Введение к работе
Актуальность работы.
Перспективным направлением создания ресурсосберегающих технологий является применение способов штамповки, обеспечивающих получение изделия при приложении меньших деформирующих сил, что особенно значимо при использовании метода холодной объемной штамповки (ХОШ), позволяющего изготавливать поковки с формой, размерами и качеством приближающимися или соответствующими готовым деталям, благодаря чему уменьшается или полностью исключается доработка резанием.
Проектирование малоотходных технологий ХОШ получения изделий с заданными свойствами сопряжено с решением комплекса задач для определения условий устойчивого протекания процессов штамповки, нагрузок на деформирующий и формообразующий инструменты, напряженно-деформированного состояния (НДС) и свойств штампуемой детали, выбора смазки, оптимальных технологических параметров и режимов обработки для повышения стойкости инструмента, предотвращения образования дефектов и т.д.
Потребность в улучшении технологий приводит к необходимости разработки новых и усовершенствованных способов формообразования и штампового инструмента.
Изучение новых способов штамповки и резервных возможностей известных процессов пластической деформации металлов для поиска оптимальных режимов металлообработки требует проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
Применение планирования экспериментов, математического и компьютерного моделирования, а также систем автоматизированного проектирования, использование которых сокращает сроки и снижает стоимость технологической подготовки производства, позволяет научно обосновать, разработать и воплотить эффективные технические и технологические решения.
Актуальным и важным, как в теоретическом, так и практическом отношениях является повышение уровня и результативности проводимых исследований, чему способствует совершенствование известных и создание новых теоретических и экспериментальных методов обработки металлов давлением (ОМД).
Особый интерес для развития теории механики сплошной среды и деформируемого твердого тела может представлять определение и аналитическое описание геометрических условий, показывающих единство и связь результатов решений задач методами: линий скольжения (МЛС), верхней оценки (МВО) и нижней оценки (МНО), позволяющих выявить закономерности и уточнить результаты некоторых известных решений.
В диссертационной работе, которая выполнялась в соответствии с Аналитическими целевыми программами министерства образования и науки Российской федерации «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2011 г.г. (проект 2.1.2/5431) и на 2012-2014 г.г. (проект 7.1765.2011), представлены некоторые из возможных решений указанных проблем.
Цель работы – развитие научных основ и инженерных решений для разработки прогрессивных технологий холодной объемной штамповки, обеспечивающих экономию материальных, энергетических ресурсов и получение изделий с заданными свойствами.
Методы исследования Для достижения поставленной цели применены общие положения теории обработки металлов давлением и теории пластичности, базирующиеся на принципах механики сплошной среды.
В теоретических исследованиях процессов использовались аналитические и численные методы: вариационный энергетический, совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности, линий скольжения, нижней и верхней оценки, конечных элементов.
Математическое и компьютерное моделирование, а также планирование, получение и обработка данных проводилась с применением стандартных и специально разработанных компьютерных программ.
При проведении экспериментальных исследований использовались методы: математического планирования эксперимента; координатных сеток; макроструктурного анализа; измерения твердости; тензометрирования.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены следующие основные задачи:
1. Анализ актуальных направлений, методов и решений практических и теоретических задач для создания и реализации ресурсосберегающих технологий.
2. Разработка и обоснование графо-аналитической модификации метода верхней оценки для расчета энергосилового режима и кинематики течения материала в процессах плоской и осесимметричной деформации.
3. Экспериментальное исследование влияния технологических факторов на НДС и формоизменение металла в различных процессах штамповки.
4. Разработка математических и компьютерных моделей процессов ХОШ на основе энергетических методов расчета.
5. Разработка теоретически и экспериментально обоснованных математических моделей для оценки условий предельного формоизменения без разрушения при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями.
6. Создание с использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований прогрессивных технологий изготовления изделий методом ХОШ.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы:
1. Предложена модификация метода верхней оценки, реализующая графо-аналитический подход к вычислению составляющих удельной деформирующей силы по геометрическим соотношениям треугольных блоков, как для плоских, так и осесимметричных схем деформации.
2. Установлены взаимоотношения между результатами решений задач о деформировании полосы и осадки тупого клина различными методами математической теории пластичности (МЛС, МНО и МВО). Показаны графические приемы сопоставления оптимальных результатов этих задач, а также получены новые результаты, дополняющие и уточняющие известные теоретические решения.
3. Впервые показана связь с «золотой» пропорцией результатов оптимизационных расчетов, отвечающего минимуму деформирующей силы.
4. Получены новые экспериментальные и теоретические данные для ряда процессов штамповки, включающих операции высадки, обжима, раздачи, поперечного, прямого и обратного выдавливания.
5. Разработаны методики определения силового режима и формоизменения заготовок для комбинированных и совмещенных процессов ХОШ, включающих операцию поперечного выдавливания. Созданы математические модели процессов штамповки, позволяющие рассчитывать формоизменение заготовки и определять величины деформирующих и реактивных сил, действующих на подвижный и неподвижный формообразующий инструмент.
6. Разработана методика оценки условий предельного формоизменения без разрушения применительно к холодному поперечному выдавливанию фланцев с коническими и сферическими поверхностями.
7. Предложены новые технические и технологические решения, защищенные патентом и авторскими свидетельствами.
Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается применением апробированных теоретических и экспериментальных методов и технических средств. Результаты расчетов формоизменения, характеристик НДС и энергосиловых параметров подтверждены проведенными экспериментами в лабораторных и промышленных условиях, сопоставлением с известными экспериментальными и теоретическими данными, оценкой погрешности экспериментов статистическими методами, а также успешным внедрением в производство созданных на основе исследований технологий. Достоверность и новизна технических решений подтверждена свидетельствами на изобретения.
На защиту выносятся
1. Математические модели процессов высадки и выдавливания изделий с коническими поверхностями.
2. Результаты оптимизационного решения задач плоской деформации, полученные с применением предложенной модификации МВО - метода «энергетической геометрии» (МЭГ).
3. Качественные и количественные зависимости, устанавливающие взаимосвязь между результатами предельного и замкнутого решений задач о деформировании полосы и тупого клина, полученные МЛС, МНО и МВО, а также зависимости, устанавливающие связь полученных результатов с «золотой» пропорцией и описываемые семейством гипоциссоид.
4. Экспериментальные и теоретические зависимости, описывающие процессы пластического формоизменения металлов и сплавов при ХОШ изделий с коническими поверхностями.
5. Методика оценки условий предельного формоизменения без разрушения при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями.
Практическая ценность работы
1. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны научно-обоснованные методики проектирования технологических процессов изготовления осесимметричных полых и стержневых деталей.
2. Применение предложенного способа штамповки деталей с наружным и внутренним фланцами из трубных заготовок [15, 33] при создании и внедрении технологии в производство позволило увеличить коэффициент использования материала в 4,4 раза [48].
3. Разработанные математические модели процессов ХОШ использованы при создании технологий изделий с фланцами и полостями [1, 5, 10, 22, 28, 32, 33, 36, 48]. Для реализации способов выдавливания, высадки и обжима применены оригинальные технические решения [15-21, 24, 34].
4. Предложенная методика оценки поврежденности металла и прогнозирования разрушения при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями позволяет определить условия повышения запаса пластичности металла [23, 45, 51].
5. Для моделирования процессов штамповки проведения инженерных и исследовательских расчетов, автоматизированного получения и обработки экспериментальных данных созданы компьютерные программы [57-60], реализующие расчетные методики, формулы и математические модели.
7. Выявленные геометрические закономерности оптимизационных решений позволили найти взаимосвязи и уточнить результаты решений некоторых известных задач математической теории пластичности. Это дало возможность их применения в качестве тестовых задач при разработке компьютерных программ, использующих в качестве вычислительного средства МВО [39, 47, 57].
8. Результаты работы используются в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» и ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» при обучении студентов и магистрантов по машиностроительным и механическим специальностям [35, 49].
Апробация работы Основные результаты и положения диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на следующих семинарах, совещаниях, конференциях и симпозиумах: научно-технич. конф. «Совершенствование конструирования, изготовления и эксплуатации штампов для холодной штамповки на предприятиях отрасли» – Барнаул, 1982.; научно-технич. конф. «Автоматизация штамповки и внедрение малоотходных процессов» – Омск, 1984; отраслевое совещ. по холодной объемной штамповке. – Белебей, 1987; семинар «Перспективы производства точных заготовок и деталей методами объемного деформирования», – Москва, 1990; Всеросс. научно-метод. конф. «Новые информационные технологии в системе многоуровневого обучения» – Н.Новгород, 1996; научно-технич. конф. «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе» – Омск, 2003; II Международ. науч.-техн. конф. Механика пластического формоизменения. Технология и оборудование обработки материалов давлением – Тула, 2004; V Междунар. научно-технич. конф. «Динамика систем, механизмов и машин» – Омск, 2004; Всерос. научн. конф. молодых ученых «Наука, технологии, инновации» – Новосибирск, 2004; III Междунар. технологич. конгресс «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» – Омск, 2005; VIII Междунар. симпозиума «Advances in Abrasive Technology» – С-Пб, 2005; Междунар. научно-технич. конф., посв. 50-летию ЛГТУ «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» – Липецк, 2006; Всеросс. научно-технич. конф. «Прогрессивные технологические процессы, новые материалы и оборудование обработки металлов давлением» – Рыбинск, 2006; Всеросс. научно-технич. конф. «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» – Омск, 2006; 59-й Междунар. научно-технич. конф. ААИ: Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера» – Омск, 2007; Всеросс. научно-практич. конф. «Металлургия новые технологии, управление, инновации и качество» - Новокузнецк, 2007; Междунар. научно-технич. конф. «Броня – 2008», Омск, 2008; VII Междунар. научно-технич. конф. «Динамика систем, механизмов и машин» – Омск, 2009; 69-й Междунар. научно-технич. конф. ААИ, Омск, 2010; 5-я Межрегион. научно-практич. конф. «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, модернизация, эксплуатация, боевая эффективность, наука и образование» «Броня-2010» Омск. 2010; Междунар. конгресс «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности», Омск, 2010; Междунар. научно-технич. конф. «Новые наукоемкие технологии получения материалов и изделий повышенного качества методами обработки металлов давлением», Краматорск, 2011; II Междунар. научно-технич. конф. «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов, Орск, 2011; Междунар. 66-я научно-практич. конф. СибАДИ, Омск, 2012.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.16.05 – Обработка металлов давлением:
п.1. Исследование и расчет деформационных, скоростных, силовых, температурных и других параметров разнообразных процессов обработки металлов, сплавов и композитов давлением.
п.2. Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью методов физического и математического моделирования.
п.4. Оптимизация процессов и технологий обработки давлением для производства металлопродукции с заданными характеристиками качества.
п.5. Математическое описание процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с целью создания математических моделей, способов, процессов и технологий.
Личный вклад автора состоит в организации и постановке экспериментальных и теоретических исследований, непосредственном участии в их проведении, в анализе результатов исследований, в обобщении и обосновании всех защищаемых положений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 68 работ в виде научных статей, трудов, материалов, докладов. В том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, опубликовано 23 работы. 49 работ опубликованы в соавторстве, 16 работ опубликовано лично автором, получены патент и 6 авторских свидетельств на изобретения, 4 свидетельства об отраслевой и государственной регистрации компьютерных программ. Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 327 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, основных выводов, приложений, содержит 15 таблиц, 200 рисунков и список литературы из 322 наименований.
