автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Формализация процедур проектирования технологических процессов глубокой вытяжки

ЛЫСОВ Владимир Анатольевич

ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУР ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ

.13.12 - Системы автоматизации проектирования (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11 АПР 2013

Оренбург-2013

005051687

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сердюк А.И.

ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

Кульга К.С.

доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Абрамов К.Н.

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится 23 марта 2013 года в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.06 на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, д. 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан « ¿¿Ру> февраля 2013 года.

Учёный секретарь диссертационного совета

В.Н. Шерстобитова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Изготовление цельнотянутых изделий методом глубокой вытяжки находит широкое применение за счёт обеспечиваемой точности, экономичности, сравнительно небольшой станкоёмкости, высокого коэффициента использования металла.

Метод глубокой вытяжки представляет собой необратимую деформацию металла, при которой заготовке с помощью специального инструмента (штампов) придаётся требуемая форма. При этом соответственно степени деформации изменяются структура и механические свойства металла полуфабрикатов изделия.

Технологические процессы (ТП) изготовления современных цельнотянутых изделий имеют свою специфику и включают помимо операций холодной штамповки следующие технологические операции: химические, термические, механические, вспомогательные.

Запуск в производство новых видов изделий предполагает проектирование ТП глубокой вытяжки, разработку и изготовление необходимой оснастки и технологического инструмента. Жёсткие временные ограничения, диктуемые рынком, требуют оперативного принятия решений о запуске в производство изделий, составляющих портфель заказов предприятия.

Требуется высокая оперативность и согласованность в работе всех подразделений предприятия, связанных с разработкой конструкторской и технологической документации на необходимый технологический инструмент, а также цехов и участков, занятых его изготовлением.

Задача максимального сокращения сроков подготовки производства изделий, неукомплектованность квалифицированными кадрами, отсутствие финансовых средств на внедрение новых технологий, необходимость сохранения и совершенствования разработанных ТП вызывают острую потребность в автоматизации проектирования технологических процессов и технологического инструмента.

В этих условиях формализованное описание производственного процесса и разработка САПР ТП глубокой вытяжки является актуальной научной задачей, имеющей существенное значение для экономики страны.

Работа выполнена в рамках НИР № 43-238/10 от 30.06.2010 г. «Разработка математической модели и программного обеспечения расчёта и проектирования технологического процесса прессовой обработки изготовления цельнотянутых изделий методом глубокой вытяжки», финансируемой ЗАО «Механический завод» (г. Орск, Оренбургская область).

Цель работы - повышение эффективности производства цельнотянутых изделий на основе автоматизации расчёта, проектирования и оценки точности ТП глубокой вытяжки

Задачи исследования:

1) анализ содержания ТП глубокой вытяжки, методов и средств автоматизации проектирования;

2) разработка метода формализованного преобразования данных с бумажных носителей в электронную графоаналитическую форму;

3) разработка базы данных графоаналитических моделей динамики механических свойств металлов в ТП глубокой вытяжки;

4) автоматизация проектирования геометрических параметров исходной заготовки, пооперационных контуров осевых сечений полуфабрикатов и технологического инструмента;

5) разработка сервисных процедур САПР ТП глубокой вытяжки

Объект исследования — процессы проектирования ТП глубокой вытяжки, штампового инструмента, контроля качества изделий.

Предмет исследования - автоматизация проектирования ТП глубокой вытяжки.

Методы исследования. Использованы основные положения теории холодной обработки металлов давлением, методы математического моделирования и полного факторного эксперимента, математическая логика, технологии объектно-ориентированного программирования.

Экспериментальные исследования выполнены по отраслевой методике проведения экспериментальных работ в лабораторных и производственных условиях ЗАО «Механический завод» с применением методов математической обработки данных и оценки результатов.

Научной новизной обладают:

- формализованный метод преобразования дискретных эмпирических данных с бумажных носителей в электронный формат непрерывных гладких математических моделей;

- метод формирования электронной базы данных закономерностей изменения механических свойств металлов в процессе деформирования;

- алгоритм расчёта геометрических параметров заготовки, основанный на графоаналитическом моделировании закономерностей изменения механических свойств металлов;

- алгоритм проектирования ТП глубокой вытяжки в виде пооперационного расчёта контуров осевых сечений полуфабрикатов и технологического инструмента;

- формализованный метод предварительной оценки станкоёмкости изготовления технологического инструмента;

- метод вероятностной оценки появления брака на технологических операциях.

Практическую значимость имеет разработанная САПР ТП глубокой вытяжки, основанная на совокупности полученных научных результатов и включающая следующие программные модули:

- автоматического отображения плоских графических образов электронно-аналитическими формами;

- аппроксимации криволинейных контуров гладкими кривыми;

- графоаналитического моделирования закономерностей изменения механических свойств металлов;

- БД механических свойств обрабатываемых металлов;

- расчёта геометрических параметров исходной заготовки;

- расчёта оптимального раскроя листового проката на операции вырубки круглой заготовки (кружка) из прямоугольного листа;

- графоаналитического моделирования закономерностей изменения степени наклёпа в нижней и верхней частях полуфабрикатов изделия в зависимости от удлинения;

- пооперационного расчёта геометрических параметров полуфабрикатов изделия и технологического инструмента;

- расчёта станкоёмкости изготовления технологического инструмента на основании совокупности устойчивых параметров осевого сечения и характеристической переменной;

- расчёта в реальном режиме времени вероятности пропуска брака станком-автоматом.

Результаты, выносимые на защиту:

1) формализованный метод аналитического и геометрического моделирования ТП глубокой вытяжки;

2) метод визуального представления пооперационной динамики механических свойств металлов в ТТТ глубокой вытяжки;

3) система автоматизированного расчёта и проектирования ТП изготовления цельнотянутых изделий методом глубокой вытяжки;

4) метод предварительной оценки станкоёмкости изготовления технологического инструмента для принятия решения о целесообразности изготовления новых видов изделий;

5) метод оперативной вероятностной оценки точности геометрических параметров изделий в ТП их изготовления.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс ЗАО «Механический завод» в виде САПР ТП и инструкций по её эксплуатации; в учебный процесс кафедр: материаловедения и технологии металлов, технологии машиностроения, общепрофессиональных дисциплин, высшей математики, программного обеспечения Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ; в учебный процесс кафедры систем автоматизации производства ОГУ.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2007), «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (Москва, 2009, 2012), «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития» (Ульяновск, 2012); на Всероссийских конференциях «Инновационное развитие и региональная интеграция российской экономики» (Орск, 2006, 2008), «Экономика России и интеграционные процессы посткризисного периода» (Орск, 2011), «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2011), «Теоретические вопро-

сы разработки, внедрения и эксплуатации программных средств» (Орск, 2011), «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ - технологии» (Оренбург, 2011); на итоговых научно-практических конференциях преподавателей и студентов Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» (Орск, 2004-2011); на региональном семинаре научной школы по информационной поддержке изделий машиностроения (Оренбург, ОГУ, 2011-2012). С 2010 г. результаты диссертационной работы неоднократно обсуждались на технических советах и на совещаниях по подготовке основного производства ЗАО «Механический завод».

Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах из «Перечня...» ВАК, 11 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций, 4 зарегистрированных Роспатентом программных средства.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка использованных источников из 157 наименований и приложений. Работа выполнена на 241 странице, включая 67 рисунков, 34 таблицы и 62 страницы приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, установлены цель работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные результаты, выносимые на защиту, констатирована их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения о внедрении результатов работы. Дан краткий обзор структуры и содержания диссертационной работы.

В первом разделе рассмотрен производственный процесс ЗАО «Механический завод» в части холодной обработки металлов давлением и изготовления цельнотянутых изделий методом глубокой вытяжки. Систематизированы данные о номенклатуре изготавливаемых изделий, металлах, используемом технологическом оборудовании, видах технологических операций, режимах обработки и применяемом технологическом инструменте (рис.1).

Установлено, что: а) традиционное проектирование структуры ТП и содержания технологических операций глубокой вытяжки основано на анализе закономерностей изменения механических свойств металлов; б) закономерности изменения механических свойств металлов представлены в виде эмпирически полученных данных на бумажных носителях; в) проектирование ТП с использованием кривых изменения механических свойств металлов требует высокой квалификации технолога, характеризуется большими затратами на отладку и внедрение, не позволяет инженерными методами автоматизировать процесс проектирования.

В связи с этим были рассмотрены известные САПР ТП, разработанные в нашей стране и за рубежом (AutoCAD, Autodesk Inventor, ТехноПро, Вертикаль, Компас-Автопроект, SolidWorks, SprutTP, T-FLEX Технология, Timeline, ТЕХНОЛОГ-ГЕПАРД, PAM-STAMP, AutoFORM, DEFORM, Techcard).

Сделаны выводы о том, что а) в силу специфики ТП глубокой вытяжки

существует необходимость привязки универсальных САПР ТП к конкретным производственным условиям; б) не исключено, что привязка приведёт к затратам, превышающим затраты на создание собственного программного обеспечения САПР; в) внедрение готовой САПР ТП глубокой вытяжки приведёт к изменению пооперационной технологии, что повлечёт существенные изменения в соответствующих ОСТах, ТУ и СТП.

1 \

Вырубка

Подшт.шповка

Свёртка

а) 6)

Высадка

а} - дно сферическое б) - дно рельефное

J)

[/ if

Г

Л

Вытяжка с утонением а( - первая: 6} - вторая: в) -третья: г) - предпоследняя: д) - последняя

Закатка горловины

Рисунок 1 — Виды осевых сечений полуфабрикатов после операций ТП глубокой вытяжки изготовления газовых баллонов

На основании выполненного анализа проблемы сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе предложен математический аппарат для аналитической аппроксимации криволинейных кривых, заданных на бумажных носителях. Установлено, что эмпирическая информация о производственном процессе ЗАО «Механический завод», накопленная за долгие годы, традиционно представляется в табличной и графической форме на бумажных носителях. Бумажные носители физически устаревают, изнашиваются и приходят в негодность. Для разработки САПР ТП необходимо перевести накопленные производственные данные в электронный формат с возможностью последующего автоматизированного получения новых технологических решений.

Далее: а) выполнен обзор методов аналитической аппроксимации и возможности их применения для преобразования производственной информации с бумажных носителей в электронный формат данных; б) рассмотрены возможности интерполяционных методов, в частности, интерполяция полиномом Ла-гранжа, и способы их размещения в среде MS Excel; в) на конкретном примере рассмотрены погрешности аппроксимации различными функциями в среде MS Excel; г) сделан вывод о том, что в практических инженерных расчётах (отображение закономерностей изменения механических свойств металлов, профилирование рабочих поверхностей кулачков и осевых сечений штампового инструмента, расчёт траекторий движения режущего инструмента и т.д.) погрешно-

сти известных методов аппроксимации могут стать причиной появления брака в процессе изготовления.

В связи с этим разработана универсальная математическая модель автоматизированного проектирования криволинейных контуров, заданных опорными точками АьА2,..., Ап.

За основу взято интерполирование гладкими аналитическими формами второго и третьего порядка вида у = Ах3 + Вх2 + Сх + Б и (х-а)2+(у-Ь)2=112. Значения коэффициентов А, В, С, О, а, Ь, Я вычисляются для каждого фрагмента криволинейного контура. С целью гарантированного устранения впадин и изломов, приводящих к производственному браку, разработана следующая последовательность коррекции аппроксимирующего контура:

1. Для фрагмента дуги М1М2М3 рассчитываются радиус и координаты центра О] дуги окружности (рис. 2).

Рисунок 2 - Геометрическая модель построения гладкой аппроксимирующей кривой, образованной дугами окружностей, на дискретном множестве опорных точек

2. Точка О] - точка пересечения серединных нормалей пь п2 к отрезкам М1М2 и М2М3 ломаной кривой. Уравнения нормалей определяют систему двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными, решением которой являются координаты точки О]:

^ ~ Ум,

хм2 хм, Ум2 Ум, хм,_ хм, х~хи, _ У-Ум, ' * - хм2

Ум2 Ум, У - Ум,

(1)

хм, хм2 Ум, Умг [-^М, хмг

Или, после преобразования в матричной форме

АХ = В

Умз Умг

(2) (3)

3. Угловые коэффициенты нормалей пь п2:

У и, ~Ум, Ум,-Ум,

4. Координаты средних точек М12(х12; Уп), М23(хтз; у23)

+*и, .. У и, +Уи, _ + *„, Ум, +УЩ ,,, хп - 2 Уп ~ 2 23 --2- =-2-"

Далее рекуррентно рассчитывается последовательность дуг окружностей.

Таким образом, с помощью аппарата аналитической геометрии и математического анализа производится расчёт для каждого сектора в полярной или декартовой системе координат а) координат точек X, Оь 02; б) длин радиусов О1А1, 02А2; в) длин дуг А1Х, А2Х. В соответствии с заданным критерием оптимальности выбираются и выводятся в файл определённой структуры результаты вместе с контрольными величинами, оценивается погрешность вычислений.

Для автоматизации необходимых расчётов разработаны компьютерные приложения ОгарЬЕ1Ап 1.0 и АрргсшОга\уР!е 1.0. Тем самым разработан инструментарий, позволяющий дискретные цифровые данные с бумажных носителей преобразовать в графический формат непрерывных функциональных зависимостей и далее - в форму аппроксимирующих аналитических зависимостей. Универсальность разработанного инструментария с возможностями интерактивного доступа позволяет применять его для решения широкого круга задач.

В третьем разделе с использованием полученного инструментария разработаны графоаналитические модели, отражающие закономерности изменения механических свойств металлов (предел прочности ав, предел текучести ат, предел пропорциональности стп, твёрдость НВ и т.д.) в зависимости от вида технологических операций деформирования (вытяжка, осадка, прокатка, сжатие) и используемой степени деформации 50.

На первом этапе разработан метод преобразования практических кривых с бумажных носителей в графоаналитическую форму. Суть его состоит в подготовке сканированного изображения, аппроксимации опорными точками, оцифровке в виде математических моделей и регистрации электронной модели в виде страницы электронного альбома. Страница альбома представлена независимыми окнами, каждое из которых может быть развёрнуто на полный экран (рис. 3).

На втором этапе, с применением разработанного метода, подготовлен электронный альбом, включающий 93 страницы, содержащий данные по 31 параметру механических свойств металлов, используемых в производстве. Альбом обладает набором сервисных функций и может использоваться как в режиме электронного справочника, так и базы данных для разработки САПР ТП.

На третьем этапе, на основе сформированного альбома, формализован расчёт размеров исходной заготовки с учётом припусков и оптимального размещения кружка на карте вырубки.

Таким образом, с помощью ранее созданного инструментария, разработан электронный альбом механических свойств применяемых в производстве марок

металлов, обладающий набором сервисных функций электронного справочника и БД для разработки САПР ТП.

Далее с использованием инструментария и электронного альбома разработан метод автоматизированного расчёта параметров круглой заготовки (кружка) в ТП изготовления цилиндрических деталей методом глубокой вытяжки.

Рисунок 3 - Экранные формы приложения для преобразования данных с бумажных носителей в графоаналитическую форму: а) подготовка исходных данных; б) предварительное отображение исходного графического контура; в) окончательное отображение контура; г) регистрация контура в электронном альбоме

В четвёртом разделе на основе систематизации последовательности и содержания этапов традиционного проектирования ТП глубокой вытяжки, а также с использованием полученных инструментария и электронного альбома разработана САПР ТП (рис. 4).

Разработанная САПР ТП позволила автоматизировать расчёт количества вытяжек, пооперационное проектирование ТП, расчёт контуров осевых сечений полуфабрикатов изделия и технологического инструмента. А также режимов обработки, получение рабочих чертежей инструмента, расчёт параметров заготовки по номинальным размерам готового изделия с учётом припусков на механическую обработку-(рис.5).

В пятом разделе описано содержание сервисных процедур, расширяющих возможности разработанной САПР ТП глубокой вытяжки.

Сервисные процедуры включают:

1) процедуру предварительного расчёта станкоёмкости изготовления технологического инструмента, что необходимо для принятия решения о целесообразности выполнения предприятием заказа на изготовление новых видов изделий;

2) процедуру оценки вероятности брака на технологических операциях для внесения коррекции в ТП.

( Схчд )

1. вырулю (фужка

2. Последняя еьиякка с у гонением

3. Предпоследняя оы тяжка с утонениеи

( Выход ^

Рисунок 4 - Схема алгоритма проектирования ТП глубокой вытяжки как пооперационного расчёта контуров осевых сечений полуфабрикатов и технологического инструмента

Для автоматизации предварительного расчёта станкоёмкости изготовления технологического инструмента использованы разработанные методы аппроксимации плоских криволинейных контуров гладкими кривыми на дискретном множестве опорных точек и их отображение электронно-аналитическими формами.

Расчёт станкоёмкости основан на построении функциональной зависимости величины станкоёмкости £"г от ряда устойчивых независимых параметров, конструктивно определяющих конкретный вид инструмента:

5-г = /(ШАГ,Р), (6)

где / - длина рабочего хода пуансона; к - высота рабочей части; I - высота торца; Л - радиус пуансона максимальный; г - радиус пуансона минимальный; р -радиус дуги окружности сопряжения торца (рис.6, а).

Рисунок 5 - Экранная форма интерфейса САПР ТП глубокой вытяжки изготовления газовых баллонов высокого давления с плоским, сферическим и рельефным дном

Зависимость представляет собой функцию шести независимых переменных, решение которой предполагает использование сложного и громоздкого математического аппарата интерполирования функции нескольких переменных. Для упрощения функциональной зависимости введена характеристическая переменная Р, в качестве которой могут быть использованы площадь боковой поверхности 5 пуансона или его объём !^как тела вращения.

Разработан программный модуль, позволяющий с помощью ранее созданного инструментария сформировать в электронном виде контур пуансона, рассчитать его объём V, площадь боковой поверхности 5 и выявить закономерности изменения расчётной и действительной станкоёмкости в зависимости от выбранной характеристической переменной.

Графическая иллюстрация зависимостей действующих и расчётных значений станкоёмкости для случая выбора характеристической переменной в виде объёма пуансона Vпредставлена на рисунке 6, б.

Рисунок 6 - Экранная форма расчёта значений характеристической переменной (а) и зависимости станкоёмкости от значений характеристической переменной (б)

Установлено, что более точные закономерности изменения станкоёмкости получены для характеристической переменной по объёму инструмента. При этом погрешность со между действительными и расчётными значениями станкоёмкости не превышает

<у = 5^-^x100 =^Ь^х100 =5%. (7)

20

Разработка процедуры оценки вероятности брака на технологических операциях глубокой вытяжки вызвана необходимостью своевременного обнаружения брака на станках-автоматах без остановки производственного процесса.

Применение традиционных методов, например, периодический запуск «чёрных» деталей (заведомо бракованных) с последующим отслеживанием их прохождения через операцию контроля, или задание более жёстких условий контроля перенастройкой станков-автоматов не дают желаемого результата и достаточно трудоёмки.

Компьютерное моделирование позволяет исследовать различные ситуации на операциях контроля с целью оперативного прогнозирования появления брака и принятия мер по его устранению. На операции автоматического контроля компьютерная программа по определённому алгоритму в автономном режиме посылает в хаотичном порядке на свободные в данный момент времени станки-автоматы данные, наиболее полно характеризующие возможные ситуации контроля. По ответным результатам вычисляются вероятности Р(Х/А!), Р(Х/Аф на основе изменений во времени отклонений контролируемых параметров по конкретному станку-автомату (контроллеру). На основании полученных данных оперативно формируются законы распределения входящих случайных величин.

По формуле полной вероятности:

Р(Х) = ±Р{А,)Р{Х I А,), Р(Х) = ±Р(А^)Р(Х/Аи). ы /=]

По формуле Бейеса:

(9)

Матрица вероятностного состояния в реальном режиме времени многопозиционного автоматического контроля:

(

М(0 =

Рп Ра - Р\] Рг\ Рп - Рг,

Рп Р, 1 Р„л Р.г

Ри Р пи

Ри Рп

Рт

Рш)

(10)

Разработанное компьютерное приложение позволяет в реальном режиме времени смоделировать вероятность пропуска брака станком-автоматом с точностью до контроллера (рис.7).

Рисунок 7 - Экранная форма вероятности пропуска брака в реальном режиме времени

Использование приложения возможно для многоместных операций любого типа: полуавтоматических и ручных, полного, выборочного и смешанного контроля.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показана специфика проектирования ТП изготовления цельнотянутых изделий глубокой вытяжкой в условиях ЗАО «Механический завод» и нецелесообразность применения сторонних САПР ТП. Доказана необходимость разработки собственного программного обеспечения САПР ТП, ориентированного на СТП и сложившуюся методологию традиционного проектирования ТП глу-

бокой вытяжки.

2. Разработан формализованный аппарат преобразования дискретных эмпирических данных с бумажных носителей в электронный формат непрерывных математических моделей. Разработана и отлажена методика электронно-аналитического отображения плоских графических образов гладкими кривыми второго и третьего порядка с любой заданной точностью.

3. Разработан метод формирования электронной БД графоаналитических моделей закономерностей изменения механических свойств металлов в процессе деформирования, включающий алгоритмы подготовки, аппроксимации и ввода эмпирических данных с процедурами их последующего использования при автоматизированном проектировании ТП.

4. Разработана САПР ТП глубокой вытяжки, включающая расчёты исходной заготовки с учётом припусков, пооперационное проектирование контуров осевых сечений полуфабрикатов, режимов обработки, создание рабочих чертежей технологического инструмента.

5. Разработаны сервисные процедуры САПР ТП, включающие: формализованный метод предварительной оценки станкоёмкости изготовления технологического инструмента; метод вероятностных оценок появления брака на технологических операциях.

6. Производственные испытания результатов работы, подтверждённые актом внедрения, показали следующее:

- обеспечена возможность автоматизированного проектирования ТП изготовления цилиндрических деталей глубокой вытяжкой;

- достигнуто повышение коэффициента использования металла в среднем на 3,5 - 5,3%;

- снижена вероятность появления складок, гофрообразований, эллипсно-сти и разностенности на операциях холодной штамповки;

- исключено появление выступов и впадин на рабочих поверхностях технологического инструмента при его изготовлении;

- обеспечено снижение станкоёмкости изготовления пуансонов и матриц на металлорежущих станках с ЧПУ на операциях черновой и чистовой обработки в среднем на 7 - 10%, на операциях шлифования в среднем на 4 - 6%;

- реализована возможность изготовления пуансонов и матриц на металлорежущих станках с ЧПУ;

- существенно повышена оперативность расчёта геометрических параметров новых (корректировки имеющихся) деталей и инструмента за счёт обращения к базам данных номинальных размеров.

Основные результаты диссертации представлены в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Лысов, В.А. Аппроксимация плоских криволинейных контуров гладкими кривыми на дискретном множестве опорных точек / В.А. Лысов, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - № 3. -С. 145 - 149.

2. Лысов, В.А. Отображение плоских графических образов электронно-аналитическими формами / В.А. Лысов, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - № 4. - С. 187 - 192.

3. Лысов, В.А. Нетрадиционный метод расчёта станкоёмкости технологического инструмента для изготовления цилиндрических деталей глубокой вытяжкой / В.А. Лысов, А.И. Сердюк, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев // Известия Самарского научного центра РАН. -2012. - том 14, № 4 (2). - С. 472 - 479.

^ 4. Лысов, В.А. Графоаналитическое моделирование динамики механических свойств металлов в технологических процессах изготовления глубокой вытяжкой / В.А. Лысов, А.И. Сердюк, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2012. - № 4. - С. 46 - 53.

5. Лысов, В.А. Вероятностно-статистическая оценка в реальном режиме времени технологических операций многопозиционного автоматического контроля / А.Д. Проскурин, В.А. Лысов, О.В. Шевченко // Научно-технический вестник Поволжья.-2012.-№ 6.-С. 347-350.

Публикации в других изданиях

6. Лысов, В.А. Математическая модель оптимальной загрузки технологического оборудования цеха с неконвейерной формой организации производственного процесса / В.А. Лысов // Инновационное развитие и региональная интеграция российской экономики: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции-Орск: ОГТИ, 2006. - С. 146 - 150.

7. Лысов, В.А. Математическая модель расчёта станкоёмкости производственной программы изготовления технологического инструмента / В.А. Лысов, C.B. Кириленко // Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов: сборник докладов международной научной конференции. - М.: Машиностроение, 2009. - С. 38 - 60.

8. Лысов, В.А. Математическое моделирование производственных процессов. Результативный опыт разработки, внедрения и эксплуатации на предприятии машиностроительного профиля / В.А. Лысов, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев // Инновационные материалы и технологии в" машиностроительном производстве: сборник материалов всероссийской научно-технической конференции. - Орск: ОГТИ, 2011. -С. 228-231.

9. Лысов, В.А. Статистические модели анализа временных рядов / А.Н. Брыль-ков, В.А. Лысов, О.В. Шевченко // Экономика России и интеграционные процессы посткризисного периода: материалы III всероссийской научно-практической конференции. - Орск: ОГТИ, 2011. - С. 171 - 173.

10. Лысов, В.А. Назначение и основы создания программного обеспечения математических моделей технологических процессов изготовления газовых баллонов высокого давления методом глубокой вытяжки / В.А. Лысов, О.В. Шевченко, B.C. Янё // Теоретические вопросы разработки, внедрения и эксплуатации программных средств: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции при поддержке РФФИ, грант № 10-07-06813 моб_г.-Орск: ОГТИ, 2011.-С. 69-74.

11. Лысов, В.А. Программное обеспечение динамики механических свойств металлов в технологических процессах изготовления газовых баллонов высокого давления методом глубокой вытяжки / В.А. Лысов, О.В. Шевченко, B.C. Янё // Теоретические вопросы разработки, внедрения и эксплуатации программных средств: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции при поддержке РФФИ, грант № 10-07-06813 моб_г. - Орск: ОГТИ, 2011. - С. 74 - 77.

12. Лысов, В. А. Решение систем линейных алгебраических уравнений для инженерных задач в среде MS Excel / В.А. Лысов, Н.В. Берёзкина, B.C. Янё // Теоретические вопросы разработки, внедрения и эксплуатации программных средств: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции при поддержке РФФИ, грант № 10-07-06813 моб_г. - Орск: ОГТИ, 2011. - С. 77 - 81.

13. Лысов, В.А. Метод оптимального расчёта параметров укладки круглой заготовки на операции вырубки из прямоугольного листа / В.А. Лысов, О.В. Шевченко,

A.B. Щеголев // Компьютерная интеграция производства и ИПИ - технологии: сборник материалов V всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ИП Осиночкин Я.В., 2011.-С. 461-465.

14. Лысов, В.А. Программа автоматического отображения плоских графических образов электронно-аналитическими формами «GraphElAn 1.0» / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011616894 от 6.9.2011 /

B.А. Лысов, А.И. Сердюк, О.В. Шевченко. - М.: Роспатент, 2011.

15. Лысов, В.А. Программа аппроксимации криволинейных контуров гладкими кривыми «ApproxiDrawPie 1.02» / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011618210 от 19.10.2011 / В.А. Лысов, О.В. Шевченко,

A.И. Сердюк. - М.: Роспатент, 2011.

16. Лысов, В.А. Программа пооперационного расчёта геометрических параметров цилиндрических деталей и инструмента в технологических процессах изготовления методом глубокой вытяжки «RevolGeoPar 1.0» / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614140 от 5.5.2012 / В.А. Лысов, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев. - М.: Роспатент, 2012.

17. Лысов, В.А. Программа графоаналитического моделирования динамики механических свойств металлов в технологических процессах изготовления цилиндрических деталей методом глубокой вытяжки «GrAnDinaMSMet 1.0» / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614141 от 5.5.2012 /

B.А. Лысов, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев. -М.: Роспатент, 2012.

18. Лысов, В.А. Расчёт параметров круглой заготовки в технологических процессах изготовления цилиндрических деталей глубокой вытяжкой / В.А. Лысов, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев // Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов: сборник докладов II международной научной конференции при финансовой поддержке РФФИ, проект № 11-08-13451 офи- г. Книга 1. - М.: Машиностроение, 2012. - С. 231 - 240.

19. Лысов, В.А. Нетрадиционный метод расчёта станкоёмкости технологического инструмента для изготовления цилиндрических деталей глубокой вытяжкой /

B.А. Лысов, А.И. Сердюк, О.В. Шевченко, A.B. Щеголев // Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития : труды III международной научно-практической конференции, том. 1, 1-2 ноября 2012 г. - Ульяновск: УлГУ, 2012. -

C. 87-98.

20. Лысов, В.А. Информационное и программное обеспечение вероятностно-статистической модели многоместных технологических операций многопозиционного автоматического контроля / А.Д. Проскурин, В.А. Лысов, О.В. Шевченко // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах: международный сборник трудов. - Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова, 2012. -С. 153-161.

Подписано в печать 14.02.2013 г. Формат бумаги 60 х 84 '^б. Бумага офсетная. Печать плоская. Усл. печ. л. 1,28. Печ. л. 1,36. Заказ № 30/1060. Тираж 120 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ 462403, г. Орск Оренбургской обл., пр. Мира, 15А

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

На правах рукописи

Лысов Владимир Анатольевич

ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУР ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ

. і

05.13.12- Системы автоматизации проектирования (машиностроение)

СО 00

^^ м Диссертация на соискание ученой степени

ю ™

"¿Г о кандидата технических наук

СО СЧ8

О Р

СЧ1

^ Научный руководитель:

О

доктор технических наук, профессор А.И. Сердюк

Огчатт^х ОП1 7

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................ 8

ГЛАВА 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................. 14

1.1 Актуальность и проблемы использования методов холодной обработки металлов давлением в современном производстве............................ 14

1.2 Характеристика операций технологических процессов глубокой вытяжки ......................................................................................... 16

1.3 Методы и средства автоматизации проектирования технологических процессов глубокой вытяжки.............................................................. 22

1.4 Новые технологии в ТП глубокой вытяжки................................... 34

Выводы. Цель и задачи исследования................................................................. 42

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМАЛИЗОВАННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПЛОСКИХ КРИВОЛИНЕЙНЫХ КОНТУРОВ ................................................................................................................... 45

2.1 Методы аналитической аппроксимации и их применение для преобразования производственной информации в электронный формат данных ........................................................................................... 45

2.1.1 Общие сведения о методах получения и обработки экспериментальных данных......................................................................... 45

2.1.2 Аналитическая аппроксимация экспериментальных данных.......... 49

2.1.3 Практическая апробация интерполирования различными формами 52

2.2 Аппроксимация плоских криволинейных контуров гладкими кривыми на дискретном множестве опорных точек............................................... 54

2.2.1 Аппроксимация плоских графических образов электронно-анали-

тическими формами третьего порядка............................................................... 54

2.2.2 Аппроксимация плоских графических образов электронно-аналитическими формами второго порядка................................................................ 60

2.2.3 Аппроксимация плоских криволинейных контуров гладкими кривыми, образованными дугами окружностей...................................................... 62

2.3 Алгоритмы и программное обеспечение интерактивного математического моделирования электронно-аналитических форм представления производственной информации......................................................... 74

2.3.1 Алгоритм отображения......................................................... 74

2.3.2 Краткая характеристика программного обеспечения....................... 77

Выводы........................................................................................ 77

ГЛАВА 3. ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ................................................... 79

3.1 Постановка задачи графоаналитического моделирования динамики механических свойств металлов........................................................ 79

3.2 Формирование базы данных динамики механических свойств металлов в зависимости от содержания технологических операций деформирования................................................................................................................... 81

3.2.1 Общий алгоритм формирования базы данных механических свойств металлов........................................................................... 81

3.2.2 Практические результаты аппроксимации на примере зависимости предела прочности ав от степени деформации........................................... 84

3.3 Пример использования базы данных динамики механических свойств металлов для разработки технологического процесса глубокой вытяжки..... 92

3.3.1 Расчёт параметров круглой заготовки в технологических процессах изготовления цилиндрических деталей глубокой вытяжкой.................. 92

3.3.1.1 Постановка задачи. Цель и задачи решения........................... 92

3.3.1.2 Алгоритм расчёта параметров кружка. Прикладной математический аппарат............................................................................... 93

3.3.1.3 Краткая характеристика программного обеспечения............... 97

3.3.2 Метод расчёта параметров оптимальной укладки круглой заготовки на операции вырубки из прямоугольного листа............................ 99

Выводы........................................................................................ 104

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ............................................................................................................ 105

4.1 Последовательность и содержание этапов проектирования технологического процесса глубокой вытяжки.................................................................. 106

4.2 Наклёп и диаграммы удлинений................................................................ 107

4.3 Автоматизация проектирования технологического процесса глубокой вытяжки................................................................................................................. 111

4.3.1 Расчёт параметров кружка и инструмента для вырубки.................... 112

4.3.2 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров свёрточного инструмента.................................................................................... 113

4.3.3 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров вытяжного инструмента........................................................................................... 116

4.3.3.1 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров пуансонов и матриц для последней вытяжки.................................................... 117

4.3.3.2 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров пуансонов и матриц для предпоследней вытяжки............................................ 118

4.3.3.3 Определения количества вытяжек. Аналитический метод.......... 119

4.3.3.4 Определения количества вытяжек. Графический метод............................121

4.3.3.5 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров пуансонов и матриц промежуточных вытяжек................................................................................................123

4.3.3.5.1 Расчёт рабочих диаметров пуансонов и матриц для промежуточных вытяжек............................................................................................................................................................................................124

4.3.3.5.2 Расчёт длины полуфабриката для промежуточных вытяжек 127

4.4 Практические результаты пооперационного расчёта размеров полуфабрикатов изделия и инструмента........................................................................................................................................128

4.4.1 Расчёт параметров кружка и инструмента для вырубки........................................128

4.4.2 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров свёрточного инструмента.................................................................................... 130

4.4.3 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров пуансонов и матриц для последней вытяжки........................................................ 130

4.4.4 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров пуансонов и матриц для предпоследней вытяжки................................................ 131

4.4.5 Определения количества вытяжек аналитическим методом............. 131

4.4.6 Определения количества вытяжек графическим методом................. 132

4.4.7 Расчёт параметров полуфабриката изделия и рабочих размеров пуансонов и матриц промежуточных вытяжек.................................................... 132

4.4.8 Расчёт рабочих диаметров пуансонов и матриц для промежуточных вытяжек........................................................................................................ 133

4.4.9 Расчёт длины полуфабриката для промежуточных вытяжек............ 134

4.5 Характеристика программного обеспечения разработанной САПР ТП 135

4.5.1 Экранный интерфейс расчёта геометрических параметров и координат опорных точек контуров осевых сечений пуансона............................... 139

4.5.2 Экранный интерфейс пооперационного расчёта геометрических параметров полуфабрикатов изделия и координат опорных точек контуров осевых сечений..................................................................................................... 141

Выводы....................................................................................................................................................................................143

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СЕРВИСНЫХ ПРОЦЕДУР САПР ТП ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ....................................................................................................................................................................................................144

5.1 Автоматизация нормирования технологических процессов......................................144

5.1.1 Содержание задачи нормирования и подход к ее решению............................144

5.1.2 Модель определения совокупности устойчивых параметров........................146

5.1.3 Алгоритм нормирования станкоемкости инструмента............................................151

Выводы....................................................................................................................................................................................................................................155

5.2 Метод оперативной оценки точности технологических операций глубокой вытяжки............................................................................................................................................................................................................155

5.2.1 Постановка задачи....................................................................................................................................................................155

5.2.2 Математические модели вероятностной оценки ТП глубокой вытяжки ............................................................................................................................................................................................................................................156

5.2.3 Алгоритм и программное обеспечение формирования баз статистических данных..............................................................................................................................................................................................................159

Выводы....................................................................................................................................................................................................................................161

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................................................................................................162

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................................................164

Приложение А. Страницы и экранные формы электронного альбома динамики механических свойств металлов в технологических процессах изготовления глубокой вытяжкой............................................................................................................................................................180

Приложение Б. Фрагменты исходных текстов программных продуктов,

имеющих государственную регистрацию..................................................................................................................185

Приложение В. Описание, экранные формы и свидетельства о государственной регистрации разработанных программных продуктов............................................206

Приложение Г. Экранные формы программного обеспечения САПР ТП

глубокой вытяжки................................................................................................................................................................................................223

Приложение Д. Альбом диаграмм пооперационной динамики степени наклёпа ТП глубокой вытяжки .............................................................................. 226

Приложение Е. Комплект операционных карт прессовой обработки ТП изготовления корпуса огнетушителя..................................................................... 233

Приложение Ж. Акты внедрения в производственный процесс...................... 238

Приложение 3. Акты внедрения в учебный процесс......................................... 239

Введение

Актуальность темы

Изготовление цельнотянутых изделий методом глубокой вытяжки находит широкое применение за счёт обеспечиваемой точности, экономичности, сравнительно небольшой станкоёмкости, высокого коэффициента использования металла.

Метод глубокой вытяжки представляет собой необратимую деформацию металла, при которой заготовке с помощью специального инструмента (штампов) придаётся требуемая форма. При этом соответственно степени деформации изменяются структура и механические свойства металла полуфабрикатов изделия.

Технологические процессы (ТП) изготовления современных цельнотянутых изделий имеют свою специфику и включают, помимо операций холодной штамповки, следующие технологические операции: химические, термические, механические, вспомогательные.

Запуск в производство новых видов изделий предполагает проектирование ТП глубокой вытяжки, разработку и изготовление необходимой оснастки и технологического инструмента. Жёсткие временные ограничения, диктуемые рынком, требуют оперативного принятия решений о запуске в производство изделий, составляющих портфель заказов предприятия.

Требуется высокая оперативность и согласованность в работе всех подразделений предприятия, связанных с разработкой конструкторской и технологической документации на необходимый технологический инструмент, а также цехов и участков, занятых его изготовлением.

Задача максимального сокращения сроков подготовки производства изделий, неукомплектованность квалифицированными кадрами, отсутствие финансовых средств на внедрение новых технологий, необходимость сохранения и совершенствования разработанных ТП вызывают острую потребность в автоматизации проектирования технологических процессов и технологиче-

ского инструмента.

В этих условиях формализованное описание производственного процесса и разработка САПР ТП глубокой вытяжки является актуальной научной задачей, имеющей существенное значение для экономики страны.

Работа выполнена в рамках НИР № 43-238/10 от 30.06.2010 г. «Разработка математической модели и программного обеспечения расчёта и проектирования технологического процесса прессовой обработки изготовления цельнотянутых изделий методом глубокой вытяжки», финансируемой ЗАО «Механический завод» (г. Орск, Оренбургская область).

Цель работы - повышение эффективности производства цельнотянутых изделий на основе автоматизации расчёта, проектирования и оценки точности ТП глубокой вытяжки.

Задачи исследования:

1) анализ содержания ТП глубокой вытяжки, методов и средств автоматизации проектирования;

2) разработка метода формализованного преобразования данных с бумажных носителей в электронную графоаналитическую форму;

3) разработка базы данных графоаналитических моделей динамики механических свойств металлов в ТП глубокой вытяжки;

4) автоматизация проектирования геометрических параметров исходной заготовки, пооперационных контуров осевых сечений полуфабрикатов и технологического инструмента;

5) разработка сервисных процедур САПР ТП глубокой вытяжки

Объект исследования - процессы проектирования ТП глубокой вытяжки, штампового инструмента, контроля качества изделий.

Предмет исследования - автоматизация проектирования ТП глубокой вытяжки.

Методы исследования

Использованы основные положения теории холодной обработки металлов давлением, методы математического моделирования и полного фак-

торного эксперимента, математическая логика, технологии объектно-ориентированного программирования.

Экспериментальные исследования выполнены по отраслевой методике проведения экспериментальных работ в лабораторных и производственных условиях ЗАО «Механический завод» с применением методов математической обработки данных и оценки результатов.

Научной новизной обладают:

- формализованный метод преобразования дискретных эмпирических данных с бумажных носителей в электронный формат непрерывных гладких математических моделей;

- метод формирования электронной базы данных закономерностей изменения механических свойств металлов в процессе деформирования;

- алгоритм расчёта геометрических параметров заготовки, основанный на графоаналитическом моделировании закономерностей изменения механических свойств металлов;

- алгоритм проектирования ТП глубокой вытяжки в виде пооперационного расчёта контуров осевых сечений полуфабрикатов и технологического инструмента;

- формализованный метод предварительной оценки станкоёмкости изготовления технологического инструмента;

- метод вероятностной оценки появления брака на технологических операциях.

Практическую значимость имеет разработанная САПР ТП глубокой вытяжки, основанная на совокупности полученных научных результатов и включающая следующие программные модули:

- автоматического отображения плоских графических образов электронно-аналитическими формами;

- аппроксимации криволинейных контуров гладкими кривыми;

- графоаналитического моделирования закономерностей изменения механических свойств металлов;

- БД механических свойств обрабатываемых металлов;

- расчёта геометрических параметров исходной заготовки;

- расчёта оптимального раскроя листового проката на операции вырубки круглой заготовки (кружка) из прямоугольного листа;

- графоаналитического моделирования закономерностей изменения степени наклёпа в нижней и верхней частях полуфабрикатов изделия, в зависимости от удлинения;

- пооперационного расчёта геометрических параметров полуфабрикатов изделия и технологического инструмента;

- расчёта станкоёмкости изготовления технологического инструмента на основании совокупности устойчивых параметров осевого сечения и характеристической переменной;

- расчёта в реальном режиме времени вероятности пропуска брака станком-автоматом.

Результаты, выносимые на защиту:

1) формализованный метод аналитического и геометрического моделирования ТП глубокой вытяжки;

2) метод визуального представления пооперационной динамики механических свойств металлов в ТП глуб