close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование процесса разделительных операций изготовления крупногабаритных заготовок из тонколистового материала и проектирования оснастки для их получения

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ШЕНБЕРГЕР ПОЛИНА НИКОЛАЕВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТОНКОЛИСТОВОГО
МАТЕРИАЛА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНАСТКИ ДЛЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
05.02.09 – Технологии и машины обработки давлением
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тольятти - 2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Тольяттинский государственный университет» (ТГУ).
Научный руководитель: Почекуев Евгений Николаевич, кандидат технических
наук, доцент кафедры «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы»
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Тольяттинский государственный университет»
Официальные оппоненты:
Михайлов Юрий Олегович, доктор технических наук, профессор, заведующий
кафедрой «Машины и технология обработки металлов давлением и сварочное производство»
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова».
Титов Юрий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры
«Материаловедение и обработка металлов давлением» федерального государственного
бюджетного
образовательного
учреждения
высшего
образования
«Ульяновский
государственный технический университет».
Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), г. Москва.
Защита состоится 12 октября 2018 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета Д
212.215.03 на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения
высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени
академика С.П. Королева» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного
автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный
исследовательский университет имени академика С.П. Королева» и на сайте:
http://ssau.ru/resources/dis_protection/shenberger
Автореферат разослан ___ ____________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент
Я.А. Ерисов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Высокие требования, предъявляемые к кузову современного
автомобиля, приводят к созданию более совершенных технологических процессов и оснастки
для изготовления заготовок, соответствующих высокому качеству изделий.
Особое внимание при изготовлении крупногабаритных тонколистовых заготовок
уделяется качеству профиля реза. Такой дефект поверхности реза, как заусенец является
причиной появления царапин на поверхностях прижима и рабочего инструмента при
выполнении формообразующих операций (рисунок 1). Наличие повышенного износа
инструмента и царапин на его поверхности недопустимо для лицевых деталей автомобиля
(рисунок 2). Трещины на торцах реза могут приводить к разрушению заготовки. Снижается
стойкость рабочего инструмента. Параметры профиля реза определяют эксплуатационные
показатели процесса вытяжки.
Рисунок 1 – Дефекты поверхности рабочего инструмента
Рисунок 2 – Дефекты поверхности изделий
В традиционных разделительных операциях, качество профиля разделения достигается
за счет обеспечения зазора между рабочим инструментом. Для крупногабаритных заготовок из
низкоуглеродистой стали толщиной 0,7…1,5 мм рекомендуемая величина одностороннего
зазора указана в работах Ю.А. Аверкиева и А.Ю. Аверкиева, М.Е. Зубцова, В.П. Романовского,
Л.И. Рудмана, Г.Д. Скворцова. Величина зазора между инструментами определена
неоднозначно с различными допустимыми интервалами значений.
В реальных процессах разделительных операций обеспечение оптимального значения
зазора вдоль режущих кромок инструмента является сложной научно-технической задачей.
Зазор между верхним и нижним режущим инструментом штампа может изменяться за счет
упругих деформаций штамповой оснастки и смещений в направляющих элементах штампа и
пресса. Оценка влияния возмущающих факторов на значение оптимального зазора необходима
для обеспечения качественной поверхности реза.
Получение качественных тонколистовых заготовок зависит от конструкции оснастки.
Проектирование последовательного штампа характеризуется циклическим процессом
разработки и корректировки конструкции. Такой режим разработки штампов приводит к
3
увеличению времени проектирования, к появлению ошибок и как следствие к возрастанию
затрат на изготовление оснастки.
Различные конструкции и сложность разделительных штампов для последовательной
листовой штамповки определяют трудоемкость задач разработки рациональной конструкции
оснастки. Процесс проектирования штампов формируется с помощью базы знаний на
основании логических высказываний, отражающих связи между деталями и узлами
конструкции. Отсутствие методик формализации и переноса данных для систем
автоматизированного проектирования, приводит к необходимости разработки подходов
трансформации базы знаний в среду автоматизированного конструирования штампов.
Для повышения качества заготовки с заданным профилем реза необходима
формализация проектирования штампов с обобщением результатов численных и натурных
экспериментов технологии в процессе автоматизированной разработки штампов.
Степень разработанности темы диссертации. Значительный вклад в развитие методов
анализа процессов разделительных операций внесли работы Ю.М. Арышенского, С.И. Вдовина,
Н.С. Вишневского, Ф.В. Гречникова, В.Л. Колмогорова, В.Ф. Константинова, Ф.П. Михаленко,
В.А. Огородникова, Е.А. Попова и др. В исследованиях этих ученых изложены особенности
механизма деформирования материала при выполнении разделительных операций листовой
штамповки, рассмотрены методы теоретического анализа и экспериментального исследования
процессов резки, приведены сведения, относящиеся к описанию напряженнодеформированного состояния в зоне реза, параметрам разрушения и т.д.
В работах А.Ю. Аверкиева, Ю.А. Аверкиева, В.В. Белова, Д.В. Горячего, М.М.
Дурандина, М.Е. Зубцова, В.П. Ильина, Ю.С. Лукашина, В.Т. Мещерина, А.П. Нефедова, А.М.
Ольша, М.М. Палей, В.П. Романовского, Л.И. Рудмана, Е.И. Семенова, Г.Д. Скворцова и др.
показаны конструкции и особенности проектирования разделительных и последовательных
штампов, приведены правила и рекомендации, основанные на производственном опыте и
исследованиях авторов, использование которых защищает конструктора от серьезных
просчетов.
Настоящая работа посвящена разработке методики прогнозирования качества реза
крупногабаритных тонколистовых заготовок, оценке влияния зазоров и жесткости системы
«Заготовка – рабочий инструмент – штамп – пресс» на качество профиля реза и формализации
процесса проектирования последовательных разделительных штампов с использованием
результатов численных и экспериментальных исследований разделительных операций.
Способы управления показателями такой системы позволят получать заготовки с необходимым
качеством поверхности реза. Актуальность диссертационной работы определяется дальнейшим
совершенствованием процесса и оснастки для получения качественных крупногабаритных
заготовок в автомобилестроении.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является совершенствование
разделительных операций для тонколистового материала крупногабаритных заготовок путем
рационального выбора зазора и показателей системы «Заготовка – рабочий инструмент – штамп
– пресс», а также совершенствование процедуры проектирования конструкции штампа на
основе результатов численных и экспериментальных данных анализа разделительной операции
и штамповой оснастки.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи
исследования:
1. Разработать расчетную конечно-элементную модель процесса разделительной операции
для тонколистового материала, отражающую основные особенности исследуемого
процесса.
2. Провести анализ результатов численного моделирования и экспериментального
исследования с позиции повышения качества поверхности реза и подтверждения
адекватности расчетной конечно-элементной модели.
4
3. Разработать метод оценки влияния зазоров и жесткости системы «Заготовка – рабочий
инструмент – штамп – пресс» на качество профиля реза в среде численного
моделирования.
4. Создать математическую модель штампа, электронную базу данных и знаний
программного обеспечения для формирования типовых параметризованных
конструкций штамповой оснастки обеспечивающих высокое качество профиля реза и
автоматизации проектирования.
Объект исследования. Процесс получения тонколистовых крупногабаритных заготовок,
выполненных из низкоуглеродистых сталей, а также процедуры проектирования
крупногабаритных последовательных разделительных штампов.
Предмет исследования. Закономерности деформирования тонколистовых материалов, а
также способы увеличения жесткости штамповой оснастки и процесс ее проектирования.
Научная новизна работы:
1. Разработана расчетная конечно-элементная модель и методика численного
прогнозирования качества профиля реза тонколистовых заготовок.
2. Создан метод формализации процесса проектирования конструкции штампа
последовательного действия на основе структурно-иерархического описания штамповой
оснастки и разработки ее математической модели.
3. Предложен численный метод оценки влияния зазоров и жесткости системы «Заготовка –
рабочий инструмент – штамп – пресс» на качество профиля реза.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
1. В применении методики определения величины оптимальных зазоров между рабочим
инструментом для низкоуглеродистых тонколистовых сталей на основе численного
эксперимента.
2. В использовании показателей жесткости системы «Заготовка – рабочий инструмент –
штамп – пресс» при проектировании техпроцессов и оснастки с целью изготовления
тонколистовых заготовок без дефектов поверхности реза.
3. В использовании разработанного программного обеспечения и электронных баз данных
типовых элементов для проектирования последовательных разделительных штампов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика численного прогнозирования качества профиля реза тонколистовых заготовок.
2. Метод оценки влияния зазоров и жесткости системы «Заготовка – рабочий инструмент –
штамп – пресс» на качество профиля реза.
3. Математическая модель штампа последовательного действия, выступающая в качестве
основы для формализации процедуры поиска рациональных вариантов конструкции
штампа, а также интеграции результатов численного анализа разделительной операции и
параметров проектирования штамповой оснастки.
Методология и методы исследований:
• методология конечно-элементного анализа;
• методика электронноскопических исследований профиля реза тонколистового
материала;
• методы
структурно-функционального,
системного,
морфологического
и
конструктивного анализа, структурного синтеза, методы логики и теории множеств;
• методы 3D-моделирования и создания структурированных сборочных единиц в CADсистемах САПР.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Основные материалы
работы и материалы исследований докладывались на международной научно-практической
конференции, посвященной стратегическому планированию развития городов России (г.
Тольятти, 2010 г.); на техническом совещании производства технологического оборудования и
оснастки (ПТОО) ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти, 2011 г.); на самарском инновационном
форуме субъектов малого и среднего предпринимательства (2012 г.); на научно-практической
5
конференции «Новые технологические направления в машиностроении» (г. Тольятти, 2012 г.);
на VIII студенческой научно-технической конференции «Молодежь – машиностроению» (г.
Тольятти, 2012 г.); на IV международной научно-технической конференции (Резниковские
чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности
машиностроительного производства» (г. Тольятти, 2015 г.).
Проект «Исследование процесса резки тонколистового материала» занял второе место на
международном форуме «Инженерные системы - 2017» в секции «Моделирование процессов
обработки металлов давлением и термической обработки в DEFORM и JMatPro» (г. Москва,
2017 г.).
Разработанная компьютерная программа «Автоматизированная система для
проектирования последовательных разделительных штампов вырубки листовой заготовки»
внедрена на предприятии ООО «Волжский машиностроительный завод» в производстве прессформ и штампов (г. Тольятти). Внедрение программы подтверждено соответствующим актом.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 15 работ, в том
числе 4 – в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК
Минобрнауки России; 2 авторских свидетельства на программное обеспечение и базу данных; 8
работ – в материалах международных научно-практических конференций; 1 - монография
«Проектирование штампов для последовательной листовой штамповки в системе NX», при
написании которой использовались результаты работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав,
заключения, списка литературы и 5 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулированы
цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных
результатов, представлены научные положения, выносимые на защиту, а также сведения о
публикациях и апробации результатов.
В первой главе выполнен анализ особенностей получения тонколистовых заготовок в
последовательных разделительных штампах. Выявлены проблемы штамповки тонколистовых
заготовок в автомобильной промышленности. Отмечено, что при производстве тонколистовых
заготовок, предназначенных для штамповки крупногабаритных деталей кузова легкового
автомобиля, особое внимание уделяется качеству профиля реза в связи с возможностью
возникновения дефектов на поверхностях деталей, что недопустимо для лицевых деталей
автомобиля. Отмечено, что в традиционной практике осуществления разделительных операций
выполнение требований, касающихся отсутствия дефектов на профиле реза, решается в
основном за счет регулировки зазора между рабочим инструментом.
Показано, что величина зазора между режущими кромками рабочего инструмента
определена в справочной литературе неоднозначно с различными допустимыми интервалами
значений. Выявлено, что под действием упругих деформаций штамповой оснастки и смещений
в направляющих элементах возможны колебания зазоров между режущими кромками рабочего
инструмента, которые превышают величины зазоров резания, рекомендуемые в справочной
литературе.
Выполнен обзор существующих методов исследования разделительных операций.
Осуществлен анализ конструкций последовательных разделительных штампов, а также анализ
проблем, связанных с разработкой штамповой оснастки, конструкция которой позволит
получать заготовки требуемого качества профиля реза.
Показана необходимость совершенствования процесса автоматизации проектирования
последовательных разделительных штампов на основе формализации проектных процедур,
выполненных с помощью математической модели штампа с использованием структурно6
иерархического описания конструкции, взаимосвязей между параметрами узлов и деталей, а
также результатов конечно-элементного расчета разделительных операций.
Во второй главе представлена разработка методики прогнозирования качества профиля
реза тонколистовых заготовок на основе рационального выбора зазора и показателей системы
«Заготовка – секционный рабочий инструмент» в среде численного моделирования с
использованием инструментов программы DEFORM-2D.
Разработана расчетная конечно-элементная модель разделительной операции для
тонколистового материала при условиях плоской деформации. Оценка повреждаемости
материала осуществлялась на основе критерия разрушения Cockcroft-Latham, предельное
значение которого было установлено на основе экспериментально-расчетной методики.
Анализ результатов численного моделирования показал, что при различных
технологических зазорах по мере увеличения нагрузки растет очаг деформации и концентрация
напряжений у режущих кромок секций (рисунок 3). По мере перемещения верхнего
инструмента интенсивность напряжений распространяется вглубь очага деформации (рисунок
4).
Анализ напряженно-деформированного состояния материала в зоне реза был
осуществлен для четырех стадий процесса (рисунок 5). Уровни выборки данных расположены с
шагом 0,1S для области исследования равной толщине материала (S).
Рисунок 3 – Увеличение очага деформации по мере возрастания нагрузки (параметр –
интенсивность напряжений), материал – сталь 08пс
Рисунок 4 – Интенсивность напряжений при различной степени перемещения
инструмента: а – 0,1S; б – 0,19S; в – 0,23S
7
Рисунок 5 - Анализ напряженно-деформированного состояния материала в зоне реза для
четырех стадий процесса: 1 – упругая деформация; 2 – упруго-пластическая деформация;
3 – упруго-пластическая стадия и начало разрушения; 4 – распространение трещины, ведущее
к разрушению
Полученные данные, представленные в виде графиков (рисунки 6 - 7), позволили
описать напряженно-деформированное состояние в зоне реза материала. Характер
распределения полей главных нормальных напряжений в очаге деформации показал, что
главные растягивающие напряжения, способствуют раскрытию скалывающих трещин,
возникающих в слоях заготовки, расположенных вблизи от режущих кромок. Полученный
результат является подтверждением гипотез о направлении распространения трещины.
Рисунок 6 – Максимальные главные напряжения
Рисунок 7 - Максимальные главные деформации
Точное совпадение трещин, которые распространяются от режущих кромок верхнего и
нижнего инструментов позволяют получить качественную поверхность реза. Принято, что для
оптимальной величины зазора направление распространения трещины совпадает с
направлением, соединяющим режущие кромки на пуансоне и матрице (рисунок 8):
α = ϕ,
(1)
где
8
α – угол распространения трещины,
ϕ – угол наклона отрезка, соединяющего кромки режущего инструмента в момент зарождения
трещины.
Значения углов α и ϕ были рассчитаны для различных зазоров с использованием
результатов конечно-элементного анализа (рисунок 9).
Оптимальный зазор для значений параметров моделируемого процесса составил 5% от
толщины материала, что согласуется с производственными результатами и данными из работ
Ю.А. Аверкиева, А.Ю. Аверкиева, В.П. Романовского, однако выходит за границы допустимых
значений зазоров, представленных в работах М.Е. Зубцова, Л.И. Рудмана и Г.Д. Скворцова.
В результате численных экспериментов получено значение угла распространения
трещины (для низкоуглеродистой стали толщиной 0,8 мм), при котором зазор оптимален, оно
равно 3º24'. Численный анализ операции резки и сопряженной задачи с учетом деформирования
инструмента позволил установить степень влияния усилия деформирования и прижима на
величины зазора и значение распирающих усилий.
Установленное значение распирающих усилий соответствует расчетному интервалу,
согласно которому величина горизонтальной силы составляет от 10 до 30% от максимального
усилия разделительной операции.
Рисунок 8 - Направление
распространения трещины
Рисунок 9 - Значения углов α и ϕ
для различных зазоров с использованием
результатов конечно-элементного анализа
Совместное влияние упругих деформаций верхнего и нижнего рабочего инструмента
приводит к изменению величины зазора в пределах его допуска. Установлено, что величина
относительного смещения инструментов за счет деформации под действием сил реза составляет
от 20,2 до 32,8 % допуска на величину зазора. Влияние усилия прижима на величину зазора
менее значимо и приводит к относительному смещению инструментов от 3,3 до 4,3 % допуска
на величину зазора.
Во второй главе выполнена экспериментальная проверка достоверности разработанной
расчетной конечно-элементной модели разделительной операции и полученных результатов.
На первом этапе проверки была осуществлена реализация экспериментального
определения оптимальной величины зазора для круглых в плане образцов, выполненных за счет
вырубки из заготовки.
Вырубка образцов была выполнена при смещенном инструменте – пуансоне, что
позволило получить вдоль режущих кромок инструмента различную величину зазора.
Визуализация смещения и значения односторонних зазоров показаны на рисунке 10.
Окружность большего диаметра представляет собой режущую кромку матрицы, меньшего
9
диаметра – пуансона. Получена зависимость величины зазора в случае смещения инструмента (
упр
) по предлагаемой схеме:
z
ф
Z
упр
= z 2 + R 2 - 2 ⋅ z ⋅ R ⋅ cos(α ) - r ,
ф
x
m
x m
p
(2)
где
z x - смещение пуансона вдоль оси Х (равно удвоенной величине равномерного одностороннего
зазора);
Rm - радиус режущей кромки матрицы;
α - угол между осью Х и секущим отрезком, задающим положение места, в котором
рассчитывается величина зазора;
rp - радиус режущей кромки пуансона.
Рисунок 10 - Зазор при смещении пуансона вдоль оси Х на максимально возможное
расстояние
Анализ торцевой поверхности образцов позволил выполнить оценку качества профиля
реза. Зоны различного качества были отмечены на образцах, после чего перенесены на схему,
представленную на рисунке 10. Зеленым цветом обозначены области с полученным
качественным срезом, которым соответствует интервал зазора (z) в зависимости от толщины
материала (S) равный (3,5%S < z < 6%S). Синим цветом показаны зоны с двойной
поверхностью скола (z ≤ 3,5%S), красным – с заусенцем (z ≥ 6%S).
Сравнение зон, характеризующих качество поверхности реза, с расчетной схемой
позволило установить соответствие между качеством поверхности и величиной зазора. Так для
вырубки материала из стали 08пс толщиной 0,8 мм величина оптимального зазора составила
0,04 мм.
Экспериментальные данные соответствия между качественным профилем реза и
установленной величиной оптимального зазора позволили подтвердить факт, ранее выявленный
на основе конечно-элементного анализа, согласно которому оптимальная величина зазора для
рассматриваемой марки материала составляет 5% от его толщины.
На втором этапе экспериментальной проверки установлена достоверность параметров
качества профиля реза, которые получены на основе численного моделирования процесса
резки. Оценка профиля поверхности реза была осуществлена с использованием сканирующего
10
конфокального лазерного микроскопа Olympus LEXT OLS 4000 в научно-исследовательском
институте прогрессивных технологий Тольяттинского государственного университета.
Результаты сканирования участка поверхности, представлены в виде 2D скана рельефа
поверхности реза и ее профилограммы, подтвердили показатели качества, установленные в
результате конечно-элементного анализа.
В третьей главе выполнен первый этап формализации процесса проектирования
штампов последовательного действия, учитывающий результаты численного моделирования
разделительной операции.
Предложены методы системного подхода конструирования последовательных
разделительных штампов для получения крупногабаритных листовых заготовок. Установлены
соотношения, позволившие получить иерархическое описание структуры штампа, а также
выполнить анализ конструкционных взаимосвязей его узлов, механизмов и деталей с помощью
структурно-морфологического анализа конструкций последовательных разделительных
штампов и алгебры логики.
В третьей главе показано, что множество последовательного разделительного штампа
(S0) можно представить, как множество соответствующих узлов и деталей:
(3)
0 = {ℎ0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 },
где
S0 – множество узлов и механизмов штампа,
h0 – подмножество групп рабочего инструмента,
p0 – подмножество плит штампа,
n0 – подмножество узла направления движения плит штампа,
f0 – подмножество узла направления и фиксации материала,
y0 – подмножество узла удаления и прижима материала,
g0 – подмножество узла ограничения хода подвижных механизмов штампа,
k0 – подмножество механизмов крепления штампа,
t0 – подмножество транспортных механизмов.
Структурно-иерархическое описание последовательного разделительного штампа для
наглядности и компактности представления изображается в виде граф-схем, которые являются
итогом строгой формальной обработки взаимосвязей между множествами решений (вершины
графа –  = {ℎ0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 }) и множествами условий сочетаемости (ребра графа –
 = { }), при которых возможны полученные конструкции штампов.
Множество системы штампа, позволило получить иерархическое описание структуры
штампа, а также выполнить анализ конструкционных взаимосвязей его узлов, механизмов и
деталей.
Связи между членами и группами классификации устанавливаются логическими
высказываниями, формирующими базу знаний процесса проектирования штампов.
Формализация базы знаний была выполнена на основании разработанной иерархической
модели штампа с использованием условий единственности и ограничений на сочетаемость
элементов.
В качестве примера в выражениях (4) показаны условия единственности состояния групп
в узлах и механизмах штампа в строго определенном положении с помощью терминов алгебры
логики для групп рабочего инструмента. Например, первое истинное высказывание в
выражении (4) означает: рабочий инструмент предназначен либо для вырубки (h11), либо
пробивки (h12), а также или для отрезки (h13) или разрезки (h14).
К условиям единственности из базы знаний добавляются ограничения на сочетаемость
членов групп состояний, в основе которых лежат функциональные, геометрические и
технологические ограничения между узлами, механизмами и деталями штампа. При помощи
равносильных преобразований алгебры логики формулируются условия ограничения на
сочетаемость членов групп в истинных высказываниях. Для установления возможных связей
между группами состояний логически умножаются левые части условий единственности на
11
левые части условий ограничения. В выражении (5) приведен результат умножения для групп
рабочего инструмента.
(h11 ∧ h12 ∧ h13 ∧ h14 ) ∨ (h11 ∧ h12 ∧ h13 ∧ h14 ) ∨ (h11 ∧ h12 ∧ h13 ∧ h14 ) ∨
∨ (h11 ∧ h12 ∧ h13 ∧ h14 ) = 1;
(4)
(h21 ∧ h22 ∧ h23 ) ∨ (h21 ∧ h22 ∧ h23 ) ∨ (h21 ∧ h22 ∧ h23 ) = 1;
(h31 ∧ h32 ∧ h33 ) ∨ (h31 ∧ h32 ∧ h33 ) ∨ (h31 ∧ h32 ∧ h33 ) = 1;
(h41 ∧ h42 ∧ h43 ∧ h44 ) ∨ (h41 ∧ h42 ∧ h43 ∧ h44 ) ∨ (h41 ∧ h42 ∧ h43 ∧ h44 ) ∨
∨ (h41 ∧ h42 ∧ h43 ∧ h44 ) = 1;
(h51 ∧ h52 ) ∨ (h51 ∧ h52 ) = 1; (h61 ∧ h62 ) ∨ (h61 ∧ h62 ) = 1;
(h71 ∧ h72 ) ∨ (h71 ∧ h72 ) = 1.
Представленный алгоритм работы с логическими высказываниями в адаптированном
формализованном виде был заложен в код компьютерной программы, написанной на языке
программирования С#. При описании модели последовательного разделительного штампа
использовались база знаний из 47 условий единственности и 60 ограничений на сочетаемость.
Отмечено, что использование иерархических и морфологических структур является
недостаточным для формализации процесса проектирования штампов ввиду значительного
количества структурных формул, которые отражают возможные варианты оснастки.
[ h21 h22 h23 ∨ h21 h 22 h33 ∨ h21 h22 h23 ][h31 h32 h33 ∨ h31 h32 h33 ∨ h31 h32 h33 ][h21 ∨ h32 h33 ] =
= [ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨ h21 h 22 h33 h31 h32 ∨
(5)
∨ h21 h 22 h33 h31 h32 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ][h21 ∨
h32 h33 ] = h21 h 22 h33 h31 h32 ∨ h21 h 22 h33 h31 h32 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨
∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 ∨ h21 h22 h23 h31 h32 h33 = 1.
В четвертой главе выполнен второй этап формализации процесса проектирования
штампов последовательного действия. Разработана математическая модель штампа (ММШ),
которая представляется как множество вариантов конструкций узлов, механизмов и деталей,
составляющих штамп ( S 0 ), а также как множество признаков, характеризующих компоненты
штампа ( P0 ), и множество связей между всеми элементами системы ( Q0 ):
ММШ = {S , P ,Q }.
0
0
0
(6)
Ранее
проведённый
структурно-морфологический
анализ
последовательных
разделительных штампов позволил определить множество ( S 0 ) как множество
соответствующих узлов и механизмов.
Множество ( P0 ) характеризуется подмножествами признаков и переменных
конструкции штампа, подмножеством параметров ограничений процесса проектирования и
результатами численного моделирования разделительных операций.
Выполнено формирование многоуровневой системы конструктивных взаимосвязей
между узлами, механизмами, деталями штампа в сборке и результатами конечно-элементного
анализа, представленными в виде структурных связей ( Q0 ) между признаками конструкции ( P0
) штампа.
Математическая модель штампа выступает в качестве основы для формализации
процедуры поиска рациональных вариантов конструкции штампа, а также интеграции
результатов численного анализа разделительной операции и параметров проектирования
штамповой оснастки.
12
В четвертой главе также разработана процедура поиска рациональной конструкции
штампа, которая реализуется за счет уменьшения количества структурно-иерархических связей
в конструкции штампа на основе ограничений, включающих в себя параметры проектирования,
результаты численного моделирования разделительных операций, характеристики средств
автоматизации и механизации и т.д.
На основании математической модели штампа разработано программное обеспечение
для проектирования типовых последовательных разделительных штампов (а.с. РФ №
2011614118). Программное обеспечение представляет собой внутренние приложения,
интегрированные в САПР NX (Siemens PLM Software). Разработка кода программы была
выполнена в среде NX OPEN (Siemens PLM Software) на языке программирования C#. Работа
программного
обеспечения
основывается
на
разработанной
электронной
базе
параметризованных данных и знаний (а.с. РФ № 2011620509). Компьютерная программа была
использована при разработке штамповой оснастки для автомобилей на базе "Калина" в OOO
«Волжский машиностроительный завод».
В пятой главе выполнена разработка методов оценки жесткости системы «Заготовка –
рабочий инструмент – штамп – пресс» с использованием конечно-элементной модели
последовательного разделительного штампа в программе NX Advanced Simulation с
использованием решателя NX NASTRAN. Исследование показало, что действие
горизонтальных распирающих сил приводит к выборке зазора в направляющих элементах, что
ведет к их повышенному износу и нарушению точности движения верхней половины штампа
относительно нижней (рисунок 11). Максимальное смещение направляющей колонки составило
0,024 мм (рисунок 12) для конечно-элементного расчета, выполненного для заготовки из стали
08пс толщиной 0,8 мм; габаритов штампа – 2700 x 2240 мм; колонки - диаметром 80 и длиной
450 мм; зазора, обеспечиваемого посадкой H7/h6, между каждой из четырех пар направляющих
колонок и втулок, выполненных из стали 20 ГОСТ 1050-2013. Анализ смещений, напряжений и
контактного давления в направляющей колонке показал несимметричное распределение полей
зазоров, что отражает сложный характер направления сил, действующих в штампе.
Максимальные контактные напряжения, действующие на рабочей поверхности направляющей
колонки, достигают 50% предела текучести материала, что приводит к повышенному износу
детали и соответствует практике эксплуатации.
Рисунок 11 - Анализ смещений в конструкции штампа
Проведенный расчет позволил сформулировать рекомендации при определении центра
давления штампа, позволяющие снизить величину смещений в зазорах. В частности,
рекомендуется при определении центра давления штампа учитывать наряду с вертикальными
13
силами Py все компоненты горизонтальных сил (Px), которые получены в результате CAEанализа с целью выполнения условия:
(7)
∑ Px = 0.
Анализ напряженного состояния на основе численного расчета показал оценку
жесткости конструкции штампа. Выявлена необходимость увеличения жесткости штампа в
местах установки и локализации крепления призматических направляющих элементов рядом с
цилиндрическими направляющими.
В пятой главе также представлены алгоритмы интегрирования результатов численного
моделирования жесткости конструкции «Заготовка – рабочий инструмент – штамп – пресс» и
процедур проектирования последовательных разделительных штампов.
Показана последовательность численного анализа разделительных операций на
основании расчетной конечно-элементной модели в DEFORM-2D и анализа полученных
результатов.
Приведена методика формирования электронной модели типовой параметризованной
конструкции последовательного разделительного штампа на примере мастер-процесса в
разработанном программном продукте с использованием электронной базы типовых узлов,
механизмов и деталей штампа.
Представлен пример анализа разработанной модели штампа в NX Advanced Simulation.
Рассмотрены рекомендации по необходимым изменениям штампа на основе оценки колебаний
зазоров между направляющими элементами и жесткости его конструкции.
а
б
в
Рисунок 12 – Анализ смещений в направляющей колонке: а – смещение,
б – напряжение, в – контактное давление
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана расчетная конечно-элементная модель процесса разделительной операции
для тонколистового материала и на ее основе методика нахождения оптимального зазора
между инструментами.
2. Определены по результатам численных экспериментов границы оптимального
технологического
зазора,
показано,
что
для
рулонной
холоднокатаной
низкоуглеродистой стали толщиной 0,8 мм значение оптимального зазора составляет 5%
от толщины. Апробирована методика экспериментального выявления оптимального
зазора в разделительных штампах.
14
3. Показано, что смещение рабочего инструмента за счет упругих деформаций не выходит
за границы допуска технологического зазора. Установлены величины упругих
деформаций инструмента, возникающие в процессе разделительной операции
тонколистового материала. Выявлено, что упругое горизонтальное смещение на верхнем
рабочем инструменте больше, чем на нижнем инструменте на 14%.
4. Установлено, что максимальные смещения в системе «Заготовка – рабочий инструмент –
штамп» происходят в зазорах направляющих элементов штампов, величина контактных
напряжений может достигать 50% от предела текучести материала направляющих
элементов.
5. Выполнена формализация процесса синтеза параметров анализа и конструкции штампа
на основе структурно-иерархического описания штамповой оснастки и разработки ее
математической модели.
6. Предложен метод оценки влияния зазоров и жесткости системы «Заготовка – рабочий
инструмент – штамп – пресс» на качество профиля реза в среде численного
моделирования и показаны способы управления их величиной для последовательного
разделительного штампа.
7. Разработано и внедрено программное обеспечение проектирования последовательных
разделительных штампов для крупных заготовок тонколистового металла на
предприятии ООО «Волжский машиностроительный завод».
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Почекуев, Е.Н. Системное проектирование последовательных разделительных штампов
вырубки листовых заготовок / Е.Н. Почекуев, А.В. Скрипачев, П.Н. Шенбергер // Вестник
Самар. гос. аэрокосм. ун-та имени академика С.П. Королева (национального
исследовательского университета). - 2012. - № 1 (32). - С. 170 - 177.
2. Почекуев, Е.Н. Системное управление процессом проектирования разделительных
штампов для холодной листовой штамповки /Е.Н. Почекуев, П.Н. Шенбергер // Известия
Москов. гос. технич. ун-та «МАМИ». Технология машиностроения и материалы. - 2013. - № 2
(16), т. 2. - С. 48 - 52.
3. Почекуев, Е.Н. Поисковое проектирование конструкций последовательных
разделительных штампов для листовой штамповки / Е.Н. Почекуев, П.Н. Шенбергер // Вектор
науки Тольяттин. гос. ун-та. - 2015. - № 2 (32-2). - С. 161 - 165.
4. Почекуев, Е.Н. Повышение качества крупногабаритных заготовок на основе
моделирования разделительных операций в последовательных штампах / Е.Н. Почекуев, П.Н.
Шенбергер // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2018. - № 2. - С. 27 - 31.
авторские свидетельства:
5. Автоматизированная система для проектирования последовательных разделительных
штампов вырубки листовой заготовки: а. с. Рос. Федерация / Е.Н. Почекуев, А.В. Скрипачев,
П.Н. Шенбергер; патентообладатель Тольяттинский гос. университет. - № 2011614118; заявл.
08.04.2011; опубл. 25.05.2011. – 1 с.
6. База графических данных типовых унифицированных пространственных моделей узлов,
механизмов и деталей последовательных разделительных штампов вырубки листовой
заготовки: а. с. Рос. Федерация / Е.Н. Почекуев, А.В. Скрипачев, П.Н. Шенбергер;
патентообладатель Тольяттинский гос. университет. - № 2011620509; заявл. 08.04.2011; опубл.
07.07.2011. – 1 с.
15
в других изданиях:
7. Почекуев, Е.Н. Программа для проектирования разделительных штампов вырубки
листовых заготовок для NX Siemens PLM Software / Е.Н. Почекуев, А.В. Скрипачев, П.Н.
Шенбергер // САПР и графика. - 2011. - № 12. - С. 89 - 91.
8. Почекуев, Е.Н. Проектирование штампов для последовательной листовой штамповки в
системе NX / Е.Н. Почекуев, П.А. Путеев, П.Н. Шенбергер. - Москва: ДМК Пресс, 2012. - 331
с.
9. Почекуев, Е.Н. Методы автоматизированного проектирования разделительных штампов
для холодной листовой штамповки: материалы международной научно-технической
конференции, посвященной 75-летию кафедры «Высокоэнергетические устройства
автоматических систем» / Е.Н. Почекуев, А.В. Скрипачев, П.Н. Шенбергер. – СПб.: БГТУ
«Военмех», 2009. - C. 130 - 133.
10. Почекуев, Е.Н. Формализация базы знаний процесса проектирования последовательных
разделительных штампов для вырубки листовых заготовок / Е.Н. Почекуев, П.Н. Шенбергер //
Вестник национального технического университета «ХПИ». - 2012. - № 47 (953). - С. 79 - 83.
11. Почекуев, Е.Н. Автоматизированное управление процессом проектирования
разделительных штампов для холодной листовой штамповки / Е.Н. Почекуев, А.В. Скрипачев,
П.Н. Шенбергер // Стратегическое планирование развития городов России: сборник
материалов международной научно-практической конференции. - Тольятти: ТГУ, 2010. - С. 172
- 175.
12. Почекуев,
Е.Н.
Разработка
прикладного
программного
обеспечения
для
автоматизированного проектирования последовательных штампов / Е.Н. Почекуев, П.Н.
Шенбергер, П.А. Путеев, И.Б. Федотов // Самарский инновационный форум субъектов малого
и среднего предпринимательства, посвященный Году Российской истории, - Самара: ООО
«БМП и К», 2012. - С. 25 - 26.
13. Почекуев, Е.Н. Формирование базы знаний для автоматизированной системы
проектирования разделительных штампов вырубки листовых заготовок / Е.Н. Почекуев, П.Н.
Шенбергер // Молодежь - машиностроению: VIII студенческая научно-техническая
конференция. – Тольятти: ТГУ, 2012. - С. 118-122.
14. Почекуев, Е.Н. Поисковое проектирование конструкций последовательных
разделительных штампов для листовой штамповки / Е.Н. Почекуев, П.Н. Шенбергер //
Теплофизические
и
технологические
аспекты
повышения
эффективности
машиностроительного производства: труды IV международной научно-технической
конференции (Резниковские чтения). – Тольятти: ТГУ, 2015. - С. 387 - 391.
15. Почекуев, Е.Н. Исследование процесса резки тонколистового материала / Е.Н. Почекуев,
П.Н. Шенбергер // Инженерные системы - 2017: труды международного форума. – М:
Инжиниринговая компания «ТЕСИС», 2017. С. 196 - 209.
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа