Моделирование и автоматизированное проектирование технологических процессов обработки металлов давлением

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

Моделирование 

и автоматизированное проектирование 

технологических процессов 

обработки металлов давлением

Учебное пособие

2-е издание, дополненное и переработанное

Красноярск

СФУ
2019

УДК 621.7.04(07) 
ББК 30.612я73 
М744 
 
 
К о л л е к т и в   а в т о р о в: 
С.Б. Сидельников, И.Н. Довженко, И.Ю. Губанов, Р.Е. Соколов, Н.Н. Довженко, Э.А. Рудницкий, Р.И. Галиев, В.Н. Беспалов, И.Н. Белоконова 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
А.В. Коновалов, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией механики деформаций Института машиноведения УрО РАН;  
А.Р. Фастыковский, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой обработки металлов давлением и металловедения Сибирского государственного индустриального университета 
 
 
 
 
 
 
 
М744 
 
Моделирование и автоматизированное проектирование технологических процессов обработки металлов давлением : учеб. пособие / С.Б. Сидельников, И.Н. Довженко, И.Ю. Губанов [и др.]. –  
2-е изд., доп. и перераб. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2019. – 252 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-4079-7 
 
 
Изложены основные методологические принципы и сведения для освоения курсов дисциплин по моделированию и разработке систем автоматизированного проектирования процессов обработки металлов давлением. Представлены краткие теоретические и технологические аспекты построения алгоритмов расчета конкретных задач САПР. Рассмотрены примеры использования различных САПР для проектирования инструмента и технологии процессов ОМД. Даны контрольные задания для выполнения практической 
и самостоятельной работы студентов. 
Предназначено для студентов направления подготовки 22.04.02 «Металлургия». 
 
 

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 621.7.04(07)
ББК 30.612я73

 
 
ISBN 978-5-7638-4079-7 
© Сибирский федеральный университет, 2019 

Моделирование и автоматизированное проектирование процессов

обработки металлов давлением используется при обучении студентов 
направления «Металлургия» для уровней подготовки бакалавров и магистров. Материалы данного учебного пособия используются в таких 
дисциплинах учебных планов, как «Информационные технологии в металлургии», «Математические методы в автоматизированном проектировании», «Моделирование и оптимизация технологических процессов», «Моделирование процессов и объектов в металлургии», «САПР 
процессов ОМД», «САПР процессов КШП» и др., что позволяет освоить основные операции обработки металлов давлением. 

Для этого в книге последовательно приводятся методики и сред
ства для математического моделирования процессов обработки металлов давлением на ЭВМ, основы построения математических моделей и алгоритмы расчета основных параметров формоизменения и 
энергосиловых характеристик этих процессов. Для их расчета и выбора соответствующего оборудования используют разработанные ранее методики, изложенные в учебниках, учебных пособиях и монографиях 1–10]. 

Немаловажным этапом в обучении студентов является разработ
ка комплексного программного обеспечения в виде подсистем и систем автоматизированного проектирования (САПР). Здесь необходимо
знание современных языков программирования, баз данных, стандартного программного обеспечения и др. Необходимо отметить, что 
приведенные в учебном пособии системы автоматизированного проектирования были разработаны при непосредственном участии студентов и используются не только в учебном процессе, но и научных 
исследованиях. Акцент при этом был сделан на создание прикладных 
программных средств, внедренных на конкретных технологических 
производствах.

Универсальность предложенных в пособии задач позволяет сту
дентам, воспользовавшись приведенными алгоритмами, выполнить 
индивидуальную комплексную работу в виде программы расчетов на 
ЭВМ или раздел выпускной квалификационной работы.

Первое издание пособия [1] использовалось в течение ряда лет 

при обучении студентов на кафедрах обработки металлов давлением 
Института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета. Настоящее издание дополнено практическими 
заданиями по моделированию процессов обработки металлов давлением (ОМД) с помощью различных программных комплексов, таких 
как MathCAD, Ansys и LS-Dyna, Solid Works, Deform и др., а также 
материалами для практических и лабораторных занятий на ЭВМ по 
моделированию (гл. 4) и проектированию (гл. 5) процессов обработки 
металлов давлением с примерами использования перечисленных выше программных комплексов.

В соответствии с требованиями государственного стандарта сту
дент должен владеть навыками работы на современной вычислительной технике, знать и уметь пользоваться стандартными пакетами прикладных программ, разрабатывать авторские программные средства, 
непосредственно связанные со спецификой изучаемых дисциплин.

Для выполнения этих требований необходимо изучение ком
плексного курса, объединяющего в себе элементы программирования, 
вычислительной техники, моделирования, теории и технологии обработки металлов давлением. Таким образом, изложенные ниже основы 
моделирования и проектирования процессов обработки металлов давлением (ОМД) необходимы студентам для получения навыков работы 
на персональных компьютерах с использованием знаний основ теории 
и технологии обработки металлов давлением.

В результате студенты должны получить определенные компе
тенции: готовность использовать базы данных, пакеты прикладных 
программ и средства компьютерной графики для решения профессиональных задач; автоматизированные системы проектирования;
способность на основе системного подхода строить модели для описания и прогнозирования явлений, осуществлять их качественный и 
количественный анализ с оценкой пределов применимости полученных результатов.

Процесс обучения студентов разбит на три этапа, при этом по
следовательно знания и навыки, полученные в ходе изучения специ

альных дисциплин, используются для создания авторского программного продукта. Основной акцент сделан на самостоятельную подготовку, результаты которой оценивают на практических занятиях под 
руководством преподавателя. Конкретным содержанием практических занятий по данному курсу является выполнение следующих видов работ. 

На первом этапе обучения необходимо закрепление основ про
граммирования на современных языках и навыков работы на ЭВМ; 
выполнение аналитического обзора разделов учебно-технической литературы, освещающего непосредственно выбранный технологический процесс; создание подробной демонстрационной схемы процесса работы основного оборудования (прокатного стана, пресса, волочильного стана) при осуществлении заданной операции; реализация 
на одном из языков программирования файла, отражающего статическую демонстрационную схему заданной технологической операции;
совершенствование программного файла с отображением динамики 
заданного процесса и схемы пластического формоизменения обрабатываемого материала, в том числе и с применением пакетов типа Deform и др.

На втором этапе обучения выполняется разработка динамиче
ской модели с возможностью изменения входных параметров процесса; проводится закрепление основ программирования на современных 
языках и навыков работы на ЭВМ; осуществляется совершенствование программы с отображением динамики и последовательности
формоизменения металла на базе знаний, полученных по специальным дисциплинам; создаются окна диалогового ввода основных технологических характеристик процесса и технических характеристик 
основного оборудования и обрабатываемого материала, а также подготавливается программный файл к переходу от демонстрационной 
модели к диалоговому режиму работы программы с блоком расчета и
занесением в него формул по определению основных технологических параметров процесса; реализуется подробная графическая разработка и проверочные расчеты одного из основных узлов выбранного
технологического оборудования и формируется программа вводавывода основных технологических характеристик и расчета формоизменения металла и энергосиловых параметров процесса.

Третий этап обучения связан с подготовкой выпускной квали
фикационной работы. Здесь проводится разработка подробной технологической схемы производства по заданию с общим кратким описанием основных характеристик технологических операций (без зада

ния конкретных выходных и входных данных по продукции); создание базы данных по механическим свойствам металлов и сплавов; по 
выбору оборудования; конкретизация на основе полученных знаний 
по технологическим дисциплинам подробной технологической схемы
производства и расчет на ЭВМ характеристик технологических операций по получению той или иной продукции с привязкой разработанных программных средств к выпускной работе; подготовка рабочих чертежей и графической части технологической карты с помощью любой системы проектирования и подготовки конструкторской 
документации, например AutoCAD. В случае применения (или разработки) средств автоматизированного проектирования процессов ОМД 
используют авторские программные средства (гл. 2, 3). 

Приведем типовые тематические задания для выполнения выпу
скной работы.

1. Прокатка листов из сталей на двухвалковом прокатном стане.
2. Прокатка листов из цветных металлов и сплавов на двухвал
ковом прокатном стане.

3. Прокатка полос из сталей на четырехвалковом прокатном стане.
4. Прокатка полос цветных металлов и сплавов на четырехвал
ковом прокатном стане.

5. Прокатка тонких листов и лент на многовалковом прокатном 

стане.

6. Прокатка простых сортовых профилей из черных металлов.
7. Прокатка простых сортовых профилей из цветных металлов.
8. Волочение прутков и проволоки.
9. Безоправочное волочение труб.
10. Волочение труб на плавающей оправке.
11. Прессование прутков на горизонтальном гидравлическом 

прессе с прямым истечением металла.

12. Прессование труб на прессах с прошивной системой.
13. Прессование труб через комбинированную матрицу.
14. Прессование полых профилей через комбинированную матрицу.
15. Прессование прутков и профилей из медных сплавов с ис
пользованием скальпирующего устройства.

16. Многоочковое прессование прутков.
17. Многоочковое прессование профилей.
18. Прессование прутков с использованием форкамерного инст
румента.

19. Полунепрерывное прессование профилей с применением 

форкамерного инструмента.

20. Прессование на горизонтальном гидравлическом прессе с 

обратным истечением металла.

21. Непрерывное прессование по методу «Конформ».
22. Совмещенная прокатка-прессование.
23. Непрерывное прессование по методу «Лайнекс».
24. Сортовая прокатка фасонных профилей.
25. Прокатка-волочение.
26. Резка листового металла ножницами.
27. Вырубка.
28. Раскрой листов.
29. Раскрой лент и полос.
30. Вытяжка осесимметричных деталей без утонения стенок.
31. Вытяжка деталей коробчатой формы.
32. Вытяжка осесимметричных деталей с утонением стенок.
33. Гибка V-образных деталей.
34. Гибка П-образных деталей.
35. Отбортовка.
36. Рельефная формовка.
37. Обжим.
38. Раздача.
39. Осадка.
40. Высадка поковок.
41. Протяжка бруса прямоугольного сечения.
42. Протяжка круглой заготовки в вырезных бойках.
43. Открытая прошивка.
44. Закрытая прошивка.
45. Вальцовка.
46. Раскатка колец.
47. Штамповка в открытых штампах.
48. Штамповка в закрытых штампах.
49. Штамповка выдавливанием.
50. Резка заготовок на кривошипных пресс-ножницах.
Следует отметить, что студент вправе предложить свою тему 

работы, которая ведет к созданию новой модели перспективного процесса ОМД, например, процесса непрерывного литья и прокатки, 
магнитоимпульсной штамповки и т. д.

Проектирование технического объекта [11] – процесс создания, 

преобразования и представления в принятой форме образа (т. е. проекта) еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате 
творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами во время взаимодействия человека и ЭВМ. В любом 
случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах
(строительства, промышленные изделия или процессы). Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) 
технического задания (ТЗ), отражающих данные потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации, содержащей достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее, окончательное описание объекта. 

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть 

получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным, в отличие от ручного (без использования ЭВМ), или автоматическим (без участия человека на промежуточных этапах). 

Анализ современного производства показывает, что с непрерыв
ным усложнением современных технических объектов повышаются 
требования к их надежности, качеству и технико-экономическим показателям. Долгая разработка проектов приводит к моральному старению технических решений, что требует сокращения сроков разработки, уменьшения трудоемкости, стоимости и повышения эффективности труда инженеров-проектировщиков, конструкторов и технологов. Переход от ручного к автоматизированному проектированию и 
нацелен на решение описанных выше проблем.

Система, реализующая автоматизированное проектирование, 

представляет собой систему автоматизированного проектирования
(в англоязычном написании CAD System – Computer Aided Design 
System) [11].

Проектирование сложных объектов основано на применении 

идей и принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее 
общий – системный подход, идеями которого пронизаны различные 
методики проектирования сложных систем. Основной принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей процесса или 
сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход 

включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, 
определение атрибутов, анализ влияния внешней среды.

Системы автоматизированного проектирования относятся к чис
лу наиболее сложных современных искусственных систем. Их проектирование и сопровождение невозможны без системного подхода. 
Поэтому идеи и положения системного подхода входят составной частью в дисциплины, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий их применения.

Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют ме
сто в ряде известных подходов с другими названиями, которые также 
можно рассматривать как компоненты системного подхода. Таковы 
структурный, 
блочно-иерархический, 
объектно-ориентированный 

подходы.

При структурном подходе, как разновидности системного, тре
буется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и 
оценивать варианты при их выборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

Блочно-иерархический подход к проектированию использует 

идеи декомпозиции сложных описаний объектов и, соответственно,
средств их создания на иерархических уровнях и аспектах, вводит понятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней.

Ряд важных структурных принципов, используемых при разра
ботке информационных систем и, прежде всего, их программного 
обеспечения (ПО), выражен в объектно-ориентированном подходе к 
проектированию (ООП). Такой подход имеет преимущества в решении проблем управления сложностью и интеграции ПО: 

– вносит в модели приложений большую структурную опреде
ленность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов; 

– сокращает объем спецификаций, благодаря введению в описа
ния иерархии объектов и отношений наследования между свойствами 
объектов разных уровней иерархии;

– уменьшает вероятность искажения данных из-за ошибочных 

действий за счет ограничения доступа к определенным категориям 
данных в объектах. Описание в каждом классе объектов допустимых 
обращений к ним и принятых форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО.

Все подходы к проектированию сложных систем имеют свои

особенности.