автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка методов и средств обеспечения автоматизированного технологического процесса изготовления равнотолщинных оболочек двояковыпуклой формы способами обтяжки

ВВЕДЕНИЕ.

1. Аналитический обзор.

1.1. Классификация типовых геометрических форм деталей оболочек двойной кривизны.

1.2. Анализ существующих способов обтяжки и обтяжного оборудования.

1.3. Анализ методик расчета параметров процесса обтяжки.

1.4. Обеспечение точности и однозначности получения геометрических характеристик оболочки.

1.5. Проблемы комплексной автоматизации.

1.6. Обзор современных систем контроля и управления оборудованием.

1.7. Выводы к аналитическому обзору.

2. Разработка методов и средств обеспечения автоматизированного процесса формообразования оболочки.

2.1. Разработка метода параметрического представления поверхности оболочки в главных направлениях.

2.2. Установление допустимого формоизменения материала заготовки.

2.3.Разработка способов получения обтяжкой равнотолщинной оболочки.

2.4. Разработка метода контроля за деформациями.

3. Методика расчета напряженно-деформированного состояния.

3.1. Схема расчета, гипотезы, допущения и основные уравнения.

3.2. Нестационарный этап формообразования.

3.3. Этап избыточного деформирования.

4. Результаты экспериментальных исследований.

5. Модернизация и автоматизация обтяжного пресса ОП-3.

Актуальность проблемы. Современные самолеты и вертолеты проектируют и производят с учетом высоких требований к безопасности полетов. Эти требования связаны с разработкой новых технологических и технических решений, которые необходимы для улучшения эксплуатационных характеристик летательного аппарата (JIA).

Для наружных обшивок JIA эти требования связаны в первую очередь с получением деталей оболочек постоянной толщины.

Проблема заключается в том, что разработка технологического процесса получения равнотолщинной оболочки представляет сложную, до сих пор нерешенную задачу. Это связано с отсутствием способов получения обтяжкой равнотолщинной оболочки, несовершенством метода размерной увязки поверхностей обшивки и обтяжного пуансона, отсутствием метода расчета технологических параметров с учетом особенности геометрической формы оболочки и механических свойств анизотропной листовой заготовки, несовершенством связей в программно-технических и информационных средствах обеспечения автоматизированного технологического процесса обтяжки.

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств обеспечения автоматизированного технологического процесса изготовления равнотолщинных оболочек двояковыпуклой формы способами обтяжки.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1) разработать способы получения обтяжкой равнотолщинной оболочки двояковыпуклой формы;

2) создать математическую модель процесса формообразования обтяжкой;

3) составить программы расчета на ЭВМ основных технологических параметров;

4) усовершенствовать метод размерной увязки поверхностей оболочки и обтяжного пуансона;

5) разработать средства механизации и автоматизации обтяжного пресса ОП-3;

6) внедрить автоматизированную систему управления технологическим процессом обтяжки.

Для решения поставленных задач в работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования процессов пластического деформирования листовых анизотропных материалов. Теоретические исследования основаны на безмоментной теории пластического деформирования оболочек с использованием метода последовательного приближения. Экспериментальные исследования проводились на натурных деталях.

Научная новизна. Разработана методика для проектирования технологических процессов изготовления равнотолщинных оболочек двояковыпуклой формы способами обтяжки с учетом анизотропии свойств листовых заготовок, нелинейного упрочнения материала, внешнего трения и геометрической формы детали. Она позволяет установить зависимости между входными и выходными данными управляемого технологического процесса обтяжки, включающего:

- новые способы обтяжки;

- математическую модель формообразования;

- метод размерной увязки поверхностей оболочки и обтяжного пуансона на основе нового параметрического представления.

Практическое значение. Разработанная методика проектирования технологии получения обтяжкой равнотолщинных оболочек позволяет эффективно управлять процессом на стадии проектирования и изготовления деталей на прессе ОП-3. Это даёт возможность уменьшить количество шаблонов, снизить число переходов, рационально использовать анизотропию листового материала и расширить возможности, используемых на авиационном предприятии, CAD/CAM систем (Unigraphics, Solid Edge) путем включения в них разработанных программно-методических комплексов.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы представлены в виде программно-методических комплексов, автоматизированного рабочего места, модернизированного и автоматизированного обтяжного пресса ОП-3, и внедрены на Кумертауском государственном авиационном производственном предприятии при серийном освоении и запуске гражданского вертолета Ка-226 и специализированного вертолета Ка-31.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на четырех международных, всесоюзных и региональных семинарах и конференциях.

Публикации. Основное содержание работы изложено в девяти статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложения. Работа выполнена на 152 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 9 таблиц и приложения. Список использованной литературы содержит 76 наименований.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Выполненные в работе исследования и их результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. Существует возможность получения обтяжкой равнотолщинных оболочек двояковыпуклой формы. Это позволило удовлетворить как эксплуатационные требования, так и интенсифицировать процесс деформирования анизотропной листовой заготовки.

2. На основе анализа напряженно-деформированного состояния разработана процедура расчёта технологических параметров для контроля и управления способами обтяжки, обеспечивающих получение оболочки с постоянной толщиной.

3. Использование размерной увязки на основе метода параметрического представления поверхностей в главных направлениях позволило определить рабочую поверхность обтяжного пуансона, направление одной из главных кривизн которой совмещено с направлением приложения сил при обтяжке.

4. Разработанные методы и средства обеспечения автоматизированного технологического процесса получения равнотолщинных оболочек двояковыпуклой формы позволили выполнить модернизацию и автоматизацию обтяжного пресса ОП-3 с использованием сетевых информационных технологий и расширить возможности используемых на предприятии CAD/CAM систем, таких как, Unigrafics и Solid Edge.

5. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение позволяет реализовать информационные функции нижнего и верхнего уровня, используя SCADA и CASE инструменты, такие как, Lab VIEW RT и ISaGRAF - системы и обеспечить управление загруженными в ПЛК SMART2 приложениями в сетевом стандарте MODBUS.

6. Результаты диссертационной работы реализованы в виде методических материалов, автоматизированного рабочего места и системы автоматизации обтяжного пресса и внедрены на Кумертаусском государственном авиационно-производственном предприятии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в работе исследования и внедрение на серийном заводе методик и программ по автоматизации расчета геометрической информации внешних обводов планера и контуров обводообразующей оснастки, а также модернизация и автоматизация специализированного обтяжного пресса при сетевом взаимодействии с ЭВМ верхнего уровня подтвердили эффективность использования электронно-вычислительной техники и оборудования сЧПУ при освоении способов обтяжки равнотолщинных оболочек.

В этих условиях было найдено единство подхода в выборе базовой CAD/CAM системы ОКБ и серийного завода. Очень хорошо себя зарекомендовала система Unigrafics и наряду с ней Solid Edge система.

Использование электронного описания вертолетов Ка-226 и Ка-31 показал, что появилась возможность сокращения сроков освоения в 2 раза, сокращение времени решения вопросов конструктивно-технологической отработки на 60 %, уменьшение затрат на оснащение на 70 %, снижение технологической себестоимости деталей в 3 раза и повышение качества получаемых деталей по основным геометрическим характеристикам.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях /68,69,70,71,72,73,74,75,76/.

1. Громова А.Н., Завьялова В.И., Коробов В.К. Изготовление деталей из листов и профилей при серийном производстве. М.: Оборонгиз, 1960. - 340 с.

2. Громова А.Н. Исследование процесса формообразования обтяжкой листовых оболочек. Труды /НИАТ, 1962, №145, - 141с.

3. Громова А.Н. Заготовительно-штамповочные работы в самолетостроении. М.: Оборонгиз, 1947. - 380 с.

4. Громова А.Н., Солдатов М.В., Струнина Н.А. Новый комбинированный пресс для изготовления обшивок. Авиационная промышленность, 1957, №6, с.20-25.

5. Абрамов A.M. Исследование процесса формообразования оболочек с замкнутым контуром растяжением. // Труды НИАТ. М., 1960. -Вып.135., с. 15-17.

6. Абрамов A.M. Исследование процесса формообразования оболочек замкнутых контуров растяжением. // Новое в технологии штамповки. М., 1966. - Вып.65., с. 60-86.

7. Григорьев В.П. Технология самолетостроения. М.: Оборонгиз, 1960.-552с.

8. Громова А.Н. Заготовительно-штамповочные работы в самолетостроении. -М.: Оборонгиз, 1957. 380 с.

9. Мошнин Е.Н., Гибка, обтяжка и правка на прессах. М.: Машгиз, 1959 г.

10. Сорокин И.Н., Сапаровский С.В. Обтяжка листовых материалов с применением вибраций. // Новое в технике. Куйбышев, 1964. - 68 с.

11. American Machinist. 1984, vol. 128,№9, p.61.

12. American Machinist. 1985, vol. 129,№10, p.91-94.

13. Metal Stamping. 1988, vol.22, №2, p.3-13.

14. Технология формообразования обшивок методом поперечной обтяжки на прессах ЧПУ // ПИ 1.4.1454-85.НИАТ М., 1986. - 143с.

15. Технология и оборудование для формообразования обшивок одинарной и двойной кривизны. // Реферативная подборка по материалам зарубежной печати. НИАТ М., 1988. - 28с.

16. Design News. 1983. vol.29, №21, p. 16.

17. Sheet Metal Industries. 1984. vol.61, №2, p.74-75.

18. Технология формообразования обшивок методом продольной обтяжки на растяжно-обтяжных прессах типа РО // ПИ 1.4.1854-88.НИАТ М., 1989. - 103с.

19. Кочетков А.В., Бржозовский Б.М., Челпанов И.В. Способы формирования управляющих программ при изготовлении сложнопрофильных деталей на технологических роботах гибки с растяжением // Кузнечно-штамповочное оборудование. 1988. №5. с.18-21.

20. Одинг С.С., Максименков В.И. Определение коэффициента трения при формообразовании осесимметричной оболочки. // Изв. вузов: Машиностроение. 1984. - №8. с.23-27.

21. Одинг С.С. Управление процессом формообразования обшивок двойной кривизны на обтяжном оборудовании с программным управлением.// Изв. вузов: Авиационная техника. 1987. - №3. с.47-51, №4. с.39-43.

22. Технология и оборудование для формообразования обшивок одинарной и двойной кривизны // Реферативная подборка по материалам зарубежной печати.: М., НИАТ, 1988 - 28с.

23. Баскаков С.Т., Одинг С.С., Максименков В.И., Майника Н.А. Исследование пружинения листовых материалов при операциях обтяжки. // М.: Труды НИАТ. 1978. - №379. - 15с.

24. Арышенский Ю.М., Гречников Ф.В. Теория и расчеты пластического формоизменения анизотропных материалов. М.: Металлургия, 1990. - 304 с.

25. Гречников Ф.В. Деформирование анизотропных материалов. -М.: Машиностроение, 1998. 448с.

26. Чистяков В.П. Теоретические основы процесса обтяжки // Известия Вузов: Машиностроение, 1981. № 4. - С. 127-132.

27. Чистяков В.П. Математическая модель процесса обтяжки осесимметричных обшивок // Известия Вузов: Машиностроение, 1982.- № 11. С. 17-21.

28. Чистяков В.П. Теория и технология процессов обтяжки. // Куйб. авиац. ин-т. 1981. - 150 с. - Деп. в ВИНИТИ 7.09.81.

29. Михеев В. А. Интенсификация процесса обтяжки деталей вогнутых форм двойной кривизны. // Куийб. авиац. ин-т. 1981. - 8 с. -Деп. в ВИНИТИ 18.03.81, № 1909.

30. Михеев В.А. Влияние геометрии и коэффициента трения при формообразовании кольцевых обечаек вогнутой формы. // Куийб. авиац. ин-т. Куйбышев, 1984. - Деп. в ЦНИИ цветмет экономики и информации 17.02.84, № 1053.

31. Михеев В.А., Чистяков В.П. Методика анализа процессов обтяжки вогнутых обшивок. // Куийб. авиац. ин-т. Куйбышев, 1984. -12 с. Деп. в ВИНИТИ 27.04.84, № 2719.

32. Матвеев А.Д., Технологические параметры операции обтяжки с растяжением при штамповке автокузовных деталей // Обработка металлов давлением в автомобилестроении: Межвузовский сборник. -М.:МАМИ. 1978. -Вып. №1. - С. 31-39.

33. Ковка и штамповка. Справочник. Под редакцией А. Д. Матвеева.- М.: Машиностроение., 1987. Том № 4. - С. 174-190.

34. А.С. 1680409 СССР, МКл2 В 21 Д 11/20. Способ формообразования деталей двойной кривизны / Ю. А. Афиногенов, А.

35. М. Каврижных и В. М. Жигалкин (СССР). № 4711848/27; - Заявлено 29.06.89.; Опубл. 30.09.91, Бюл. № 36. - 6 с.

36. А.С. 893320 СССР, МКл2 В 21 Д 11/20. Способ построения поверхности обтяжного пуансона / В.И. Максименков и А.И. Жиляев (СССР). № 2823794/25-27; - Заявлено 05.10.79; Опубл. 30.12.81. Бюл. № 48. - 4 с.

37. А.С. 1261168 РФ, МКл2 В 21 Д 11/20. Обтяжной пуансон / В.И. Максименков, А.И. Жиляев (РФ). № 3798076/27; - Заявлено 11.09.94; Опубл. 20.09.96, Бюл. № 26. - 4 с.

38. А.С. 2002537 Р.Ф., МКл2 В 21 Д 11/20. Способ формообразования листовых деталей двойной кривизны и устройства для его осуществления / В.И. Максименков (Р.Ф.)- № 5026875/27; -Заявлено 11.02.92; Опубл. 15.11.93, Бюл. № 41-42. - 5 с.

39. Лысов М.И., Комарова Л.Г. Расчет напряженно-деформированного состояния при обтяжке листовых деталей с дифференциальным растяжением. // Изв.вузов: Авиационная техника. -1987. №2. с55-60.

40. А.С. 1606230 СССР, МКл2 В 21 Д 11/20. Способ изготовления деталей двойной кривизны / Л.Г. Комарова, М.И. Лысов и В.Н. Мацнев (СССР). № 4468009/31-27; - Заявлено 29.07.88; Опубл. 15.11.90, Бюл. № 42. - 6 с.

41. А.С. 1690901 СССР, МКл2 В 21 Д 11/20. Способ изготовления деталей двойной кривизны и обтяжной пресс для его осуществления / Л.Г. Комарова, М.И. Лысов и В.Н. Мацнев (СССР). № 4722256/27; -Заявлено 24.07.89; Опубл. 15.11.91, Бюл. № 42. - 7 с.

42. Чистяков В.П., Юшков А.В. Особенности формообразования обтяжкой деталей сложных форм из труднодеформируемых сплавов. -В сб.: Стали и сплавы цветных металлов. Куйбышев. Куиб. авиац. инт., 1974.-С 34-39.

43. А.С. 707647 СССР, МКл2 В 21 Д 11/20. Способ обтяжки при формообразовании деталей двойной кривизны / В.П. Чистяков, Е.В. Чистяков (СССР). № 2459522/25-27; - Заявлено 04.03.77; Опубл. 30.04.79, Бюл. № 1. - 2с.:ил.

44. Чистяков В.П., Михеев В.А. Интенсификация процессов обтяжки деталей обшивок летательных аппаратов двойной кривизны.// Вопросы пластического формоизменения при производстве летательных аппаратов: Межвузовский сборник. Куйбышев, 1979. - с.90-96.

45. А.С. 659238 СССР, МКл2 В 21 Д 11/20. Способ формообразования деталей двойной кривизны / В.П. Чистяков, В.А. Михеев, Е.В. Чистяков (СССР). № 2459522/25-27; - Заявлено 04.03.77; Опубл. 30.04.79, Бюл. № 1. - 2с.:ил.

46. Григорьев В.П. Взаимозаменяемость агрегатов в самолетостроении. М., Машиностроение, 1969, 258с.

47. Пытьев П.Я. Технологические методы обеспечения взаимозаменяемости элементов конструкции летательных аппаратов и увязка технологической оснастки // Куйбышев. : Труды КуАИ, Учеб.пособие. 1989. - 90с.

48. Автоматизация процессов подготовки авиационного производства на базе ЭВМ и оборудования с ЧПУ / В.А. Вайсбург, Б.А.Медведев и др. М.: Машиностроение, 1985. - 216с.

49. Современные технологии авиастроения / Под ред. А.Г.Братухина и Ю.Л.Иванова. М.: Машиностроение, 1999. - 832 с.

50. Чистяков В.П. Точностные параметры процесса обтяжки деталей двойной кривизны. // Вопросы пластического формоизменения при производстве летательных аппаратов: Межвузовский сборник. -Куйбышев, 1979.-с. 119-125.

51. Михеев В.А. Формообразование методом обтяжки обшивок знакопеременной кривизны летательных аппаратов и автоматизацияпроектирования технологического процесса: Дисс. Канд.техн.наук. -Куйбышев, 1987. 239с.

52. Математика и САПР. Под редакцией Н.Г. Волкова. Перевод с франц. С.Д. Читря. М.: Мир, 1988. - 2 книги. - С. 100-210.

53. А. Фокс, М. Пратт. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве. М.: Мир, 1982. - 304 с.

54. Завьялов Ю.С., Jleyc В.А., Скороспелов В.А. Сплайны в инженерной геометрии. -М.: Машиностроение, 1985. 224с.

55. Д. Роджерс, Дж. Адаме. Математические основы машинной графики. М.: Мир, 2001. - 604 с.

56. Forrest A. R. On the Rendering of Surfaces. Сотр. Graph., Vol. 13, pp. 253-259, 1979.

57. Филин А.П. Элементы теории оболочек. JI.: Стройиздат, 1987. -384 с.

58. Шпур Т., Ф.-Л.Краузе. Автоматизированное проектирование в машиностроении / Пер. с нем. Г.Д.Волковой и др. М.: Машиностроение, 1988. -648с.

59. Лычев В.Ф. Основы методологии эксплуатации и внедрения САПР ТП ХШ на машиностроительных предприятиях. // Авиационная промышленность. 1992. №1. - Зс.

60. Одинг С.С., Некрасов Ю.В. Компьютерное управление процессом формообразования методом продольной обтяжки // Кузнечно\штамповочное оборудование. 1996. №3. - с.20-23.

61. Управление технологическими системами / И.В. Абрамов, В.Н. Брюханов, А.Г. Схиртиадзе и др. Ижевс:Иж.ГТУ, 1995. 305с.

62. Теория автоматического управления / Под редакцией Ю.М. Соломенцева. М.: Высшая школа, 1999. - 268 с.

63. Чистяков В.П. Автоматизация процессов обтяжки // КуАИ. Конспект лекций. Куйбышев, 1981. - 42с.

64. Голденвейзер A.JI. Теория упругих тонких оболочек. М.: Наука, 1976.-512 с.

65. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. М.: Металлургиздат, 1961. Т. 1. - 367 с.

66. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1968. -263 с.

67. Томленов А. Д. Механика процессов обработки металлов давлением. М., Машгиз, 1963. - 284с.

68. Михеев В.А., Малышев Б.С. Формообразование обтяжкой оболочек знакопеременной кривизны на модернизированном прессе ОП ЗМ // Актуальные проблемы производства. Технология, организация, управление: Сборник научных трудов. - Самара: СГАУ, 1997. - С.12 - 17.

69. Малышев Б.С., Михеев В.А. Модернизированный обтяжной пресс ОП 3 // Проблемы пластичности в технологии: Материалы международной научно - технической конференции / Орел, 1998. - С. 67-68.

70. Михеев В.А., Гречников Ф.В., Попов И.П., Малышев Б.С. Применение коэффициентов анизотропии как показателей качества листовых материалов // Кузнечно штамповое производство. - 2000. -№2-С. 9- 13.

71. Гречников Ф.В., Малышев Б.С., Михеев В.А., Попов И.П. Автоматизированный процесс обтяжки крупногабаритных обшивок на прессах РО 630 и РО - 1600 // Актуальные проблемы производства.

72. Технология, организация, управление: Сборник научных трудов. -Самара: СГАУ, 1997. С.5 - 11.