Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
ШТАМПОВКИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1. Технологические схемы ЭМШ и методы анализа
формоизменения заготовки 14
1.2. Анализ методов расчета электромагнитных процессов в
задачах электромагнитной штамповки 20
Использование различных режимов разряда в процессах ЭМШ 28
Машинный (численный) эксперимент 33
Основные выводы по разделу 34
Цель и задачи исследования 35
2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ
«ОБОРУДОВАНИЕ - ИНСТРУМЕНТ - ЗАГОТОВКА» ДЛЯ ТИПОВЫХ
ОПЕРАЦИЙ ЭМШ 37
2.1.Моделирование технологической операции 37
2.2. Электромагнитные параметры системы «индуктор-заготовка»
47
2.2.1. Расчет индуктивностей системы «индуктор -заготовка».... 59
2.2.2. Определение активных сопротивлений системы «индуктор-
заготовка» 65
2.3. Создание обобщенной математической модели системы
«МИУ - индуктор - заготовка» 65
2.3.1. Математическое моделирование операций обжима и раздачи
трубчатой заготовки 68
Методы формирования математической модели 72
Численная реализация метода переменных состояния 74
Формирование матрицы Якоби модели 75
Определение текущих значений переменных 78
2.3.6. Дискретное изменение параметров разрядного контура в
процессе формоизменения заготовки 79
2.4. Общие результаты и выводы 82
3. ПРИМЕНЕНИЕ МАШИННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ЭМШ 82
3.1. Этап предпланирования эксперимента 84
Входные и выходные факторы процесса ЭМШ 84
Выбор математической модели и плана машинного эксперимента 86
Оценка параметров модели '. 90
Оптимизация полученных зависимостей 92
Предпланирование факторного эксперимента 96
3.2. Получение математических моделей процессов ЭМШ для
заготовок из различных материалов 100
Построение математических моделей 102
Анализ полученных зависимостей 106
3.3. Общие результаты и выводы 108
4. ВЫБОР И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ
«ОБОРУДОВАНИЕ-ИНСТРУМЕНТ-ЗАГОТОВКА» 112
Управление формой импульса давления 112
Исследования режимов функционирования системы и форм импульса давления при обжиме и раздаче трубчатых заготовокі 18
4.3. Пути интенсификации технологических операций и
повышения эффективности оборудования 126
4.4. Моделирование процесса обжима импульсным магнитным
полем с использованием теории подобия 134
4.5 Алгоритм проектирования технологии и оборудования
процессов ЭМШ 141
Опыт внедрения технологии и оборудования ЭМШ 145
Основные результаты и выводы 148
ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 149
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 152
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Введение к работе
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).
Электромагнитная штамповка (ЭМШ) - новый высокоскоростной метод пластического деформирования металлов и сплавов, основанный на непосредственном преобразовании предварительно накопленной электрической энергии в механическую работу деформирования заготовки.
Интерес к исследованиям процессов деформирования материалов с помощью интенсивных электромагнитных воздействий возник в связи с развитием физики и техники сильных магнитных полей, их многочисленным применением в авиастроении и машиностроении при разработке и внедрении импульсных технологических процессов обработки металлов давлением, созданием ряда энергетических установок, эксплуатируемых в условиях комбинированного действия силовых, тепловых и магнитных полей. Одним из практических направлений использования интенсивных импульсріьіх магнитных полей в промышленности является ЭМШ, которая начала развиваться в силу ряда преимуществ перед другими технологическими процессами — возможности автоматизации и механизации, большой технологической гибкости, возможности совмещения различных операций, увеличения пластичности металлов.
ЭМШ является одним из методов пластического формоизменения металлов с использованием импульсного магнитного поля. Принцип действия электромагнитных установок основан на использовании электродинамических сил, возникающих в результате взаимодействия магнитного поля разрядного тока через катушку (индуктор) с полем наведенного тока в заготовке
помещенной в рабочую зону катушки. Давление, деформирующее металлическую заготовку, создается непосредственным воздействием магнитного поля без участия промежуточных твердых, жидких или газообразных тел.
Разработка научно-обоснованных путей и способов создания ресурсосберегающих технологий включает в себя большой круг теоретических, экспериментальных, технологических и компьютерно-программных задач.
В настоящее время внедрение достижений науки в производство затруднено в связи с недостатком инвестиций, жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, поэтому особенно актуальной становится задача создания методов комплексного проектирования ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций.
В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий электромагнитной штамповки, отличающихся компактностью и мобильностью оборудования, простотой и низкой стоимостью оснастки, высоким качеством получаемых изделий. Современные установки для электромагнитной обработки металлов, легко встраиваются в автоматизированные линии, могут использоваться для выполнения разнообразных операций, формовки, калибровки, и сборки как в условиях мелкосерийного, так и крупносерийного производств. Результаты исследований показывают, что в операциях электромагнитной штамповки можно получить большую предельную степень формоизменения.
В математическом плане магнитно-импульсные процессы динамического
формоизменения описываются динамическими уравнениями
термоупругопластичности и электродинамики. При этом существенно, что «термомеханическая» и «электромагнитная» группы уравнений оказываются взаимосвязанными. Лишь в последнее время благодаря развитию численных методов и созданию мощных ЭВМ появилась возможность адекватного
моделирования указанных нелинейных процессов. Однако решение задач ЭМШ требует развития эффективных прикладных теорий, численных методов их реализации и оптимизации технологических процессов. Необходимо изучение деформационных и прочностных свойств материалов в новых специфических условиях, развитие экспериментальной техники, создание более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.
В то же время широкое внедрение процессов ЭМШ сдерживается недостаточной стойкостью инструмента, применяемой оснастки и элементов высокоэнергетического оборудования, что вызвано их работой в условиях, далеких от оптимальных. Это приводит к большим объемам экспериментальных и доводочных работ по корректировке технологии штамповки на этапе серийного производства.
Повышение технологичности операций ЭМШ позволяет не только экономить энергоресурсы, но и увеличить стойкость элементов оборудования и оснастки, что свидетельствует об актуальности разработок в области создания научно-обоснованных методов проектирования технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций ЭМШ.
Работа выполнена в соответствии с грантом Президента РФ по поддержке ведущих научных школ на выполнение научных исследований (гранты № НШ-1456.2003 и № НШ-4190.2006.8) и научно-технической программой Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2006-2008 гг. (проект №РНП 2.1.2.8355)».
Цель работы. Повышение эффективности операций электромагнитной штамповки на основе научного обоснования методов создания, проектирования и реализации новых технологических режимов и оборудования, обеспечивающих снижение энергоемкости операций электромагнитной штамповки.
Автор защищает:
— теоретические зависимости для определения силовых и
кинематических параметров операций ЭМШ, включающие упругопластические
математические модели деформирования заготовок;
— комплексные математические модели для операций обжима и раздачи
полых цилиндрических заготовок, учитывающие параметры системы
«установка-индуктор-заготовка»;
разработанные научно обоснованные рекомендации по выбору параметров процесса деформирования на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований операций ЭМШ, технологических режимов работы оборудования и форм импульса давления магнитного поля;
результаты экспериментальных исследований процессов ЭМШ и внедрения разработанных технологий в производство, методов и алгоритмов расчета - в практику проектирования и учебный процесс.
Научная новизна состоит в выявлении закономерностей протекания электромеханических. процессов ЭМШ, позволяющих проводить параметрическую оптимизацию системы «установка-индуктор-заготовка» и расширяющих технологические возможности на основе новых схемных решений функционирования оборудования и математических моделей операций обжима и раздачи полых цилиндрических заготовок.
Методы исследования, использовавшиеся в.работе.
Теоретические исследования процессов электромагнитной штамповки выполнены на основе положений механики сплошных сред и теории пластических деформаций металлов, уравнений математической физики и теории электрических цепей. Математическое моделирование процессов штамповки с использованием планирования эксперимента, нелинейного программирования и численного интегрирования систем дифференциальных уравнений с применением комплекса программ PRADIS. Экспериментальные методы определения энергетических, силовых и деформационных параметров в процессах ЭМШ с использованием магнитно-импульсных установок и
современной регистрирующей аппаратуры.
Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации для обеспечения оптимальных режимов работы и форм импульса давления в операциях электромагнитной штамповки трубчатых заготовок. Разработаны рекомендации по совершенствованию индукторных систем, оборудования и технологических процессов ЭМШ.
Реализация результатов работы:
Созданы методики выбора оптимальных параметров и режимов проектируемых технологий и оборудования ЭМШ, которые приняты к эксплуатации для разработки и оптимизации параметров технологических операций, инструмента и узлов оборудования получения полых цилиндрических деталей в ОАО ТНИТИ (г.Тула). Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при написании конспектов лекций и постановке лабораторных работ по курсу «Компьютерное моделирование технологических процессов и оборудования»; подготовке магистерских диссертаций, выпускных работ бакалавров, выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на следующих конференциях и выставках: Международной научно-технической конференции «Новые методы и средства исследования процессов и машин обработки давлением» (Украина, г. Краматорск, 2005 г.), международной заочной молодежной научно-технической конференции «Молодежь России - науке будущего» (г. Ульяновск, УГТУ, 2006 г.); ежегодных профессорско-преподавательских конференциях кафедры МПФ ТулГУ (2005-2008 гг.); Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.),
Международной научно-технической конференции «Магнитно-импульсная обработка материалов. Пути совершенствования и развития. МИОМ-2007» (г. Самара, 2007).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 4 статьях в межвузовских сборниках научных трудов и 5 статьях Всероссийских и международных научно-технических конференций объемом 2,4 печ. л.; из них авторских 1,6 печ. л.; в том числе 4 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК и одном патенте на полезную модель № 73248
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. Н.Е. Проскурякову за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, общих выводов по работе, списка литературы из 99 наименований, приложения и включает 156 страницы машинописного текста, 46 рисунков, 12 таблиц. Общий объем работы 178 страница.
