Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 8
1.1 Рельеф в дизайне художественных изделий 8
1.2 Методы изготовления художественных изделий с рельефом из листового металла 23
1.3 Метод СПФ для изготовления художественных изделий с рельефом .38
1.4 Выводы 49
Глава 2. Методика проектирования ТП СПФ изделий из листового металла с художественным рельефом 52
2.1 Алгоритм разработки ТП СПФ изделий с художественным рельефом .52
2.2 Конструктивный классификатор элементов художественного рельефа...54
2.3 Система критериев для оценки качества рельефа и технологических возможностей СПФ 58
2.4 Классификация ТП СПФ 60
2.5 Система критериев для выбора наиболее эффективного ТП СПФ 62
2.6 Выводы 64
Глава 3. Методика и материал для исследования СПФ труднодеформируемых элементов художественного рельефа 65
3.1 Материал для исследования 65
3.2 Методика и оборудование для исследования 67
3.3 Выводы 76
Глава 4. Теоретическое исследование процессов СПФ труднодеформируе мых элементов художественного рельефа 77
4.1 Алгоритм расчета процесса СПФ труднодеформируемых элементов художественного рельефа 77
4.2 Исследование СПФ труднодеформируемых элементов художественного рельефа 80
4.3 Выводы 89
Глава 5. Экспериментальное исследование СПФ труднодеформируемых элементов художественного рельефа 90
5.1 Исследование показателей качества элементов рельефа 90
5.2 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований показателей качества 102
5.3 Оценка деформированного состояния и структуры материала в зонах максимальной деформации 104
5.4 Оценка шероховатости и микротвердости поверхности 106
5.5 Выводы 107
Глава 6. Разработка технологии СПФ художественных изделий с рельефом 108
6.1 Реализация методики проектирования ТП СПФ изделий с художественным рельефом 108
6.2 Технологические рекомендации для разработки ТП СПФ 120
6.3 Выводы 127
Выводы 128
Список литературы 130
- Метод СПФ для изготовления художественных изделий с рельефом
- Система критериев для выбора наиболее эффективного ТП СПФ
- Алгоритм расчета процесса СПФ труднодеформируемых элементов художественного рельефа
- Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований показателей качества
Введение к работе
Создание уникальных художественных изделий высокого уровня дизайна напрямую связано с постоянным развитием и усложнением художественных приемов, используемых дизайнерами для проектирования, а также с применением прогрессивных инновационных технологий для их производства. В этом случае результат дизайна будет определяться гармоничным сочетанием художественных и технических решений, использованных в проекте.
Часто дизайнерам не удается реализовать свой замысел с качеством рельефа, предусмотренным проектом, в связи с недостаточной изученностью технологических возможностей инновационных наукоемких технологий и отсутствием технологических рекомендаций для их проектирования. Одной из таких наукоемких технологий металлообработки является листовая сверхпластическая формовка (СПФ). Имеющийся опыт и анализ литературы /1, 2, 3, 4/ показывают, что эта технология эффективна в условиях мелко- и среднесерийного производства деталей сложной формы в различных отраслях промышленности и, особенно, в производстве товаров народного потребления, имеющих сложный художественный рельеф.
Сущность технологии заключается в следующем: тонколистовые заготов
ки с мелкозернистой структурой нагреваются до температуры проявления эф
фекта сверхпластичности (например, латуни до 500-700 С), и деформируются
по форме инструмента - матрицы за счёт давления сжатого газа до 0,5 - 2 МПа.
Способность материалов деформироваться в условиях сверхпластичности с
большими степенями деформации при сравнительно малых величинах давления,
действующего на заготовку, обеспечивает конкурентные преимущества данной
технологии. Эти преимущества 'заключаются в возможности формообразования художественных изделий со сложным рельефом высокого качества с использованием сравнительно простого технологического оборудования, доступного дизайнерам - предпринимателям, и штампов, которые можно изготавливать не только из металла, но и неметаллических материалов в связи с малыми удельными дав-* лениями при СПФ. Благодаря сравнительно малым затратам на оборудование и
оснастку, технология применима не только для крупных предприятий, но и предприятий малого бизнеса, производящих художественные изделия в условиях мелкосерийного производства.
В разработку и внедрение технологии СПФ художественных изделий наибольший вклад внесли ученые: Смирнов О.М., Цепин A.M., Новиков И.И., Портной В.К., Ефремов Б.Н., Африкантов A.M., Кропотов Г.А., Земцов М.И., Поля-ков СМ. и др.
Широкое внедрение в практику дизайна формообразования художественных изделий в условиях сверхпластичности сдерживается в связи с недостаточной изученностью этой технологии и наличием пока не решенных научных проблем.
Наиболее важной проблемой является отсутствие методики проектирования
>
технологических процессов СПФ изделий из листового материала с художественным рельефом с учетом технологических возможностей СПФ. В связи с этим дизайнеры предприятий на стадии художественного замысла не могут оценить возможности изготовления рельефа и показатели его качества. На стадии подготовки производства возникают проблемы, связанные с выбором наиболее эффективных вариантов технологий с использованием эффекта сверхпластичности, режимов деформирования заготовок, проведения расчетов экономической эффективности, а также поиск направлений совершенствования качества технологии и дизайна изделий. Поэтому в настоящее время дизайнеры вынуждены совершенствовать дизайн рельефа и разрабатывать технологию его СПФ методом проб и ошибок.
В связи с этим актуальной научно-технической задачей, решению которой
, посвящена представляемая диссертационная работа, является разработка эффек-
тивной методики проектирования технологических процессов СПФ, позволяющей совершенствовать дизайн и технологию изготовления рельефа художественных изделий.
Цель работы - повышение дизайна рельефа художественных изделий и эффективности их производства с учетом технологических возможностей листо-
ч вой сверхпластической формовки.
Для достижения указанной цели поставлены задачи:
разработка методики проектирования технологических процессов СПФ изделий из листового материала с художественным рельефом;
разработка классификатора элементов художественного рельефа;
разработка системы показателей качества элементов художественного рельефа;
разработка классификатора технологических процессов СПФ;
анализ механизма СПФ труднодеформируемых элементов художественного рельефа с помощью программного комплекса «SPLEN»;
экспериментальное определение формуемости труднодеформируемых элементов художественного рельефа;
разработка моделей для расчета показателей качества художественного рельефа изделий при их СПФ.
Научной новизной исследования обладают:
методика проектирования технологических процессов СПФ изделий из листового материала с художественным рельефом, позволяющая совершенствовать дизайн рельефа и повысить эффективность технологии изготовления художественных изделий;
классификатор элементов художественного рельефа, позволяющий выделить наиболее труднодеформируемые элементы в рельефе;
система показателей качества элементов художественного рельефа, позволяющая оценить возможности его изготовления в соответствии с замыслом дизайнера;
классификатор технологических процессов СПФ, необходимый для разработки и выбора наиболее эффективного варианта технологии;
математические модели для расчета показателей качества труднодеформируемых элементов рельефа, позволяющие совершенствовать дизайн рельефа и проектировать технологию их СПФ.
Практическая значимость заключается в следующем:
методика и математические модели, разработанные в проекте, позволяют на стадии создания художественного изделия и проектирования технологии СПФ разработать множества альтернативных вариантов дизайна художественного рельефа и вариантов реализации технологии, и выбрать из них наиболее приемлемые;
полученные результаты позволяют сократить сроки и затраты на проектирование и освоение производства новых видов художественных изделий, а также повысить уровень их дизайна и снизить себестоимость изготовления;
разработанные рекомендации могут быть использованы для СПФ изделий с художественным рельефом как единичного, так и серийного производства, а также при производстве тонкостенных пространственных изделий с декоративными элементами сложной формы.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на IV Международной научно - технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (г. Ижевск, 2004 г.), V и VI Всероссийских научных конференциях по направлению 656700 «Технология художественной обработки материалов» (г. Ижевск, 2003 г., г. Киров, 2004 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технология - экология» (г. Киров, 2003, 2004, 2005, 2006 г.г.), научных семинарах кафедры «Технология художественной обработки материалов» ВятГУ. Материалы диссертации используются в учебном процессе подготовки инженеров по специальности «Технология художественной обработки материалов».
Метод СПФ для изготовления художественных изделий с рельефом
Этот метод относится к методам штамповки подвижными средами. В отличие от выше описанных методов штамповки подвижными средами, он имеет существенные отличия, важные для мелкосерийного производства художественных изделий.
Под СПФ понимают совокупность способов изготовления деталей из тонкостенных плоских или полых заготовок из сверхпластичных материалов под небольшим давлением формообразующего газа в определенных температурно-скоростных условиях /1/.
Сверхпластичные материалы имеют по сравнению с обычными металлами в несколько раз более высокую деформационную способность и в несколько раз меньшее сопротивление деформации, поэтому СПФ выделяют в особый вид деформации металлов.
Интерес к проблеме сверхпластичности объясняется возможностью на оборудовании малой мощности получать изделия сложной формы, в том числе значительных габаритов. Хорошие результаты достигаются при использовании эффекта сверхпластичности при обработке давлением малопластичных и труд-нодеформируемых металлов и сплавов, при получении деталей особо сложных форм с минимальными припусками для обработки резанием или без них, при штамповке крупногабаритных деталей, изготовление которых обычными методами очень сложно или невозможно из-за больших усилий деформирования.
В настоящее время выделяют три основных признака, сочетание которых характеризует состояние сверхпластичности /2, 36, 37/:
1) повышенная чувствительность напряжения течения сверхпластичных материалов к изменению скорости деформации или, иными словами, повышенная склонность этих материалов к скоростному упрочнению;
2) чрезвычайно большой ресурс деформационной способности, особенно наглядно проявляющийся в возможности деформировать сверхпластичные материалы равномерно, без заметной локализации, до нескольких сотен процентов (при растяжении);
3) напряжение течения материала в состоянии сверхпластичности меньше (в несколько раз) предела текучести, характеризующего тот же материал в пластическом состоянии.
Наиболее существенен из перечисленных признаков первый, т. к. способность сверхпластичных материалов к большим равномерным деформациям обусловлена сильной зависимостью напряжения течения от скорости деформации, приближающей их по реологическим признакам к вязким жидкостям. Именно вязким поведением сверхпластичных материалов объясняется их способность течь под действием напряжений, которые значительно меньше табличного предела текучести.
Состояние сверхпластичности определяется только совокупностью указанных трех признаков. Данные признаки сверхпластичности проявляются в определенных условиях, при соответствующем структурном состоянии материала, температурных условиях и скорости деформации.
Различают две разновидности сверхпластичности /2, 38/:
- металлы и сплавы с особо мелким или сверхмелким зерном (диаметр зерна менее 10 мкм);
-полиморфные металлы и сплавы при их деформировании в процессе фазовых превращений (исходный размер зерна при этом не имеет значения).
Первую разновидность называют структурной сверхпластичностью. Данный вид сверхпластичности, в отличие от второго вида, нашел большее применение в промышленности. Ее особенность - зависимость эффекта от исходного размера зерна (чем меньше зерно, тем больше его деформационная зависимость и меньше напряжение течения) и почти неизменное структурное состояние материала в процессе деформации.
В сверхмелкое состояние сплавы переводят обычно предварительной термической или термомеханической обработкой. При этом важно, чтобы зерна имели приблизительно равноосную форму, а их размеры в процессе нагрева и последующей деформации существенно не увеличивались. Наилучшие условия для этого имеют двухфазные сплавы. При этом росту зерен препятствует либо избыточная дисперсная фаза, выделяющаяся из твердого раствора по границам зерен, либо примеси, присутствующие даже в чистых металлах.
Для второй разновидности - сверхпластичности фазового превращения характерно постоянное изменение фазового состава и структуры металла в процессе деформации. Она обнаружена у железа и сталей, титана и его сплавов, цинка, циркония и др.
Температурный интервал существования структурной сверхпластичности может находиться в широких пределах: от температуры начала рекристаллизации (0,4 температуры плавления), до температур, близких к температуре плавления материала. Нижняя граница температурного интервала обусловлена ролью диффузионных процессов при деформации сверхпластичных материалов; верхняя соответствует температуре начала собирательной рекристаллизации. При этом важно, чтобы температура была постоянной по объему тела в течение всего периода деформации, поэтому структурную сверхпластичность иногда называют изотермической.
Скорость деформаций, которая обеспечивает состояние структурной сверхпластичности, с одной стороны, должна быть достаточно малой, чтобы успевали протекать диффузионные процессы в объеме тела, с другой, - достаточно высокой, чтобы в условиях повышенной температуры не допустить значительного роста зерен. Для большинства металлов и сплавов скорость деформации находится в пределах 10" -НО" сек 1, т. е. занимает промежуточное положение между скоростью высокотемпературной ползучести и скоростью деформации в традиционных процессах обработки металлов давлением.
Таким образом, сверхпластическое состояние металла зависит от многих факторов, в том числе от состава и структуры металла, температуры, скорости, степени и продолжительности деформаций.
Механизм сверхпластической деформации представляет собой результат сложного взаимодействия различных процессов движения точечных, линейных и объемных дефектов кристаллической решетки и границ зерен. 1 :__
Согласно современным представлениям, на первых стадиях деформация осуществляется в основном за счет межзеренного скольжения (за счет движения зернограничных дислокаций), в дальнейшем увеличивается вклад внутризерен-ной деформации (за счет движения дислокаций кристаллической решетки). Сплошность металла в условиях межзеренного скольжения сохраняется, в основном, за счет диффузионных процессов (объемная и граничная диффузия атомов и вакансий) 121.
Система критериев для выбора наиболее эффективного ТП СПФ
Эффективность производства деталей в значительной мере зависит от правильности принятия решения на стадии подготовки производства. На ранней стадии подготовки производства, когда выбираются наиболее эффективные ТП, оборудование, технологическая оснастка и заготовки, как правило, не удается с достаточной степенью точности оценить последствия внедрения альтернатив только одним экономическим критерием. Технология СПФ находится на стадии постоянного развития, и предприятия не имеют необходимой нормативной и технической документации для экономических расчетов. Более того, они не достаточно четко представляют, какие технико-экономические критерии изменяются при переходе от одного альтернативного ТП к другому. Это обстоятельство приводит к тому, что экономические расчеты фактически выполняются с низкой степенью адекватности реальным последствиям внедрения альтернатив, к тому же не учитываются при расчетах значимые факторы, которые обнаруживаются только на заключительной стадии подготовки производства при отладке выбранных предприятием технологий, когда уже произведены значительные затраты времени и средств. В связи с этим возникает необходимость в использовании системы критериев для оценки эффективности ТП СПФ.
Анализ научно-технической литературы, опыт внедрения и результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили определить показатели (критерии), определяющие эффективность ТП СПФ. Эффективность ТП оценивается двумя комплексными критериями: качеством художественного рельефа и социально-экономической эффективностью ТП СПФ.
Критерий, определяющий качество деталей (рисунок 36), - показатель, полученный после оценки возможностей изготовления художественного рельефа по показателям качества. Процедура оценки и состав информации, необходимой для ее осуществления описаны выше.
Критерий состоит из множества частных критериев. Частные критерии качества позволяют сопоставить различные альтернативные ТП между собой с целью определения наиболее предпочтительного (приоритетного) ТП. Критерии качества художественного рельефа могут выступать и в роли ограничений при выборе ТП СПФ.
Критерий социально-экономической эффективности является наиболее значимым при выборе ТП при относительно равных показателях качества художественного рельефа.
Для определения экономического эффекта необходимо определить давление сжатого газа, требуемое для СПФ, выбрать необходимое оборудование и технологическую оснастку и рассчитать себестоимость изготовления художественного рельефа. Кроме этого, для принятия решения об использовании одного из вариантов технологии, необходимо оценить и сравнить социальные последствия альтернативных вариантов ТП СПФ (экологичность, безопасность условий труда и т.д.).
Выбор наиболее эффективного ТП СПФ с использованием известных методик выполняется дифференциальным или комплексным методом, изложенным в государственных стандартах по оценке качества продукции /56, 57, 58/.
Пример выбора наиболее эффективного варианта ТП СПФ представлен в параграфе 6.1.
Разработка научно-обоснованной методики принятия решений при выборе оптимального ТП позволит перейти от методов, базирующихся только на опыте, интуиции и волевых решениях, к научно-обоснованным методам выбора оптимального ТП из числа возможных альтернатив.
1. Разработана методика проектирования ТП СПФ изделий из листового материала с художественным рельефом. Эта методика позволяет разрабатывать художественные изделия с рельефом с учетом технологических возможностей СПФ, разрабатывать альтернативные варианты ТП СПФ и осуществить выбор способов и устройств, повышающих эффективность технологии и качество рельефа.
2. Разработан конструктивный классификатор элементов художественного рельефа и система показателей их качества, позволяющие определять и выделять в рельефе наиболее труднодеформируемые элементы, объективно оценивать возможности ТП СПФ их получения и при необходимости вносить коррективы в дизайн художественного рельефа проектируемых изделий.
3. Разработан классификатор ТП СПФ, необходимый для разработки альтернативных вариантов ТП.
4. Разработана система критериев эффективности ТП, которая позволяет производить выбор наиболее эффективного ТП СПФ изделия с художественным рельефом из числа возможных альтернатив.
Алгоритм расчета процесса СПФ труднодеформируемых элементов художественного рельефа
Физическая сущность процесса СПФ труднодеформируемых элементов художественного рельефа изучена недостаточно, данный фактор значительно затрудняет его внедрение в производство. Для решения данной проблемы и достижения поставленных целей необходим анализ напряженно-деформированного и структурного состояния в процессе СПФ.
Базовым программным средством при численной разработке процессов СПФ выбран построенный по модульному принципу специализированный программный комплекс «SPLEN», разработанный Российской фирмой «КОММЕК-Ltd» совместно с Московским институтом электроники и математики и Московским институтом стали и сплавов. Решение поставленных в работе задач производилось с помощью одного из вариантов комплекса - компьютерной вычислительной системой "SPLEN-0" /67/. Система предназначена для расчетов формоизменения и технологических режимов процессов горячей обработки металлов давлением и в том числе с ис пользованием режимов сверхпластической деформации. В системе использован метод конечных элементов /68/ и определяющие соотношения вязко пластиче ского течения. Алгоритм решения задачи формоизменения при сверхпластической деформации представлен на рисунке 43 /38/.
Данный алгоритм включает в себя следующие этапы:
1) ввод исходных данных о физической характеристике материала заготовки, геометрических размерах заготовки и инструмента, скорости нагружения, типе граничных условий на контактных поверхностях, а также ввод основных параметры конечно-элементной аппроксимации;
2) автоматическое формирование сетки конечно-элементной аппроксимации, матрицы узлов и элементов;
3) определение текущего шага деформирования. Определение номеров узлов заготовки, контактирующих с инструментом на данном шаге;
4) формирование матрицы жесткости системы;
5) определение граничных условий;
6) внесение в основную систему уравнений кинематических граничных условий;
7) решение системы уравнений относительно неизвестного поля скоростей перемещения;
8) определение поля интенсивности скоростей деформации, вязкостей, компонент тензоров напряжений и скоростей деформаций;
9) осуществление проверки необходимости продолжения итерационного процесса. Если существует необходимость продолжения расчета, то решение задачи возвращается на этап формирования новой матрицы жесткости системы;
10) определение энергосиловых параметров на данном шаге деформирования (гидростатическое давление, интенсивность напряжений);
11) определение напряженного состояния в новой конфигурации области;
12) проверка необходимости продолжения процесса деформирования. Если существует необходимость продолжения процесса, то решение задачи возвращается на этап формирования новой матрицы жесткости системы;
13) вывод расчетных данных в случае завершения процесса деформирова f ния. В настоящей работе использовалась сокращенная версия системы, ориентированная на расчет режима давления при листовой СПФ. Этот режим обеспечивает скорости деформации в наиболее опасных сечениях формуемых элементов. Рассмотренные значения скоростей близки к оптимальной скорости для сверхпластической деформации.
Результатом работы явились поэтапные «картины» заполнения металлом гравюры штампа, полей напряжений, деформаций, скоростей деформаций и распределения структурного параметра. Это позволило определить основные технологические параметры, рациональные с точки зрения производительности и энергоемкости процесса штамповки, а также качества получаемых изделий /69, 70/.
Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований показателей качества
Пример методики проектирования ТП СПФ разработан для изделия Велико-рецкая икона «Святитель Николай» (рисунок 69). Подобного рода художественные изделия с рельефом и ТП для их изготовления проектировались и реализо-вывались без учета изложенных в данной диссертации методических и технологических указаний. При производстве изделий выявлялось, что мелкие элементы художественного рельефа недоформовываются и не воспроизводят при этом общий замысел дизайнера. Повышение давления, с целью увеличения вероятности проработки этих элементов, приводило к разрывам в местах повышенной деформации. В итоге, путем многочисленных экспериментальных формовок изделий, приходилось дорабатывать технологическую оснастку и искать рациональные режимы СПФ.
Ниже представлены вариант проектирования изделия и ТП его изготовления, учитывающие результаты диссертационного исследования, представленные в главах 2 - 5.
Исходной информацией для начала реализации алгоритма разработки ТП является эскиз художественного изделия, с помощью которого можно описать его конструктивные особенности, внешний вид, элементы декоративного оформления - рельеф.
Наиболее значимой информацией для дизайнера-технолога является рельеф, который должен быть представлен в максимально проработанном виде - четко показаны все составляющие рельефа.
Назначается режим СПФ, который обеспечит проработку сложного художественного рельефа с высоким качеством. Согласно представленным выше теоретическим и экспериментальным исследованиям, возможны следующие значения параметров СПФ: давление 1,25 МПа и время 3600 с.
На первом этапе с помощью классификатора элементов художественного рельефа определяются и выделяются наиболее труднодеформируемые элементы простой геометрии, для формообразования которых требуется повышенное давление подвижной среды. Такими элементами являются (рисунок 70): сферические элементы диаметром не менее 1,5 мм, прямолинейные рифты шириной не менее 0,9 мм, комбинированные элементы, состоящие из угловых рифтов размером в плане не менее 15 град, и криволинейных рифтов шириной не менее 1,3 мм.
По замыслу дизайнера высоты проработки элементов должны быть не менее следующих значений: сферического элемента 0,15-0,18 мм, прямолинейного рифта 0,18-0,22 мм, углового рифта и криволинейного рифта комбинированного элемента 0,3 мм.
В соответствии с разработанным алгоритмом проводится оценка возможностей изготовления СПФ выделенных элементов с помощью экспериментальных моделей показателей качества труднодеформируемых элементов художественного рельефа.
Рассчитываются показатели качества сферического элемента (по формулам, представленным в таблицах 12,16)
Значения показателей качества составляющих комбинированного элемента после корректировки их формы соответствуют задумке дизайнера. Расчетные высоты углового и криволинейного рифтов практически совпадают, что на практике позволяет получить плавный переход одной составляющей в другую. Форма элементов после их корректировки представлена на рисунке 71.
Точно также просчитывается геометрия тех мелких элементов изделия, которые необходимо получить с высоким качеством проработки. Например, элементы лика, перст, складки одеяния, то благодаря чему формируется общая рельефная композиция изображения.
Таким образом, на первом этапе разработки ТП СПФ проведена оценка возможностей изготовления художественного рельефа по показателям качества, которая полностью удовлетворяет художественному решению, задуманному дизайнером.
- элемент по первоначальному проекту
- элемент после корректировки
Рис. 71 - Элементы художественного рельефа до и после корректировки
На втором этапе проектирования производится выбор наиболее эффективного ТП СПФ художественного изделия с рельефом из имеющихся альтернатив, представленных в классификаторе ТП (таблица 1).
Для осуществления данного этапа составляются варианты реализации технологии СПФ мелкосерийного производства рассматриваемого изделия. Данная процедура осуществляется путем определения структурных и функциональных признаков используемой технологии относительно качества получаемых изделий и социально-экономического эффекта (таблица 20) /77, 78, 79, 80, 81, 82/.
Ниже представлено описание вариантов технологий, выбранных для изготовления Великорецкой иконы «Святитель Николай» (первый вариант - сплошная линия, второй вариант - точечная линия, третий вариант - пунктирная линия).
Учитывая, что изделие выпускается в условиях мелкосерийного производства, целесообразно использовать наиболее простые варианты реализации ТП.
Похожие диссертации на Совершенствование дизайна и технологии изготовления рельефа художественных изделий листовой сверхпластической формовкой
