Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕГО ПЛА- 16
СТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ЗАГОТОВОК ПО
ВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ И МЕТОДОВ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.
1.1 Виды и особенности технологических процессов горячего пластиче- 16
ского деформирования для получения заготовок и изделий повышенной
точности.
1.1.1. Горячее прессование профилей сложной формы. 17
Горячая прокатка профилей сложной формы. 20
Прецизионная штамповка в закрытых штампах. 23 1.1.4. Прецизионная штамповка в открытых штампах. 28
1.2 Анализ многопереходных технологических процессов штамповки 30
заготовок турбинных лопаток.
1.2.1. Характеристики геометрии и точности поковок заготовок турбин- 30
ных лопаток.
1.2.2 Анализ факторов и параметров технологического процесса штам- 32
повки, влияющих на точность поковок турбинных лопаток.
1.3. Проектирование многопереходных процессов горячей объемной 43
штамповки.
Этапы проектирования технологического процесса многопере- 43 ходной горячей объемной штамповки.
Классификация поковок и выбор технологических процессов на 48 основе описания их топологии.
Применение систем автоматизированного проектирования при раз- 53 работке технологии ГОШ.
Системы математического моделирования процессов горячей объ- 65 емной пластической деформации.
1.5.1 Метод конечных элементов. 65
1.5.2 Системы моделирования технологических процессов ГПО с ис- 68
пользованием МКЭ.
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ И 90
КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАГОТОВКИ И ФОРМООБ
РАЗУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.
2.1. Теория математического моделирования процессов обработки 90
металлов давлением.
2.1.1. Определяющие уравнения. 90
Теория пластического течения. 91
Деформационная теория пластичности. 93
Математическая постановка задачи теории малых упругих дефор- 95 маций.
Математическая постановка задачи пластического течения. 97
Моделирование граничных условий на контактной поверхности 99 2.1.5 Нестационарные задачи теории поля. 105
Соотношения, определяющие элементы 105
Конечно-разностное решение дифференциальных уравнений. 107
2.2. Постановка расчетной задачи многопереходной горячей объемной 109
штамповки заготовок турбинных лопаток.
2.2.1. Постановка задачи. 109
Математическая модель материала. 116
Проверка адекватности модели упруго-вязкопластического тече- 131 ния для расчета параметров НДС для процессов с малыми упругопла-стическими деформациями
2.3. Моделирование напряженно-деформированного состояния поковки 141
при горячей калибровке в условиях жестких штампов.
2.3.1. Анализ напряженно-деформированного состояния поковки при 141
горячей калибровке в изотермических условиях.
Поле температур в поковке. 146
Напряженно-деформированное состояние металла в неизотерми- 151 ческих условиях калибровки.
2.4. Моделирование термоупругого нагружения штамповых вставок 156
Температурные поля в штамповых вставках. 156
Влияние жесткости упругого основания штамповых вставок. 161 2.4.3. Анализ напряженно-деформированного состояния штамповых 167 вставок.
2.5. Моделирование контактного взаимодействия системы заготовка - 176
инструмент.
Постановка и разработка алгоритма решения контактной задачи. 176
Анализ распределения напряжений и перемещений на поверхно- 190 сти контакта поковки и штампа.
2.6. Исследование влияния первого перехода штамповки на величину 199
недоштамповки (припуска на калибровку) заготовки турбинной лопат
ки.
2.6.1 .Моделирование процесса штамповки заготовок турбинных лопа- 199 ток на первом переходе.
2.6.2. Определение величины и распределения недоштамповки в поков- 216 ке лопатки после первого перехода штамповки.
2.7. Моделирование контактного взаимодействия заготовки и штампо- 219
вого инструмента при калибровке с учетом неравномерного припуска
на калибровку.
3. ТЕРМИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ ЗАГОТОВОК ПОСЛЕ КАЛИБ- 227
РОВКИ ПРИ ОСТЫВАНИИ (КОРОБЛЕНИЕ ПОКОВОК).
3.1. Кинетика формоизменения при охлаждении поковки после горячей 227
калибровки на воздухе.
Влияние структурных превращений в металле на кинетику формо- 240 изменения при остывании поковки.
Сравнение результатов моделирования процесса с эксперименталь- 252 ными данными.
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 260 ПЕРЕХОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОКОВОК ДЛЯ МНОГОПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ГОШ.
4.1. Функциональный анализ этапов проектирования технологического 260 процесса многопереходной горячей объемной штамповки.
4.1.1. Процедура проектирования геометрии поковки 261
Проектирование геометрии поковки. 265
Анализ процесса проектирования технологических операций штам- 269 повки.
4.3.1 Процедуры проектирования операций ГОШ. 269
Распознавание образа поковок по характеристикам их геометрии. 272
Проектирование операций штамповки поковок. 275 4.3.4 Определение вида и последовательности операций технологиче- 276 ского процесса штамповки на основе частных критериев сложности поковок.
Проектирование штампового инструмента. 285
Методика проектирования технологических процессов ГОШ. 291 4.6 Примеры проектирования технологических переходов штамповки 294 поковок.
Проектирование переходов штамповки поковки поворотного кула- 294 ка.
Проектирование переходов штамповки поковки рычага подвески 301 автомобиля.
Проектирование переходов штамповки поковки фланца. 305
%
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ MHO- 317 ГОПЕРЕХОДНОЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.
5.1 Общий алгоритм проектирования технологических процессов с ис- 317 пользование математического моделирования.
5.2. Методика проектирования переходов штамповки поковок повы- 321
шенной точности.
Определение геометрии поковки после процесса калибровки (пе- 321 ред охлаждением на воздухе).
Определение геометрии поковки перед калибровкой ( после по- 323 следнего перехода штамповки).
5.3 Проектирование геометрии штамповых вставок с учетом их дефор- 324 маций при калибровке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 328
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 329
Список литературы 332
Введение к работе
Процессы горячей пластической обработки (ГПО) относятся к широко и весьма успешно применяемым промышленным технологиям. Высокие механические свойства и другие эксплуатационные характеристики заготовок и готовых изделий при высоких показателях использования материала является отличительной чертой процессов ГПО в сравнении с другими технологическими процессами.
В настоящее время на фоне возрастающей конкуренции между производителями, как в промышленно развитых странах, так и в странах третьего мира, а также все более жестких требований потребителей к стоимости изделий и их качеству промышленные предприятия и научно-исследовательские организации уделяют повышенное внимание проблемам снижения расхода материала и энергии при их производстве. Это привело к созданию и широкому внедрению целого ряда новых технологических процессов горячей пластической обработки, позволяющих приблизить геометрию получаемых заготовок к геометрии готовых изделий и деталей, что в свою очередь позволяет значительно снизить объем и трудоемкость последующих этапов обработки, например механической обработки.
Идеальным вариантом являются технологические процессы получения заготовок и изделий повышенной точности, так называемые прецизионные процессы горячего деформирования. Изделия, получаемые с их помощью, имеют, как правило, частично или полностью готовые функциональные поверхности [1]. Так, например, при прецизионной штамповке заготовок зубчатых колес для автомобильной промышленности точность получения функциональных поверхностей детали соответствует IT 8-Ю по сравнению с IT 10-16 для обычных процессов горячей штамповки.
Повышенные требования к точности и качеству изделий и деталей, получаемых методами прецизионного горячего деформирования, в свою
очередь ведут к значительному повышению требований к технологическому процессу.
Для их реализации необходимы не только стандартные методы управления качеством в процессе производства, но и использование специальных методов на предварительных этапах (при проектировании процессов и подготовке производства), позволяющих обеспечить соблюдение высокого и воспроизводимого качества получаемых изделий.
Одной из особенностей систем управления качеством процессов горячей пластической обработки является то, что конкретные значения характеристик и показателей качества изделий могут быть определены только после полного их остывания, т. е. спустя некоторое время после окончания процесса, которое измеряется десятками минут. В связи с этим непосредственное реагирование на изменение выходных характеристик продукции или вообще не может быть реализовано или реализуется только частично. Поэтому весьма актуальной проблемой является создание моделей управления качеством процессов, например, на основе планирования экспериментов. Этот метод успешно применяется в большинстве систем управления качеством процессов горячей штамповки, особенно при изготовлении поковок повышенной точности (прецизионная штамповка). Вместе с тем, этот метод может быть эффективно реализован только в условиях серийного или массового производства.
При производстве деталей сложной формы в условиях мелкосерийного производства применение таких моделей приводит к значительному повышению стоимости продукции, так как количество необходимых для проведения экспериментов изделий соизмеримо с размерами выпускаемой партии. Это относится, в частности, к деталям энергетического машиностроения, например, турбинным лопаткам, изготавливаемым методами прецизионной штамповки.
Для уменьшения влияния или исключения возможности возникновения систематических погрешностей, которые главным образом возникают в процессе проектирования технологии и изготовления инструмента, используются специальные процедуры управления качеством, в частности FMEA (анализ причин (видов) и последствий отказов), "design review" (анализ проекта), планирования эксперимента. Широкое распространение при разработке технологических процессов за последние несколько лет получили методы математического моделирования, в частности с использованием метода конечных элементов (МКЭ).
Данная работа посвящена решению ряда методических и прикладных проблем, связанных с применением систем автоматизированного проектирования и методов компьютерного моделирования при разработке многопереходных технологических процессов горячей пластической обработки высокоточных (с уменьшенными припусками) изделий сложной формы.
Актуальность работы. Процессы горячей пластической обработки (ГПО) относятся к широко и весьма успешно применяемым промышленным технологиям. Высокие механические свойства и другие эксплуатационные характеристики заготовок и готовых изделий при высоких показателях использования материала являются отличительной чертой процессов ГПО в сравнении с другими технологическими процессами.
Повышенные требования к точности и качеству изделий и деталей, получаемых методами точной и прецизионной ГПО, в частности горячей объемной штамповки (ГОШ), в свою очередь ведут к значительному повышению требований к технологическому процессу, как с точки зрения надежности результатов проектирования, так и при его промышленной реализации.
Эффективным методом решения этих проблем, весьма интенсивно развивающимся в последнее время, является использование систем автоматизированного проектирования и математического моделирования, в частности на базе метода конечных элементов (МКЭ).
Вместе с тем при проектировании многопереходных процессов ГПО для изготовления изделий повышенной точности, например, технологического процесса многопереходной штамповки заготовок турбинных лопаток, возникает целый ряд специфических проблем, связанных как с математическим моделированием процессов пластического деформирования металла, например, решение контактных задач системы заготовка -инструмент, моделирование тепловых деформаций при остывании заготовок, так и определением переходов формообразования при ГОШ, методики проектирования деформирующего инструмента и других.
В связи с этим разработка научных основ проектирования многопереходных процессов горячей пластической обработки, в частности, процессов горячей объемной штамповки (ГОШ), изделий повышенной точности с использованием компьютерного моделирования является весьма актуальной проблемой современного машиностроительного и металлургического производства.
Цель работы:
Решение актуальной научно-технической проблемы, имеющей важное
народнохозяйственное значение и состоящей в создании методики и
алгоритмов компьютерного проектирования многопереходных
технологических процессов получения изделий повышенной точности методами горячей объемной пластической обработки и оценки качества результатов проектирования, обеспечивающих повышение эффективности производства, качества изделий и надежности технологий.
Задачи исследования:
Анализ факторов, влияющих на характеристики точности готовых изделий и заготовок при горячем пластическом деформировании, создание методики проектирования.
Сравнительный анализ моделей материала для исследования процессов финишной пластической обработки, в частности калибровки поковок.
Определение термомеханических условий работы деформирующего инструмента при штамповке и калибровке.
Решение контактной задачи взаимодействия заготовки и штампа при штамповке и калибровке.
Анализ процесса коробления поковок (термомеханических и структурных деформаций) при остывании после деформирования.
Проверка адекватности (правомерности) результатов математического моделирования процессов калибровки.
Оценка значимости отдельных технологических параметров процесса калибровки.
Разработка методики управления параметрами технологического процесса штамповки и калибровки.
Анализ основных этапов разработки технологических процессов ГОШ и создание формальных алгоритмов проектирования процессов.
10.Разработка методики определения последовательности операций штамповки и геометрии штамповых переходов на основе методов трехмерного геометрического моделирования.
11 .Разработка комплексного алгоритма проектирования
многопереходных процессов горячего пластического деформирования заготовок и изделий повышенной точности.
Научная новизна.
1. На основе комплексного анализа технологических процессов
сформулирован перечень основных параметров, определяющих точность
готовых изделий и заготовок при горячем пластическом деформировании,
обоснован выбор математической модели материала для моделирования
финишных операций пластической обработки и термомеханических
процессов охлаждения заготовок, дана оценка влияния структурных
превращений на формоизменение после деформирования. По результатам
проведенного анализа разработана и реализована методика прогнозирования
характеристик точности получаемых изделий при многопереходных
процессах пластической обработки.
2. Разработаны научные основы проектирования многопереходных
технологических процессов горячей пластической обработки для
изготовления высокоточных заготовок и изделий сложной формы с
использованием систем компьютерного моделирования, реализованных на
базе твердотельного трехмерного геометрического моделирования и МКЭ.
Формализован процесс проектирования технологических переходов ГОШ, разработаны и реализованы методики определения видов, последовательности и геометрии переходов штамповки для поковок пространственной формы, основанные на определении частных критериев сложности отдельных элементов поковок и генерировании геометрии этих элементов по переходам деформирования.
Разработана методика и алгоритмы решения задачи контактного взаимодействия при упруговязкопластическом течении металла заготовки и упругом деформировании двух штамповых вставок, с учетом податливости их опорных поверхностей.
5. На основе математического моделирования термомеханических
процессов, происходящих на всех стадиях технологического процесса
формообразования, показана возможность прогнозирования точности
получаемых изделий (поковок) и оценки влияния технологических
параметров на показатели качества изделий.
6. Сформулирован алгоритм построения замкнутой системы
проектирования технологического процесса ГПО, включающий
конструирование заготовки и формообразующего инструмента по переходам
деформирования, моделирование процессов деформирования заготовки,
работы инструмента и термомеханических процессов охлаждения заготовок,
позволяющий прогнозировать точность и качество металла готовых
изделий.
Практическая ценность.
Разработанные методики компьютерного моделирования, включающие геометрическое и математическое моделирование процессов ГПО, позволяют формализовать этапы конструкторско-технологического проектирования, произвести первичную оценку результатов разработки, повысить качество и сократить сроки подготовки и реализации процессов.
Разработанная методика математического моделирования позволяет определить напряженно-деформированное состояние системы заготовка -штамповый инструмент с учетом теплообмена и жесткостных характеристик оборудования, а также термические деформации в заготовке при остывании. Полученные результаты позволяют прогнозировать геометрию получаемых поковок, определить значимость отдельных технологических параметров.
Разработана методика компьютерного конструкторско-технологического проектирования, включающая методику определения последовательности операций штамповки и геометрии штамповых переходов для пространственных поковок сложной формы на основе методов пространственного геометрического моделирования и определения частных критериев сложности конструктивных элементов поковок.
Разработаны и реализованы алгоритмы комплексного проектирования многопереходных процессов горячего пластического деформирования заготовок и изделий повышенной точности.
На базе разработанных методик геометрического моделирования создан ряд программных комплексов, используемых в системах поиска аналогов технологических процессов в базах данных, автоматизации систем управления качеством, визуализации систем измерений геометрии пространственных деталей и др.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на конференции СПбГТУ «Инновационные технологии» (1995г.), международной научно-технической конференции «Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов» (1995г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном металловедении» (1997г.), научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (1997 г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» (1999г.), международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» (2001г.), Юбилейной научно-технической
конференции Академии инженерных наук РФ Северо-западное отделение (2001г.)
Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа в журналах и сборниках научных трудов, в виде докладов, тезисов докладов научно-технических конференций и одной монографии.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов по работе, изложена на 351 странице, включая 8 таблиц, 193 рисунка и список литературы из 152 наименований.
