автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Деформируемость станин открытых прессов, разработка методики расчета и оптимизация конструкции

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Конструкция станин открытых однокривошипных двухстоечных прессов (ООДП).

2.2 Силовые условия деформации станин ООДП.

2.3 Геометрические характеристики деформируемости станин ООДП.

2.4 Влияние жесткости станины ООДП на жесткость и точность системы пресс-штамп.

2.5 Методы расчета станин ООДП.

2.6 Способы повышения жесткости станин ООДП и точности системы пресс-штамп.

2.7 Критерии работоспособности и качества конструкции станин ООДП.

2.8 Выводы по обзору состояния вопроса.

2.9 Задачи исследования.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ СТАНИНЫ

И СИСТЕМЫ ПРЕСС-ШТАМП ОТКРЫТЫХ ПРЕССОВ.

3.1 Разработка модели деформации и принятые допущения.

3.2 Деформации станины ООДП.

3.3 Деформируемость системы пресс-штамп.

3.3.1. Деформируемость системы без учета перекоса ползуна и деформаций кривошипно-шатунного механизма.

3.3.2. Влияние перекоса ползуна на точность взаимоположенкя инструмента.

3.3.3. Общие деформации системы пресс-штамп.

3.4 Методика нормирования жесткости станин и системы пресс-штамп ООДП.

3.5 Выводы по разделу.

4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТАНИН ОТКРЫТЫХ ОДНОКРИВОШШНЫХ

ДВУХСТОЕЧНЫХ ПРЕССОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1 Алгоритм метода конечных элементов в форме метода перемещений.

4.2 Разработка программы для расчета станин ООДП методом конечных элементов.

4.3 Блок-схемы программы fine и комментарии к ним.

4.3.1. Основная программа.

4.3.2. Подпрограмма ввода данных FINE IN

4.3.3. Подпрограмма вычисления констант

F1NECN

4.3.4. Подпрограмма формирования общей матрицы жесткости FINEFM.

4.3.5. Подпрограмма формирования матрицы жесткости треугольного элемента FINETR

4.3.6. Подпрограмма формирования матрицы жесткости прямоугольного элемента

FINERC.

4.3.7. Подпрограмма решения системы линейных уравнений FINEQS

4.3.8. Подпрограмма вычисления напряжений и вывода результатов FINE0U

4.4. Проверка точности работы программы.

4.5. Подготовка расчетной схемы станины ООДП.

4.6 Расчет станин ООДП методом конечных элементов.

4.7 Анализ результатов расчетов.

4.8 Выводы по разделу.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1 Методика экспериментальных исследований.

5.1.1. Методика тензометрических исследований.

5.1.2. Методика определения характеристик деформируемости станины.

5.1.3. Методика определения несоосности штампового инструмента.

5.2 Анализ результатов экспериментов.

5.2.1. Проверка точности расчета станины ООДП методом конечных элементов.

5.2.2. Зависимость несоосности штампового инструмента от условий работы системы пресс-штамп.

5.3 Выводы по разделу.

6. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СТАНИН ООДП.

6.1 Постановка задачи оптимизации.

6.2 Методика оптимизации.

6.3 Анализ результатов оптимизации.

6.3.1. Оптимизация распределения металла по опасным сечениям станины.

6.3.2. Оптимизация распределения металла по стойке станины.

6.4 Рекомендации по снижению металлоемкости станин ООДП.

6.5 Выводы по разделу.

7. ВЫВОДЫ.

Принятые ХХУ1 съездом КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года" предусматривают увеличение выпуска продукции машиностроения и металлообработки не менее чем на 40%, повышение производительности труда на 31-35$, опережающий рост выпуска кузнечно-прессового оборудования. Директивами партии и правительства поставлена задача ". повышения технического уровня металлообрабатывающего оборудования, снижения его материало- и энергоемкости, как важнейших требований и условий повышения эффективности всего производства" /I/.

Для кривошипных прессов, в частности открытых двухсто-ечных, первоочередными задачами научных и инженерных изысканий с целью кардинального улучшения их конструкций являются следующие /2/:

- оптимизация конструкций сложных и материалоемких базовых деталей прессов с привлечением современной методики расчета упругих систем с помощью метода конечных элементов;

- разработка методов рационирования жесткости прессов и их отдельных элементов с целью повышения точности работы, снижения энергетических затрат, повышения надежности работы.

Универсальные однокривошипные открытые прессы простого действия усилием 25-2500 кН, на долю которых приходится 7090% /3/ общего выпуска механических прессов, широко используются в листоштамповочных цехах для операций холодной листовой штамповки. Преимущества их по сравнению с закрытыми прессами заключены в удобстве обслуживания, свободном доступе к инструменту, легкости установки автоматических подач, манипуляторов и роботов для обслуживания, оснащении различными вспомогательными устройствами.

Исследованиями напряженно-деформированного состояния станин однокривошипных открытых прессов, изучением влияния уровня их жесткости на точность системы пресс-штамп и стойкость инструмента занимались советские и зарубежные ученые -Д.М.Абакшин, Г.Ф.Андронов, В.И.Власов, А.П.Качанов, В.П.Ко-коулин, В.С.Кругликов, Е.Н.Ланской, И.С.Морин, А.Н.Нистратов, А.Г.Овчинников, П.Г.Орлов, М.В.Сторожев, Н.И.Титаренко,

H.Btum, E.Doege 7 К.tTloxgenstt-cn,Н.VTlunnv.c.V», Gi.OIUjo и др.

Благодаря их работам получены данные о характере деформаций и балансе податливости станины, уровне напряжений в ней. Разработана методика расчета основных жесткостных параметров, проведено нормирование жесткости открытых прессов, даны рекомендации по повышению жесткости станин открытых прессов.

Однако существующее представление о характере деформации станин открытых двухстоечных прессов обладает и определенными недостатками. Так, принятые в настоящее время характеристики деформируемости станины - коэффициенты угловой, горизонтальной и вертикальной жесткости определены из схем, существенно упрощающих действительную картину деформации станины, при этом они не связаны с аналогичными характеристиками системы пресс-штамп и параметрами точности штампового инструмента. В связи с этим проводимые на основе известных схем деформации модернизации станин, направленные на повышение точности работы штампового инструмента, из-за несовершенства параметров жесткости, не связанных к тому же между собой аналитическими зависимостями, носят, как правило, ограниченный и приблизительный характер.

Результаты известных исследований показывают явное несоответствие распределения металла по станине и ее податливости на отдельных участках, поэтому повышение жесткости станины могло бы проводиться за счет изменения ее конфигурации и перераспределения металла при снижении ее массы. Известные методики расчета станин базируются в основном на методах сопротивления материалов и дают лишь грубое представление о напряженно-деформированном состоянии станин, вслед-ствии чего производимые на их основе изменения конструкций носят локальный характер и ведут к повышению металлоемкости станин. Более кардинальное решение возможно лишь при использовании расчетной методики, например, метода конечных элементов (МКЭ), дающей подробное и достоверное распределение напряжений и деформаций по всему телу станины и позволяющей быстро и точно вести сравнение различных конструкций с целью выбора наилучшей по заданным критериям. В этом существенную помощь могут оказать распространенные сейчас методы нелинейной оптимизации с использованием современных ЭВМ.

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния станин однокривошипных открытых двухстоечных прессов и оптимизация их конструкции на основе технико-экономических критериев с привлечением современных методов расчета и поиска и использованием ЭВМ.

В диссертационной работе проведено научно обоснованное нормирование жесткости станин открытых прессов с целью обеспечения достаточной точности работы пресса, расчет напряженно-деформированного состояния станин с помощью метода конечных элементов, исследованы возможности снижения металлоемкости станины за счет перераспределения металла в соответствии с распределением деформаций, что способствует повышению стойкости штампов.

Автор защищает:

- математическую модель деформации станины и системы пресс-штамп, основывающуюся на независимых характеристиках деформируемости станины, связанных с точностью системы пресс-штамп;

- методику расчета напряженно-деформированного состояния станин открытых прессов на основе метода конечных элементов;

- методику оптимизации конструкции станины по критерию металлоемкости при сохранении её прочностных и жесткостных качеств.

Достоверность исследования подтверждается обоснованным выбором расчетной схемы и методик, сопоставлением полученных решений с известными и хорошим согласованием с экспериментальными данными.

Проведенные исследования дают возможность оптимизировать конструкцию станин открытых прессов на стадии их проектирования, а также определять точностные возможности открытых прессов на основе характеристик их деформируемости.

Данная работа является частью исследований, проводимых на кафедре технологии и оборудования ковки и штамповки Московского станкоинструментального института в области жесткости кривошипных прессов в рамках темы по плану Министерства станкостроительной и инструментальной промышленности СССР.

7. ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ состояния исследований напряженно-деформированного состояния станин открытых однокривошипных двухстоечных прессов выявил произвольность характеристик деформируемости, недостаточную точность методов расчета, ограниченность и низкую эффективность алгоритмов оптимизации.

2. Разработана схема деформации станины и системы пресс-штамп ООДП и предложены характеристики деформируемости, описывающие влияние упругих деформаций и конструктивных размеров станины на точность работы штампового инструмента. Для предложенных характеристик выведены аналитические зависимости.

3. Определены нормы угловой и вертикальной жесткости станины и системы пресс-штамп ООДП и допускаемое смещение точки пересечения осей станины, обеспечивающие необходимую точность работы пресса.

4.Разработана методика расчета станин ООДП на основе метода конечных элементов и программа для этого. Проведен расчет станин прессов К2130Б и ВД2328, углового перехода зева станины. Получены значения деформаций и напряжений, величина концентрации напряжений в опасных участках. Методика обеспечивает высокую точность расчетов и получение обширной информации о напряженно-деформированном состоянии.

5. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили обоснованность выбора расчетной схемы станины, разработанных характеристик деформируемости, точность расчетов станины методом конечных элементов.

6'. Разработан простой и надежный способ определения смещения осей штампового инструмента в процессе штамповки, признанный изобретением. Способ может быть использован в производственных условиях.

7. Разработана методика оптимизации конструкции станины ООДП с отысканием целевой функции, учитывающей противоречивость требований повышения жесткости и снижения металлоемкости, методом случайного поиска. Проведена оптимизация распределения металла по опасным сечениям и стойкам станины, позволившая выявить резервы снижения металлоемкости на 15-20$.

8. Даны рекомендации по проектированию станин ООДП с использованием разработанных методик расчета и оптимизации. Методики прошли опытно-промышленное опробование, обеспечившее получение экономического эффекта в размере 20400 руб.

1. Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О значительном повышении технического уровня и конкурентноспособности металлообрабатывающего, литейного и деревообрабатывающего оборудования и инструмента". 18 февраля 1980 г.-Коммунист, 1980, Л 4, с. 3-8.

2. Ланской Е.Н. Перспективы развития конструкций кривошипных прессов и проблематика исследований. Кузнеч.-штамповоч. пр-во, 1981, № 8, с. 38-40.

3. Власов В.Й., Кожевников А.А., Кожевников В.А. и др. ^ти развития и совершенствования конструкций универсальных открытых прессов. Обзор. М.; НИИмаш, 1980, 68 с.4. fUox^c^eah К. \jov\ Рге^ш. — fT\ascWLVx^feau^cWJ^, ^^ ^1. JM, p. ц^-мзд.

4. Ланской Е.Н. и Силанов В.И. Корпусные (базовые) детали кузнечно-прессовых машин. В кн.: Детали машин. Насчет и конструирование / Под ред. Н.С.Ачеркана - М.: Машиностроение, 1968, т.2, с. 319-397.

5. Кривошипные кузнечно-прессовые машины. 1еория и проектирование /Под ред. В.И.Власова М.: Машиностроение, 1982, -424 с.

6. Ланской Е.Н. Исследование жесткости кривошипных двухстоеч-ных прессов открытого типа. Дисс. . канд.техн.наук. -М., 1954. - 121 с.8. ^анской Е.Н., Банкетов А.Н. Элементы расчета деталей и узлов кривошипных прессов. М.: Машиностроение, 1967. -380 с.

7. Власов В.И., Рябов В.Г. Резервы повышения точности однокривошипных прессов. Кузнеч.-пресс, машиностроение/ НИИ маш - M.t 1974, № 4, с. 10-15.ю. Runke Е. btlabtun^iwlittuna ar\ Um^oHmma&chU1. J?, j,.309-3^.

8. Исследование жесткости прессов. Экспресс-инф. Технол. и оборуд. йузнеч.-штамповоч. пр-ва, 1981, № 9, с. 5-10. -Ьое^е Е. Sialic. dynamic, stt^vus*, pies&tb cxnc\ soma ejects,hi accmcte-u o^ . CIRP

9. Абакпшн Д.М. Экспериментальные исследования напряжений и деформаций в базовых деталях кривошипных прессов. Кузнеч. -штамповоч. пр-во, 1961, № 4, с. 23-30.13. tHoWoociY\ v. Кщ'^ЛиЧ <U ^ms&es.- bull.w. . сц., m66, fl, t>- m <58.

10. Тигчас. I. Oe.iCL(itc\iL (Lx^eilvaentcxio, as>up\Q tqltoi. Hoat. mne,. a^l. ^ IW\/. Вго^оч;

11. Кокоулин В.П. Расчет несущей пластины сварной открытой станины кривошипного пресса. В кн.: Машины и технология обработки металлов давлением и литейное пр-во. Омск, 1971, с.20-31.

12. Пряхин В.А., Ткачев Г.А. Расчет станин прессов открытого типа методом сеток. Кузнеч.-штамповоч. пр-во, 1970, № 2, с.28-29.1. ЧогstattcQ. dun p<nettl. (Jout. W4QJC. aoi. <Ю*\Ъ"\л mcxs . Д9Т5 , A^Ts ь i ifрЛЗ-Аб.

13. Кузнечно-штамповочное оборудование / Под ред. А.Н.Банкетова, Е.Н.Ланского. М.: Машиностроение, 1982. - 576 с.

14. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя.: В 3 т. М.: Машиностроение, 1980. - т.1, 728 с.

15. Ланской Е.Н. Выбор рациональных размеров сечения станины прессов открытого типа. В кн.: Исследования в области штамповочного пр-ва: Сб.науч.тр./Моск.станкоинструм.ин-т.- М., Машгиз, I960, Я 5, с. 49-56.

16. Абакшин Д.М., Кокоулин В.П. Исследование жесткости системы станина-ползун-направляющие-инструмент открытого типа.- В кн.: Машины и технология обработки металлов давлением: Сб.науч.тр./Омекий политехи, ин-т Омск, 1967, № 2, с.71-88.

17. Ланской Е.Н., Назаренко Е.С., Лобанова В.Н. Нормирование жесткости однокривошипных открытых прессов простого действия. В кн.: Кузнечно-прессовые машины. Расчет, исследования, испытания: Сб.науч.тр./ЭНИКМАШ - М.:Машиностроение, 1969, № 22, с. 3-9.

18. Фейгин М.М., Кокоулин В.П. 0 выборе оптимальной угловой жесткости станин прессов открытого типа. Кузнеч.-штам-повоч. пр-во, 1966, № II, с. 31-35.

19. Титаренко Н.И. Точность системы пресс-штамповый блок. -Киев: паук.думка, 1980. 139 с.

20. Качанов А.П. Исследование влияния упругих деформаций системы пресс-штамп на стойкость инструмента при вырубкепробивке.: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. Краматорск, 1978. - 19 с.

21. ЕИЫа W.7 Wovc\ D. Ег^Ши^ dki stciti.scV\e.v\ Stelae \)ov\ . IIlaschlnejr\baut<teVmi.k

22. Жесткость однокривошипных открытых прессов усилием до 250 тс. Воронеж, ЭНЖМАШ, 1967. - 48 с.

23. Применение и исследование кривошипных прессов общего назначения. Экспресс-инф. Технол. и оборуд. кузнеч.-штам-повоч. пр-ва, 1980, № 16, с. 1-8. - Bnuih Nl.cU,Kiem

24. M.\jcm7 R«jnms»vJaal Jx.JIL LU<i Qmi feeW/loua o^ tccunbuc. "t^o. рс^гт. . Pioc. Iht.Cov^. Pxocl. E^.fW -D^l, Й7Т, VoU , QoltutU , W/60 -S/67.30. ffl<nc.i,v\loi\; ZcL КопАгиксЛ^а .

25. WcavzAvJa: Islcxukovlo -"te.cJrmai2.ne . {. 476.

26. Кокоулин В.П. Исследование жесткости станин открытых од-нокривошипных прессов.: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1967. - 21 с.

27. Михаленко Ф.П. Стойкость разделительных штампов. -М.: Машиностроение, 1976. 208 с.

28. Орлов П.Г., Коровин Л.В. Расчет станин кривошипных прессов. Кузнеч.-штамповоч.пр-во, I960, № 4, с. 26-30.

29. Копейкин A.M., Тимошкина Н.В. К вопросу о расчете станин вырубочных прессов. В кн.: Машиноведение и детали машин.: С б. науч. тр./Ярославский политехи.ин-т - Ярославль, 1974, с. 80-85.

30. Овчинников А.Г. К вопросу о расчете литых чугунных станин. В сб.науч.тр. МВТУ. - М.:Машгиз, 1955, № 48.

31. Андронов Г.Ф. Повышение прочности и жесткости станин одностоечных гидравлических прессов, Вестник машиностр., 1971, № 9, с. 65-69.

32. Воронин В.Г., Рабинович И.Б. Расчет сварных станин одностоечных прессов на жесткость. Кузнеч.-штамповоч.пр-во, 1968, № 5, с.38-41.

33. Ланской Е.Н., Андронов Г.Ф., Силанов В.И. Об учете влияния поперечных сил при расчете деформаций станин прессов. Кузнеч.-штамповоч. пр-во, 1972, № 7, с. 14-16.

34. Blum Н. Bexecbnung det QesteWue^ozmunqet von zTweistandex Exzentezp'zessen. - Ind.-Лпг.,

35. Петров В.Б., Преображенский Н.Н., Тарабасов Н.Д. Исследование напряженно-деформированного состояния в станинах прессов закрытого типа. В кн.: Расчеты на прочность.-М.: Машиностроение, 1983, вып.23, с. 48-60.

36. Монахов-Ильин Г.П. Расчет составных пластинчатых рам гидравлических прессов методом конечных элементов. -Кузнеч.-штамповоч. пр-во, 1979, №1, с. 29-32.

37. Патент 133920 (ГДР). С-образная станина пресса / К.Шатц, Х.Брукнер.

38. Патент 58923 (ПНР). С-образная станина./Й.Высоцки.

39. Патент 53-4264 (Япония). Способ повышения жесткости открытого пресса./ Ко Дайдзо.

40. Вторая всемирная выставка металлообрабатывающего оборудования 1977 г. в Ганновере 2.ЕМ0. (Обзор). Раздел УШ. Кузнечно-прессовое оборудование. М.: НИИМАШ, 1978,с. 4-6.

41. А.с. 636106 (СССР). Способ увеличения угловой жесткости С-образной станины пресса./ В.Г.Крешнянский. Опубл. в1. Б.И., 1978, № 26.

42. А.с. 63I36I (СССР). Предварительно-напряженная С-образная станина пресса./ В.Г.Крешнянский, С.Ф.Томсон, М.А. Шмуклер и др. Опубл. в Б.И., 1978, № 15.

43. А.с. 184060 (ЧССР). Способ компенсации деформации станины пресса./ Й.Воронак.

44. Васильев В.В. Исследование прочности галтельных сопряжем ний несущих деталей тяжелых прессов. Кузнеч.-штамповоч. пр-во, 1962, № 8, с.29-33.

45. Будман М.А. Разработка, исследование и внедрение новых конструкций рамных станин мощных гидравлических прессов.- Автореф. дис. . канд.техн.наук. -М., 1979,-20 с.

46. Андронов Г.Ф.Оптимизация угловых переходов станин одностоечных гидравлических прессов. Кузнеч.-штамповоч. пр-во, 1971, № 9, с.65-69.

47. Ланской Е.Н. Основы теории жесткости кривошипных прессов.- Автореф. дис. . докт.техн.наук. М., 1971, - 40 с.

48. Зенкевич 0. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 536 с.

49. Шапошников Н.Н., Тарабасов Н.Д., Петров В.Б. и др. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость.- М.: Машиностроение, 1981. 333 с.

50. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1974.- 340 с.

51. Постнов В.А., .Дмитриев С.А., Елтышев Б.К. и др. Алгоритм метода суперэлементов при анализе прочности судовых конструкций и его реализация на ЭВМ. В кн.: Труды Ленинградского кораблестроительного института. -Л.:ЛПИ, 1977, вып.105, с.51 - 60.

52. Сборник научных программ на ФОРТРАНе. В 2-х ч. Руководство для программистов. М.: Статистика, 1974. - 4.1, с.47-53.

53. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач. М-:. Высшая школа, 1974. - 200 с.

54. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наук.думка, 1975.- 704 с.

55. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений. Справочное пособие./Б.С.Касаткин, А.Б.Кудрин, Л.М.Лобанов и др. Киев: Наук.думка, 1981. - 584 с.

56. Методы и средства измерений при исследованиях кузнечно-прессовых машин и технологических процессов./ЭНИКМАШ.-Воронеж, 1974. 128 с.

57. Чиченев Н.А., Кудрин А.Б., Полухин П.И. Методы исследования процессов обработки металлов давлением (экспериментальная механика). М.: Металлургия, 1977. - 312 с.

58. Smolak j. W^znaczanle "tocznocscl stanza wyWio^nlkow. PzEegE-ad. mecHanlcz^, 30,nI<M , 656-65Й.

59. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование.- М.: Мир, 1975. 536 с.

60. Прагер В. Основы теории оптимального проектирования конструкций. М.: Мир, 1977. - НО с.

61. Хофер Э., Лундерштедт Р. Численные методы оптимизации. -М.: Машиностроение, 1981. 192 с.

62. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметровв задачах со многими критериями. М.:Наука,1981. - НО с.