Введение к работе
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 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, 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 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 напряженно-
деформированного 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.
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.
Область исследования соответствует п.1 «Закономерности деформирования материалов и повышения их качества при различных термомеханических режимах, установление оптимальных режимов обработки», п. 5 «Методы оценки напряженного и деформированного состояния и способы увеличения жесткости, прочности и стойкости штампового инструмента» и п. 6 «Оптимизация конструкций разрабатываемых кузнечных, прессовых, штамповочных и прокатных машин, их взаимосвязь со средствами автоматизации и механизации» областей исследования паспорта специальности 05.02.09 – Технологии и машины обработки давлением.
Объект исследования. Процесс получения тонколистовых крупногабаритных заготовок из низкоуглеродистых сталей, а также процедура проектирования крупногабаритных последовательных разделительных штампов.
Предмет исследования. Закономерности деформирования тонколистовых материалов, а также способы увеличения жесткости штамповой оснастки и процесс ее проектирования.
Целью диссертационной работы является совершенствование разделительных операций изготовления тонколистовых 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:
-
Разработать расчетную конечно-элементную модель процесса разделительной операции для тонколистового материала, отражающую основные особенности исследуемого процесса.
-
Провести анализ результатов численного моделирования и экспериментального исследования с позиции повышения качества поверхности реза и подтверждения адекватности расчетной конечно-элементной модели.
-
Разработать метод оценки влияния зазоров и жесткости системы «заготовка – рабочий инструмент – штамп – пресс» на качество профиля реза в среде численного моделирования.
-
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.
Научная новизна работы:
-
Разработана расчетная конечно-элементная модель и методика численного прогнозирования качества профиля реза тонколистовых заготовок.
-
Создан метод формализации процесса проектирования конструкции штампа последовательного действия на основе структурно-иерархического описания штамповой оснастки и разработки ее математической модели.
-
Предложен численный метод оценки влияния зазоров и жесткости системы «заготовка – рабочий инструмент – штамп – пресс» на качество профиля реза.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
-
В применении методики определения величины оптимальных зазоров между рабочим инструментом для низкоуглеродистых тонколистовых сталей на основе численного эксперимента.
-
В использовании показателей жесткости системы «заготовка – рабочий инструмент – штамп – пресс» при проектировании оснастки с целью изготовления тонколистовых заготовок без дефектов поверхности реза.
-
В использовании разработанного программного обеспечения и электронных баз данных типовых элементов для проектирования последовательных разделительных штампов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика численного прогнозирования качества профиля реза тонколистовых заготовок.
-
Метод оценки влияния зазоров и жесткости системы «заготовка – рабочий инструмент – штамп – пресс» на качество профиля реза.
-
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.
Методы исследований: метод конечно-элементного анализа; методика исследований профиля реза тонколистового материала с применением лазерного микроскопа; методы структурно-функционального, системного, морфологического и конструктивного анализа, структурного синтеза, методы логики и теории множеств; методы 3D-моделирования и создания структурированных сборочных единиц в CAD-системах САПР.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции, посвященной стратегическому планированию развития городов России (г. Тольятти, 2010 г.); Техническом совещании производства технологического оборудования и оснастки (ПТОО) ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти, 2011 г.); Самарском инновационном форуме субъектов малого
и среднего предпринимательства (2012 г.); Научно-практической 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.); Международном форуме «Инженерные системы - 2017» (г. Москва, 2017 г.).
Разработанный прикладной пакет программного обеспечения внедрен на предприятии ООО «Волжский машиностроительный завод» в производстве пресс-форм и штампов (г. Тольятти).
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 (133 наименований) и 5 приложений. Основной текст работы изложен на 140 страницах печатного текста, содержит 97 рисунков и 3 таблицы.