Разработка методики моделирования процессов горячей штамповки для проектирования технологии производства поковок из конструкционных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Широких, Антон Михайлович

• Широких, Антон Михайлович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Широких, Антон Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТИПОВАЯ СХЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ 6 ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК, СПОСОБЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ

1.1 Типовая схема проектирования технологии производства поковок 6 горячей штамповкой

1.2. Способы и оборудование горячей штамповки

1.3. Программные средства для моделирования процессов горячей 16 штамповки

1.4. Исследование процессов штамповки на основе методов 28 моделирования

1.5. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ 63 ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ И ПЛОСКОЙ ШТАМПОВКИ

2.1. Плоская деформация

2.2. Осесимметричная деформация

2.3. Выводы

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ

3.1. Разработка алгоритма и программы расчета траекторий частиц 79 при штамповке

3.2. Физическое моделирование штамповки поковки шестерни

3.3. Разработка программы и расчет инвариантных характеристик 86 напряженно-деформированного состояния при штамповке

3.4. Расчет ресурса пластичности

3.5. Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ 107 СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ПОКОВОК

4.1. Обоснование выбора меры деформации для прогнозирования 107 структуры металла поковок

4.2. Исследование зависимости между интенсивностью деформации 113 сдвига и площадью зерен металла поковок

4.3. Методика прогнозирования структуры металла круглых в плане

4.4. Вычислительный эксперимент по осадке цилиндрических 123 образцов для прогнозирования структуры металла поковок

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРИМЕРЫ ЕЕ 131 ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК поковок

4.5 Выводы

5.1.Структурная схема методики моделирования

5.2. Моделирование штамповки поковки шестерни

5.3. Моделирование штамповки поковки полуоси 5.4 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики моделирования процессов горячей штамповки для проектирования технологии производства поковок из конструкционных сталей»

В настоящее время горячей штамповкой изготавливают поковки широкой номенклатуры для машиностроения, особенно из конструкционных сталей. Современная тенденция машиностроения - повышение требований к качеству и усложнение формы поковок, получаемых штамповкой, что в свою очередь в условиях жесткой конкуренции современного рынка ставит перед технологическими службами предприятий задачу получения в сжатые сроки поковок сложной формы при жестких допусках на размеры, с заданными свойствами и малой себестоимости. Решение этих задач требует повышения эффективности технологической подготовки производства поковок, что связывают с расширением использования методик компьютерного и физического моделирования на этапах разработки технологии штамповки. В мире наблюдается тенденция ко все более широкому внедрению технологий моделирования процессов ОМД в производственный процесс как крупных, так и средних предприятий. Так более 80% крупных, более 75% средних и более 50% мелких машиностроительных компаний США используют моделирование процессов ОМД при разработке технологических процессов. Компьютерное моделирование процессов ОМД используется для прогнозирования заполнения полости штампа, возникновения дефектов, определения усилия деформирования, энергии деформирования. Применение моделирования для технологической подготовки производства в нашей стране в ближайшие годы будет только возрастать.

Целью настоящей работы является разработка методики моделирования процессов горячей штамповки для проектирования технологии производства поковок из конструкционных сталей.

Исследование и моделирование процессов горячей штамповки проведено на основе определения траекторий частиц деформируемого металла аналитически и экспериментально в лабораторных и промышленных условиях.

При технологической подготовке производства важным является определение предельной деформации, предшествующей локальному разрушению металла заготовки при штамповке, поэтому в работе проведены исследования по прогнозированию ресурса пластичности деформируемого металла.

Для определения режимов горячей штамповки с целью обеспечения заданной структуры поковок разработана методика прогнозирования размеров зерен.

В результате проведенных работ разработана новая комплексная методика моделирования процессов горячей штамповки для применения на этапах технологической подготовки производства поковок из конструкционных сталей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика и алгоритм расчета траекторий перемещения частиц деформируемого металла для исследования процессов осесимметричной и плоской деформации при штамповке.

2. Результаты исследований, проведенных по разработанной методике.

3. Результаты исследований для установления связи между инвариантными характеристиками напряженно-деформированного состояния и размерами зерен металла поковок.

4. Методика прогнозирования размеров зерен и ресурса пластичности в конструкционных сталях при штамповке в условиях осесимметричной деформации.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Широких, Антон Михайлович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Для неустановившихся процессов осесимметричной и плоской деформации при штамповке разработана методика и алгоритм расчета аналитического определения траекторий частиц деформируемого металла в лагранжевых координатах и инвариантных характеристик НДС с учетом истории нагружения.

2. Разработаны алгоритм и программа расчета траекторий частиц при штамповке. На примере поковки шестерни произведен расчет траекторий частиц, находящихся на поверхности и внутри заготовки. Для проверки результатов математического моделирования провели эксперимент по штамповке поковки шестерни из свинцовой заготовки с нанесенной координатной сеткой. По результатам обработки координатных сеток построили траектории частиц. Отличие координат траекторий частиц поверхности заготовки, определенных по результатам математического моделирования и по данным эксперимента, составляет 9-12%.

В работе на основе данных распределения инвариантных характеристик НДС, найденных с учетом истории деформирования, рассчитаны показатели ресурса пластичности по известным методикам В.Л.Колмогорова и М.А.Зайкова -В.Н.Перетятько. Сравнение результатов расчета степени использования ресурса пластичности по двум методикам показало, что расчет предельных деформаций по М.А.Зайкову - В.Н.Перетятько при штамповке применим для свободных поверхностей ( коэффициент жесткости схемы напряженного состояния -1 <к<+1). В зонах со значительными гидростатическими давлениями для расчета условия разрушения более правомерно применение методики В.Л.Колмогорова.

3. Представлены результаты экспериментального определения в производственных условиях траекторий частиц в координатах Лагранжа при осадке стальных цилиндрических заготовок, а также результаты статистического анализа экспериментальных данных о структуре металла по темплетам поковок автотракторного машиностроения из конструкционных сталей. Проведенные исследования показали, что в зависимости от условий свободной осадки локальные значения величины накопленной деформации могут значительно отличаются в объеме осаженных образцов, а степень деформации, применяемая при построении диаграмм рекристаллизации, является усредненным показателем деформации в объеме. Установлена высокая корреляционная зависимость между площадью зерна в диаметральной плоскости изделия и накопленной деформацией сдвига при различных температурах штамповки и осадки заготовок для исследуемой номенклатуры поковок из конструкционных сталей, коэффициент корреляции составил -0,76. . В качестве меры деформации для прогнозирования структуры металла поковок предложено использовать накопленную деформацию сдвига.

4. Показана возможность использования результатов вычислительного эксперимента по осадке цилиндрических образцов для определения ивариантных характеристик НДС при прогнозировании структуры металла поковок. Найденные при вычислительном эксперименте значения интенсивности скорости деформации и накопленной деформации сдвига отличаются от значений этих же параметров, рассчитанных по экспериментально полученным траекториям при осадке цилиндрических образцов, на 4 - 7 %.

5. Разработана методика прогнозирования размеров зерен металла при штамповке круглых в плане поковок из конструкционных сталей, основанная на применении рассчитанных инвариантных характеристик НДС.

6. На основании выполненных исследований создана методика комплексного моделирования процессов горячей штамповки осесимметричных поковок из конструкционных сталей. Приведена структурная схема методики моделирования для технологической подготовки операции горячей штамповки, включающей определение траекторий частиц деформируемого металла, расчет на их основе инвариантных характеристик напряженно-деформированного состояния, показателей ресурса пластичности и прогнозирование структуры металла, и представлены примеры применения методики.

Так на основе разработанной методики расчета траекторий перемещения частиц проведено исследование влияния особенностей заполнения гравюры штампа на энергосиловые параметры, предложен способ штамповки поковки шестерни из стали 45 диаметром 93 мм и высотой 37 мм , позволяющий снизить усилие штамповки более чем в 2 раза.

Для поковки полуоси по разработанной методике построили диаграмму для прогнозирования площади зерен при штамповке, используя темплеты, полученные в интервале температур 900-1250 °С.

Представлены результаты расчета условного ресурса пластичности, рассчитанного по методике Колмогорова В.Л., в виде распределения по сечению поковки полуоси. Предельных значений условный ресурс пластичности достигает в области, расположенной по оси симметрии поковки. Что обусловливает возможность возникновения трещины в этой части поковки и согласуется с данными расположения трещин в темплетах, полученных при освоении технологии штамповки указанной поковки

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Широких, Антон Михайлович, 2011 год

1. Охрименко Я. М. Технология кузнечно-штамповочного производства. М.: Машиностроение, 1976.

2. Мохов А.И., Кобелев А.Г., Троицкий В.П. Оборудование цехов обработки металлов давлением. Часть I/ Прессы: Учебник для вузов / ВолгГТУ, Волгоград, 2000.

3. Н. Yoshimura, S. Shimasaki: Journal of the JSTP, 24,1983.

4. M. Nakamura, T. Koga: Kurimoto Technical Report, 1994.

5. A. Ishii, H. Koshimaru: Journal of the JSTP, 22-241,1981.

6. A.M. Дмитриев, А.Л. Воронцов. Анализ решений, выполненных методом конечных элементов. Производство проката №4. 2004. с.3-11.

7. Flitta /., Sheppard Т. On the Mechanics of Friction Duringthe Extrusion Process // 7 International aluminum extrusiontechnology seminar. Chicago, Illinois. May, 2000. P. 197—203.

8. Bandar A. R., Negvesky £., Misiolek W. Z, Kazanowskij*. Physical and Numerical Modeling of Billet Upsetting// 7 International aluminum extrusion technology seminar.Chicago, Illinois. May, 2000. P. 159—166.

9. Thackray R., Dashwood R., McShane H. Simulation ofthe Effect of Tooling and Billet Condition on Bulk and Surface Metall Flow during Extrusion // 7 International aluminum extrusion technology seminar. Chicago, Illinois.May, 2000. P. 213-223.

10. Flitta I., Sheppard T. Investigation of friction during theextrusion of AJ-alloys using FEM simulation // The 5th International Esaform Conference of Material Forming. Krakow, Poland. April, 2002. P. 435-^138.

11. Чумаченко E. H., Щерба В. H., Чумаченко С. Е., Суханова А. В. Применение имитационной компьютерной модели течения металла для расчета параметров прессования. // Металлургия, 1998. № 10. С. 31—33.

12. Bunturo I. A., Mueller К. B. Overview of various pending methods dicectly after extrusion process // The 5 International Esaform Conference of Material Forming. Krakow, Poland. April, 2002. P. 443—446.

13. Koop R., Mueller K., Jao Ch. Visoplastische und numerische Erfassung des Materialflusses beim direkten Strangpressen.Aluminium, 1998. Part I. № 1/2, Part II. № 4. S. 248-255.

14. Кобелев O.A., Цепин M.A., Скрипаленко M.M. Ковка широких толстых плит.М.: Теплотехник, 2009.-192с.

15. Prandtl L. Anwendungsbeispiele su einem Heckyschen Sats Uber das Gleichgewicht, Z. Angew. Mech., 1923.

16. Соколовский B.B. Теория пластичности. -Изд. АН СССР, 1978.

17. Унксов Е.П. Инженерные методы расчета усилий при обработке металлов давлением.-М. ¡Машиностроение, 1975 .-23 5с.

18. Томленов А.Д.Механика процессов обработки металлов давлением.-М.: Машиностроение, 1971,-231с.

19. Ильюшин А.А. Пластичность. Основы общей математической теории. Академиздат, 1963.-364с.

20. Качанов JI.M. Прикладная математика и механика. Академиздат, 1967.-322с.

21. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. Академиздат, 1964.-287с.

22. Колмогоров B.JI. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1980. -3 51 с.

23. Теория обработки металлов давлением//Тарновский И.Я., Поздеев А.А., Ганаго О.А., Унксов Е.П.М:.Металлургия, 1982.-478с.

24. Охрименко Я.М., Тюрин В.А. Неравномерность деформации при ковке.М:.Машиностроение, 1969.-271с.

25. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости.М: .Машиностроени, 1971 .-231 с.

26. Огородников В. А., Дель Г.Д. Определение напряжений по твердости.//Кузнечно-штамповочное производство, 1970,№5,с.27-32.

27. Ишлинский А.И. Осесимметричная задача пластичности и проба Бринелля./Шрикладная математика и механика, 1964.T.VIII.C.24-32.

28. Shield R.T. On the plastic flow of metals under conditions of axial symmetry. Proc. Roy. Soc.,ser. H, 1955. v.233,№1193.

29. Огородников B.A., Дель Г.Д.// Известия ТПИ, 1970, №173.с.34-47.

30. Смирнов-Аляев Г. А. Сопротивление материалов пластической деформации. Машгиз. 1961.-277с.

31. Шофман JI.A. Основы расчета процессов штамповки и прессования.Машгиз. 1961 .-264с.

32. Тарновский И.Я. Инженерные методы расчета технологических процессов обработки металлов давлением.М:.Металлургия, 1973.-252с.

33. Тарновский И .Я., Поздеев A.A., Ганаго O.A. Деформация и усилия при обработке металлов давлением.М:.Машиностроение, 1979.-324с.

34. Технологические задачи обработки давлением) / В.К.Воронцов, П.И.Полухин, В.А.Белевитин, В.В.Бринза.-М.: Металлургия, 1990.-480с.

35. Могучий JI.H. О неравномерности течения металлического вещества при осадке и прессовании.Труды института металлургии им.А.А.Байкова АН СССР, 1960.В.7

36. Мертенс К.К. Определение усилия горячей объемной штамповки на кривошипных прессах. Труды ЛПИ, 1966, №271.-с.44-52.

37. Мертенс К.К. Об очаге деформации при доштамповке. Труды ЛПИ, 1965, №260.-с.47-58.

38. Северденко В.Н., Макушок Е.М., Редимков В.И. Исследование формоизменения при штамповке в условиях плоской и осесимметричной деформации. Сб.Пластичность и обработка металлов давлением.ФТИ АН БССР. 1966.-148с.

39. Сторожев М.В., Семенов Е.И., Кирсанова С.В. Уточнение формы очага деформации и определений усилий при штамповке. Вестник машиностроения, 1969, №4, с.45-53.

40. Шибейк А., Кобаяши Ш. Конструирование и технология машиностроения. 1967. №2.с.34-41

41. Семенов Е. И. Ковка и объемная штамповка. М.: Высшая школа, 1972.

42. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983.-351с.

43. Ravikiran Duggirala, Aly Badawy. Finite Elemeht Method Approach to Forging Process Design. / J.Materials Scaping Technology, Vol.6, No.2, 1988, pp.: ,81-89.

44. Яковлев С.П., Пасько A.H., Сорвина O.B. Математическое моделирование процесса ротационной ковки конических заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. 2000, №9. С.24-26.

45. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Метод граничных элементов в прикладных науках: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 494с

46. Перлин П.И., Самаров В.Н. Применение теории обобщённого потенциала к анализу течения металла при прессовании. // Пластическая деформация лёгких и специальных сплавов. — М.: Металлургия, 1978. — С. 128-133.

47. Полухин П.И., Полухин В.П., Андрианов Н.Ф. Расчёт деформации металла и инструмента методом интегральных уравнений. Алма-Ата: Наука, 1985.- 190с.

48. Миленин А.А. О реализации граничных условий в напряжениях при моделировании процесса прокатки методом граничных элементов // Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия. 1997, №4. С.28-31.

49. A.Chandra, S.Saigal. A boundary element analysis of the axisymmetric extrusiónprocesses. Int. J. Non-Linear Mechanics. Vol.26, Nol, 1991, pp.1-13.

50. Резников Ю.Н., Калинин Г.Г. Оптимизация заготовительных ручьёв для поковок, изготовляемых объёмной штамповкой // Кузнечно-штамповочное производство. 1998, №10. С.8-10.

51. Резников Ю.Н., Вовченко A.B., Калинин Г.Г. Расчёт многошаговой оптимизации процессов объёмной штамповки // Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки металлов давлением и резанием: Сб. науч. тр. Вып.1. Тула: ТулГУ, 1999. - С. 129-133.

52. Вовченко A.B., Резников Ю.Н., Быкодоров A.B. Моделирование формоизменения в процессах объемной штамповки численными методами// Вестник ДГТУ.Т1.№1,2001.- С.33-38.

53. Резников Ю.Н., Вовченко A.B., Жиленков В.Е. Визуализированный поиск оптимальных результатов компьютерного моделирования формоизменения деформируемого металла в процесса объемной штамповки // Вестник ДГТУ.Т1 .№4( 10), 2001.- С.38-43.

54. Беккер П.В., Евдокимов А.К. Компьютерное моделирование при исследовании процессов многоканального выдавливания // Кузнечно-штамповочное производство. 1999, №12. С.25-27.

55. Тылкин М. А. Штампы для горячего деформирования металлов. — М.: Машиностроение, 1977. — 760 с

56. Предварительная оценка условий работы штампов для горячей штамповки // Фомичев А. Ф., Кривицкий Б. А. , Салиенко А. Е., Юргенсон Э. Е. Металлообработка. 2007, №1(37).-С.41-43.

57. Опыт использования программного продукта MSC Manufacturing при разработке процессов пластического деформирования/А. Е. Салиенко, Б. А. Кривицкий, Э. Е. Юргенсон, А. Ф. Фомичев // Металлообработка. 2005, №6. -С. 21-23.

58. Обеспечение стойкости штамповой оснастки // Алиев И. С., Алиева JI. И., Лобанов А. И., Савчинский И. Г. Металлообработка. 2007, №5 (41).-С.39-42.

59. Фомичев А. Ф., Юргенсон Э. Е., Левочкин О. А. Анализ качества поковок турбинных лопаток из жаропрочного сплава ХН65ВМТЮ // Металлообработка. 2008, №5(47).-С.37-43.

60. Опыт применения системы QFORM в прогнозировании структуры штампованных поковок // Биба Н.В., Стебунов С.А., Овчинников А.В, Шмелев В.П. Технология легких сплавов. 2008, №4.-С.76-81.

61. Арчаков З.Н., Балахонцев Г.А., Басов И.Г. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1984,408с.

62. Сидоров A.A. Настоящее и будущее моделирования процессов обработки металлов давлением. Сб. РУДН, 2010.-е. 10-17.

63. Джонсон В., Кудо X. Механика процесса выдавливания металла. М.\ Металлургия, 1965.-211с.

64. Технологический справочник по ковке и штамповке.//под ред.Сторожева М.В.М:.Машиностроение, 1979.-367с.

65. Деформируемость металлов//под ред Губкина С.И.М:.Машгиз, 1953.-352с.

66. Бабичков В.А. Об экспериментальных и теоретических основаниях механической теории прочности.Тр. МНИТ, 1951.-57с.

67. Зайков М.А., Перетятько В.Н. Пластичность углеродистых сталей// Известия вузов.Черная металлургия, 1959, №8.-с.46-54.

68. Перетятько В.Н. Высокотемпературная пластичность углеродистых и легированных сталей в аустенитном состоянии. Автореферат докторской дисс.,1967.

69. Дзугутов М.Я. Внутренние разрывы при обработке металлов давлением.Металлургиздат, 1958.-261 с.

70. Дзугутов М.Я.Пластическая деформация высоколегированных сплавов и сталей.М:.Металлургия, 1971.-341с.

71. Бриджмен П. Исследование пластических деформаций и разрыва.М.Металлургия, 2008.-467с.

72. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов.Машгиз, 1968.-297с.

73. Прагер В., Ходж Ф. Теория идеально пластических тел. ИИЛ, 1956.-254с.

74. Бернштейн M.JI. Термомеханическая обработка металлов и сплавов.М:. Металлургия, 1968.-235с.

75. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М:.Металлургия, 1967.-311 с.

76. Алюшин Ю.А. Энергетические основы механики. М.¡Машиностроение, 1999.-192с.

77. Алюшин Ю.А. Механика процессов деформации в пространстве переменных Лагранжа. М.¡Машиностроение, 1997.-136с.

78. Методика аналитического определения траекторий частиц при штамповке/ Алюшин Ю.А., Г.П. Жигулев, A.M. Широких, Скрипаленко М.М.// Известия ВУЗов. Чёрная металлургия. 2010., №5, с.44-50.

79. Широких A.M., Полуэктова Д.С. Изучение течения металла при штамповке на основе траекторий частиц// 64-е Дни науки студентов МИСиС: Международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции НИТУ МИСиС, Москва 2009, с.348.

80. Рогельберг И.Л., Шпиченецкий Е.С. Диаграммы рекристаллизации металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1950. 252с.1. ЕРЖДАЮ и инноваиС»1. Филонов 2010 г.