Введение 3
1. Анализ методов управления технологическим процессом в обработке
металлов давлением исходя из свойств обрабатываемых материалов 9
1.1 Управление технологическим процессом в листовой штамповке 9
1.2 Использование результатов моделирования для управления
технологическим процессом 15
1.3 Современные методы и программные продукты для моделирования
технологических процессов обработки металлов давлением 18
1.4 Исследование контроля свойств металла в реальном масштабе времени при
технологической операции обработки металлов давлением 24
1.5 Исследование обеспечения параллельности плоскости ползуна с плоскостью стола прессового оборудования 27
1.6 Выводы по главе 1 38
2. Разработка системы управления на основе контроля свойств металла и
состояния инструмента при разделительных операциях 39
2.1 Моделирование напряженно-деформированного состояния и энергосиловых
параметров в разделительной операции пробивка отверстия 39
2.2 Моделирование износа разделительного инструмента при пробивке 57
2.3 Разработка методики оценки прочностных и пластических свойств металла в процессе выполнения технологической операции пробивка отверстия 59
3. Разработка алгоритма рационального распределения пробивных пуансонов и устройства для комплексного уравновешивания ползуна пресса 63
Заключение 81
Список использованных источников
Процессы обработки металлов давлением широко применяются в разных отраслях промышленности: авиастроении, машиностроении, судостроении, вагоностроении и других. К примеру, автомобиль на 80-85 % состоит из деталей, полученных методами обработки металлов давлением.
Листовая штамповка является одной из основных разновидностей обработки давлением. Данным методом изготовляют самые разнообразные плоские и пространственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (секундная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов и размерами, составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолета, ракеты) [1].
Листовая штамповка широко применяется в различных отраслях промышленности благодаря ряду факторов, выделяющих ее из других видов технологических процессов.
К преимуществам листовой штамповки относятся [1]:
- высокая производительность, которая может достигать от 200 до 1000 деталей в минуту;
- достаточная точность, сравнимая с показателями точности изготовления изделий на поточных линиях (для некрупногабаритных деталей 11.15 квалитет ISO) и качество поверхности (Ra 0,2 .0,6 );
- низкая трудоемкость и себестоимость;
- возможность получения деталей сложной формы, которые другими методами получить трудно;
- возможность изготовления прочных и жестких деталей с малой массой;
- сравнительно небольшие отходы;
высокая безопасность работы при полной автоматизации процесса штамповки.
К недостаткам листовой штамповки относятся [1]:
- ограниченный ресурс пластичности металла при холодной пластической деформации. Это приводит к увеличению количества операций;
- ограничение по серийности производства из-за высокой стоимости штампов.
Основными направлениями развития технологии и оборудования для листовой штамповки являются [2]:
- максимальное приближение формы и размеров заготовки к форме и размерам готовой детали;
- повышение качества изделий;
- обработка материала в состоянии сверхпластичности;
- значительная интенсификация скоростей и мощностей оборудования;
- специализация, комплексная механизация и автоматизация технологических процессов и оборудования (высадочные автоматы и конвейерные линии).
В настоящее время практически все заводы, связанные с металлообработкой, в той или иной степени используют холодную листовую штамповку, причем диапазон размеров и форм штампуемых деталей весьма велик. Для штамповки используются самые разнообразные штампы, на которых выполняют операционную обработку заготовки и сборочные операции. Широкое применение холодной штамповки обусловило создание специализированных машин для штамповки. Экономическая эффективность холодной листовой штамповки в производстве существенно зависит от технологических процессов, управления процессом деформирования, рациональности конструкции рабочих элементов штампов, механизации и автоматизации.
Разделительные операции применяются для раскроя листовых материалов, под которым понимают принятое расположение штампуемых деталей (заготовок) на листе, полосе или ленте. При этом раскрой должен обеспечивать минимальный расход металла, простоту конструирования штампа и высокую производительность. При резке листа различают поперечный, продольный и комбинированный виды раскроя, при резке полос - раскрой с отходами с частичными отходами и безотходный виды раскроя. Потери при раскрое зависят от геометрической формы детали, некратности листового материала, величины перемычек (межконтурных и внешних) и припусков на обрезку. Выделяют также различные виды раскроя: многорядный, наклонный, встречный, и др. Выбор варианта раскроя позволяет оптимизировать процесс и получить наиболее высокий коэффициент использования металла, который в общем случае определяется как отношение суммарной площади готовых деталей к площади заготовки [42].
Основным прогрессивным технологическим фактором дальнейшего развития холодной листовой штамповки является стремление получить полностью законченную деталь, не требующую дальнейшей обработки [1].
Сегодня в условиях рыночной экономики основной задачей является получение максимальной прибыли с минимальным затратами, так как одним из многочисленных пунктов затрат являются опробование новой продукции, запуск нового оборудования. Поэтому применение компьютерных технологий, таких как CAD, CAM, CAE и компьютерного моделирования на основе метода конечных элементов является абсолютной необходимостью для повышения конкурентоспособности и рентабельности производства [4].
Стремление без проведения эксперимента, на основе расчета, определить необходимую деформирующую силу, рассчитать требуемое число переходов получения поковки заданной формы, предельное формоизменение без разрушения деформируемого материала, получить исходные данные для расчета на прочность и стойкость деформирующего инструмента, а также технологические параметры во многом осуществимы благодаря использованию современных специализированных программных средств.
Практическое и эффективное применение этих технологий требует знаний различных факторов, влияющих на процесс листовой штамповки. Эти факторы включают в себя [4]:
- пластическое течение и штампуемость листового материала;
- геометрию, материал и покрытия инструмента;
- трение и смазки;
- механику деформации (деформации, напряжения и силы);
- характеристику штамповочного оборудования и оснастки;
- геометрию, точность, чистоту поверхности и механические свойства
- формируемых деталей;
- влияние процесса на окружающую среду.
На сегодняшний день для решения конкретных технологических задач
ковки и штамповки предлагаются различные компьютерные программы как на Западе, так и в России. Общепризнанными лидерами в этом направлении считаются системы DEFORM, Autoforge/Superforge, FORGE и QForm.
Использование высокопрочных сталей требует большие усилия штамповки, и это повышает износ штамповой оснастки и может привести к полной поломке инструмента. Поскольку штампы для листовой штамповки дорогостоящи нужно производить прогноз износа инструмента на стадии проектирования. Износ инструмента становится очень серьезной проблемой. Ее решение заключается в дорогостоящем упрочнении поверхности инструмента различными методами. Необходимо знать величину и механизм износа при заданном числе циклов нагрузки. Это поможет свести к минимуму производственные затраты и обеспечить достаточный срок службы инструмента. Поэтому разработка и исследование разделительных операций для оценки возможности управления технологическим процессом листовой штамповки является актуальной темой исследования.
Данная работа посвящена исследованию разделительных операций для оценки возможности управления технологическим процессом листовой штамповки.
Объект исследования - технология производства длинномерный деталей и разделительные операции.
Предметом исследования являются способы управления технологическим процессом листовой штамповки.
Целью работы является исследование разделительных операций для оценки возможности управления технологическим процессом листовой штамповки.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Проведен анализ методов управления технологическим процессом в обработке металлов давлением исходя из свойств обрабатываемых материалов
2. Разработана система управления на основе контроля свойств металла и состояния инструмента;
3. Разработан алгоритм рационального распределения пробивных пуансонов и устройства для комплексного уравновешивания ползуна пресса.
В первой главе работы рассмотрена листовая штамповка и операции, которые применяются в данном способе обработки металлов давлением, более подробно изучены разделительные операции и усилие резания при разделении металла. Для управления технологическим процессом в обработке металлов давлением в настоящее время используют результаты математического моделирования. Поэтому были рассмотрены современные программные продукты, применяемые в данной области. При управлении технологическим процессом обработки металлом давлением необходим контроль свойств металла, в связи с этим данный аспект был более подробно изучен, а также проведено исследование обеспечения параллельности плоскости ползуна с плоскостью стола прессового оборудования.
Результаты анализа первой главы стали базой для разработки системы управления на основе контроля свойств металла и состояния инструмента во второй главе. Было произведено моделирование напряженно-деформированного состояния и энергосиловых параметров в разделительной операции пробивка отверстия, а также моделирование износа разделительного инструмента при пробивке. Исследование показало, что по мере износа инструмента и увеличения номинального зазора увеличивается ширина кривой «сила деформирования - перемещение инструмента» и величина глубины сдвига пластического сдвига.
В третьей главе система взаимодействующих тел была рассмотрена на основе экспериментальных методов, что позволило обосновать достоверность и сходимость расчетных численных результатов, проведенных во второй главе. Проведено комплексное исследование задачи обеспечения параллельности плоскости ползуна с плоскостью стола специального кузнечно -прессового оборудования при штамповке длинномерных несимметричных заготовок.
Более подходящими для управления являются разделительные операции. В ходе управления может прогнозироваться возможность возникновения дефектов в реальном масштабе времени: при гибке могут возникать трещины, при вырубке - перегрузка инструмента. Поэтому целесообразно вводить автоматизированную систему управления, связанную с контролем свойств металла.
Стандартные зависимости расчета силы дают приближенные значения, поскольку расчетная зависимость - упрощенная, а значения свойств - усредненные. Поэтому более точные данные могут быть получены либо экспериментально, а именно в процессе выполнения разделительных операций.
Задача по контролю свойств материала также неразрывно связана с вопросами работы системы инструмент - оборудование и возможностью управления им. Это обусловлено тем, что свойства материала напрямую влияют на стойкость инструмента и опосредованно на функционирование пресса, т.к. его составные части воспринимают соответствующие.
Из анализа существующих методов управления технологическим процессом в обработке металлов давлением и учитывая саму специфику задачи были сделаны следующие выводы:
- в настоящее время в процессах обработки металлов давлением управление технологическим процессом на основе контроля свойств материалов не развито;
- на текущий момент на листоштамповочных производствах распространен брак вследствие неудовлетворительных технологических параметров материалов;
- отсутствует контроль состояния пробивного инструмента, что приводит к его поломкам;
- отсутствует контроль положения ползуна оборудования.
Для исследования возможности управления прессом в процессе выполнения технологического процесса была проведена оценка контактного взаимодействия режущих инструментов разделительных штампов с листовым металлом.
Результаты по моделированию с высокой степенью точности согласуются с экспериментальными данными (~10%), что свидетельствует о достоверности разработанной математической модели по моделированию процесса разделительной операции.
Оценка износа инструмента необходима для установления влияния износа на характер диаграмм «сила деформирования - перемещение пуансона», а соответственно на точность прогнозирования свойств в процессе выполнения операции пробивки.
В работе проведен расчет стандартной подпрограммы в Qform с отображением зон наибольшего износа инструмента от действия сил касательных и нормальных напряжений соответственно и их численных значений.
Согласно полученным результатам наибольший износ от действия касательных и нормальных напряжений сосредоточен в зоне режущих кромок пробивного пуансона и матрицы.
Исходя из анализа характера износа инструмента сделан вывод о том, что в процессе работы будет наблюдаться процесс притупления режущих кромок инструмента и дальнейшее уменьшение диаметра пробивного пуансона и увеличение диаметра матрицы. Таким образом, в процессе эксплуатации первоначальный номинальный зазор между пуансоном и матрицей будет увеличиваться, что приведет к постепенному изменению номинального диаметра пробиваемого отверстия.
Кроме того, исходя из анализа кривых «сила деформирования - перемещение инструмента» при операции пробивки сделан вывод, что по мере износа инструмента и увеличения номинального зазора увеличивается ширина кривой «сила деформирования - перемещение инструмента» и величина глубины сдвига пластического сдвига.
Одновременное выполнение технологической операции пробивки отверстия с измерением параметров штампуемости металла для каждой заготовки позволяет повысить производительность труда, стойкость инструмента, т.к. в неблагоприятном тс> [тс] случае при штамповке на гидропрессах нагрузке подвергается только один пробивной пуансон, который выполняется более длинным чем другие, и в случае его перегрузки до момента внедрения других пуансонов рабочий ход гидропресса прекращается, и происходит реверс хода пресса.
Кроме того, экономится металл вследствие того, что каждая заготовка с недостаточной пластичностью, которая могла бы разрушиться при формообразующей операции, снимается со штамповочной линии и подвергается повышающей пластичность термообработке.
Для решения проблемы разработан алгоритм рационального распределения пробивных пуансонов и устройства для комплексного уравновешивания ползуна пресса, позволяющий:
- при симметричной схеме нагружения рационально распределять пробивные пуансоны по уровням штамповки;
- при сложной схеме нагружения дополнительно рассчитывать необходимое усилие противодействия в заданной точке для уравнителя ползуна;
На основе патентного поиска и анализа прототипов предложена конструкция и принцип применения устройства для комплексного уравновешивания ползуна гидравлического пресса KOMATSU UAS 6000 MB.
Реализация предложенных решений позволит предотвратить такие проблемы, как:
- преждевременный износ и выход из строя рабочих частей штампов (пуансоны, матрицы, втулки, направляющие и т.д.);
- образование заусенцев на заготовках для лонжеронов при недопустимых значениях перекоса ползуна;
- тяжелые условия функционирования прессового оборудования и повышенный износ его узлов;
- не запланированные простои из-за проблем с прессом, а также вследствие заклинивания ползуна в процессе штамповки.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
