Аналитическое исследование особенностей процесса горячего изостатического прессования тороидальной оболочки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Калугин, Илья Анатольевич

• Калугин, Илья Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калугин, Илья Анатольевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

Глава 2. Математическая постановка задачи исследования поведения тороидальной оболочки в процессе горячего изостатического прессования.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Исследование уравнений путем разложения по параметру.

Глава 3. Исследование процесса горячего изостатического прессования труб из порошковых материалов.

3.1. Постановка и решение задачи.

3.2. Исследования характера процесса деформирования в зависимости от параметров задачи.

3.3. Плоская задача прессования труб.

3.4. О влиянии учета неоднородного распределения плотности на характер процесса деформирования порошкового материала.

3.5. Деформация вала при нанесении порошкового покрытия.

3.6. Результаты математического моделирования.

Глава 4. Особенности характера деформирования тороидальной оболочки.

4.1. Аналитическое решение для членов нулевого и первого порядка.

4.2. Аналитическое решение для членов второго порядка и анализ их влияния на характер процесса деформации.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аналитическое исследование особенностей процесса горячего изостатического прессования тороидальной оболочки»

В настоящее время все большее значение приобретают изделия, обладающие высокими эксплуатационными характеристиками. Это обусловлено существенным прогрессом в развитии техники, когда материалы традиционного качества перестали удовлетворять все более возрастающим требованиям конструкторов. Существенно расширились области применения техники, возросли требования к ее качеству, надежности, рентабельности, экологичности и многим другим параметрам. Использование при изготовлении техники принципиально новых материалов зачастую не оправдано экономическими и техническими соображениями. В то же время использование современных методов обработки jex же материалов, что использовались раньше, может дать прирост необходимых характеристик без приложения колоссальных финансовых затрат.

Одним из современных методов обработки материалов является порошковая металлургия. Она позволяет получать изделия, обладающие высокими эксплуатационными характеристиками и, в то же время, получать существенную экономию исходного материала. Но, как и везде, здесь тоже есть свои недостатки. Основным из них является трудность последующей обработки изделия, а иногда и невозможность таковой в силу специфики изделия. Поэтому основной задачей порошковой металлургии является достижение как можно более высокой точности геометрии изделия. Эта задача обуславливается еще и высокой стоимостью исходного материала, что с учетом больших габаритов современных изделий образует весьма значительные суммы. Высокой стоимостью обуславливается и невозможность проведения большого количества предварительных экспериментов по подгонке геометрии изделия к требуемым рамкам.

Традиционным методом получения изделий в порошковой металлургии является горячее изостатическое прессование (ТИП) порошковых материалов. Процесс ГИП представляет собой высокотемпературное (порядка 1000° С) уплотнение порошковых материалов под действием внешнего давления (порядка 1000 атмосфер). Заготовка для процесса ГИП представляет собой капсулу, заполненную порошковым материалом и, в случае необходимости, расположенными в определенных местах закладными элементами, которые в дальнейшем удаляются из готового изделия, оставляя пустоты необходимой формы. В ходе процесса ГИП заготовка искажается, принимая форму изделия. Именно сложность моделирования процесса искажение заготовки создает трудности получения изделия требуемой геометрии.

В связи с перечисленными выше трудностями возникает необходимость предварительного расчета геометрии полученного изделия, которое можно осуществить методами математического моделирования. В самом общем виде постановку задачи математического моделирования процесса ГИП можно сформулировать следующим образом: требуется спроектировать капсулу таким образом, чтобы конечная форма порошкового монолита, полученного после удаления капсулы, удовлетворяла требуемой геометрии. Отметим, что в силу специфики использования таких изделий, эти требования бывают достаточно жесткими.

Проблема математического моделирования процесса ГИП характерна для проблемы описания поведения материалов за пределом упругости. Она связана с точностью самих определяющих соотношений. Их точность, как правило, не позволяет достичь необходимой точности в реальном изделии. Особенность моделирования процесса ГИП состоит в том, что очень точно известен конечный объем изделия. Поэтому ошибка в одном размере влечет ошибку в других размерах.

В этих условиях реальный процесс налаживания производства изделий порошковой металлургии состоит в экспериментальных итерациях, когда после каждой попытки вносятся уточнения в форму капсулы или саму модель. При этом нормальным считаются две-три предварительные попытки. Очень важно уже на первой итерации получить близкое значение конечной формы.

В связи с выше сказанным, необходимо отдельно отметить роль аналитического исследования подобных задач, поскольку с точки зрения практической применимости аналитическое исследование само является приближенным из-за тех погрешностей, которые присутствуют в самих определяющих соотношениях. Роль аналитического исследования состоит в выяснении характера влияния тех или иных параметров на процесс деформации и конечную форму. Это важно на стадии подготовки первой экспериментальной итерации и особенно важно на стадии уточнения параметров после первой экспериментальной итерации.

Следует отметить, что именно начальная форма капсулы и закладных элементов определяет характер процесса деформации порошкового материала. Одним из актуальных вопросов в порошковой металлургии является вопрос о возможности создания устойчивой начальной формы капсулы, которая была бы слабо чувствительна к погрешностям определяющих соотношений. В целом вопрос устойчивости процесса деформации пластически сжимаемых сред пока мало исследован. Из практики известно, что в ряде задач, незначительные изменения начальной формы капсулы (например, задача прессования тонких дисков при отсутствии плоскости симметрии) приводят к значительным искажениям конечной формы. Одной из таких задач, где начальная форма капсулы может привести к искажению конечной формы изделия является задача прессования тороидальной оболочки.

Работа посвящена аналитическому исследованию процесса ГИП тороидальной оболочки. Целью работы является разработка и исследование аналитической модели процесса, а так же аналитическое объяснение возможных искажений конечной формы, вызванных тороидальной формой капсулы.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Калугин, Илья Анатольевич

Выводы.

1 Разработан метод расчета изменения параметров тороидальной оболочки в процессе уплотнения, который может быть применен для экспресс-анализа влияния начальных размеров и механических свойств на конечную форму оболочки.

2. Показано, что в первом приближении задача прессования тороидальной оболочки эквивалентна задаче прессования трубы. Получены соотношения, характеризующие изменения основных параметров тороидальной оболочки в процессе горячего изостатического прессования, а так же характер процесса деформации.

3. Выявлены условия, при которых деформация носит плоский характер, что важно, поскольку позволяет точно определить конечные размеры, и дает возможность для ряда конкретных процессов проектировать капсулу направленного действия.

4. Аналитически исследована плоская осесимметричная задача процесса ГИП и, в зависимости от параметров, определены области, соответствующие различным режимам деформации.

5. Аналитически исследованы возможные дефекты, обусловленные тороидальностью формы капсулы и возникающие в процессе ГИП.

6. Исследован характер неоднородности плотности в осесимметричной задаче процесса ГИП вблизи неподвижной внутренней границы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калугин, Илья Анатольевич, 2010 год

1. The Development of ШР Technology and Technological Trends in Japan. — M. Ueda. Procedings of the 2008 International Conference On Hot Isostatic Pressing. Huntington Beach, California, USA, 2008 p.141-149

2. Introducing «Kinzoku Giken Co., Ltd.» and the Market Trends for HIP. K. Hasegawa. Procedings of the 2008 International Conference On Hot Isostatic Pressing. Huntington Beach, California, USA, 2008 p.149-159

3. Applications for Large Scale Pre-alloyed HIP PM Materials. B. McTiernan. Procedings of the 2008 International Conference On Hot Isostatic Pressing. Huntington Beach, California, USA, 2008 p.3-13

4. Diversification of HIP Equipment Technology. K. Watanabe, K. Suzuki, S. Kofune, N. Nakai, M. Yoneda, Y. Manabe. Procedings of the 20081.ternational Conference On Hot Isostatic Pressing. Huntington Beach, California, USA, 2008 p. 113-123

5. Ильюшин А.А. Пластичность. Изд. АНСССР. 1963.

6. Хилл Р. Математическая теория пластичности. ГНТЛ. 1956.

7. Соколовский В.В. Теория пластичности. 1969. Высшая школа.

8. И.С. Макаров, Н. Д. Тутышкин, А.Е. Гвоздев, В.И. Трегубов, М.А.

9. Захаров Технологическая механика дилатирующих материалов, изд. 3, подред. Н. Д. Тутышкина, Москва Тула, Тульский полиграф, 2007 г.

10. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. Изд. Наука. М. 1960.

11. Cundall P.A., Strack O.D.L. A discrete numerical model for granular assemblies.// Geotechnique.- 1979. v.29, p.47-65.

12. Шоркин B.C. Теория упругости поверхностных слоев твердых тел //Известия. ТулГУ. 1995. - т.1. - В.2.

13. Гордон В.А., Шоркин B.C. Нелокальная теория приповерхностного слоя твердого тела. // Итоги развития механики в Туле. Международная конференция. Тезисы докладов. Тула, ТулГУ. 12-15 сентября 1998.

14. Гордон В.А., Шоркин B.C. Нелолкальная теория приповерхностного слоя твердого тела // Известия ТулГУ. — т.4. — Тула, 1998.

15. Федоренко И.М., Андриевский В.А. Основы порошковой металлургии. Киев. изд. АН ЦССР. 1963,420 с.

16. Болыпин М.Ю., Кипарисов С.С. Основы порошковой металлургии М.: Металлургия, 1978, 184 с.

17. Болынин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. М. Металлургия. 1972. 336 с.

18. Большин М.Ю. Порошковое металловедение М. Металлургиздат. 1948. 332 с.

19. Друянов Б.А. Прикладная теория пластичности пористых тел , М, Машиностроение, 1989

20. Грин Р. Дж. Теория пластичности пористых тел, 1 сб. переводов, «Механика», 1973, №4, 109-120 сс.

21. Штерн М.Б. К теории пластичности пористых тел уплотняемых порошков, Реологические модели и процессы деформирвоания пористых, порошковых и композиционных материалов, Киев, Наукова думка, 1985.

22. Штерн М.Б., Сердюк Г.Г. Максименко JI.A, и др. Феноменологические теории прессования порошков, Киев, Наукова думка, 1982, 140 с.

23. Перельман В.Е. Формование порошковых материалов, М. Металлургия, 1979, 232 с.

24. Александров С.Е. Поверхности текучести пористых тел и моделирование технологических процесссов в порошковой металлургии, автореф. Дис. На соиск. Уч. Ст. д.ф.м.н. Минск 199

25. Прогрессивные технологические процессы штамповки деталей из порошков и оборудование, Г. М. Волкогон, А,М, Дмитриев, Е.П, Добряков и др. Под общ. Ред. А.М, Дмитриева , А.Г. Овчинникова М., Машиностроение, 1991, 320 с.

26. Лаптев A.M. Критерий пластичности пористых материалов, Порошковая металлургия 1982, №7, 12-17 сс.

27. Suh N.P. A yield criterion for plastic, frictional work- hardening granular materials. Int. J. Powder Met, 1969,№1 69-76 pp.

28. Tabata Т., Masani S., Abe Y, A, Yield criterion for porous material and analysis of axi-symmetric compression of porous disks, Tap. Soc. Technol. Prast, 1977, №196 pp 373-380

29. Kuhn H.A., Downey C.L. Deformation characteristics and Plastisity theory of Sintered powder material Int J. Powder Met, 1971, №1 15-25 pp.

30. Условие пластичности анизотропных высокопористых порошковых материалов, П.А.Витязь, В.А. Шеког, В.М. Капцевич и др. Порошковая металлургия 1984, №9 1 -5 сс.

31. Скороход В.В. Реологические основы теории спекания , Киев, Наукова думка, 1972 152 с.

32. Production of Extra Complex Shape Parts from Powder Superalloys on the Basis of HIP Process Modeling, Kratt E.P.Samarov V.N. Seliverstov D.G. Ryzhova N.A., Proceedings of PM Aerospace Materials Int. Conference, Lausanna,1991

33. Production of Extra Complex Shape Parts from Powder Superalloys on the Basis of ШР Process Modeling, Kratt E.P.Samarov V.N. Seliverstov D.G. Ryzhova N.A., Proceedings of PM Aerospace Materials Int. Conference, Lausanna,1991

34. New Regularities of the Sshape-Changing of Hollow Parts During ШР, Goloveshkin V.A.,Kazberovich A.M. Samarov V.N. Seliverstov D.G., Hot Isostatic Pressing Theory and Applications ESP, London, 1992

35. Capsule Design for Hot Isostatic Pressing of Complex Shape Parts, Alexandrov S.A. Extrom P, Samarov V.N. Seliverstov D.G., Hot Isostatic Pressing'93 Elsvier, 1994 pp 555-561

36. ШР Modeling of Complex Shape Parts: Experience, Trends and Perspectives, Samarov V.N. Seliverstov D.G., 1994, Powder Metallurgy World Congress. Proceedings

37. Finite Element Simulation of ШР -Process to Produce 3Dnear Net Shape Parts,Khazami-Zadeh M,Seliverstov D, Petzoldt F, Kunze H.,1994, Powder Metallurgy World Congress. Proceedings

38. HIP of Complex shape perts the way to industrial technology through modeling, capcile design and demonstrators, , Samarov V.N. Seliverstov D.G., Kratt E, Raisson G. Proceedings of International Conference on Hot Isostatic Pressing, Beijing, China,1999

39. Samarov V.N. Seliverstov D.G., Kratt E. Development and manufacturing of "net shape" critical rotating parts from Ni-base superalloy, Proceedings of International Conference on Hot Isostatic Pressing, Beijing, China, 1999

40. S.M. Doraivelu, H.L. Gegel, J.S. Cunasekera, J.C. Malas, J.N. Morgan and J.F. Thomas, Jr., "A new Yield Functionfor Complessible P/M Materials", Inter. J. Mech, Sci.,26(1984), 527-535

41. V. Seetharaman, S.M. Doraivelu and H.L. Gegel, "Plastic Deformation Behavior of Compressible Solids", J. Mat. Shaping Techn. , 8 (1990) 239248.

42. Kuhn H.A., Downey C.L. Deformation characteristics and Plastisity theory of Sintered powder material Int J. Powder Met, 1971, №1 15-25 pp.

43. Zienkievich O.C., Taylor R.L. The finite elements method, New York, Nc Graw Hill,1977,p. 376

44. S. Shima and M. Oyane "Plasticity Theory for Porous Metals", Inter. J. Mech. Sci,18(1976), 285-291

45. R.E. Dutton , S, Shamasundar and S.L. Semilatin, "Modeling the Hot Consolidation of Ceramic and Metal Powders", Metall. Trans.A. 26A (1995) in press

46. Власов A.B., Селиверстов Д. Г. Определение функций пластичности порошковых материалов, применяемых при ГИП, «Исследование в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства». Сб. научных трудов , Тул. ГУ, Тула, 1998, с. 46-49

47. Друянов Б.А., Самаров В.Н., Уплотнение порошкового материала в неоднородном температурном поле , «Порошковая металлургия», 1989, №3.

48. Ильюшин А.А. Пластичность , Изд. АН СССР, 1963.

49. Болыдин М.Ю., Кипарисов С.С. Основы порошковой металлургии М. Металлургия 1978, 184 с.

50. Рихтмайер Р.Д. , Мортон Н, Разностные методы решения краевых задач, М. Мир, 1973.

51. О влиянии геометрии капуслы на характер напряженного состояния порошкового материала В. А. Головешкин, И. А. Калугин, А.В. Пономарев, М.Я. Флакс Труды шестой Международной научно-технической конференции Часть 1. г. Воронеж, 2005 г.

52. Теория упругости. С.П. Демидов, Москва, Высшая школа, 1979

53. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука. 1971.

54. Дьяченко В.Ф. Основные понятия вычислительной математики. М. Наука. 1972.

55. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М. 1982.

56. Рихтмайер Р.Д., Мортон Н. Разностные методы решения краевых задач. М. Мир. 1973.

57. Уилкин С., Френч С., Сорем М. Конечно разностная схема для решения задач, зависящих от трех пространственных координат и времени. Численные методы в механике жидкостей. М. Мир. 1975.

58. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М. Мир. 1977.

59. Ильюшин A.JL, Пластичность. Гостехиздат. 1948.

60. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М. Мир. 1977.

61. Ильюшин A.JL, Пластичность. Гостехиздат. 1948.

62. Goloveshkon V.A., Kazberovich A.M., Samarov V.N., Seliverstov D.G., New Regularities of the Shape-Changing of Hollow Parts During HIP, Hot Isostatic Pressing Theory and Applications ESP. London, 1992.

63. Alexandrov S.A., Extrom P., Samarov V.N., Seliverstov D.G. Capsule Design for Hot Isostatic Pressing of Complex Shape Parts, Hot Isostatic Pressing'93 Elsvier, 1994 pp 555-561.

64. Samarov V.N., Seliverstov D.G. ШР Modeling of Complex Shape Parts: Experience. Trends and Perspectives. 1994. Powder Metallurgy World Congress. Proceedings.

65. Samarov V.N. Seliverstov D.G., Kratt E. Development and manufacturing of "net shape" critical rotating parts from Ni-base superalloy. Proceedings of International Conference on Hot Isostatic Pressing. Beijing, China. 1999.

66. Жадан В.Т., Осадчий В.А., Селиверстов Д.Г., Моделирование горячего изостатического прессования порошковых заготовок. «Известия ВУЗов». Черная металлургия. 1990. №5. с. 108.

67. Печенкин Д.В., Математическое моделирование процессов горячего деформирования при штамповке багшенных поковой, автореф. дис. На соискание уч. ст. к.т.н. М.: МИЭМ. 2001.

68. Головешкин В.А., Дмитриев В.А., Флакс М.Я., Холин Н.Н. Устойчивость процесса деформации полого цилиндра // Вопросы исследования деталей машин. Выпуск 7,- Москва. 2002. с. 19-24.

69. Karman Th. V. fon Min. Forschungsarb. Geb. Ingenierwuesens. 81. 1910.

70. Shenleu F. Inelastic column theory // J. Aeronaut. Sci. 1947. V. 14. № 5. P.261.267.

71. В. А. Андрущенко, В. А. Головешкин, В. В. Зуев, Н. Н. Холин Исследование поведения стержня за пределом упругости методами инженерной теории устойчивости. ПММ , т.70, № 1, 2006, с.93-99.

72. Kalugin I., A. Ponomarev Behavioral Characteristics of Hot Isostatic Pressing of Toroidal Parts., Procedings of the 2008 International Conference On Hot Isostatic Pressing. Huntington Beach, California, USA, 2008 p.245-253

73. Р.В. Иёшкин, И.А. Калугин Влияние нарушения осевой симметрии на процесс горячего изостатического прессования порошковых материалов. Труды седьмой междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун-т, 2006 с. 370-375

74. Калугин И.А., Николайцева О.В., Юшманов А.И. Математическое моделирование процесса дегазации порошковых материалов Математическое моделирование и управление в сложных системах: Сборник научных трудов. Выпуск 6. МГАПИ, 2003, с. 127-131

75. Калугин И.А., Селиверстов А.Д. Горячее изостатическое прессование(ГИП) тороидальной оболочки Новые информационные технологии: Сборник трудов XII Всероссийской научно-технической конференции(Москва, 20-21 апреля 2009г.), с. 46-52

76. Анохина А.В., Головешкин В.А., Пирумов А.Р., Пономарев А.В. Исследование осесимметричного процесса деформации пластически сжимаемых сред при наличии неподвижной границы. Вестник машиностроения, №10 2006 год, с. 17-22

77. А.А. Антонова, И.А. Калугин, А.В. Пономарев. Прессование сферического порошкового слоя при неподвижной внутренней границе. //Наукоемкие технологии. 2009. - № 7. - т. 9. - стр. 31-34104.106