автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Обоснование режимов операций обжима и раздачи трубчатых заготовок электромагнитной штамповкой

На правах рукописи < ■

Лай Данг Занг

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ОПЕРАЦИЙ ОБЖИМА И РАЗДАЧИ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ШТАМПОВКОЙ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2013

7 НОЯ 2013

005536999

Работа выполнена в ФГЪОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: Проскуряков Николай Евгеньевич.

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Демин Виктор Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, советник ректора ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

Травин Вадим Юрьевич, кандидат технических наук, нач. отдела ОАО «Научно-производственное объединение «СПЛАВ», г. Тула

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Московский

государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Защита диссертации состоится « 27 » ноября 2013 г. в 14-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, проспект Ленина, 92, корп. 9, ауд. 101).

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

Автореферат разослан « 25 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие машиностроения и вывод его на новые ресурсосберегающие технологии, повышение производительности труда и качества продукции основываются на применении передовых технологических процессов, к числу которых относятся высокоскоростные методы обработки металлов давлением, такие как электромагнитная штамповка (ЭМИГ).

В настоящее время внедрение достижений науки в производство затруднено в связи с недостатком инвестиций, жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, поэтому особенно актуальной становится задача создания методов проектирования технологий и оборудования, обеспечивающих минимальные энергозатраты.

Однако решение задач ЭМШ требует развития эффективных прикладных теорий, численных методов их реализации и выбора рациональных параметров технологических операций. Необходимо изучение деформационных и прочностных свойств материалов в новых специфических условиях, развитие экспериментальной техники, создание более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.

В то же время широкое внедрение процессов ЭМШ сдерживается недостаточной стойкостью инструмента, применяемой оснастки и элементов высокоэнергетического оборудования, что вызвано их работой в условиях далеких от рациональных. Это приводит к большим объемам экспериментальных и доводочных работ по корректировке технологии штамповки на этапе серийного производства.

Снижение энергоемкости процессов ЭМШ позволяет не только экономить энергоресурсы, но и повысить стойкость элементов технологического оборудования и инструмента. Имеющиеся в литературе работы позволяют определить энергоемкость технологической операции, но в силу принятых значительных упрощающих допущений обычно решается либо механическая, либо электрическая задача, что не позволяет определить рациональные параметры технологических режимов, индукторных систем и установок для ЭМШ.

Таким образом, актуальной научной задачей в области развития технологии и оборудования для машиностроения является теоретическое обоснование новых технологических режимов и оснастки для деформирования трубчатых заготовок из разных материалов, выявление особенностей их формоизменения в операциях обжима и раздачи при ЭМШ.

Цель работы.

Создание и реализация новых технологических режимов и оснастки для электромагнитной штамповки трубчатых заготовок, обеспечивающих снижение энергии зарядки установки для операций обжима и раздачи трубчатых заготовок.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать математическую модель системы «оборудование-инструмент-заготовка» с учетом режимов работы, параметров и геометрии индуктора и заготовки в операциях ЭМШ;

• установить закономерности деформирования трубчатых заготовок из разных материалов и взаимосвязь параметров системы «установка-инструмент-заготовка» в операциях обжима и раздачи ЭМШ;

• создать алгоритм расчета и проектирования технологических операций обжима и раздачи трубчатых заготовок и выбора рациональных параметров системы «оборудование-инструмент-заготовка».

Объект исследования: технологические операции обжима и раздачи трубчатых заготовок электромагнитной штамповкой.

Предмет исследования: закономерности деформирования различных материалов магнитно-импульсным воздействием и режимы обработки.

Методы исследования: Теоретические исследования операций электромагнитной штамповки выполнены на основе положений механики твердого тела и теории пластических деформаций металлов, теории электрических цепей. Математическое моделирование процессов проводилось с использованием теории планирования эксперимента, нелинейного программирования, методов численного решения систем дифференциальных уравнений с применением пакета прикладных программ МАТЬАВ/БппиЦпк.

Автор защищает:

- зависимости для определения энергетических, силовых и кинематических параметров операций обжима и раздачи ЭМШ;

- математическую модель системы «установка-индуктор-заготовка» для операций обжима и раздачи трубчатых заготовок» с учетом режимов работы, параметров и геометрии индуктора и заготовки в операциях ЭМШ;

- результаты исследований процессов ЭМШ и внедрения разработанных методов и алгоритмов расчета — в практику проектирования и учебный процесс.

Научная новизна.

Выявлены зависимости энергетических, силовых и кинематических параметров операций электромагнитной штамповки заготовок из различных материалов, учитывающие взаимосвязи параметров индуктора, заготовки и режимов операций для снижения энергии зарядки магнитно-импульсной установки.

Практическая значимость. На основе выполненных теоретических исследований разработаны:

- рекомендации для обеспечения рациональных режимов операций электромагнитной штамповки трубчатых заготовок и совершенствования существующих индукторных систем и оборудования ЭМШ;

- алгоритм проектирования и выбора рациональных параметров магнитно-импульсной установки и индуктора для операций обжима и раздачи трубчатых заготовок из различных материалов при ЭМШ.

Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ, в лекционных курсах «Новые технологические процессы и оборудование ОМД», «Компьютерное моделирование технологических процессов» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 150700 «Машиностроение», профилю «Машины и технология обработки металлов давлением».

Апробация работы. Результаты исследований доложены на следующих конференциях: Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-16, АПИР-17, ТулГУ, 2011-2012 гг.); 77-я Международная научно-техническая конференция ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» - МГТУ «МАМИ» - 2012; на ежегодных НТК ППС ТулГУ в 2011-2013 гг.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения и общих выводов по работе, списка литературы из _96_ наименований, 4 приложений и содержит 102 страницы машинописного текста, _45_ рисунков, _J_2_ таблиц. Общий объем работы 132 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и цель работы, приведены научная новизна, методы исследования, основные положения, выносимые на защиту, и краткое содержание диссертации.

В первом разделе рассмотрено современное состояние, особенности и перспективы развития способов ЭМШ по изготовлению полых осесим-метричных деталей, методов расчета оборудования и операций формоизменения заготовок, опубликованные результаты экспериментальных исследований.

Основы теории, технологии и оборудования импульсных методов штамповки в значительной мере базируются на результатах работ отечественных и зарубежных школ, к которым принадлежат следующие ученые: О.Д. Антоненков, A.M. Балтаханов, Ш.У. Галиев, В.А. Глущенков, С.Ф. Головащенко, В.А. Демин, A.A. Есин, Е.Г. Иванов, В.Н. Кислоокий, С.М. Колесников, A.B. Колодяжный, А.Д. Комаров, В.Д. Кухарь, В.Я. Мазуровский, B.C. Мамутов, В.М. Михайлов, А.Н. Пасько, М.В. Петров,

Е.А. Попов, Ю.А. Попов, Н.Е. Проскуряков, В.Н. Самохвалов, Стрижаков E.JL, А.К. Талалаев, JI.T. Хименко, В.Н. Чачин, Г.А. Шнеерсон, Б.А. Щеглов, В.Б. Юдаев, С.П. Яковлев, Н. Dietz, J. Jablonski, Н. Lippman, R.H. Post, H.P. Waniek и др.

Проведенный обзор исследований операций и оборудования ЭМШ выявил существенные преимущества данной технологии по сравнению с другими способами штамповки.

Однако из-за отсутствия теоретических и практических рекомендаций многие технологические операции ЭМШ осуществляются недостаточно результативно, что ставит задачу повышения их эффективности, научно обоснованного определения напряженно-деформированного состояния заготовки, расчета параметров оснастки и оборудования.

В литературе недостаточно исследований по анализу влияния параметров технологии и оборудования на процессы формоизменения заготовки в операциях ЭМШ, что не позволяет на стадии проектирования определять их рациональные конструктивные параметры.

Создание новых технологий, оснастки и оборудования ЭМШ требует разработки методов расчета режимов работы магнитно-импульсных установок (МНУ) и форм разряда, выбора рациональных параметров установки и индукторной системы с целью получения заданного конечного формоизменения заготовки при минимуме энергозатрат, что в настоящее время является нерешенной задачей.

На основе выполненного обзора сформулированы цель работы и определены основные задачи исследований.

Во втором разделе получены основные зависимости и уравнения для анализа задач динамического формоизменения заготовок при ЭМШ.

Рассмотрены характерные формоизменения трубчатых заготовок и эгаоры интенсивности деформаций для формообразования по схеме «коль-цо-в-кольцо», конуса, сферы, рифта. Получены уравнения для определения удельной и полной работа деформации заготовки при ЭМШ.

Разработку математической модели системы «установка-индуктор-заготовка» и расчет электромеханических процессов проводили методами теории электрических цепей с использованием двухконтурной схемы замещения совместно с дифференциальными уравнениями движения заготовки. Рассмотрены варианты определения электромагнитных параметров МИУ, особенности расчета омических сопротивлений и индуктивностей индуктора и заготовки, и их взаимной индуктивности.

Выполнен анализ электромагнитных и силовых параметров ЭМШ.

В третьем разделе для исследования и моделирования режимов технологических операций и работы оборудования разработана электромеханическая модель системы «установка-индуктор-заготовка». Расчет и проектирование системы «установка-индуктор-заготовка» для операций об-

жима и раздачи ЭМШ проводили методами теории электрических цепей с использованием двухконтурной схемы, показанной на рис. 1.

1

I

I

и(

/

1 ш

я

111

Рис. 1. Двухконтурная схема замещения системы «МИУ - индуктор - заготовка»

Первичный контур образуют батарея конденсаторов емкостью С0 с собственной индуктивностью Ь0, сопротивление К0 разрядной цепи МИУ, сопротивление Л, индуктора, а также индуктивность индуктора Ц.

Вторичный контур образует заготовка, которая может быть представлена как одновитковая катушка с индуктивностью Ь2 и сопротивлением Я2 . Магнитная связь между контурами индуктора и заготовки отражена их взаимной индуктивностью Ми . Собственные параметры разрядной цепи МИУ известны по паспортным данным установки, а параметры индуктора и заготовки подлежат расчету.

Для моделирования поведения сложных динамических систем используются ЭВМ. Существует большое количество алгоритмических языков, на которых может быть выполнено решение задачи.

Выбор того или иного языка программирования зависит от многих условий. Часто решающую роль оказывает удобство программирования, наличие проверенных математических методов, легкость представления результатов моделирования. Такими особенностями обладает пакет МАТЬАВ, содержащий в своем составе инструмент визуального моделирования БйпиНпк.

Расчет процессов проводится в безразмерной системе координат: деформация - еф, время - х

е<р =г|-(——-1). т= '--

¿20 л/^оС

Процессы обжима и раздачи трубчатых заготовок описываются единой системой безразмерных уравнений ( 1 ).

Уравнение движения заготовки:

4_гь\ , ЛЬР + Л^ф) | 1 +т1еч>

V3 1 + Ле«

+ ВРа [л 2 + + 0 - п2 XI + ; Давление ИМП на заготовку:

Р. =|[(Л-1)(211 +i2)i2 +(T1 + 1>22) Токи в заготовке и индукторе:

Vl«2 ~ ^2т\2

(1)

(1 + а,)а2 -/Я!22

— = -ii; -Р- = г-г,(у0+у,);

ат ах

1 2 ! (l + aj)a2 — ff»]2

Л

= -у2г2.

Остальные безразмерные переменные выражаются через физические следующим образом:

i/n

'1 =

J1 l^ri

Jr

Nt t/0 V С •

Vi =

Yl

U0JC-L0 '

V2

где

5,=

n2

1 I

с начальными условиями: при т = О,

z = l; =0; —!'- = 0; i, =l2=0; =v|/2 =0; -Jp. = -iL = <).

v eft A ■ at

Электрические параметры системы «МИУ — индуктор - заготовка» и физико-механические характеристики материала заготовки входят в безразмерные уравнения, описывающие процесс, в виде следующих безразмерных коэффициентов:

' „ - V а -hlML. т

а2 ~ ~ > тП - Т . Ь L0 Lq

_4-Д'-IQ-C. д_4-а,-£0-С, 0 _ji0-(С-U0 ■ N, ■ KH)

Pm ' d20

Pm -d20

;B=i

Pm ' ¿20 ' ^20 ' '20

где (Tj- предел текучести материала заготовки; Е'- динамический

модуль упрочнения материала; рт- плотность материала заготовки, Ц и Д,- - индуктивности и активные сопротивления.

В системе ( 1 ) и далее индекс 1 относится к индуктору, 2 - к заготовке.

Коэффициент г) = 1 - при раздаче, т| = —1 - при обжиме заготовки.

Коэффициент т|2 учитывает влияние относительной длины заготовки на условия её деформирования:

пРи ,20 -1 (низкая заготовка), 2//0

при 120 > 1 (высокая заготовка),

"2Я0

где 12о, ¿2на " первоначальные длина и наружный диаметр заготовки соответственно.

В данной работе система уравнений (1) решается с использованием пакета МАТЬАВ/ БипиИпк. Пакет Бкпиипк сочетает в себе наглядность аналоговых машин и точность цифровых вычислительных машин. Он обеспечивает пользователю доступ ко всем возможностям пакета МАТЪАВ, к библиотеке численных методов, в частности методу численного интегрирования систем дифференциальных уравнений.

В четвертом разделе для исследования и получения математических моделей процессов ЭМШ применен машинный эксперимент.

При решении практических задач выбора рациональных параметров операций ЭМШ особый интерес представляет создание вторичной математической модели (ВММ) процесса на основе сочетания машинного эксперимента с регрессионным анализом и привлечением теории планирования многофакторного эксперимента.

Планирование многофакторного эксперимента позволяет перейти от частных эмпирических зависимостей к общей, дающей математическое описание картины процесса во всей сложности и взаимообусловленности.

Независимо от задач, которые должны решаться при проведении исследований (обеспечение минимальной энергии зарядки МИУ, высокого КПД установки и т.п.), все факторы, влияние которых существенно сказывается на выходных параметрах операций ЭМШ, можно разбить на следующие три основные группы, характеризующие:

- магнитно-импульсную установку;

- инструмент (индуктор);

- заготовку.

В качестве выходных параметров (выходных переменных, функций отклика) процессов ЭМШ рекомендуются:

- энергоемкость процесса, КПД операции, себестоимость одного разряда, рабочая частота процесса, степень деформации заготовки при постоянной энергии зарядки МИУ и т.д.

Л2 =

Каждый выходной параметр должен отвечать следующим требованиям:

- возможностью измеряться при любом сочетании входных параметров в их области определения;

- быть информационным, статистически эффективным и однородным.

Одним из наиболее важных параметров процесса ЭМШ является энергия зарядки МНУ, необходимая для деформирования заготовки. Этот параметр отвечает всем перечисленным требованиям, поэтому он был выбран в качестве выходного.

Анализ проведенных исследований показал, что влияние указанных выше факторов на процесс ЭМШ носит нелинейный характер.

Для выдачи рекомендаций по выбору значений факторов при проектировании операций ЭМШ необходимо провести выбор рациональных параметров системы «МИУ-индуктор-заготовка» для обеспечения минимума энергии зарядки МИУ для операций обжима и раздачи трубчатых заготовок.

Для планирования эксперимента выбраны операции обжима и раздачи заготовок из алюминиевого сплава АМг2М, стали 08кп и латуни Л63.

При исследовании была принята гипотеза упругопластического тела, упрочняющегося по линейной зависимости, а деформация заготовки в процессе деформирования была постоянной и составляла 12%, как наиболее широко встречаемая при выполнении формоизменяющих операций ЭМШ.

Относительные размеры обрабатываемой полой цилиндрической заготовки составляли /з/Дз = 1.33 (где /3 = 80 мм - длина заготовки, £>3 = 60 мм - ее наружный диаметр).

Так как /3/1)3 = 1.33 > 1, то заготовку можно считать высокой.

В качестве трех основных факторов, влияющих на процесс ЭМШ, были приняты:

- частота МИУ, /миу = 25...75 кГц;

- удельное электросопротивление материала индуктора, Ринд ~ 7....27е - 8 Ом ■ м;

- число витков индуктора, Ы^щц = 5....15.

После проведения машинного эксперимента и обработки результатов получены регрессионные зависимости энергии зарядки МИУ - ТУ, кДж для операций раздачи и обжима от кодированных значений факторов для исследуемых материалов:

а) сталь 08кп:

- при обжиме

ТУ = 16.787 - XI ■ 0.03950 - х2 ■ 8.5103 + х3 ■ 1.3955 - хх ■ х3 • 0.30768 -

- х2 • х3 • 0.14901 - Ху ■ 0.20633 + х\ • 5.3505 - х\ ■ 0.36859;

- при раздаче

Ж = 91.549-ДГ1 • 5.2394• 50.231 + х3 ■ 4.3469-^ х3 -2.4961 + + х2 ■ х3 • 0.2468 - х\ ■ 0.8988 + х\ • 34.408 - х\ • 2.6893;

б) латунь Л63:

- при обжиме

Ж = 13.078 + хх • 0.22908 - х2 • 7.6291 + х3 ■ 1.0884 -хгх3- 0.23171 -

- х2 ■ х3 • 0.22736 - • 0.2982 + х\ • 4.6939 - х\ ■ 0.43973;

- при раздаче

1Г = 69.424 - XI • 2.047 - *2 • 45.062 + х3 • 3.6402 + ■ х2 ■ 0.77813 --х1х3 -1.7073-х? -1.4258 + х\ -28.834 -х\ -1.861;

в) алюминий АМг2М:

- при обжиме

IV = 6.2559 + ■ 0.11709 - х2 • 3.7748 + х3 ■ 0.58735 - хх ■ х3 • 0.05298 -

- х2 -х3 ■0Л024-xf • 0.10801+ -2.2478-л:| -0.11841;

- при раздаче

Ж = 36.32 - XI • 0.9525 - х2 ■ 22.142 + х3 ■ 1.4735 + х\-х2- 0.54294 --Х\ -лг3 -0.82719-х\ -0.48026 + х\ -14.017-х| -0.81525.

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

На основе полученных математических моделей операций ЭМШ -уравнений (2)-(7), построены графики зависимости энергии зарядки МИУ для операций от собственной частоты МИУ, удельного электросопротивления материала индуктора и числа витков индуктора, часть из которых представлены на рис. 5, при обжиме заготовок из алюминия, латуни и стали.

Анализ графиков показывает, что зависимость энергии зарядки МИУ от указанных факторов носит нелинейный характер, который определяется взаимным влиянием удельного электросопротивления материала индуктора и собственной частоты установки, /миу •

При увеличении частоты установки и уменьшении удельного электросопротивления материала индуктора энергии зарядки МИУ для опера-

Рис 5. Зависимости энергии зарядки МИУ для обжима заготовок из алюминия, латуну и стали от рШд и /¡^¡у при NШд =5

ции снижается и наоборот.

На основе анализа математических моделей операций ЭМШ трубчатых заготовок разработан автоматизированный алгоритм расчетов, включающий в себя расчет технологической операции, задачи выбора рациональных режимов операций, параметров индуктора.

Алюминий АМг2М - Обжим, число витков, М_„„ = 5 Латунь ЛбЗ - Обжим, Число витков, М„„„ =5

Сталь 08кп - Обжим, Число витков, Иинд = в Сталь 08кп - раздача. Число витков, Минд = 5

По разработанному алгоритму были проведены исследования влияния параметров разрядного контура МИУ и числа витков индуктора на эффективность операций обжима заготовок из типовых материалов.

Одними из основных параметров, определяющих кинематику деформационного процесса, окончательное формоизменение и точность получаемых деталей при ЭМШ являются режимы операций и форма импульса давления импульсного магнитного поля (ИМП).

Для оценки эффективности режимов операций нами были введены коэффициенты эффективности по деформациям и энергии зарядки МИУ:

- £3 - отношение радиальных деформаций заготовки при режиме кроубар и обычном периодическом разряде при постоянной энергии зарядки МИУ, к%=ък!ъП,

- ¿э - отношение энергий зарядки МИУ при обычном периодическом разряде и режиме кроубар при постоянной радиальной деформации заготовки, кэ = Жп !ШК.

На рис. 6 приведены зависимости коэффициента эффективности к^ от степени деформации и материала заготовки для разных материалов.

1.4

1.35 1.3

1.25 /с

3 К п

1.2

1.15 1.1

1 05 __

4 б 8 1® 12 14 16 18 "Ж

6t %

Рис. 6 Зависимости коэффициента эффективности кгэ от степени деформации и материала заготовки

Анализ графиков, представленных на рис. 6 показывает, что:

- при постоянном числе витков индуктора с увеличением степени деформации заготовки эффективность режима кроубар снижается;

- наибольший эффект режима кроубар достигается на алюминиевых и стальных заготовках, наименьший - на латунных;

- режим кроубар более эффективен для высоких заготовок (l/d > 1), чем для низких;

- для низких заготовок (l/d < 1) режим кроубар наиболее эффективно применять для заготовок из стали.

На рис.7 приведены зависимости коэффициентов эффективности режимов от числа витков индуктора для алюминиевой заготовки.

Анализ зависимостей на рис. 7, позволяет сделать выводы, что для операции обжима ИМП высоких заготовок (I/d > 1) из алюминия АМг2М эффективность режима кроубар нелинейно зависит от числа витков индуктора, причем максимумы эффективности по деформациям и энергии зарядки МИУ наблюдаются при разном числе витков индуктора.

ф 1- АМГ2М, высокие

□ 11-АМГ2М, низкие

V 2-ЛбЗ, высокие

Д 22-Л63, низкие

0 3- сталь08*п, высокие

....... Ф 33-сталь08кп, низкие

>^22

Рис 7 Зависимости коэффициентов эффективности режимов от числа витков индуктора для обжима заготовки из алюминия АМг2М

Для выявления возможностей управления формой импульса давления ИМП были выполнены расчеты как совместного, так и встречного включения блоков конденсаторов.

а б

Рис. 8 Совместное (а) и встречное (б) включение блоков МИУ

Полученные в обоих вариантах окружные напряжения и радиальные деформации заготовок практически одинаковы (различие 3...8%), в то время как вид кривой скорости и ее значения значительно отличаются -при встречном включении появляется второй максимум скорости (рис. 8,6), причем для латунной заготовки этот максимум больше первого.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача в области развития технологии и оборудования для машиностроения, в частности выполнено теоретическое обоснование новых технологических режимов и оснастки для деформирования трубчатых заготовок из разных материалов, выявление особенностей их формоизменения в операциях обжима и раздачи при ЭМШ.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Разработаны математические модели, описывающие электромагнитные и механические процессы, происходящие в системе «установка-индуктор-заготовка», с учетом режимов работы, параметров и геометрии индуктора и заготовки в операциях ЭМШ.

2. Установлены закономерности деформирования трубчатых заготовок из разных материалов и взаимосвязь параметров системы «установка-инструмент-заготовка» в операциях обжима и раздачи ЭМШ. В частности показано, что для индуктора из бронзы БрБ2, увеличив число витков индуктора с 5 до 10, можно практически вдвое снизить энергии зарядки МИУ для операций обжима и раздачи заготовок из стали, латуни и алюминия.

3. На основе разработанного алгоритма проектирования технологических операций ЭМШ и выбора рациональных параметров системы «оборудование-инструмент-заготовка» показано, что

- наибольший эффект режима кроубар достигается на алюминиевых и стальных заготовках, наименьший - на латунных;

- режим кроубар более эффективен для высоких заготовок (//</> 1), чем д ля низких;

- для низких заготовок (//с/ < 1) режим кроубар наиболее эффективно применять для заготовок из стали.

4. Выявлено, что режим кроубар для операции обжима ИМП высоких заготовок (1/с1 > 1) из алюминия АМг2М имеет максимумы коэффициентов эффективности разряда в зависимости от числа витков индуктора, что позволяет при N1 = 12... 14 осуществлять операцию обжима с минимумом энергии зарядки МИУ.

5. Показано, что комбинируя способы совместного и встречного включения конденсаторных блоков-модулей к общему индуктору можно создавать сложные законы изменения ИМП на заготовку и в широких пределах управлять формой импульса давления в процессе формоизменения заготовки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИСЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Лай Д.З., Проскуряков Н.Е., Пальчун E.H. Разработка критерия оценки энергоемкости операций электромагнитной штамповки // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6. Ч. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.- С. 270 - 275.

2. Лай Д.З., Проскуряков Н.Е. Оптимизация параметров системы «оборудование-инструмент-заготовка» при ЭМШ трубчатых заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6, Ч. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013,- С. 129-135.

3. Лай Д. 3. Моделирование операций электромагнитной штамповки трубчатых заготовок с использованием пакета MATLAB/Simulink // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013,- С.50-56.

4. Лай Д.З. Управление формой импульса давления при электромагнитной штамповке // Сборник МГТУ «МАМИ» - ААИ - 2012,- С. 145-148.

5. Лай Д.З., Проскуряков Н.Е., Селищев В.А. Влияние формы импульса давления при электромагнитной штамповке // Вестник ТулГУ. АПИР 16,- Тула; Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 207 - 211.

6. Лай Д.З., Проскуряков Н.Е. Модель системы «оборудование-инструмент-заготовка» при электромагнитной штамповке // Вестник ТулГУ. АПИР 17.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 173-177.

Подписано в печать « 22 » октября 2013 г.

Формат бумаги 60x84 1/1в. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ .

Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, проспект Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, проспект Ленина, 95.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи 04201364710 Саит^Ь-

Лай Данг Занг

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ОПЕРАЦИЙ ОБЖИМА И РАЗДАЧИ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ШТАМПОВКОЙ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Проскуряков Н.Е.

Тула 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ШТАМПОВКИ.............................................................8

1.1. Общие сведения об электромагнитной штамповке материалов..................11

1.2. Изменения пластических свойств металлов и сплавов при электромагнитной штамповке...................................................................................20

1.3 Определение основных параметров процесса электромагнитной штамповки..................................................................................................................23

1.4. Исследование процессов с помощью МАТЬАВ/81М1ЛЛ№С.......................26

1.5. Основные выводы по разделу........................................................................28

1.6. Цель и задачи исследования..........................................................................29

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ «ИНСТРУМЕНТ-ЗАГОТОВКА» ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ ОБЖИМА И РАЗДАЧИ..............................30

2.1. Математическое моделирование процессов, происходящих при

электромагнитной штамповке...................................................................................30

2.1.1. Методические основы математического моделирования....................30

2.1.2. Связь между напряжениями и деформациями при электромагнитной штамповке...................................................................................................................33

2.1.3. Математическая реализация упругопластических переходов.............35

2.1.4. Применение интерполяции сплайном для реализации упругопластических переходов.................................................................................38

2.2. Определение работы деформации заготовок при электромагнитной

штамповке...................................................................................................................41

2.3. Определение параметров системы «индуктор-заготовка»...........................45

2.3.1. Определение индуктивных параметров системы.................................45

«индуктор - заготовка»....................................................................................45

2.3.2. Активное сопротивление индуктора и заготовки.................................50

2.3.3. Взаимная индуктивность индуктора и заготовки.................................51

2.4. Основные результаты и выводы....................................................................51

3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ОБОРУДОВАНИЕ-ИНСТРУМЕНТ-ЗАГОТОВКА»........................................52

3.1. Основные положения....................................................................................52

3.2. Математическое моделирование операций обжима и раздачи трубчатой заготовки.....................................................................................................................56

3.2.1. Допущения при моделировании............................................................56

3.2.2. Основные математические зависимости...............................................57

3.2.3. Методы формирования математической модели..................................62

3.3. Применение машинного эксперимента для получения математических

моделей операций электромагнитной штамповки...................................................65

3.3.1. Основные положения теории планирования эксперимента..............65

3.3.2. Оценка параметров модели....................................................................70

3.4.Сравнение теоретических и экспериментальных данных.............................72

3.5. Основные результаты и выводы....................................................................74

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ «ОБОРУДОВАНИЕ-ИНСТРУМЕНТ-ЗАГОТОВКА» ПО ЭНЕРГИИ ЗАРЯДКИ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОЦЕССА ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ЗАГОТОВКИ.............................................................................................................76

4.1. Исследование типовых операций электромагнитной штамповки...............76

4.2. Входные факторы процесса электромагнитной штамповки........................78

4.3. Выходные параметры процесса электромагнитной штамповки..................79

4.4. Реализация факторного эксперимента..........................................................79

4.4. Реализация факторного эксперимента..........................................................80

4.5. Анализ результатов моделирования технологических операций электромагнитной штамповки...................................................................................83

4.5.1. Алюминиевый сплав АМг2М................................................................83

4.5.2. Латунь Л63..............................................................................................87

4.5.3. Материал заготовки - сталь 08кп..........................................................90

4.6 Алгоритм проектирования технологии и оборудования операций

электромагнитной штамповки...................................................................................93

4.7. Пути повышения эффективности операции раздачи и обжима трубчатых заготовок.....................................................................................................................97

4.7.1. Исследование различных режимов работы магнитно-импульсной установки и индукторной системы...........................................................................97

4.7.2. Управление формой импульса давления............................................101

4.8. Основные результаты и выводы..................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......................................................108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...................................................................................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...................................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ 3...................................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ 4...................................................................................................127

/

ВВЕДЕНИЕ

К числу перспективных методов, внедрение которых может значительно усовершенствовать технологию обработки металлов, относится магнитно-импульсная обработка, которая является новым методом пластического формоизменения металлов с использованием импульсного магнитного поля.

Электромагнитная штамповка (ЭМШ) является одним из методов пластического формоизменения металлов с использованием импульсного магнитного поля. Принцип действия электромагнитных установок основан на использовании электродинамических сил, возникающих в результате взаимодействия магнитного поля разрядного тока через катушку (индуктор) с полем наведенного тока в заготовке, помещенной в рабочую зону катушки. Давление, деформирующее металлическую заготовку, создается непосредственным воздействием магнитного поля без участия промежуточных твердых, жидких или газообразных тел.

Разработка научно обоснованных путей и способов создания ресурсосберегающих технологий включает в себя большой круг теоретических, экспериментальных, технологических и программных задач.

В настоящее время внедрение достижений науки в производство затруднено в связи с недостатком инвестиций жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, поэтому особенно актуальной становится задача создания методов комплексного проектирования ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций.

В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий электромагнитной штамповки, отличающихся компактностью и мобильностью оборудования, простотой и низкой стоимостью оснастки, высоким качеством получаемых изделий. Современные установки для электромагнитной обработки металлов легко встраиваются в автоматизированные линии, могут использоваться для выполнения разнообразных операций формовки, калибровки и сборки как в условиях мелкосерийного, так и крупносерийного производств. Результаты исследований показывают, что в операциях электромагнитной штамповки можно получить большую предельную сте-

пень формоизменения.

В математическом плане магнитно-импульсные процессы динамического формоизменения описываются динамическими уравнениями термоупругопла-стичности и электродинамики. При этом существенно, что «термомеханическая» и «электромагнитная» группы уравнений оказываются взаимосвязанными. Лишь в последнее время благодаря развитию численных методов и созданию мощных ЭВМ появилась возможность адекватного моделирования указанных нелинейных процессов. Однако решение задач ЭМШ требует развития эффективных прикладных теорий, численных методов их реализации и выбора рациональных параметров технологических операций. Необходимо изучение деформационных и прочностных свойств материалов в новых специфических условиях, развития экспериментальной техники, создание более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.

В то же время широкое внедрение процессов ЭМШ сдерживается недостаточной стойкостью инструмента, применяемой оснастки и элементов высокоэнергетического оборудования, что вызвано их работой в условиях, далеких от рациональных. Это приводит к большим объемам экспериментальных и доводочных работ по корректировке технологии штамповки на этапе серийного производства.

Повышение технологичности операций ЭМШ позволяет не только экономить энергоресурсы, но и увеличить стойкость элементов оборудования и оснастки, что свидетельствует об актуальности разработок в области создания научно обоснованных методов проектирования технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергии зарядки установки для операций ЭМШ.

Цель работы.

Создание и реализация новых технологических режимов и оснастки для электромагнитной штамповки трубчатых заготовок, обеспечивающих снижение энергии зарядки установки для операций обжима и раздачи трубчатых заготовок.

Автор защищает.

- зависимости для определения энергетических, силовых и кинематических параметров операций обжима и раздачи ЭМШ;

- «установка-индуктор-заготовка» для операций обжима и раздачи трубчатых заготовок» с учетом режимов работы, параметров и геометрии индуктора и заготовки в операциях ЭМШ;

- результаты исследований процессов ЭМШ и внедрения разработанных методов и алгоритмов расчета - в практику проектирования и учебный процесс.

Научная новизна.

Выявлены взаимосвязи энергетических, силовых и кинематических параметров операций ЭМШ для заготовок из различных материалов с учетом режимов работы, параметров и геометрии индуктора и заготовки, снижающих энергию зарядки магнитно-импульсной установки.

Объект исследования: технологические операции обжима и раздачи трубчатых заготовок электромагнитной штамповкой.

Предмет исследования: закономерности деформирования различных материалов магнитно-импульсным воздействием и режимы обработки.

Методы исследования: теоретические исследования операций электромагнитной штамповки выполнены на основе положений механики твердого тела и теории пластических деформаций металлов, уравнений математической физики и теории электрических цепей. Математическое моделирование процессов проводилось с использованием теории планирования эксперимента, нелинейного программирования, численных методов и численного интегрирования систем дифференциальных уравнений с применением пакета прикладных программ МАТЬАВ^тиНпк.

Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны:

- рекомендации для обеспечения рациональных режимов работы в операциях электромагнитной штамповки трубчатых заготовок и совершенствования существующих индукторных систем и оборудования ЭМШ;

- алгоритм проектирования и выбора рациональных параметров магнитно-импульсной установки и индуктора для операций обжима и раздачи трубчатых заготовок из различных материалов при ЭМШ.

Реализация результатов работы.

Отдельные результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ, в лекционных курсах «Новые технологические процессы и оборудование ОМД», «Компьютерное моделирование технологических процессов» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 150700 «Машиностроение», профилю «Машины и технология обработки металлов давлением».

Апробация работы.

Результаты исследований доложены на следующих конференциях: Международная научно-техническая конференция «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-16, АПИР-17, ТулГУ, 2011-2012 г.г.); 77-я Международная научно-техническая конференция ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» - МГТУ «МАМИ» - 2012; на ежегодных НТК ППС ТулГУ в 2011-2013 гг.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения и общих выводов по работе, списка литературы из _96_ наименований, 4 приложений и содержит 102 страницы машинописного текста, 45_ рисунков, 12_ таблиц. Общий объем работы _132_ страницы.

Автор выражает благодарность научному руководителю д-ру техн. наук, проф. Н.Е. Проскурякову за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ШТАМПОВКИ.

Электромагнитная штамповка характеризуется тем, что давление на деформируемую металлическую заготовку создается непосредственно воздействием импульсного магнитного поля без участия промежуточных твердых, жидких или газообразных сред.

Еще в 1927 г. академиком J1. Капицей была предсказана возможность использования силовых импульсных магнитных полей в технологических операциях по обработке металла.

Это технологическое направление появилось в конце 50-х годов прошлого столетия и сразу же нашло применение в самолето- и ракетостроении, а впоследствии и в автомобильной промышленности. В настоящее время оно используется в различных отраслях промышленности вплоть до пищевой. В последнее время начинает использоваться в области медицины и боевой технике.

Первая промышленная магнитно-импульсная установка (МИУ) типа «Magneform», предназначенная для обработки тонкостенных труб импульсным магнитным полем, была изготовлена в США фирмой «General Dynamics» в 1962 г. Энергии зарядки установки составляла 6.25 кДж, производительность - 10 импульсов в минуту. В 1963-1966 гг. на базе этой установки в США создается гамма МИУ с запасаемой энергией от 12 до 84 кДж для различных технологических операций обработки металлов давлением. Наряду с США, начиная с 1963-1966 гг. вопросами ЭМШ и созданием оборудования для нее начали заниматься в других странах. Начиная с 1963 года разработкой и применением МИУ, проведением теоретических и экспериментальных исследований в Англии занимаются ученые фирмы «Wickman Machine Tools Sales», в ФРГ - фирма «Brown Boveri» и Institut für Werkzeugmaschine und Umformtechnik der Tecnischen Hochschule Hannover.

Большое количество обзорных сообщений по применению МИУ для деформирования металлов появилось в периодической печати Японии, Франции за период 1964-1968 гг. О большой работе, проводимой в этих странах, свидетельствуют многочисленные патенты на новые типы установок и их элементы. С 1964 г.

работы по созданию МИУ и исследования процесса деформирования металлов с помощью импульсных магнитных полей ведутся в Польше, Чехословакии, ГДР.

Начиная с 1960 года, в нашей стране проводятся работы по созданию экспериментальных и опытно-конструкторских образцов МИУ. Широкие технологические возможности метода, экономическая эффективность, относительная простота осуществления привлекли в первую очередь к этому вопросу специалистов, занимающихся техникой сильных импульсных токов и сильных магнитных полей, теорией и практикой индукционных электрических и электромеханических процессов, теорией и практикой высокоскоростного деформирования металлов. Первостепенную роль в создании отечественных МИУ и во внедрении метода в промышленность сыграли разработки Харьковского политехнического института им. В.И. Ленина (ХПИ), Ленинградского политехнического института им. М.И. Калинина, Московского энергетического института, ЭНИКМАШ, Тульского НИТИ и других организаций.

В ЭНИКМАШе, начиная с 1962 г., были созданы и выпускались серийно установки с энергией зарядки 10...80 кДж и производительностью 120...360 операций/ч.

Наряду с указанными целый ряд организаций страны в различное время создали для своих целей МИУ с энергией зарядки 3.5...200 кДж с рабочим напряжением 5...50 кВ. Установки, разработанные Самарским авиационным институтом, Омским политехническим институтом, Институтом атомной энергии имени И.В. Курчатова, ВПТИЭлектро (г. С.-Петербург), Чувашской государственной академией (г. Чебоксары) и другими организациями, хорошо зарекомендовали себя в опытном и мелкосерийном производствах.

На предприятии ОАО ТНИТИ (г. Тула) впервые в нашей стране разработаны, изготовлены и внедрены в серийное производство автоматизированные магнитно-импульсные установки серии МИУ-Т. Установки изготовлены из комплек�