автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование и оптимизация конструктивных параметров кривошипных горячештамповочных прессов с вращающимся ползуном на основе имитационного моделирования

На правах рукописи УДК 621.735

С 1 1< .1

2 2 АПР ДО6

Максиыенко Александр Егорович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРИВОШИПНЫХ ГОРЯЧЕНТАМПОВОЧННХ ПРЕССОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ПОЛЗУНОМ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Рабата выполнена в Московском автомобилестроительном институте IВТУЗ-ЗИЛ) на кафедре "Обраоотка металлов давлением

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Степанов Б.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Миропольский Ю.А. - кандидат технических наук, доцент Власов А.В.

Защита состоится " 20 " мая 1996 в 14 час.30 мин. на заседании диссертационного совета К004.02.03 в Московском автомобилестроительном институте (ВТУЗ-ЗИЛ) по адресу: 109280, Москва, Автозаводская, 16.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАСИ.

Автореферат разослан " апреля 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ведущее предприятие - ГНПП "ТЕМП"

к.т.н., доцент

Богомолов С.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В машиностроительной продукции большое место занимают осесимметрич-ные детали типа зубчатых колес, дисков, колец, ступиц, конусных чашек и т.п. В номенклатуре горячештамповочных поковок такие детали составляют более 302, основная масса их изготавливается ка универсальных молотах и кривошипных горячештамповочных прессах (КГ111П) с относительно большими расходами металла и затратами на эксплуатации. Стремление снизить металлоемкость машиностроительной продукции вызывает потребность в тонкостенных изделиях, однако утонение поковок усложняет технологию их изготовления вследствие особенностей пластического течения металла в тонких слоях. Прежде всего это связано с высокими давлениями, необходимыми для осуществления формоизменения, повышающими нагрузки как на оборудование, так и на инструмент.

Эффективным направлением для решения данной проблемы мо-яет быть штамповка методом осадки с кручением. Теоретические исследования процесса показали, что при надлежащем выборе кинематических параметров процесса монет быть принципиально достигнуто любое заданное сниаение усилия деформирования, однако при этом монет произойти услоанение оборудования и неоправданное увеличение затрат.

Настоящее исследование направлено на создание методики расчета и обоснование параметров специального горячештампо-вочного оборудования с вращавшимся ползуном для штамповки методом осадки с кручением.

Цель работы: разработка математической модели и создание прикладных программ для имитационного динамического моделирования на ЭВМ КГИП с вращающимся ползуном для штамповки методом осадки с кручением и рационального выбора конструктивных параметров механической системы пресса по заданным технологическим параметрам штамповки путем оптимизации работы пресса.

Методы исследования. Имитационная математическая модель работы пресса построена на решениях динамических уравнений, описывающих поведение механической системы за полный цикл работы пресса. Для учета податливости

пресса применен метод последовательных приблинений. Рациональный выбор конструктивных параметров пресса по заданным технологическим параметрам пресса выполнен путем поиска оптимума. Экспериментальные исследования выполнены методами тензометрирования.

Достоверность основных научных полоае-ний. выводов и рекомендаций, полученных на основе имитационного динамического моделирования, подтверждена удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных силового нагрувения пресса и его узлов.

Научная новизна. Разработана алгоритмическая последовательность расчета параметров технологии и нагружения кривошипных прессов с вращающимся ползуном, имеющих сложную кинематику исполнительного механизма. Установлены конструктивные параметры механической системы, обеспечивающие заданные технологические параметры штамповки комбинированным нагружением. Установлено влияние жесткости' пресса на технологические параметры щтамповки. Разработаны научно обоснованные методики проектирования специальных прессов и оптимального выбора конструктивных параметров.

Практическая ценность. Предложенные методики и программное обеспечение предназначены для проектирования специальных кривошипных прессов с вращающимся ползуном. Разработана инженерная методика расчета технологических параметров комбинированного нагружения осесимметричных поковок сложной формы как в открытых, так и в закрытых штампах. Программное обеспечение для имитационного моделирования на ЭВМ позволяет устанавливать оптимальные с точки зрения минимальных размеров и энергетических затрат конструктивные параметры пресса, предназначенного для штамповки заданной номенклатуры изделий. Разработана конструктивная схема специального КГШП для модернизации универсальных прессов.

Реализация работы. Разработанная имитационная динамическая модель апробирована на специальном КГШП модели К0940 - первом промышленном образце кривошипного пресса с вращающимся ползуном. В результате выполненных расчетов уточнены некоторые конструктивные параметры пресса. Полученные методики и программное обеспечение используются АО "Воронежтяжмехпресс" при проектировании КПП для штамповки с кручением нового поколения. 2

Защищаемые полоаения.

1. Имитационная математическая модель для теоретических исследований специальных кривошипных прессов с вращающимся ползуном, предназначенных для штамповки методом осадки с кручением конкретных поковок.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования специальных прессов при штамповке на типовых поковках.

3. Научно-обоснованная методика оптимизации конструктивных параметров механической системы пресса.

Апробация работы. По основным разделам работы а также по законченной диссертации сделаны доклады на на научных семинарах кафедры "Обработка металлов давлением" МАСИ С ВТУЗ-ЗИЛ1990-1995 гг., на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 165-летии МГТУ, 1995 г. и на научно-технической конференции "Информационные технологии в машиностроении", РИАТМ, 1995 г.

Публикации. Научные резульаты, сформулированные в диссертации, опубликованы в 4 печатных работах, зарегистрировано 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов , списка используемой литературы и приложения. Диссертация со-дернит 131 страницу рукописного текста, 83 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 109 наименований, и 5 прилоаений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и ее цель, приведены научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены состояние проблемы изготовления осесимметричных поковок и современные тенденции в развитии прогрессивных технологий и оборудования , среди которых наиболее актуальной является снижение технологических усилий штамповки и контактных нагрузок на инструмент. Рассматриваемым требованиям удовлетворяет технология штамповки осесимметричных поковок методом осадки с кручением. Первые исследования этого процесса проведены А.Н.Левано-вым, В.Л.Колмогоровым, С.П.Буркиным, А.А.Богатовым и др. Разработке теории течения металла при комбинированном нарушении и связанных с ним технологических эффектов, а такие научнообоснованной методики создания новых технологических процессов штамповки методом осадки с кручением посвящены работы В.Н.Суонча. Б.А.Степанова, О.А.Гйнаго, й.В.Сафоноьа.

з

С целью опробования новой технологии изготовлены лабораторные и промышленные образцы специальных прессов с вращающимся ползуном, в том числе КГШП модели К0940 (рис. 1). Особенность такого оборудования состоит в том. что его кинематические параметры связаны с энергосиловыми характеристиками пластического формоизменения заготовки. Вопросы проектирования таких прессов необходимо рассматривать во взаимосвязи с технологическим процессом, который изменяется с изменением параметров механической системы пресса. На современном уровне решение подобной проблемы возмокно на основе создания имитационных динамических моделей и использования этих моделей для оптимизации разрабатываемых прессов и технологий.

Анализ литературы ( В.А.Калугин, З.Ф.Богданов, А.А.Боков, Н.Н.Понидаева, А.И.Фрейнд и др.) показал высокую эффективность математического моделирования переходных процессов в главном приводе, позволяющего на стадии проектирования прогнозировать работоспособность пресса и его узлов. Зто позволяет сделать вывод о возмонности применения динамического моделирования с соответствующей адаптацией для специальных прессов и технологий.

Вторая глава посвящена разработке математической модели специального пресса. Используя метод приведения масс, реальная кинематическая схема пресса заменяется расчетной двухмассовой системой с аесткими звеньями за исключением станины. В соответствии с реальной последовательностью работы механизмов и узлов пресса полный цикл одиночного хода разбивается на отдельные периоды и для кавдого из них составляются динамические уравнения движения системы

В результате кинематического анализа механизма, состоящего из двух кривошипно-ползунных механизмов, связанных между собой винтовой парой, получены точные формулы для перемещений, скоростей и ускорений ползунов, координаты перемещения центров шатунов, угловые скорости и ускорения винта и шатунов, учитывающие изменение угловой скорости главного вала по времени. Для определения составляющих динамических уравнений главный исполнительный механизм пресса расчленяется на 6 звеньев (рис.1) : зинт 4. внутренний 3 и наруаный 5 ползуны, центральный 2 и боковые б шатуны и эксцентриковый вал 1. Для каждого звена разрабатывается расчетная схема и

Рис.1. Кинематическая схема пресса.

составляются динамические уравнения движения, из решения которых находятся неизвестные реакции. Найденные реакции предыдущего звена являются активными силами для последующего звена. Для определения составляющих динамического уравнения рабочего хода из условия статики найдены усилия, действующие на каждое звено, а из уравнения баланса элементарнх работ - крутящий момент на эксцентриковом валу. Для расчетов технологических параметров штамповки методом осадки с кручением поковок сложной формы разработана методика, основанная на аппроксимации поковки ступенчатым диском с разбивкой его на отдельные участки в виде колец и централь-

ного диска. Расчет ведется для каждого участка отдельно, начиная с наружного, каждый из которых представляется в виде кольца соответствующих размеров. Для расчета технологического момента поковка сложной формы аппроксимируется диском с размерами, вычисленными из условия равенства обьемов поковки и диска.

Усилие штамповки рассчитывается по значению параметра кручения = , где ы и V - скорости соответст-

венно вращательного и поступательного движения инструмента, О - наружный диаметр штампуемой заготовки. Как следует из формулы, параметр кручения £ монет быть определен, если известна кинематика деформирования заготовки. Вследствие упругих деформаций пресса на скорость поступательного движения инструмента накладывается скорость перемещения стола, которая в свою очередь зависит от силового нагружения пресса. В связи с этим задача расчета пресса с учетом его податливости решалась численным методом путем итерационного приближения значений технологического усилия и усилия растяжения пресса. Алгоритм расчета энергосиловых параметров процесса штамповки с кручением КПП с вращающимся ползуном ( рис. 2) реализован в виде программы для ПЭВМ, написанной на языке РАБСАЬ. С помощью такой программы можно моделировать работу пресса в режимах холостых автоматических ходов и одиночных рабочих ходов, определять кинематические, силовые и энергетические параметры как пресса, так и технологического процесса.

В третьей главе с помощью разработанной имитационной динамической модели проведено исследование специального КПП модели КО940 усилием 10 НН. Во время холостых ходов на детали и узлы привода и исполнительного механизма действуют инерционные силы и силы трения. Подвижные детали исполнительного механизма пресса постоянно находятся в условиях или разгона, или торможения как в поступательном, так и вращательном движениях, в результате чего в сочленениях деталей возникают реактивные силы, зависящие от угловой скорости главного вала, моментов инерции и масс деталей. Для преодоления инерционных нагрузок и сил трения на эксцентриковом валу возникает крутящий момент, зависящий от уравновешенности подвижных частей исполнительного механизма. При полном уравновешивании пресса крутящий момент снижается

Основная программа Подпрограммы Файлы данных

Рис.2. Блок-схема алгоритма расчета энергосиловых параметров пресса.

более чем в 3 раза (рис. 3). Ваннейшим параметром качества пресса с точки зрения энергетики является число холостых выбегов ползуна при включенной муфте и выключенном электродвигателе. При обеспечении надлежащих условий трения число выбегов ползуна составляет 25, увеличение коэффициента трения в 1.? раз а уменьшает этот показатель до 13 (рис. 4,'.

Рис.3. Графики изменения крутящего момента за один оборот

холостого хода: 1- без учета трения; 2-без уравновешивания подвижных частей; 3- с уравновешиванием наружного ползуна; 4- с уравновешиванием наружного

значениях коэффициента трения f=0I03(l) и f=0)05(2).

В режиме одиночных рабочих ходов рассматривается пластическая деформация заготовки. В качестве типовой поковки принята поковка автомобиля ЗИЛ-4331 "каретка синхронизатора" из стали 18ХГТ, диаметром 184 мм и толщиной диска 12 мм,графики усилий штамповки которой в различных режимах представлены на рис.5. Представляет интерес анализ кривых нагруаения после прохождения внутренним ползуном крайнего нижнего положения. В начальной стадии разгрузки пресса имеет место пластическая деформация металла, что вызвано возрастанием параметра кручения вследствие опережающей скорости стола по отношению к скорости ползуна. Эта особенность отличает прессы для штамповки с кручением от универсальных. Другая особенность прессов с вращающимся ползуном состоит в том. что жесткость пресса существенно влияет на силовые характеристики штамповки. Кривые изменения технологического усилия штамповки для прессов с различной податливостью показывают, что изменение коэффициентов жесткости С с 6 МН/мм до 8 МН/мм приводит к

Ят0Х г,-

г на 2У/., для

прессов с нулевой податливостью (кривая 7) возрастает еще на 532. На рис. б представлены графики изменения угловых скоростей ведомых и ведущих масс и скольжения электродвигателя, позволяющие уточнять кинематические параметры пресса и расчетные данные по мощности электродвигателя и моменту инерции маховика.

В главе четвертой представлены результаты экспериментальных исследований штамповки методом осадки на специальном КГШП модели К0940 усилием 10 МН. Испытания пресса производились путем осадки нагретых до температуры 1200-1230 С заготовок из стали 45 диаметром 60 мм до дисков диаметром 180-210 мм и высотой 7-11,6 мы. а также путем штамповки типовой поковки. Штамповка осуществлялась в два перехода: осадка на плоских плитах без кручения заготовок из сталей 45 и 18ХГТ диаметром 70 мм и высотой' 110 мм до высоты 40 мм и диаметра 116 мм и штамповка вращающимся инструментом в открытых штампах. Для исследования использовалась стандартная тензометрическая аппаратура.

Совпадение зкспериментальных и расчетных данных при осадке дисков составляет от 37. до 12,5"/.. Отношение усилий на внутреннем ползуне и на наружном ползуне ПТ , полученное

Р[1Ш] 101-

■Рис.5. Графики силового нагружения пресса при штамповке типовой поковки:!, 4- усилие на наружном ползуне; 2, 5- усилие на внутреннем ползуне;3, 6- суммариное усилие.

- расчетные (С= 8 МН/мм);

Рис.6. Графики изменения угловых скоростей ведомых (1) и ведущих (2) масс и скольжения электродвигателя (3).

экспериментальным путем (1,4-2.!) больше, чем расчетное (1.2-1.8). Совпадение расчетных и экспериментальных данных по максимальному усилии штамповки типовой поковки вполне удовлетворительное (порядка 9%). Некоторое расхождение имеет место при нагруаении ползунов. В математической модели для поковок с расчетным и увеличенным облоем отношение близки яруг другу и составляют в среднем 1.15. Экспериментальные данные показывают, что для расчетной поковки т =1,5, а для поковки с увеличенным облоем т - 0,93. В целом подтвердился теоретический вывод о том, что при открытой штамповке внутренний ползун нагружен больше, чем наружный; при закрытой штамповке нагрузки ползунов выравниваются, а при увеличенном облое уже наружный ползун испытывает большие нагрузки; при определенных размерах поковки штамповка может осуществляться только наружным ползуном.

В главе пятой решена задача оптимизации конструктивных параметров пресса с целью обеспечения его минимальной себестоимости и эксплуатационных расходов.Анализ технологических уравнений математической модели выявил следующие целевые функции , воздействием на которые возможно достижение поставленных целей:

- максимальное технологическое усилие штамповки;

- максимальный крутящий момент на эксцентриковом валу;

- суммарная работа электродвигателя;

- коэффициент полезного действия пресса.

В качестве параметров управления, существенно влияющих на заданные целевые функции, принимаются: - угол разворота эксцентриков и - угол подьема винтовой нарезки винтовой пары. Для анализа влияния параметров управления на целевые функции моделировалась осадка заготовок до заданных размеров дисков с варьированием конструктивных параметров пресса; при этом фиксировались максимальные значения технологического усилия Рг и крутящего момента М* , а также рассчитывались работа электродвигателя и к.п.д. пресса £ . На основании полученных данных построены обобщенные кривые изменения в диапазоне углов & = 0-40°и - 8-30,на которых отмечены точки, соединенные линиями, соответствующие предельным значениям технологического усилия штамповки (рис. ?). Эти линии характеризуют изменение энергетических затрат пре-

Адцг

[кДаг] 350

' 300

250

200

150

Рг=8МН,

Р.=9 Р,= 10МН_^ - ---Г—-

-

0^=13,3°

Ы=20а ¿=30е

10

20

30 ^ [град]

Рис;?. Обобщенные кривые изненения йдв в координитах углов и .

Рис.8. Значения целевой функции /7 в трехмерном пространстве

дельно нагруменного пресса при разных значениях параметров управления. Анализ этих кривых показывает, что имеется область минимальных энергозатрат. Аналогично получены значения к.п.д. в исследуемом диапазоне углов и оСч . Эти значения зафиксированы в трехмерном пространстве ( ), в ре-

зультате чего построена поверхность, которая имеет выпуклость, соответствующая минйыальным значениям у (рис. 8).

При проектировании пресса необходимо стремиться к минимальным значениям целевых функций , М™"* ^ . Однако изменение конструктивных параметров ^ и ^ с цельи уменьшения приводит к увеличению А^ и наоборот. В связи с этим в качестве обобщенной целевой функции принят параметр • АТ?"• . Значения параметра <р зафиксированы в координатах в виде точек (рис. 9). Точки с одинаковыми значениями ф соединены линиями, в результате чего получено поле значений обобщенной функции , в котором выделена зона минимальных значений Ф .

¿4 [град]

24

18

12

6

О ю 20 30 у ;град]

Рис.9. Значения обобщенной целевой функции Ф.

Анализ сводных данных показывает, что оптимизация по всем трем целевым функциям дает одно и то же значение угла разворота эксцентриков^ близкое к 30", которое совпадает с принятым в прессах модели Н0Э40. Оптимизация другого параметра управления - угла подъема винтовой нарезки винта колеблется в пределах 15°- 17,5°( у пресса модели К0940 - 13,3 ).

Шестая глава посвящена исследованию потреб-ти в специальных прессах с вращающимся ползуном и технико-экономическому обоснованию их применения. На основе анализа номенклатуры круглых в плане поковок ведущих отраслей машиностроения и способов их производства установлено, что наибольшее применение получили универсальные КГ11П, постепенно вытесняющие ПВШМ; специальное оборудование имеет ограниченное применение. Сравнение универсальных и специальных КПП показывает следующие преимущества последних:

- снижение капитальных затрат за счет уменьшения металлоемкости прессов;

- экономия металла за счет уменьшения облоя:

- сокращение эксплуатационных расходов вследствие увеличения стойкости штампов, уменьшения расходов на ремонты и энергию, а также повышения надежности и долговечности прессов;

- увеличение производительности, достигаемой как за счет увеличения быстроходности пресса, так и за счет сокращения времени на переналадку и ремонт;

- экономия производственных площадей, которая достигается за счет компактности пресса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Применение специальных КГШП с вращающимся ползуном для изготовления осесимыетричных тонкостенных поковок в серийном производстве является наиболее эффективным, позволяет специализировать производство, упростив технологическую оснастку и средства автоматизации, сокращает капитальные и эксплуатационные затраты.

2. На базе теоретических исследований разработана имитационная динамическая модель кривошипного пресса с вращающимся ползуном для штамповки с кручением, в которой взаимосвязаны технологические параметры штамповки и параметры механической системы.

3. Созданный пакет прикладных программ позволяет проведение на ЭВМ имитационного моделирования динамики работы пресса в режимах автоматических холостых и рабочих ходов, определять для любого момента времени кинематические, силовые и энергетические характеристики пресса, протекание процесса штамповки в условиях упругой деформации пресса.

4. Путем имитационного математического моделирования возможно исследовать влияние различных факторов на процесс штамповки и нагружения пресса, на основании чего принимать наиболее рациональные решения по выбору режимов штамповки и работы пресса, заменяя проведение дорогостоящих и длительных экспериментальных работ теоретическими исследованиями.

5. Установлено, что упругие деформации пресса существенно влияют на силовые параметры штамповки комбинированным нагру-яением, что не свойственно прессам простого нагружения. Установлено также наличие пластических деформаций металла в период упругой разгрузки пресса.

6. В результате исследований решена задача выбора оптимальных параметров механической системы пресса, обеспечивающих наиболее экономичные показатели проектируемого оборудования и технологического процесса.

7. Выполненная в диссертации проверка адекватности решений, полученных путем математического моделирования и экспериментальных исследований при испытании опытного образца специального КГШП. подтвердило хорошее совпадение результатов, что позволяет рекомендовать разработанную методику для практического применения.

8. Путем имитационного моделирования и оптимизации уточнены конструктивные параметры механической системы пресса модели К0940. а также получены исходные данные, на основании которых АО "Воронеятяамехпресс" ведет проектирование специального КПП с вращающимся ползуном нового поколения.

Экономический эффект от внедрения в производство пресса модели К0940 для штамповки с кручением поковок металлорежущих фрез толщиной менее 10 мм и диаметром свыше 100 мм составил 152080 рублей в ценах 1991 года.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

1. Степанов Б.й.,Субич В.Н. .Максименко fi.E. Разработка математической модели кривошипного пресса с вращающимся инструментом//Российская научно-техническая конференция.Тезисы докладов.М.:МГЙТН.1994.С.160.

2. Субич В.Н..Степанов Б,й..Максименко fi.E. Объемная штамповка вращающимся инструментом//Кузнечно-штамповочное производство.Н.1995 .N 2.С.19-21.

3. Степанов Б.А.,Субич В.Н..Максименко fi.E. Кинематические исследования специальных кривошипных прессов с вращающимся инструментом//Сборник научных трудов М.: МАСИ (ВТУЗ-ЗИЛ),1995.С.112-117.

4. Степанов Б.fl.,Субич В.Н..Максименко fi.E. Моделирование кривошипных горячештамповочных прессов с вращающимся ползуном//Научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Ростов-на-Дону.:РИЙТМ,1995.С.40-41.

5. A.c. N 1606346 СССР МНИ ВЗОВ 1/26. Кривошипный пресс для штамповки с кручением / Степанов Б.А., Субич В.Н.. Максименко А.Е. и др.