Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблемы обеспечения гибкости технологических процессов пластического формообразования поковок
1.1 Гибкое формообразования поковок, показатели гибкости технологических процессов 9
1.2 Моделирование процессов поперечного выдавливания с учетом влияния контактного трения, температуры и скорости деформации 16
1.3 Гибкие производственные модули пластического формообразования 22
1.4 Выводы по 1 главе 29
1.5 Постановка задач исследования 30
Глава 2 Разработка технологических способов управляемого поперечного выдавливания 31
2.1 Пластическое формообразования при управляемом поперечном выдавливании ЗI
2.2 Разработка конструкций технологической оснастки для управляемого поперечного выдавливания 38
2.3 Выводы по 2 главе 47
Глава 3 Разработка моделей расчета энергосиловых параметров и моделей формообразования поковок управляемым поперечным выдавливанием 48
3.1 Исследование влияния условий контактного трения и кинематических параметров перемещения инструмента на изменение формы контура поковки при управляемом поперечном выдавливании 48
3.2 Построение регрессионных моделей взаимосвязи формы поковки от параметров штамповки 52
3.3 Модель расчета силы формообразования при управляемом поперечном выдавливании 59
3.4 Выводы по 3 главе 71
Глава 4 Разработка алгоритмов проектирования технологии 73 формообразования поковок УПВ
4.1 Анализ пластического течения металла при управляемом поперечном выдавливании с помощью имитационного моделирования 73
4.2 Анализ дефектообразования при управляемом поперечном выдавливании 75
4.3 Разработка алгоритма проектирования технологического процесса производства поковок УПВ 83
4.4 Автоматизация проектирования технологических процессов УПВ 87
4.5 Выводы по 4 главе 95
Глава 5 Технологическое применение управляемого поперечного выдавливания для производства поковок машиностроительного назначения 96
5.1 Формообразование машиностроительных деталей в режиме сверхпластичности в модуле для УПВ 96
Заключение 107
Список литературы 109
- Моделирование процессов поперечного выдавливания с учетом влияния контактного трения, температуры и скорости деформации
- Разработка конструкций технологической оснастки для управляемого поперечного выдавливания
- Построение регрессионных моделей взаимосвязи формы поковки от параметров штамповки
- Разработка алгоритма проектирования технологического процесса производства поковок УПВ
Введение к работе
Доля деталей, получаемых методами обработки металлов давлением, в любой современной машиностроительной конструкции порой достигает 70 %. В автомобиле- и тракторостроении, авиастроении и ряде других отраслей народного хозяйства находят широкое применение детали и поковки типа диска или кольца, часто со сложной боковой поверхностью, а также некоторые осе-симметричные сплошные и полые детали.
Для изготовления указанных типов деталей при массовом производстве обычно используется формообразование в штампах по схеме "новая деталь -новый штамп". При многономенклатурном производстве это неминуемо приводит к значительным затратам и увеличению времени на освоение новой продукции.
Переход на гибкие технологические процессы позволяет решать указанные проблемы. Однако в действующих гибких производствах основным формообразующим процессом является резание металлов с присущими этой технологии недостатками. Прогрессивные ресурсосберегающие технологии обработки металлов давлением используются в гибких производствах значительно реже, что обусловлено специфичной кинетикой формообразования. Известные гибкие производственные модули, где формообразование осуществляется методами обработки металлов давлением, позволяют получать весьма ограниченный класс деталей.
Процесс управляемого поперечного выдавливания (УПВ) был разработан в начале 80-х годов д.т.н., профессором Шибаковым В.Г. [4]. Характерной особенностью данного процесса является возможность получения многономенклатурной продукции в одном штампе. Данная возможность обеспечивается новым подходом к процессам выдавливания, а именно, за счет придания дополнительных степеней свободы деталям штампа. Однако этот процесс не получил распространения в промышленности, вследствие его недостаточной изученности.
Таким образом, исследование процессов формообразования, происходящих при УПВ, разработка моделей зависимости законов движения инструмента от формы конечного продукта (поковки) и создание на этой основе ГПМ для пластического деформирования способом УПВ, позволяющего получать поковки и детали достаточно сложной формы в одном инструменте или с применением быстросменного инструмента, являются актуальными задачами организации многономенклатурного производства.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка математических моделей формообразования и энергосиловых параметров при УПВ, разработка программного обеспечения.
Экспериментальные исследования закономерностей формообразования при управляемом поперечном выдавливании.
Разработка технологических схем и технологической оснастки для формообразования при управляемом поперечном выдавливании (УПВ).
Разработка алгоритмов проектирования технологических процессов УПВ.
Разработка опытной установки для пластического формообразования деталей способом УПВ.
Разработка автоматизированной системы управления для УПВ, алгоритмов и программного обеспечения, необходимых для ее работы.
Разработка технологических процессов формообразования деталей, ориентированных на УПВ.
Содержание работы по главам.
В первой главе проводится анализ необходимости и возможности разработки гибких технологических процессов, рассмотрены вопросы построения моделей формообразования в технологиях ОМД, формируются цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке методологии создания новых технологических схем процессов ОМД, поиску технологических схем для управляемого поперечного, проектированию технологической оснастки, используемой для УПВ.
Третья глава посвящена имитационному моделированию с построением регрессионных моделей формообразования, на основе метода конечных элементов, при УПВ, на основе обработке данных экспериментальных исследований и разработке модели расчета технологической силы.
Четвертая глава посвящена разработке алгоритма проектирования технологии формообразования поковок УПВ.
В пятой главе разработан технологический процесс штамповки способом УПВ.
В результате решения поставленных задач в работе были получены новые научные результаты:
Зависимости между параметрами технологического процесса управляемого поперечного выдавливания и формой контура поковки, из которых следует превалирующее влияние условий контактного трения на форму свободных поверхностей выдавливаемой заготовки, определяющих точность формообразования поковок при УПВ.
Математические модели для расчета формообразования и энергосиловых параметров, устанавливающие взаимосвязь между параметрами формы контура поковки и законами движения инструмента, необходимые для разработки алгоритмов управления формообразованием при УПВ.
Технологические схемы управляемого поперечного выдавливания, позволяющие реализовать гибкое многономенклатурное производство поковок ресурсосберегающими способами пластического формообразования.
Алгоритм проектирования технологических процессов УПВ, отличающийся от известных тем, что первоначальные параметры процесса задаются исходя из уравнений регрессии, устанавливающих связь между формой поковки и законами движения формообразующих элементов штампа, а окончательная корректировка осуществляется с учетом результатов имитационного моделирования течения металла методом конечных элементов.
Методы исследования. В работе применены методы статистического анализа для обработки экспериментальных данных при проведении планового эксперимента; методы имитационного моделирования пластического течения металла.
Автор считает своим долгом выразить благодарность:
Шибакову В.Г., д-ру техн. наук, профессору за научное руководство, а также за ценные указания и замечания к работе;
Гончарову Н.С., начальнику инструментального цеха ООО ПО "Начало"
* за техническую поддержку;
Семакову В.Е., заведующему лабораторией, и Замятину Н.Л., учебному мастеру, за своевременнуго наладку и поддержку в рабочем состоянии прессового оборудования.
Моделирование процессов поперечного выдавливания с учетом влияния контактного трения, температуры и скорости деформации
В современной металлообработке можно выделить 5 больших классов процессов, на базе которых можно организовать гибкое производство: процессы обработки металлов резанием, процессы обработки металлов давлением (ОМД), процессы лазерной обработки металлов, процессы химической обработки металлов, процессы электролитической обработки металлов.
При переходе от массового производства к гибким системам производства многономенклатурной продукции, необходимо обеспечить переход на новую продукцию за минимальное время с наименьшими трудозатратами, что вызывает определенные трудности. Так как наиболее технологически простыми являются 2 первых класса обработки металлов, то целесообразно провести анализ их применимости для создания ГПМ
Для процессов первых двух классов можно выделить общие черты обеспечения гибкости: а) обеспечение вращения заготовки относительно инструмента; б) обеспечение вращения инструмента относительно заготовки; в) обеспечение возможности перемещения инструмента относительно за готовки или заготовки относительно инструмента; г) обеспечение возможности многоинструментальной обработки; д) обеспечение возможности движения инструмента в пространстве по нескольким координатах. Процессы ОМД обеспечивают высокую производительность при малом расходе материала. Среди технологий объемного пластического формоизменения наибольшей гибкостью обладают процессы: ковки; ротационного вы давливания, радиальной и сферодвижной раскатки, прокатки, ротационно-обжимной и радиально-обжимной ковки [21], ротационной вытяжки и ротационного выдавливания и др. В этих процессах расширение номенклатуры получаемых деталей достигается управлением перемещением и позиционированием инструмента. Далеко не все процессы обработки металлов давлением являются универсальными и гибкими. Так, например, большинство деталей получается как негативный отпечаток при деформировании в штампах. В результате в большинстве случаев приходится действовать по принципу "новая деталь - новый штамп", что приводит к неэффективности создания ГПМ.
Наиболее гибкими будут являться те процессы, которые при использовании минимально необходимого количества инструмента позволяют получать максимальное количество разных форм деталей.
Обработка металлов резанием позволяет получить практически любую по форме деталь путем многоразового перемещения резца или фрезы по поверхно-сти металла, при изменении глубины внедрения резца или фрезы после каждого прохода. Этот метод обработки металлов является, пожалуй, самым универсальным и гибким, но имеет существенные недостатки: высокий процент отходов и большую трудоемкость.
По своей природе процессы обработки металлов резанием наиболее оптимальны для целей построения ГП, но в силу большой трудоемкости они малопригодны для создания эффективного ГПМ. Процессы ОМД, применяемые в массовом производстве высокоэффективны, но, как правило, построены по жесткой схеме и малопригодны для построения ГПМ. Поэтому проблема создания оборудования, технологической оснастки и АСУ на базе процессов ОМД, которые отвечали бы всем требованиям эффективного ГП и позволяли бы перейти от жестких технологических схем к гибким многономенклатурным является весьма актуальной.
В последнее время ведутся интенсивные разработки в области процессов выдавливания, обладающих повышенной гибкостью [5-13, 4]. Так в работе [3] описывается способ выдавливания на плавающих оправках, который позволяет значительно расширить технологические возможности процесса прямого холодного выдавливания и использовать его для изготовления большой номенклатуры изделий типа высоких втулок, полых роликов подшипников, поршневых пальцев, цилиндрических (в том числе профильных) гильз и других подобных изделий. В работах [1,2] рассматриваются возможности новых схем поперечного выдавливания, при помощи которых можно получать фланцы правильной или сложной формы, фланцы со сложным наружным контуром, например, с зубчатым профилем, ступенчатые фланцы. Значительно расширить номенклатуру штампуемых деталей и область применения выдавливания можно [1], осваивая способы, основанные на сочетании прямого, обратного и поперечного (бокового или радиального) выдавливания (рис. 1.1).
В работе [4] рассматривается процесс управляемого поперечного выдавливания, который в отличие от вышерассмотрсиных процессов выдавливания позволяет осуществлять переход на новую деталь без смены или модернизации используемого инструмента (рис. 1.2.). Этот процесс является перспективным для создания ГПМ для пластического формообразования деталей и АСУ для него. Однако систематических исследований формообразования достаточных для создания ГПМ на основе этого процесса нет.
Для построения ГПМ пластического формообразования деталей требуются модели, описывающие процесс формообразования.
Математическое моделирование формообразования деталей при пластическом деформировании металла отличается большой сложностью, т.к. приходится учитывать много факторов: анизотропность механических свойств, зависимость механических свойств от температуры, зависимость параметров трения от температуры, сопротивление металлов пластической деформации, которое также зависит от температуры, накопление повреждений, наследственный характер деформации.
Исследования физики процесса выдавливания проводились в [58-60, 77, 23-25,45,76,78,63,69,20,34,117,93,70,28,90, ПО, 113, 116, 118, 119]. Прямое и обратное выдавливание протекает при ярко выраженной схеме неравномерного всестороннего сжатия, обеспечивающей металлу высокую пластичность [87]. Поковки, полученные выдавливанием, отличаются высоким качеством, отсутствием внутренних трещин, пустот и других дефектов, устраняемых в процессе деформирования в условиях трехосного сжатия при высоком среднем напряжении [62,58]. Применение поперечного выдавливания может приводить к разрушению заготовки на свободной поверхности. Поэтому для обеспечения формообразования без разрушения необходимо изучить его причины и выработать методы его устранения.
Разработка конструкций технологической оснастки для управляемого поперечного выдавливания
Клиновой штамп-автомат позволяет изготавливать детали с двумя осями симметрии (рис.2.8). Заготовка (пруток) подается через канал в корпусе штампа при неподвижном ноже 2 до упора в корпус 1. Заготовка базируется между частями плавающей матрицы 3. Плавающая матрица 3 перемещается влево с помощью пружин 4,5. При ходе ползуна вниз клин 6 воздействует на скос ползуна 7, перемещающегося вправо вместе с частями с частями плавающей матрицы 3 и заготовкой. При перемещении матрицы 3 заготовка отрезается и перемещается вправо в зону выдавливания. Теперь в работу вступают клинья 8, перемещающие ползуны 9, несущие пуансоны 10. При движении клиньев 8 вниз, через реечно-зубчатую передачу 11,12 передается движение кулачку 13, который согласно своему.профилю воздействует на толкатель 14. Толкатель 14 через другую передачу 15, 16 передает движение обойме 17 с закрепленной на ней рейкой 18. При дальнейшем движении вниз клиньев 8 пуансоны 10 выдавливают металл через изменяющийся зазор. При ходе ползуна пресса вверх, клинья 8 разъединяются с ползунами 9. Ползуны 9 и пуансоны 10 перемещаются с помощью пружин 19 в исходное положение. Система ползун 7 - плавающая матрица 3 - готовая деталь перемещается в исходное положение с помощью пружин 4,5. Деталь удаляется через отверстие в нижней плите. К штампу можно выполнить автоматическую валковую подачу. Реализация привода с использованием гидравлических устройств.
Со следящим гидроприводом (рис.2.9). Устройство со следящим гидроприводом для регулирования скорости обоймы состоит из исполнительного механизма 1 (силовой цилиндр) с закрепленной на нем обоймой 2, следящего распределителя 3, который связан посредством гидравлики с цилиндром 1. Следящий распределитель 3 контактирует с копировальной линейкой 5 через щуп 4. Копирная линейка 5, жестко связанная с ползуном пресса задает перемещение механизму I. Перемещение цилиндра обусловлено работой следящего распределителя 3, подающего жидкость из напорной магистрали в управляемую полость цилиндра 1. 2. Гидравлическое устройство для автоматического регулирования скорости обоймы (рис.2.10). Устройство состоит из дистрибутора 1, шагового двигателя 2, силового цилиндра 3, редуктора 4,5, блока задания 7, блока программирования 8, дискретного датчика обратной связи 9, блока сравнения 10, датчика уровня скорости 11, пневмоприводов 12,13, гидроклапана А, регулирующего дросселя Б. На выходе блока программирования появляется серия импульсов, заданная программой. Эти импульсы через блок управления шаговым двигателем поступают на шаговый двигатель, который приоткрывает регулирующий дроссель.
Схема УПВ-2. Для осуществления этого процесса можно также применять комбинацию гидравлики и зубчатых передач. Схема УПВ-3. Данная схема осложнена присутствием дополнительного инструмента, который должен двигаться в плоскости, перпендикулярной оси заготовки. Для придания ему движения с помощью механизма, расположенного вертикально необходимо использовать клиновидное звено. Схема УГТВ-4. Ее можно осуществлять с применением гидравлических прессов, для осуществления бокового выдавливания. Для создания форм в поперечном направлении используются бойки или штампы, для отрезки ножи. Для привода бойков в движение необходимо предусмотреть специальный механизм, который бы позволял использовать усилие создаваемое прессом, посредством муфты или другого приспособления. Приведенные выше конструкции мало подходят для реализации процесса УПВ при использовании стандартного оборудования. Поэтому в данном разделе предложена схема формообразующего блока, предназначенного для использования на гидравлическом прессе общего назначения. Формообразующий блок для осуществления управляемого поперечного выдавливания (рис.2.1 ]) состоит из плиты I, вставки 2, прикрепляемой к плите I, станины 3, прикрепляемой к вставке 2, изотермической ванны 4, пуансона 5, сменной головки 6, штока 7, обоймы-матрицы 8, направляющей 9, закрепленной посредством шпонок 10 и гаек II, упоров 12 и 13, скрепленных вместе, червячной передачи, состоящей из червячного колеса 14 и червяка 15. Обойма 8 и упор 12 образуют между собой винтовую пару. Сменная головка служит для изменения радиуса выходной кромки для вытекания металла. Формообразующий блок работает следующим образом. Цилиндрическая заготовка помещается до упора во вставку 2 в обойму 8, опущенную до соприкосновения со вставкой 2 (левая часть на рис.2.И). Далее задается перемещение обоймы 8 (правая часть на рис.2.И) для образования зазора, обеспечивающего вытекание металла, путем воздействия на червячную передачу 14, 15 программно управляемого электродвигателя. Червячная передача воздействует на обойму через винтовую пару обоймы 8 и упора 12. Во избежание поворота обоймы 8 вокруг своей оси обойма связана с направляющей 9, двигающейся по прямолинейным пазам в станине 3. После задания перемещения обоймы 8 пресс программно осуществляет давление на пуансон 5 через шток 7. После достижения определенной степени выдавливания вновь осуществляется программное задание зазора путем перемещения обоймы 8, и выдавливание осуществляется вновь и т.д. Для модели процесса УПВ-1 можно выделить 3 основные схемы проведения штамповки: 1. Последовательная. Эта схема подразумевает последовательное перемещение инструмента: сначала обойма-матрица перемещается для образования требуемой величины зазора, затем производится выдавливание путем перемещения пуансона на требуемую величину. При данной схеме форма поковки будет ступенчатой с резким обозначением переходов. Данная схема наиболее удобна для проведения экспериментальных исследований формоизменения. 2. Параллельная. В этом случае при постоянном перемещении пуансона происходит перемещение обоймы-матрицы по определенному закону во времени. При данной схеме поверхность поковки будет получаться гладкой без резких переходов.
Построение регрессионных моделей взаимосвязи формы поковки от параметров штамповки
Программа "РТЕ-Г предназначена для расчета формоизменения заготовки по заданным параметрам кинематики инструмента в условиях плоского напряженного, плоского деформированного, и осееимметричного напряженного состояний. Программа позволяет работать с неограниченным количеством инструмента, имеющим любую геометрическую форму (плоскую).
Программа состоит из препроцессора, ядра и постпроцессора. Препроцессор (программа формирования и ввода начальных данных). Позволяет ввести данные о кинематике инструмента, геометрии формы инструмента, пара метрах трения, начальную температуру, свойства материалов. Препроцессор содержит подпрограмму пополнения и использования библиотеки материалов. Также препроцессор содержит интеллектуальный алгоритм контроля введенных данных, который не позволит начать расчет, пока данные не будут корректными. Данные о геометрии и кинематики инструмента могут быть подготовлены с использованием программы "Form Redactor 1".
Ядро. Ядро решает задачу минимизации функционала метода приращений перемещений, основанного на методе баланса работ, для отыскания полей перемещений. Также ядро автоматически формирует граничные условия для задач пластичности и теплопроводности. Ядро позволяет решать задачи пластичности по заданной кривой зависимости интенсивности напряжений от интенсивности деформаций, а также для идеальной пластичности с линейным упрочнением при использовании метода начальных напряжений. Ядро автоматически строит разбивку на треугольники для выбранного типа разбивки и автоматически перестраивает сетку с учетом особенностей деформирования на каждом шаге. Возможное вырождение сетки конечных элементов предотвращается путем построения ее заново (регенерации) на каждом шаге по времени. Для решения используется элемент типа простой треугольник, что упрощает алгоритм создания глобальной матрицы. Полученная система линейных уравнений решается методом Гаусса. Известно, что применение прямых методов расчета приводит к снижению скорости расчета, но при использовании современных ЭВМ это снижение не слишком велико. ,
Постпроцессор (программа вывода результатов расчетов). Позволяет посмотреть рассчитанные формоизменение, поля перемещений, деформаций, напряжений, температур, остаточных напряжений. Также постпроцессор позволяет узнать для каждого треугольника следующие параметры: тензор деформаций, напряжений, скоростей деформаций, девиаторы, шаровые тензоры, окта-эдрическое напряжение, гидростатическое давление, главные напряжения, деформации, скорости деформации, углы наклона главных величин к осям, коэф фициенты Лодэ. Постпроцессор позволяет просмотреть все указанные параметры для любой просчитанной стадии деформирования (рис. 4.14).
Так как для формообразования способом УПВ применяется прессовое оборудование, то принимается, что скорость пуансона постоянна на всем промежутке времени. Зная конечное формоизменение поковки, можно вычислить объем металла, а, зная скорость штамповки и объем металла, можно определить точное время штамповки, т.к. по известному объему поковки и диаметру заготовки можно определить высоту заготовки, ушедшей на выдавливание.
В этом разделе предлагается метод последовательных приближений параметров штамповки, который позволяет найти окончательное решение задачи за определенное число итераций, при помощи программы, определяющей параметры формоизменения по заданным параметрам штамповки.
Перед использованием метода необходимо произвести разбивку контура детали на зоны, общее число которых равно N (для этого следует использовать анализатор формы встроенный в программу "Form Redactor"). В методе предполагается, что штамповка представляет собой серию дискретных выдавливаний при постоянном движении пуансона. При каждом последующем выдавливании размер зазора z, остается постоянным на протяжении всего отрезка времени А/, необходимого для набора металла, ограничиваемого величиной припуска на механическую обработку є.
Разработка алгоритма проектирования технологического процесса производства поковок УПВ
Данные таблицы 10 показывают, что и в этом случае очевидно преимущество управляемого поперечного выдавливания перед резанием.
Выше были приведены примеры использования технологии «сверху -вниз». Чтобы показать технологические возможности управляемого поперечного выдавливания при использовании схемы «снизу - вверх», спроектируем технологию получения головки сложной формы, расположенной на конце цилиндрической поковки диаметром 15 мм. Чертеж головки показан на рис. 5.7,. Переходы штамповки приведены в таблице 11 (приложение О). Экспериментально полученная головка из свинца изображена на рис. 5.7. Различие формы поковки полученной экспериментально (рис.5.7.) и численным расчетом (рис. 5.7., в) обусловлена разными контактными условиями на опорной поверхности. В ПО QForm в качестве контактных условий использовался коэффициент контактного трения 0,8, что соответствует ГОШ без смазки (см табл. 13, приложение 3). В эксперименте на свинцовых образцах была ис- пользована опорная плитка со специально нанесенными бороздками в виде концентрических окружностей глубиной 0,5 мм.
Массовые характеристики, приведенных на рис. 5.7. поковок и детали следующие: рис.5.7.,а-0,0581 кг; рис. 5.7., б-0,069кг; рис. 5.7., в-0,0695 кг. В результате решения поставленных задач были получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту: Зависимости между параметрами технологического процесса управляемого поперечного выдавливания и формой контура поковки, из которых следует превалирующее влияние условий контактного трения на форму свободных поверхностей выдавливаемой заготовки, определяющих точность формообразования поковок при УПВ. Математические модели для расчета формообразования и энергосиловых параметров, устанавливающие взаимосвязь между параметрами формы контура поковки и законами движения инструмента, необходимые для разработки алгоритмов управления формообразованием при УПВ. Технологические схемы управляемого поперечного выдавливания, позволяющие реализовать гибкое многономенклатурное производство поковок ресурсосберегающими способами пластического формообразования. Алгоритм проектирования технологических процессов УПВ, отличающийся от известных тем, что первоначальные параметры процесса задаются исходя из уравнений регрессии, устанавливающих связь между формой поковки и законами движения формообразующих элементов штампа, а окончательная корректировка осуществляется с учетом результатов имитационного моделирования течения металла методом конечных элементов. Также были получены важные практические результаты: разработана конструкция формообразующего блока для УПВ в виде двух координати о го пресса с ЧПУ и АСУ к нему для пластического формообразования способом УПВ; разработан гибкий технологический процесс получения колец методом последовательно проводимых операций поперечного выдавливания и сдвига; разработано программное обеспечение (ПО) для статистической обработки экспериментальных данных при проведении планового эксперимента, с помощью которого получены модели, позволяющие описать зависимость параметров формы контура от законов движения инструмента; разработано программное обеспечение, служащее для математического моделирования процесса формообразования, протекающего как стационарно, так и во времени; разработаны технологические процессы штамповки управляемым поперечным выдавливанием, обеспечивающие получение многономенклатурной продукции.