Введение к работе
Одной из важнейших задач науки о деформировании металлов является обеспечение производства информацией, необходимой для выбора оптимального технологического процесса, формы инструмента, расчета мощности и усилий деформации. Теоретические методы расчета процессов обработки металлов дают принципиальную возможность при заданных граничных условиях определить напряженное и деформированное состояния, однако точные решения удается получить лишь для простейших задач. Поэтому многие методы решения задач используют различные упрощающие допущения и предположения, которые позволяют получить приближенные решения.
Кроме того, широкое внедрение ЭВМ и разработка систем автоматизированного проектирования технологии и управления производством, предполагают использование универсальных пакетов программ на основе зарекомендовавших себя математических моделей и методов, ориентированных на определенный класс задач ОМД.
Наиболее крупный вклад в создание и развитие теории эбработки металлов давлением внесен И.С.Губкиным, \.Ф.Головиным, И.М.Павловым, Г.Я.Гуном, А.Д.Томленовым, і.В.Сторожевым, В.Л.Колмогоровым, А.И.Целиковым, S.П.Унксовым, И.Л.Перлиным, Е.А.Поповым, Е.М.Макушком, V.А.Поздеевым, Ю.А.Алюшиным, А.Г.Овчинниковым, І.Г.Степанским и др. Среди зарубежных ученых следует этметить Э.Зибеля, Т.Кармана, Э.Томсена, В.Джонсона, І.Кобаяши, Х.Кудо и др.
Большое распространение для решения задач обработки іеталлов давлением получил метод верхней оценки, основанный іа анализе кинематически возможных полей. При этом обычно іспользуются различного рода поля скоростей, состоящие из [епрерывно деформируемых или недеформируемых (жестких) ібластей. Поля скоростей из жестких областей применяются
в основном для плоской деформации, при этом получаются весьма простые в математическом отношении зависимости. Поля скоростей непрерывного типа при традиционном подходе являются Солее универсальными, так как позволяют решать осесимметричные задачи, однако в некоторых случаях даже для плоской деформации возникают трудности, связанные с выбором подходящих функций для скоростей и перемещений.
С другой стороны, соотношения метода верхней оценки позволяют разрабатывать достаточно общие модели и алгоритмы расчета с использованием ЭВМ основных технологических параметров процессов ОМД. Настоящая работа посвящена разработке обобщенных математических моделей, алгоритмов и программ расчета на основе метода верхней оценки, способствующих совершенствованию основных технологических операций путем внедрения обоснованных методик расчета и оптимизациии основных параметров, определяющих пластическое формоизменение при обработке металлов давлением.
Цели работы предусматривают:
разработку общих соотношений для расчета энергосиловых и кинематических параметров процессов обработки металлов давлением на основе кинематически возможных полей скоростей из жестких и непрерывно деформируемых областей для трехмерной и осесимметричной деформации;
обоснование возможности уточнения и использования суперпозиции плоских полей скоростей в процессах объемное деформации для расчета технологической оснастки и Выборг основного оборудования при ОМД;
разработку методики учета ускорений и влияния инерционные сил на силовые параметры и пластическое формоизменение і полях скоростей из жестких и непрерывно деформируемы: областей при расчете основных технологических параметрої процессов деформации;
обоснование достоверности получаемых результатов путеї анализа достаточно изученных процессов и сопоставления и:
с результатами опубликованных теоретических и экспериментальных исследований;
разработку обобщенных методик, алгоритмов и программ расчета на ЭВМ основных технологических параметров и их использование для разработки и совершенствования процессов выдавливания, высадки, штамповки и дргих операций ОМД.
Идея работы заключается в развитии и обобщении метода верхней оценки с учетом минимального динамического принципа и совершенствовании технологических операций обработки металлов давлением на основе общих алгоритмов и программ расчета.
Методы исследования включают: метод верхней оценки, оснований на экстремальных принципах теории пластичности, аналитические и численные методы анализа, программирование на ЭВМ и экспериментальные исследования.
Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней впервые:
предложены общие соотношения для расчета процессов трехмерной деформации на основе полей скоростей из жестких и непрерывно деформируемых областей;
получены соотношения для расчета ускорений и инерционных . сил в методе верхней оценки и обоснована эффективность учета их влияния на силовые и кинематические параметры процесса при различных условиях деформирования;
обоснованы возможность уточнения полей скоростей с точки зрения кинематики и усилий деформирования, а также целесообразность использования варьируемых параметров кинематического характера для различных типов полей скоростей;
предложены общие алгоритмы и программы расчета основных технологических параметров на основе полученных соотношений и показана эффективность их применнения для различных процессов пластической деформации.
На защиту выносятся:
общие кинематические и энергетические соотношения для кинематически возможных полей скоростей и результаты их анализа для различных видов дефомации;
обоснование и теоретический анализ возможности уточнения плоских полей скоростей;
обоснование и результаты использования плоских полей скоростей в расчетах процессов объемной деформации;
методика учета ускорений и инерционных сил в полях
скоростей из жестких и непрерывно деформируемых областей;
результаты исследования процессов деформации с учетом
инерционных сил и использования варьируемых параметров
кинематического характера;
алгоритмы и программы, а также результаты расчетов для процессов прямого, обратного и комбинированного выдавливания, осадки кольца, трехмерной осадки, протяжки, штамповки и высадки.
внедренные в производство технологические рекомендации по совершенствованию процессов штамповки и высадки болтов, в том числе элементы системы автоматизированного проектирования технологии штамповки круглых в плане поковок.
Достоверность результатов подтверждается: теоретическим анализом и численной проверкой корректности решений, получаемых по предложенным методикам;
сравнением результатов моделирования различных процессов по разработанным алгоритмам с известными решениями;
экспериментальными исследованиями в лабораторных и промышленных условиях;
эффективностью внедрения технологических рекомендаций. Практическая ценность работы определяется тем, что вследствие ее выполнения:
обоснована и разработана универсальная методика расчета технологических параметров на основе метода верхней оценки
и пакет прикладных программ, применимый для широкого класса задач ОМД.
внедрены рекомендации по совершенствованию и разработке технологических процессов высадки, выдавливания, штамповки.
Внедренные результаты диссертации содержат разработку способов штамповки осесимметричных изделий, включая конструкции штампов, рекомендации по способам высадки болтов с точки зрения силовых условий, стойкости инструмента и заполнения полости штампа, разработку отраслевого классификатора деталей, переводимых на холодную объемную шиамповку, а также элементы САПР технологии объемной штамповки.
Суммарный экономический эффект работ, выполненных и внедренных с участием автора в период с 1979 по 1996 год, превышает 1,2 млн.рублей, при доле автора более 400 тыс.рублей (в ценах 1991 года).
Теоретические разработки и программное обеспечение, содержащиеся в диссертации, использовано в учебном процессе и разделах курсов "Механика сплошных сред", "Теория обработки металлов давлением" и "Применение ЭВМ в обработке металлов давлением" Сибирской государственной горнометаллургической академии (г.Новокузнецк).
Апробация работы проведена на следующих конференциях и семинарах: региональные конференции (Кемерово, 1975, 1977), Всесоюзная конференция (Омск, 1978, 1984), отраслевая конференция (Барнаул, 1981), Всесоюзная конференция (Липецк, 1988), Всесоюзный семинар (Ленинград, 1990), региональная конференция (Новокузнецк, 1990), Всесоюзный семинар (Новокузнецк, 1991), Международная конференция (Новокузнецк, 1995, 1997), а также на различных научных семинарах по проблемам пластичности и обработки металлов давлением Сибирской государственной горно-металлургической академии и ряде высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов.
Публикации: результаты диссертации опубликованы в 32 печатных работах.
Структура и об'ьем работы: диссертация изложена на 371 страницах и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы, 113 рисунков, 43 таблиц и приложений.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Сибирской государственной горно-металлургической академии по темам "Разработка системы автоматизированного проектирования технологии горячей штамповки для предприятий Кузбасса" и "Разработка новых технологических процессов изготовления изделий методом обработки давлением" в рамках комплексной научно-технической программы "СИБИРЬ", раздел 15.06, блок 5.1.