РАЗДЕЛ 2
ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПОКОВОК ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ
2.1. Основные подходы к совершенствованию процесса деформирования
Основными требованиями к продукции металлургической и машиностроительной отраслей в условиях рыночной экономики являются повышение качества изделий и снижение себестоимости для удовлетворения потребностей заказчиков. Одним из наиболее эффективных видов получения заготовок под последующую механическую обработку является горячая штамповка, характеризующаяся высокой производительностью и возможностью изготавливать штампованные заготовки любой сложности. При наличии достаточно большого количества различного оборудования и технологий производства штампованных заготовок возможности совершенствования процесса деформирования изучены недостаточно [16, 19, 22]. Высокие затраты на разработку технологических процессов делают необходимым повышение степени научной и технико-экономической обоснованности применяемых в каждом конкретном случае проектно-конструкторских и технологических решений при внедрении горячей штамповки поковок повышенной точности [20, 24, 82-85]. В связи с этим актуальными являются выполнение следующих теоретических и экспериментальных исследований.
1. Совершенствование процесса деформирования для улучшения качества и повышения геометрической точности поковок путем исследования напряженно-деформированного состояния при горячей штамповке.
2. Исследование стойкости штампов к различным видам износа на основе параметров напряженно-деформированного состояния и температурных полей с использованием положений динамической деформационной теории пластичности.
Геометрическая точность и качество поковок при горячей штамповке зависят от степени сложности поковок, режимов деформирования, стойкости штампов и применяемого оборудования. Именно поэтому одним из наиболее перспективных направлений развития теории и практики ОМД является разработка технологических процессов, реализующих штамповку поковок повышенной точности [6, 10-13]. Работы в данном направлении проводятся начиная с двадцатых годов прошлого века, но наиболее активное развитие методики оптимизации технологических процессов получили в последние три десятилетия, благодаря значительному увеличению производительности вычислительной техники и созданию специализированного программного обеспечения [7, 20, 70, 86].
Горячая штамповка на молоте происходит при высоких скоростях и сопровождается переносом теплоты от поковки к штампу, поэтому возникает выраженная технологическая неоднородность деформации. Поле скоростей деформации при штамповке также неоднородно, поэтому динамическая рекристаллизация в объеме поковки протекает неравномерно и механические свойства металла изменяются в разных точках поковки неодинаково, не завися напрямую от граничных условий. Для каждого режима деформирования существует определенная величина предельной степени деформации, достижимая за один удар молота [1, 2, 12, 66, 87].
Таким образом, необходимы комплексные теоретические и экспериментальные исследования операций горячей штамповки на молоте, результаты которых позволят создавать наиболее технологичные конструкции поковок и штампов с учетом температурно-скоростных условий деформирования.
2.2. Применение метода конечных элементов при решении
нестационарной нелинейной связанной задачи термопластичности
В основе технологического расчета горячей штамповки лежит схема системы "поковка-штамп", включающая в себя геометрию инструмента и заготовки в сочетании с действующими на них нагрузками от рабочих органов оборудования. При разработке таких расчетных схем прибегают к допущениям, которые упрощают расчеты и существенно не влияют на достоверность результатов [76, 86, 88-90]. Пример расчетной схемы в разрезе приведен на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема системы "поковка-штамп":
1 - поковка; 2 - верхняя часть штампа; 3 - нижняя часть штампа;
4 - падающие части молота; 5 - шабот
Нелинейный характер деформирования и выраженная неоднородность деформированного состояния в сочетании с большими градиентами температур между поверхностями поковки и ручья в процессе горячей штамповки на молоте приводят к необходимости решения нестационарной нелинейной связанной задачи термопластичности. Сущность ее заключается в том, что при горячем деформировании механические свойства материала и процесс формообразования поковки зависят не только от степени и скорости деформации, но и от температур, которые непрерывно изменяются по нелинейным законам [8, 24, 76, 90-94].
При континуальном подходе для решения связанной задачи термопластичности необходимо построить математическую модель нестационарного неизотермического процесса деформирования. Такая модель для системы "поковка-штамп" будет представлять систему дифференциальных уравнений равновесия и теплопроводности, а также вспомогательных уравнений для сил инерции и контактного трения. Построение таких моделей для реальных процессов горячей штамповки с учетом множества факторов достаточно сложно, а решение полученных систем уравнений возможно только численными методами [1-3, 12, 76].
В отличие от континуального описания, в методе конечных элементов (МКЭ) дискретизация среды вводится с самого начала, а механика континуума заменяется дискретной механикой [24, 48, 89]. Важнейшие достоинства МКЭ при решении задач ОМД: свободный выбор узловых точек, произвольная форма поковки и ручья, возможность задания любых необходимых граничных условий, учет неоднородности свойств металла, использование стандартных программ [7, 24, 89, 90].
Исходя из задач технологических расчетов, последовательность решения нестационарной нелинейной связанной задачи термопластичности с помощью МКЭ состоит из следующих действий [92-94]:
1) постановка задачи;
2) схема дискретизации;
3) процедура вычислений и визуализация результатов на ЭВМ.
Постановка задачи заключается в математическо