close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование процесса формообразования листовых деталей двойной кривизны на дробеметных установках контактного типа

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Пашков Александр Андреевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
ДВОЙНОЙ КРИВИЗНЫ НА ДРОБЕМЕТНЫХ
УСТАНОВКАХ КОНТАКТНОГО ТИПА
Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Иркутск, 2018 г.
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова­
тельном учреждении высшего образования «Иркутский национальный ис­
следовательский технический университет» (ФГБОУ ВО «ИРНИТУ»)
Научный руководитель:
Чапышев Александр Петрович,
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «ИРНИТУ», доцент кафедры
«Технология и оборудование машиностро­
ительных производств»
Официальные оппоненты:
Киричек Андрей Викторович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «БГТУ», и.о. проректора по
перспективному развитию, профессор ка­
федры «Металлорежущие станки и ин­
струменты»
Максименков Владимир Иванович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «ВГТУ», профессор кафедры
самолетостроения
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Комсомольский-на-Амуре
государственный университет», г. Комсо­
мольск-на-Амуре
Защита состоится 4 октября 2018 года в 10 00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.073.02 при ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» по ад­
ресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал. С
диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ
ВО «ИРНИТУ» и на официальном сайте университета www.istu.edu
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, подписанные и заверен­
ные печатью организации, просим выслать по адресу: 664074, г. Иркутск,
ул. Лермонтова, 83, ИРНИТУ; Ученому секретарю диссертационного сове­
та Д 212.073.02 В.М. Салову; e-mail: salov@istu.edu, тел./факс:
(3952) 40-51-17.
Автореферат разослан «10» августа 2018 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
к.т.н, профессор
^
LА 7
— -
В.М. Салов
О БЩ А Я Х А РА КТЕРИ СТИ КА РА Б О Т Ы
В работе рассмотрены вопросы, связанные с технологическим
обеспечением эффективности производства и качества крупногабаритных
обводообразующих деталей сложной формы. Полученные результаты поз­
воляют с применением методов компьютерного моделирования и управле­
ния решить ряд вопросов по управлению напряженно-деформированным
состоянием (НДС) и формой деталей при автоматизированном выполнении
технологического процесса дробеударного формообразования (ДУФ).
А ктуальность темы. В современном машиностроении в качестве
обводообразующих деталей широко применяются крупногабаритные обтттивки сложной формы. Использование деталей данных типов обусловлено
стремлением к увеличению прочности и жесткости конструкции при одно­
временном снижении её веса.
Задача обеспечения точности маложестких и крупногабаритных ли­
стовых деталей при достижении заданных экономических показателей
технологического процесса представляет значительную проблему. За ру­
бежом для этих целей создана и применяется технология ДУФ на базе до­
рогостоящих и технически сложных автоматизированных установок про­
ходного типа. Использование данной технологии в отечественной практи­
ке неприемлемо, т.к. это приведет к технологической зависимости от ино­
странных разработчиков.
Перспективной экономически эффективной отечественной разработ­
кой является комбинированная технология формообразования крупногаба­
ритных обводообразующих деталей, включающая операции упругопласти­
ческой гибки и ДУФ на установках контактного типа. Технология и разра­
ботанные опытно-промышленные образцы оборудования прошли апроба­
цию в производстве, однако нерешенным остается ряд вопросов. Важным
условием обеспечения качества деталей является повышение точности
расчета режимных параметров ДУФ с учетом специфики процесса обра­
ботки дробеметными аппаратами контактного типа (ДАКТ), с хаотичным
характером потока рабочей среды (шариков). Дополнительного изучения
требует влияние технологического наследования при формировании
напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки. Необходима
разработка эффективных технологических приемов формообразования
участков обшивок двойной кривизны, обработка которых представляет
наибольшую трудоемкость из-за высокой жесткости. Требуется автомати­
зация операций контроля контура, доводочной обработки детали, а также
монтажных работ, которые на сегодняшний день выполняются вручную,
что снижает эффективность процесса. Для перехода на программный ре­
жим управления оборудованием должны быть приняты дополнительные
меры по обеспечению стабильности процесса ДУФ.
3
Ц ель работы. Повышение эффективности производства длинномер­
ных обшивок двойной кривизны на основе решения комплекса вопросов
по управлению напряженно-деформированным состоянием и формой де­
талей при автоматизированном выполнении технологического процесса
дробеударного формообразования на установках контактного типа.
О сновны е задачи исследования:
Разработать методику расчета внутренних силовых факторов ДУФ удельной растягивающей внутренней силы и координаты точки её прило­
жения (расстояния от поверхности), возникающих при обработке на уста­
новках контактного типа на основе результатов конечно-элементного мо­
делирования процесса множественного внедрения в заготовку шариков,
имеющих различные по величине и направлению векторы скорости.
Теоретически обосновать
влияние наследственных остаточных напряжений и монтажных
напряжений на внутренние силовые факторы процесса ДУФ на установках
контактного типа;
возможность интенсификации процесса ДУФ участков деталей
двойной кривизны за счет управления формой заготовки при закреплении
на обработку.
Разработать методику расчета технологических параметров процесса
ДУФ, включающего управляемые операции закрепления, предварительной
и доводочной обработки с учетом технологического наследования НДС за­
готовки и результатов контроля ее промежуточной формы.
Разработать технические решения, направленные на повышение
производительности и стабильности процесса ДУФ на установках кон­
тактного типа с ЧПУ.
Н аучная новизна работы
1. Построена конечно-элементная модель формирования остаточных
напряжений от совокупности различных по силе и направлению ударов
шариков по заготовке; предложен аналитический метод определения на
основе распределения остаточных напряжений удельной растягивающей
внутренней силы, связанной с режимами дробеударного формообразова­
ния, и координаты точки ее приложения (расстояния от обрабатываемой
поверхности) (п. 3 паспорта специальности 05.02.08).
2. Выявлены закономерности влияния технологической наследствен­
ности в последовательности операций «упругопластическая гибка - за­
крепление - дробеударное формообразование на установках контактного
типа» на величины внутренних силовых факторов, определяющих режимы
дробеобработки для получения требуемой формы детали (п. 6 паспорта
специальности 05.02.08).
3. Предложена концепция автоматизированного управления формой
листовой детали двойной кривизны упругим поэтапным деформированием
в продольном направлении при дробеударном формообразовании, режимы
4
которого определяются учетом технологического наследования напряжен­
но-деформированного состояния заготовки и результатов контроля ее про­
межуточной формы (п. 2 паспорта специальности 05.02.08).
Теоретическая значимость работы. На основании выполненных
теоретических и экспериментальных исследований разработана методика
расчета технологических параметров процесса ДУФ деталей двойной кри­
визны, включающего управляемые операции закрепления, предваритель­
ного формообразования и доводочной обработки с учетом технологиче­
ского наследования и результатов контроля промежуточной формы заго­
товки.
П ракти ческая значимость работы
1. На основании выполненных теоретических и экспериментальных
исследований технологического процесса ДУФ деталей двойной кривизны
разработаны методики расчета режимных параметров операций предвари­
тельной обработки, выполняемой с учетом влияния исходного НДС и
управлением формой заготовки, и окончательной обработки, режимы ко­
торой определяются на основе результатов контроля промежуточной фор­
мы заготовки.
2. Разработаны технические решения, направленные на повышение
производительности и стабильности процесса ДУФ на установках кон­
тактного типа с ЧПУ, за счет оснащения оборудования автоматизирован­
ными системами фиксации обрабатываемой заготовки и поддержания тре­
буемого уровня рабочей среды.
М етоды исследования и достоверность результатов. Моделирова­
ние процессов гибки-прокатки и ДУФ осуществлялось с использованием
среды нелинейного конечно-элементного анализа LSTC LS-Dyna Version
R10 с генерацией моделей в среде MATLab. Обработка данных моделиро­
вания велась с использованием возможностей пост процессора LS-Dyna и
программы Microsoft Excel. Достоверность результатов подтверждена экс­
периментальным исследованием с использованием современных средств
измерения: исследование микрорельефа поверхности осуществлялось с
помощью оптического профилометра Bruker Contour GT-K1; измерение
кривизны образцов производилось цифровыми измерительными головками
Mitutoyo Digimatic ID-S; измерение остаточных напряжений выполнялось
механическим методом удаления слоев с использованием исследователь­
ского комплекса ИРНИТУ на базе установки УДИОН-2.
А пробация работы. Результаты диссертационной работы доклады­
вались и обсуждались на Международном молодежном форуме «Будущее
авиации и космонавтики за молодой Россией» в рамках Международного
авиационно-космического салона МАКС-2015 (г. Жуковский, ВК «Рос­
сия», 26 августа 2015 г.); пятой научно-практической конференции «Моло­
дежь. Проекты. Идеи» (г. Иркутск, Иркутский авиационный завод - фили­
ал ПАО «Корпорация «ИРКУТ», 17 ноября 2016 г.); десятой Международ­
5
ной научно-технической конференции «Авиамашиностроение и транспорт
Сибири» (г. Иркутск, ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследова­
тельский технический университет» 21 мая 2018 г.)
П убликации. Результаты работы отражены в 11 публикациях. В
журналах рекомендуемого ВАК перечня опубликовано 5 статей, в между­
народных изданиях включенных в Web of Science - 1 статья. Получен па­
тент РФ на полезную модель.
Положения, вы носим ы е на защ иту:
1. Методика определения связанных с режимами обработки внут­
ренних силовых факторов процесса ДУФ - удельной растягивающей внут­
ренней силы и координаты точки её приложения (расстояния от поверхно­
сти) на основе распределения остаточных напряжений, полученного ко­
нечно-элементным моделированием процесса множественного внедрения в
заготовку шариков, имеющих различные по величине и направлению век­
торы скорости.
2. Результаты численного и экспериментального исследования зако­
номерностей формирования НДС листовых деталей двойной кривизны при
ДУФ на установках контактного типа с оценкой влияния размеров, исход­
ной формы, остаточного напряженного состояния и условий закрепления
заготовки, на основании которых доказана возможность снижения интен­
сивности обработки и повышения производительности процесса при по­
мощи управления продольной кривизной заготовки при закреплении на
обработку.
3. Методика расчета режимных параметров технологического про­
цесса ДУФ деталей двойной кривизны, включающего операции предвари­
тельной обработки, выполняемой с учетом влияния исходного НДС и
управлением формой заготовки при закреплении и окончательной обра­
ботки, режимы которой определяются на основе результатов контроля
промежуточной формы заготовки.
4. Результаты экспериментальных исследований, направленных на
подтверждение адекватности разработанных методик определения внут­
ренних силовых факторов процесса ДУФ и параметров технологической
последовательности «упругопластическая гибка - закрепление - ДУФ на
установках контактного типа».
5. Конструктивные решения автоматизированных систем установок
для ДУФ контактного типа, обеспечивающих повышение производитель­
ности и стабильности технологического процесса и предназначенные для:
- фиксации и управления формой заготовок;
- контроля формы поперечных сечений заготовок;
- поддержания требуемого уровня рабочей среды (шариков) в ДАКТ
для обеспечения стабильности процесса программной обработки.
С труктура и объем работы. Диссертация имеет введение, четыре
главы, заключение, список литературы насчитывающий 121 источник и
6
приложения. Работа содержит 19 таблиц и 100 рисунков. Общий объем ра­
боты 166 страниц.
КРА ТКО Е СО ДЕРЖ А Н И Е РА БО ТЫ
Во введении дана краткая характеристика состояния проблемы,
обоснована актуальность выполненной работы, определена цель и постав­
лены задачи исследования, сформулированы научная новизна и практиче­
ская значимость работы.
В первой главе приведены конструктивные особенности исследуе­
мых деталей и анализ их геометрической формы. Рассмотрены существу­
ющие способы формообразования рассматриваемых деталей с описанием
применяемого оборудования. Представлены особенности процесса формо­
образования деталей двойной кривизны в отечественной и зарубежной
промышленности, а также особенности комбинированных методов формо­
образования. Проанализированы основные положения теории и методик
расчета технологических параметров процесса дробеударного формообра­
зования.
Обработке дробью, как процессу поверхностного пластического де­
формирования, посвящены исследования Саверина М.М., Смирнова В. А.,
Румянцева Ю.С., Матлина М.М., Федорова Д.А., Коопа Р. (Koop R.), Шевнюка В.Ю. и др.
Различные подходы к исследованию НДС и определению внутрен­
них силовых факторов процессов поверхностного пластического деформи­
рования (ППД) приведены в работах Биргера М.М., А. Никю-Лари (NicuLari A.), Осипенко А.П., Дрозда М.С., Замащикова Ю.И. и др.
Особенности процесса дробеударного формообразования представ­
лены в работах Журавлева Д.А., Чапышева А.П., Дж. Векари (Vaccari J.A.),
С. Рамати (Ramati S.), Дж. Лавассера (Levasseur G.), Баретта (C. Barett), Ли
Куошианга (Li Kuoshiang), Ф. Вустефельда (F. Wustefeld), A. Гариепи
(A. Gariepy) и др.
Комбинированный метод формообразования панелей и обшивок в
сочетании упругопластическое деформирование - ДУФ» рассмотрен в ра­
ботах Пашкова А.Е., Малащенко А.Ю., Макарова В.И., Скосоренко К.Н.,
Викуловой С.В. и др.
Современные подходы к конечно-элементному моделированию про­
цессов обработки дробью рассмотрены Паш ковым А.Е., Дияком А.Ю., Коопом (Koop R.), Гуаглиано (Guagliano M.), Миао (Miao, H), Зуо (Zhuo C.),
Бадринараеном (Badrinarayan P.) и др.
Установлено, что комбинированный технологический процесс фор­
мообразования крупногабаритных обводообразующих деталей сложной
формы, включающий операции упругопластической гибки и ДУФ на уста­
новках контактного типа, достаточно изучен. Технология и разработанные
опытно-промышленные образцы оборудования прошли апробацию в про­
7
изводстве, однако нерешенным остается ряд вопросов. Важным условием
обеспечения качества деталей является повышение точности расчета ре­
жимных параметров ДУФ на основе учета специфики процесса обработки
ДАКТ, имеющим хаотичный характер потока рабочей среды (шариков), а
также влияния наследственных остаточных напряжений и монтажных
напряжений на внутренние силовые факторы процесса ДУФ. Необходима
разработка эффективных технологических приемов формообразования
участков обшивок двойной кривизны, обработка которых представляет
наибольшую трудоемкость из-за высокой жесткости. Требуется автомати­
зация операций контроля контура, доводочной обработки детали, а также
монтажных работ, которые на сегодняшний день выполняются вручную,
что снижает эффективность процесса. Для перехода на программный ре­
жим управления оборудованием должны быть приняты дополнительные
меры по обеспечению стабильности процесса ДУФ.
Таким образом, были сформулированы цель и задачи диссертацион­
ного исследования.
В торая глава посвящена решению задачи исследования микрорель­
ефа и нахождения внутренних силовых факторов процесса обработки при
помощи ДАКТ на качественно новом уровне: путем моделирования про­
цесса ударного внедрения с учетом хаотичного характера потока шариков,
имеющих разнонаправленные векторы скорости.
Исследование микрорельефа поверхности предварительно обрабо­
танной ДАКТ осуществлялось при помощи ЗБ-оптического профилометра
модели Bruker Contour GT-K1. Из анализа результатов измерения был сде­
лан вывод, что ряд отпечатков имеет эллиптическую форму (рисунок 1 а),
обусловленную внедрением дробинки под углом у относительно глобаль­
ной системы координат измеренной поверхности. С использованием функ­
ций программы ContourGT-X по работе с результатами измерений были
получены профили микронеровностей обработанного образца (рисунок 1 б)
в плоскости, проходящей через наибольшую диагональ эллипса. Угол а
наклона траектории шарика к обрабатываемой поверхности можно опре­
делить по формуле ( 1 ) для полученного профиля отпечатка (рисунок 1в).
а = arctg[(d - d ')l h] ,
( 1)
Рисунок 1 - Профиль микронеровностей обработанного образца (а),
схема к определению угла падения шарика (б), профиль отпечатка (в)
8
Для установления зависимости между скоростью шариков и геомет­
рическими параметрами оставляемых ими отпечатков с использованием
системы нелинейного конечно-элементного анализа LSTC LS-DYNA
Version R10 было выполнено моделирование методом конечных элементов
(МКЭ) процесса ударного единичного внедрения шарика с диаметром, ис­
пользуемым при обработке, в параллелепипед со стороной 10 мм из мате­
риала детали (см. рисунок 2). На основе полученных значений была полу­
чена зависимость (уравнение линии тренда), связывающая скорость шарика
с диаметром отпечатка d0(cM. рисунок 3).
Z
0
а)
б)
в)
Рисунок 2 - Общий вид модели единичного внедрения дробинки (а),
соответствующая сетка конечных элементов (б) и результаты моделирова­
ния в виде деформированной сетки с распределением остаточной дефор­
мации (в)
30
25
S
Q.
ГО 20
3 U
е ! 15
и
10
О
Q.
5
§
U
0
гаос
0,4
0,6
0,8
1
Диаметр отпечатка, мм
1,4
1,2
Рисунок 3 - Зависимость скорости шарика от глубины отпечатка do с
уравнением линии тренда
Подготовка расчетной модели обработки ДАКТ была выполнена в
среде программирования MATLAB с использованием специально разрабо­
танного программного обеспечения для получения сетки конечных эле­
ментов абсолютно жестких шариков расположенных над поверхностью детали с помощью функций равномерного распределения случайных вели­
чин. Структура конечно-элементной модели процесса ДУФ с применением
ДАКТ, имитирующей процесс множественного внедрения в обрабатывае­
мую поверхность шариков, имеющих различные скорости и углы наклона
траектории показана на рисунке 4. В результате моделирования получены
распределения остаточной деформации и остаточных напряжений в по­
1
U
U
U
1
U
9
верхностном слое (рисунок 5 а-е) при обработке при помощи ДАКТ с
нарастающей степенью покрытия (временем обработки).
На основании результатов моделирования, были получены эпюры
остаточных нормальных напряжений в рассматриваемой области (рисунок
5ж). Для построения была использована программа Excel, в которую им­
портировались координаты узлов и соответствующих им компонент
напряжений контактной области размерами 3*20*20 мм с последующим
созданием сводной таблицы, позволяющей работать с массивами данных.
Рисунок 4 - Конечно-элементная модель множественного внедрения
шариков
а)
б)
в)
г)
д)
Остаточные напряжения, МПа
е)
Рисунок 5 - Результаты моделирования множественного внедрения в
виде распределений остаточной деформации для времени обработки: а) 4
сек.; б) 8 сек; в) 12 сек; г) 16 сек; д )20 сек; е) распределение напряжений по
Мизесу; ж) распределения остаточных нормальных напряжений при с раз­
ным временем обработки t , полученные по результатам моделирования:
1 - t0 = 4 с; 2 - t0 = 8 с; 3 - t0 = 12 с; 4 - t0 = 16 с; 5 - t0 = 20 с;
10
Для определения внутренних силовых
факторов процесса ДУФ - удельной внутрен­
ней силы Руд и координаты (расстояния от по­
верхности) zc точки её приложения полученные
в результате моделирования эпюры были ап­
проксимированы линейно-полигональной функ­
цией. Процесс образования начальных напряже­
ний, являющихся причиной деформации детали,
представлен схемой, показанной на рисунке 6 . В
данном случае, для нахождения эпюры 1
начальных напряжений, необходимо вычесть из
результирующей эпюры 3, параметры которой
определяются путем моделирования, эпюру 2 ,
которую можно найти по известным координа­
Рисунок 6 - Схема
там точек А (z = hm; а = ( f ) и В (z = hynp; а = 0),
образования остаточных
лежащих на прямой ВС. Таким образом, полу­
напряжений
чены выражения для определения параметров
распределения начальных напряжений на основе известной эпюры оста­
точных напряжений, образовавшихся при внедрении шариков в упруго­
пластическое полупространство.
г
hn
.утр
а а а
а -а
аП а п + а п
(2 )
а п - а
h ynp - h n
h ynp
h rn J
Получив параметры а П
н , а ^, hs аппроксимации распределения
начальных напряжений, путем интегрирования нашли их интегральное зна­
чение - удельную внутреннюю силу Р дуф и координату (расстояние от по­
верхности) zc точки ее приложения.
Экспериментальная проверка полученных распределений осуществ­
лялась с использованием механического метода определения остаточных
напряжений (метода полосок) по методике, разработанной лабораторией
исследования остаточных напряжений и деформаций ИРНИТУ на уста­
новке для измерения остаточных напряжения УДИОН-2. Сравнивая значе­
ния распределений, полученных по результатам моделирования и экспе­
риментального исследования, был сделан вывод, что разработанная мето­
дика конечно элементного моделирования множественного внедрения поз­
воляет оценить параметры распределений остаточных напряжений с от­
клонением, не превышающим 15 % от значений полученных механиче­
ским методом.
Адекватность предложенной методики определения внутренних си­
ловых факторов процесса ДУФ подтверждена сопоставлением значений
стрелы прогиба обработанных образцов с расчетными данными, получен­
11
ными с использованием известных зависимостей теории упругости. Разли­
чие между полученными значениями составляет не более 9 %.
В третьей главе с применением МКЭ исследовано влияние наслед­
ственных остаточных напряжений и монтажных напряжений на внутрен­
ние силовые факторы и формоизменение листовой детали при ДУФ на
установках контактного типа. Выполнена оценка влияния размеров, ис­
ходной формы и условий закрепления деталей двойной кривизны на тех­
нологические возможности процесса.
Моделирование процесса ДУФ осуществлялось путем приложения
удельной растягивающей силы Р дуф к узлам модели, расположенным на
расстоянии zc = 0,18 мм от поверхности детали, соответствующем режи­
мам обработки (Dm = 3,5 мм, Ыда = 800 мин-1), использованным при моде­
лировании процесса множественного внедрения (рисунок 7).
Рисунок 7 - Приложение растягивающей силы к узлам модели образца
Выявлено, что существенное влияние на величину растягивающей
силы, характеризующей интенсивность обработки при ДУФ и потребной
для достижения требуемой формы детали, оказывает исходная продольная
кривизна заготовки. При этом установлено, что для получения поверхно­
стей знакопостоянной кривизны (бочкообразных) требуется более высокая
интенсивность обработки по сравнению с поверхностями знакопеременной
двойной кривизны (седловидных).
Оценка влияния на результаты ДУФ упругого деформирования в
процессе закрепления осуществлялось путем проведения конечно эле­
ментных расчетов следующим образом. Закрепление образцов в требуемом
продольном контуре было реализовано при помощи сферических опор (аб­
солютно жесткие тела с ограничением степеней свободы относительно
трех поступательных осей), расположенных с обеих сторон по продольной
оси симметрии образца (рисунок 8 ). При таком закреплении образец, под
действием внутренних силовых факторов процесса ДУФ, изгибается толь­
ко в плоскости X0Z.
12
Результаты расчёта в виде распределения перемещений узлов сетки
конечных элементов в деформированных образцах представлены на ри­
сунке 9; в виде зависимостей компонент кривизны образца от удельной
растягивающей силы - на рисунке 1 0 .
с„ сОбрабатываемый образец
Наж имные опоры
Г
Неподвиж ные опоры
Рисунок 8 - Схема фиксации продольного контура детали при моде­
лировании процесса ДУФ
Рисунок 9 - Распределение перемещений относительно вертикаль­
ной оси Z в образце (В95пчТ2, Н=10 мм, R°y c m = -5 м): а) в результате рас­
прямления ( R y c,K =да) и фиксации в продольном контуре; б) в результате
последующего ДУФ (3Д400М, Dm = 3,5 мм, Ида = 800 мин-1, Р дуф = 200
Н/мм)
Рисунок 10 - Зависимость поперечной кривизны от удельной растя­
гивающей силы, действующей при ДУФ (Dm = 3,5 мм, Ыда = 800 мин-1), для
образцов из сплава В95пчТ2 толщиной 4 мм (а) и 10 мм (б), имеющих ис­
ходную продольную кривизну R уст =-5 м (1), упруго деформированных
при закреплении с получением радиуса продольной кривизны куак, м: -1 0
(2); ® (3); 10(4) и 5 м (5)
13
На основе анализа полученных зависимостей, был сделан вывод, что
упругим деформированием (разгибанием детали в продольном направле­
нии) с последующей фиксацией можно уменьшить потребную растягива­
ющую силу до 14%. Таким образом, доказана возможность повышения
производительности процесса ДУФ путем регулирования продольной кри­
визны детали упругим деформированием при закреплении и в процессе
обработки.
С применением МКЭ была про­
ведена оценка влияния технологиче­
ской наследственности в последова­
тельности операций «упругопласти­
ческая гибка - закрепление - ДУФ на
установках контактного типа» на ве­
личины внутренних силовых факто­
ров, определяющих режимы дробеобработки для получения требуемой
Рисунок 11 - Модель про­
формы детали (см. рисунок 11 ).
цесса множественного внедрения
Влияние наследственных оста­
шариков (3Д400М, D = 3,5 мм; Ида
точных напряжений, сформирован­ = 800 мин-1, t = 4 с) в деформиро­
ных при упругопластической гибке, ванную деталь с остаточным ради­
выражается в снижении внутренней усом кривизны после гибки R ‘о с т
'v
силы, возникающей при ДУФ, по
сравнению с обработкой недеформированной заготовки. Управление фор­
мой заготовки путем упругого деформирования и фиксации в промежу­
точном контуре позволяет снизить данное влияние.
Адекватность результатов моделирования подтверждена сопоставле­
нием расчетных значений стрел прогиба образцов (рисунок 12 ), подверг­
нутых гибке-прокатке и ДУФ, с экспериментальными данными, получен­
ными при обработке и измерении образцов листовых деталей. Различие
между полученными значениями составляет не более 11 %.
•
1,0
0,9
А
г1%
% 0,8
* 0,7
d
./
'В 0,6
I 0,5
/
|°,3
О 0,2
0,1
0
/
/
/
/
й
i
/1
/
0
20
40
60
80
100
Растягивающая сила, Н/мм
Растягивающая сила, Н/мм
Рисунок 12 - Сравнение результатов расчета (линия) и эксперимента
(■ - образец 1; ▲ - образец 2; ♦ - образец 3)
14
В четвертой главе представлена практическая реализация результа­
тов исследования.
Разработана методика и специальное программное обеспечение для
автоматизированного расчета внутренних силовых факторов процесса
ДУФ на основе объёмных моделей поверхности, полученных при сканиро­
вании на ЭБ-оптическом профилометре. Результатом расчета являются за­
висимости внутренних силовых факторов процесса от времени обработки
(см. рисунок 13) для всего диапазона технологического режимов и соот­
ветствующие уравнения линий тренда, имеющие вид:
рдуф=-0.21 -t2 +10.56 -t+8.95
(3)
= -9 -10-6 -12 + 0,0005 -1- 0,1502
(4)
Время обработки, с
Рисунок 13 - Графики зависимости удельной внутренней силы, воз­
никающей при ДУФ ( ♦ ) , и координаты (■) (расстояния от поверхности)
точки ее приложения от времени обработки (Ыдд = 600 мин-1)
Разработана методика определения режимных параметров (частоты
вращения дробеметного колеса Ыда и скорости подачи s для расчетных
участков детали) процесса ДУФ длинномерных деталей, включающего
операции предварительной обработки, выполняемой с учетом влияния ис­
ходного НДС и управлением формой заготовки, и окончательной обработ­
ки, режимы которой определяются на основе результатов контроля проме­
жуточной формы заготовки.
Расчет выполняется в следующей последовательности.
1.
Определяется растягивающая сила Рдуф1, потребная для формиро­
вания требуемой поперечной кривизны плоской незакрепленной заготовки.
Моделированием в САЕ-системе определяются усредненные значения
продольной кривизны к ^ ф = 1 / R
в поперечных сечениях заготовки по­
сле ДУФ и настроечные параметры упругопластической гибки, выполняе­
мой в целях образования требуемой продольной кривизны и компенсации
продольной кривизны, возникающей вследствие ДУФ.
15
2. Моделируется процесс ДУФ заготовки, имеющей остаточную
продольную кривизну к у фп с приложением к расчетным участкам пропор­
ционально нарастающих сил Рдуф. Для снижения негативного влияния по­
вышенной жесткости заготовок в области двойной кривизны при реализа­
ции процесса ДУФ можно применить следующие варианты закрепления:
- в продольном теоретическом контуре;
- с полным выпрямлением;
- с созданием предварительного контура знакопостоянной кривизны.
Закрепление с предварительным упругим изгибом позволяет повы­
сить производительность процесса ДУФ за счет снижения жесткости попе­
речного сечения в области двойной кривизны.
При моделировании определяются следующие коэффициенты:
- коэффициент K1 влияния условий закрепления:
к = Рзак / Р
(5)
JV1 1 дуф11 дуф1э
где Рдуфф, Рдуф1- удельные внутренние силы, потребные для образования
требуемой поперечной кривизны к х детали, подвергнутой гибке и упруго
деформированной при закреплении с радиусом кривизны R зак, и находя­
щейся в незакрепленном исходно плоском состоянии соответственно. В
результате моделирования находим оптимальный с точки зрения интенси­
фикации процесса ДУФ радиус кривизны при закреплении R Зуак ;
- коэффициент K 2 , учитывающий влияние технологической наслед­
ственности:
K 2 = Р ф / Рдуф1,
(6 )
где Р ф - удельная внутренняя сила, потребная для образования требуе­
мой поперечной кривизны к х детали, определенная с учетом влияния
НДС, сформированного при гибке и закреплении.
- коэффициент, обеспечивающий степень достижения поперечной
кривизны К 3 = 0,7.. .0,9.
3. Моделируется этап предварительного ДУФ заготовки, закреплен­
ной с радиусом продольной кривизны R зак, с приложением к расчетным
участкам пропорционально нарастающих сил Рдуф :
Рдуф2 = K, K 2K Рдуф,,
(7)
и определяется соответствующая поперечная кривизна кх2 заготовки и
определяем время гдуф обработки расчетных участков (см. формулу (3).
4. Моделируется этап окончательного ДУФ заготовки. Для этого в
модели закрепления перемещаются опоры, фиксирующие заготовку, таким
образом, чтобы обеспечить соответствие продольной кривизны заготовки
16
продольному контуру детали. Итерационным изменением силы Рдуф обес
печивается достижение требуемой поперечной кривизны к х детали и
определяем соответствующие значения потребной удельной внутренней
силы Рдуф3 и времени обработки tdдУ
viфз.
ф3 На основе результатов измерения
прогибов в поперечных сечениях детали после предварительного ДУФ вы­
числяется скорректированное значение удельной внутренней силы РКф3,
потребной для формообразования:
изм
кор _ р
h x2
(8 )
дуф3
дуфз
fx
где f x 2, fX2M - расчетное и измеренное значения стрелы прогиба в кон­
р
трольных точках детали. По найденным значениям потребной силы вы­
числяется скорректированное время t K
d0фр3 обработки детали и время обра­
ботки tдуф на чистовом переходе операции ДУФ
tдуф4 _ t кдуф
орр3—tдуф2 *
(9)
Таким образом, для получения управляющей программы (УП) опе­
рации окончательной обработки процесса ДУФ на основе УП предвари­
тельной обработки необходимо на основе найденных значений времени
обработки гдуфА определить скорость подачи для расчетных участков по
формуле (5) без изменения частоты вращения дробеметного колеса ДАКТ.
Для проверки разработанной методики определения режимов ДУФ
были использованы конструктивно-подобные образцы (КПО) участка ти­
повой обшивки из сплава В95пчТ2.
Для проведения опытных работ по автоматизированному измерению
кривизны обрабатываемой заготовки был разработан опытный образец си­
стемы контроля формы деталей (см. рисунок 14).
Контрольные
Измеряемая
сечения
деталь
(x0; y0; z0)
Траектория
перемещения
Фиксируемое
расстояниедо Холостой
детали
ход
X
б)
Рисунок 14 - Средство измерений (а) и траектория перемещения от­
носительно детали
Принцип действия разработанной системы заключается в перемеще­
нии средства измерений относительно детали в вертикальном направлении
растровым способом с фиксированным шагом AZ. Массив измеренных ко­
17
ординат образует контур поверхности. Разработано программное обеспе­
чение для сохранения и обработки результатов измерений.
Для повышения уровня автоматизации процесса было предложено
конструктивное решение автоматизированной системы фиксации установ­
ки УДФ-4 (см. рисунок 15). Требуемый контур заготовки обеспечивается
поперечным перемещением стоек в ручном режиме или по УП. Фиксация
заготовки в заданном контуре обеспечивается пневматическими зажимами.
Рисунок 15 - Общий вид автоматизированной системы фиксации деталей
Для обеспечения стабильной работы ДАКТ в программном режиме
управления разработана автоматизированная система поддержания требу­
емого уровня рабочей среды (шариков). Потери рабочей среды возникают
при отводе уплотнительного устройства ДАКТ от обрабатываемой поверх­
ности. Разработанная система при помощи электромагнитных датчиков
установленных в бункере средства транспортирования, анализирующих
уровень шариков и подает управляющие сигналы механизму автоматиче­
ской досыпки. Конструктивное решение системы защищено патентом РФ
на полезную модель.
О СН О ВН Ы Е РЕЗУ Л ЬТ А Т Ы И ВЫ ВОДЫ
С применением методов компьютерного моделирования и управле­
ния решен комплекс технических и технологических задач, направленных
на повышение эффективности производства деталей типа обшивок двой­
ной кривизны и их качества за счет совершенствования процесса дробе­
ударного формообразования (ДУФ), раскрытия закономерностей форми­
рования напряженно-деформированного состояния (НДС) при обработке
детали, установления взаимосвязей между операциями технологического
процесса и влияния технологической наследственности.
В результате выполненного исследования получены следующие
научные и практические результаты:
1.
Посредством метода объемного сканирования микрорельефа по­
верхности образцов, обработанных дробеметным аппаратом контактного
типа с хаотичным характером потока шариков, выявлено наличие в зоне
обработки отпечатков эллиптической формы, разработана конечно­
18
элементная модель формирования напряженно-деформированного состоя­
ния поверхностного слоя детали при обработке шариками, имеющими раз­
личные по величине и направлению векторы скорости.
2. Предложена методика определения связанных с режимами обра­
ботки внутренних силовых факторов процесса дробеударного формообра­
зования - удельной внутренней силы и координаты точки её приложения
(расстояния от поверхности) на основе распределения формирующихся в
поверхностном слое остаточных напряжений. На основе результатов моде­
лирования установлена эмпирическая зависимость внутренних силовых
факторов процесса от времени обработки. Для сокращения трудоемкости
расчетов разработано специальное программное обеспечение.
3. Изучены и сформулированы новые закономерности влияния тех­
нологической
наследственности
при
формировании
напряженнодеформированного состояния листовых деталей двойной кривизны в по­
следовательности операций «упругопластическая гибка - закрепление дробеударное формообразование на установках контактного типа». При
этом установлено, что
- исходная продольная кривизна заготовки, подвергнутой гибке, ока­
зывает существенное влияние на величину удельной растягивающей силы,
потребной для достижения, при дробеударном формообразовании, задан­
ной формы детали (до 18% по сравнению с обработкой недеформированной заготовки);
- для получения бочкообразных поверхностей обшивок требуется
более высокая интенсивность обработки по сравнению с седловидными
поверхностями. Соответствующее увеличение потребной удельной растя­
гивающей силы для типовых деталей составляет до 16 % и до 10 % по
сравнению с обработкой недеформированной заготовки;
- при закреплении перед дробеударным формообразованием загото­
вок, имеющих исходную продольную кривизну, с упругим изгибом в про­
дольном направлении можно добиться уменьшения удельной растягиваю­
щей силы, потребной для формирования заданной поперечной кривизны
деталей на 5-15 %;
- влияние остаточного напряженного состояния, обусловленного
предшествующей операцией упругопластической гибки, на внутреннюю
силу, возникающую при обработке дробью, выражается в снижении про­
дольной компоненты данной силы на 5-14 % по сравнению с обработкой
недеформированной заготовки и может быть скомпенсировано путем за­
крепления с упругим изгибом.
4. Предложена структура технологического процесса дробеударного
формообразования обшивок двойной кривизны на установках контактного
типа, включающего управляемые операции закрепления, предварительной
и доводочной обработки шариками. Разработана методика определения
режимов обработки дробью с учетом технологического наследования
19
напряженно-деформированного состояния заготовки и результатов кон­
троля ее промежуточной формы.
5. На основании результатов проведенных экспериментальных иссле-дований на технологических и конструктивно-подобных образцах под­
тверждена адекватность разработанных методик.
6 . Предложены конструктивные и программные решения, направлен­
ные на обеспечение реализации автоматизированного процесса дробеудар­
ного формообразования на установках контактного типа в виде:
- опытного образца интегрированной в систему ЧПУ установки для
дробеударного формообразования автоматизированной системы контроля
формы деталей на базе цифровых измерительных головок;
- автоматизированной системы фиксации, предназначенной для за­
крепления в вертикальном положении длинномерной листовой заготовки с
возможностью управляемого изменения контура упругим деформировани­
ем;
- автоматической системы поддержания требуемого уровня рабочей
среды (шариков) в дробеметном аппарате контактного типа для обеспече­
ния стабильности процесса обработки, защищенной патентом РФ на по­
лезную модель.
7. Использование результатов работы обеспечило повышение произ­
водительности и стабильности технологического процесса формообразо­
вания панелей и обшивок и точности формы деталей, что подтверждено
актом внедрения.
С П И СО К РА БО Т, О П У БЛИ КО ВА Н Н Ы Х
ПО ТЕМ Е ДИ С СЕРТА Ц И И
В рецензируемых научны х изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1.
П аш ков А.А. Дробеударное формообразование обшивок
двойной кривизны на дробеметных установках контактного типа с ЧПУ /
А.А. Пашков, А.Е. Пашков, А.П. Чапышев // Вестник Иркутского государ­
ственного технического университета. 2018. Т. 23. № 6 . С. 34-47.
2.
П аш ков А.А. Автоматизация процесса дробеударного формо­
образования крупногабаритных панелей на установках контактного типа /
А.А. Пашков // Вестник Рыбинской государственной авиационной техно­
логической академии им. П.А. Соловьева. 2015. №4. С. 34-39.
3.
Пашков А.Е. К определению внутренних силовых факторов
процесса дробеударного формообразования / А.Е. Пашков, А.П. Чапышев,
А.А. П аш ков, С.В. Викулова, Ю.С. Андряшина // Вестник Иркутского
государственного технического университета. 2017. Т. 21. №12. С. 43-54.
4.
Лихачев А.А. Реализация системы управления процессом
дробеударного формообразования на установках контактного типа / А.А.
Лихачев, В.В. Герасимов, А.А. П аш ков // Вестник Иркутского государ­
ственного технического университета. 2015. №2. С. 42-47.
20
5.
Пашков А.Е. О повышении эффективности дробеметной уста­
новки контактного типа / А.Е. Пашков, В.В. Герасимов, А.А. П аш ков //
Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013.
№10. С. 46-52.
В международных изданиях, вклю ченны х в W eb of Science:
1
Pashkov Andrey E. Complex method of peen forming and shot
peening of aircraft structural components / Pashkov Andrey E., Pashkov Aleksander A., Koltsov Vladimir P. // Advances in Engineering Research. 2017.
Volume 133. P. 585-591
В прочих изданиях:
1.
П аш ков А.А. Исследование напряженного состояния детали
при обработке дробью с различными степенями покрытия методом конеч­
но-элементного моделирования / А.А. Пашков // В сборнике: Образование,
наука и инновации. Сборник статей по материалам международной науч­
но-практической конференции. В 2-х частях. 2017. С. 119-122.
2.
П аш ков А.А. Методы оценки внутренних силовых факторов
при дробеударном формообразовании / А.А. Пашков, В.В. Герасимов // В
сборнике: Будущее машиностроения России. Девятая Всероссийская кон­
ференция молодых ученых и специалистов. 2016. С. 83-87.
3.
П аш ков А.А. Программный комплекс определения степени
покрытия при дробеударной обработке / Пашков А.А., Пашаев Д.С., Никуличев Н.И. // В сборнике: Будущее машиностроения России. Девятая Все­
российская конференция молодых ученых и специалистов. 2016. С. 91-94.
4.
П аш ков А. А. Автоматизация процесса контроля формы дета­
лей при дробеударном формообразовании / А.А. Пашков // В сборнике:
Молодежь. Проекты. Идеи. Пятая научно практическая конференция. 2015.
С. 77-83.
5.
Герасимов В.В. Повышение эффективности дробеметных ап­
паратов контактного типа для формообразования панелей / В.В. Гераси­
мов, А.А. П аш ков, Г.Б. Максимов // В сборнике: Авиамашиностроение и
транспорт Сибири сборник статей II Всероссийской научно-практической
конференции, приуроченной ко Дню космонавтики. 2012. С. 126-133.
А вторские свидетельства и патенты :
1.
Патент № 125505. РФ. Дробеметное устройство / А.Е. Пашков,
В.В. Герасимов, П.Г. Гришаев, А.А. П аш ков. Бюл. №7. - 2012.
21
Подписано в печать 24.07.2018. Формат 60 х 90 / 16.
Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,75.
Тираж 100 экз. Зак. 208. Поз. плана 10н.
Отпечатано в типографии Издательства
ФГБОУ ВО «Иркутский национальный
исследовательский технический университет»
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа