Содержание к диссертации
Введение
Глава I Анализ классификации поковок и компенсационных устройств штампов малоотходной горячей объемной штамповки 8
1.1 Особенности формообразования поковок при малоотходной горячей объёмной штамповке 3
1.2 Классификация поковок, получаемых способами малоотходной горячей штамповки 10
1.3 Анализ известных способов компенсации избытка металла 24
1.4. Анализ известных классификаций компенсационных устройств 30
1.5 Постановка задач исследования 46
Глава 2 Параметрические характеристики поковок 48
2.1 Условия разработки параметрических характеристик поковок и компенсаторов для программной реализации автоматизированного выбора компенсационных устройств 48
2.2 Описание параметрических характеристик поковок 49
2.3 Параметрическая классификация осесимметричных полых поковок с фланцем 51
2.4 Принципы параметрической классификации поковок в многомерном пространстве признаков на основе иерархической гибридной модели с кодированием параметров признаков 53
2.5 Идентификационная параметрическая характеристика горячештампованных поковок. Уровни значимости признаков 57
Глава 3 Основные принципы построения параметрического классификатора компенсационных устройств штампов малоотходной объемной штамповки 62
3.1 Требования к параметрической характеристике компенсационных устройств 63
3.2 Формирование параметрического классификатора компенсационных устройств штампов малоотходной горячей объемной штамповки 64
3.3 Принципы верификации признаков параметрических характеристик поковок и компенсационных устройств 72
3.4 Принципы формировании выборки компенсационных устройств штампов малоотходной объемной штамповки с использованием методики оценки степени соответствия признаков компенсаторов и поковки по уровням значимости признаков 72
Глава 4 Практика разработки параметрического классификатора компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки для осесимметричных сплошных поковок типа стержня 76
4.1 Принципы идентификации поковок. Разработка параметров признаков классификации поковок. Уровни значимости 76
4.2 Параметрическая классификация осесимметричных сплошных поковок типа стержня с утолщением 89
4.3 Исследование параметрической классификации поковок 92
Глава 5 Программная реализации результатов разработки и их внедрение 98
5.1 Программная реализации процесса формирования выборки компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки на основе параметрического классификатора 98
5.2 Автоматизация выборки компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки па основе алгоритмической модели процесса верификации параметров поковки 105
5.3 Корреляция выборки компенсационных устройств по суммарному весовому коэффициенту 108
5.4 Адаптация программы к конкретным условиям производства 110
Выводы 112
Заключение 114
Список используемой литературы 116
Приложение 1 (Текст программы выбора ІСУ штампов МГШ) 122
Приложение 2 (протокол результатов работы программы для поковки ftkl) 131
Приложение 3 (протокол результатов работы программы для поковки J&2) 132
Приложение 4 (Пример обоснования уровней значимости признаков классификации) 133
Приложение 5 (Акты внедрения результатов разработки) 134
- Анализ известных способов компенсации избытка металла
- Принципы параметрической классификации поковок в многомерном пространстве признаков на основе иерархической гибридной модели с кодированием параметров признаков
- Принципы формировании выборки компенсационных устройств штампов малоотходной объемной штамповки с использованием методики оценки степени соответствия признаков компенсаторов и поковки по уровням значимости признаков
- Программная реализации процесса формирования выборки компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки на основе параметрического классификатора
Введение к работе
Актуальность темы
В условиях развитых рыночных отношений и жесткой конкуренции продукции машиностроения существенно повышаются требования к качеству продукции и эффективности производства.
Большой объем в производстве заготовок и готовых изделий машиностроения занимает продукция объемной штамповки. Наиболее перспективные способы объемной штамповки - малоотходные процессы горячей объемной штамповки.
В связи с постоянно изменяющимися запросами потребителя необходимым условием конкурентоспособности производства является его гибкость, т.е. возможность быстро совершенствовать действующие технологические процессы и разрабатывать новые. Это возможно только с использованием автоматизированного проектирования технологических процессов.
Существенные затруднения в этом направлении вызывает отсутствие нормированного параметрического классификатора компенсационных устройств (КУ) штампов малоотходной горячей штамповки (МГШ), который позволял бы в автоматизированном режиме по параметрам поковки идентифицировать оптимальные способы компенсации избытка металла, непосредственно связанный с эффективностью производства поковок. Поэтому необходимость разработки параметрического классификатора КУ весьма актуальна.
Цель диссертационной работы
Разработка параметрического классификатора компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки, его теоретическое и экспериментальное исследование с применением систем автоматизированного проектирования технологических процессов.
Научная новизна
Разработана методология идентификации КУ по параметрам поковки.
На основе алгоритмической, идентификационной и иерархической гибридной моделей разработаны принципы
4 параметрической классификации поковок и КУ штампов малоотходной горячей объемной штамповки, отличающиеся тем, что определяемая ими структура классификации, выявляет взаимосвязи параметров поковки и КУ. Использование предложенных принципов позволяет на основе параметров поковки производить выбор оптимальных способов компенсации избытка металла, что приводит к минимизации объема избытка металла и повышению качества штампуемых поковок.
Впервые предложено решение задачи алгоритмизации выбора компенсационных устройств по заданным параметрам поковки, позволяющее отметить возможность методики,
На основании модульного алгоритма выбора компенсационных устройств разработана компьютерная программа с возможностью адаптации её к конкретным условиям производства.
Автор защищает:
- принципы параметрических классификаций поковок и
компенсационных устройств: 1 - на основе алгоритмической модели
поковки (АМН); 2 - на основе идентификационной модели поковки
(ИМП); 3 - на основе иерархической гибридной модели поковки
(ИГМП);
принципы идентификации КУ;
принцип построения модульного алгоритма выбора КУ;
- результаты верификации КУ, проведенной при помощи
компьютерной программы на основе модульного алгоритма выбора
компенсаторов.
Практическая значимость
Разработана методология идентификации КУ и алгоритм формирования их выборки, реализованный в виде компьютерной программы.
Результаты представленной работы могут быть использованы технологами промышленных предприятий, студентами и аспирантами технических ВУЗов в учебных и научно-исследовательских целях.
5 Реализация работы в промышленности
Разработанная компьютерная программа успешно опробована на промышленных предприятиях Алтайского края и принята к внедрению для использования при конструировании штамповои оснастки КГШП, что подтверждается актами внедрения, представленными в приложении.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены на: научно-технической конференции «Молодежь Барнаулу», 2006г., г.Барнаул; заседании кафедры «Машины и технологии обработки металлов давлением», ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова 2008г., г.Барнаул; заседании кафедры «Обработка металлов давлением», ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», 2008г., г.Новокузнецк.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе статей - 8, из которых 3 - в издании, одобренном ВАК, получено 3 патентов на изобретения.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, списка литературы и четырех приложений. Работа содержит 135 страниц машинописного текста, 17 рисунков и 17 таблиц.
Анализ известных способов компенсации избытка металла
С рационализацией метода компенсации избытка металла при МГШ непосредственно связаны трудоёмкость изготовления и качество поковок, расход металла и стойкость штампа.
Независимо от метода компенсации и конструкции устройства компенсаторы должны обеспечивать чёткое заполнение полости штампа и последующее размещение колеблющегося в определённых пределах избыточного металла.
Рассмотрим наиболее характерные способы компенсации избытка металла в штампах для закрытой (малоотходной) штамповки, известные из литературных и электронных источников.
Известен способ двухоперационной объемной штамповки стержневых деталей с утолщением, включающий выдавливание стержня из цигошдрической заготовки и формирование утолщеігая с удалеішем излишка металла в компенсатор штампа, а также формирование фасонного хвостовика на конце стержня [26]. В описанном способе с целью повышения стойкости штампов, фасонный хвостовик детали формируют в первом переходе и одновременно на противоположном хвостовику торце заготовки выдавливают кольцевой выступ в кольцевой конической полости с недозаполнением ее на 2...5% (рис. 1.2, а), а окончательное выдавливание стержня и формирование утолщения осуществляют во втором переходе (рис. 1.2, б). По окончании выдавливания стержня калибруют фасонный хвостовик, при этом излишек металла из приторцевого участка утолщения удаляют в центральный компенсатор пуансона на стадии доштамповки.
Удаление избытка металла в центровой компенсатор позволяет повысить качество поковки и снизить трудоемкость штамповки, т.к. удаление избытка металла осуществляется одновременно с торцеванием поковки.
Заслуживает внимание способ компенсации избытка металла с использованием механизма противодавления, предложенный в конструкции штампа для закрытой штамповки изделий с центральной полостью [25]. Штамп содержит (рис. 1.3) верхнюю плиту 1, со смонтированными на ней концентрично расположенными центральным пуансоном 2 и охватывающим его кольцевым пуансоном 3, средством противодавления 4, а также нижнюю плиту 5, с матрицей 6, и выталкивателем 7. Под позицией 8 рисунка изображена поковка. В предложенной конструкции штампа избыточный объем металла заготовки позволяет компенсировать средство противодавления, выполненное в виде набора тарельчатых пружин, установленных между центральным пуансоном и верхней плитой.
Применение способа компенсации избытка металла позволяет повысить четкость заполнения гравюры штампа, обеспечить высокую точность размеров и конфигурации поковки, а, кроме того, при таком варианте нет необходимости производить операцию по удалению (обрезке) излишков металла в виде заусенцев, торцевых отростков и т.п.
Существует способ штамповки деталей в закрытых штампах [24], заключающийся в деформировании заготовки в штампе с приложением усилия противодавления и вытеснении излишков металла заготовки в компенсационную полость, сформированную в заготовке в процессе деформирования, а усилие противодавления прилагают со стороны полости в течение всего процесса деформирования.
Способ реализуется следующим образом (рис. 1.4).
Заготовку 1 в виде цилиндрического стержня устанавливают в матрице 2 на выталкивателе 3 и осуществляют высадку утолщения с помощью пуансона 4, содержащего знак 5, который опирается на пружины бив начальный период процесса формируют компенсационную (технологическую) полость в самой заготовке.
После заполнения полости матрицы 2 вследствие резкого возрастания в ней контактных напряжений знак 5, преодолевая сопротивление пружин 6, перемещается в осевом направлении на величину, обеспечивающую компенсацию избытка металла заготовки
Данный способ компенсации избытка металла позволяет снизить отход металла и, как и предыдущие, повысить качество поковок. При таком способе компенсации также отсутствует необходимость дополнительной операции по обрезке заусенцев и торцевых и боковых отростков, образованных в процессе затекания металла в компенсационную полость.
Предлагается способ компенсации избытка металла примененный в конструкции закрытого штампа [27]. В данном изобретении окончательный закрытый ручей штампа для объемной штамповки, образованный пуансоном и матрицей снабжен приемником избытка металла в виде проточек на образующей поверхности пуансона, параллельных его продольной оси.
Штамп состоит из пуансона 1, матрицы 2. Проточки 3 выступают в качестве компенсационных полостей, в которые при штамповке вытесняется избыточный объем металла заготовки 4 (рис. 1.5).
Этот способ штамповки не дает информации о принципе выбора способа компенсации избытка металла. Представленное устройство можно использовать только в качестве примера способа компенсации избытка металла при штамповке подобных поковок.
Вызывает интерес способ компенсации избытка металла с противодавлением, реализованный в штампе для закрытой штамповки [30]. В предложенной конструкции штампа (рис. 1.6) компенсация избытка металла осуществляется за счет упругого элемента 8, расположенного в нижней плите штампа 15, который на протяжении всего процесса деформирования создает противодавление, превышающее сопротивление деформации металла. После завершения процесса формообразования, в случае наличия избыточного объема металла заготовки, при дальнейшем движении ползуна давление на нижний пуансон резко возрастает, и, превысив усилие начальной деформации упругого элемента, пуансон 9 получает возможность вертикального перемещения, компенсируя тем самым наличие избытка металла в объеме заготовки.
Принципы параметрической классификации поковок в многомерном пространстве признаков на основе иерархической гибридной модели с кодированием параметров признаков
Выбор КУ по заданной параметрической характеристике поковки может быть осуществлен путем верификации кодированных значений параметров поковки и кодированных значений параметров компенсатора в пределах изменения каждого признака классификации. В этом случае идентификацию поковки целесообразно произвести на основе иерархической гибридной модели с кодированием параметров [54].
Для решения задачи кодирования параметров поковки может быть использован многонарамотрическин метод, описанный в работе [5].
С целью оценки качества распознавания поковок в различных /-мерных пространствах на основе их параметрической идентификации (i l,..n номер входного параметра, п — количество входных параметров) осуществляется поиск и отбор наиболее значимых параметров признаков с последующим их кодированием. Оценка значимости параметров признаков проводится методом статистических решений.
Учитывая сложность параметрической характеристики поковки, всё пространство признаков разбито на подпространства, каждое из которых описывается совокупностью параметров. В процессе кодирования параметры признаков конкретной поковки проецируются в набор подпространств (модулей) параметрической классификации поковок. По кодированным значениям каждого модуля устанавливается обобщенный код поковки.
В матрицах (2.1) и (2.2) введены текущие значения символов /, j и р, так как их конечные значения (л, т и к) для кошфетного вида поковок могут быть различными.Ниже рассмотрен принцип параметрической характеристики поковок и процесс формирования кода одного модуля (признака) - геометрического образа поковки на примере осесимметричной полой поковки с фланцем.
Поковка имеет определенный геометрический образ и может быть описана соотношениями размеров (рис. 2.2).
Совокупность этих соотношений и образует геометрический образ поковки, как конкретный модуль (признак) сё параметрической характеристики. Численные выражения соотношений размеров при этом являются значениями параметров геометрического образа данной поковки.
Обобщенный код гибридной модели поковки в этом случае будет выглядеть следующим образом N 5314 321 413 54 4312, где группы чисел 5314, 321, 413 и т.д. - коды модулей, расположенные в иерархическом порядке.
Для реализации автоматизированного выбора типов КУ, производимого на основе представленной кодированной параметрической характеристики поковки, построенной с использованием иерархической гибридной модели, необходимо, чтобы характеристика соответствующего КУ была построена по тому же принципу и её обобщенный код совпадал с кодом поковки.
Принципы формировании выборки компенсационных устройств штампов малоотходной объемной штамповки с использованием методики оценки степени соответствия признаков компенсаторов и поковки по уровням значимости признаков
Выбор. КУ основан на характерных. признаках поковки, идентифицированных с соответствующими признаками КУ. Верификация признаков того или иного КУ характерным признакам поковіш является одной из важных задач при разработке САПР ТП.
Ниже приведена методика верификации признаков поковки по соответствующим признакам КУ на основе оценки уровней значимости каждого признака (модуля).
Модель процесса формирования выборки КУ с использованием методики верификации признаков по их уровням значимости является основой принципов идентификации КУ в целом. Для наибольшей наглядности методики ниже приведен пример расчета результатов верификации, представленный в виде таблицы (Табл. 3.5).
Конечным результатом расчетов является степень соответствия признаков каждого компенсационного устройства и поковки, выраженная в процентах.
Полученную в результате верификации параметрических признаков выборку КУ со степенью соответствия, к примеру, не ниже 83% исследуют по критериям оптимизации: минимизация технологической себестоимости поковки, трудоемкости последующей механической обработки, обеспечение повышенных качества поковок и работоспособности штампа и другим критериям в соответствии с требованиями конкретного производства [51].
Принципы оценки степени соответствия признаков путем расчета суммарного уровня значимости могут быть применены при расчетах в различных сферах науки и техники, в частности, при разработке параметрического классификатора КУ штампов МГТЛ.
Программная реализации процесса формирования выборки компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки на основе параметрического классификатора
Для автоматизации результатов представленной разработки процесс выбора ІСУ но заданным параметрам поковки запрограммирован.
В процесе формирования выборки КУ штампов МГШ. на основе разработанного параметрического классификатора в общем случае может быть описан модульным идентификационным алгоритмом, представленным в виде блок-схемы (Рис. 5.1) [48, 55].
Алгоритм описывает процесс расчета и верификации параметров поковки по всем признакам классификации в иерархической последовательности, а также регламентирует процесс и определяет принцип идентификации соответствующих заданным параметрам поковки компенсаторов с присвоением определенного значения весового коэффициента каждому параметру рассматриваемых КУ с нахождением суммарного весового коэффициента для каждого компенсатора по всем верифицированным параметрам.
На основе параметрического классификатора КУ построена компьютерная программа, реализующая формирование выборки КУ в автоматизированном режиме, структура и функционирование которой полностью определяется алгоритмом. Программа успешно опробована и принята к внедрению на ряде производственных предприятий Алтайского края (приложение 5).
Таким образом, процесс выбора наиболее подходящих типоразмеров компенсаторов сводится к вводу исходных данных (параметров поковки) и дальнейшему автоматизированному функционированию программы, результатом работы которой станет выборка из всей параметрической классификации только тех компенсационных устройств, которые способны удаление избытка металла. Причем компенсаторы в выборке можно расположить в иерархическом порядке (в порядке убывания суммарного весового коэффициента). Ниже приведено описание алгоритма.
Структура алгоритма определяется процессом выбора КУ по заданным параметрам поковки, построенным на базе разработанного параметрического классификатора. Согласно используемому принципу идентификации, каждому диапазону значений, или варианту характеристики параметра (в зависимости от вида параметра) соответствует свой набор компенсаторов, возможность использования которых при производстве поковок с имеющимся значением верифицируемого параметра определяется с учетом комплексного влияния всех остальных параметров суммарным весовым коэффициентом по окончании верификации всех параметров поковки. Суммарный весовой коэффициент находится для каждого компенсатора и представляет собой сумму всех весовых коэффициентов соответствующих уровням значимости но тем параметрам, значения которых попадают в диапазон соответствующий набору КУ, содержащему идентифицируемый компенсатор. Уровни значимости для каждого параметра назначены индивидуально в соответствии со степенью влияния данного параметра па выбор способа компенсации избытка металла.
Алгоритм состоит из четырех модулей (здесь и далее см. рис. 5.1) процесс функционирования которых сводится к последовательному вводу исходных данных и расчету параметров поковки в первом модуле (Ml), определению количества диапазонов для каждого верифицируемого параметра БО втором модуле (М2), с последующей верификацией параметров путем перебора по всем диапазонам и присвоением весового коэффициента для идентифицированных но данному параметру компенсаторов в третьем модуле (МЗ), и, в завершение, подсчета и вывода на печать суммарных весовых коэффициентов для всех КУ в третьем модуле (МЗ). Во внимание для дальнейшей работы принимаются КУ, значение суммарного весового коэффициента которых больше, либо равно 80%. Таким образом формируется выборка КУ.
Каждый модуль алгоритма состоит из блоков, отвечающих за один вид действий. Ниже приведено детальное рассмотрение алгоритма и пример его функционирования с расшифровкой используемых величин.
Процесс функционирования алгоритма начинается с ввода исходных данных, а именно, геометрических размеров поковки, точности используемой заготовки, вида деформации, поверхности разъема штампа, и данных о программе выпуска изделий (блок 1.1). В автоматизированном режиме данные вводятся по запросу программы (при расчете на ЭВМ).
Во втором блоке первого модуля начинается автономное функционирование алгоритма - описывается количество верифицируемых параметров / — \..п, где / - номер верифицируемого параметра, п - количество верифицируемых параметров (блок 1.2). В рассматриваемом случае п = 10 (табл.3.5).
В третьем блоке первого модуля (блок 1.3) происходит расчет параметров поковки Ni. Первые шесть параметров (Ni,N2,...J 6) рассчитываются по формулам исходя из геометрических размеров и в совокупности составляют отдельный признак классификации - геометрический образ поковки. Остальные параметры задаются вариантами характеристики поковки в текстовом виде (при работе на ЭВМ вводятся номера вариантов характеристики по запросу программы).
Количество диапазонов для разных параметров поковки неодинаково (см. табл. 3.5), поэтому для того, чтобы задать это количество для каждого параметра в алгоритмическом виде, во втором модуле в блок-схему алгоритма введено несколько условий. Так как в первых четырех параметрах число диапазонов равно трем, а в большинстве остальных - двум имеет место условие 4 / 10 (блок 2.1), при неудовлетворении которого (для Nj, N2, N3, N4, N10) осуществляется переход к блоку 2.2, в котором задается т - количество диапазонов равное трем, а при удовлетворении - к блоку 2.3, в котором т — 2 (для Ns, Ne, N7). После этого осуществляется переход к следующему блоку (блок 2.4) который является условием (/ = 8), при удовлетворении которого (для 7V&) осуществляется переход к блоку 2.2, так как восьмой параметр имеет три диапазона. При неудовлетворении условия блока 2.4 проверяется условие / = 9 (блок 2.5), при удовлетворении которого работает блок 2.6 - т = 4 (для N9), а при неудовлетворении т остается равным двум (для TVj, Ne, N7), после чего осуществляется переход к блоку 2.7, где оговаривается принцип верификации параметров путем перебора диапазонов начиная с 1-го, заканчивая 2-м, 3-м, или 4-м в зависимости от номера параметра — j — \..т, где У - номер диапазона. На этом заканчивается второй модуль алгоритма, после которого осуществляется линейный переход к третьему модулю.
Первый блок третьего модуля отвечает за верификацию исследуемого параметра и представляет собой условие х Nt х , определяющее, попадает ли значение /-го параметра в /-и диапазон значений (блок 3.1). Здесь х нижняя границау -го диапазона значений /-го параметра; х ч - верхняя граница j го диапазона значений /-го параметра. В случае если значение параметра 7V,- не удовлетворяет условию блока 3.1, осуществляется переход к блоку 3.2, представленному в виде условия/ ш, выполнение которого означает наличие диапазонов, верификация параметра N{ но которым не произведена, следовательно необходим переход к проверке следующего диапазона у :=j + 1, осуществляемый в блоке 3.3. Невыполнение условия 3.2 означает, что верификация исследуемого параметра произведена по всем имеющимся диапазонам, но введенное значение параметра ни в один из них не попадает, следовательно, соответствующего набора КУ для данной поковки по верифицируемому параметру не обнаружено. Далее осуществляется переход к блоку 3.5, минуя стадию расчета весового коэффициента (блок 3.4). В этом случае значение весового коэффициента но верифицированному параметру в блок-схеме алгоритма не оговаривается и по умолчанию остается равным нулю для всех КУ. Это может быть характерно для поковок нестандартного ряда (со значениями параметров выходящих за пределы интервалов значений оіраниченньіх представленной классификацией ноковок), либо для случаев некорректного ввода исходных данных о поковке.
Похожие диссертации на Принципы параметрической классификации компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки и методология их идентификации
