Повышение эффективности операций магнитно-импульсной штамповки Маленичвв, Игорь Анатольевич

Введение к работе

Актуальность работы. Развитие машиностроения и вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, повышение производительности труда и качества продукции основывается на применении новейших видов технологических процессов, к числу которых относятся высокоскоростные методы обработки металлов давлением (ОМД). Создание средств автоматизированного проектирования, таких процессов и иг широкое применение в структуре современного производства является важной задачей прикладной науки.

В настоящее время все это усугубляется недостатком инвестиций, жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, в связи с чем особенно актуальной становится задача создания научно-обоснованных методов проектирования ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций.

В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий мапштиб-импульснон штамповки (МИШ), отличающихся компактностью и мобильностью оборудования, простотой и низкой стоимостью оснастки, высоким качеством получаемых изделий. Современные установки для магнитно-импульсной обработки металлов (МИОМ), основанные на модульном принципе, позволяют расширить потенциальные возможности листовой штамповки, легко встраиваются в автоматические липни, могут использоваться для выполнения разнообразных операций МИШ как в условиях мелкосерийного, так и крупносерийного производств. Результаты исследований показывают,..что в операциях МИШ можно получитк значительную степень формоизменения, высокую точность геометрических размеров и качество поверхности получаемых изделий.

В то же время широкое внедрение процессов МИШ сдерживается недостаточной стойкостью инструмента, применяемой оснастки и элементов высокоэнергетического оборудования, что вызвано их работой в условиях, далеких от оптимальных, а также отсутствием методов проектирования технологии и оборудования. Это приводит к большим объемам экспериментальных и доводочных работ по корректировке технологии штамповки на этапе серийного производства.

Снижение энергоемкости процессов МИШ позволяет не только экономить энергоресурсы, но и повысить стойкость элементов технологиче-ского оборудования и инструмента. Имеющиеся в литературе работы позволяют определить энергоемкость технологической операции, но в силу принятых значительных упрощающих допущений обычно решается либо механическая, либо электрическая задачи, что не позволяет определить оптимальные параметры технологических процессов, индукторных систем и установок для магнитно-импульсной штамповки.

Работа выполнена в соответствии с грантами по фундаментальным исследованиям в области металлургии и машиностроения в 1995-1998 гг.

Все это свидетельствует об актуальности разработок в области создания научно-обоснованных методов проектирования системы «оборудование-инструмент-заготовка» для реализации процессов МИШ.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена созданию научно-обоснованной компьютерной методики проектирования технологии и оборудования магнитно-импульсного формоизменения'трубчатых заготовок, позволяющей разрабатывать новые процессы и машины, расширяющие технологические возможности штамповки при минимизации энергоемкости операций.

Научная новизна состоит в разработке математических Моделей
нестационарных электромеханических процессов импульсного деформи
рования заготовок, методов проектирования технологических процессов
МИШ и выбора режимов работы оборудования с использованием машин
ного эксперимента и параметрической оптимизации системы «установка-
инструмент-заготовка».

Основные научные положения, выносимые на защиту;

математические модели электромеханических процессов штамповки, компьютерные модели и методики проектирований оборудования, оснастки и технологических операций штамповки трубчатых заготовок;

методы оптимизации параметров системы «установка-инструмент-заготовка», режимов работы оборудования и форм импульса давления магнитного поля;

результаты экспериментальных исследований процессов МИШ и внедрения технологических операций, методов и алгоритмов расчета - в производство, практику проектирования и учебный процесс.

. Методы исследования, использовавшиеся в работе:

теоретический анализ динамических процессов, происходящих при МИШ, с использованием основных положений теории пластических деформаций металлов и теории электрических цепей;

математического моделирования, параметрической оптимизации, математической статистики и теории планирования эксперимента, а также методы переменных состояния и численного, интегрирования систем дифференциальных уравнений с применением специального комплекса программ PRADIS;

экспериментальные методы определения энергетических, силовых и деформационных параметров операций МИШ с использованием магнитно-импульсных установок и современной регистрирующей аппаратуры, с последующей статистической обработкой результатов.

Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:

созданы компьютерные модели и методики проектирования системы «установка-индуктор-заготовка», позволяющие сократить сроки технологической подготовки производства на стадии проектирования и освоения новых процессов, оборудования и оснастки;

разработаны математические модели, позволяющие проектировать типовые технологические операции МИШ, инструмент и оборудование, выбирать оптимальные параметры системы и режимы работы на основе критерия минимума энергоемкости операции;'

на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и намечены пути совершенствования оборудования и индукторных систем для обеспечения оптимальных режимов работы и форм импульса давления в операциях магнитно-импульсной штамповки трубчатых заготовок.

Научные положения диссертации использованы в учебном процессе при написании конспектов лекций и подготовке лабораторных работ по курсам «Новые виды технологических процессов, и оборудования ОМД», «Компьютерное моделирование процессов и машин ОМД», «Кузнечно-штамповочное оборудование», издании учебного пособия, а также при выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на международных, всесоюзных, республиканских и межвузовских конференциях, а том числе: международной научно-технической конференции «100 лет российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа» (г. Москва, 1996 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологию) (г. Москва, 1997 г.), «XXIV Гаі"арішские чтения» Всероссийская молодежная научная конференция (г. Москва, 1998 г.), II международнаянаучно-техническая конференция «Проблемы пластичноеги в технологии» (г. Орел, 199S г.), , международной конференции «Иїоги развития механики в Туле» (г. Гула, 1998 гГ) и на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в І 994-1998 г.г.

ПуПли;іЧ"млі?.' Oc::c"i:"c пзутпыг положения и материалы проведен
ии): исследований освещались в печати. По теме диссертации опублико
вано 10 работ. . - - - . . . - - -

Ли юр выражает' глубокую благодарность научному руководителю к.г.н., доц. Н.Е. Проскурякову, а также д.т.и., проф. СП. Яковлеву, В.Д. Кухарю и А.К. Талалаеву за оказанную помощь'при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура, ц. объем раб'отьь Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и общих выводов по работе^ списка литературы из 154 наименований л приложения и включает 187 страницы машинописного текста, 79 рисунков, 19 таблиц. Обишй объем работы 235

страниц.

В первом разделе рассмотрено современное состояние магнитно-импульспой обработки металлов. Обзор литературы рокаэывает, что исследованию процессов магнитно-импульсной обработки металлов, являющейся одиим из новых прогрессивных видов обработки металлов давлением, посвящено большое количество работ отечественных л зарубежных ученых.

Основы теории, технологии и оборудования импульсных методов штамповки базируются на работах таких ученых как: О.Д. Антоненков, A.M. Балтаханов, И.В. Белый, В.А. Глущенков, С.Ф. Головащенко, А.А. Есии, Е.Г. Иванов, СМ. Колесников, А.В. КолодяжныВ, А.Д. Комаров, В.Д. Кухарь, В.Я. Мазуровский, B.C. Мамутов, В.М. Михайлов, Е.А. Попов, Ю.А. Попов, В.Н. Самохвалов, А.К. Талалаев, Л.Т. Хименко, В.Н. Начни, Б.А. Щеглов, В.Б. Юдаев, СП. Яковлев, Я Dietz, Н.Р-. Furth, J. Jablon-ski, H. Lippman, R.H. Post, HP- Waniek, R. Winkler и другие.

Проведенные исследования технологических'процессов МИШ и
опыт эксплуатации магнитно-импульсных установок выявили существен
ные преимущества магнитно-импульсной обработки металлов по сравне
нию с другими способами листовой штамповки. '

Анализ существующих методов расчета и моделирования процессов и оборудования МИШ показал, что из-за отсутствия теоретических рекомендаций многие технологические операции МИЩ осуществляются недостаточно эффективно, что ставит задачу более глубокого и научно обоснованного определения параметров процессов МИШ, включай исследование напряженно-деформированного состояния в течении всего процесса формоизменении, определение работу пластического деформнросания, предельных степеней деформаций, расчет параметров оснастки, оборудования и энергоемкости технологических операций.

В литературе отсутствуют исследования ч анализ' влияния конструктивных и технологических параметров системы «установка-индуктор-заготовка» для операций МИШ, что не позволяет на стадии проектирования определять их конструктивные параметры, проводить оптимизацию технологических процессов, оборудования и инструмента.

Применение численных методов для расчета операций формообра
зования, сборки и калибровки позволяет провести анализ механизма фор
моизменения, и дать рекомзндации но выбору оптимальных параметров
технологического процесса и оборудования, что в настоящее время явля
ется нерешенной задачей. *

Варьируя параметрами индуктора, количеством Олокое установки и их энергоемкостью, а следовательно, фазой к амплитудой разрядных токов в ішдуїооре, можно создавать сложные законы изменения давления импульсного магнитного поля на заготовку, что позволяет управлять процес-

сом деформирования заготовки it расширяет технологические возможности МИШ. Определить наилучшую для конкретной технологической операции форму импульса давления можно на основе численного репіения и' оптимизации параметров системы «устанонка-индуктор-заготовка» по критерию минимума энергоемкости операции.

На основе проведенного обзора определены следующие основные'

чяттяич* _ .

і. Исстедотатг, гсттс"іїї,іс фд:ппе-;аі.: ;;а.и.а;ія и характер протекания электромеханических процессов, происходящих в системе «установка-индуктор-заготовка» при МИШ, разработать математические модели и методы расчета Индукторных систем.

2. Провести экспериментальные н теоретические исследования, на основе которых создать методы расчета оптимальных режимов работы и форм импульса давления при магнитно-импульсном формоизменения трубчатых'заготовок для типовых операций МИШ.

3,- P?^ⁿ2{?OTaTL МаТСГ.ГаТ""ТГ~Т."її'~ ^:'^:'''Іс:к :і ^ЄГО/'ПП.'И П*~>С"~-КТЧОО"'⁴1Щ'!

позволяющие проводить расчет оптимальны:-: параметров те.-политических процессов, индукторных систем i! jemnoBOt. для МІІШ 'фмїчатнх "-tt.toivm;, обеспечивающих минимальною энор: огммм.ть ечтеращг;.

Во .чтепог.г разделе на-ледочаиы основные физические »вл.;,.ии :. характер протекания электромеханических процеесоц, ііронс;;о.ч<;шііх ; системе «установка-ішдуістор-.<аготонка» при МИШ.

При обжиме или раздаче тонкостенной цилиндрической злтго.'ч:".
сБ".зь между напряжениями и деформациями при МНІИ можно лредста-
шгп> в аидо ....---

ГДЄ СЇ. - ИНТеНСІНШОС'ІЬ НаИрЯМіШІІІ, КОШр.ЧЛ ОПрСЛеалетс! И' Ш!П-г.м--Н'.п

1 гт~~г~

(о-<*р)² '(2)

Условие текучести Губера-Мизееа и ассоциированный закон пиаег.т-ческого течения имеют вид:

V+a_p² ь(а„-а,,)" =2с

. (31 p=rf\..(2a_p-a₀);

о_п 4-а, -ьіа,.-а„| =ia,²;

где cfe_e, fife , ds_s - компоненты тензора приращений главных деформации; dk - коэффициент пропорциональности.

Приращение интенсивности деформации определяется

ГУ - , _г ^

^{d&i =} H ^^Єе~^{dep (}^^Єр~^de&^²⁺^^е?~^dG*?-⁽⁴⁾

Одной из важнейших величин, характеризующих процесс формоизменения при МИШ, является работа деформации. Удельная работа деформации определяется по зависимости

1+«

где а - интенсивность удельной работы деформации; Є, - интенсивность деформации, определяемая по формуле ( 4 ); В,П - механические характеристики штампуемых материалов. В работе приведены приближенные значения констант В, П для различных материалов заготовок, наиболее часто используемых в процессах МИШ.

Полная работа деформации будет

A„ = a_y-V₃, (6)

где V₃ - объем деформируемой части заготовки.

Для практических расчетов часто пользуются средним значением интенсивности деформации, которую определяют путем усреднения истинных значений Є,-. Приведены зависимости определения средних значений интенсивности деформаций для основных формоизменяющих операций. При определении удельной работы деформации сложных деталей необходимо разбивать деталь на элементарные фигуры, для которых определяется работа деформации, а затем просуммировать.

Были проанализированы различные варианты определения электромагнитных параметров системы «установка-индуктор-заготовка»: индуктивности, взаимной индуктивности и активного сопротивления. Приведены формулы для определения индуктивности и взаимной индуктивности индуктора и заготовки, которые вычисляются по квадратурным формулам Гаусса с использованием полиномов Лежандра. Использование данного уточненного метода позволяет определять индуктивности индуктора и заготовки; а также их взаимную индуктивность с относительной погрешностью менее 0.5%.

В качестве накопителей энергии в установках для магнитно-

пмпульсіюй штамповки (МИШ) применяются импульсные конденсаторы. В практике конструирования конденсаторные батареи собираются посредством ошиновок двух типов: плоской малоиндуктивпой и кабельной коаксиальной. Выбор ошиновки, а также способа подключения к разряднику зависит от энергоемкости батареи, расположения в пей конденсаторов и назначения магнитно-импульсной установки (МНУ). Как показал опыт_ проектирования и эксплуатации, для удобства компоновки, обслуживания уїло» и блоков, cnifvcsifi{7 ;;;ідуг-пігдіостіі :.noi'tCJj;ii4iiUic усіаноаок йоль-икій чисргоемкостн целесообразно применять сїеіКиїшуш ошиновку, состоящую из коаксиальных кабелей и плоских шин-коллекторов.

Выбор оптимальной конструкции ошиновки и способа подключения к разряднику зависит в основном от энергоемкости конденсаторной бата--реи и расположения конденсаторов в ней. Установки для МИШ должны иметь предельно малую собственную индуктивность разрядного контура установки, которая представляется суммой:

І,.-ї, +Г + Ье.. --.-7}

где L_pl - индуктивность ошиновки; L^ - индуктивность разрядника;

L_K- индуктивность одного конденсатора; 'Гі_к - колнчееіво конденсаторов л батарее.

Для достижения минимальной индуктииносш-цегш разряда в установках с энергоемкостью до 200 кДж-наиболее целесообразно применять плоскую ошиновку, непосредственно соединенную с конденсаторами и разрядником, индуктивность которой рассчитывается по формуле . "

м Г я *]

L = -- І 1.5 -\- ІП Ь / - 8 |. ( 3 )

п і b + c J

где Ь, С, и- соответственно толщина, шир'Чіа плоских шин и их мюк-центровое расстояние; f , Є - коэффициенты, определяемые по таблицам. Проведенные экспериментальные исследования ( 10 J с использованием плоской ошиновки позволили получить зависимости собственных индуктивности и частоты оборудования при различном числе параллельно подіслючаемьіх конденсаторов ИМУ5-140 и переменного геометрического -зазора между шинами- Анализ полученных зависимостей показал,, что с . увеличением числа подсоединяемых блоков собственная индуктивность установки L_y уменьшается, но до определенного прздела, а далее начинает возрастать. Обратная картина наблтодается для зависимости собственной частоты МИУ- Можно сделать вывод, что для получения минимальной индуктивности установки количество конденсаторов данного типа

должно быть П_к— 8... 10, а для достижения максимальной собственной
частоты МИУ- И_А.= 5...7. ' »

Приведены расчетные ц экспериментальные зависимости собственной индуктивности установки от разных геометрических зазоров между шинами, которые показали, что с увеличением зазора между плоскими шинами собственная индуктивность установки увеличивается. Сравнение опытных, данных с расчетами, проведенными пр формуле (8), выявило превышение расчетных значений по индуктивностям ошиновки примерно на 12 %. Поэтому для шин, у которых Ь/ С <0Л и dIС <0.1, предложено учитывать это введением поправочного коэффициента к— 1.12 в формулу (8);

При расчете и проектировании технологических процессов МИШ для*расчета электромеханических параметров широко применяют методы, основанные на теории цепей. При этом МИУ, в частности - ее разрядный контур, можно представить эквивалентной дсухконгурной схемой заме-щени.;. Первичный контур образуют батарея конденсаторов емкостью Cq с собственной индуктивностью L_c, сопротивление Rq разрядной цепи МИУ, индуктивность L_e и сопротивление R_e токоподводов индуктора, сопротивление R_i индуктора, а также индуктивность индуктора L[. Вторичный контур образует заготовка, которая может быть представлена как одновитковая катушка >~ индуктивностью /^ ^и сопротивлением R<±- Магнитная связь между контурами с индуктором и заготовкой отражена взаимной индуктивностью М_х2

- При разряде конденсаторной батареи на индуктор в заготовке наводятся вихревые токи и возникает электродинамическая сила, действующая на заготовку со стороны индуктора. Эта пондеромоторная сила определя-егся как производная энергии электромагнитного нож. по направлзнию движения заготовки.

Для эквивалентной двухконтурной схемы согласно И правилу Кирхгофа можно записать:

dt dt

Уравнение движения заготовки на основе принципа Д'Аламбера

..-.11

представим в виде . .

" F_m+F_VT+F_mt=:Q/ (Ю)

где F_m - силы инерции заготовки; F_CT - статическое сопротивление заготовки; F_ml - пондеромоторные силы.

Совместное решение уравнений ( 9 ) и ( 1Q ) позволяет определить токи и усилия, а также учесть взаимодействие механической и электрттпе-ской частей системы.

В третьем разделе рассмотрен вариант математического моделирования процессов МИШ, проведены исследования операций обжима и раздачи, разработан метод расчета параметров системы «установка-индуктор-заготовка» для заданной технологии на основе факторного машинного эксперимента, получены математические модели процесса МИШ для типовых материалов-представителей ['8, 9 ]. Показано, что увеличение степени деформации заготовки можно достигнуть при одновременном варьировании параметрами индукторной системы - числом витко» индуктора :: его материалом, что расширяет технологические возможности процесса.

Проведенные машинные эксперименты по раздаче трубчатых заготовок из алюминиевогосплапа АМг2М, латуни J163 и стали 08кп, с последующей статистической обработкой результатов на основе автоматизированной системы экспериментатора, позволили получить ВММ системы «МИУ-индуктор-заготовка» н проанализировать влияние параметров системы на энергоемкость операции. Анализ многомерных параметрических зависимостей энергоемкости процесса МИШ для разных материалов позволил определить значения собственной частоты установкплі .параметры индукторной" системы, оптимальные по критерию минимума энергоемкости операции.

Сравнение показало, что для различных по своим физическим свойствам .материалов заготовки имеются минимумы энергоемкости операции, которые получаются при разных значениях собственной частоты МИУ и числа витков индуктора. Для данных геометрических параметров трубчатой заготовки можно рекомендовать число витков индуктора для алюминиевых и латунных заготовок 7V,= 5, для стальных - /V,= 9. Увеличение геометрических размеров - толщины стенкн « длины заготовки приводит к соответствующему повышению энергоемкости процесса, но при различных значениях .числа витков индуктора (рабочей частоты разряда) наблюдается трансформирование характера этих зависимостей, особенно заметное для латунных заготовок, что связано с изменением инерционных и частотных параметров системы.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований, целью которых являлась проверка адекватности разработан-

пых математических моделей процесса МИШ, изложенных в предыдущих разделах, изучение особенностей процесса деформирования под действием импульсного магнитного поля, а также влияния исследуемых факторов на энергоемкость операций. Трубчатые заготовки из алюминия АМг2М и стали 08кп с известными начальными размерами (наружный диаметр, длина, толщина.стенки) деформировались импульсным магнитным полем на МИУ. Регистрация величины импульсного разрядного тока и рабочей частоты разрядного контура обеспечивалась схемой, состоящей нз пояса Роговского.с интегрирующим звеном и двухлучевого запоминающего осциллографа типа С8-2. Кривая разрядного тока фотографировалась и затем подвергалась расшифровке.

Результаты сравнения экспериментальных и расчетных величин максимальных значений тока в индукторе /_тах и давления ИМИ на заготовку Р_тях показали, что погрешность по току составила менее 5 %, а по давлению - менее 10 %.

Были выполнены измерения индуктивности экспериментального индуктора. Для определения индуктивности применялись приборы Е7-8 (частота измерений - Г кГц) и Е7-12 (частота измерений - 1 МГц), использующие мостовую схему измерений. Замеры индуктивности витков индуктора проводились как с их внутренней, так и внешней поверхности. Каждый замер дублировался не менее трех раз. Результаты значений индук-тивностей витков индуктора усреднялись {за вычетом индуктивности шнуров-щупов). Поіреігность измерения индуктивностей на приЗбре Е7-8 составляла А = ± 50 нГн, а на приборе Е7-12 - А = ± 5 нГн. .

ксчгт ииэттащили ищлстРА

Рисунок 1 - Сравнение расчетных и опытных данных

Анализ графических зависимостей, приведенных на рисунке 1, показывает, что индуктивности индуктора, определенные теоретически, близ-

ки к экспериментальным данным, замеренным с помощью приборов Б7-8 и Е7-12. Видно, что максимальное отклонение экспериментальных и расчетных значений индуктивности составляет менее 7 %.

В пятом разделе для исследования и моделирования режимов тех-
нологического процесса И работы оборудования использована разработан
ная во втором разделе электромеханическая .модель систе?^!
«оборудование-инструмент-заготовка». , .

При математическом моделировании взаимосвязи электрической и механической подсистем применен метод переменных состояния, положенный в основу метода формирования математических моделей в программном комплексе схемотехнического проектирования PRADIS. В данной модели решается система уравнений:

dt dt ds

dt ds dt ds

^1U 2 ² ds ' ² ds (11 j

_F -_F _PJV^

МЕХ * ПМ '

где U = U₂—U, и V — V₂ — V_x - разница потенциалов и радиальных скоростей, на узлах модели в ее электрической и механической частях; /, 1_г- токи в индукторе и заготовке; F_nu- пондеромоторн.ая сила, действующая на заготовку; R_lf s -.сопротивление а радиальное-перемещение стенки заготовки. Таким образом электрическая часть модели зависит от скорости движения заготовки в радиальном направлении V и изменяющихся от геометрических параметров индуктивности заготовки L₂ и взаимной индуктивности индуктора и заготовки ш_{2- ^ свою очередь, как видно из системы (11), электромагнитная сила F_UEX зависит от мгновенных значений токов и изменяющихся электрических параметров (/^ и М_п) и, следовательно, текущих геометрических параметров заготовки и ее механических характеристик.

При решении полученной системы алгебраических уравнений (11) с использованием схемотехнического комплекса PRADIS были получены аналитические зависимости для элементов матрицы Якобн системы (матрицы узловых проводимостёй), представляющие собой частные производные от токов (усилий) по потенциалам (скоростям) узлгп. и текущих

значений сопротивления R₂ и индуктивности Ь_г заготовки, а также вза имной индуктивности М_и __,

Одним и'з основных параметров, определяющих кинематику деформационного процесса, окончательное формоизменение и точность получаемых деталей является форма импульса давления. Дискретное изменении параметров разрядного контура во время процесса деформированю заготовки, варьирование частотой, фазой и амплитудой разрядных токов программируемое последовательное подключение Дополнительных конденсаторных блоков-модулей к общему индуктору позволяет расшириті технологические возможности МИШ. Оптимальную форму импульса дав ления для конкретной технологической операции можно получить на основе решения задачи динамического формоизменения заготовки с приме пением планирования эксперимента и итеративных методов поиска опти мума многомерных систем.

Исследования проводились для операции раздачи трубчатых загото вок из стали 08кп, латуни ЛбЗ и алюминия АМг2М. Варьировалась энер гоемкость оборудования, его собственная частота и сопротивление. Таї как низкочастотные МИУ применяются, в основном, для контактных спо

собов обработки, моделировалась работа на срсднечастотных (/₀=

20...75 кГц ) и высокочастотных (f₀- 75...150 кГц) установках. Резуль таты расчетов далее подвергались статистической обработке, интерполя ции кубическими сплайнами и аппроксимации полиномами более высоко го порядка.

' СГВДО:ЧАСЮТЭ1Ш ЖУ ЕЫЗЗСЗЧЛСТТЖйЕ )tv

0.81 1 1 1 -- 1 и о, si L і ~_1 1 _d 1

5 10 15 JO -25 30 10 20 - 30 »0 50 «0

а) б)

Рисунок 2-Зависимости отношений деформацій Є_л./є.₇ а) - среднечастотные; б) - высокочастотные установки

Анализ зависимостей отношения радиальной деформации заготовки при режиме кроубар к ее деформации при обычном периодическом разряде для высокочастотных и среднечастотных МИУ, полученных на основе математического моделирования различных режимов и форм разряда блочных конструкций МНУ для операции раздачи трубчатых заготовок (рисунок 2), позволил выявить общие закономерности влияния параметров МИУ на пронесе формо!«ме!їЄ!ш:т заготовки «і рійних маїермнлов [8 ). і4оі»ш> оіміііитк. чтоиолучеяныетрафнкц качесшеїшо подобны для заготовок из разных материалов и зависят от соотношения собственных частот установки и заготовки, а также параметров индукторной системы.

Для среднечастотных МИУ (рисунок 2а), в пределах варьирования относительной частоты установки 0.8 5Ї f_a-j f_3Ar 5-ї 1.5, при изменении энергии зарядки, как правило, имеется максимум отношений деформаций S _к /Sjj , показывающий, что для моделируемых заготовок режим кроубар

является иред тчти>е«ьным при деформациях 5 < < 20 %, что характерно для формоизменяющих операций. Для высокочастотных МНУ рекам кроубар представляется более выгодным только при деформациях ?. <3...5 % (рисунок 26), что типично для операций калибровки и спорім.

Покачано, что комбинируя варианты согласного включения перво
начально одного inn двух раїлнчньїх по параметрам и энерюемкоста
блоков конденсаторои, можно только за счет угого увеличить ьелнчину
деформации заготовки примерно на 10 % при постоянной "іергші заряд
ки МИУ, когда сначала в разрядный контур передается не менее 50 % за-
р.асетшоц -пергіш, Другие варианты практически не дают увеличения де
формации заготовки. '

1!а основе маїх-їіаг'.чгскик моделе;'; прон'гс-еоя МИШ ір\бчатм:< заготовок р-.і.'рцС'отаїї-.', а!Поматиднроч;чр.;л.ч ;ійтод:ц;і разчеїо», ьклшчающая в себя'расчет технологической операции, выбор оптимальных режимов работы оборудования, параметров индукторной системы и оснастки [ 3 ], а риске алгоритм проектирования и комплекс ппнклялны* і_Трогр?мМ [ 2 ]. л':мн;іегс .^:Кл!оч.''Є> базы д-'їнн.!'; по плгчым ';;-.е/!;рпмен70Р. л Six -.'рптер.ч-s.M, по уа:";с-пь:а~', ! индукторным система;.!.

Іірн проектировании с"сте',нл яМїїУ-шіД)»; юр-заготовка» п виборе .е параметров предлагается получать BMN4 нг\ сеночг нашитюто "у;спе-imv.emc. в сочетании с факторним лланиропанием и последующей'опти-.шзацпей полученных многомерных зависимостей. Выбор варианта расче-а зависит от вида задачи: а) проектирование установки для задшпіой тех-юдогии; б) выбор установки для технологии из базы данных по МИУ; в) фоеістировашіе индукторной системы для заданных технологии и оборудования. В соответствии с этими вариантами выбирается математическая одоль процесса. На первом лапе проектирования предпочтительно ре-

щать задачу выбора параметров технологии и оборудования на базе математических моделей, использующих интегральный электромеханический подход. Далее, определив интервалы изменения параметров системы и план машинного эксперимента, переходить к расчету оптимальных параметров процесса. МИШ, используя конечно-элементные математические модели, что позволяет уточнить выбор и назначение параметров системы . «МИУ-индуктор-заготовка».

Ниже приведены примеры использования результатов исследований, выполненных при непосредственном участии автора по отработке и внедрению технологических операций раздачи и обжима, применительно к сборочным и формообразующим операциям. -

Согласно техническим условиям сборочный узел типа «штанга-диафрагма» в процессе эксплуатации должен выдержать осевое усилие 250 кН. По существующей технологии сборка осуществлялась сваркой штанги (тонкостенной трубы из алюминиевого сплава) с диафрагмой по боковым поверхностям последней. Процесс имеет высокую трудоемкость и энергоемкость, а также значительный процент брака, вызванного остаточными напряжениями от сварки, приводящими к искажению формы штанги. При анализе конструкции на возможность применения МИШ по схеме «раздана», были произведены конструктивные изменения в обоих деталях - выполнены кольцевые проточки. Количество выступов и канавок, а такие их геометрические размеры, параметры установки и индукторной системы были выбраны с учетом рекомендаций, полученных в разделах 2-5. Экспериментальные исследования и отработка режимов сборки осуществлялись на испытательном стенде опытного участка ОАО ТНИТИ (г. Тула). Были получены качественные сборочные соединения при энергии разряда 43 кДж (испытания собранных узлов на разрыв, проведенные на испытательной машине П-250, показала, что в среднем осевое усилие разъема деталей составило 430 кН). Внедрение операции магнитно-импульсной сборки позволило при небольших конструктивных доработках мест сопряжений деталей, не отражающихся чз процессе их функционировании в изделиях, значительно снизить трудоемкость изготовления и повысить качество сборки, а также способствовало механизации и автоматизации производства.

Узел «кожух-резьбовое кольцо» представляет собой мерный патрубок (труба АМц, 065*1 ТУ 1-801-204-89) и резьбовое кольцо из стали 10. По существующей технологии длинная труба разрезается на мерные заготовки и далее производилась закатка роликом конца заготовки. Затем внутрь вставляется резьбовое кольцо и пространство между ними заливается полиэтиленом. Предлагаемый технологический процесс включает в себя магнит но-нмлульсную резку трубы на ноже и резьбовом кольце с рд-1 повременной сборкой по схеме «обжим» отрезаемой заготовки с кольцом,!

что позволяет получить узел за одну операцию. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования "показали, что по критерию минимума энергоемкости оптимальными являются следующие параметры процесса: частота разрядного тока /_РАБ= 26 кГц, угол конуса резьбового

кольца (X = 10, длина конусного участка Ь- 2 мм, зазор между резьбовым кольцом и ножом г.=.6 мм. При пррвелетттт ттурпгтр згспернмеша дли изменения частоты разрядного тока использовались три МИУ с различными значениями собственной частоты: J₀= 20 ; 36 ; 60 кГц, и после изготовления опытных партий были получены соответствующие этим установкам средние значения энергоемкостей операции W_pAE~ 10.2 ; 6,5 ; 4.0 кДж. Эти результаты подтверждают рекомендации и выводы, сделанные ранее. По Итогам проведения опытной партии и соответствующих испытаний была разработана- опытно-промышленная и конструкторская дскуметпчппля: Внедрение Магнйгію-іімпулі.сіібй"технологии в производство позволило сократить металлоемкость узла, исключить операцию закатки, повысить производительность труда и культуру производства.

На основе полученных рекомендаций была спроектирована магнитно-импульсная установка модульного типа МИУ-ТК-1 со следующими характеристиками:

Запасаемая энергия, кДж 60

; Максимальное рабочее напряжение, кВ 20

Собственная рабочая частота, кГц 60

- Тип применяемых конденсаторов ИК-25-12

Число модулей . '. ' ' - 8 - -

Установка предназначена для обработки трубчатых деталей из раз личных машиностроительных материалов..Каждый модуль установки содержит два соединенных параллельно конденсатора, подключаемых через разрядник . ИРТ-6, снабжен выкатной тележкой и имеет свои индивиду-¹ альные системы охлаждения, зарядки и разрядки, блокировки и контроля.

Каждый модуль оформлен в виде блока энергоемкостью 7.5 кДх ^
геометрическими размерами 1100*500*1020 мм. Варьируя числом моду
лей, программируя" энергию зарядки ті временную последовательное^
включения каждого модуля в разрядный контур, можно получать разнооб
разные, законы изменения давления ПМП на заготовку. -

В работе решены поставленные задачи:

1) Проведены исследования основных физических язленик и характера протекания электромеханических процессов,-происходящих із снеге-

ме «установка-индуктор-заготовка» при МИШ, разработаны математические -модели и методы расчета индукторных систем.

1. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования, на основе которых разработаны методы расчета оптимальных режимов работы и форм импульса давления при магнитно-импульсном формоизменении трубчатых заготовок для типовых операций МИШ.

2. Разработаны математические модели и методики проектирования, позволяющие проводить расчет оптимальных параметров' технологических процессов, индукторных систем и установок для МИШ трубчатых заготовок и обеспечивающие минимальную энергоемкость операции.

Проведенные исследования математических моделей процессов штамповки позволили установить новые закономерности пластического деформирования трубчатых заготовок и решить ряд задач, связанных с определением технологических параметров процессов деформирования трубчатых заготовок:

разработаны математически более полные модели процессов пластического формоизменения, учитывающие многообразие факторов, действующих на заготовку в процессе штамповки, что значительно расширяет поиск оптимального решения для конкретной технологической операции;

созданные математические модели системы «установка-индуктор-заготовка», позволяют проводить исследование взаимосвязей между входными и выходными параметрами процесса МИШ, глубже проникать в «механизм явления», разрабатывать модели, адекватные в широких диапазонах возможного изменения факторов, и использовать их для решения технологических задач.

В результате проведенных исследований и моделирования операций магнитно-импульсной штамповки установлено, что разработанные математические модели .адекватно отражают физические закономерности реальных процессов. Погрешности в определении максимальных значений тока в индукторе и давления ИМП на заготовку не превышают, как правило, по току 5 %, а по давлению -10 %.

Получены научно-обоснованные технологические и конструктор
ские решения, включающие разработанные компьютерные модели и пакет
прикладных программ для численных расчетов и оптимизации исследуе
мых процессов магнитно-импульсной штамповки, которые позволили зна
чительно сократить трудоемкость расчетных работ, время выбора опти-|
мального варианта технологии и оборудования, повысить качество прини-1
маемых технических решений, что ускоряет научно-технический прогресс!
в данной области. I

Результаты работы в виде методик проектирования и комплекса прикладных программ приняты для внедрения и были использованы при проектировании технологических процессов получения ряда!узлов и эле|

ментов летательных аппаратов в «НПО им. С.А. Лавочкина», спечизделий в АО ТНИТИ, ГНПП «Сплав», НИИ репрографии (г. Тула), чго позволило в 1.5 ... 2 раза сократить объем работ по технологической подготовке производства. Теоретические решения, разработанные математические модели и программное обеспечение внедрены и используются в учебном процессе ТулГУ.