Введение к работе
Актуальность. Развитие кузнечного производства, несмотря на все трудности его автоматизации, идет в последние десятилетия по пути широкого применения автоматизированных кузнечных комплексов (АКК), которые создастся на базе ковочных гидравлических прессов и радиально-обжимных машин СРОЮ, оснащенных-одним или двумя манипуляторами и автоматизированной системой управления. Во многих случаях АКК обьединены с нагревательными устрояствами и транспортными системами и являются по сути гибкими автоматизированными участками (ГАУ). Ставится задача создания на этой основе гибких производственных систем (ГПС). В настоящее время на заводах страны работает несколько десятков АКК на базе гидравлических прессов и РОМ.
Разработка математического обеспечения для ковки достаточно большого и сложного класса поковок типа валов, позволяющая реализовать ковку в автоматическом режиме на рассматриваемых видах АКК при обеспечении наибольшей производительности и требуемого качества поковок, является актуальной проблемой.
При разработке математического обеспечения необходимо определиться с концепцией его построения и решить большой комплекс задач по нагреву и охлаждению поковок, формоизменении и напряженно-деформированному состоянию (НДС) заготовок в процессе ковки. Проблемы обеспечения качества поковок требуют развития определяющих соотношения, экспериментальной базы исследования механических свойств металлов при больших высокотемпературных пластических деформациях, модели накопления поврежденности и критерия разрушения при пластической деформации.
Все выполненные исследования вытекали из потребностей практики освоения автоматизированной ковки на ряде заводов страны. Работы проводились в рамках целевой комплексной программы Минвуза РСФСР и Минавиапрома СССР 'Авиационная технология". Государственной научно-технической программы "Технологии, машины и производства будущего", по госбюджетной теме Имаш УрО РАН "Создание интегрированной ГПС металлообработки, реализующей сквозную'технологию мелкосерийного производства от САПР до готовой детали машины", а также по хоздоговорам с предприятиями ЭЗТМ (г. Электросталь). ВСМПО (г. Верхняя Салда). Уралвагонэавод <г. Н-Тагил) и УБТ и ВТ СНПО им. М.В.Фрунзе <г. Сумы).
Цель и задачи работы
Разработать математическое обеспечение функционирования АКК, создаваемых на базе гидравлических прессов и РОМ; обобщая опыт освоения технологии автоматизированной ковки, разработать концепцию построения математического обеспечения функционирования АКК и создаваемых на их основе ГАУ и ГПС.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1) для освоения программной ковки на прессах:
построить математические модели, описывающие формоизменение и охлаждение поковок типа валов в процессе ковки (протяжки) и знергосиловые параметры ковки,
найти оптимальные режимы управления процессами ковки;
-
для ковки на РОМ с целью обеспечения качества крупных поковок рассчитать температурное поле и НДС заготовки,
-
для повышения производительности ковочного участка построить математические модели, описывающие нагрев заготовок в печи и найти оптимальные по производительности режимы управления нагревом;
-
для более адекватного описания поведения металла в процессе ковки:
построить определяющие соотношения для больших упругопла-стических и упруговяэкопластических высокотемпературных деформаций и проверить их на тестовых задачах.
создать автоматизированную пластометрическую установку для изучения параметров механических свойств металлов, входящих в данные определяющие соотношения,
разработать математическое обеспечение для оценки параметров в определяющих соотношениях по экспериментальным данным,
- построить модель накопления поврежденности и критерий
разрушения при пластических деформациях.
. Достижение указанной цели, а также повышение эффективности математического обеспечения функционирования АКК и развитие методологии его разработки было обеспечено за счет применения аппарата теории оптимального управления и идентификации динамических объектов - новых методов исследования в теории обработки металлов давлением (ОМД).
Научная новизна
-
Разработана концепция математического обеспечения функци-энирования АКК. заключающаяся: 1) в построении математических моделей процесса ковки на принципах комплексности, декомпозиции и иерархичности, 2) в применении соответствующих каждой задаче теоретических и математических.методов ее решения, 3) в создании систем автоматизированного проектирования технологии ковки (САПР ТК> как аналогового человеко-машинного эвена в системе управления АКК.
-
Разработаны компоненты математического обеспечения функционирования АКК: получены математические модели формоизменения поковок типа валов квадратного, прямоугольного и круглого поперечных сечения при ковке (протяжке) плоскими вояками и круглого сечения при ковке плоскими, вырезными и Т-образными Сопками; рассчитано НДС при радиальной козке четырьмя бойками заготовки круглого поперечного сечения; построены математические модели процессов нагрева и охлаждения поковок типа гладких и ступенчатых валов; применен аппарат теории оптимального управления для оптимизации режимов кузнечной протяжки и нагрева заготовок в камерной электропечи с принудительной циркуляцией воздуха.
-
Построены в форме системы дифференциальных уравнений на основе производной Ноттер и Ривлина тензора напряжений Коли и тензора деформации Альманси определяющие соотношения для больших упруго-пластических и упруговязкопластических высокотемпературных деформация, создана автоматизированная пластометрическая установка для изучения параметров механических свойств материалов, входящих в определяющие соотношения, и позволяющая: реалиэовывать различные программы нагрева и скорости деформирования; измерять усилие деформирования, перемещение захватов, температуру поверхности на части длины образца и изменение геометрии шепки образца в процессе его растяжения, осуществлять автоматизированный сбор и обработку поступающей экспериментальной информации с помощью персонального компьютера. Разработано на основе аппарата'теории идентификации динамических обьектов математическое обеспечение для идентификации параметров в определяющих соотношениях по экспериментальным данным.
-
Построены в форме системы дифференциальных уравнений многомерная модель накопления поврежденности и критерия разрушения металла при холодной пластической деформации, которые более детально описывают физические механизмы процесса вязкого разрушения по
сравнению с одномерной Феноменологической моделью повреждаемости и расширяют возможности описания процессов накопления повреждеиности при,холодной деформации.
5. Впервые в теории ОМД применен аппарат теории идентификации динамических объектов к решению задач ОМД, в частности, при построении определяющих соотношений, моделировании накопления поврежден-ности металла во время пластической деформации, а также нагрева и охлаждения эаготоъок в процессе ковки.
Достоверность научных результатов и выводов обоснована теоретическими исследованиями, выполненными на базе научных представлений и аппарата теории обработки металлов давлением, механики твердого деформируемого тела, математики и системного анализа, а также совпадением результатов с экспериментальными данными в лабораторных и промышленных условиях.
Практическая ценность
Принятая концепция построения математического обеспечения "ункционирования АКК позволила выполнить в рамках государственной научно-технической программы "Технологии, масины и производства будущего" эскизный проект математического обеспечения системы функционирования головного образца ГПС радиальной ковки, создаваемого Рязанским заводом тя:.*далого куэнечно-прессового оборудования, и решить комплекс задач (построить модели формоизменения заготовки при протяжке и модели нагрева и охлаждения поковки; определить оптимальные режимы нагрева и ковки; решить задачи расчета НДС при радиальном обжатии заготовок; разработать САПР технологии ковки как диалогового человекомашинного звена в системе управления АКК).
На основе полученных математических моделей формоизменения поковок типа валов и энергосиловых параметров при ковке плоскими и вырезными бойками, а также оптимизации режимов ковки создана САПР технологии ковки валов для первого отечественного комплекса модели АКП 500/2.5. установленного на ЭЗТМ и состоящего из гидропресса усилием 5 МН и одного манипулятора .
По этим же моделям разработаны методики расчета оптимальных режимов протяжки поковок квадратного и круглого сечений, которые переданы на Южуралмашэавод и на ПО "Ижорский завод" для освоения программной ковки на АКК Фирмы D»vy Loovy (Англия).
Результаты исследований формоизменения Т-образными бойками 6ы-
ли использованы на ПО "ижорския завод" при совершенствовании технологического проектирования и изготовления поковок пластин на АКК.
На основе математических моделей формоизменения поковок типа валов, энергосиловых параметров ковки, охлаждения поковок, расчетов НДС при радиальном обжатии и исследований сопротивления, деформации стали 45ХГМА созданы системы автоматизированного расчета технологических режимов прессовой и радиальной ковки заготовок бурильных и веДУИИХ Труб ДЛЯ двух АКК фирмы PAHNKE Engineering (Германия): одного на базе гидропресса 15 МН и-двух манипуляторов, другого - на базе РОМ усилием 6.3 МН на боек, установленных на заводе УБТ и ВТ СНПО им. М.В.Фрунзе.
Расчеты НДС заготовки круглого поперечного сечения при радиальном обжатии четырьмя бойками и расчеты изменения температуры заготовки в процессе деформирования использованы при выполнении работы по совершенствованию технологии радиальной ковки на АКК на базе РОМ усилием 8 МН на боек производства фирмы sack (Германия) для ВСМПО. Работа проводилась в рамках целевой комплексной программы Минвуза РСФСР и Минавиапрома СССР "Авиационная технология" с целью улучшения проработки литой структуры прутков из титановых сплавов, обеспечивающей отсутствие внутренних разрывов, однородность макроструктуры и повышение выхода годного.
эти же расчеты и исследования сопротивления пластической деформации и пластичности осевой стели легли в основу выполненного комплексного исследования технологии ковки вагонных осей на АКК на базе РОМ фирмы gfm (Австрия), установленной на Уралвагонэаводе с целью выявления возможных причин возникновения внутренних разрушений в поковках осей.
Ка базе моделирования температурных полей молибденовых прутков и данных НДС при радиальном обжатии предложен способ изготовления спеченной молибденовой проволоки, на который получено авторское свидетельство.
Результаты математического моделирования и исследования оптимального управления процессом нагрева заготовок в камерной электропечи с принудительной циркуляцией воздуха позволили внедрить ускоренный нагрев заготовок под штамповку для автоматизированного штамповочного комплекса на одном из предприятий страны.
Суммарный экономический эффект от внедрения указанных работ .составил в ценах 1978—1983 годов более 150 тысяч рублей.
Результаты, алгоритмы и программы решения задач расчета Формоизменения заготовки и оптимизации режимов протяжки, идентификации системы печь-металл и оптимального управления нагревом, идентификации определяющих соотношений использованы в учебном процессе по специальности 'Обработка металлов давлением" (см. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением: Учебник для вузов. И.: металлургия. 1988. 688 с. Теория ковки и штамповки: учебное пособие для судентов машиностроительных и металлургических спсциальностея вузов ss Е.П.Унксов. У.Джонсон. В.Л.Колмогоров и др. м.: Машиностроение, 1992. 720 с. а также m на стр. 33 автореферата).
Апробация работы, основные положения работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на Всесоюзної» конференции "Пути повышения производительности труда в куэнечно-штамповочном производстве" (Киев, 1972); Научно-техническом семинаре "Оптимизация и автоматизация процессов свободной ковки на молотах и прессах" (Ижевск. 1973); Областном научно-техническом семинаре "Автоматизированные системы оптимального проектирования инженерных объектов и технологических процессов" (Свердловск, 1975); Шестом совещании комиссии АН СССР по технологии машиностроения и института Машиноведения им. А.А.Благонравова "Автоматизация процессов машиностроения" (Москва. 1976); Республиканской конференции "Системы и устройства радиотехники, автоматики и автоматизированного проектирования" (Свердловск. 1982). Республиканской конференции "Цифровые методы * обработки сигналов ъ задачах радиологии, связи и задачах управления" (Свердловск, 1984); її Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность и долговечность машин и приборов" (Куйбышев. 1984); vii научно-техническов конференции УПН им. С.М.Кирова "Совершенствование способов получения и технологии обработки металлов и сплавов" (Свердловск. 1984); VI Всесоюзной конференции "Теплофизика технологических процессов" (Ташкент. 1984); Научно-техническом семинаре "Пластичность и деформируемость при обработке металлов давлением" (Миасс. 1986); отраслевой школе в ВИЛСе молодых специалистов по актуальным вопросам куэнечно-штамповочного производства (Москва. 1986); Республиканской научно-технической конференции "Механика машиностроения" (Набережные Челны. 1987); Всесоюзной научно-технической конференции "Прогнозирование и управление качеством металлоизделий, получаемых обработкой давлением" (Абакан. 1988); і всесоюзном съезде технологов-машиностроителей (Москва. 1989); второй лет-
ней школе по механике твердого тела (Куйбышев. 1989); Научно-технической конференции "Вычислительный эксперимент и «тематическое моделирование в интересах технологических процессов" (Свердловск. 1989); Международной конференции "Актуальные проблемы пластической обработки металлов" (Болгария. Варна. 1990);Всесоюзной конференции "Дни советской нуки. Механика деформируемого твердого тела" (Тула. 1990); Всероссийской конференции "Математическое моделирование технологических процессов обработки металлов давлением" (Пермь. 1990); Научно-техническом семинаре "Механика и технология кавиностроения" (Свердловск, 1990).
Публикации. По теме диссертации опубликованы книга, 27 статей. доклад на международной конференции, получено авторское свидетельство.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения. шести глав, заключения, приложения, списка литературы из 370 нименования и содержит 239 страниц машинописного текста, 58 страниц рисунков и 8 таблиц.
На защиту выносятсяг
-
Концепция построения математического обеспечения функционирования АКК. создаваемых на базе гидравлических прессов и РОМ.
-
математические модели, описывающие в ряде операция ковки валов формоизменение и НДС заготовки, а также процессы нагрева и охлаждения поковок. Приложение аппарата теории оптимального управления к решению задач нагрева и ковки.
-
Определяющие соотнесения для больших упругопластических и упру-говязкопластических высокотемпературных деформаций; автоматизированная пластометрическая установка для: получения экспериментальных данных о входящих в определяющие соотношения." механических свойствах среды; математическое обеспечение для оценки по этим данным параметров в определяющих соотношениях. .
-
Многомерные модель накопления поврежденное и критерия разрушения при холодной пластической деформации.
-
Приложение аппарата теории идентификации динамических объектов к решению задач ОМД.