Удосконалення проектування технології листового штампування на основі моделювання операцій формозмінення осесиметричних деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА МАШИНОБУДІВНА АКАДЕМІЯ

УДК 621.983

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЕКТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ЛИСТОВОГО ШТАМПУВАННЯ НА ОСНОВІ МОДЕЛЮВАННЯ ОПЕРАЦІЙ ФОРМОЗМІНЕННЯ ОСЕСИМЕТРИЧНИХ ДЕТАЛЕЙ

Спеціальність 05.03.05 - Процеси і машини обробки тиском

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Аль-Хурані Мохаммад Камал Мохаммад

Краматорськ - 2001



Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА) Міністерства освіти і науки України (м. Краматорськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Тарасов Олександр Федорович Донбаська державна машинобудівна академія, (м. Краматорськ), завідуючий кафедрою “Комп'ютерні інформаційні технології”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дорошко Володимир Іванович Східноукраїнський Національний університет, (м. Луганськ), професор кафедри “Обладнання для обробки металів тиском”

кандидат технічних наук, доцент Плеснецов Юрій Олександрович Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, доцент кафедри “Обробка металів тиском”

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут авіаційної технології державного комітету промислової політики України, науково-дослідний центр “Авіаційні матеріали”, м. Київ

Захист відбудеться "5" вересня 2001р. о 14 на засіданні спеціалізованої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій Донбаської державної машинобудівної академії за адресою: 84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, корпус1

Автореферат розісланий "3" серпня 2001р.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії за адресою: 84313, Краматорськ, вул. Шкадінова 72, корпус 1

Вчений секретар спеціалізованої вченої

ради Д 12.105.01, к.т.н., доцент О.В. Сатонін



АНОТАЦІЯ

Аль-Хурані Мохаммад Камал Мохаммад. Удосконалення проектування технології листового штампування на основі моделювання операцій формозмінення осесиметричних деталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.03.05 - Процеси і машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2001 р.

Дисертація присвячена розробці нових підходів до інтенсифікації формозмінюючих процесів листового штампування, на основі створення уніфікованих математичних моделей для поелементного і поетапного багатоваріантного проектування технологічних процесів.

На основі чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму в очагу деформації розроблені математичні моделі напружено-деформованого стану металу при витягуванні плоских осесиметричних заготовок, витягуванні циліндричних заготовок без потоншення і з потоншенням, а також процесу формозмінення просторових заготовок (роздача). При використанні удосконаленої інженерної методики розрахунку як цільової функції розроблена імітаційна математична модель процесу витягування плоских осесиметричних заготовок. Розроблено геометричну модель порожніх осесиметричних деталей, що дозволяє істотно знизити кількість інформації, необхідної для автоматизованого проектування, і представити поверхню деталі у вигляді обмеженого набору елементів, що можуть розпізнаватися в процесі введення геометричної інформації в ЕОМ. Результати роботи у вигляді методик і програмних засобів використані при проектуванні технології та оснастки для виробництва ряду деталей екранних систем високовольтних дугогасильних камер, що дозволило зменшити витрату міді на 21% і значно скоротити витрати на оснастку.

Ключові слова: осесиметричні деталі, поелементне і поетапне проектування, напруження течії, витягування, формозмінення просторових заготовок, кінцево-різницевий підхід, чисельна та геометрична моделі, групова технологія. метал осесиметричний деформований просторовий



АННОТАЦИЯ

Аль-Хурани Мохаммад Камал Мохаммад. Совершенствование проектирования технологии листовой штамповки на основе моделирования операций формоизменения осесимметричных деталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2001 г.

Диссертация посвящена разработке новых подходов к интенсификации формоизменяющих процессов листоштамповочного производства на основе создания унифицированных математических моделей для поэлементного и поэтапного многовариантного проектирования технологических процессов, включающих геометрические модели полых осесимметричных деталей и модели напряженно-деформированного состояния металла при вытяжке плоских осесимметричных заготовок, цилиндрических заготовок без утонения и с утонением, а также при формоизменении пространственных оболочек (раздача).

На основе численного рекуррентного решения конечно-разностной формы условия статического равновесия выделенного элементарного объема в очаге деформации при вытяжке плоских осесимметричных заготовок разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния металла, позволяющая учесть упрочнение и изменение толщины заготовки при вытяжке, а также различные распределения напряжений трения и нормальных контактных напряжений по фланцу заготовки от действия силы прижима. Кроме того, на основе аналитического определения среднеинтегрального по объему фланца значения сопротивления деформации и учета реального характера распределений напряжений трения и нормальных контактных напряжений от действия силы прижима усовершенствована инженерная методика расчета напряженного состояния металла во фланце при вытяжке. При этом было установлено, что максимальное значение радиального напряжения во фланце наблюдается в диапазоне 0,8…0,9, а учет реального характера распределений напряжений трения и нормальных контактных напряжений уточняет значения радиальных напряжений во фланце на 15…30%.

При использовании в качестве целевой функции зависимостей, полученных на основе предложенной инженерной методики расчета, разработана имитационная математическая модель процесса вытяжки плоской осесимметричной заготовки, позволяющая учесть вероятностный характер изменения всех исходных параметров, а также прогнозировать выход годной продукции и оценить влияние отклонения исходных параметров заготовки от номинальных на результирующие показатели качества штампуемых деталей.

На основе рекуррентных решений конечно-разностной формы условия статического равновесия выделенных элементарных объемов в очагах деформации разработаны численные математические модели напряженно-деформированного состояния металла при вытяжке цилиндрических заготовок без утонения и с утонением, а также процесса формоизменения пространственных заготовок (раздача). Отличительной особенностью данных математических моделей является учет реального характера распределений геометрических параметров, механических свойств и условий контактного трения по длине образующей детали. При этом была обоснована необходимость корректного учета реального характера граничных условий при одновременном учете истории деформирования, осуществляемого на предыдущих технологических операциях. Разработанные математические модели позволяют учесть в виде граничных условий любой характер силового воздействия на заготовку, что расширило область применения данных моделей.

Разработана геометрическая модель полых осесимметричных деталей, позволяющая существенно снизить количество информации, необходимой для автоматизированного проектирования, и представить поверхность детали в виде ограниченного набора элементов, которые могут распознаваться в процессе ввода геометрической информации в ЭВМ. Распознавание отдельных элементов детали позволяет определить наличие особых зон, для изготовления которых одной операции типа вытяжки недостаточно, а необходимо применять дополнительно и другие формоизменяющие операции листовой штамповки, такие как раздача, обжим, отбортовка, местная формовка, что обеспечивает автоматизированный выбор рациональной для конкретных требований к детали последовательности технологических операций и определение математических моделей, по которым будет рассчитано напряженно-деформированное состояние участков детали в процессе выполнения технологических расчетов, в том числе и определение степени использования ресурса пластичности.

Результаты работы в виде методик и программных средств использованы при проектировании технологии и инструмента для производства ряда деталей экранных систем высоковольтных дугогасительных камер, что позволило уменьшить расход меди на 21% и значительно сократить затраты на оснастку.

Ключевые слова: осесимметричные детали, поэлементное и поэтапное проектирование, напряжение текучести, вытяжка, формоизменение пространственных заготовок, конечно-разностный подход, численная и геометрическая модели, групповая технология.



ABSTRACT

Mohammad Kamal Mohammad Al-Hourani. Improvement of technology design of sheet forming process on the basis of simulation of axisymmetric parts forming operations - The manuscript.

The dissertation on competition for the scientific degree of candidate of engineering sciences (PhD) in a speciality 05.03.05 - Processes and machines of working by pressure. - The Donbass State engineering academy, Kramatorsk, 2001.

The dissertation is devoted to development of new approaches to an intensification of sheet forming processes and to sheet forming manufactures, on the basis of the unified mathematical models creation for technological processes elementwise and stepwise multivariate computer- aided design.

For the first time the mathematical models of the metal stress-strain state of a flat axisymmetric blank draw-forming process, a cylindrical parts draw-forming process, an ironing process, and also hollow parts forming process (expansion) are developed on the basis of the numerical recurrent decision of the finite difference shape of a static equilibrium condition of chosen elementary volume in the center of a strain. These mathematical models are allowed to take into account the hardening, the thickness change, the half-finished product polythickness, the half-finished product mechanical properties and others during deformation. For the first time during using an engineering design technique as an objective function, the imitative mathematical model of axisymmetric blank draw-forming process is developed. It allows to forecast the good product output, to evaluate the influence of initial blank parameters and of others factors on the parts and parameters of sheet forming processes. The geometrical model hollow axisymmetric parts, that allows to lower an information quantity, which is necessary for a computer-aided design essentially and to present a surface of a parts as a restricted set of elements which may be recognized during input of the geometrical information is developed. The results of the dissertation, which are presented as techniques and software, are used for the production of some parts of screen systems high-voltage switches during technology and the instrument designing. It has allowed to lower the expenditure for copper on 21 % and for instrument considerably.

Key words: axisymmetric parts, elementwise and stepwise design, yield stress, draw-forming, hollow parts forming process, the finite difference approach, numerical and geometrical models, group technology.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішою проблемою розвитку машинобудування в сучасних умовах є забезпечення конкурентноздатності продукції, що випускається, обумовленою її якістю і вартістю.

Заготівельне виробництво і, зокрема, ковальсько-штампувальне виробництво, є найважливішим етапом технології металообробки, на якому можливе рішення задач економії металу і забезпечення якості деталей машин. Холодне листове штампування є одним з найбільш прогресивних технологічних методів виробництва. Воно має ряд переваг перед іншими методами обробки металів як у технологічному, так і в економічному відносинах.

Відмінною рисою деталей, які одержуються листовим штампуванням, є багатоваріантність їхнього виготовлення, тобто одну деталь можна штампувати різними способами, від яких залежать граничні розміри, експлуатаційні властивості, точність деталей та ін.

Основною метою інтенсифікації процесів листового штампування є скорочення термінів технологічної підготовки виробництва, а також забезпечення необхідних показників якості і продуктивності, а напрямками цієї інтенсифікації є розробка й освоєння нових способів деформування, а також методик автоматизованого розрахунку і вибору раціонального варіанта технологічного процесу.

Проектування технологічного процесу виготовлення порожніх деталей на підприємствах засновано на застосуванні довідкових рекомендацій. Узагальнені довідкові дані не враховують особливості виготовлення різних деталей і часто виявляються наближеними, що породжує помилки при проектуванні технологічних процесів і оснастки. Це пояснюється відсутністю математичних моделей, що враховують повною мірою технологічні фактори і взаємозв'язки різних технологічних операцій штампування, а також складністю використання існуючих комп'ютерних моделей, зокрема, заснованих на методі кінцевих елементів. Відзначене вимагає необхідність розвитку та уніфікації математичних методів розрахунку і методик автоматизованого проектування.

Відповідно до викладеного вище, тема дисертаційної роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт Д-05-98, Д-03-2000 (№ держ. реєстрації 0198V009090, 0100V001543) кафедри комп'ютерних інформаційних технологій ДДМА, спрямованих на дослідження і розробку систем автоматизованого проектування об'єктів машинобудування.

Мета і задачі дослідження. Підвищення техніко-економічних показників процесів листового штампування осесиметричних деталей на основі розвитку математичних моделей для їх багатоваріантного автоматизованого проектування і розробки технологічних рекомендацій.

Для досягнення поставленої мети в роботі були сформульовані і вирішені наступні задачі:

- на основі аналізу методів інтенсифікації процесів листового штампування виявлені типові елементи деталей, операції і їх послідовності, додаткові силові фактори і розроблені вимоги до математичних моделей для поелементного і поетапного автоматизованого проектування;

- одержала розвиток методика розрахунку процесу деформування фланця при витягуванні плоских осесиметричних заготовок;

- розроблені чисельні математичні моделі основних формозмінних операцій листового штампування;

- розроблена імітаційна математична модель витягування плоских осесиметричних заготовок;

- проведено експериментальну перевірку адекватності отриманих детермінованих і імітаційних математичних моделей;

- розроблено компоненти системи автоматизованого проектування (САПР) технологічних процесів і рекомендації з удосконалення технології проектування процесів листового штампування.

Об'єкт дослідження - процеси листового штампування порожніх осесиметричних деталей, шляхи їхньої інтенсифікації і технологічні режими.

Предмет дослідження - методи розрахунку формозмінних операцій листового штампування і математичні моделі для їхнього автоматизованого проектування.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пластичності, що включають інженерні і чисельні підходи, методи математичної статистики, а також методи імітаційного моделювання. Експериментальні методи включали: фізичне моделювання в лабораторних умовах, методи тензометрії, виміру деформованого стану і механічних властивостей матеріалів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- одержала розвиток інженерна методика розрахунку процесу витягування плоских заготовок, що дозволяє врахувати деформаційне зміцнення у фланці, а також реальний характер розподілу нормальних контактних напружень і напружень тертя, що діють з боку матриці і притиску;

- на основі кінцево-різницевої форми рекурентного рішення умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму в очагу деформації заготовки, розроблена чисельна детермінована математична модель, що дозволяє врахувати зміцнення і зміну товщини у фланці при витягуванні плоских осесиметричних заготовок;

- уперше на основі чисельного рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму металу в очагу деформації розроблені детерміновані математичні моделі процесів витягування циліндричних заготовок без потоншення і з потоншенням, а також процесу формозмінення просторових оболонок, що дозволяють врахувати різнотовщинність і різні механічні властивості уздовж утворюючій вихідного напівфабрикату;

- вперше отримана імітаційна математична модель процесу витягування плоских заготовок, що дозволяє прогнозувати вихід придатної продукції й оцінити вплив відхилення вихідних параметрів заготовки від номінальних на показники якості деталей, які штампуються;

- на основі виділення типових елементів конструкції деталі вперше розроблена геометрична модель порожніх осесиметричних деталей, що дозволяє автоматизовано визначити види і послідовність штампувальних операцій і істотно зменшити кількість інформації, необхідної для проектування технології.

Практична цінність і реалізація роботи полягає в наступному:

- на основі отриманих математичних і геометричних моделей складені алгоритми, за якими розроблені компоненти САПР технологічних процесів листового штампування, що забезпечує багатоваріантне проектування на базі поелементного і поетапного послідовного розрахунку операцій штампування;

- на основі запропонованого методу поелементного кодування і автоматизованого розпізнавання геометрії деталей зменшений об'єм інформації, що вводиться технологом в ЕОМ при розрахунках;

- реалізовано алгоритм імітаційного моделювання, що дозволяє прогнозувати вихід придатних виробів і оцінити вплив відхилення вихідних параметрів заготовок від номінальних на результуючі показники якості деталей, які штампуються;

- з застосуванням аналізу геометрії деталей на ЕОМ реалізована групова технологія штампування ряду деталей дугогасильної системи високовольтних вакуумних вимикачів, що дозволила зменшити необхідну кількість штампової оснастки;

- розроблені процеси і програмне забезпечення впроваджені на заводі “Генератор”, м.Київ, а також в учбовий процес кафедри обробки металів тиском ДДМА.

Особистий внесок здобувача складається з наступного: розвиток інженерної математичної моделі процесу витягування, розробка чисельних математичних моделей напружено-деформованого стану виробу у процесі листового штампування, розробка методик поелементного кодування і розпізнавання “особливих” зон деталей, реалізація алгоритму імітаційного моделювання стосовно до процесу витягування плоских заготовок, розробка компонентів системи автоматизованого багатоваріантного проектування, аналіз і узагальнення результатів проведених у дисертації теоретичних і експериментальних досліджень, розробка методик і участь у проведенні експериментальних досліджень, а також участь у розробці технологічних рекомендацій і впровадженні їх у промисловості.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на Всеукраїнській науково-технічній конференції “Перспективні технології й устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні”, м.Краматорськ, 20-22 квітня 1999р.; на V міжнародної науково-технічної конференції “Теоретические проблемы прокатного производства”, м.Дніпропетровськ, 16-18 травня 2000р.; на міжнародній конференції “Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении”, м.Київ, 26-27 жовтня 2000р.; на міжнародних науково-технічних конференціях “Перспективні технології і устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні”, м.Краматорськ, 22-24 квітня 2000р., м.Краматорськ-Слов'янськ, 18-20 жовтня 2000р. і м.Краматорськ, 22-24 квітня 2001р.

Публікації. Основний зміст дисертації викладений у 9 наукових працях, опублікованих у 6 спеціалізованих збірниках наукових праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, і додатків. Повний обсяг роботі 209 сторінок. Робота містить 59 ілюстрацій, 21 таблиці, список використаних джерел з 114 найменувань і 5 додатків, які в сукупності займають 61 сторінок.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність розглянутої в роботі теми, її наукова новизна, практична цінність отриманих результатів, сформульовані мета і задачі досліджень.

У першому розділі виявлені сучасні тенденції розвитку методів інтенсифікації, теоретичного аналізу й автоматизованого проектування процесів листового штампування.

Установлено, що основними напрямками інтенсифікації процесів листового штампування є розробка й освоєння нових методів деформування, удосконалення методів теоретичного аналізу, а також розробка й освоєння нових методик і систем автоматизованого проектування.

Приведено класифікацію методів інтенсифікації формозмінювальних процесів листового штампування по трьох способах: блокування небезпечного перерізу, зменшення радіальних напружень і зміна механічних властивостей матеріалу заготовки при деформуванні.

Розробка й освоєння нових методів деформування зв'язані з великими матеріальними і часовими витратами, які не задовольняють вимогам до термінів технологічної підготовки сучасного виробництва. Методи теоретичного аналізу не враховують повною мірою усіх факторів, що впливають на напружено-деформований стан металу при штампуванні і не дозволяють прогнозувати такі важливі показники якості, як різнотовщинність і механічні властивості уздовж утворюючої деталі (напівфабрикату) або не дозволяють аналізувати різноманітні технологічні і конструктивні рішення через трудомісткість їхніх розрахунків. Розробка й освоєння систем автоматизованого проектування, в основу яких покладені довідкові рекомендації, приводить до призначення зайвих операцій, тому що узагальнені довідкові рекомендації не враховують особливості виготовлення різних деталей і часто виявляються наближеними.

Поставлено мету і задачі досліджень.

В другому розділі обґрунтований вибір напрямку інтенсифікації і методики теоретичних і експериментальних досліджень процесів листового штампування порожніх осесиметричних деталей. Приведено фактори, що впливають на вибір і послідовність технологічних операцій у цілому.

Як напрямок інтенсифікації формозмінювальних процесів листоштампувального виробництва запропонована методика багатоваріантного проектування, в основу якої покладені узагальнені математичні і геометричні моделі для поетапного і поелементного моделювання напружено-деформованого стану, що враховують технологічні, конструктивні і експлуатаційні особливості деталей, які штампуються, а також вплив різних граничних умов, зв'язаних з різноманітністю способів формозмінення.

Для теоретичного аналізу обраний кінцево-різницевий підхід, заснований на рекурентному рішенні умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму металу в очагу деформації.

В основу експериментальних досліджень покладені методи тензометрії для визначення енергосилових параметрів, метод координатних сіток для визначення деформованого стану і метод виміру твердості для визначення механічних властивостей деталей.

У третьому розділі проведений теоретичний аналіз напружено-деформованого стану виробу в процесі витягування плоских осесиметричних заготовок, при цьому була розроблена чисельна математична модель напружено-деформованого стану металу, що дозволяє врахувати реальний характер розподілу нормальних контактних напружень і напружень тертя, а також деформаційне зміцнення, зміну товщини у фланці при деформуванні і зміщення нейтрального шару при згині і наступному випрямленні елементарних об'ємів на скругленій крайці матриці.

В основу запропонованої чисельної математичної моделі напружено-деформованого стану у фланці при витягуванні плоских осесиметричних заготовок, покладене чисельне рекурентне рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму металу в очагу деформації, що дозволяє повною мірою врахувати реальний характер зміни всього комплексу граничних умов. Використані в цьому випадку розрахункові схеми інтегрального очага деформації і виділеного елементарного об'єму. При цьому був прийнятий ряд допущень, основними з яких є наступні.

Аналітичні описи дотичних контактних напружень з боку матриці і з боку притиску підкоряються закону Кулона - Амонтона і мають наступний вигляд:

Зміни радіальних , тангенціальних і дотичних напружень, а також зміни напружень течії в рамках кожного окремого виділеного i-го елементарного об'єму носять лінійний характер. Товщина заготовки в рамках того ж елементарного i-го об'єму постійна для j-го моменту часу і відповідає висоті середнього значення, яке характеризується координатою

.

Кількісні оцінки розподілів нормальних контактних напружень для даного i-го елементарного перетину, які виникають від дії сили притиску в даний j-ий момент часу , а також відповідного значення коефіцієнтів зовнішнього тертя з боку матриці і з боку притиску задавали у вигляд і наступних аналітичних описів:



де - опорні значення нормальних контактних напружень, що характеризують їхню величину на зовнішньому і внутрішньому радіусах фланця;

- аналогічні опорні значення коефіцієнтів зовнішнього тертя на контактних поверхнях з боку матриці і з боку притиску відповідно;

- статечні показники, що характеризують форму епюр розподілу нормальних контактних напружень і відповідних коефіцієнтів зовнішнього тертя.

В якості аналітичного опису інтенсивності деформаційного зміцнення використовували поліном третього ступеня, який має наступний вигляд

де - коефіцієнти регресії, що характеризують природні механічні властивості даного металу чи сплаву, які отримуються за експериментальними залежностями зміни напруження течії від ступеня деформації;

- величина відносного ступеня деформації в тангенціальному напрямку для елементарного перетину, розміщеного на радіусі , що відповідає залежності, запропонованої Є.О. Поповим (8).

З урахуванням прийнятих допущень і в результаті інтегрування по радіусу фланця, а також наступних математичних перетворень, одержали рівняння зв'язку нормальних контактних напружень із силою притиску

Після розбивки фланця заготовки (рис. 1) на кінцеву множину KR елементарних об'ємів ameb, а також після представлення залежностей для напруження і геометричних параметрів в кінцево-різницевій формі і часткового інтегрування з незначними математичними перетвореннями розглянемо умову статичної рівноваги кожного з елементарних об'ємів:

Наступним етапом розрахунку є визначення напружено-деформованого стану металу на скругленій крайці матриці, при цьому в якості вихідних даних використовували результати розрахунку напружено-деформованого стану металу останнього перетину фланця на кожнім етапі. Розрахунок напружено-деформованого стану на скругленій крайці матриці здійснювали шляхом розбивки товщини заготовки та її кривизни на кінцеву множину елементарних об'ємів, а сам аналіз напружено-деформованого стану виконували аналогічно аналізу у фланці, тобто з застосуванням кінцево-різницевого підходу.

У цілому, представлена сукупність аналітичних залежностей для фланця і розрахунок напружено-деформованого стану металу на скругленій крайці матриці, склали повний алгоритм по чисельному математичному моделюванню напружено-деформованого стану металу при витягуванні плоских осесиметричних заготовок. Результати даного моделювання якісно відповідають аналогічним результатам, представленим у роботах Є.О. Попова та ін., а кількісно, результатам експериментального дослідження, проведеного в рамках даної роботи. Це, поряд з підвищеним обсягом наданої інформації про вироби і про процес у цілому, свідчить про доцільність подальшого використання отриманої математичної моделі при автоматизованому багатоваріантному проектуванні.

З метою зниження трудомісткості і витрат машинного часу в рамках даної роботи була удосконалена інженерна математична модель напруженого стану витягування плоских заготовок, запропонована Є.О. Поповим, в основу якої було покладене використання середньоінтегрального по об'єму фланця значення напруження течії

Крім того, відповідно до виражень (1) і (2), був врахований реальний характер розподілу нормальних і дотичних напружень на контакті заготовки з притиском і матрицею.

У рамках даного розділу на основі пропонованої інженерної математичної моделі у фланці і на скругленій крайці матриці, а також підпрограми генерування псевдовипадкових рівномірно і нормально розподілених чисел, блоків нагромадження і статистичної обробки масивів розрахункових даних, була розроблена імітаційна математична модель витягування плоских осесиметричних заготовок, яка повною мірою враховує імовірносний характер усіх стохастичних вихідних параметрів заготовки та процесу в цілому. Це дозволяє прогнозувати з допомогою метода Монте - Карло вихід придатної продукції й оцінити вплив відхилення вихідних параметрів заготовки від номінальних на результуючі показники якості деталей, які штампуються.

У цілому, отримані в рамках інженерної методики залежності склали алгоритм інженерного розрахунку напруженого стану металу. Аналіз проведених теоретичних розрахунків показав, що зміна характеру розподілу нормальних контактних напружень приводить до зміни як окремих складових , так і результуючого значення напруження в перетині на виході з фланця на 15...30% і більше, а функціональний зв'язок



носить немонотонний характер з максимумом у діапазоні 0,8...0,9, що відповідає дійсності.

У четвертому розділі на основі рекурентних рішень кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділених елементарних об'ємів в очагу деформації розроблені чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану металу при витягуванні циліндричних заготовок без потоншення і з потоншенням, відмінною рисою яких є урахування реального характеру розподілу геометричних параметрів і механічних властивостей уздовж утворюючої деталі, а також урахування умов контактного тертя. При цьому можливість використання одномірних наближень підтверджена результатами двомірного аналізу, виконаного на основі методу полів ліній ковзання для витягування з потоншенням.

Чисельне рекурентне рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму в очагу деформації було покладено й в основу математичної моделі процесу формозмінення просторових заготовок (роздачі) пружними середовищами. У цьому випадку математичне моделювання було зведено до рішення системи чотирьох рівнянь, що випливають з умов рівноваги, умови пластичності й умови сталості об'єму заготовки, яка деформується.

Безпосереднє рішення даної системи було здійснено шляхом організації додаткової ітераційної процедури, заснованої на методі цілеспрямованого перебору варіантів. При цьому в якості змінюваного параметра використовували кінцеву товщину , з урахуванням умовно відомого значення якої шляхом рішення системи трьох рівнянь (15), (16) і (17) виконували розрахунок трьох невідомих компонентів напруженого стану , і . Критеріальну оцінку збіжності ітераційної процедури рішення здійснювали за умовою (18), виходячи з наступної стратегії перебору варіантів

де - порядковий номер чергового циклу ітераційної процедури рішення, при якому в першому циклі ; - вихідне значення товщини заготовки в даному перетині, яке обумовлено результатами математичного моделювання попередніх технологічних операцій;

- крок зміни товщини заготовки в даному перетині, прийнятий рівним мм; - функція знака.

Аналіз отриманих результатів при витягуванні циліндричних заготовок без потоншення показав, що у випадку деформації не відпалених заготовок зміни напружень , сили витягування Р_п і результуючої товщини S₁ мають досить складний характер, обумовлений не тільки геометрією, а і вихідним станом заготовки. Зокрема, використання проміжного отжигу приводить до зниження тангенціальних і радіальних напружень. Поточні значення сили витягування Р_п у цьому випадку можуть бути знижені на 40...60%, у той час як значення результуючої товщини S₁ трохи зростають.

З аналізу отриманих результатів при витягуванні циліндричної заготовки з потоншенням установлено, що при коефіцієнті тертя на контакті з матрицею більшим, ніж з пуансоном, збільшення кута нахилу утворюючої поверхні матриці (зниження довжини очага деформації) приводить до зниження поточних і результуючих значень осьових напружень , а також до збільшення нормальних напружень . Аналогічна картина має місце і при відносному збільшенні коефіцієнтів тертя на контакті з пуансоном, при цьому розподіл основних компонентів напруженого стану носить досить складний характер і визначається не тільки умовами реалізації даної операції, а умовами реалізації і попередніх технологічних операцій.

При формозміненні просторових заготовок (операція раздачі) аналіз отриманих результатів показав, що вплив товщини стінки вихідної заготовки на розподіл меридіональних і тангенціальних напружень виражений вкрай слабо. Аналогічна картина має місце і стосовно відносного показника ступеня деформації товщини , хоча стосовно абсолютного значення товщини , а також стосовно нормальних напружень вплив є істотним.

Результати чисельної реалізації отриманих математичних моделей за допомогою відповідних програмних засобів підтвердили необхідність коректного урахування реального характеру розподілу граничних умов при одночасному урахуванні історії деформування, яке здійснено на попередніх технологічних переходах. Розроблені математичні моделі дозволяють врахувати у вигляді граничних умов будь-який характер силового впливу на заготовку, що розширило галузь їхнього застосування.

У п'ятому розділі приводяться результати експериментальних досліджень механічних властивостей матеріалів, геометричних показників і сили штампування.

Експериментальні дослідження були проведені на базі гідравлічного преса ПД-476. У якості вихідних використовували заготовки з гарячекатаної стали 08 кп, 30ХГСА з номінальною товщиною відповідно 2,5 та 1,9 мм і зовнішнім радіусом R₀ = 40 мм. Внутрішній радіус деталі R_д = 21,13 мм, радіуси скруглення крайки матриці r_м= 10 мм і пуансона r_п= 10 мм. Сила притиску була прийнята постійною і дорівнювала Q = 6,5 кН. Дослідження здійснювали стосовно до формування циліндричної частини одержуваних виробів.

У цілому аналіз отриманих результатів підтвердив достатній ступінь адекватності отриманих у рамках даної роботи чисельних одномірних математичних моделей напружено-деформованого стану металу. Відхилення експериментальних та теоретичних досліджень в цьому випадку складає: -12...+12% - для результуючих значень сил, що прикладаються до пуансона, -3 ...+9% - для результуючих значень товщини стінки, -9...+7% - для результуючих значень напружень течії, -10...+5% - для результуючих значень тангенціальної деформації, -10...+6% - для результуючих значень радіальної деформації, -4...+10% - для результуючих значень аксіальної деформації і -10...+9% - для результуючих значень інтенсивності деформації.

У шостому розділі приведені результати розробки компонентів системи автоматизованого багатоваріантного проектування, в основу якої покладені чисельні моделі розглянутих процесів листового штампування, геометрична модель порожніх осесиметричних деталей. Запропонована та реалізована система, яка включає методику введення інформації про деталі, розпізнавання елементів деталі і специфічних елементів її контуру (особливих зон). Дана система дозволяє оцінити вплив різних технологічних факторів на параметри процесів листового штампування, у тому числі і на ступінь використання ресурсу пластичності.

Показано, що поверхню деталі можна представити у вигляді обмеженого набору елементів, які можуть розпізнаватися в процесі введення в ЕОМ геометричної інформації про деталь. Це стало можливо завдяки послідовному введенню даних про елементи і запропонованим залежностям для визначення коду елемента відповідно до припустимих комбінацій уведених параметрів. Такий підхід забезпечує мінімізацію кількості даних і “природне” введення (як зазначене на кресленні) з наступним розрахунком значень, необхідних для проектування переходів штампування й оснастки, у тому числі і ступеня використання ресурсу пластичності.

Представлення інформації у вигляді обмеженого набору елементів сприяє автоматизованому вибору послідовності технологічних операцій і визначенню математичних моделей, по яких буде розрахований напружено-деформований стан ділянок деталі в процесі виконання технологічних розрахунків, тобто забезпечує поелементне і поетапне багатоваріантне проектування.

Отримані чисельні детерміновані й імітаційні математичні моделі дозволили оцінити вплив основних технологічних і конструктивних параметрів деталей і оснастки, а також вплив ступеня відхилення вихідних параметрів заготовки від номінальних на техніко-економічні показники процесів листового штампування в цілому. На основі чисельної реалізації математичних моделей був оцінений вплив ряду параметрів, основними з який є наступні:

- вплив радіуса скруглення і коефіцієнта тертя на скругленій поверхні матриці на ступінь використання ресурсу пластичності, при цьому було встановлено, що зміна радіуса в 3 рази приводить до зміни ступеня використання ресурсу пластичності на 30%, а зміна коефіцієнта тертя в 2 рази, приводить до зміни ступеня використання ресурсу пластичності на 46%;

- вплив параметрів вихідного напівфабрикату, отриманого витягуванням плоскої заготовки на параметри процесу витягування циліндричних і формозмінення просторових заготовок, а також вплив тертя і параметрів матриці на процес витягування з потоншенням розглянутий в четвертому розділі;

- вплив відхилення вихідних параметрів заготовки від номінальних, при цьому коефіцієнти варіацій вихідної товщини , границі течії , сили притиску і коефіцієнтів тертя на контакті оснастки з фланцем і скругленої поверхні матриці варіювали диференційовано в діапазоні 0...0,06. Аналіз отриманих результатів показав, що з погляду характеру стохастичої зміни напружень найбільш істотний вплив робить коефіцієнт варіації вихідної границі течії , хоча з погляду варіації сили процесу витягування вплив і є порівняним. Вплив є домінуючим і стосовно ступеня нестабільності результуючих механічних властивостей. Стосовно коефіцієнта варіації співвідношення вплив коефіцієнтів усіх вихідних технологічних параметрів процесу витягування плоскої заготовки є статистично значимим. Аналогічні результати були отримані і стосовно до процесів витягування циліндричних заготовок без потоншення і з потоншенням, а їхній узагальнений аналіз показав, що коефіцієнти варіації результуючих параметрів, за винятком співвідношення , знаходяться в діапазоні 6...18%, що відповідає діапазону зміни вихідних параметрів 0,02...0,06.

Дані кількісні оцінки були використані в якості основи для розробки технологічних рекомендацій при проектуванні групової технології листового штампування, продемонстрованої на прикладі підвищення технологічності ряду деталей екранної системи двох типорозмірів високовольтних дугогасильних камер (КДВХ 35-25/1600 і КДВХ 10-31,5/1600) шляхом мінімізації витрат на основні матеріали і штампову оснастку для їхнього виробництва. У цьому випадку була знижена кількість типорозмірів проміжних заготовок, які одержуються попереднім витягуванням. Виконані заходи забезпечили підвищення техніко-економічних показників процесу витягування, при цьому економія міді склала 21%, досягнуто майже 10-ти кратне зниження витрат на оснастку, на що мається акт упровадження.



ВИСНОВКИ

1. Забезпечення вимог до конкретних технологій обумовлює необхідність підвищення ефективності проектних робіт на основі уточнення вихідних даних і розвитку математичних методів розрахунку, а також на основі широкого використання систем і підсистем автоматизованого проектування. Доцільність підвищення ступеня автоматизації проектних робіт в галузі листового штампування підтверджується також різноманіттям і багатоваріантністю розв'язуваних у цьому випадку задач.

2. Технологічний взаємозв'язок таких процесів листового штампування, як витягування плоских осесиметричних заготовок, витягування циліндричних заготовок без потоншення і з потоншенням стінки, а також їх наступне формозмінення, визначає необхідність максимально-можливої уніфікації методів їх розрахунку, що може бути забезпечене на основі чисельних одномірних рекурентних рішень кінцево-різницевої форми умов статичної рівноваги виділених елементарних об'ємів в очагу деформації. Використання даного підходу дозволило розширити об'єм представленої інформації, а також підвищити ступінь її вірогідності за рахунок урахування реальних розподілів геометричних параметрів, умов контактного тертя і механічних властивостей металу в зоні пластичної деформації.

3. На основі аналітичного визначення середньоінтегрального по об'єму фланця значення опору деформації та урахування реального характеру розподілу напружень тертя і нормальних контактних напружень від дії сили притиску удосконалена інженерна методика розрахунку напруженого стану металу при витягуванні плоских осесиметричних заготовок. При цьому встановлено, що максимальне значення радіального напруження у фланці спостерігається в діапазоні 0,8...0,9, що відповідає дійсності, а урахування реального характеру розподілу напружень тертя і нормальних контактних напружень підвищує ступінь уточнення значень радіальних напружень на 15...30%.

4. При використанні рекурентного рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму металу в очагу деформації розроблені чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану витягування плоских осесиметричних заготовок, витягування циліндричних заготовок без потоншення і з потоншенням, а також процесу формозмінення просторових заготовок. Відмінною рисою даних моделей є урахування реального характеру розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей, умов контактного тертя і нормальних контактних напружень від дії сил притиску. Результати чисельної реалізації отриманих математичних моделей за допомогою відповідних програмних засобів підтвердили необхідність коректного урахування реального характеру граничних умов при одночасному урахуванні історії деформування на попередніх технологічних операціях. Розроблені математичні моделі дозволяють врахувати у вигляді граничних умов будь-який характер силового впливу на заготовки, що розширило галузь їхнього застосування.

5. Розроблено імітаційну математичну модель процесу витягування плоских осесиметричних заготовок, що дозволяє врахувати імовірносний характер зміни усіх вихідних параметрів, а також прогнозувати вихід придатної продукції з застосуванням методу Монте-Карло, при цьому як цільові функції використовували детерміновані математичні моделі. Установлено, що закони зміни максимальних напружень розтягування, сили і показників механічних властивостей матеріалу деталей близькі до нормальних, а їхні середні вибіркові значення відповідають номінальним.

6. Зіставлення результатів теоретичних і експериментальних досліджень напружено-деформованого стану підтвердило вірогідність отриманих математичних моделей, що свідчить про можливість їхнього використання для рішення задач, зв'язаних як із проектуванням технологічних процесів, так і з удосконаленням конструктивних параметрів оснастки. Вірогідність результатів імітаційного моделювання підтверджена їхнім зіставленням з масивами емпіричних даних, отриманими при проведенні експериментальних досліджень.

7. Показано, що поверхню деталі можна представити у вигляді обмеженого набору елементів, які можуть розпізнаватися в процесі введення в ЕОМ геометричної інформації про деталь. Розпізнавання окремих елементів дозволяє визначити наявність у деталі особливих зон, для виготовлення яких однієї операції типу витягування недостатньо, а необхідно застосувати додатково й інші формозмінюючі операції листового штампування, такі як роздача, обтиск, отбортовка, місцеве формування, що забезпечує автоматизований вибір раціональної для конкретних вимог послідовності технологічних операцій і визначення математичних моделей, по яких буде розрахований напружено-деформований стан ділянок деталі в процесі виконання технологічних розрахунків, у тому числі і визначення ступеня використання ресурсу пластичності.

8. На основі результатів чисельної реалізації отриманих імітаційних моделей установлені коефіцієнти варіації основних результуючих параметрів процесу витягування, які знаходяться в діапазоні 6...18%, що відповідає діапазону зміни вихідних параметрів 0,02...0,06, при цьому найбільш значимим фактором є нестабільність вихідних механічних властивостей матеріалу заготовки, що деформується.

9. Результати роботи у вигляді методик і програмних засобів використані в учбовому процесі, а також при проектуванні технології та оснастки для виробництва ряду деталей екранних систем високовольтних дугогасильних камер. Виконані заходи забезпечили підвищення техніко-економічних показників процесу витягування, при цьому економія міді склала 21%, досягнуто майже 10-ти кратне зниження витрат на оснастку.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Хурани Мухаммед Камал. Численное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла при формообразовании осесимметричных оболочек из пространственной заготовки. // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi. _ Краматорськ: ДДМА. - 2001. - C. 290-293.

2. Кривда Л.Т., Хурани Мухаммед. Использование САПР вытяжки в разработке групповых техпроцессов вытяжки. //Вестник НТУУ “КПИ”. - 1999, № 34. - С. 329-333.

3. Тарасов А.Ф., Хурани Мухаммед. Методика распознавания элементов геометрии осесимметричных пространственных листовых деталей. // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi. _ Краматорськ: ДДМА. - 2000. - C. 107-110.

4. Сатонин А.В., Хурани Мухаммед Камал, Тарасов А.Ф. Инженерная и имитационная математические модели напряженно-деформированного состояния металла при вытяжке плоской осесимметричной заготовки. // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi. _ Краматорськ: ДДМА. - 2001. - C. 188-193.

5. Тарасов А.Ф., Хурани Мухаммед. Автоматизация проектирования технологических процессов вытяжки листовых материалов. // Металлургическая и горнорудная промышленность. Труды IV Международной научно- технической конференции “Теоретические проблемы прокатного производства”. - Днепропетровск: НМЕТАУ. - 2000. - С. 75-77.

6. Хурани Мухаммед, Семеренко И.Л. Особенности программного определения технологического типа детали при разработке САПР листовой штамповки. // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi. - Краматорськ-Слов'янськ, - 2000. - C. 324-328.

7. Кривда Л.Т., Мухаммед Хурани. Компьютерное редактирование графической документации. // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi. - Краматорськ: ДДМА. - 1999. - C. 221-225.

8. Хурани Мухаммед Камал, Сатонин А.А. Численное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния металла во фланце при вытяжке плоской осесимметричной заготовки. // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi. _ Краматорськ: ДДМА. - 2001. - C. 177-182.

9. Хурани Мухаммед, Тарасов А.Ф. Автоматизация проектирования технологических процессов штамповки полых осесимметричных деталей. //Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении: Матеріали міжнародної конференції. - Киев: АТМ Украины. - 2000. - С. 99-100.

Размещено на Allbest.ru

...