Классификация технологических методов обработки

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



 Разраб.

Ряполов А.С.

 Провер.

Бормотин К.С.





 Н. Контр.



 Утверд.

Буренин А.А.



1 Обзорно – аналитический раздел

Лит.

Листов



Кафедра МАКП

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



 Разраб.

Ряполов А.С.

 Провер.

Бормотин К.С.





 Н. Контр.



 Утверд.

Буренин А.А.



1 Обзорно – аналитический раздел

Лит.

Листов



Кафедра МАКП	1 Обзорно – аналитический раздел



В авиа-судостроении широкое применение находят тонколистовой прокат, профили и прессованные панели из высокопрочных облегченных конструкционных сплавов. Листовые детали и панели, используемые в качестве обшивки корпусов и получаемые различными методами формообразования, могут иметь двойную кривизну и сложную форму. Их толщина может колебаться от 0,0015 до 0,015 м, а размеры от 1,5 до 6 м. Длинномерные профили двойной кривизны различных типоразмеров применяются в качестве подкрепляющих элементов обшивки практически во всех корпусных конструкциях. Наиболее  широко представлены детали из уголкового, таврового, двутаврового и зетобразного профилей. Характерные размеры таких профилей следующие: длина порядка нескольких метров, высота стенки 0,02 ? 0,2 м, толщина стенки порядка нескольких миллиметров.



1.1 Термины и определения



Формообразование – процесс получения у обрабатываемой заготовки некоторой поверхности с определенными физико – механическими свойствами. Формообразование определяет кинематику процесса – совокупность относительных движений инструмента и обрабатываемой заготовки, необходимых для получения заданной поверхности.

Изделие – это предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на данном предприятии. Всякое изделие, рассматриваемое как объект проектирования, производства, эксплуатации и ремонта, должно быть рациональным по своему конструктивному исполнению. Состав и структура изделия, в соответствии с которыми разрабатывают конструкторскую документацию, являются основными признаками деления их на виды. 





Деталь – изделие, изготовленное из материала одной марки без применения сборочных операций или с использованием местных соединительных 

операций.

Сборочная единица - изделие, составные части которого подлежат 

соединению между собой сборочными операциями.



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

Совокупность всех действий людей и орудий, необходимых на данном производстве для изготовления или ремонта выпускаемых изделий, называют производственным процессом. При осуществлении этого процесса материалы и полуфабрикаты превращаются в готовую продукцию, соответствующую своему служебному назначению.

Технологическим процессом называют часть производственного процесса, содержащую целенаправленные действия по изменению состояния предметов труда. При осуществлении технологического процесса происходит последовательное изменение формы, размеров, свойств материала или полуфабриката в целях получения изделия, соответствующего заданным техническим требованиям. Технологический процесс осуществляется на рабочих местах.

Технологическая операция - законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и охватывающая все последовательные действия рабочего и оборудования по изготовлению заготовки или ее обработки. 

Производство изделий невозможно без технологического оборудования и оснастки.

Технологическое оборудование - это орудия производства, в которых для выполнения определенной части технологического процесса размещают заготовки, средства воздействия на них и источники энергии. Примером технологического оборудования являются литейные машины, прессы, станки, печи, и т.д.

Технологическая оснастка - это орудия производства, используемые 

совместно с технологическим оборудованием, для выполнения определенной части технологического процесса. Примерами технологической оснастки являются штампы, литейные формы, приспособления, режущий инструмент и т. д.

	Необратимые деформации – необратимые перемещения атомов на значительное расстояние от изначального положения равновесия. Необратимые деформации включают в себя деформации пластичности и ползучести.

	Пластические деформации – вызванные изменением напряжений необратимые деформации.

	Деформации ползучести – протекающие с течением времени необратимые деформации.

	Реологические свойства материалов – свойства, определяющие технические характеристики материала по типу ползучести и вязкопластичности.

	Обратная задача формообразования – задача определения внешних воздействий, под действием которых в течение заданного времени должно происходить неупругое деформирование, обеспечивающее заданную остаточную форму после упругой разгрузки.

	Метод конечных элементов – численный метод решения дифференциальных и интегральных уравнений задач прикладной физики.

	



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

	1.2 Классификация технологических методов обработки



Обработка металлов и других конструкционных материалов применяется для придания исходным материалам (заготовкам) требуемой геометрической формы  размеров, а так же необходимой точности и чистоты поверхностей получаемых деталей.

	Все технологические методы обработки ( рисунок 1.1 ) различаются видом и способом использования энергий воздействия на заготовку.

	При обработке используются следующие виды энергии:

	- механическая (обработка резанием и обработка деформированием);

- химическая – снятие припуска за счет химического растворения материала заготовки;

	- электрическая – электрофизический метод;

	- электромагнитная – воздействие на заготовку электромагнитным полем;

	- светолучевая – использование оптических квантовых генераторов и других источников световой энергии;

	- ультразвуковая – разрушение материала воздействием ультразвука;

	- плазменная энергия – воздействие на поверхность заготовки плазменными горелками.

	К механическим методам относятся:

	- обработка резанием (со снятием стружки)

	- пластическое деформирование и деформирование в режиме ползучести  (без снятия стружки);

- слесарная обработка (ручная).

	Ручным способом выполняют резание, опиливание, притирку, шабрение.

	Из рассмотренных методов наибольшее распространение получили методы обработки резанием. Они являются универсальными и позволяют получать высококачественную и точную поверхность.

	Электрофизические, химические и лучевые методы позволяют получить высокопрочных и твердых материалов, таких как высокопрочные и закаленные стали, твердые сплавы, керамика, алмаз и алмазоподобные материалы.

	В настоящее время так же наблюдается значительный интерес к 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

использованию обработки материалов давлением в режиме пластического деформирования и в медленных высокотемпературных режимах. 



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Рисунок 1.1 - Технологические методы обработки





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

1.3 Сущность технологической обработки материалов 

      давлением в режимах пластичности и ползучести



	Работы по использованию реологических свойств металлов при обработке давлением появились еще в середине двадцатого века.

	В настоящее время в этой области в лабораториях ведутся  работы в трех направлениях:

	- особенности кратковременной высокотемпературной ползучести с учетом возможных структурно-фазовых изменений в материале, связь с эффектом сверхпластичного деформирования;

	- разработка методов расчета технологических процессов формообразования в режимах ползучести тонкостенных элементов конструкций, в основном – применительно к изделиям авиа – судостроения;

	- разработка опытных образцов и модулей технологического оборудования заготовки в условиях ползучести.

	Экспериментально в условиях повышенных температур для широкого класса материалов – легких сплавов на основе алюминия, титановых сплавов, конструкционных сталей, показано, что с уменьшением скорости деформирования «ресурс пластичности», т.е. величина деформации к моменту разрушения возрастает, не говоря уже о существенном снижении величины внешней нагрузки. С возрастанием температуры эта разница может достигать нескольких порядков. Можно показать, что если скорость деформаций ползучести выражается зависимостью типа вязкого течения. И чем выше величина скорости деформирования, тем при меньшем уровне напряжения диаграмма «? – ?» выйдет на горизонтальную асимптоту. Таким образом, при деформировании материала со скоростями меньшими или равными скоростям деформаций ползучести напряжения не выйдут за пределы упругости, пластические деформации эквивалентны нулю и при построении определяющих уравнений не нужно разделять процессы нагружения на активную и разгрузочную части, что существенно упрощает форму этих уравнений и их использование в 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

прикладных  задачах по обработке материалов давлением в режимах ползучести и сверхпластичности.

	Высокотемпературная обработка материалов давлением сопровождается накоплением необратимых деформаций, содержащих вневременные пластические деформации и вязкие составляющие; величина зависит и от уровня напряжений, и от продолжительности их воздействий на материал. В зависимости от отношения величин пластических деформаций и деформаций ползучести технологические процессы обработка материалов давлением условно можно разделить на три вида:

	- обработка материалов давлением в режиме упруго – пластического деформирования, когда деформация ползучести примерно равна нулю и вся необратимая деформация примерно равна деформации пластичности;

	- обработка материалов давлением в режиме пластичности и ползучести когда обе составляющие пластических деформаций и деформаций ползучести одного порядка;

	- обработка материалов давлением в режиме типа сверхпластичности, когда деформации пластичности примерно равны нулю и вся необратимая деформация примерно равна деформациям ползучести.

	Первые два процесса после снятия нагрузки сопровождаются частичным упругим восстановлением – «распружиниванием» отформованной детали, и чем меньше составляющая деформаций ползучести в общей необратимой деформации, тем больше величина упругого восстановления. Кроме того, численные расчеты формообразования тонкостенных деталей оболочечного типа в этих режимах показывают зависимость геометрической формы готовой детали от точности задания исходных параметров нагружения, и, снова, чем меньше составляющая деформаций ползучести, т.е. чем меньше продолжительность процесса, тем существеннее можно выявить эту зависимость. С увеличением длительности процесса составляющая деформаций ползучести в суммарной величине необратимых деформаций увеличивается, 

что сопровождается релаксацией внутренних напряжений и ослаблением за

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

висимости конечной геометрической формы детали от неточности задания начальных условий. Это особенно проявляется в условиях режима сверхпластичности при равных нулю пластических деформациях, когда в материале обрабатываемой детали происходит практически полная релаксация напряжений, а это позволяет использовать приближенные методы расчета, задаваясь в исходном состоянии детали любыми статически допустимыми полями напряжений.

	Наиболее распространенным оборудованием для формообразования тонкостенных элементов конструкций оболочечного типа в условиях высокотемпературной ползучести являются устройства с жесткими матрицами и пуансонами. Наряду с ними появились устройства для формообразования, содержащие систему соосно расположенных подвижных стержней, между которыми зажата формуемая заготовка. С одной стороны, стержни нагружены усилиями, обеспечивающими рост прогибов заготовки в соответствии с заданным для данной температуры законом ползучести, с другой каждый стержень перемещается с заранее рассчитанной и управляемой ЭВМ скоростью. Таким образом, заготовка в процессе формования с малой скоростью деформирования непрерывно проходит геометрические формы от исходной до конечной, что исключает появление пластических изломов.

	Исходя из всего вышесказанного, можно с полной уверенностью заявлять о том, что технология обработки материалов в режимах ползучести и сверхпластичности является весьма перспективным направлением изучения в механике деформируемых сред, с учетом ее экономической целесообразности.

	Моделируя процессы формообразования деталей в режиме пластического деформирования и в медленных высокотемпературных режимах зачастую выделяются прямые и обратные задачи:

	- прямая задача формообразования – задача определения остаточного 

деформированного состояния после неупругого деформирования в течение 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

заданного времени под действием заданных внешних силовых и кинематических воздействий и последующей упругой разгрузки;

	- обратная задача формообразования – задача определения внешних воздействий, под действием которых в течение заданного времени должно происходить неупругое деформирование, обеспечивающее заданную остаточную форму после упругой разгрузки.



	1.4 Обратные задачи и их классификация



	Для этого класса задач известны следствия, требуется найти причины и определить их по некоторой дополнительной информации об объектах исследования. Эти задачи стали предметом исследования в математике относительной недавно, первые работы в этом направлении относятся к началу двадцатого века, а более интенсивно разработки в этой области математического моделирования начали проводиться в 70 – 80 годах прошлого века.

	К настоящему времени сложилась следующая условная классификация обратных задач:

	- ретроспективные обратные задачи – ( задачи с обращенным вре-менем ) задачи об определении начального состояния объекта исследования 

( начальных условий ) по некоторым функционалам или операторам от решения;

	- коэффициентные обратные задачи – задачи определения коэффициентов дифференциальных операторов;

	- граничные обратные задачи – задачи об определении граничных условий; 

	- геометрические обратные задачи – задачи об определении области, занятой объектом исследования;

	- обратные задачи смешанных типов – задачи с несколькими неизвестными, например, коэффициенты дифференциальных операторов и область, 





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

занятая объектом исследования.

	Отметим, что упомянутая выше классификация обратных задач является условной и постановки задач легко трансформируются одна в другую. Например, задача об определении дефекта в упругом теле в общей постановке относится к геометрическим обратным задачам. В том случае, когда геометрия тела такова, что для описания его поведения используется стержневая модель, задача сводится от геометрической к коэффициентной, которая в свою очередь, в рамках линеаризованной постановки трансформируется в задачу об определении нагрузки, т.е. в граничную обратную задачу.

	Отметим, что некоторые из обратных задач для обыкновенных дифференциальных уравнений решены достаточно давно. Лишь иногда возможно получить точное решение обратной задачи.

	К сожалению, решение многих обратных задач можно найти лишь приближенно, при помощи численных алгоритмов, и требуется достаточно тонкие математические средства анализа для обоснования сходимости и устойчивости решения таких задач. Для обратных задач погрешность, присущая всем измерениям, может оказать очень сильное влияние на погрешность восстановления каких-либо свойств объекта. Это обозначает, что увеличение точности проведения эксперимента не может кардинально улучшить ситуацию в процессе идентификации. 



1.5 Постановка задач формообразования



	Пусть  – ограниченная область с достаточно регулярной границей . Через  и  обозначим векторы текущих и остаточных перемещений ,    , .

	Рассмотрим задачу формообразования с бесконечно малыми деформациями, подразумевающую под собой деформацию тела в режиме ползучести и упругую разгрузку. Обратную задачу теории ползучести сформулируем на основе квазистатического вариационного принципа

               (1)  

где  и  – потенциалы деформирования в условиях ползучести.



где  – компоненты симметричного тензора упругих констант;

  – скорости деформации ползучести;

  – скорости текущих деформаций;

  – скорости остаточных деформаций



	Потенциальная форма определяющих соотношений представлена как



.                          (5)  

 	Обозначим разность соотношений (5) через функции , исходя из этого, можем записать







где  – компоненты напряжений упругого деформирования. 

Скорости деформации ползучести в (5) и скорости текущих деформаций в (8) считаются добавочными скоростями деформаций. Исходя из всего вышеперечисленного, можно сделать вывод, что задача с данными определяющими соотношениями приводится к краевой задаче теории упругости с начальными приращениями деформации.

	Стационарное значение функционала (1) при учете независимости ,  приводит к двум вариационным принципа



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



 

	Основываясь на условиях стационарности функционалов (9) и (10), возможно отметить уравнения равновесия для скоростей напряжений в объеме , а так же граничные условия на поверхности :



где  – компоненты нормали на .

	Указанный ранее вариационный принцип (10), учитывая (8), подразумевает под собой задачу разгрузки в объеме , с начальными скоростями напряжений :

(12)

	Проделав преобразование

(13)

и учтя уравнения равновесия и граничные условия (11), запишем

(14)

Исходя из всего этого (10) будет принимать вид

(15)

	Стационарность функционала в условии (15) приведет на поверхности  к граничным условиям и в объеме  к уравнениям равновесия для скоростей напряжений: 

	С указанными ранее потенциалами, достаточные условия единствен-ности решения задач деформирования: ,   для всех пар непрерывно дифференцируемых полей скоростей перемещений, принимающих заданные значения на границе.





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

1.6 Итеративный метод решения обратных задач 

      формообразования



	Допустим, что достаточные условия единственности решения задач деформирования (9) и разгрузки (10) выполнены. Функционалы (9) и (10) не только будут стационарны, но и достигнут абсолютного минимума для действительной формы деформаций. Из этого, представим формулировку обратной задачи формообразования в ползучести как минимизацию функционалов

,                       (16)

,        (17)

где   – заданная скорость остаточных перемещений.

	Имея, что функционалы являются выпуклыми задачу (16) и (17) запишем как вариационные неравенства

,                              (18)

,                             (19)

	Используем управление при помощи обратных связей, чтобы построить итеративный процесс. Полученное вследствие использования метода штрафа неравенство, из (19), относительно известного значения  



преобразуем, введя аддитивное управление  и получим



Так же запишем неравенство на основе ограничений (18)



	Итеративной интерпретацией суммы неравенств (21) и (22) будет 









Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3МПб-1.1.04.010000ПЗ

где 

	Для задачи с такой формулировкой должна быть обеспечена устойчивость, т.е. зависимость остаточных скоростей перемещений от текущих должна быть непрерывной. Если учесть достаточный критерий единственности, есть возможность прийти к неравенству 



С увеличением  и  так, чтобы , получим неравенство, которое и будет обеспечивать нужную непрерывную зависимость остаточных скоростей перемещений от текущих. Существует теорема о том, что принимая  и  как решение задачи деформирования с заданными на поверхности  граничными условиями и решение задачи разгрузки, итеративный процесс (23) решения обратной задачи формообразования на поверхности  будет представлен в виде



	Если в начальный момент времени  мы будем иметь     а в момент   будет  . После интегрирования (24) от  до  найдем итеративный процесс в перемещениях:



где  – постоянная для любого момента времени........................