Введение к работе
Актуальность темы. Основным направлением повышения эффективности процессов обработки металлов давлением является комплексная автоматизация всех этапов технологической подготовки производства. Цена ошибки в выборе варианта технологического процесса велика вследствие больших затрат на изготовление оснастки, приспособлений, приобретение оборудования и срыва сроков изготовления изделия. На предприятиях мелкосерийного и единичного производства, на которые приходится 75-80 % машиностроительной продукции, отработка технологии опытным путем приводит к низкой производительности труда в целом.
При изготовлении осесимметричных деталей в мелкосерийном и единичном производстве перспективной технологией является ротационная вытяжка - процесс локального циклического деформирования вращающейся плоской или полой заготовки деформирующим инструментом в виде одного или нескольких роликов. Процесс ротационной вытяжки в достаточной степени поддается автоматизации, потому что используется оборудование, по своей кинематической схеме и системе управления сходное с универсальными металлорежущими станками токарно-фрезерной группы, и возможно совмещение нескольких операций на одном оборудовании вплоть до изготовления готовой детали. Кроме того, это оборудование достаточно универсально и позволяет изготавливать детали различной сложной формы и размеров. Другими достоинствами ротационной вытяжки являются.
сравнительно простая и, следовательно, не дорогая оснастка и инструмент;
достижение значительно больших пласпгческих деформаций по сравнению с другими операциями холодной листовой штамповки;
малая энергоемкость и мощность оборудования;
формообразование деталей из труднодеформируемых сплавов без нагрева;
осуществление локального нагрева очага пластической деформации;
совмещение на одном станке с одной установки основных и вспомогательных операций (выглаживание поверхности, подрезка фланца, отрезка припуска или донышка, загиб или завивка кромок, зиговка и др.);
совмещение в одном автоматизированном цикле нескольких основных операций (вытяжка, раскатка, обжим, раздача, отбортовка);
получение детали с заданным переменным сечением стенок;
обработка деталей из листовой, штампованной, кованной, литой или сварной заготовки, при этом улучшается структура металла;
регулировка точности обработки соответствующим выбором режимов обработки;
достижение высокой чистоты поверхности, не требующей финишных операций.
В экономическом отношении преимущества ротационной вытяжки следующие:
сравнительно небольшие временные и материальные затраты на подготовку производства;
высокая экономическая эффективность при изготовлении деталей малыми сериями;
сокращение цикла обработки деталей и снижение себестоимости за счет сокращения числа переходов и концентрации операций на одном рабочем месте;
высокий коэффициент использования металла;
быстрая перенастройка на выпуск новых деталей;
высокая степень автоматизации ротационной вытяжки на автоматизированном оборудовании, позволяющая эффективно использовать процесс в массовом производстве.
Однако, несмотря на очевидные положительные качества ротационной вытяжки, этот процесс не получил достаточно широкого распространения, хотя данный способ обработки металлов известен очень давно. Этот парадокс объясняется тем, что процесс ротационной вытяжки зависит от большого числа параметров, изменяющихся во времени. Поэтому, чтобы добиться стабильности изготовления детали без возникновения технологических отказов, необходимо иметь высокую квалификацию, основанную на опыте. Систематизированных исследований в области технологии ротационной вытяжки проводилось явно недостаточно. Технология изготовления конкретной детали на производстве обычно отрабатывается опытным путем. При этом не всегда получается деталь с заданными размерными характеристиками, что приводит к необходимости коренным образом изменять технологический процесс.
Таким образом, эффективность применения технологии ротационной вытяжки снижается из-за отсутствия расчетных методов проектирования процессов ротационной вытяжки, прогнозирования технологических отка-
зов и управления технологическим оборудованием. Решением этой проблемы может быть математическое моделирование процесса ротационной вытяжки, основанное на теоретическом или экспериментальном исследовании механики формообразования деталей. Имея математическую модель, можно на основе имитационного эксперимента проанализировать различные варианты технологии и выбрать оптимальный, обеспечивающий заданные параметры детали и максимальную эффективность производства.
Работа выполнена в соответствии с комплексной программой "Авиационная технология", утвержденной Минвузом РСФСР и МАП, планами госбюджетных НИР : ГБ 86.09 «Оптимизация технологических операций и элементов конструкций»; ГБ 91.02 «Автоматизированное проектирование операций и элементов конструкций» кафедры "Прикладная механика" Воронежского Государственного технического университета.
Цель работы. Создание комплекса расчетных методов, методик и программного обеспечения проектирования процессов ротационной вытяжки из листовых и трубчатых заготовок и повышение эффективности технологии на основе математического моделирования.
Методы исследования. Для решения поставленной проблемы применены экспериментальные и теоретические методы исследования. Разработаны методики определения деформированного состояния в процессе ротационной вытяжки с использованием метода сеток. В экспериментах использовались давильные станки фирмы Leifeld: APED-300, CNC-400, PLB-1600; обрабатывающий центр ХОМА-ОК-01, станок фирмы Metal-form марки 600, разрывная машина Р-20, инструментальный микроскоп БИМ-1 и специальные устройства, описанные в диссертации. Аналитическое решение задачи определения деформированного и напряженного состояния оболочки в процессе обработки осуществляется на основе теории пластичности трансверсально-изотропного жестко-пластического материала с изотропным упрочнением. Аналитические и численные алгоритмы и экспериментальные зависимости являются основой системы автоматизированного проектирования технологии ротационной вытяжки, разработанной для персональных компьютеров типа ШМ PC.
Научная новизна. Изучено деформированное состояние заготовки в процессе обработки ротационной вытяжкой с утонением и без преднамеренного утонения. Разработаны математические модели операций вытяжки всех основных типов деталей, обжима и отбортовки.
Созданы математические модели основных видов технологических отказов: потери устойчивости пластического деформирования в форме локализации деформации и гофрообразования; разрушения; достижения предельных энерго-силовых параметров. Установлено влияние основных параметров процесса и инструмента на деформированное состояние заготовки. Получено аналитическое решение задачи распределения деформаций. Прогнозирование технологических отказов с определением коэффициентов запасов на любой стадии обработки и учет изменения свойств металла позволяет предсказывать характеристики детали до ее изготовления. Таким образом, представляется возможность планировать качество деталей.
Практическая ценность. Применение математических моделей операций и технологических отказов, полученных в работе, позволяет анализировать поведение материала заготовки в процессе обработки и осуществлять модельный эксперимент процесса. Это дает возможность осуществлять анализ конструкции детали на технологичность, сократить время отладки технологии, выбрать близкий к оптимальному технологический процесс. Разработанная система автоматизированного проектирования используется при подготовке производства деталей ротационной вытяжкой на промышленных предприятиях.
Внедрение результатов. Система проектирования технологического процесса ротационной вытяжки RWS внедрена в 1991 году в Научно-исследовательском институте авиационной технологии и организации производства (НИАТ) и совместном советско-германском станкостроительном предприятии ХОМАТЕК, в 1990 году система расчета ступенчатых деталей внедрена во Всесоюзном институте легких сплавов (ВИЛС), система RWS внедрена с 1993 года в Воронежском акционерном самолетостроительном обществе, в 1995 г. на Воронежском механическом заводе внедрена система RWS и методика проектирования управления давильным станком APED-1200. С помощью системы RWS спроектирован ряд технологических процессов для серийного изготовления различных деталей. Акты внедрения приведены в диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту: модели технологических операций ротационной вытяжки; модели технологических отказов при ротационной вытяжке; модели инструмента;
методика проектирования технологического процесса; модели управления технологическим оборудованием; результаты экспериментального исследования процессов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на республиканской научно-технической конференции «Вопросы развития технологии, оборудования и автоматизации кузнечно-штамповочного производства» (г.Тула, 1989г.); на первой всесоюзной школе-конференции "Математическое моделирование в машиностроении" (г.Куйбышев, 1990г.); на научно-технической конференции "Новые разработки в холодно-штамповочном производстве" (г. Санкт-Петербург, 1991г.); на межотраслевом семинаре "Прогрессивные технологии и оборудование для изготовления тонкостенных изделий" (г.Москва, 1992 г.); на Всероссийской научно-технической конференции "Эффективные технологические процессы листовой штамповки" (г.Москва, 1993г.); в школе-семинаре механиков "Современные проблемы механики и матемапгческой физики" (г.Воронеж, 1994г.); на Всероссийской научно-технической конференции "Оборудование и процессы обработки давлением" (г.Москва, МГТУ, 1995г.); на международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии" (г.Орел, ОрелГТУ, 1995г.); на научно-технических конференциях Воронежского Государственного технического университета(1989-1996 гг.).
Система расчета операций ротационной вытяжки с утонением и без преднамеренного утонения и интегрированная технология изготовления деталей, рассчитанная с помощью этой системы экспонировались на международной станкостроительной выставке ЕМО-9 в г.Парижс (1991 г. ) в составе обрабатывающего центра ХОМА-ОК-01, на международных выставках "Автоматизация-89" (г.Москва, 1989 г.) и "Технология-90" (г.Москва, 1990 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей, отраслевые методические материалы, учебное пособие и 9 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, выводов, списка литературы и приложений, содержит 290 страниц текста, 184 рисунка, 18 таблиц и список литературы из 209 наименований. Общий объем работы 460 страниц.