Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время многие вопросы, связанные с проектированием прогрессивной техники и технологии метатлообработки в условиях ограничений на добычу сырья и энергии, решаются с привлечением энерго- и металлосберегающих малооперационных технологических процессов, основанных на высокоэффекпгвных методах обработки металлов давлением (ОМД).
Экспери.менталыпие исследования в этой области чрезвычайно дорогостоящи, требуют привлечения высококлассных специалистов и специальной техники и могут значительно повысить стоимость и замедлить разработку новых техпроцессов или усовершенствование существующих. Условия же рынка и конкуренции между предприятиями требуют расширения и удешевления выпускаемой номенклатуры изделий, оперативной возможности переналадки оборудования при переходе от штамповки одной поковки к штамповке другой и мобильной разработки новых техпроцессов.
В настоящее время все большее распространение получают материалы, имеющие высокую прочность при небольшой их плотности. Такими показателями обладают изделия из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, получаемых прессованием. Однако эти сплавы отличаются чрезвычайной чувствительностью к условиям формоизменения и небольшим ресурсом пластичности, поэтому определение режимов их деформирования является важной задачей для возможности получения высококачественной продукции при сокра-щешга времени на разработку технологии ее получения.
Решение этих актуальных задач невозможно без создания соответствующей компьютерной системы проектирования ответственных элементов техпроцессов, основанной на математическом моделировании, методах и ат-горитмах, позволяющих прогнозировать напряженное состояние деформируемого материала при обработке его давлением.
Цель работы. Разработка методики принятия технологических и конструкторских решений для процессов штамповки и прессования, направленных на получение заданного комплекса конечных характеристик изделий на основе создания вычислительных систем имитационного моделирования процессов ОМД применительно к расчетам напряженно-деформированного состояния (НДС) штамповон оснастки и анализу течения метатла.
. -4-Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Разработать математические модели, достаточно адекватно описывающие формоизменение металла при штамповке и прессовании, а также позволяющие оценить характеристики НДС в штамповом инструменте и оснастке.
-
Разработать алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее эффективно, в интерактивном режиме анализировать процессы штамповки'и прессования, и на этой основе модернизировать существующие технологические процессы и разрабатывать новые.
-
Разработать на основе метода конечных элементов (МКЭ) вычислительную систему расчета НДС штампов и элементов кузнечно-прессового оборудования (КІТО). Реализовать для нее интерактивный режим в среде того же математического и прикладного аппарата, что и для операций штамповки и прессования. Построить численные оценки устойчивости и сходимости предлагаемых алгоритмов решения.
-
Провести комплексное теоретическое и экспериментальное исследование с использованием созданных вычислительных систем технологических процессов штамповки и прессования на конкретном КПО с целью выработки рекомендаций по совершенствованию этих технологических процессов, улучшению качества получаемых изделий, исключению дефектообразования.
-
Разработать концептуальные рекомендации по подходу к проектированию технологических процессов штамповки и прессования с использованием предлагаемого аппарата вычислительных систем.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны математические модели и алгоритмы решения задач формоизменения металла в процессах штамповки и прессования. Предложен алгоритм построения комплексного решения этих задач с учетом НДС штам-повой оснастки, основанный на едином подходе и использовании только базовых вычислительных систем программного комплекса SPLEN.
-
Впервые с использованием созданной вычислительной системы решена задача формоизменения плоской-шайбы с разворотом в кольцо, позволившая решить проблему комплексного использования дисковых отходов после штамповки "башенных" поковок под подшипниковые кольца.
-
Впервые с использованием специально созданной вычислительной системы теоретически обоснованы режимы прессования сплава АМгб, обеспечивающие требуемую однородность получаемых пресс-изделий по длине и по-
-5-перечному сечению. Наличие таких режимов ранее было экспериментально обнаружено и качественно описано рядом отечественных и зарубежных авторов.
4. На основе решения упругой задачи проектирования штампового инструмента и деталей кузнечно-прессового оборудования выполнены оригинальные расчеты по разработке композитных конструкций, применяемых в самолетостроении, ракетной технике и в медицине.
Практическая полезность.
-
Разработанная модификация вычислительной системы SPLEN-K, предназначенная для расчетов НДС и оптимизации элементов штамповой оснастки, а также для анализа локально-однородных неодносвязных конструкций специального назначения, в настоящее время используется в учебном процессе на кафедре "Обработка металлов давлением" в Московском Государственном институте стали и сплавов, на кафедре МТ-10 «Машиностроительные технологии» научно учебного комплекса «Автоматизированные металлургические машины и агрегаты» Московского Государственного Технического Университета имени Н.Э.Баумана, на кафедре ММФМС Московского Государственного Института электроники и математики и в отделении ортопедии в Московском медицинском стоматологическом институте имени Н.А.Семашко.
-
Разработанные модификации вычислительных систем комплекса SPLEN, предназначенные для анализа технологических процессов штамповки и прессования, установлены и успешно эксплуатируются на ряде машиностроительных предприятий и других организаций. Это позволило значительно снизить проектный брак, сократить сроки проектирования новых изделий и процесса доведения их до промышленного изготовления. На Курском подшипниковом заводе применение новых вычислительных методов позволило разработать и внедрить принципиально новую ресурсосберегающую технологию штамповки подшипниковых колец.
Апробация работы. Материаты диссертации докладывались на международных конференциях по сверхпластичности (International Conference on Super-plasticity in Advanced Materals) 1CSAM-94, Москва, 1994 г. и 1CSAM-97, Бангалор, Индия, 1997 г.; на 50-ой научной конференции студентов и молодых ученых МГИСиС в 1996 г.; на IV международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные технологии", 1996 г.; на VI международной студен-
-6-ческой школе-семинаре "Новые информационные технологии", 1998 г.
Публикации. По основному содержанию диссертации опубликовано 12 работ'.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, $ глав и общих.выводов, изложена.на 193 страницах машинописного текста, включает 3 таблицы, 91 рисунок, 2 приложения, библиографический список из 96 наименований.