Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
В обработке металлов давлением значительное распространение получили штампованные поковки деталей из алюминиевых сплавов с ребрами жесткости и тонким полотном, широко применяемые в различных отраслях оборонной промышленности, в том числе, авиакосмической технике, а также в последнее время автомобилестроении, что связано с высокими прочностными характеристиками при относительно небольшой плотности этих сплавов.
Большая номенклатура деталей указанного класса и вместе с тем мелкосе-рийность их производства в значительной мере определяют высокую стоимость штамповки опытных образцов и высокую трудоемкость изготовления и доработки штампового инструмента. Учитывая, что значительная доля оребренных тонкостенных деталей используется в изделиях ответственного назначения, немаловажным в их производстве является снижениезатрат времени, на их изготовление.
В связи с этим первостепенное значение имеет проблема разработки методов научно обоснованного проектирования технологических процессов для штам-.повки ребристых поковок из алюминиевых сплавов с тонким полотном.
В настоящее время создано достаточно большое количество математических моделей и базирующихся на них программных комплексов, учитывающих множество параметров, но позволяющих рассчитывать поковки в основном при решении осесимметричных и плоских задач. Поскольку детали рассматриваемого класса имеют сложную конфигурацию контура, превалирующими для них являются трехмерные геометрические параметры."
Возросшие возможности компьютерной техники позволяют получать решение для задач такого типа быстро и эффективно, интерпретируя его в достаточно удобной для восприятия и анализа форме имитационной модели с интеллектуальным интерфейсом, что в значительной степени облегчает и улучшает работу конст-
ОС НАЦИОНАЛ*"** |
*3й
руктора и технолога, позволяя им выбирать оптимальное или рациональное решение поставленной задачи проектирования поковки и инструмента ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Совершенствование методов проектирования технологии объемной штамповки и инструмента с использованием графо-аналитического компьютерного моделирования для повышения эффективности производства сложнопрофильных тонкостенных поковок с ребрами жесткости. ЗАДАЧИ
-
Анализ существующих методов математического, геометрического, физического и компьютерного моделирования процессов пластического деформирования металлов для обоснования общей методологии решения поставленной задачи.
-
Изучение течения металла по полотну заготовки и выбор физически непротиворечивой, соответствующей теоретическим и экспериментальным данным, счемы формоизменения. Исследование типов линий раздела течения металла для контуров различных конфигураций и вывод аналитических зависимостей с целью создания полного алгоритма расчета формообразования штампуемых поковок
-
Исследование видов пространственной эпюры контактных давлений и возможностей ее физического и геометрического моделирования поверхностями одинакового ската.
-
Анализ методов оптимизации параметров процесса штамповки и выбор рациональных геометрических параметров и технологических приемов, обеспечивающих устранение неравномерности течения металла по полотну заготовки. Обоснование критериев, оценивающих неравномерность течения металла, и выявление возможностей их использования для управления процессом получения бездефектных изделий.
-
Оценка влияния разнотолщинности ребер жесткости на схему течения металла по полотну заготовки и скорость заполнения металлом гравюры штампа с ребрами жесткости.
-
Разработка системной структуры и отдельных алгоритмов программного комплекса для расчета параметров процесса объемной штамповки оребренных поковок из алюминиевых сплавов.
-
Опробование разработанных методов, алгоритмов и программного комплекса на примере расчета параметров штамповки промышленных серийных поковок и выработка конкретных рекомендаций по получению бездефектных изделий. НАУЧНАЯ НОВИЗНА
-
Определен и научно обоснован выбор системы приемов решения задач объемной штамповки, сочетающий математическое, компьютерное, геометрическое и физическое моделирование как способ решения технологических задач обработки металлов давлением при получении сложнопрофильных тонкостенных поковок с оребрением.
-
На основе анализа экспериментальных и теоретических данных доказано, что радиальная схема течения металла по плоскости контакта является наиболее физически, непротиворечивой и удобной для расчета и моделирования на компьютере процесса объемной штамповки тонкостенных поковок с ребрами жесткости.
-
Разработана методика построения линии раздела течения металла как эквиди-станты по отношению к действительному или условному контуру штампуемой поковки, позволяющая установить геометрию линии раздела течения металла и выразить ее в виде аналитических или численных зависимостей.
-
Разработаны методы визуального представления пространственной эпюры контактных давлений, позволяющие построить ее ребра и линии раздела течения металла как проекции этих ребер на плоскость контакта, полученные в результате применения графо-аналитических приемов.
-
Разработан комплексный подход к рассмотрению взаимосвязанного решения задач расчета формообразования поковок с ребрами жесткости и тонким полотном и определения энергосиловых параметров процесса объемной штамповки.
-
Разработаны способы определения усилий пресса, необходимых для деформирования штампуемой поковки, базирующиеся на физическом моделировании и полученных аналитических зависимостях.
-
Научно обоснован подход к оценке неравномерности течения металла по полотну заготовки как фактору, способствующему равномерному формообразованию поковки в целом, а также применению технологических приемов, призванных регулировать направление потоков металла на плоскости контакта, на основе анализа критериев, характеризующих различные типы неравномерности: течения металла по плоскости контакта; формирования угловых и центральных участков ребер жесткости; формоизменения ребер жесткости в пределах одной ячейки; формообразования поковки в целом.
-
Выявлены преимущества технологического выреза по сравнению с другими технологическими приемами; разработана методика расчета заполнения технологического выреза и приемы регулирования неравномерности течения металла по плоскости контакта с помощью нескольких технологических вырезов, расположенных с учетом геометрии чистовой детали. Исследованы условия затекания металла в полости штампа под ребра жесткости различной толщины и влияние скорости их формирования на неравномерность формообразования поковки.
-
На основе анализа различных методов оптимизации получена методика выбора оптимальных параметров технологических конструктивных элементов в процессах объемной штамповки. В частности, решена задача определения радиуса и положения центров технологических вырезов при деформировании пластины в форме многоугольника в плане.
10. Разработаны алгоритмы программного комплекса, предназначенного для оп
ределения параметров объемной штамповки оребренных поковок на основе модели
рования на компьютере течения металла по полотну заготовки, формирования ребер
жесткости, формы пространственной эпюры контактных давлений, а также расчета
коэффициентов неравномерности и определения координат центра давления.
На основании разработанных методик и программ на Красноярском металлургическом заводе получены бездефектные серийные поковки, используемые в авиационной промышленности Путем анализа результатов моделирования на компьютере формообразования поковок с ребрами жесткости выявлены зоны возможного образования дефектов и предложены меры по их предотвращению Штамповка серийных поковок с учетом рекомендаций позволила получить полностью сформированные поковки с распределением волокон металла, удовлетворяющим заказчиков.
Практическая ценность работы заключается также в следующем:
-
Разработан программный комплекс по расчету параметров объемной штамповки поковок с развитым полотном и ребрами жесткости, который прошел апробацию на Самарском металлургическом заводе. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составило 10— 15%. Использование разработанного комплекса программ для расчета промышленных серийных поковок позволило сократить трудоемкость проектирования штампов, снизить затраты на инструмент за счет уменьшения вероятности ошибок конструктора при проектировании штампов, повысить качество изделий за счет обеспечения менее неравномерного течения металла в процессе штамповки
-
Программный комплекс позволяет произвести экспресс-анализ картины течения металла, определить неравномерность формообразования поковки, рассчитать деформирующее усилие пресса, определить центр давления, оптимизировать параметры технологических вырезов.
-
Разработанные методики и программы дают возможность обоснованно выбирать размеры и форму технологических конструктивных элементов, прогнозировать формообразование длинномерных поковок, а также имеющих ребра жесткости различной толщины
-
Широкое использование в диссертации графо-аналитических методов позволяет получать наглядное решение задач по расчету формообразования поковки и
построению пространственной эпюры контактных давлений, определяющих соответственно зоны неблагоприятного течения металла и номинальные усилия пресса, достаточные для полного формирования поковки.
Практическая значимость и техническая новизна работы подтверждаются патентами РФ на изобретение.
Результаты диссертации используются в учебном процессе в МИСиС и МГВМИ. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Результаты работы доложены и обсуждены на семинарах и конференциях: семинаре «Эффективная технология и техническое перевооружение кузнечного и листоштамповочного производства» (Москва, 1989), Международной научно-технической конференции «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (Егорьевск, 1995,1997, 1999), Пятом Международном совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 1998), на Российской научно-технической конференции «Авиационно-космические технологии-2003» (Воронеж, 2003), на совместных заседаниях кафедры ОМД и лаборатории ДСПМ МИСиС (Москва, май 2003, декабрь 2003). ПУБЛИКАЦИИ
Основное содержание диссертации опубликовано в двух монографиях, учебнике, двух учебных пособиях, 33 научных статьях. Получено 4 патента РФ на изобретения. СТРУКТУРА И ОБЪЕМДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов. Она изложена на 426 стр. машинописного текста, содержит 107 рисунков, 7 таблиц, список использованных источников из 233 наименований, атакже 7 приложений.
