимо автоматизировать и оптимизировать процессы проектирования и изготовления штампов на основе применения современных компьютеров и эффективного программного обеспечения, что при этом позволило бы снизить стоимость получения одной заготовки. Одна из важнейших задач на этом пути - проведение исследований по интенсификации и оптимизации технологического процесса изготовления штампов и повышения их стойкости.
Решение всех проблем указанной тематики возможно только при исследованиях взаимосвязи и взаимовлияния каждого этапа, начиная со сквозного проектирования детали, затем ее поковки, далее штамповой оснастки, затем разработки технологии изготовления штампов, а также результатов изучения поведения и оптимизации режимов непосредственно самой штамповки.
Большой вклад в решение вопросов совершенствования технологии проектирования и изготовления сложных штампов и разработки материалов для них внесли отечественные и зарубежные ученые Ю.А. Аверкиев, И.Л. Акаро, Л.Б. Аксенов, Е.И. Вельский, Ю.А. Бочаров, А.Н. Брюханов, В.Г. Вайнерман, О.А. Ганаго, Ю.А. Геллер, Г.Д. Дель, А.М. Дмитриев, В.И. Ершов, Л.В. Зуева, В.В. Куниловский, Магазаки, И.Я. Мовшович, А.Г. Овчинников, Л.А. Позняк, А.В. Ребельский, Л.Й. Рудман, Ю.М. Скрыпчевко, СИ. Тимашев, Б.Ф. Трахтенберг, Ч. Шаффер, Юошино и др.
Над решением проблем, связанных с повышением стойкости штампов, моделированием процессов штамповки, изучением напряженно-деформированного состояния штампов успешно работали ученые К. И. Басов, Н.В. Биба, Р. Галлагер, Р. Гамильтон, А.Н. Давыдов, Я.М. Клебанов, А.И. Липший, А.К. Мазурин, В.А. Потапов, СП. Рычков, Ж.К. Сабоннадь-ер, B.C. Севастьянов, В.П. Северденко, П.И. Соснин, С.А. Стебунов, АЛ. Чернышев, К.В. Щеклеин и др.
Работы этих ученых обеспечили значительный прогресс в проектировании и отработке штамповои оснастки, в изучении напряженно-деформированного ее состояния при горячей штамповке во многих отраслях машиностроения, что позволило значительно уменьшить время проектирования и подготовки штамповочного производства при повышении стойкости штампов.
Однако проблему нельзя считать решенной, о чем можно судить по состоянию проектирования, технологии изготовления штамповои оснастки в нефтегазопромысловом машиностроении и, в частности, в долотострое-нии.
На основе результатов исследований вышеназванных ученых и опыта производства сложился раздельный подход к разработке и оптимизации процессов, касающихся собственно штамповки, и к разработке и оптимизации технологии проектирования деталей сложной формы, поковок для них, проектированию сложных штампов и технологии их последующей механообработки. Такое положение нашло свое отражение в компьютерных системах, обособленных для решения проблем каждого из перечисленных этапов.
Указанный раздельный подход оправдан при относительно низкой стоимости механообработки детали по сравнению со стоимостью штампов и не приемлем для некоторых производств, в частности, долотного. Специфика I.
Все элементы долота обрабатываются в закаленном виде с очень высокой точностью, что обуславливает высокую стоимость механической обработки.
Форма и размеры поковок деталей зависят от типа и размера долота, а также от размеров заказываемых партий. При этом минимум приведенных затрат не всегда обеспечивается максимальной стойкостью штампов. Иногда эта стоимость может увеличиваться или снижаться за счет выбора свойств и стоимости материала, точности механообработки штампа, выбо-
pa режимов нагрева и штамповки. Это особенно актуально для малых партий заказываемых долот (менее 50 шт.).
При этом основная задача - оптимизировать не только отдельные параметры, но и приведенные общие затраты на одну заготовку, включающие и проектирование, и выбор материала для штампа, и механическую обработку, и штамповку. Специфика П.
Требование мобильности - сокращение сроков проектирования и освоения долот, а значит и всей необходимой оснастки, с 6 месяцев до одного.
Исходя из изложенного, общей целью настоящей работы является создание компьютерной системы сквозной технологии проектирования сложных штампов на основе моделирования процесса их эксплуатации, способной к совместной оптимизации всех этапов, резкому снижению сроков проектирования и освоения штампов без проведения длительных и дорогостоящих натурных экспериментов.
Элементы системы необходимо подобрать по их совместимости, согласовать путем разработки методик оптимизации и элементов программного обеспечения для широкой номенклатуры штампов.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи исследования:
разработка методик проектирования оптимизированных математических моделей лап буровых долот, их заготовок, ассоциированных с ними моделей штампов;
разработка методики конечно-элементного моделирования оптимизированного процесса штамповки;
разработка методики оптимизации технологического процесса изготовления штампов для заготовок лап, включающей автоматизированный выбор механической обработки, режущего инструмента, режимов обработки, оборудования;
разработка методики расчета удельной стоимости, приходящейся на одну поковку, базирующейся на цеховой себестоимости материалов и способов мехобработки с распределением границ затрат, обеспечивающих саму возможность и величину получаемого эффекта; разработка методики автоматизированного контроля точности получаемых в штампах заготовок лап и соответствие их параметров требованиям чертежа;
опытно-промышленная проверка, внедрение результатов в производство, оценка их экономической эффективности.
На защиту выносятся:
метод решения крупной научной проблемы совершенствования технологии проектирования и изготовления сложных штампов с гарантированными прочностными параметрами, установленными на базе моделирования процесса их эксплуатации и теории приспособляемости без проведения длительных и дорогостоящих натурных экспериментов;
создание компьютерной системы сквозного технологического обеспечения долотного производства штамповои оснасткой, позволяющей кратно повысить стойкость штампов, кратно снизить удельные затраты на одну поковку, многократно снизить сроки проектирования и изготовления штампов, получать большой экономический эффект.
Анализ проблем проектирования технического уровня изготовления сложных штампов и штамповой оснастки в РФ и за рубежом
Стоимость изготовления штампов очень велика. Например, стоимость изготовления одного штампа для выпуска заготовки лапы долота 0215,9 мм составляет более 40000 руб., а штампа для выпуска заготовки лапы долота 0269,9 мм - более 200000 руб.
Большие материальные затраты и сроки изготовления штампов, а также их недостаточная стойкость стали тормозом в развитии производства и растягивали на многие месяцы освоение новых типоразмеров долот, не обеспечивали их конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках и часто приводили к потере заказов.
Настоятельное требование рынка - радикальное снижение затрат и сокращение всех этапов освоения новой продукции. Для достижения этого необходимо максимально автоматизировать и оптимизировать процессы проектирования и изготовления штампов на основе применения современных компьютеров и эффективного программного обеспечения.
Одной из важнейших задач на этом пути является проведение широких исследовательских работ по интенсификации процесса изготовления штампов.
Из описания этапов и подэтапов базовой технологии проектирования и изготовления штамповой оснастки для выпуска заготовок лап буровых долот можно сделать вывод о том, что существует много нерешенных вопросов.
Проблемы повышения эффективности производства штампов и повышения их стойкости при производстве таких заготовок многогранны. Они возникают уже при проектировании самой детали, затем при проектировании поковки детали, потом при проектировании штампов для этих поковок, затем при разработке технологии изготовления штампов с выбором оптимального технологического маршрута, станков, инструмента, режимов обработки; далее при разработке технологического процесса непосредственной штамповки с учетом температурных и прочностных свойств штампов и применяемых для них материалов. Как правило, все эти проблемы оказывают взаимное влияние друг на друга и решаются только при наличии обратной связи.
Поэтому все указанные проблемы выбранной тематики необходимо исследовать во взаимной связи с использованием результатов исследований для разработки каждого этапа сквозного проектирования детали, поковки, штамповой оснастки, технологии изготовления штампов с учетом результатов изучения поведения и оптимизации режимов самой штамповки.
При проектировании штампов возникает целый набор вопросов, ответов на которые в опубликованных работах не имеется. Необходимо обеспечить оптимальное соотношение его стоимости и долговечности с учетом факторов, относящихся как к самому процессу изготовления, включая группу сложности поковки, тип используемого оборудования, скорость деформирования, начальный размер заготовки и её температуру, температуру подогрева инструмента, тип смазки, производительность, так и относящихся к виду силового натрушення штампа, включая скорость нагружения, время контакта штампа и деформируемого металла, наибольшие нагрузки на штамп, его максимальную и минимальную температуры, общее число циклов нагружения штампа. Кроме того, при проектировании штампов необходимо определить оптимальные механические свойства штампового материала, включая способность к закаливанию, ударную вязкость, высокотемпературную прочность, сопротивление термической и механической усталости.
Анализ опубликованных работ показал, что при горячей пластической обработке сталей стойкость инструмента ограничена, прежде всего, значительными температурными нагрузками [95,128]. Их воздействие состоит, в первую очередь, в повышении температуры выступающих и наклонных элементов гравюры, что сопровождается снижением прочностных характеристик материала и приводит к пластическим деформациям. Образование разупрочнённого слоя и локализация деформаций, в свою очередь, нарушают условия смазки и снижает долговечность инструмента.
Автором были исследованы работы с различными подходами к оценке прочностных характеристик штампов [84,85].
В ряде работ [47,83] сопротивление смятию связывается с температурой после нагрева и выдержки, при которой в течение 4 часов сохраняется заданная твёрдость, в других работах [2,6,12,94] принимается во внимание изменение диаграммы деформирования материала при эксплуатационных температурах. Такой подход позволяет учесть поведение материала только на первых циклах деформирования. Поэтому представляется целесообразным учитывать также послециклические свойства образцов, предварительно подвергнутых циклическому температурно-силовому воздействию.
Проведенный анализ показал, что общим недостатком рассмотренных подходов является необходимость введения многочисленных допущений эмпирического характера, в них нет прямого учёта влияния циклически изменяющегося градиента температур в приконтактных слоях штампа, а полученные таким образом результаты носят преимущественно качественный характер, поскольку не могут учесть сложную геометрическую форму реальных штампов.
В последние годы, учитывая постоянно растущие требования к качеству и себестоимости штамповок, целью конечно-элементного моделирования становится не только определение условий разрушения или образования дефектов в инструменте и изделии, но и многофакторная оптимизация.
Другое направление повышения точности и эффективности анализа -учёт связанности задач теплопроводности и механического деформирования заготовки [88,91,95]. Поскольку предел текучести и другие механические свойства зависят от температуры, граничные условия краевой задачи теплопроводности изменяются с изменением геометрии заготовки; кроме того, и пластическая деформация и трение вносят вклад в генерацию тепла. Это означает, что температурные поля и поля скоростей перемещений при деформировании заготовки взаимосвязаны и более точное решение получается при их связанном рассмотрении.
Разработка метода конечно-элементного моделирования процесса штамповки заготовки лапы бурового долота
Подготовка штамповочного производства представляет собой длительный процесс, в рамках которого значительное время и средства тратятся на технологические пробы, в особенности при использовании новых высокопрочных и труднодеформируемых материалов [91].
Другая важнейшая составляющая суммарных затрат - получение рациональной геометрии штампов. С 70-х годов в нашей стране и за рубежом ведутся работы по автоматизации расчетов деформационных и энергосиловых характеристик процессов штамповки и определения оптимальной формы штампа.
При проектировании штампа необходимо обеспечить оптимальное соотношение его стоимости и долговечности. Себестоимость процесса штамповки определяется, как правило, стоимостью штампа, приходящейся на одно изделие. Отсюда следует важность выбора штампового материала. Выбор материала зависит от следующих трёх групп факторов. 1. Факторы, относящиеся к самому процессу изготовления, включая группу сложности поковки, тип используемого оборудования, скорость деформирования, начальный размер заготовки и её температура, температура подогрева инструмента, тип смазки, производительность. 2. Факторы, относящиеся к виду силового нагружения штампа, включая скорость нагружения, время контакта штампа и деформируемого металла, наибольшие нагрузки на штамп, его максимальная и минимальная температуры, общее число циклов нагружения штампа. 3. Механические свойства штампового материала, включая способность к закаливанию, ударную вязкость, высокотемпературную прочность, сопротивление термической и механической усталости. Надлежащий выбор материала и геометрии штампа, технологии его изготовления определяют, в конечном счёте, его долговечность. Штампы выходят из строя по целому ряду причин: изменения в размерах из-за износа и/или пластической деформации, разгара контактной поверхности, нарушения условий смазки, растрескивания или поломки. Виды повреждения гравюры штампов, которые приводят к невозможности дальнейшей эксплуатации [92], в порядке возрастания частоты их появления, следующие: образование разгарных трещин, пластическая деформация, трещины механического происхождения, износ. При этом износ и смятие, по данным работы [6], являются преобладающими причинами выхода из строя молотовых и прессовых штампов. Аналогичные данные для штампов этой группы приведены и в работе [108]. Иллюстрации наиболее характерных видов износа и излома штампов приведены в главе 5. При горячей пластической обработке сталей стойкость инструмента ограничена, прежде всего, значительными температурными нагрузками. Их воздействие состоит, в частности, в повышении температуры выступающих и наклонных элементов гравюры. Важность температурных дефектов при деформировании была отмечена в работах [95, 128]. Возрастание температуры сопровождается уменьшением прочностных характеристик мате риала и приводит к пластическим деформациям. Образование разупроч-нённого слоя и локализация деформаций, в свою очередь, нарушают условия смазки. При этих обстоятельствах ожидать большой долговечности инструмента не приходится. Традиционный подход к анализу пластических деформаций элементов гравюры базируется на использовании упрощённых критериальных соотношений. Обычно принимают [58] условие q o-CM, где q - давление штамповки, асм - сопротивление смятию. При этом учитывается тот факт, что в начальный период работы разупрочнение при-контактных участков материала снижает величину Оси . Существуют различные подходы к определению сопротивления смятию. В одних работах [47,83] она связывается с температурой после нагрева и выдержки, при которой в течение 4 часов сохраняется заданная твёрдость. В других работах [54,94] принимается во внимание изменение диаграммы деформирования материала при эксплуатационных температурах. Последний подход позволяет учесть поведение материала только на первых циклах деформирования. Поэтому представляется целесообразным учитывать также послециклические свойства образцов, предварительно подвергнутых циклическому температурно-силовому воздействию. Допускаемые нагрузки связывают также с некоторым критическим изменением длины образца при сжатии [55] или с критической остаточной деформацией [58]. В последней работе рассматриваются зависимости где [ тш ] - допускаемое напряжение смятия, С - коэффициент, зависящий от деформированного состояния инструмента (осесимметричное и т.д.), тш кр - величина сжимающих напряжений, определяемых при циклических испытаниях в заданном диапазоне температур. Это напряжение при фиксированном цикле теплосмен приводит к критической остаточной деформа ции. На основе экспериментальных данных последняя принимается равной 1%, а число циклов теплосмен -1000. Общим недостатком рассмотренных выше подходов является необходимость введения многочисленных допущений эмпирического характера. Кроме того, в них нет прямого учета влияния циклически изменяющегося градиента температур в приконтактных слоях штампа. При горячей штамповке инструмент испытывает не только механические напряжения, но и термомеханические, которые создаются циклическим тепловым воздействием: повторным деформированием заготовки и выдержками между ними.
Попытки аналитического расчёта температурного градиента и вызываемых им в штамповом инструменте температурных напряжений в условиях теплосмен имеют длительную историю [11,95,106]. Полученные таким образом результаты носили преимущественно качественный характер, поскольку не могли учесть сложную геометрическую форму реальных штампов.
Ситуация изменилась с развитием методов численного моделирования. Использование метода конечного элемента для анализа состояния инструмента и заготовки при горячей обработке металлов давлением началось в конце семидесятых годов прошлого века. В восьмидесятых в этом направлении были получены важные результаты с использованием двухмерного моделирования стационарных процессов. Нестационарные двухмерные численные расчёты, которые требовали значительного машинного времени, были впервые выполнены в восьмидесятые годы для технологических процессов изготовления деталей аэрокосмического назначения [109].
Методика проектирования З-Б-модели штампа по результатам анализа НДС от механического и теплового воздействия
При этом область сложной геометрической формы заменяется совокупностью подобластей, или конечных элементов простых типичных форм. Внутри каждого конечного элемента функции wk, описывающие перемещения, остаются гладкими и выражаются через перемещения узлов, в которых стыкуются элементы. Этим обеспечивается непрерывность функций перемещений w на всей области. Однако при этом гладкость функций w нарушается, и поэтому решение неизбежно получается приближённым. Сходимость решения по МКЭ к точному решению обеспечивается уменьшением размеров конечных элементов, то есть увеличением их числа в разбиении конструкции. Процедура метода конечных элементов состоит из следующих основных операций.
Построение математической модели конструкции. Геометрическая область V, описывающая основные силовые элементы конструкции, представляется в виде совокупности конечных элементов (КЭ). Выбор формы КЭ зависит от характера рассматриваемой задачи и от точности решения, которую требуется обеспечить. Например, при решении плоских задач (плоское напряженное состояние, плоская деформация, осе-симметричное нагружение) или тонкостенных конструкций (оболочки) разбиение области производится треугольными или плоскими четырехугольными конечными элементами. Трехмерные области обычно разбиваются с помощью элементарных тетраэдров, призм, произвольных шестигранников (гексагонов).
Определяется выбором типа КЭ. Обычно в качестве неизвестных в МКЭ принимаются узловые перемещения в направлениях осей координат X, Y, Z. Число узловых точек определяет число степеней свободы и, алго ритмическую сложность решения задачи и точность определения искомой функции Wk в объеме каждого КЭ и, следовательно, во всей области V.
Матрица жесткости КЭ определенного типа зависит от принятого для этого типа конечного элемента интерполирующего полинома. Этим полиномом выражается закон изменения искомой функции wt по объему КЭ через значения его узловых неизвестных. При этом вид полинома определяющим образом сказывается на сходимости решения по МКЭ к точному решению. 4. Получение системы разрешающих уравнений. Статическая задача теории упругости при решении методом конечных элементов сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений, порядок которой равен числу степеней свободы л. В матричном виде система записывается как Ки = Р, (1) где К- глобальная матрица жесткости конструкции размером пхп; и - вектор неизвестных перемещений; Р вектор нагрузок. Глобальная матрица получается суммированием матриц жесткости отдельных КЭ с учетом их индексов строк и столбцов. 5. Решение системы уравнений. Решение системы уравнений (1) является наиболее трудоемким этапом, требующим наибольших вычислительных ресурсов. Для её решения обычно используются различные варианты метода Гаусса (последовательного исключения неизвестных). 6. Вычисление напряжений в конечных элементах. Вычисленные узловые перемещения конечных элементов (вектор и) определяют поле перемещений, а значит деформаций и напряжений внутри каждого элемента. Деформации определяются как производные от функ ции перемещений, а напряжения связаны с деформацией через матрицу Гу-ка, или, в одноосном случае, через модуль упругости материала. Процедура построения конечно-элементной модели автоматизирована и решение задачи достигается применением высокотехнологичных компьютерных систем, таких как NASTRAN, ANSYS. В настоящее время этот метод широко применяется в различных отраслях машиностроения, в авиации, ракетной технике, в строительстве. Применение МКЭ и других дискретных моделей для анализа различных конструктивных решений, позволяет уменьшить время разработки конструкции и снизить затраты на изготовление и испытание опытных образцов [61]. Численный анализ процессов циклического термоупругопластиче-ского поведения штампов при эксплуатации может быть осуществлён путём прямого пошагового трёхмерного конечно-элементного расчёта, выполняемого до достижения установившегося циклического состояния. Однако такой полный неупругий анализ требует весьма подробных и не всегда доступных сведений о циклическом поведении материала [138], занимает много машинного времени, является трудоёмким и дорогостоящим и на практике не применяется. Проектирование штампового инструмента, как и многих других конструкций, целесообразно выполнять на основе достаточно простых норм и правил, отвечающих критериям предельной циклической несущей способности [100,104]. Последние опираются, в частности, на теоремы приспособляемости, которые позволяют прямым, непосредственным расчётом получать оценки таких предельных значений силовых и температурных факторов, для которых асимптотическое циклическое состояние инструмента не сопровождается появлением на выступающих и наклонных участках гравюры новых пластических деформаций.
Для оценки нижней границы приспособляемости, что особенно важно при проектировании конструкций, используется статическая теорема Мелана. В соответствии с ней приспособляемость в идеальном упругопла-стическом теле наступит, если можно найти такое независящее от времени поле фиктивных остаточных напряжений егу, что при любых изменениях нагрузки в заданных пределах сумма этого поля с полем напряжений ёги в идеально упругом теле безопасна, т.е. суммарное напряжённое состояние y ij находится внутри поверхности текучести.
Теоремы приспособляемости позволяют избежать трудоёмкого упру-гопластического анализа поциклового деформирования конструкций, используя решения надлежащих упругих задач. Это обстоятельство положено в основу всех существующих численных методов расчета приспособляемости конструкций [101,103,107,110,111,115-118,121,1223. Последовательность линейных конечно-элементных решений строится таким образом, чтобы подобрать поле фиктивных остаточных напряжений a .., соответствующее возможно большей области приспособляемости. С этой целью на каждой итерации по определённым правилам корректируются значения модулей упругости в отдельных конечных элементах. В ранних работах [101,103,121] рассматривалось непосредственное применение техники математического программирования. Анализ оказался весьма дорогостоящим, занимающим много машинного времени и, как следствие, были решены только некоторые двухмерные задачи. Несколько менее трудоёмкий подход развит в работах [116-118]. Однако точность получаемых с его помощью оценок оказывается не выше, чем в методе упругой компенсации [107,111], реализация которого существенно проще и быстрее.
Результаты внедрения новой системы сквозного проектирования и изготовления штамповои оснастки для выпуска заготовок со сложной объемной геометрией
В 1-й и 2-й главах диссертации проведен анализ состояния вопросов проектирования, технологии изготовления штампов для заготовок лап буровых долот, обоснована необходимость разработки сквозной комплексной системы, включающей все этапы, начиная от процедуры конструкторского и технологического проектирования модели лапы, поковки, штампа, исследования его работоспособности, стратегии механической обработки, выбора оптимальных оборудования, инструмента, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ, непосредственного процесса штамповки до проверки соответствия параметров полученной штамповки требованиям КД.
Указанная сквозная комплексная система работ призвана обеспечить многократное снижение сроков проектирования лап, их поковок, штампов, сроков их изготовления, повышение точности, резкую интенсификацию изготовления штампов, снижение припусков штамповок лап и трудоемкости их изготовления, повышение стойкости самих штампов. В свою очередь, система позволит снять тяжелую зависимость освоения новых конструкций буровых долот от изготовления поковок лап, повысить их конкурентоспособность в соответствии со все возрастающими требованиями внутреннего и внешнего рынка. Именно только комплексное решение всех этих задач может обеспечить качественно новый уровень технологии производства штампов и долот в целом, повысить культуру производства и улучшить экологию. Кроме того, внедрение указанного комплекса разработанных научно-технических мероприятий должно обеспечить также и получение многомиллионного экономического эффекта при изготовлении и эксплуатации многих сотен штампов, необходимых для реализации ежегодных планов производства ОАО «Волгабурмаш» и других долотных заводов.
Первоочередной задачей указанной комплексной системы является замена базовой методики проектирования лапы долота в 2Б-модели, не позволяющей построить ассоциированную с ней оптимизированную математическую модель штампа.
Оптимизиция математической модели штампа должна проводиться на базе анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) штампа в зависимости от задаваемых режимов его эксплуатации, включая механическую и тепловую нагрузки, а также в зависимости от изменения геометрии элементов конструкции штампа и его материала.
Решение этих задач должно обеспечить повышение стойкости штампов без дорогостоящих и трудоемких натурных экспериментов.
По полученной оптимизированной математической модели штампа должна разрабатываться также новая стратегия технологии механической обработки предварительно каленой заготовки штампа, позволяющей получить окончательные и более точные размеры гравюры без дополнительной термической обработки и ручной подгонки. По этой модели при разработке технологии изготовления штампов также должен осуществляться обоснованный выбор оптимальных видов и размеров инструмента для механообработки, последовательности переходов и режимов обработки с целью обеспечения максимальной производительности при наименьших затратах.
После этого должны быть выбраны из каталожной базы данных отечественных и зарубежных станкостроительных фирм типы фрезерных обрабатывающих центров для оптимальной обработки большого ассортимента штампов для лап долот разного размера, способных обеспечить осуществление выбранной статегии обработки с учетом соотношения качества и цены. Далее, с учетом выбранных оборудования и инструмента должна производиться разработка управляющих программ обработки заготовок штампа для выбранного оборудования и в соответствии с разработанной ранее стратегией технологии. Только после выполнения всех перечисленных этапов возможно осуществление оптимизированной механической обработки заготовок штампа. Заключительным этапом системы сквозного автоматизированного проектирования и изготовления штампов должна быть проверка точности готового штампа по конфигурации полученной при штамповке заготовки лапы методом контроля профиля на основе ее компьютерной ЗБ-модели. Для реализации всех перечисленных задач комплексной системы от проекта до готовой заготовки лапы должно быть разработано соответствующее методическое, математическое и программное обеспечение с последующей их опытно-промышленной проверкой. Предложенная автором блок-схема процесса сквозного автоматизированного проектирования и технологии изготовления штампов для выпуска поковок лап показана на рис. З. І. В соответствии с предложенной системой сквозное проектирование начинается с проектирования самой лапы долота. Проектирование нового современного бурового долота - сложный и трудоёмкий творческий процесс, включающий патентную проработку и анализ уже существующих отечественных и зарубежных конструкций с целью обеспечения патентной чистоты и патентоспособности, предварительный выбор параметров для удовлетворения исходных требований, и, наконец, непосредственное проектирование.
