Введение 4
Глава 1 Анализ известных технологий сборки металлических заготовок (СМЗ) совместным пластическим деформированием (СПД) и формообразования составных изделий, конструктивные требования к оборудованию 8
1.1 Обоснование выбора способов СМЗ СПД и формообразования составных
изделий на основе обеспечения требований по технологичности и эффективности процесса 8
1.2 Содержание термомеханических режимов штамповки составных изделий из сборных заготовок, полученных совместным пластическим деформированием... 11
1.3 Основные требования к нагружающей системе пресс-штамп для СМЗ СМД и
формообразования составных изделий 12
1.4 Аналитическое исследование известных способов и технологий СМЗ СПД и
получения составных изделий 13
Выводы 22
Глава 2 Разработка и моделирование процессов сборки металлических заготовок совместным пластическим деформированием и формообразования составных стержневых изделий 23
2.1 Теоретические предпосылки процесса СМЗ СПД и формообразования
составных стержневых изделий 23
2.2 Разработка инновационных технологий СМЗ СПД и формообразования
составных изделий и моделирование процессов 31
2.2.1 Технология получения составных стержневых изделий с замкнутой силовой
схемой 31
2.2.2 Технология сборки металлических заготовок совместным пластическим
деформированием с глубокой зачисткой контактных поверхностей 39
2.2.3 Технология получения составных стержневых изделий на основе
градиентного нагрева заготовок 46
Выводы 60
Глава 3 Экспериментальное исследование процессов сборки металлических заготовок и формообразования составного изделия 62
3.1 Постановка задач исследования 62
3.2 Условия проведения опытов 66
3.2.1 Материалы, образцы, оборудование 66
3.2.2 Экспериментальная установка, устройство и наладка 67
3.3 Проведение эксперимента 71
3.4 Обработка результатов эксперимента 73
3.5 Компьютерное моделирование сборки заготовок совместным пластическим
деформированием в программе DEFORM-3D 77
Выводы 79
Глава 4 Оптимизационная система управления процессами неразъемной СМЗ СПД и формообразования составных стержневых изделий (ССИ) 81
4.1 Теоретические предпосылки к созданию моделей управления процессами
сборки заготовок и формообразования составного изделия 81
4.2 Проектирование оптимизационной системы управления технологическими
процессами (ОСУ ТП) сборки заготовок пластическим деформированием и формообразования составных стержневых изделий 84
4.3 Инновационный технологический процесс получения ССИ с тонкостенной
оболочкой 108
Выводы 114
Заключение 115
Список литературы 117
Приложение А 126
Актуальность работы. Производство неразъемных составных изделий штамповкой сборных заготовок, получаемых совместным пластическим деформированием (кузнечно-прессовой сваркой), вызывает все больший интерес в машиностроении благодаря его высокой эффективности в связи с экономным расходованием дорогостоящих легированных сталей и пониженной трудоемкости процесса (например, тарельчатого клапана двигателя внутреннего сгорания, ротора турбонагревателя и др.). Однако, в настоящее время получение составных изделий затруднено из-за недостаточной изученности механизмов образования неразъемного соединения исходных заготовок посредством совместного пластического деформирования и отсутствием практических рекомендаций по проектированию технологических процессов формообразования составных изделий.
Кроме того, отсутствуют практические рекомендации по использованию применяемого для получения составных изделий оборудования повышенной жесткости.
Поэтому проблема повышения эффективности сборки заготовок и формообразования составных изделий пластическим деформированием и улучшения конструкций оборудования является весьма актуальной.
Степень разработанности темы исследования. Теоретической основой для разработки темы явились научные труды известных отечественных и зарубежных ученых Тарновского И.Я., Колмогорова В.Л., Богатова А.А., Смирнова-Аляева Г.А., Овчинникова А.Г., Крука А.Т., Бэкофена В., и др. авторов.
Информация о способах получения составных изделий совместным пластическим деформированием весьма ограничена, отсутствуют практические рекомендации к разработке технологий получения составных изделий и улучшению конструкций оборудования для сборки заготовок и формообразованию изделий. Не известны результаты исследований механизмов образования металлических связей и межслойного взаимодействия металлов контактных поверхностей в процессе сборки заготовок совместным пластическим деформированием. Отсюда вытекает вывод, что процесс формообразования сборных изделий изучен далеко недостаточно и требует дальнейших исследований.
Цели и задачи работы. Целями работы являются повышение эффективности ресурсосберегающих технологий получения составных изделий пластическим деформированием на основе новых технических решений и оптимизационной системы управления технологическими процессами. Для этого необходимо решить ряд технологических задач: разработать методологию рационализации термомеханических условий получения составных изделий и систему управления оптимизацией технологических параметров процесса.
Научная новизна работы
1. Осуществлена формализация технологического процесса получения составных изделий с помощью средств математического и информационного моделирования систем.
2. Спроектирована математическая модель, реализованная алгоритмом, обеспечивающая оптимизацию эффективности технологического процесса получения составных изделий на основе управления массивом варьируемых параметров.
3. Создан банк информационно-логических целевых модулей технологических процессов сборки металлических заготовок совместным пластическим деформированием и формообразования составных стержневых изделий из сборных заготовок.
4. Построена функциональная и объектно-ориентированная оптимизационная система выбора технологии получения составных стержневых изделий различной формы и степени сложности на основе использования банка целевых модулей и системного анализа.
5. Разработана методика обоснования выбора проектных решений по технологии получения составных стержневых изделий на основе оценки экономической эффективности процесса.
Теоретическая и практическая значимость
1. Разработаны инновационные процессы формообразования составных изделий совместным пластическим деформированием на основе механизмов вязкого разрушения металлов.
2. Разработаны инновационные процессы формирования составных изделий из сборных заготовок на основе использования противодавления, глубокой зачистки контактных поверхностей и градиентного нагрева исходных заготовок с созданием замкнутой силовой схемы деформирования.
3. С использованием системного анализа процессов созданы математические экономические модели и оптимизационные системы управления параметрами сборки металлических заготовок пластическим деформированием и получения изделий практической направленности, успешно прошедшие апробацию.
4. С использованием теории планирования эксперимента получены зависимости качества сборки металлических заготовок пластическим деформированием от технологических параметров.
5. Спроектированы примерные технологические процессы штамповки составных изделий типа клапана ДВС и стержневого зубчатого колеса типа ведущая шестерня дифференциала с тонкостенной оболочкой на стержневом элементе.
6. Результаты исследований приняты к внедрению на промышленных предприятиях.
Методология и методы диссертационного исследования
1. Методология проектирования и алгоритмирования иерархических гибридных моделей получения составных изделий.
2. Методы конечно-элементного моделирования.
3. Методы теории планировании экспериментальных исследований процесса штамповки изделий.
4. Методы обработки и статистического анализа опытных данных.
Положения, выносимые на защиту
1. Иерархические гибридные модели процессов получения составных изделий с замкнутой силовой схемой на основе запатентованных способов глубокой зачистки контактных поверхностей, противодавления и градиентного нагрева заготовок, реализованные алгоритмами.
2. Экспериментальные зависимости качества сборки металлических заготовок пластическим деформированием от термомеханических параметров процесса.
3. Оптимизационная экономическая система выбора структуры технологии получения составных стержневых изделий на основе разработанного банка информационно-логических целевых модулей и управления термомеханическими параметрами процесса, обеспечивающего требуемые прочность и жесткость изделия при повышенной эффективности.
4. Примерный инновационный технологический процесс получения составных стержневых изделий с тонкостенной оболочкой, реализующий результаты аналитических и экспериментальных исследований.
Степень достоверности результатов проведенных исследований обеспечивается использованием современных методов структурного анализа; согласованностью математических моделей с практическими результатами; компьютерным моделированием процессов; качеством измерений и статистической обработки результатов; практическим использованием и патентоспособностью разработанных технологий.
Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XVI научно-практической конференции молодых ученых, г. Барнаул, 2014 г.; II Международной заочной научно-практической конференции, г. Новокузнецк, 2014 г.; IV, V, VI, VII Всероссийской научно-технической конференции, г. Рубцовск, 2014 - 2017 г.г., XII, XIII, XIV, Всероссийской научной-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь», г. Барнаул, 2015 - 2017 г.г.; VII Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении», г. Кемерово, 2015 г.
Итоги выполненной работы
1. В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что процесс штамповки составных изделий из сборных заготовок, получаемых совместным пластическим деформированием исходных металлических заготовок, обладает достаточной технологичностью и высокой эффективностью.
2. В результате экспериментальных исследований установлено:
1) наилучший показатель качества сборки (X = 83,5) исходных заготовок совместным пластическим деформированием наблюдается при высоком относительном значении противодавления (Рпд / Рвд = 0,9) и наименьшем соотношении диаметров стержневой и головной заготовок (^ / П = 0,2);
2) в результате компьютерного моделирования процесса сборки выявлено крайне неравномерное распределение напряжений и деформации: наибольшая сдвиговая деформация наблюдается в приконтактных областях объема головной заготовки, примыкающих к угловой и боковой поверхностям стержневой заготовки.
3. Разработанные иерархические гибридные модели управления процессами штамповки составных стержневых изделий, реализованные оптимизационными алгоритмами, могут стать основой для создания новых ресурсосберегающих технологических процессов производства составных изделий.
4. Разработанный банк информационно-логических целевых модулей, реализованных алгоритмами, служит основой для создания оптимизационной системы управления технологическими процессами и разработки инновационных технологий получения составных изделий различной формы конкретного назначения.
5. Обобщенный алгоритм оптимизационной системы управления технологическими процессами и целевые модульные алгоритмы служат основой для автоматизации проектирования процессов штамповки составных изделий из сборных заготовок, получаемых совместным пластическим деформированием исходных заготовок.
6. Теоретические предпосылки, используемые для создания целевых модулей и подсистем управления процессами сборки металлических заготовок совместным пластическим деформированием и формообразования составных изделий, обеспечивают условия монотонного течения металла при штамповке составных поковок повышенного качества.
7. Оптимизационная система управления технологическими процессами формообразования составных изделий, спроектированная на основе методов системного анализа и иерархического модульного принципа ее структурирования, обеспечивает оптимизацию термомеханических параметров как отдельных этапов выполнения технологического процесса получения составного изделия, так и всего процесса в целом.
8. Запатентованные способы формообразования составных изделий из сборных заготовок, получаемых совместным пластическим деформированием исходных заготовок, приняты к внедрению на промышленных предприятиях края (Приложение А).
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы
Выполненная работа по повышению эффективности штамповки составных изделий из сборных заготовок, получаемых пластическим деформированием, весьма актуальна, представляет большой практический интерес и имеет следующие перспективы:
- разработка инновационных технологий производства ответственных составных изделий, работающих в тяжелых термомеханических условиях;
- создание прикладного программного обеспечения на основе оптимизационной системы управления технологическими процессами с целью автоматизации проектирования штамповки;
- создание оборудования повышенной жесткости, обеспечивающего условия штамповки составных изделий высокого качества.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
