автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация в САПР технологических процессов кузнечно-штамповочного производства



.Академия наук Беларуси ордена Трудового Красного Знамени Институт технической кибернетики

УДК 658.512.011.56:621.73

Махязч Владимир Иванович

ШДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ В САПР

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КУЗНЕЧНО- ИТАШОЕОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.13.12 - системы автоматизации проектирования

Автореферат диссертации, на соискание ученой стпени доктора технических наук

Минск 1995

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени-Институте технической кибернетики Академии наук Беларуси.

Официальные оппоненты: академик AHB A.B. Степаненкс;

доктор технических наук, профессор Г.П. Тетерин;

доктор технических наук, профессор В.Д.. Цветков.

Оппонирующая организация - Ш "БелавтоМАЗ".

»ЛлХ^Л 1995 г. ч

Зашита состоится " < ' " 1дд5 г. в ' ' часов

на заседании совета по защите диссертаций Д 006.24.01 при Институте технической кибернетики АНБ по адресу: 220012, Минск, ул. Сурганова, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института технической кибернетики АНБ.

Автореферат разослан " // /1995 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, доктор технических наук

Г.И. Алексеев

- 3 -

ОБЩДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы щссетащт. Исследования в области автоматизации технологической подготовки кузнечно-штамповочного производства ведутся в странам СНГ и аа рубежом. По результатам исследований созданы и внедрены на ряде промышленных предприятий программные комплексы и системы. Существующая теория автоматизированного проектирования носит главным образом описательный характер приемов и процедур, свойственных традиционным "ручным" подходам к проектированию, и базируется в основном на экспериментальных данных. Это влечет ограничение "возможностей САПР, недостаточно высокое качество проектных решений и проектируемых технологий в. целом. Не используются в полную меру возможности ссзременных быстродействующих ЭВМ в части математического моделирования технологических процессов с целью оптимизации параметров и выбора лучших в некотором смысле проектных решении. Как показывает опыт, кардинальное улучшение качества проектируемых технологий возможно на базе создания оптимизационных и имитационных моделей. При этом открывается возможность на стадии проектирования исследовать технологический процесс, подобрать и проверить о помощью моделей его параметры, обеспечивающие сбалансированность и учет возможностей рассматриваемых производств и технических требований, на изготовление изделий.' С помощью оптимизационных и имитационных моделей удается проектировать более экономичные технологии, прогнозировать качество •' штампуемых поковок, сводить к минимуму технологическую доводку штамповочного инструмента и экспериментальную отработку и проверку проектных решений.

Промышленность Республики Беларусь располагает развитым машиностроительным комплексом с крупными кузнечно-штамповочными и холодно-штамповочными производствами, а также специализированным заводом тяжелых поковок. Выпускаемая продукция характеризуется большой металлоемкостью, низким коэффициентом использования материала, значительным энергопотреблением. Как показывает мировой и отечественный опыт, создание и внедрение средств математического моделирования кузнечно-штамповочных технологий актуально, так ::ак этим обеспечивается повышение конкурентоспособности продукции и значительные экономические преимущества.

Связь работа с крупными научными программами, темами. Работа проводилась по следующим заданиям и темам республиканской программы фундаментальных исследований, общесоюзной и республиканскими научно-техническкми программами:

1. Разработать и внедрить прикладные системы сквозного автоматизированного конструкторско-технологического проектирования для выбранных классов сборочных единиц и деталек машиностроительного применения на основе базовой модели автоматизированного рабочего места и системы базового программного обеспечения САПР (Республиканская комплексная программа фундаментальных исследований в области естественных наук, период выполнения теш - 1985-1987 гг.), N° 01.84.0001230 ВНТВД СССР,

2. Создать и ввести в опытную эксплуатации в Институте технической кибернетики Академии наук Белорусской ССР на базе вычислительного комплекса коллективного пользования и терминальных станций САПР исследовательский программно-технический комплекс для моделирования и автоматизации сквозных циклов нонс-трукторско-технологичэского проектирования сборочных единиц и деталей машин с выдачей информации на ГАП (задание 09.09 А), (Общесоюзная научно-техническая программа (0.80.03) на 1986-1990 гг., "Создать новые и развить действующие системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) в народном хозяйстве", № 01.86.0080397 ВНТИЦ СССР).

3. Создать и ввести в эксплуатацию в ПО "МТЗ" САПР опытных моделей универсально-пропашных тракторов "Беларусь" (гадание 01.39.А), (Га же программа, № 01.86.0030394 ВНТИЦ СССР).

4. Компьютеризованные системы инженерной технологической подготовки производства в отраслях машиностроения (Республиканская научно-техническая программа "Машиностроение", № 19933 Белинформпрогноз).

Исследования по указанным программам, темам и заданиям проводились при непосредственном участии автора и под его научным руководством.

Дель и задана исследования, мелью работы является повышение качества проектных решений при автоматизированном проектировании технологических процессов и штампов кузнечно-штампозочного производства, расширение функциональных возможностей соответс-

твуюиих САПР. Лля достижения этих целей необходимо было решить следуншлг- основные задачи:

- провести анализ существующих. методик проектирования в САПР и определить направления кх совершенствования:

- разработать оптимизационную математическую модель конкретного вида технологического процесса кузнечно-штампозочного производства, определить на ее базе совокупность ограничений, основные варьируемые параметры, правила оценки вариантов, связь с целевой функцией, методы решения, обобщить рассмотренные подходы на проектирование других видов технологических процессов кузнечно-штампозочного производства;

- разработать методы моделирования пластического формообразования изделий, прогнозирования появления дефектов, оптимизации переходов и интенсификации процессов горячей штамповки;

- провести опенку адекватности моделей, осуцествлть решение ко.теретных задач автоматизированного проектирования технологических процессов, внедрить в производство.

Научная новизна. Предложен подход к проектированию технологических пооиессоз кузнечно-штамповочного производства на основе моделирования и оптимизации проектных"решений з САПР, позволяющий в отличие от традиционного подхода, заключающегося в использовании метола "проб и сшибок", значительно ускорить технологическую подготовку производства новых изделий, сократить объем экспериментальных работ, получить экономив материалов и энергоресурсов.

Предложена математическая модель горячего пластического формообразования осесимметричных поковок, штампуемых на молотах и прессах, -построенная с учетом условий наиболее адекватно отображающих реальные процессы деформирования к позволяющая, в отличие от упрошенных подходов и статистических моделей, с помощью специальной имитационной модели анализировать и прогнозировать на стадии проектирования з любой интервал времени горячен штамповки основные технологические параметры.

Впервые предложен метод автоматизированного проектирования технологических процессов горячей многоручьевой вальпоЕки, основанный на выборе оптимального варианта из множества допустимых и практически целесообразных, о точки зрения интенсификации режимов вытяжки, сведения к минимуму экспериментальной доводки

инструмента и минимизации затрат на изготовление заданного изделия.

впервые предложен метод автоматизированного проектирования переходов формообразования, отличающийся обращением движения инструмента, оценкой равномерности процесса пластического деформирования л обеспечивавший в отличие от традиционных подходов проектирование экономичных, менее металлоемких, энергосберегающих технологий.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследовании послужили основой для разработки программно-методических комплексов и систем автоматизированного проектирования технологических процессоз и штампов'кузнечно-штамповочного производства. Комплексы и системы позволяют по заданному на входе описанию детали спроектировать штампуемую поковку, назначить при этом кузнечные напуски, припуски, допуски; выбрать основное штамповочное и вспомогательное оборудование; рассчитать размеры л выбрать исходную заготовку; достаточное количество технологических переходов, выбрать форму и рассчитать размеры заготовки после выполнения этих переходов; сконструировать штампы и е конечном итоге спроектировать технологический процесс и штампо-зочный инструмент. Е промышленности внедрены разработки:

1. Интегрированная система автоматизированного проектирования технологических процессов и штампов горячей штамповки поковок колец подшипников в ссотавэ подсистем: свободная ковка на молотах, горячая штамповка на молотах, горизонтально-ковочных манинах, поточно-механизированных линиях, автоматизированных комплексах, горячая раскатка на раскаточных машинах совместно с любым из вышеперечисленных видов процессов, холодная рзскатка колец подшипников из трубных заготовок.

2. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов и штампов горячей штамповки поковок обшемашинсст-рсительного и специального назначения в составе подсистем горячей вальцовки фасонных заготовок под последующую штамповку поковок удлиненной формы и с перепадами поперечных сечении; горячей многопереходной-штамповки на молотах покозок круглых в плаке и близких к ним (в том числе специального назначения из высоколегированных жаропрочных металлов и сплавов): свободной ковки на молотах цилиндрических, прямоугольных, комбинирован-

якх. полых сплошных поковок, в том числе с применением подкладного инструмента; горячей раскатки фасонных колец на раска-точных машинах.

3. Программные комплексы длл автоматизированного проектирования технологических процессов свободной ковки на молотах; поперечно-клиновой прокатки ступенчатых залов; горячей многоручьевой зальцовки фасонных заготовок. Программные комплексы ис-пользукзгся в САПР технологической подготовки производства конс-трукторско-технологическими службами предприятий - Минского тракторного и подшипникового заводов, ПО "Минский завод автоматически:: линий", Копейского машиностроительного и Чэбаркульско-го металлургического заводов. Переданы по контракту для внедрения в Болгарию и Чехословакию.

Экономическая значимость. Повышается качество проектных решений, сводится к минимуму технологическая доводка штамповочного инструмента; ускоряется технологическая подготовка кузнеч-но-шташовочного производства. Достигается экономия штампуемых материалов в среднем на 5-7 X, з в отдельных случаях до 10 ?.. Предложенные модели, методы, подходы и программные средства составляют основу новых наукоемких,- современных информационных технологи!, пользующихся повышенным спросом на рынке, представлены в виде коммерческого продукта для реализации за рубежом.

Основные положения диссертации. выносимые на защгху.

Метод автоматизированного проектирования технологических процессов кузнечно-штампозочногс производства, основанный на использовании оптимизационных моделей и'имитации пластического формообразования изделий.

Математическая модель процесса формообразования осесиммет-ричных поковок, штампуемых на молотах и прессах, построенная с учетом■условий адекватно отображающих реальные процессы пластического деформирования и позволяющая, в отличие от традиционных подходов анализировать и прогнозировать на стадии проектирования в. лвбой интервал времени процесса горячей штамповки пластические течения и условия формообразования поковок в ручьях ковочных ¡штампов, напряженно-деформированное состояние, температурные поля, износ и причины разрушения штампов, возможность появления в поковках различного рода дефектов, их расположение и причины возникновения, предполагаемые механические свойства

изделий, определять минимальное количество технологически-: переходов, форму и размеры заготовок в технологических переходах.

Метод оптимизации технологических переходов формообразования осесимметричных поковок при горячей штамповке, отличающийся обращением движения инструмента и оценкой равномерности пластического деформирования.

Метод автоматизированного проектирования технологических процессов горячей ыногоручьевой вальцовки, основанный на ЕЫборе оптимального варианта процесса из множества допустимых по ограничениям и практически целесообразных, с точки зрения минимизации затрат на изготовление заданного изделия.

Метод минимизации количества технологических переходов горячей вальцовки и оптимизации формообразования, обеспечивающий проектирование технологических процессов с интенсивными режимами вытяжки изделия.

Программные комплексы и системы для автоматизированного проектирования технологических процессов кузнечно-штамповочного производства: свободной ковки на молотах, горячей штамповки намолотах, горячей штамповки на горизонтально-ковочных малинах, кривошипных горячештамповочных прессах в составе поточно-механизированных комплексов, автоматизированных комплексах, горячей раскатки на раскагочных машинах, холодной раскатки, горячей многоручьевой вальцовки фасонных заготовок, поперечно-клиновой прокатки.

Интегрированные системы автоматизированного проектирования технологических процессов кузнечно-штамповочного производства поковок общемашиностроительного и специализированного назначения.

Агоний дгедзд. Отраженные в диссертации теоретические результаты получены лично автором. • С помощью сотрудников лаборатории • моделирования технологических процессов Института технической кибернетики АНБ A.C. Дубень, Л.В. Блиновой, Я.М. Еоголю-'бова, . А.И.,-Петровского разработаны и внедрены з производство -.'системы автоматизированного проектирования и программные комплексы, выполнены экспериментальные работы. Совместно с В.А.Саф-роненко. рассмотрена и решена задача определения набора упорядоченных оптимальных схем формоизменения, с О.Л. Шведом разрзбо-- тана математическая модель пластического формообразования осе-

\

симметричных поковок и состветствуящэя программа.

■ Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации доложены на научно-технических конференциях "Опыт создания АСУ предприятиями и технологическими процессами" (Минск, 1985); "Автоматизация процессов технической подготовки производства з условиях применения ШС" (Минск, 1986); Y111 Координационном совещании "Математическое обеспечение интегрированных САПР-ГАД" (Устинов, 1987); IV Всесоюзном совещании по автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении (Минск, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции "Системы автоматизированного проектирования в кузнечно-штампоьочксм производстве" (Москва, 1988); . семинаре "Комплексная автоматизация проектно-конструкторских работ" (Ленинград, 1983); Республиканской научно-технической конференции по проблемам развития автоматизированных систем и повышения эффективности их исполь- 1 эования а народном хозяйстве республики (Минск, 1989); научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы пластической обработки металлов" (Варна, 1390); научно-техническом семинаре "САПР в кузнечно-штамповочном производстве" (Москва, 1990); школе-семинаре по системам автоматизированного проектирования (Ленинград, 1990); отраслевой конференции по автоматизации проектирования в электронном машиностроении (Ужгород, 1991); Республиканских научно-технических конференциях "Теория и методы создания интеллектуальных САПГ в машиностроении" (Минск, 1392, 1994); Международной конференции "Оснастка - 94" (Киев, 1994). * '

Опублияозавие реауяыкапоя. По материалам диссертации опубликовано 70 печатных работ, в том числе одна монография, 39 статей, в которых достаточно полно отражены полученные результаты.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 225 страницах. Она содержит введение (4 стр.), четыре главы (145 стр., в том числе 28 рисунков), выводы ( 3 стр.) и список литературы, включающий 172 наименования (14 стр.). Приложение (50 стр.) включает акты о внедрении результатов работы и примеры автоматизированного проектирования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ •

Во введении дана краткая оценка состояния работ в рассматриваемой области, обосновывается необходимость проведения.исследований. формулируется постановка задачи.

В первой главе показано, что существующие подходы к проектированию не обеспечивают получение надлежащих качественных характеристик проектируемых технологических процессов. Известные з инженерной практике методики проектирования носят приближенный характер, строятся на экспериментальных данных, опыте технолога. методе "проб и ошибок". Системы автоматизированного проектирования еще не получили должного распространения в инженерных службах предприятий.'Главней причиной является их ориентация на устаревшую теории, технологию и практику проектирования. Технологические алгоритмы САПР базируются на тех же эмпирических зависимостях, заимствованных из методик, предназначенных для традиционного проектирования. Алгоритмы не обеспечивают требуемую в инженерной практике точность расчетов, так как многие факторы, оказывающие влияние на параметры проектируемых процессов, не учитываются. К ним относятся свойства штампуемых материалов, температурный режим горячей штамповки, технические характеристики штамповочного оборудования, условия трения, форма и размерные соотношения поковки,, конструктивные особенности ручьев ковочного штампа и др. В результате появляется необходимость в экспериментальной проверке принятых проектных решений и технологической доводке штамповочного инструмента, а в ряде случаев, при освоении в производстве новых нетиповых изделий, многократно проектируются новые варианты технологии, изготавливается и экспериментально отрабатывается инструмент до получения положительных результатов. По оценке пользователей указанных систем, а так же разработчиков проектные решения, принятые 'с помошью таких САПР, находятся на уровне ниже "среднего" инженера. Системы в большинстве случаев предназначены для выполнения простейших расчетов и формирования чертежей и являются чисто "оформительскими". Эти причины являются препятствием для более широкого использования методов и средств автоматизированного проектирования в технологической подготовке кузнечно-штампо-

вечного производства.

К параметрам, характеризующим технологический процесс горячей штамповки, з общем случае относятся: форма и размеры исходной заготовки и поковки; характеристики штамповочного оборудования: количество переходов формообразования; (форма и размеры заготовки в промежуточных переходах. Показано, что именно они являются варьируемыми параметрами и определяют качество проектных решений и лроектируемого процессз в целом.

Б каждом конкретном случае проектирования количество рассматриваемых вариантов технологического процесса горячей штамповки может быть относительно невелико. С другой стороны, процессы характеризуются разнообразием сложных форм поковок, переходов формообразования, особенностями пластического течения металла в ручьях ковочных штампов, не поддавшихся формальному учету и анализу в оптимизационных моделях. Влияние указанных факторов на параметры проектируемого процесса оценивается с помощью средств моделирования формообразования поковки, составной части оптимизационной модели.

Наиболее интенсивные исследования в области создания средств моделирования и их использования'при автоматизированном проектировании ведутся за рубежом. Известен ряд коммерческих систем, построенных на этой основе, например АЬРУБ, АЫЭТЗ, АВА-циз, МАЗКА, Ф0РМ-2Д и др. Работы по моделированию формообразования изделий в процессе обработки металлов давлением проводятся в Институте метачлургии РАН,'Высшем техническом университете имени 3. М. Баумана, ' Московском институте стали и сплавов, Санкт-Петербургском и Уральском политехнических институтах России, а также организациях Украины. -

Основные подходы к разработке оптимизационных моделей рассмотрены автором на примере технологического процесса многоручьевой вальиовки, наиболее сложного и трудоемкого в проектировании, характеризующегося относительно простыми формами сечений фасонных заготовок (круг, квадрат, овал, ромб и др.) и схемами формоизменения заготовки в ручьях (круг-овал, овал-круг, квадрат-ромб, ромб-квадрат и др.), что поддается формальному учету и анализу в оптимизационной модели. При проектировании т?хноло-гических процессов горячей многоручьевой вальцовки, оптимизационная модель которых рассматривается во второй главе диссерта-

ции, учитываются ограничения: коэффициент вытяжки Л;г, достигаемый за N переходовдолжен быть не менее заданного значения \0; коэффициент вытяжки за переход не должен превышать величины, определяемой пластическими свойствами материала 'Vax. а также техническими характеристиками оборудования Л'i ^; сечение заготовки Ьи после выполнения заключительного перехода, должно вписываться в ручей ковочного штампа с заданной шириной Ь"; достигаемое в каждом переходе обжатие übt, i=l,2.....N, не должно

превышать величины,. определяемой пластичность» штампуемого материала (Дйщал) и условиями захвата заготовки валками (Dje(l,j))j последняя зависит от порядкового номера перехода i и выбранного типоразмера оборудования; величина ai характеризует размеры сечения заготовки; ограниченные некоторой величиной, исходя из условий обеспечения устойчивости сечения в ручьях перед выполнением каждого перехода; расчетные для i-го перехода величины давления металла на валки Рц, крутящего момента Ми, работы деформации А i j не должны превышать предельно допустимых для используемого оборудования значений Pj, A3; габаритные размеры инструментов Ljt щ. В, должны вписываться в рабочую зону j-ro типоразмера оборудования.

Выбор оптимального (с точки зрения минимизации технологической себестоимости изготовления изделия С) варианта технологического процесса, удовлетворяющего перечисленным выше требованиям, сводится формально к решению оптимизационной задачи:

м

о r(Ua) + tfufj,) + а Е Xifui-i.uj •* min; (1) i-1

N -целое положительное число;

N fti-14-l

ХЫ= П - > Хо; (2)

1-1 hibi

bi-ibi-1 hibi

Ьн < Ь*; (4)

О < ЛЬг- ¿>1-1 - Лх < т1п(0^( (о)

О < ЛЬх- (6)

ь1 л я (и^.щ)-, ккам;

йх--«

¡11 а*, 1- V; (7)

Ч>(Ьх-1,Л1-1 (8)

РхзГОо ЯьЛ^.Ь^ьйЬьЛЬх.^-ьиьХ Р^ (9)

Мц{0},С2з ,Л1-1,Ь1-1,й?Зг,ДЬ1,и1-1,и1;< И^; (10)

>11о('£,з,^,Лх-1,Ь1-1,йЛ1,ЛЬх1и1-1,и4;< Л!; (11)

N

- ("Ьх + вгл; < ¿я

1-1

я к ^ — < Е -< ое1.

г К_1 я*« (1 +

В приведенной математической модели значение критерия С ха- -рактеризует величину переменной части технологической себестоимости изготовления изделия, зависящей от варьируемых параметров и Ы, щ , и Д7?1, 1*1,2,.Эта переменная часть определяется затратами на исходную заготовку, изготовление и -эксплуатацию штамповочного инструмента, амортизацию оборудования, а также трудовыми и энергетическими затратами на изготовление изделия. Кроме уже отмеченных ранее, в модели (1)-(13) использованы обозначения: ("1^-1, щ.) - схема формоизменения заготовки в ручьях инструмента (составляющая некоторой схемы ли), преобразующая в результате выполнения 1-го перехода изделие с формой исходного сечения их-1 в изделие с формой иц Л* и Ьч - высота и ширина сечения изделия после выполнения 1-го перехода; и

(12) (13)

S2j- диаметр рабочих валков j-ro типоразмера оборудования и скорость их вращения; длина к-го участка изделия после выпол-кения i-ro перехода; S1^ - опережение металла з калибрах; й-'ч^ - рабочий радиус инструмента. Положительные пСстоянные коэффициенты <7, Хц-,ах, Ь*, а", ührnax и зависящие от i и j параметры V(Ua), V-(j), .ti(Ui-itUi), 3(i,j), q(Ui-i,Ui), 5(иО, Aj

рассчитываются по известны),) формулам либо задаются. С помощью соотношения (8) отражена в общей форме зависимость между ушире-нием Abi и об.*атием Ühi в каждом переходе.

Сформулированная оптимизационная задача относится к классу задач нелинейного математического программирования. К особенностям задачи, из-за которых4« возникают трудности при ее реализации, относятся: наличие элементов комбинаторики (одна из составляющих целевой функции, а также ограничение (7) заданы на графе допустимых схем формоизменения);, в основном нелинейный характер зависимостей между переменны,а задачи. В диссертации дан анализ оптимизационной математической модели с учетом специфических особенностей рассматриваемого технологического про--цесса. Анализ показал,что для уменьшения величины целевой функции (1) следует по возможности стремиться использовать оборудование о наименьшим диаметром валков. Наряду.с этим показано, что в оптимальном решении задачи (1)-(13) количество переходов N имеет минимальное значение. При этом оба направления снижения технологической себестоимости изготавливаемого изделия согласуются одно о другим, а именно уменьшение диаметра валков при прочих равных условиях'способствует снижению необходимого количества технологических переходов. Проведенный анализ позволил определить рациональный порядок просмотра спискоз оборудования и вместе с этим произвести декомпозицию задачи на ряд более простых подзадач, последовательная реализация которых дает возможность за приемлемое время найти оптимальное решение исходной задачи в целом.

Один из наборов составляющих подзадач связан с расчетом минимально допустимого количества технологических переходов ff' и выявлением схем формоизменения, .газволяющих за данное число переходов изготовить требуемое изделие. Определение отмеченных параметров проектируемого процесса сводится формально к последовательному решению для некоторой схемы формоизменения

Ги!-!,, используемой при выполнении 1-го перехода, набора однотипных подзадач следующего вида:

Ч(дй, до; = ьдь + дмь - мь - тах;

1

ьдл 1- дмь - мь < ль (1--;;

v

дь < д?3*тах;

* Ь

ДЬ + — ДЬ < -;

а а

ь, дь, дь; - 0;

дь < ¿*; дь > о; дь > о; .рчь, ь, дь, т С р; л/' (ь, ь, дь, дй; < ж; д'(ь, ь, дь, дЮ < А;' - дь <.ь* - ь, 1 = н*.

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20) (21) (22)

(23)

(24)

Здесь Ь > О, Ъ > О, а > О, \ > 1, С > О, Ь* > Ь - коэффициенты, определяемые по приведенным в работах автора формулам; ДЬках, р> А ~ заданные коэффициенты исходной задачи; ДЬ и ДЬ - искомые параметры. Реализация набора подзадач типа (14)-(24) является одной из процедур основанного на использовании метода ветвей и границ алгоритма определения подмножества схем формоизменения, обеспечивающих изготовление изделия за минимальное .(определяемое с помощью этого же алгоритма) количество технологических переходов Ы*. В диссертации описан предложенный метод решения задачи (14)-(24) для принятого конкретного выражения

(18) связи между искомыми параметра.«! ДЬ и ДЛ с учетом характера зависимости от них левых частей ограничений (22)-(24). Метод сводится к определению решения СДЛ*.ДЬ*) задачи (14)-(24) и к последующей его корректировке по предложенному правилу до тех пор, пока не будет получено решение (йЬ^.ДЛ**), удовлетворяющее условиям .(22)- (24). При том характере зависимости величины уширения ЛЬ от величины обжатия Дй, который присущ процессам формоизменения в ручьях штатов, описывающих данную зависимость с различной степень» точности, значение ДЬ" координаты оптимального решения (йЬ*,ДЬ*) задачи (14)-(24) совпадает с решением задачи с той же системой ограничений (15)-(21) и целевой функцией Д/з •* шах.'

При автоматизированном проектировании технологических процессов горячей штамповки поковок сложных нетиповых форм требуется формальная оценка особенностей течения металла в ручьях ковочных штампов для прогнозирования возможных дефектоз, учета влияния формы и размеров заданного изделия на режимы деформирования и обеспечение заданных техническими требованиями сзойсте готового изделия. В теория обработки металлов давлением отсутствуют формальные методы для учета в алгоритмах автоматизированного проектирования влияния формы и размеров изделия на характер течения металла в ручьях штампов, а тем более оптимизацию переходов формообразования изделия.

В третьей главе диссертации приводится математическая модель и метод оптимизации переходов формообразования осесиммет-ричных поковок в ручьях ковочных штампов. Математическая модель построена на основе известных в теории пластических деформации общих подходов (Теория пластических деформаций / Е.П. Унксов, У, , Джонсон, В. Л. Колмогоров и др.; Под ред. Е. П. Унксоза, А.Г. Овчинникова.- М.: Машиностроение, 1983.- 598 с. и др.), формулируются краевая задача и вариационный принцип, существование которого означает возможность приближенного решения задачи нахождением стационарной точки функционала. Выполнено приближенное описание процесса для определения в области пластического течения температур, скоростей, напряжений, деформаций з поковке. Объекты моделирования являются телами вращения, а их формообразование подчиняется особенностям осесимметричной пластической деформации, при этом поверхностные'нагрузки, темпера-

турные поля, течение металла симметричны. Штампуемые материалы приняты жесгкозягкошаоткчзскими, упрочняющимися, изотропными и несжимаемыми, их пластические свойства учитываются с помощью кривых упрочнения. Для решения задачи используется метод конечных элементов.

Задача моделирования пластического формообразования поковки разделяется на тепловую задачу охлаждения, пластическую деформационную, деформационную тепловую и скоростную задачи, учитывается время переноса (поковки) заготовки и паузы. Этапы подразделяются на временные 'интервалы - ('¿1, 1=1,2,... ,л. Процесс формообразования на каждом интервале считается стационарным. По известным в момент времени ¿1 относительной скорости инструмента и температурному полю Г, решается пластическая задача в интервале определяются узловые нагрузки, усилие деформирования и тепловые источники. По известны.) в момент времени ¿1 усилию деформирования и относительной скорости инструмента й'и определяется скорость инструмента в момент времени ¿1+1, а по известным в момент времени ¿1 узловым нагрузкам, тепловым источникам и температурному ползг решается тепловая задача расчета температурного поля в момент времени ¿1+1, далее осуществляется переход к интервалу (¿1+1, ¿1+2.' и т.д. Начальное температурное поле явхяется известным (температура нагрева заготовки (покоеки) с учетом тепловых потерь). Приближенные решения для скоростей," гидростатического давления, поверхностных нагрузок, температур в покойке, и дальнейший расчет формоизменения заготовки, напряженно-деформированного.состояния, энергосилозых параметров-мснсно получить пошаговым методом по времени на основе вариационных принципов с учетом граничных условий из минимизации функционалов

я

'ЫЮ

г

ш

с/У -

¿Як* Р\ С? с/У; (25)

У

У

■52/Т?

л

• дТ х £ -дТ ,-дТ\\

1 • I 1 ' -| + I-! : - г х

II дх } -ау) ^дг У '

Г- 8 ч

х |дг - с р

ЛЬ

(г ) ¿V + { а !г -гг*)

\Tdls

(25)

на конечно-элементных полях скоростей к температур, где б - ин-

тенсивность напряжении; £ - интенсивность скоростей Дс'^ОрМЗЦЗШ: V - объем занимаемый поковкой: 5 - граница V; контактная с инструментом часть границы 5; г - вектор распределенных нагрузок со стороны инструмента; вектор скорости точки поковки; й/и- вектор скорости инструмента; Р - штрафной коэффициент (достаточно большое положительное число); с, - сумма нормальных компонент тензора скоростей деформаций; 7 - температура на последующем шаге; 8 - температура на текущем шаге; Л - коэффициент теплопроводности; с - теплоемкость; р - плотность; а - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; ц - внутренний источник тепла; Г*- некоторое значение температуры, определяющее граничные условия, как граничные условия третьего рода; г - время; к,у,г - декартовы координаты. Граничные условия для (25) представляют собой граничные условия для скоростей на

V ( V + кГц ) = О.

где V - единичный вектор знешней нормали в 5. Граничные условия для (26) представляют собой задание I*, например, аналогично (Гун Я.Г. Математическое моделирование процессов обработки ме-'таялов давлением.'-М.: Металлургия,. 1983.- 352 е.), а также а на основе эмпирических данных. В качестве конечного элемента используются с-ерендшов конечный элемент первого порядка для пластической" и деформационной тепловой задач к серендиг.ов конечный элемент второго порядка для тепловой задачи охлаждения. С помощью функционалов (25)-(26), принятых допущений и гранич-

якх условий, отыскивается формоизменение заготовки в технологических п?реходач, распределение деформаций, напряжений, температур, си действующие на штамп, усилия и работы деформации для изготовления заданной поковки. На основе принятого подхода разработан программный комплекс. Проведена проверка правильности алгоритмов и программ решением пластической задачи жестковяэ-копласпганости на тестовых примерах (В.В. Соколовского' и Р. Хклла), для которых существуют аналитические решения. Решены конкретные задачи термозяэкоплаотичности для моделирования процессов штамповки на молотах и кривошипных горячештамповочных прессах, подтверждающие адекватность математической модели. Одна из них связана с анализом пластического течения металла в ручьях ковочного штампа в процессе горячей штамповки на кривошипном гор?чештэмповсчном прессе поковки шестерни (из номенклатуры МТЗ). Результаты моделирования пластического течения металла в штампе в процессе горячей штамповки и формообразования покозки привадятся на рис. 1,в-к, зафиксированные в интервалы времени (начиная с момента контакта верхней половины штампа с осаженной заготовкой): 0,0; 0,03; 0,045; 0,064; 0,083: 0,092; . 0,1; 0,105; 0,118; 0,124 с. В диссертации приведены результаты моделирования формообразования поковки, а также соответствующие выбранному моменту времени поля температур, деформаций, напряжении, гидростатического давления, скоростей, вектора узловых нагрузок на штамп и графики усилий горячей штамповки в первом и втором переходах. Анализ результатов моделирования показывает', • что технологический процесс спроектирован удовлетворительно, предусмотрен даже излишек материала (см.рис.1, з-к). Тем не менее, это далеко не лучший вариант формообразования из числа возможных по ограничениям, так как не проведена формальная оценка качества последнего.

Одна из сценок проверки адекватности модели и программного комплекса проведена с целью исследования процесса пластического формообразования и прогнозирования бездефектного получения поковок. Это касается брака по складкообразованию и зажимам, который наиболее распространен в куэнечно-штамповочном производстве. Для сравнения использованы экспериментальные данные, приведенные в работе O.A. Ганаго и А.Э. Даммера. По их мнению, основная причина образования дефектов заключается в неблагоприят-

- 20 - -«

Рис. I. i Формоизменение заготовки ь ручьях ковочного итампа

кых размерных соотношениях размеров исходной заготовки и поковки, приводятся также рекомендации по выбору этих соотношений, исключающих складкообразование. При моделировании учитывались следующие исходные условия: использовалась цилиндрическая заготовка без предварительной осадки. Размеры исходной заготовки (диаметр и высота) варьировались до получения положительного результата. Анализ результатов расчетов показывает, что при определенных размерах исходной заготовки в процессе ее формоизменения просматривается явное складкообразование материала, которое приводит з дальнейшем к образованию зажима - дефекта поковки из-за нарушения целостности. Зажим образуется и з случае предварительно подсаженной заготовки. Изменение коэффициента трения, величины радиусов закругления ручьев штампа и штамповочных уклонов не оказывают существенного влияния на обшую картину образования'дефекта. Полностью подтверждается качественная картина складкообразования и появления зажшов. С увеличением диаметра исходной заготовки с 63 до 90 мм картийа формообразования изменяется- в сторону условий исключения образования дефекта, что согласуется с физическими эксперимента.,и. Адекзатное ' описание механизма образования такого сложного и тонкого дефекта как зажим, свидетельствует о достоверности и практической полезности математической модели.

Рассмотрен более сложный пример моделирования формообразования поковки из номенклатуры Чебаркульского'; металлургического завода, штампуемой на молоте из жаропрочного труднодеформируе- ' мого сплава на никелевой основе ЭИ698 (ХН73МБТЮ). Существующая -технология формообразования поковок не обеспечивает получение удовлетворительных механических свойств, требуемых по техничес- ■ ким условиям приемки, потери от брака достигают 10-16%. В результате моделирования,установлено, что на формообразование заготовки в первом переходе требуется 7 ударов молота, во втором переходе - 18 (по заводской технологии на первый переход планировалось 7-8 ударов, на второй - 20-22), усилие при горячей штамповке возрастало в первом переходе с 0,7 до 35 МН, во втором о 40 до 360 МН. Анализ результатов моделирования показывает, что при минимальной критической степени деформации сплава ЗИ698 15Х, значительная часть поковки (в местах вырезки образцов с неудовлетворительными свойствам!) получила меньшую сте-

пень деформации. Недостаточная проработка поковки ведет к снижению прочностных и пластических свойств готового изделия з процессе эксплуатации. В гоне технологического напуска (-для вырезки образца) обеспечивается достаточная проработка поковки, что подтверждается заводскими испытаниями, однако наблюдается довольно резкое колебание температуры и не исключается выход за нижнюю границу температурного интервала, чем и объясняются недостаточные свойства испытуемых образцов.

Программный комплекс позволяет пользователю в любой момент времени контролировать формоизменение исходной заготовки, в замедленном режиме (в виде компьютерного фильма, • имитирующего процесс формообразования) наблюдать на экране дисплея за эволюцией преобразования заготовки, анализировать распределение деформаций, напряжений, температур, скоростей. Для "круглых в плане" поковок, удовлетворявших осесимметрической схеме, могут решаться задачи анализа заполнения граЕюры ковочного штампа с целью предупреждения различного рода дефектов, связанны?: с конструктивной недоработкой переходов, ручьев штампа, нетехнологичностью форш поковки и неблагоприятных размерных отношений. На стадии проектирования технологического процесса прогнозируются следующие дефекты: незаполнение элементов гравюры ковочного штампа, высоких выступов, тонких ребер, различных уголков; образование зажимов в определенных местах поковки; повышенный или неравномерный износ гравюры ковочного штампа; несоответствие механических свойств поковки техническим требованиям.' Предполагаемые дефекты устраняются подбором правильного сочетания форш и размеров исходной заготовки, формы и размеров поковки в промежуточных технологических переходах, формы и размеров готовой поковки е заключительном переходе; расчетом достаточного количестза технологических переходов горячей штамповки; повышения технологичности конструкции готовой поковки, изменения ее отдельных конструктивных элементов (радиусов закруглений, штэмпоеочных уклонов, конструкции' наметки для отверстия, положения линии разъема штампов).

Технологические процессы горячей штамповки осуществляются за несколько переходов (два и более). Это связано со сложными формами готовых изделий, перепадачш поперечных сечений, неблагоприятными размерными соотношениями, недостаточными пластичес-

гаши свойствами штампуемых материалов. Предложен метод проектирования гкреходоа формообразования поковки на основе имитационной модели процесса, варианта модели обращения дзижения штамповочного инструмента и критерия, отражающего равномерность процесса пластического деформирования (похожий метод используется известным американски;.! ученым Б. КоЬзуазМ и его учениками). Обращение движения инструмента представляет собой прием, осуществляемый с конечной стадии процесса формообразования поковки, к исходному перед пластическим деформироззнием положению штампа и фиксировании в этот момент времени конфигурации заготовки. При использовании приема обращения движения промежуточное состояние поковки может быть зафиксировано з любой момент времени. При зтом движение штампа, действие внешних сил, течение металла имеют направление, противоположное естественному. Использование приема обратного движения инструмента приводит к ситуации появления множества промежуточных состояний заготовки, применение к которым прямого движения обеспечивает получение первоначальной формы. Это утверждение подтверждается решением задачи проектирования переходов формообразования на конкретных примерах из практики. Многообразие•полученных с помощью обращения движения состояний заготовки несколько затрудняет работу с ними, но в то же время открывается возможность поиска новы-:, нестандартных проектных решений при проектировании переходов формообразования с учетом особенностей конфигурации и размерных соотношений поковки, пластических свойств штампуемых материалов, возможностей оборудования.' Введено'понятие, характеризующее равномерность пластического деформирования, а также соответствующий критерий. Количественная оценка равномерности деформирования производится с помощью функционала

ЖШ)) =

\grad е|сЛ',

/ - V

где ЩЬ) - текущее состояние поковки (заготовки) в момент времени £ о параметрами У(Ь), г(Ь), й > 0. Равномерность, процесса

улучшается с уменьшением Р., й = О в идеальном случае.

Правомерность взедения критерия Р. и его определения подтверждаются вычислительными экспериментами. Анализ результатов моделирования показывзет хорошее соответствие' предложенного критерия оптимизации представлениям о равномерности процесса пластического деформирования.

Программный комплекс-для моделирования процессов пластического формообразования передан в опытно-промышленную эксплуатацию на Минский '"факторный завод.

В четвертой главе приведено описание програымно-мегсдкчес-кого комплекса, созданного по результатам работы, который относится к средствам общецелевого применения, содержит инвариантные проектные процедуры по отношению к различным видам технологических процессов, категориям пользователей, составу проектных задач и предназначен для разработки на его основе систем автоматизированного проектирования, ориентированных на услоЕия конкретных производств. К инвариантным проектным процедурам относятся: Еыбор и редактирование.проекта-аналога; проектирование штампованной или кованной поковки, назначение напусков, припусков, допусков, штамповочных уклонов, внешних и внутренних радиусов закругления,- выбор линии разъема, параметров наметки отверстий и др.; проектирование технологической карты горячей штамповки, выбор необходимых операций и переходов, назначение вспомогательного инструмента, расчет нормативных параметров, режимов горячей штамповки; проектирование штампового инструмента и др. Программный комплекс может служить основой для создания интегрированных систем с различным масштабом выпуска изделий по всему технологическому циклу подготовки производства. Проектирование рассматривается как процесс преобразования входных данных о проектируемом объекте (чертеж готовой детали), состоянии знаний в рассматриваемой области, предыдущем или аналогичном опыте в выходную информацию в виде проектных документов (технологических карт, рабочих чертежей). При проектировании технологических процессов на типовые поковки и подобные ил по основным параметрам (габаритам, конфигурации, размерным соотношениям) используются методы типизации, параметрического проектирования, преобразования проектов-аналогов. Метод синтеза используется для отработки проектных решений при проектировании

технологических процессов на оригинальные (нетиповые) поковки, учитывается традиции технологического проектирования, сложившиеся на предприятиях. Типовое техническое задание на проектирование включает сведения о готовой детали, размерах, форме, технических требованиях нз изготовление. Описание геометрии детали выполняется одним из известны.^ способов в зависимости от ее сложности и характера задач, решаемых подсистемой. Поиск аналога проекта и его редактирование поддерживаются графической системой и архивом графических данных, включающим сведения об обрабатываемых деталях и спроектированных для них технологических процессах, чертежах поковок, комплектах чертежей штампов. Поиск осуществляется путем просмотра слайдов или по классификационным признакам. При этом существенную роль играют топологические признаки и численные значения основных размеров сравниваемых объектов. Подсистема поиска аналога имеет три выхода: выход из подсистемы при обнаружении в архиве готового проекта, полностью отвечающего требованиям (полны;! аналог); передача • управления диалоговому монитору и дальнейшее проектирование в одной из подсистем (при отсутствии аналога), либо выход на редактирование тлеющегося в архиве проекта сг?дствами графической системы. Проектирование поковки осуществляется на основе . действующих стандартов и нормативных документов. Назначаются кузнечные напуски на невыполнимые элементы готовой детали, припуски на механическую обработку, допуски на размеры._ Режим диалога позволяет вести проектирование поковок практически любой степени сложности. Выбор режима проектирования эазисит от уровня слож- ' ности поковки и степени подготовленности пользователя. Определяется технологический маршрут изготовления поковки, операции и переходы горячей штамповки, расчет нормативов, выбор инструментов, формирование карты технологических переходов. Реализованы процедуры, позволяющие вести проектирование следующих видов технологических процессов: свободной ковки нз молотах, горячей штамповки на молотах, горячей штамповки на горизонтально-ковочных машинах, горячей штамповки на кривошипных горячештамповоч-ных прессах, горячей раскатки на раскаточных машинах, горячей многоручьевой вальцовки фасонных заготовок, поперечно-клиновой прокатки ступенчатых-деталей.

Впервые разработана интегрированная система автоматизиро-

ванного проектирования технологической подготовки кузнеч-но-штамповочного производства поковок колец подшипников. Для поковок колец подшипников проектируются следующие виды технологических процессов: свободная ковка на молотах'; горячая штамповка на молотах; горячая высадка на горизонтально-ковочных машинах; горячая штамповка на автоматизированных комплексах; горячая штамповка на поточно-механизированных линиях; горячая раскатка на раскаточных машинах. Технологический' процесс горячей раскатки используется совместно с любым из перечисленных видов технологических процессов. Система включает также проектирование технологических процессов холодной раскатки колец из трубной заготовки. Предусмотрена стыковка системы с подсистемами автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки колец подшипников и изготовления штаыпо-вого инструмента. САПР внедрена на Минском подшипниковом заводе в 1992г. Качество получаемых проектных решений и техническая документация соответствуют техническим требованиям.

Технология свободной ковки на молотах используется' на предприятиях машиностроения с индивидуальным и мелкосерийным характером производства. Характерным являются значительные объёмы проектирования технологических процессов • (например, при технологической подготовке производства агрегатных станков и автоматических линий - десятки тысяч проектов в год), большая металлоемкость изделий. Технологический процесс ковки проектируется для всех типов поковок (ГОСТ 7829-70): гладких, круглого и прямоугольного сечений; круглого сечения с уступами, фланцем, буртом, выемкой; прямоугольного сечения с уступами, фланцем, буртом, выемкой: комбинированного типа с уступами различной конфигурации? дисков, брусков, цилиндров, кубиков, пластин сплошных: дисков, брусков, цилиндров, пластин с круглым или прямоугольным отверстиями. К основным технологическим операциям, рассматриваемым при проектировании, относятся: осадка, протяжка, прошивка, раскатка, штамповка в подкладных кольцах и штампах. Алгоритм автоматизированного проектирования включает процедуры: объединение деталей в пакет для изготовления групповой поковки; назначение кузнечных напусков, основных и дополнительных припусков на механическую обработку, предельных отклонений на изготовление поковки; проверка выполнимости на покое-

ках концевых и промежуточных уступов, выемок, фланцев, буртов; проверка .ча технологичность выполнения операций свободной ковки; проектирование технологических операций и переходов ковки; выбор оборудования; проектирование подкладных колец и штаг-шов, зыбор вспомогательного инструмента; расчет нормативных параметров технологического процесса. Повторявшиеся процедуры выделены в зиле инвариантных для всех видов проектируемой технологических операций. В связи с тем, что количество вариантов технологического процесса относительно невелико, задача выбора лучшего из них упрощается и сводится к просмотру и анализу вариантов с использованием приемов, сокращающих время и процедуру просмотра. Программный комплекс может функционировать автономно, а также в составе систем автоматизированного проектирования. Например, на Чебаркульском металлургическом заводе ведется комплексное проектирование технологических ^процессов "свободная ковка-горячая штамповка","свободная ковка-раскатка", на Минском заводе автоматических линий подсистема "свободная ковка" функционирует з составе систем автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки деталей типа: "фланцы-диски", "вгулки-цилиндры"; "валы-оси", "призматические", "корпусные". Использование для проектирования, модели, более точно и полно отражающей процессы свободной, ковки, обеспечивает сокращение расхода металла на изготовление поковок на 2-5%. Программный комплекс внедрен на минском заодве автоматических линий, подшипниковом, тракторном, Кспейоком машиностроительном, Чебаькульском металлургическом заводах.

Задача проектирования, технологии поперечно-клиновой прокатки многовариантная, ■ причем количество вариантов формообразования растет с увеличением числа ступеней детали (например, для изготовления детали из,шести ступеней количество вариантов формообразования достигает 1470). На основе чертежа детали, сведений об оборудовании и других дачных производится выбор принципиальной схе'-ы технологического процесса. Определяется последо- -вательность обработки участков ступенчатой детали. Она строится на основе некоторого подмножества типовых элементарных схем формообразования. Технолог-тческая себестоимость представлена в . виде суммы затртг на обработку типовых элементарных участков. В ■этом случае задача значительно упрощается и сводится к поиску

наиболее низких по себестоимости типовых элементарных схем формообразования. Ограничения при автоматизированном проектировании аналогичны рассмотренным выше. Изменяя параметры проектируемого технологического процесса, с учетом пдас^ометрических характеристик обрабатываемого материала, удается прогнозировать появление дефектов, связанных с вскрытием полости. Для выбранного варианта схемы рассчитываются основные параметры клинового инструмента: степень обжатия за проход, угол заострения клина, протяженность заходной, рабочей, калибрующей частей и другие данные с учетом количества одновременно обрабатываемых участков изделия и соответствующих типовых схем формоизменения. Расчетные параметры инструмента корректируются с целью уравновешивания осевых усилий при прокатке и исключения таких дефектов,-как проскальзывание, изгиб, обрыв шейки. Совмещается прокатка нескольких участков, выравнивается длина клиньев в сторону увеличения их размеров о последующим пересчетом связанных с этим размеров клинового инструмента. Габаритные размеры инструментов приводятся в соответствие о посадочными размерами обоймы, рассчитывается профиль участка захвата, участка выхода, отрезных и разделительных ножей, поддерживающих дорожек, проектируются вставки, калибрующие планки и другие элементы клиньев. Программный комплекс передан по контракту в Болгарию и Чехословакию, внедрен в Физико-техническом институте АНБ.

ВЫВОДИ

Основной результат диссертационной работы новые научно обоснованные разработки в области автоматизации проектирования технологических процессов кузнечно-штамповочного производства, основанные на оптимизации проектных решений, моделировании формообразования поковок, прогнозировании параметров пластического деформирования, использование которых позволяет сократить сроки техногогической подготовки производства новых изделий, свести к минимуму экспериментальную проверку проектных решений и технологическую доводку инструмента, уменьшить потери от брака, получить экономию материалов, пара, газа, электроэнергии, повысить стойкость ковочных штампов, уменьшить износ уникального штамповочного оборудования и в совокупности решить крупную

прикладную проблему повышения качества технологических процессов в САП? куэнечно-штачповочного производства.

Полученные в диссертации новые научные выводы и результаты сводятся в,основном к следующему:

1. Анализ традиционной методологии и практики проектирования технологических процессов и штампов кузнечно-штамповочного производства показал, что при освоении предприятиями новых изделий- для проверки проектных решений, в основном используется метод "проб и ошибок". Существует народнохозяйственная проблема, обусловленная необходимостью повышения конкурентоспособное-, ти выпускаемой продукции, ускорения процесса, освоения производством новых зысокоэкономичных изделий, повышения коэффициента использование материала, снижения энергопотребления. В работе впервые сформулирована задача повышения качества проектируемых процессов в САПР, • на основе моделирования и оптимизации кузнечно-штамповочных технологий.

2 Показано, что к основным параметрам, характеризующим -технологические процессы кузнечно-штамповочного производства и оказывающим влияние на их качество относятся: типоразмер выб- ' ранного штамповочного оборудования- форма и размеры исходной заготовки и поковки, количество переходов формообразования, форма и размеры заготовки в технологических переходах. Этот вывод подтверждается анализом оптимизационной модели технологического процесса вальцовки и ее обобщением.

3. Рассмотрены проблемы повышений качества проектируемых ' технологий путем математического моделирования и оптимизации ^ процессов. Установлено, . что достоверность отдельных проектных решений и рассматриваемого варианта технологии в' целом определяется в основном особенностями течения металла в ручьях ковочных штампов и может.буть повышена за счет проверки на имитационных моделях.

4. Подтверждено, что проектирование технологических процессов с помощью оптимизационных моделей, в отличие от известных подходов, ориентированных на .усредненные критерии-(обжатие, коэффициент вытяжки за переход) или эмпирические данные, позволя-' ет интенсифицировать режимы деформирования и получить экономию обрабатываемых материалов.

5. Традиционная методология,проектирования переходов формо-

образования поковок строится на основе использования эмпирических данных, что связано со значительными затратами в производстве. Предложен метод проектирования и оптимизации переходоз формообразования при горячей штамповке осесимметричных поковок обращением движения инструмента и оценкой равномерности процесса деформирования, что позволяет ускорить проектирование, сократить издержки в процессе производства, повысить достоверность проектных решений.

6. Методы 'синтеза из конструктивных элементов и параметрического проектирования поковок и заготовок различных типоз, штампов горячей штамповки в условиях индивидуального, мелкосерийного, крупносерийного и массового производств, предложенные в диссертации, значительно ускоряют внедрение САПР на машиностроительных предприятиях.

7. Модели, методы и подходы, выносимые на защиту реализованы в программных комплексах и системах автоматизированного проектирования технологических процессов и штампов горячей штамповки поковок различного класса и назначения и внедрены на промышленных предприятиях. Подтверждено высокое качество проектных решений и эффективность САПР.

8. Эффективность работ в области автоматизации проектирования обеспечивается комплексным подходом к решению задач. Впервые разработана и внедрена на Минском подшипниковом заводе интегрированная система автоматизированного проектирования технологических процессов и штампов горячей штамповки поковок для колец подшипников, охватывающая все типы изготавливаемых колец и все виды технологии, позволяющая значительно ускорить технологическую подготовку производства подшипников.

Список основных работ, опубмиюванных автором по теме диссертации:

1. Махнач В.И., Сафроненко В.А. Автоматизация проектирования технологии горячей вальцовки. - Минск: Наука и техника, 1989. - 104 с.

2. Махнач В.И. Состояние и проблемы создания систем автоматизированного проектирования в машиностроении // Сб. Проблемы развития автоматизированных систем и повышение эффективности их использования в народном хозяйстве республики. - Минск, 1989.-С. 3 - 8.

•3. Махнач В.Л. Автоматизация проектирования технологических процессов ^кузнечно-штамповочного производства // Актуальные проблемы пластической обработки металлов: Гез. докл. межд. конф. - Еарка, 1990.- С. 74 - 75.

4. Махнач В.И. Моделирование при автоматизированном проектировании заготовительных технологий машиностроительного производства // Теория и методы создания интеллектуальных САПР а машиностроении: Тез. докл. конф. - Минск, 1992.- С. 25.

5. Махнач В.И. Программно-методические комплексы конструкторски- технологического проектирования // Сб. Автоматизация процессов технологической подготовки производства. - Минск, 1993. - С. 4-11.

6. Боголюбов Я.М., Махнач В.И., Петровский А.И. Автоматизация технологической подготовки кузнечно-штамповочного производства подшипников //'Сб. Информатика. Сер. Автоматизация проектирования. - М.: ВИМЧ, 1993.- №1-2.- С. 51-57

7. Стрельцов А.И., Махнач В.И., Иванов Г.А. Моделирование процессоз принятия проектных решений в САПР технологии сварки // Сб. Информатика. Сер. Автоматизация проектирования. - М.: ЗИМИ, 1993. - №1-2.- С. 44-50.

8. Стрельцов А.И., Махнач В.И.Элементы искусственного интеллекта в САПР технологических.процессов сварки // Сб. Автоматизация процессов технологической подготовки производства.. -Минск, 1993. - С. 79-85. .

9. Дубень A.C., Махнач В.И. Программный комплекс для авто-' матизированного проектирования технологических процессов поперечно-клиновой прокатки // Сб. Автоматизация процессов технологической подготовки производства.- Минск, 1993.- С.44-49.

1D. Швед О.Л., Махнач В.И. Программный комплекс для моделирования процессов горячей объемной штамповки на молотах и прессах/ /Теория и методы создания интеллектуальных САПР в машиностроении и приборостроении: Гез. докл. конф.- Минск, 1992.- С.53.'

11. Боголюбов Я.М., Махнач В.И., Петровский А.И.Интегрированная САПР технологической подготовки кузнечно-штамповочного производства на Минском подшипниковом заводе // Теория и методы создания интеллектуальных САПР в машиностроении и приборостроении: Тез. .докл. конф.- Минск, 1992.- С.31.

12. Махнач Б.И., Иванов Г.А., Стрельцов А.И. Интеллектуаль-

ная САПР технологической подготовки сварочного производства />' Теория и методы создания интеллектуальных САПР в машиностроении я приборостроении: Тез. докл. конф.- Минск, 1992.- С. 33.

13. Митяев И.С.. Махнач В.И. Методика выполнения предпроек-тных . исследований при создании конструкторско-технологических САПР // Сб. IV Всесоюзное координационное совещание по автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении.-Минск, 1989. - С. 85 - 89.

14. Махнач В.И. 5' предверье завтрашнего дня /У Неман, 19В6.- № 4.- С. 109-112.

15. Махнач В.И., Сафроненко В.А. Определение набора оптимальных- схем калибровки ручьев вальцовочного инструмента/УСб. Автоматизация проектирования•технологических процессов и оснастки для штамповки.- Минск, 1981.- С.13-25.

16. Махнач Б.И., Сафроненко В.А. Выбор оптимального количества- переходов при проектировании технологического процесса горячей вальцовки.// Изв. АН БССР. Сер. физ.-техн.- наук. -1981.- № 4 - С. 98-104. ' _

17. Махнач В.И., Сафроненко В.А. Выбор оптимальной схемы калибровки ручьев вальцовочного инструмента //' Изв. АН В ССР. Сер. фиэ.-техн. наук.- 1982.-'N° 1 - С.86-91.

1&. Махнач В.И., . Сафроненко В.А. Метод определения набора оптимальных схем калибровки-ручьев вальцовочного инструмента // Изв. АН БССР. Сер. физ.-техн. наук.- 1983.- №2.- С. 74-79.

19. Система автоматизированного проектирования разделительных штампов "Автоштамп-ЕС". Часть 1 / Еарготин В.М., Гривачевс-кий А.Г., Махнач В.И. и др. - Минск, 1984. - 98 о.

20. Система автоматизированного проектирования разделительных штампов "Автоштамп - ЕС". Часть 3 / Гривачевский А.Г., Махнач В.И., Прохваткин Н.В. и др. - Минск, 1984. - 38 с.

21. Губич Я.Е..Лившиц Э.Г., Махнач В.И. Построение интегрированных САПР из готовых и вновь создаваемых программных компо-

• нент // Математическое обеспечение интегрированных систем САПР-ГАП: Тез. докл. конф. - Устинов, 1987.- С. 7-8.

22. ГОСТ 34.201-89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем. - М.: Изд-во стандартов, 1989.- 12 с.

- SS -

23. ГОСТ 34.602-89. Информационная технология. Комплекс' стандартсг. на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы.- ■ ¡М.: Изд-во стандартов. 1989.- 15 С.

24. ГОСТ 34.601-90. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания.- М.: Изд-во стандартов, 1990. - 15 с.

25. ГОСТ 34.003-90. Информационная технология. .Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1990.- 15 с.

25. РД 50-34.698-90. Методические указания. Информационная технология. Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы. Требования к содержанию документов.

- М.: Изд-во стандартов, 1990. - 21 с.

27. Блинова Л.В., Махнач В.К., Петровский А.И. Автоматизированное проектирование технологических процессов свободной ковки // Системы автоматизированного проектирования в куз-нечно-штамповочном производстве: Тез. докл. конф. - М., 1938.

- С.34 - 35. ' '

28. Амельчеяко П.А., Солонский A.C., Махнач В.И., Жуковский И.Н. Проблемы и прикладные задачи САПР универсально-пропашных тракторов // Опыт создания и пути повышения эффективности функционирования ' АСУ предприятиями и технологическими процессами: Тез. докл. конф. - Гомель, i985. - С. 15-16. . ,

29. Семенков О.И., Махнач В.И., Лившиц Э.Г. Автоматизиро- ■: ванная система конструкторско-технологического проектирования деталей класса тел вращения/УАвтоматизация процессов технической подготовки производства в условиях применения гибких производственных систем: Тез. докл. конф.- Минск, 1986. - С.7-8.

30. Махнач В.И., Петровский А.И., Блинова Л.В. Автоматизированное проектирование технологических процессов свободной ковки на молотах // Автоматизированное проектирование прогрессивных процессов ковки и горячей.штамповки: Тез. докл. конф. -Л.: ДЦНТП.- 1989.- С. 61 - 52.

31. Гривачевский А.Г., Махнач В.И., Прохваткин Н.В. Опыт разработки и промышленного внедрения систем автоматизированного проектирования оснастки для ОЭД // Прессование металлов и спла-

зов на базе применения современных SEM: Тез. докл. конф.-Ижевск: ВИЛС.- 1978. - С. 16 - 17.

32. Махнач Б.И., Швед О.Л. Автоматизация проектирования технологических процессов горячей штамповки на основе имитационного моделирования /7 Becui АкадэмП кавук Зеларус1. Сер. ф1з,- тзхн. нааук, 1S94. - Ы°3. - С. 85 - 83.

33. Макнач В.И. Моделирование при автоматизированном проектировании заготовительных технологий машиностроительного производства // Теория и методы создания интеллектуальных САПР в машиностроении: Тез.докл. конф. - Минск, 1992. - С.25.

24. Шзед О.Л., Махнач В.И. Программный комплекс для моделирования процессов горячей объемной штамповки на молотах и прессах // Теория и методы создания интеллектуальных САПР в машиностроении и приборостроении: Тез. докл. конф,- Минск,1992.-С.53.

35. Швед О.Л., Махнач В.И. Решение некоторых осесимметрич-ных задач жестко-вязкопластичности вариационным методом.- Препринт / Ин-г техн. кибернетики AHB, №21.- Минск, 1994.- 63 с.

36. Махкач В.й., Швед О.Л. Прогнозирование складкообразования при автоматизированном проектировании технологических процессов горячей штамповки // Сб. Модели и алгоритмы автоматизации проектирования конструкции и технологий. - Минск, 1994.-С. 130 - 137.

37. Махнач В.И., Швед О.Л. 05 оптимальном пластическом фор-мообразовании//Весц1 Акадэ'мН навук Беларуси Сер. ф!з.- тэхн. навук, 1994.-22 е.- Деп. в ЕИНИТИ 22.02.94, №2236- 394.

38. Боголюбов Я.М., Махкач В.И. Программный комплекс для хранения, поиска, корректировки и выдачи документации при проектировании технологических процессов и инструмента горячей объемной штамповки//Сб. Модели и алгоритмы автоматизации прсек-тиройанкл конструкций и технологий. - Минск, 1994.- С.138-146.

¿9. Иванов Г.А., Махнач В.И., Стрельцов А.И. Моделирование процесса проектирования технологии сварки двухслойных сталей /'/ Сб. Модели и алгоритмы автоматизации проектирования конструкций и технологий.- Минск, 1994.- 0.167-173.

40. Мзхнач В.И., Петровский А.И. Система автоматизации проектирования технологических процессов и штампов (САПР ТПиШ) куэнечно-штампоЕочного производства // 0CHACTKA-S4: Тез. докл. межд. конф.- Киев, 1994.- 0.73.

/

- -

РЕ5ШЕ

диссертации Махначз Владимире Ивановича "Моделирование и оптимизация в САПР технологических процессов кузнечно-штамповочного производства"

Ключевые слова: технологический процесс, проектирование, горячая штамповка, вальцовка, оптимизация, переходы формообразования, прогнозирование дефектов, обращение движения, равномерность деформации.

Предложен метод автоматизированного проектирования технологических процессов кузнечно-штамповочного производства на основе оптимизационной и имитационной йоделей. Цель - повышение качества проектных решений. Построена оптимизационная модель технологического процесса вальцовки, разработан метод минимизации количества технологических переходов и оптимизации формоизменения заготовки. В результате сводится к минимуму экспериментальная доработка штаг,шов, обеспечивается интенсификация режимов изготовления изделий. Разработана математическая модель процесса пластического формообразования осесимметричннх поковок и метод ее реализации с использованием метода конечных элементов и вариационных принципов. Проведена проверка адекватности модели. С помощью модели решены задачи проектирования технологических, процессов. В частности, анализ пластического течения металла 3 ручьях ковочных штампов (незаполнение ручья, прогнозирование дефектов формы). Исследовано влияние размеров исходной заготовки на складкообразование кольцевой поковки. Проведен анализ заводских технологических процессов, подготовлены рекомендации по их усовершенствованию.- Предложен подход к проектированию переходов формообразования на основе обращения движения инструмента и критерия равномерности процесса пластического деформирования. Разработаны и внедрены на машиностроительных предприятиях системы автоматизированного проектирования.

ïo -

рзешЕ

дысертацыйнай працы Махнача Уладз1м1ра .!ванав1ча "Мадэляваяке i аптьвпэацыя у САПР тэхналагччных працэса? кавальска-штамповачнай вытЕорчзсцг"

Ключавыя словы: тэхнадаПчны працэс, псаектаванне. гарачзя штампоука, вадьирука,. аптым1эашя, пераходы фармайтзарэкня, прагнэзаванне дэфекта?, зварот руху, ра^намернасць дзфармзцы!.

• Праланазакы метад аутаматызаванага праектавання тэхнзлаПч-кых працэсау канальсгеа-штампозачнай ЕытворчасЩ на падставе ап-TbLM.i зашйнай i 1и1тацыйнай мадзляу з мзтай пагялхчэння якаоц! праектных рашэнняу. Распраназака аптым1эацыйная ыадэль тэхнала-гхчяага прадэсу вальцэуга., метад мШмхзацы! кслькасцх пераходау i аптыьазаиьй характарыстык формазмянення зататоук!. У вы-HiKy знодг1цца да MiHiwyMy экспериментальная далрацоука штампах, забяспечваецца 1нтэнс1ф1кзшя рэжымау апрацоук! вырабау. Распрапазана матэматычкая мадаль пранзса плзстычнага фсомаутва-рэння Беюесп-:етрнчкых паковак i праграмны комплекс з вынарыс-таннем метада канечных злементау. 3 яе дапамогай вырзшаны задачи праектааання тэхналагччных- працэсау гарачай штампо^й. У прыватнасц1, вывучэнне пдастычнага цячэння металу пры шарыаут-ваоэнн! naKOyKi з мэтаи прагнаэ1равання негапаукення ручаеу ко-вачных штампа?, складка^тварэння, выбару рэжымау гарачай штам-nGYKi з мзтай зтрымання зададзеных тэхнхчньаи умоззм! уласш-васцяу гатовага вырабу, праектавання прамежкавых пераходау. Даследаваны уплыу некаторых параметра? на скл-адка?тварзнне кольцавай пакоута. Быкананы аналаз заводсшх тэхналагачных працэсау i падрыхтзааны прапановы па ix удаеканаленя1. Упершыня прапанаваны падыход да аптым1зацы1 пераходау формаутварэння зваротам руху хнструыента i ацзнкай раунамернасщ прзцзса плас-тычнага дэфзрмавання. Па вьшЧках даследазанкяу распрацаваны i укаракены на машнабудаутчых пр'адпрыемстзах cíctsmh аутачаты-заванага праектавання тэхналагччных працэсау i штампа?.

RESUME

c: in? thesis "Modeling1 and Optimization in CAD of technological processes of drop forging" by Mahnach Vladimir ¡vanovich

Key »ords: technological process, designing, drop forging, roil forging. optimization, stsje of forming, forecasting of defects, motion inversion, uniformity of deformation.

The method for automated design of technological processes of drop forging is proposed. This method is based on optimizing and imitative model ana aimed at improving of project decisions' quality. The optimizing' model of roll forging1, the method minimising- the number of forming- transitions and optimizing1 the parameters of changing the form of the blanks are developed. As a result, an experimental finishing of the forging1 die is reduced to minimum and intensive regime of manufacturing1 is provided. The mathematical model of the process of plastic forming of axis-symmetrical forgings is developed and the software system on a base of the finite elements method and the variational principals is worked out. The verification of the model's adequacy is made, with the help of this model the problems of technological processes of die forging design are solved. Namely, the study of plastic flow of metal while; forging forming with the aim of forecasting' of underfilling of the forging die's grooves, folds forming; the choice of the regimes of die forging with the aim of receiving the properties of finished pieces, given by the technical conditions; the" intermediate transition design. The- influence of some parameters on the folds forming of ring forging is investigated. The analysis of plait's technological processes is executed and the recommendations for their improvement are presented. For the first time the approach to optimisation of transitions of forming is proposed, which is based on inversion of tool motion ana on the estimation of uniformity of the plastic deformation process. On the base of the investigation results the systems for automated design of technological processes and press tools are worked out and applied.1