Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Листовая штамповка является одним из наиболее прогрессивных способов получения деталей. Она нашла широкое применение во всех отраслях машиностроительной, приборостроительной, радиотехнической, электронной и металлообрабатывающей промышленности. Особенно большой удельный вес деталей, получаемых данной технологией, составляет в производстве автомобильной и авиационной техники (65-75% автомобильных и авиационных деталей самых разнообразных форм и размеров из листового материала).
Экономическая эффективность использования холодной листовой
штамповки в значительной мере определяется стойкостью штамповой
оснастки. Основной проблемой применения этого вида технологии является
часто низкая, практически всегда нестабильная, плохо прогнозируемая
стойкость рабочих деталей инструмента (пуансона и матрицы). Пониженная
стойкость штампов вызывает значительные потери в производстве, связанные с
простоем оборудования из-за частой смены штампов, нарушением ритма
работы прессов вследствие частых перерывов, а также с увеличением расходов
на переналадку оборудования. Отказ инструмента часто приводит к аварийным
ситуациям на производстве и травмам обслуживающего персонала, его
изготовление весьма энергозатратно, а ремонт наносит вред экологии. Первым шагом к созданию ресурсосберегающих, экологичных методов обеспечения стойкости инструмента для листовой штамповки должна быть разработка методики прогнозирования его стойкости.
Данная работа выполнялась в рамках НИР "Разработка
энергосберегающих, экологичных и малозатратных методов обеспечения долговечности инструмента для листовой штамповки, позволяющих повысить безопасность кузнечно-штамповочного производства" (№12-08/0706п).
Степень разработанности. Большой вклад в решение технологических проблем штамповки внесли Непершин Р.И., Артес А.Э., Сосенушкин Е.Н.
Экспериментальными исследованиями износа разделительного инструмента
для холодной штамповки и созданием приближенных (статистических)
зависимостей стойкости штампов от конструктивных особенностей
инструмента занимались - Михаленко Ф.М., Романовский В.П., Benvi S.A.
Вопросам влияния жесткости оборудования на условия работы и стойкость
инструмента посвятили свои работы такие исследователи как - ЛанскойЕ.Н.,
Банкетов А.Н., Корнилова А.В., Касымкулов С.К., КачановА.П., Титаренко
Н.И., Кокоулин В.П., Olivo G. Развитием теории накопления повреждаемости
при циклическом нагружении (характерном для штампов) занимались такие
специалисты по прочности как Palmgren A., Miner M.A., Grover H.J.,
Прошковец Й., Войтишек Я., Manson S.S., Henry D.L., Gatts R.R., Brown G.W., Work C.E., Corten H.T., Dolan T.J., Richart F.E., Newmark N. M., Marin J., Серенсен С.В, Когаев В.П., Махутов Н.А., Москвичев В.В.и др.
Ведущими отечественными и зарубежными учеными в области повышения ресурса штампового инструмента предлагаются различные способы увеличения стойкости разделительного инструмента для холодной штамповки, которые можно условно разделить на 4 большие группы:
-
Разработка штамповых сталей, термообработок и покрытий инструмента (Геллер Ю. А., Гуляев А. П., Позняк Л. А., Скрынченко Ю. М., Тишаев С. И., Фукс-Рабинович Г.С., Аксенов А. Б., Григорьев С.Н. и др.).
-
Внесение изменений в штамповый инструмент (Файфрич Л.А., Воронин А.П., Ковалев В.В., Ковалев В.Г., Попов В.М. и др.).
-
Повышение жесткости станины, как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации (Ланской Е. Н., Банкетов А. Н., Кокоулин В. П., Качанов А. П., Корнилова А. В., Olivo G и др.).
4. Наименее затратный, но очень эффективный способ – определение
рационального позиционирования штампа в штамповой зоне (Ланской Е. Н.,
Корнилова А. В.)
Однако, до сих пор не создана единая методика определения стойкости разделительного инструмента с учетом всех разрушающих процессов,
проходящих в металле рабочих деталей инструмента при его эксплуатации, не
выявлен единый параметр, позволяющий контролировать уровень
повреждаемости его рабочих деталей.
Целью работы является повышение стойкости штамповой оснастки для холодной листовой штамповки на основе математического моделирования с помощью разработанного метода, базирующегося на различных способах определения напряжений и деформаций в инструменте и оборудовании.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие научные задачи:
провести анализ и систематизацию существующих способов повышения стойкости штамповой оснастки для холодной листовой штамповки;
выявить контролепригодный параметр, однозначно коррелирующийся с повреждаемостью штамповой оснастки и исследовать зависимость этого параметра от различных влияющих на него факторов, провести корреляцию предлагаемого параметра с результатами существующих методов неразрушающего контроля;
- использовать предлагаемый параметр для оценки повреждаемости
инструментальной стали Х12МФ (ГОСТ 5950-2000) и сталей, применяемых
для изготовления деталей блока штампового инструмента - плит и втулок:
стали 25 (ГОСТ 1050-88) и стали 35Л (ГОСТ 977-88);
- по результатам многофакторных экспериментов, проводимых в заводских
и лабораторных условиях, разработать математические модели, позволяющие
прогнозировать момент выхода штампа из строя, оценить адекватность
предлагаемых моделей;
- разработать конструкцию кривошипного пресса, позволяющую повысить стойкость инструмента не менее чем в 2-2,5 раза (в зависимости от конструкции штамповой оснастки).
Объектом исследования является процесс накопления повреждаемости (приращения коэрцитивной силы) в системе «пресс-штамп-заготовка».
Предметом исследования являются закономерности изменения
предлагаемого параметра для диагностики накопления повреждаемости в деталях оборудования и штамповой оснастки для холодной листовой штамповки, от ряда конструктивных элементов оборудования, инструмента и числа циклов нагружения инструмента.
Научная новизна заключается:
- в введении контролепригодного параметра - коэрцитивной силы,
связанной с напряженно-деформированным состоянием и ресурсом,
обеспечивающего возможность оценки стойкости деталей штамповой оснастки
для холодной листовой штамповки;
- в математических моделях:
в моделях, основанных на зависимостях между коэрцитивной силой, измеренной в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости зеркала матрицы, и факторами, включающими: предел прочности материала заготовки и материала матрицы, количеством перешлифовок инструмента, количества деталей, снятых со штампа, толщины листа заготовки, номинальной силы пресса; позволяющей, в совокупности указанных факторов, прогнозировать стойкость штамповой оснастки;
в моделях, формализующих взаимосвязи между скоростью изменения коэрцитивной силы, как показателя повреждаемости рабочих деталей инструмента, и отношения номинальной силы пресса к силе технологической операции, позволяющей обеспечить заданную стойкость инструмента на стадии выбора пресса;
- в интегрированной конечно-элементной системе, учитывающей
взаимовлияния инструмента и оборудования, включая конструктивные
параметры, позиционирование в штамповой зоне и материал инструмента, и
упругие свойства оборудования, что позволяет определить напряженно-
деформированное состояние инструмента и оборудования с заданной
точностью;
- во взаимосвязи коэрцитивной силы и напряжений, в штамповой оснастке
при выполнении технологической операции, позволяющей повысить
оперативность прогнозирования её стойкости и назначить периодичность
плановых ремонтов.
Теоретическая значимость. Установлена применимость магнитного
метода неразрушающего контроля для определения состояния материала рабочих деталей штампов для листовой штамповки с использованием структурной диаграммы сталей, что существенно расширяет область диагностирования стойкости и прогнозирования работоспособности штамповой оснастки для холодной листовой штамповки.
Практическая значимость заключается в:
- экспериментальном определении коэрцитивной силы в сталях Х12МФ, 25
и 35Л со статистическими параметрами, в зависимости от физико-
механического состояния поверхности, включающими микродефекты и
макродефекты, позволяющей обеспечить прогнозирование стойкости деталей,
изготовленных из этих сталей;
рекомендациях по проектированию конструкции кривошипного пресса, позволяющего без существенного увеличения металлоемкости станины, увеличить стойкость инструмента не менее чем в 2-2,5 раза;
методическом обеспечении определения коэрцитивной силы в деталях штамповой оснастки для холодной листовой штамповки, основанном на анализе репрезентативной выборки экспериментальных данных;
рекомендациях по направлению периодических перешлифовок зеркала матрицы в процессе эксплуатации инструмента, позволяющих увеличить период времени между перешлифовками;
- рекомендациях по определению повреждаемости и выявлению
макродефектов деталей, основанных на выявленных корреляционных связях
между рентгенографическим методом неразрушающего контроля и замерами
коэрцитивной силы.
Основные положения, выносимые на защиту:
- математические модели, полученные в результате обработки
репрезентативной выборки данных многофакторного эксперимента,
проведенного в производственных условиях, позволяющие прогнозировать
стойкость штамповой оснастки и определять момент вывода инструмента из
эксплуатации;
- экспериментально полученные значения коэрцитивной силы в сталях
Х12МФ (в состоянии поставки, после термообработок, в момент
предразрушения), 25 и 35Л (в состоянии поставки) со всеми статистическими
параметрами;
- результаты компьютерного моделирования напряженно-
деформированного состояния инструмента с учетом упругих деформаций
оборудования;
- новая конструкция кривошипного пресса, позволяющая повысить
стойкость инструмента не менее чем в 2 раза;
- корреляционные зависимости между результатами измерения
коэрцитивной силы и рентгеновского контроля.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Работа соответствует формуле научной специальности 05.02.09-"Технологии и машины обработки давлением" в части пп. 5, 6 области исследования паспорта специальности.
Методы исследования. Теоретические обоснования проводились на базе
известных подходов теории неразрушающего контроля и диагностики, теории
упругости, базовых работ по прессостроению, методов математической
статистики, оптимизации и математического моделирования. При испытаниях
математических моделей использовался метод конечных элементов в варианте
метода перемещений. Эксперименты проводились на 3-х заводах,
эксплуатирующих разделительный инструмент для холодной листовой штамповки и в лабораторных условиях. При проведении экспериментов использовался поверенный и аттестованный коэрцитиметр КИМ-2М. Для компьютерного моделирования использовались современные программные
продукты SolidWorks, T-FLEXCAD/CAM/CAE/PDM, MicrosoftExel и MATLAB.
Для оптимизационных задач применялся симплекс-метод, для построения
математических моделей метод Брандона. Проверка адекватности
математических моделей собственным экспериментальным данным
осуществлялась с помощью коэффициента несовпадения Тейла и критерия Фишера.
Степень достоверности результатов обеспечена корректностью
постановки задач, применением известных математических методов, обоснованным использованием допущений и ограничений при выводе теоретических зависимостей и подтверждается согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.
Реализация работы. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию в НОА "Металлургэксперт", ЗАО "Прочность", НТЦ «Балмаш», г.Москва, а также в учебном процессе МГТУ «СТАНКИН», о чем свидетельствует соответствующие акты.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих конференциях: международной научно-технической конференции «Экспертиза и оценка риска техногенных систем-2011»; 4-й международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроений и авиадвигателестроении ТМ-2012»; международной научно-технической конференции "Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки металлов давлением" Краматорск (2013, 2015), «Автоматизация и информационные технологии» (АИТ-2012, АИТ-2015); международной научно-технической конференции «Современные технологии обработки материалов давлением: моделирование, проектирование, производство», посвященной 70-летию кафедры «Машины и технологии обработки металлов давлением» им. И.А. Норицына; конференции "Неделя металлов в Москве - 2012, 2015"; Х-ой Юбилейной Международной конференции "Актуальные вопросы современной техники и технологии"; V Всероссийская конференция "Безопасность и
живучесть технических систем", на заседаниях кафедр «Композиционные материалы» и «Системы пластического деформирования» МГТУ "Станкин", заседании НТС ОАО ММЗ "Авангард"и др.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 1
монографии, 1 учебнике, 1 методическом пособии и в 21 статье, в том числе в
изданиях, рекомендованных перечнем ВАК – 8. Имеется 2 патента – на
полезную модель (№133464 В30В) и на способ определения стойкости рабочих
деталей инструмента для холодной листовой штамповки
(№2570604В21В28/02).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
четырехглав, основных выводов, приложения и списка использованной