Введение к работе
Актуальность темы исследования:
Как правило результатом обработки металлов давлением (ОМД) является значительная неоднородность структуры и, как следствие, высокая анизотропия свойств по сечению деформированного металла. При этом к настоящему времени методика, позволяющая оценить влияние различных структурных неоднородностей на напряженно-деформированное состояние и склонность металла к разрушению, принятая всеми работающими в данном направлении учеными, отсутствует. Традиционно металлы и их сплавы считают материалами, обладающими свойствами сплошной среды. Неоднородность структуры металлических изделий мала и ей обычно пренебрегают. При этом, в различных ситуациях и условиях, механические и физические характеристики материала, в разных точках обрабатываемой детали становятся настолько существенными, что не принятие во внимание данного факта может служить причиной серьёзных ошибок во время моделирования различных процессов.
Используя некоторые методы механики сплошных сред (МСС), возможно определить поля напряжений, перемещений и температур исследуемого тела, находящегося под воздействием какой-либо системы внешних сил. Но важно отметить, что существует серьёзное несоответствие между достаточно точными методами расчёта полей напряжений и перемещений и последующими оценками прочности исследуемого материала. Одной из основных причин такой ситуации является сложность структуры реальных материалов, наличие многочисленных повреждений и несплошностей различных размеров. Также на прочность тел влияют схемы деформированного и напряженного состояния и внешние условия. Вследствие вышеобо-значенных причин разрушение материала представляется комплексной проблемой на стыке нескольких наук: физики твердого тела, механики сплошных сред и материаловедения. Такая проблема требует тщательного системного исследования.
Исходя из этого, можно обозначить актуальность проблемы, связанной с постановкой и решением краевой задачи, т.е. исходя из поставленных в задании условий на границах области, имеющей чёткие пространственные и временные границы, отыскать при помощи математических методов условия во всем объеме этой области. Для корректного решения задачи при определении параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) в процессах обработки давлением структурно-неоднородных металлов необходимо учитывать следующие основные особенности:
постановка начальных условий (геометрические параметры компонентов, задание условий взаимодействия на контакте компонентов)
задание граничных условий (описание межслойной границы, условий взаимодействия заготовки и инструмента).
- определение реологических свойств отдельных компонентов и системы в целом (определение уравнений состояния или уравнений связи).
Создание обобщенной теории, устанавливающей связь напряженного и деформированного состояний через физические уравнения связи МСС, является одной из фундаментальных проблем современной ОМД. Определение условий перехода в первое и второе предельные состояния. Разработка и выбор математического инструментария для решения краевой задачи ОМД. Таким образом, настоящая диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи.
Цель работы: развитие технологий процессов волочения стальной проволоки и холодного прямого выдавливания биметаллических прутков на основе комплекса методик расчета напряженно-деформированного состояния с учетом неоднородности материалов для обеспечения качества продукции.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
обоснование рациональности выбора математического инструментария, используемого для расчета напряжённо-деформированного состояния обрабатываемой заготовки, и критериев разрушения, которые позволяют учитывать неоднородность структуры деформируемого тела в процессах холодной пластической деформации металлов;
адаптация существующей методики моделирования с использованием метода конечных элементов под задачи процессов обработки давлением неоднородных по своей структуре металлов и сплавов;
разработка методики определения изменения межслойной границы при постановке граничных контактных условий для краевой задачи обработки металлов давлением, основанной на представлении области контактного взаимодействия как некомпактной среды;
подтверждение адекватности предлагаемых математических моделей, полученных аналитических и математических результатов;
изучение деформации с учетом стадии холодной пластической обработки биметаллических прутков, характеризующихся наличием слоистости;
исследование влияния параметров структурной неоднородности на разрушение металла при волочении проволоки с использованием метода конечных элементов;
исследование НДС при деформировании композиции «сталь-полимер» и разработка технологии волочения стальной проволоки с фторопластовым покрытием.
Методология и методы исследований. В работе использован комплексный метод, включающий математический анализ, численное модели-
рование, физическое моделирование, экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях. В исследованиях использовались экспериментальные и теоретические методы определения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) в процессах холодной пластической деформации металлов.
На защиту автором выносятся:
-
Методология постановки и решения краевой задачи теории ОМД, включающая комплекс методик постановки начальных условий (геометрические модели и граничные условия) и решение (условия наступления предельных состояний) краевой задачи теории ОМД с учетом неоднородности структуры.
-
Математический аппарат и оценка параметров напряженно-деформированного на основе предложенных критериев для выявления предельных состояний в условиях деформации сплавов, характеризующихся неоднородстью структуры.
-
Математическая модель контактного взаимодействия поверхностей обрабатываемого материалы и инструмента, основанная на представлении области контактирования как некомпактной пористой среды и аналитическое определение коэффициента пропорциональности между нормальными и касательными напряжениями.
Научная новизна. Признаками научной новизны обладают следующие результаты диссертации:
-
Методология постановки и решения краевой задачи теории ОМД с учетом неоднородности структуры исследуемых материалов.
-
Научно обоснованный подход к описанию граничных условий при постановке и решении краевой задачи ОМД, основанный на возможности представления области контакта поверхностей в виде некомпактной среды, образованной встречным поглощением пиков обрабатываемого материала и неровностей рабочего инструмента.
-
Условия пластического холодного выдавливания биметаллических прутков с учетом слоистости структуры, при которых формируется равномерная толщина оболочки по всей длине.
-
Математическая модель оценки параметров НДС, условий разрушения в процессе волочения, учитывающая неоднородность структуры в виде содержания и распределения неметаллических включений в металлической заготовке.
-
Математическая модель расчета характеристик параметров НДС компонентов при волочении проволоки с полимерными покрытиями.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается:
- применением современного лабораторного оборудования для оценки механических свойств, макро и микроструктуры металлов и сплавов;
применением при математическом моделировании апробированного численного метода анализа - метода конечных элементов;
корреляцией результатов теоретических исследований с экспериментальными данными и результатами промышленных испытаний.
Практическая ценность работы заключается в следующем: 1 Методами конечно-элементного математического моделирования сформирован способ прогнозирования механических свойств и характеристик НДС в процессах деформации стальных заготовок с газовыми порами, неметаллическими включениями и направленной структурой.
-
Предложен вариант технологического процесса получения центральных медно-никелевых электродов свечей зажигания двигателей внутреннего сгорания с заданной теплопроводностью методом холодной объёмной штамповки.
-
Разработана технология производства проволоки с полимерным покрытием с последующим волочением.
-
Разработаны специальные режимы волочения стальной проволоки, учитывающие присутствие в структуре обрабатываемого металла неметаллических включений, являющихся причиной неоднородности структуры. Разработанные режимы обеспечивают снижение обрывности по переходам маршрута волочения.
-
Разработано и проверено в действии программное обеспечение, позволяющее учитывать влияние механических свойств поверхностных слоев и геометрических параметров напряженного состояния на величину энергосиловых параметров для различных процессов ОМД.
Апробация работы
Результаты проделанной работы были представлены в докладах на следующих конференциях и семинарах: онлайн семинар «Возможности решений SIMULIA в машиностроении» (2012 г.), IX Конгресс прокатчиков (г. Череповец, 2013 г.), 71-72-ая Межрегиональные научно-технические конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2013, 2014 гг.), III международная научно-техническая конференция «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки металлов давлением» (г. Тула, 2014 г.), Международная научная конференция «Новые технологии и достижения в металлургии и инженерии материалов и процессов» (г. Ченстохова, Польша, 2014 г.), III Международная научно-практическая конференция «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия (г. Новосибирск, 2014 г.), X научно-техническая конференция «Пластическая деформация металлов» (г. Днепропетровск, Украина, 2014 г.), 2-ая Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении – ИТММ-2014» (г. Пермь, 2014 г.).
Личный вклад автора в представленную работу заключается в планировании, организации и проведении сравнительного анализа, в аргументированном выборе критерия разрушения и корректного расчетного аппарата, применяемых для расчета напряженно-деформированного состояния при ОМД с учетом неоднородности материала; в постановке задачи конечно-элементного моделирования, анализе, обобщении и интерпретации результатов экспериментальных и теоретических исследований.
Публикации: Результаты работы отражены в 57 статьях, в т.ч. 21 статье в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и 6 приложений на 12 страницах. Текст диссертации изложен на 288 страницах машинописного текста, включает 124 рисунка и 27 таблиц. Список литературы содержит 219 наименований.