Разработка метода оценки ресурса изделий обработки металлов давлением при их изготовлении и эксплуатации

Технический прогресс требует создания сложных машин, агрегатов и сооружений, среди различных процессов изготовления деталей машин и элементов конструкций ведущее место будут продолжать занимать технологические процессы обработки металлов давлением, разрушение метала в процессе обработки, накопление в обрабатываемом металле пор, трещин и других микронесплошностей является одной из важнейших проблем теории и технологии обработки давлением, широко известны работы п. У. Бриджмена, А. А-Богатова, с. и. Губкина, А.к.гоша, м. я. дзугутова, Б. Л. Колмогорова, ф. А. макклинтока, и других учёных, посвягцённых этой проблеме, несмотря однако на достигнутые успехи в этой области, вопрос предотвращения и прогнозирования разрушения остаётся проблематичным и сегодня. с научной и практической точек зрения проблема разрушения материала является общей, затрагивающей как производство, так и эксплуатацию машин и сооружений, в последнее время в связи с усложнением машин и сооружений проблема оценки и прогнозирования их ресурса становится объектом пристального внимания учёных, одним из основных факторов, определяющих ресурс деталей машин и элементов конструкций является накопление повреждений в металле при его обработке. повреждения — дефекты сплошности, накапливающиеся на стадии изготовления изделий, снижают ресурс и надёжность машин и сооружений. вместе с тем большинство современных теорий прочности не учитывает историю «формирования» прочности деталей машин и элементов конструций в процессах обработки. в каждой области обработки и режимах эксплуатации зачастую используются специфические методы, расчётный аппарат и свои критерии разрушения, что противоречит общей тенденции техники создания совмещенных, интегрированных технологичеких комплексов и агрегатов, а в науке — созданию общих и поэтому универсальных теорий и методов расчёта. важным аспектом рассматриваемой проблемы является установленный факт протекания в металле наряду с накоплением повреждений процессов залечивания дефектов, знание особенностей таких процессов открывает возможность управления качеством и ресурсом изделий.

Резервы повышения качества изделий обработки давлением, их ресурса и точность его оценки заключаются в переходе как к разработке и проведению технологического процесса обработки металла, так и к проектированию и эксплуатации изделий, на основе общего подхода, учитывающего процесс накопления и залечивания повреждений в металле на всех стадиях «жизни» изделия. основой общего подхода к прогнозированию разрушения материала в процессе изготовления и эксплуатации деталей машин и элементов конструкций может стать механика повреждённого деформируемого тела — один разделов механики твёрдого деформируемого тела. в основе механики повреждённго деформируемого тела лежит феноменологический подход к описанию накоплений в материале при его нагружении, а повреждённость материала рассматривается как особое механическое сосотояние элемента сплошной среды, подобное деформированному состоянию этого элемента. всё вышесказанное говорит о том, что научно — обоснованная разработка на основе учёта процессов накопления и залечивания повреждений в металле при его деформировании и применение методик прогнозирования и оценки ресурса металла при изготовлении деталей машин и элементов конструкций методами обработки металлов давлением и их последующей эксплуатации, является актуальной задачей, имеющей научный и практический интерес. настоящая работа выполнялась в рамках государственной научной программы «Комплексная программа Российской Академии наук Фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления «на 1991;2000 годы по темам «системное моделирование кинетики развития повреждённости материалов в процессе обработки деталей и эксплуатации машин с целью управления долговечностью и живучестью изделий машиностроения» N г. р. 01=09,10 37 664, 1992;1994 гг&bdquo-? «Создание системы прогнозирования и контроля ресурса прочности деталей на основе математического моделирования и использования средств неразрушающего КОНТРОЛЯ» N Г, р. 01.960,9 411 1996;2000 гг., и хоздоговорных программ < «Разработка системы обобщённых нормативно-технических документов по безопасности сложных систем и обьектов при техногенных и природных катастрофах» — хоздоговор N Д13/91 между ЛКО «ДИКСИ» и институтом физико-технических проблем севера Якутского отделения со ан СССР, «Оценка влияния термоупрочнения подкладочной полосы на стойкость протяжного инструмента и прочность протяжных станков» — хоздоговор N М231/91 между салдинским металлургическим заводом и институтом машиноведения Уро ран) .

Целью настоящей вабрты является совершенствование на основе механики повреждённости теории разрушения металлов применительно к процессам обработки и распространения её на процессы нагружения при эксплуатации в рамках развития общей концепции прогнозирования разрушения изделий как в процессе их изготовления, так и при эксплуатации. научная новизна работы состоит в том, что разработана общая методика прогнозирования ресурса изделий в процессе изготовления и эксплуатации с использованием аппарата механики поврежденности одного из разделов механики твёрдого деформируемого телана основе разработанной методики проведено прогнозирование ресурса изделий обработки давлениемпоказана необходимость учёта переходных явлений в процессах накопления повреждений при существенно немонотонных процессах нагружения и определён вид простейших функций, описывающих этот переходэкспериментально исследована пластичность ряда непрерывнолитых сталей при температурах близких к плавлению и термомеханических параметрах деформации, свойственных совмещённым процессам разливки и обработки давлением;

Практическую ценность работы составляют г методика оценки и прогнозирования ресурса изделий обработки металлов давлением при их изготовлении и эксплуатации, учитывающая повреждённость металла, накопленную в процессе пластического формоизменения и эксплуатации, что позволяет повысить качество изделий обработки давлением и точность оценки и управления их ресурсомполученные при исследовании данные о пластичности непрерывнолитых сталей, которые позволили улучшить конструктивные параметры машин непрерывного литья заготовок, способствовали выбору оптимального технологического процесса изготовления фасонных заготовок, получаемых путём прессования непрерывнолитых слябов.

Реализация работы в промышленности. Данные о пластичности были использованы на ОАО «УРАЛМАШ» в отделах главного конструктора машин непрерывного литья и главного конструктора прокатного оборудования в расчётах при проектировании машин непрерывного литья заготовок и новых перспективных машин и схем технологических процессов обработки непрывно литых сталей.

Разработанная методика оценки и прогнозирования ресурса изделий была применена для оценки прочности и ресурса инструмента при изготовлении термоупрочнённых рельсовых подкладок на салдинском металлургическом заводе. на защиту выносятся следующие положения г усовершенствованная модель разрушения металла в процессах изготовления изделий методами пластической деформации и их эксплуатации, полученная на основе описания деформирования среды с повреждениями и учитывающая переходные процессы в развитии повреждённости металла при немонотонном нагруженииметодика прогнозирования и оценки ресурса при изготовлении и эксплуатации металлоизделий, полученных методами пластической деформацииэкспериментальные данные пластичности непрерывно-литых сталей при температурах предплавления и методика их определения. достоверность научных результатов и выводов обоснована прменением методов механики твёрдого деформируемого тела, теории обработки металлов давлением, методов испытаний материалов и совпадением результатов расчётов, как с известными литературными, так и экспериментальными данными.

Апробация работы. основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 9 конференциях и семинарах: ill всесоюзная научно-техническая конференция «Теоретические проблемы прокатного производства» «Днепропетровск, 1980 г.) — всесоюзная конференция «Технология и средства производства «(свердловск, унц ан СССР, 1983 г.) — всесоюзная конференция «Проблемы прочности, надёжности и живучести элементов конструкций машиностроительной промышленности» «Петропавловск, 1985 г,) — Региональная конференция «Математическое моделирование технологических процессов» < Пермь, 1987) — XIII всесоюзная научно-техническая конференция «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (Каунас, 1989 г. >- Международная научно-техничекая конференция «Актуални проблеми на пластичната обработка на металите» (Варна, 1990 г.) — V уральский семинар «Проблемы проектирования конструкций» (миасс, 1991 г.) — восьмая международная конференция по разрушению (Киев, 1993 г.) — International Conference on Advances Materials and Processing Technologies (AMPT'93), (Dublin, 1993),.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ. структура и объём диссертации. диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы, она изложена на 348 стр., содержит 78 рисунков, 13 таблиц. Библиографический список включает 332 наименования.

216 выводы показано, что разработанная в работе модель накопления повреждений не противоречит у становл енным на основании экспериментальных фактов эмпирическим соотношениям и критериям, применяемым для оценки повреждаемости материала при режимах нагружения свойственных эксплуатации изделийЗт-и эмпирические соотношения и критерии являются частными видами разработанной модели.

2, на основании указанных выше свойств разработанной модели и приведённых в литературе экспериментальных фактов о накоплении повреждений при эксплуатации изделий делается вывод о возможности прогнозирования ресурса изделий с помощью разработанной модели.

3, даны рекомендации по определению (путём эксперимента или на основании литературных данных) параметров модели для каждого рассмотренного в работе вида нагружения.

4, Разработана и представлена общая методика прогнозирования ресурса изделий в процессе их изготовления и эксплуатации с помощью разработанной в работе модели накопления повреждений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1, На основе выдвинутой гипотезы эквивалентности мощности деформации повреждённого и неповреждённого металла и введения эффективных напряжений и скоростей деформации, построена модель деформируемой среды с однородными — анизотропными повреждениями.

2, определяющие уравнения, описывающие поведение среды с повреждениями, дополнены кинетическим уравнением повреждаемости, которое связывает выбранную меру повреждённое™ с параметрами процесса деформации. показано, что это уравнение может быть получено как непосредственно из модели деформируемой среды с повреждениями, так и на основе использования гипотезы об автомодельное&tradeпроцесса повреждаемости. з., на основе полученного кинетического уравнения построены модели накопления повреждений при пластической деформации металла для случаев монотонного и немонотонного нагружений.

4. Показана необходимость учёта переходных процессов в накоплении повреждений при немонотонном нагружении и в паузах между этапами деформации. Для описания таких процессов введена Функция влияния (переходная функция), что позволяет при интегрировании кинетического уравнения учитывать лишь ту повреждаемость, которая влияет на дальнейший процесс накопления повреждений. Даны примеры простеших функций влияния.

5. Разработана и показана на иллюстративном примере методика определения параметров модели в испытаниях на кручение. Установлено, что для оценки параметров для условий холодной деформации можно использовать результаты испытаний на малоцикловую усталость с последующей аппроксимацией их соотношением Менсона-Коффина.

6. Разработана методика определения и изучена пластичность ряда непрерывнолитых сталей при предплавильных температурах и термомеханических параметрах нагружения, свойственных процессам непрерывного литья и совмещения разливки с прокаткой — ковкой, что даёт возможность прогнозирования разрушения металла в этих процессах с помощью разработанной модели накопления повреждений.

7, показано, что разработанная в работе модель накопления повреждений не противоречит экспериментальным фактам и установленным на их основании эмпирическим соотношениям и критериям, применяемым для оценки повреждаемости материала при режимах нагружения свойственных эксплуатации изделий. эти эмпирические соотношения и критерии являются частными видами разработанной модели.

8″ Показана принципиальная возможность и разработана общая методика прогнозирования ресурса изделий в процессе их изготовления и эксплуатации на основе предлагаемой модели накопления повреждений. Даны рекомендации по определению (путём эксперимента или на основании литературных данных) параметров модели для каждого рассмотренного в работе вида нагружения.

10, Использование методики показано на примере типичного технологического процесса изготовления деталей машин и их эксплуатации, а также на примере оценки долговечности режущего инструмента.

11 «Разработанная методология может быть положена в основу прогнозирования ресурса изделий других видов металлообработки, таких как литьё, резание, сварка и т. п., включая совмещённые процессы обработки.