Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
В последние годы в нашей стране и за рубежом вызывают большой интерес задачи получения деталей с высокими механическими свойствами по технологиям, обеспечивающим наиболее рациональное использование материалов и энергоресурсов. Известно, что от 50 до 95% деталей, из которых производятся объекты техники и машиностроения, изготовляются с применением обработки давлением на кузнечно-прессовых машинах. От научно-технического уровня и совершенства кузнечно-штамповочного производства зависят качество, эксплуатационные характеристики всех объектов машиностроения, включая самые ответственные - космические, авиационные, энергетические, оборонные, транспортные и др.
В последние 10-15 лет все больше новых технологий и материалов занимают место в мировом машиностроении. Возрастающее внимание в области обработки металлов давлением уделяется процессам штамповки. Однако традиционная ковочная индустрия с классическими технологиями свободной ковки по-прежнему сохраняет свои позиции. Это объясняется рядом преимуществ ковки по сравнению с другими видами производства поковок, а именно:
Ковка позволяет получить высокое качество металла с повышенными характеристиками пластичности по сравнению с отливками. Кованые детали имеют лучшие физико-механические свойства по сравнению с теми же деталями, полученными в других процессах обработки материалов. Эти преимущества проявляются в большей статической и динамической прочности, лучшем использовании материала. При серийном производстве детали, полученные обработкой давлением, дешевле чем сварные, клепанные или обработанные на металлорежущих станках.
Возможность получать крупные поковки, масса которых исчисляется десятками и даже сотнями тонн, а длина - десятками метров. Получение таких
заготовок с высоким качеством металла другими способами в ряде случаев невозможно или нецелесообразно.
Для изготовления крупных по массе и размерам поковок требуются сравнительно небольшие усилия, так как обработка производится обжатием отдельных небольших участков заготовки, а удельные усилия невелики ввиду свободного течения металла в стороны. В результате требуются прессы и молоты сравнительно небольшой мощности.
Применение универсальных машин и, в особенности, универсального инструмента позволяет резко снизить затраты, связанные с оборудованием и инструментом при изготовлении единичных поковок или небольшого числа одинаковых поковок. В единичном и мелкосерийном производствах свободная ковка в большинстве случаев оказывается экономически более выгодной.
Однако при этом справедливо было бы отметить и недостатки свободной ковки:
Низкая производительность по сравнению с горячей штамповкой. В связи с этим для повышения производительности необходима по возможности как можно более полная механизация процессов ковки.
Большие напуски и припуски, исчисляемые десятками миллиметров при крупных поковках, что влечет значительную последующую механическую обработку. При этом чем сложнее поковка, тем больший требуется напуск для упрощения процесса ковки.
Снизить влияние этих отрицательных моментов и тем самым увеличить значение свободной ковки как отрасли отечественной индустрии возможно было бы внедрением инновационных технологий, принципиально новых методов проектирования и подготовки производства поковок. При этом одними из главных направлений являются компьютерное моделирование технологических процессов и автоматизация их проектирования, которые позволяют с высокой степенью точности и меньшей трудоемкостью решать такие важные задачи, как определение напряженно-деформированного состояния металла в каждой
точке деформируемой заготовки, определять характер и картину течения материала, рассчитывать потребные технологические усилия и др.
Сегодня для математического и компьютерного моделирования процессов пластического течения материала используется множество программных комплексов, учитывающих большое количество параметров и позволяющих рассчитывать главным образом формообразование осесимметричных и плоских поковок. Поскольку в реальных условиях поковки имеют достаточно сложную форму, главными при расчётах являются геометрические параметры.
Интенсивное развитие компьютерной техники даёт возможность получать решение задач такого класса весьма эффективно, в визуальной форме, что в значительной степени облегчает работу конструктора и технолога, позволяя им выбирать оптимальные либо рациональные способы проектирования поковки и инструмента.
Исследование течения металла в процессах ковки плоских заготовок с помощью различных методов моделирования для устранения неравномерности формирования поковок.
ЗАДАЧИ
Анализ используемых методов моделирования процесса ковки для обоснования выбора схемы течения металла и способов автоматизации проектирования технологии производства поковок.
Классификация кованых поковок и анализ проблем формообразования при ковке.
Получение аналитических зависимостей, определяющих картину течения металла и возможность моделирования процесса ковки плоских заготовок с помощью «теории тонкого слоя».
Адаптация программного комплекса PARSHTAMP к решению задач процесса свободной ковки. Компьютерное моделирование распределения линий раздела течения металла по полотну поковки для заготовок с технологиче-
скими выемками разной формы и расположения относительно контура поковки.
Аналоговое моделирование пространственной эпюры контактных давлений с целью получения наглядной картины течения металла и оценки неравномерности формирования поковки.
Экспериментальные исследования формоизменения плоской заготовки с предварительно нанесённой технологической выемкой для различных случаев расположения «жёстких концов» и выработка конкретных рекомендаций по предотвращению неравномерности формирования поковки.
Обоснован выбор системы приёмов решения задач свободной ковки, сочетающий математическое, компьютерное, аналоговое и физическое моделирование.
На основе применения различных способов моделирования разработана методика построения линии раздела течения металла и визуального представления пространственной эпюры контактных давлений для процесса ковки.
Разработан подход к решению задач расчета формообразования плоских заготовок и определению энергосиловых параметров процесса свободной ковки для различных случаев расположения «жёстких концов».
На основе анализа параметров, характеризующих неравномерность формообразования: бочкообразования, формирования выпуклостей, образования углов - научно обоснован подход к оценке неравномерности формообразования поковки, а также применению технологических приёмов, обеспечивающих регулирование течения металла.
Разработанная методика расчёта заполнения технологической выемки применена к процессу ковки плоских заготовок, что позволило определить геометрические параметры рассматриваемых поковок.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
На базе программного комплекса PARSHTAMP-M разработана методика компьютерного моделирования процесса свободной ковки поковок с тонким полотном, которая позволяет сократить трудоёмкость проектирования технологического процесса, повысить качество изделий за счёт снижения неравномерности течения металла.
Разработанная методология даёт возможность прогнозировать возможность образования дефектов и обоснованно выбирать размеры и форму технологических конструктивных элементов, предотвращающих их появление.
Широкое использование различных методов моделирования, в том числе визуального, позволяет получать наглядное решение задач расчёта формообразования поковки и построения пространственной эпюры контактных давлений.
Результаты работы используются в учебном процессе МИСиС и Санкт-Петербургского политехнического университета.
Результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: ежегодной Российской научно-технической конференции «Авиационно-космические технологии» (Воронеж, 2006, 2007, Таруса, 2008), Межвузовской научно-практической конференции «Применение математических методов и компьютерной техники в прикладных задачах» (Москва, 2007), Международной конференции по физическому и численному моделированию процессов обработки материалов (Китай, Чжэнчжоу, 2007), объединенном семинаре кафедр «Инженерная графика» и «Технология и оборудование трубного производства» МИСиС (Москва, май 2008).
Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, учебном пособии, 9 научных статьях.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов. Она изложена на 238 страницах машинописного текста, содержит 142 рисунка, 11 таблиц, список использованных источников из 159 наименований, а также 2 приложения.
