автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Поиск рациональных технологических параметров малоотходной горячей штамповки на основе минимизации избытка штампуемого металла

На правах рукописи

005018026

ШТИЛЬНИКОВ АНТОН АНАТОЛЬЕВИЧ

ПОИСК РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАЛООТХОДНОЙ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ НА ОСНОВЕ МИНИМИЗАЦИИ ИЗБЫТКА ШТАМПУЕМОГО МЕТАЛЛА

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки

давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДПР 2012

Барнаул 2012

005018026

Работа выполнена на кафедре «МТиО» в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Поксеваткин Михаил Иванович

Официальные оппоненты:

Железков Олег Сергеевич - доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова», профессор

Осколков Александр Иванович - кандидат технических наук, ООО «Техномаш», старший научный сотрудник, директор

Ведущая организация: ОАО «Алтайский научно-

исследовательский институт технологии машиностроения»

Защита состоится «26» апреля 2012 г. В 15:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при ФБГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им.Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан «24» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Жиркин Юрий Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность машиностроительных предприятий во многом определяется качеством заготовок, обеспечивающих минимизацию расхода металла и трудоемкости их механической обработки. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают поковки, получаемые малоотходной горячей штамповкой.

В условиях быстрого развития рыночных отношений необходима оптимизация технологических параметров (ТП) малоотходной горячей штамповки (МГШ) в автоматизированном режиме.

Поэтому проблема поиска рациональных технологических параметров производства точных горячештампованных поковок на основе минимизации избытка штампуемого металла (ИШМ) с экономическим обоснованием принятых решений весьма актуальна и перспективна.

Цель диссертационной работы. На основании результатов исследования способов МГШ разработать научно обоснованные оптимизационные модели процессов выбора и расчета технологических параметров (ТП) на основе минимизации ИШМ.

Научная новизна:

1. Разработана обобщенная математическая модель процесса выбора рациональных ТП МГШ на основе минимизации избытка металла.

2. Спроектированы математические модели штамповки типовых поковок, позволяющие рационализировать расход штампуемого металла, количество переходов и силовые условия формообразования поковок, в том числе модель процесса с замкнутым силовым циклом.

3. Разработана экономическая оптимизационная модель в виде целевой математической функции для обоснования результатов выбора ТП процесса МГШ.

4. Разработаны новые способы закрытой штамповки изделий, защищенные тремя патентами на изобретения, обеспечивающие выбор рациональных ТП штамповки.

Автор защищает:

- принципы построения обобщенных многомодульных моделей и алгоритмов для рационализации выбора ТП процесса МГШ;

- принципы создания оптимизационных моделей и алгоритмов выбора и расчета ТП МГШ на основе минимизации избытка металла для типовых поковок;

- принципы создания оптимизационной экономической модели и алгоритма для обоснования принятых решений.

Практическая значимость

Разработан обобщенный многомодульный алгоритм для поиска рационального объёма избытка металла и ТП МГШ с учетом последующей механической обработки поковок, реализованный в форме компьютерной программы с адаптацией к конкретным условиям производства. Предложены математические модели для рационализации выбора ТП МГШ типовых поковок, представленные в виде многомодульных алгоритмов, с их программной реализацией в автоматизированном режиме.

Предложены новые способы штамповки изделий, защищенные тремя патентами на изобретения, принятые к внедрению.

Реализация работы. Результаты исследований и компьютерные программы опробованы и приняты к внедрению на промышленных предприятиях Алтайского края, таких как ОАО «АлтайВагон», ОАО «АНИТИМ», ООО «Алтайский завод топливной аппаратуры», ОАО «Барнаульский кузнечно-прессовый завод», а также внедрены в учебный процесс Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработок, подтвержденный актами внедрения, составляет 4 млн. 266 тыс. руб. в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на заседании кафедры «Технология и автоматизация кузнечно-штамповочного производства» Сибирского государственного индустриального университета, 2008 г., г. Новокузнецк; на заседании кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование» Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ); на научно-техническом совете Алтайского НИИ ОАО «АНИТИМ»; на научно-практических конференциях АлтГТУ, на XI всероссийской научно-технической конференции «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире» студентов, аспирантов и молодых ученых г. Рубцовск, 2009 г; на 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2011г.; на VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь — 2011», г. Барнаул, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе статей и тезисов - 28, из них - 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, а также получено 3 патента на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы и четырех приложений. Работа содержит 148 страниц машинописного текста, 38 рисунков и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, определена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обобщенный анализ известных работ, посвященных описанию силовых условий формообразования поковок в закрытых штампах, методов компенсации ИНТМ и повышения эффективности процессов МГШ.

В области автоматизации проектирования технологий горячей штамповки и управления процессами ОМД большой вклад внесли Тарновский И .Я., Колмогоров B.JL, Полухин П.И., Овчинников А.Г., Тетерин Г.П., Алиев Ч.А. и др. ученые. В теории и практике проектирования новых ресурсосберегающих технологий объёмной штамповки широко известны работы Богатова A.A., Перетятько В.Н., Леванова А.Н., Евстифеева В.В., Володина И.М. Методология компенсации ИШМ базируется на работах Охрименко Я.М., Ребельского A.B., Евстифеева В.В., Володина И.М, Поксеваткина М.И.

Труды названых ученых послужили основой для разработки автоматизированного выбора рациональных параметров малоотходной горячей штамповки при условии минимизации ИШМ.

Задачи исследования:

1) разработать математическую модель и обобщенный многомодульный алгоритм для рационализации выбора и расчета ТП МГШ на основе минимизации ИШМ;

2) разработать оптимизационные модели и алгоритмы выбора ТП МГШ типовых горячештампованных поковок, в том числе процесса штамповки с замкнутым силовым циклом;

3) осуществить программную реализацию рационального выбора и расчета ТП МГШ на основе минимизации ИШМ в автоматизированном режиме и внедрить в производство новые технические решения.

Во второй главе сформированы общие принципы моделирования процессов выбора и расчета ТП МГШ на основе минимизации ИШМ, приведены условия минимизации ИШМ.

С поиском рационального метода компенсации (МК) избытка металла при МГШ непосредственно связаны трудоемкость изготовления и качество поковок, расход металла и стойкость штампа. Поэтому выбор ТП на основе минимизации ИШМ осуществляется посредством поиска МК, характерные признаки которого соответствуют конкретной поковке. Отсюда вытекают основные условия рационализации выбора ТП МГШ:

1) идентичность признаков штампового компенсационного устройства (ШКУ), реализующего найденный МК, и поковки;

2) эффективность использования найденного МК.

Наибольший эффект дает применение принципов ситуационного управления функционированием оптимизационной системы на основе адекватного имеющейся информации набора подсистем и модулей, иерархически структурированных в виде алгоритмов.

Оптимизационная система выбора ТП МГШ в общем случае может быть реализована семимодульным обобщенным алгоритмом. Модуль М1 содержит модель заполняемое™ полости штампа. В модуле М2 реализуется подсистема выбора компенсатора (магазинного или деформационного). Если поковка имеет плоскую поверхность, то в модуле МЗ проверяется возможность использования метода компенсации за счет упругой деформации ручьевой стенки штампа (согласно патенту на изобретение). Если расчетный избыток металла не превышает 2% от объёма заготовки, то компенсацию избытка металла осуществляют за счет упругой деформации системы пресс-штамп (модуль М4). Далее в модуле М5 осуществляют минимизацию отхода штампуемого металла за счёт перебора имеющихся на производстве видов проката. Мб — экономический оптимизационный модуль. Модуль М7 — резервная подсистема «открытая штамповка», если по каким-либо причинам закрытая штамповка окажется неприемлемой.

Проектирование математических моделей и модульный принцип построения оптимизационных алгоритмов, реализующих модели, обеспечивают универсальность и гибкость автоматизированных систем.

В третьей главе на основе общих принципов построения оптимизационной системы предложены разработки моделей поиска рационального выбора ТП на основе минимизации ИШМ при штамповке типовых поковок.

1. Модель поиска рациональных ТП на основе компенсации избытка металла в стержневой полости штампа

Модель строится в следующем порядке.

На основании известного положения, согласно которому степень истечения металла в различные полости обратно пропорциональна сопротивлению деформации, с использованием зависимостей, полученных Ребельским A.B. применительно к штамповке выдавливанием, построена модель заполнения полости штампа:

где 1с - длина стержня поковки, Ьу и 1у - ширина и глубина очага деформации в углу матрицы в момент его стабилизации, Оп и с!п - диаметры поковки и стержневой полости; г — радиус закругления углов матрицы.

Процедура поиска рациональных ТП описана алгоритмом (рис. 1).

Алгоритм позволяет оптимизировать выбор ТП в процессе минимизации объема ИШМ и выбора более рационального вида проката.

2. Модель поиска рациональных ТП на основе компенсации ИШМ в центровом компенсаторе

Одним из эффективных технологических приемов, обеспечивающих четкое заполнение полости закрытого штампа и своевременное удаление избытка металла в компенсационную полость, является использование нагрузочного элемента (рис. 2), сформированного на торце заготовки в предварительном ручье, предложенного Поксеваткиным М.И. и Осколковым А.И.

С целью оптимизации ТП штамповки разработана математическая модель процесса с замкнутым силовым циклом, представленная в виде четырехмодульного алгоритма, включающего минимизацию силовых параметров процесса (рис. 3).

В модуле (М1) определяют силовые параметры процесса, обеспечивающие заполнение матричной и стержневой полостей штампа. Здесь <1э — внутренний диаметр нагрузочного (кольцевого) элемента, г < 5 мм - радиус закругления в полости матрицы, ос - напряжения деформации в стержневой полости, аи -напряжение, действующее в окрестности углов матричной полости, аш -напряжения деформации нагрузочного элемента кольцевой формы.

В модуле (М2) оптимизируют напряжения при деформировании нагрузочного элемента: 1) определяют диаметр (с131) и напряжения деформации (стш) нагрузочного элемента; 2) определяют высотный параметр (Ьэ) нагрузочного элемента.

В модуле (МЗ) определяют геометрические и силовые параметры компенсационной полости. Здесь с^ - диаметр компенсационной полости, от -сопротивление деформации при затекании металла в компенсационную полость.

-0,7

(1)

СІіішлд)

Сталь горячекатанная круглая

-Высокая Ш -повышенная 15) -обычная {8/

Сталь калидроВанная круглая

-За

-(

-5

-в

Сталь качественная круглая со специальной отделкой поверхности

-2 -2а -3 -За

-5

Узс=пЮ2-02Ц

Упер=тгд/5пер

Примем УиздіУрег Урег=Ю,02-0,0ЯУз

| Уотх= УизВ* Узе* Упер \

\Выдираем ДО иЩ {Определяем РшпЬ-

_!_

\д Утах=п[Ю*АО) 2ШН1-Р 2НіА

Определяем параметры магазинного компенсатора диаметром ¡¡к по формуле дк,щШ-2г,1

\Определяем~Щ

Выдираем компенсатор с протиВадоВлением Рассчитываем апр, Рпр

Определяем по графику

Величину упругой деформации АЫНРшт!

X

Рп=пд„А

Рассчитываем недаштампоВку Утах/Рп

Выдираем прокат долее Высокой точности; отклонения длины па нижнему пределу

Определяем ¿Н=Д[]+ДІЇ\

СКОНЕ

Рисунок 1 - Алгоритм поиска рациональных ТП при штамповке стержневых поковок

Рш =

(1+nJln

Рисунок 2 - Схемы выдавливания в закрытую полость (а - начальная и б -заключительная стадии процесса): 1 - пуансон, 2 - матрица, 3 - нагрузочный элемент, 4 — предварительный переход, 5 — выталкиватель, 6 — компенсационная полость, 7 - поковка, 8 - избыток металла

В модуле (М4) минимизируется усилие штамповки. Здесь рш - напряжение деформации при доштамповке, определяемое с использованием формулы И.Я. Тарновского применительно к малой осадке цилиндрической полой заготовки:

где Fn — площадь поковки в плане; f„vif- площади сечений полостей, соответствующих большему (4,) и меньшему (d) диаметрам стержневой полости (полости выступа); fic -показатель трения на контактной поверхности в стержневой полости; цм - показатель трения на стенках полости матрицы; сс=т!т$ — относительный параметр трения; т — касательное напряжение на стенках матрицы; г, — напряжение чистого сдвига.

3. Модель поиска рациональных ТП на основе компенсации ИШМ во внутреннем компенсаторе

Для штамповки поковок с центральным отверстием разработан метод компенсации избытка металла в полость, сформированную в самой заготовке в предыдущем ручье (рис. 4). С использованием теории планирования эксперимента проведено исследование влияния геометрических параметров компенсационной полости (КП) на её заполняемость при горячей штамповке выдавливанием.

Установлено, что в модели процесса заполнения КП параметром оптимизации является длина стержня поковки (1С).

После обработки экспериментальных данных получено:

ег-ег

10,172

.0.10

(3)

ся

тало

¡Ввод исходных данных /

-1-

1.1

М1

Опр ас

1.2 Опр аи

2.1

М2

дзі=(0,30±0,70ЮП. П„..,п - номера параметров нагрузочного элемента; (1^,-0,10п; бз1=ОЛОа

2.2\Опр. аш=оы+ас 2.3

2.7 Опр. 1і3=Наш, д3, 0П!

3.1

Принимают Уиз5=Ур; Ур=(0,02+0,061У, р=ик - номера параметров избытка металла УҐ0.02У; Ур^=Ур+0,01У

3-2 Укп=Уиз5/і,

мз

3.5 Опр. ак

І.2

> т^+0,2

Принимаем рш=окп 1

4.7

Р -О -Р

' ш Нш' п

№

/Вывод на печать / і

(^Конец^)

Выдирают другой метод компенсации из выборки ШКУ

Рисунок 3 - Блок-схема алгоритма модели оптимизации процесса выдавливания в закрытую полость с замкнутым силовым циклом

где Н3 и Ь(,к - высота заготовки и глубина компенсационной полости; 03 и с!к — соответственно диаметры заготовки и компенсационной полости; а — угол наклона стенки КП.

В результате программной реализации модели установлено, что максимальная заполняемость КП наблюдается в диапазоне изменения отношения Бз/с1к=1,7н-2,0 при всех соотношениях Н-Док.

4. Модель поиска рациональных ТП при штамповке фланцевых поковок

Процесс заполнения фланцевой полости предварительного ручья и поиска рациональных ТП формирования фланца описан алгоритмом (рис.5). Для функционирования алгоритма введены следующие величины: Оп, #„ и У„ — соответственно диаметр, высота и объем поковки; Бф, 1ц и Уф„ - соответственно диаметр, высота и объем фланцевой полости; Гпер - объем перемычки; Грег = 0,05 У„ — максимальный регламентируемый объем отхода металла при закрытой штамповке.

Из равенства объёмов металла получаем соотношение:

где Уф] - объем металла во фланцевой полости предварительного ручья, —

объём фланца, К„ — объём цилиндра, й?Пр — приведенный диаметр фланца, £>3 — диаметр заготовки.

Отсюда, с учетом Рф1=КфП, получаем модель заполнения фланцевой полости в предварительном ручье:

Рисунок 4 - Геометрические параметры компенсационной полости до и после формообразования поковки. 1 — заготовка, 2 — компенсационная полость в заготовке, 3 — компенсационная полость в поковке, 4 - избыток металла, размещенный в компенсационной полости.

Ъ

(5)

Алгоритм позволяет получить рациональные ТП процесса и минимизировать объем заготовки, а также выбрать наиболее рациональный вид проката. Алгоритм реализован компьютерной программой, которая успешно опробована.

5. Модель компенсации ИШМ при штамповке поковок типа крестовин В настоящем методе формирование радиальных элементов осуществляется выдавливанием металла одновременно из обеих матриц. В результате образования двухстороннего попутного течения металла в радиальные полости из обеих матриц исключается возникновение дефектов в виде зажимов, складок (рис. 6). После формирования радиальных отростков диаметром с1„ избыток металла вытесняется в компенсационные полости размером ¿4.

; Ввод исходных данных- / / К/7, Упер, Урег, Ууг

2 Принято Уотх=Урег

3 Расчет Уз=Уп+Упер+Уотх+Ууг

I

4 | Расчет Рр. ~Нр\

Выбор проката 5 МЩ^-номер проката

к-количество номеров проката

Разработка

новой технологии

Уатк=пЮ3 +Д012(Н3 +АН2!-032Н3]А

Принято 60-0,950$ 12

Опр. ±

•пр

13

4У

ь__—Й2_

%

Расчет 5п1=Уф1/Р„ 75

20

и С* ч*

С^КонщУ

Рисунок 5 - Блок-схема поиска рациональных ТП при штамповке фланцевых поковок

Рисунок 6 — Расчетная схема усилий и напряжений при радиальном выдавливании крестовины

Для получения рациональных размеров компенсационной полости в зависимости от геометрических параметров процесса разработана модель заполнения полости штампа, реализованная алгоритмом (рис. 7).

С использованием уравнений, найденных Ребельским A.B. методом комбинированных решений, в результате преобразований применительно к процессу разработана модель заполнения полости штампа при формировании крестовины:

У„ 0,4l[0,5(J„-JJ-r] о-,Д1+/0 ln0,5(<WJ. (6)

In—— = -

4К,

ndi

где г — радиус закругления матрицы; о$к и а$п — напряжения соответственно в полости матрицы и в компенсационной полости; ц„ и цк - соответственно показатели трения в полости матрицы и в компенсационной полости; Уюд — объем ИШМ.

(Я

тало

¡Вдод исходных данных^

Опроп\ 2 3

Щ

Опр(к

-- Ппп ri

+ Необходима разработка нобой технологии 1

Опр К,,*

YusBsVomsVpez vm=Vu*/£\ 13

С^КОНЕЦ^)

Рисунок 7 — Блок схема оптимизации избытка металла при штамповке крестовин Введены ограничения:

<ІПЄ[20;50]; 1,ДО;50]; 4е[2;6]; гЄ[0,2;2]; УизбЄ[0,02Уоір;0,05Уотр]; V = — - ^

" 4

цп € [0,3;0,5]; цк Є [0,3;0,5].

Здесь У01р и 1п — соответственно объем и длина отростка крестовины. Точность расчета <ік —> Е = 0,1; шаг варьирования <1К —» Г = 0,1; = <¡„+0,1; Уизбі = Уиза + 0,01 Уп; ц^ЦОІ = (І^ЦОІ + 0,1; сі^ = с^ +10; = І» + 10; Гі = ц + 0,2.

Решение трансцендентного уравнения (6) методом итерации позволяет определить оптимальные размеры компенсационного отверстия,

минимизирующие ИШМ из условия заполнения полости штампа при различных геометрических и технологических параметрах процесса штамповки крестовин.

6. Модель поиска рациональных ТП при компенсации ИШМ за счет упругой деформации ручьевой стенки штампа

Для решения поставленной задачи разработан штамп для горячей объемной штамповки, причем стенка ручья нижней части штампа выполнена плоской в виде упругого элемента, имеющего возможность прогиба срединной поверхности ручья в пределах допуска закрытой высоты полости штампа (Патент РФ №2346783), что обеспечивает компенсацию ИШМ.

При создании модели компенсации ИШМ стенка матрицы рассматривается как упругая пластинка с защемленным контуром (по Безухову Н.И.). Тогда модель компенсации ИШМ описывается выражением:

Кзб = яу(у2 +3г2)/б, мм3, (7)

где у =

Р-Г4Л2(\-М2)

мм.

64-Е-Ьъ

Здесь у — величина упругой деформации срединной поверхности ручьевой стенки штампа; г — радиус поковки; /л - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости; И — толщина ручьевой стенки штампа; г - радиус поковки (0,5£>п).

Модель реализована алгоритмом.

7. Модель минимизации ИШМ при закрытой штамповке поковок типа шатуна

Разработан способ закрытой штамповки шатуна двигателя (рис. 8 а, б) (Патент РФ №2312730). Модель минимизации ИШМ реализуется алгоритмом (рис. 9).

Модель обеспечивает перераспределение объемов металла заготовки с двумя концевыми утолщениями и средним участком по длине заготовки с целью создания благоприятной кинематики течения металла, исключающей образования встречных потоков металла при формировании головок шатуна.

После формирования радиальных отростков избыток металла вытесняется в компенсационные полости.

Для получения рациональных размеров компенсационной полости в зависимости от геометрических параметров процесса разработана модель заполнения полости штампа.

17 7 9 11 19 13 20 12 8 10 18

Рисунок 8: а - схема заготовки шатуна двигателя, б — чертёж шатуна.

При использовании данного способа исключается образование утяжин и зажимов в сопряжениях головок шатуна с его средним участком, что минимизирует избыток металла и существенно повышает качество изделий.

Реализация разработки, подтвержденная актом внедрения, составит 3784 тыс. руб. в год.

Рисунок 9 - Блок-схема алгоритма поиска рациональных ТП при закрытой штамповке шатуна

8. Модель поиска рациональных ТП при штамповке изделий типа «колено» из коротких толстостенных труб

Разработан способ изготовления гнутых изделий из коротких труб в штампе (Патент РФ №2312727). Спроектирована модель минимизации расхода металла трубной заготовки, описываемая соотношениями:

1си = (0,5/./вт аг/2) - 0,51, (8)

^=0,5(^-0, (9)

где 1СМ — величина смещения торца заготовки в глубину рычажной матрицы в процессе гибки; 1СЖ - величина продольной деформации сжатия нижней стенки трубы на половине участка внешнего закругления, необходимая для компенсации утонения стенки трубы на этом отрезке участка; 1изг, 1'шг - соответственно длины участка внешнего закругления с учётом утонения и при отсутствии стенки трубы; Ь — длина заготовки.

Для расчета усилия (Р) гибки толстостенной трубы использовано выражение Романовского В.П.:

Р = В^'<гбГП, (Ю)

где В=7гОн/4 - ширина площади контакта пуансона с заготовкой; 1'шг=Ь-2т\ т -длина концевого участка заготовки, не подвергаемого изгибу; Д, - наружный диаметр и ( - толщина стенки трубы; — предел прочности при температуре

окончания штамповки (1000°); «=1,2^1,8 - коэффициент упрочнения материала, определяемый в зависимости от условий гибки (п=Де, £ Тд°С)).

Экономия металла за счет внедрения способа определяется как разность объемов трубной заготовки, штампуемой с утонением и без утонения стенки.

Реализация разработки, подтвержденная актом внедрения, составит 482 тыс. руб. в год.

В четвертой главе экономически обосновывается метод компенсации ИШМ и ТП МГШ с учётом трудоемкости последующей механической обработки поковок с использованием экономической оптимизационной модели (ЭОМ), представленной в виде целевой функции:

Ст = @м + гр + ^ + гоб + Ъя)->тт, (11)

где Сх - технологическая себестоимость поковки, Ъы - удельные затраты на металл; - заработная плата производственных рабочих, отнесенная к единице продукции; Zj - удельные затраты на технологическую оснастку; 2о6 - удельные затраты на амортизацию оборудования; - удельные затраты на

электроэнергию.

ЭОМ, реализованная алгоритмом, необходима для экономического обоснования выбора ТП МГШ.

В пятой главе приведена программная реализация оптимизационной системы выбора ТП МГШ.

Для реализации экономической оптимизационной системы процесса МГШ разработан обобщенный алгоритм (рис. 10).

В модуле 1 осуществляют ввод исходных данных, расчёт объёма поковки и проверку заполняемое™ полости штампа (блоки 1.1-1.3) при формировании стержневой поковки.

В модуле 2 проверяется возможность использования магазинного компенсатора как наиболее простого устройства для компенсации избытка металла (блоки 2.2 — 2.7).

В модуле 3 выбирается пресс, обеспечивающий размещение избытка металла за счёт упругой деформации системы пресс-штамп.

Если использование магазинного компенсатора неприменимо, например, по условию прочности выталкивателя, то выбирают и рассчитывают деформационный компенсатор (модуль 4, блоки 4.1-4.5).

После расчёта величины сжатия упругого элемента (блок 4.4) определяют объем избытка металла и переходят к модулю 5.

В модуле 5 оценивают коэффициент вытяжки (блоки 5.1 и 5.2) и рассчитывают параметры заготовки (блоки 5.3-5.6). Затем минимизируют объем заготовки (блоки 5.7-5.12) и переходят к расчёту технологической себестоимости поковки (модуль 6), реализующей экономическую оптимизационную модель.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В ходе выполнения основной цели диссертации - разработки оптимизационных моделей процессов выбора и расчета ТП МГШ на основе минимизации ИШМ были решены следующие задачи:

1) разработана обобщенная оптимизационная модель выбора и расчета ТП МГШ на основе минимизации ИШМ, реализованная многомодульным алгоритмом;

МІ

СЩчалд)

і

ІВВод исходных/ данных /

1.1

12 \Расчет Упоі^

5.1 \ М/СЕ

Нет /А <71

5.13\ Уотх=УиШ\

М5

| Уотх=Уиз5+Узс] 5.4 ~Н Уз=Уп+Уатх\ 5.5

| Расчет Р. Н\ 56

5%

5.7 Выбор проката "Ль ЦЩ,М2.-Ц(-н0мер проката

Разработка нойой технологии 5.8 м

ФВШКУ

Формирование Компенсатор

и Выборка ШКУ Вида МК1

4'к 2 \Р ос чет ащ\

4.3 \Расчет

_і_

Расчет Велечины Ш сжатия упругого элемента

Определяем Уизб^і

■ Па „ ,

4.5 \Рпгчет Утй ¿.О

Нет

\Расчет Р\ _?./ \Расчет 3.2 \Расчет АЬ^ 3.3 \АН=М?+АЦ 3.4

мз

5.12<СїотхіУотк(Ур^

ЇДа

Мб 6. Г

О—

Расчет технологической седестоимости покобки

6.2 №НрЦмКтр-(Нр-МпЩот]\

X

6.3 ^арМ^^^КркЖпрКдКс

Уз=(Нз.нШЬрКм№л- Тшт/ЬОЩ 6.6 \Ст=2м*2п.р.+2т*2о5+2э\ 5.7 ¡ВыВод на печать /

СКонеЦ)

Рисунок 10 - Экономический оптимизационный алгоритм процедуры выбора ТП МГШ на основе минимизации расхода штампуемого металла

2) с использованием методов системного анализа спроектирован пакет иерархических гибридных моделей выбора ТП МГШ, реализованный оптимизационными алгоритмами;

3) разработана оптимизационная система выбора ТП МГШ с замкнутым силовым циклом, минимизирующая энергоемкость процесса штамповки;

4) разработаны оптимизационные системы выбора ТП МГШ на основе минимизации избытка штампуемого металла для производства типовых поковок по заданным параметрам;

5) на основе экономической модели, представленной в виде целевой математической функции, создан многомодульный оптимизационный алгоритм выбора и расчета ТП МГШ с целью поддержки принятых решений;

6) на основе многомодульного оптимизационного алгоритма разработаны и успешно опробованы компьютерные программы, реализующие оптимизационные системы с возможностью их адаптации к конкретным условиям производства;

7) разработаны и внедрены в производство новые технические решения, защищенные тремя патентами на изобретения, которые существенно повышают эффективность известных процессов МГШ.

В работе заданы направления дальнейшего совершенствования разработки, а именно:

- в рамках адаптации программы к конкретным условиям производства -пополнение базы данных известных методов компенсации избытка металла, корректировка назначения и содержания оптимизационных модулей ТП МГШ;

- в рамках научно-исследовательских работ - разработка иерархических гибридных моделей и оптимизационных алгоритмов выбора и расчета технологических параметров МГШ, целевой математической модели повышения экономической эффективности технологических процессов, разработка удобных интерфейсов для программы, программирование на перспективных языковых системах (Visual Basic, С++) и т.д.

Основным достижением представленной разработки является сформированная система оптимизационных моделей и алгоритмов выбора и расчета технологических параметров процессов МГШ на основе минимизации расхода штампуемого металла, оптимизации силовых условий процесса и технологической себестоимости поковки с учётом трудоемкости последующей механической обработки с экономическим обоснованием принимаемых решений. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Оптимизация объёма заготовки при малоотходной объемной штамповке /Штильников A.A., Поксеваткин М.И., Овчаров Г.А. //Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства. Сборник научных трудов 6-й международной научно-практической конференции под ред. проф. В.А. Маркова, доц. A.M. Гурьева. Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2004. - 80 е., С. 57

2. Перспективы автоматизации выбора компенсаторов при закрытой штамповке /Овчаров Г.А., Поксеваткин М.И., Штильников A.A. //Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства.

Сборник научных трудов 6-й международной научно-практической конференции под ред. проф. В.А. Маркова, доц. А.М. Гурьева. Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2004. - 80 е., С. 56

3. Новый способ штамповки поковок типа крестовин /Овчаров Г.А., Штильников A.A., Поксеваткин М.И. //62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава «Наука и молодёжь». Секция «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств». Алт.гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2004. С. 75-78

4. Алгоритм выбора и расчета компенсаторов при штамповке выдавливанием /Штильников A.A., Овчаров Г.А., Поксеваткин М.И. //62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава «Наука и молодёжь». Секция «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств». Алт.гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2004. С. 81-83

5. Минимизация объёма заготовки при закрытой штамповке /Штильников A.A., Овчаров Г.А., Поксеваткин М.И. //62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава «Наука и молодёжь». Секция «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств». Алт.гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова. -Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2004. С. 83-84

6. Алгоритм выбора компенсаторов при закрытой штамповке /Поксеваткин М.И., Овчаров Г.А., Штильников A.A. //2-я всероссийская научно-техническая конференция студентов аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция «Машиностроительные технологии и оборудование». Алт.гос.техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2005. С. 3-4

7. Алгоритм минимизации объема заготовки при штамповке выдавливанием /Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Овчаров Г.А. //2-я всероссийская научно-техническая конференция студентов аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция «Машиностроительные технологии и оборудование». Алт.гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2005. С. 4-6

8. К вопросу оптимизации выбора и расчета компенсационных устройств при штамповке выдавливанием /Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Овчаров Г.А., Поксеваткин Д.М. //Журнал «Вестник АлтГТУ им. И.И. Ползунова» №34, 2005. С. 77

9. Алгоритмизация выбора и расчета штамповых компенсаторов при штамповке выдавливанием /Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Овчаров Г.А., Поксеваткин Д.М. //Журнал «КШП ОМД» №9, 2006. С. 33-35 (издание, рекомендованное ВАК)

10. Метод компенсации избытка металла при закрытой объёмной штамповке /Штильников A.A., Поксеваткин М.И., Овчаров Г.А., Поксеваткин Д.М. //Журнал «Ползуновский Альманах» №3,2006. С. 165-167

11. Автоматизация выборки компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки /Поксеваткин М.И, Овчаров Г.А., Штильников A.A., Поксеваткин Д.М. //Журнал «КШП ОМД» №7, 2007. С. 30-32 (издание, рекомендованное ВАК)

12. Способ закрытой штамповки шатуна двигателя /Поксеваткин М.И., Поксеваткин Д.М. , Карпов C.B., Овчаров Г.А., Штильников A.A. //Патент №2312730, Бюл. №35,2007

13. Способ изготовления гнутых изделий из коротких толстостенных труб в штампе /Поксеваткин М.И., Овчаров Г.А., Штильников A.A., Поксеваткин Д.М. //Патент №2312727, Бюл. №35, 2007

14. Алгоритм выборки компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки /Овчаров Г.А., Штильников A.A., Мамонтов М.С., Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И. //4-я всероссийская научно-техническая конференция студентов аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция «Машиностроение (технологии, оборудование, автоматизация)». Алт.гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2007. С. 6-7

15. Принципы параметрической классификации поковок в многомерном пространстве признаков /Поксеваткин М.И, Штильников A.A., Овчаров Г.А., Поксеваткин Д.М. //Журнал «КШП ОМД» №8, 2008. С. 46-48 (издание, рекомендованное ВАК)

16. Обобщенный алгоритм минимизации технологической себестоимости детали /Штильников A.A., Поксеваткин М.И., Мамонтов М.С., Дунаев К.Ю. //Материалы научно-практической конференции Рубцовского индустриального института. Рубцовск. Изд. РубИИ, 2009, С. 26-28

17. Штамп для горячей объемной штамповки осесимметричных поковок /Поксеваткин М.И., Овчаров Г.А., Штильников A.A., Поксеваткин Д.М. //Патент №2346783, Бюл. №5,2009

18. Штампы для закрытой штамповки /Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Овчаров Г.А., Мамонтов М.С., Дунаев К.Ю. //Материалы научно-практической конференции Рубцовского индустриального института. Рубцовск. Изд. РубИИ, 2009, С. 39-42

19. Обобщённый алгоритм минимизации технологической себестоимости детали /Штильников A.A., Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Мамонтов М.С. //7-я всероссийская научно-техническая конференция студентов аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция «Машиностроение». Алт. гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2009. С. 16-18

20. Штамп для закрытой штамповки / Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю., Штильников A.A. //7-я всероссийская научно-техническая конференция студентов аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция «Машиностроение». Алт.гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова. — Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2009. С. 18-19

21. Алгоритмизация штамповки стержневых заготовок с полостью в утолщении /Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Бедарев М.В., Штильников A.A. //Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2011, С. 8-9

22. Заполняемость внутреннего компенсатора при штамповке стержневых поковок /Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю., Овчаров Г.А. //Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения

эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2011, С. 25-26

23. Компенсация избытка металла при штамповке стержневых поковок с фасонным хвостовиком/ Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю. //Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2011, С. 23-24

24. Однопереходная штамповка болтов с полостью в головке /Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Бедарев М.В., Штильников A.A. //Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г.Новосибирск, 2011, С. 10-11

25. Проблемы монотонного заполнения полости штампа при деформации утолщения стержневой поковки /Дунаев К.Ю., Штильников A.A. //Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г.Новосибирск, 2011, С. 11-13

26. Компенсация избытка металла при горячей штамповке корпуса распылителя /Казанцева Ю.Е., Савостина К.С., Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю., Штильников A.A. //Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011

27. Принцип обеспечения монотонности процесса заполнения полости штампа /Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Штильников A.A. //Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011

28. Принципы параметрической классификации поковок по геометрическому образу /Овчаров Г.А., Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю., Логинов A.C. //Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011

29. Оптимизационная модель проектирования малоотходной горячей штамповки (МГШ) /Штильников A.A., Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю., Овчаров Г.А. //Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011

30. Оптимизация технологических параметров при закрытой штамповке стальных поршневых колец при волочении /Храмцов А.Н., Асташин А.И., Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю. //Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011

31. Оптимизация процесса выдавливания в закрытую полость штампа /Поксеваткин М.И, Штильников A.A., Овчаров Г.А., Поксеваткин Д.М. //Журнал «КШП ОМД» №6,2011. С. 18-22 (издание, рекомендованное ВАК)

61 12-5/3540

ФГБОУ ВПО Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова

ШТИЛЬНИКОВ АНТОН АНАТОЛЬЕВИЧ

ПОИСК РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАЛООТХОДНОЙ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ НА ОСНОВЕ МИНИМИЗАЦИИ ИЗБЫТКА ШТАМПУЕМОГО МЕТАЛЛА

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Поксеваткин М.И.

Барнаул - 2012

Содержание

Введение................................................................................................................. 4

Глава 1 Анализ технологических параметров малоотходной горячей штамповки и методов минимизации избытка штампуемого металла при малоотходной горячей штамповки........................................................................ 8

1.1 Силовые условия формообразования поковок в закрытых штампах...... 8

1.2 Методы компенсации избытка штампуемого металла и повышения эффективности процессов малоотходной горячей штамповки ............. 14

1.3 Постановка задач исследования.................................................................41

Глава 2 Моделирование процесса выбора и расчета технологических параметров малоотходной горячей штамповки на основе минимизации избытка штампуемого металла............................................................................ 42

2.1 Условия минимизации избытка штампуемого металла..........................42

2.2 Принципы оптимизации выбора и расчета технологических параметров малоотходной горячей штамповки на основе минимизации избытка штампуемого металла..........................................................42

2.3 Алгоритмическая оптимизационная система выбора технологических параметров малоотходной горячей штамповки........43

Глава 3 Оптимизационные системы компенсации избытка металла и выбора технологических параметров и их реализация при штамповке типовых поковок..................................................................................................-47

3.1 Проектирование оптимизационной системы выбора технологических параметров малоотходной горячей штамповки ........ 47

3.2 Оптимизационные системы при штамповке стержневых поковок........52

3.2.1 Модель поиска рациональных технологических параметров на основе минимизации избытка металла в стержневой полости штампа..........................................................................................................52

3.2.2 Модель поиска рациональных технологических параметров на основе компенсации избытка штампуемого металла в центровом компенсаторе........................................................................................... 60

3.2.3 Модель поиска рациональных технологических параметров на основе компенсации избытка штампуемого металла во внутреннем компенсаторе............................................................................................66

3.2.4 Модель поиска рациональных технологических параметров при штамповке фланцевых поковок.................................................................69

3.2.5 Модель компенсации ИШМ при штамповке поковок типа крестовин....................................................................................................-73

3.2.6 Модель поиска рациональных технологических параметров при компенсации избытка штампуемого металла за счет упругой деформации ручьевой стенки штампа......................................................77

3.2.7 Модель минимизации избытка штампуемого металла при закрытой штамповке поковок типа шатуна.............................................83

3.2.8 Модель поиска рациональных технологических параметров при штамповке изделий типа "колено" из коротких толстостенных труб... 87

Глава 4 Экономическое обоснование выбора метода компенсации избытка штампуемого металла и технологических параметров малоотходной горячей штамповки......................................................................93

Глава 5 Программная реализация оптимизационной системы выбора

технологических параметров малоотходной горячей штамповки................... 98

Основные результаты и выводы........................................................................ 111

Заключение.......................................................................................................... 112

Используемые источники...................................................................................114

Приложение 1......................................................................................................122

Приложение 2......................................................................................................130

Приложение 3......................................................................................................134

Приложение 4......................................................................................................135

Введение

Актуальность темы

Эффективность машиностроительных предприятий во многом

определяется качеством заготовок, обеспечивающих минимизацию расхода металла и трудоемкости их механической обработки. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают поковки, получаемые малоотходной горячей штамповкой.

В условиях быстрого развития рыночных отношений необходима оптимизация технологических параметров (ТП) малоотходной горячей штамповки (МГШ) в автоматизированном режиме.

Необходимым условием конкурентоспособности производства деталей является его гибкость, т.е. возможность в короткие сроки модернизировать действующие технологические процессы или разрабатывать и внедрять новые - более эффективные. Это возможно только с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР) технологических процессов получения высокоточных заготовок, учитывающих принципы их базирования в процессе механической обработки.

Многие современные исследования процессов обработки давлением базируются на теоретических положениях Тарновского И.Я., Колмогорова B.JL, Овчинникова А.Г., Богатова A.A., Перетятько В.Н. и др. ученых.

Большой вклад в развитие теории и практики проектирования новых ресурсосберегающих способов объемной штамповки и технологической оснастки внесли Леванов А.Н. [1 - 5], Перетятько В.Н., [6-8], Евстифеев В.В. [9 - 13], Володин И. М. [14 -16].

Значительный вклад в область автоматизации проектирования технологии горячей штамповки внесли Тарновский И.Я., Полухин П.Н., Тетерин Г.П., Алиев Ч.А., Вайсбурд P.A. и другие ученые [17-19]. Известны работы Охрименко Я.М., Ребельского A.B., Леванова А.Н., Поксеваткина

М.И., Тетерина Г.П, посвященные выбору и расчету компенсационных устройств.

Однако, в настоящее время отсутствуют методики выбора и расчета объема избытка металла в САПР ТП, что сдерживает оптимизацию технологических параметров МГШ, непосредственно связанную с повышением эффективности производства деталей. Поэтому поиск рациональных технологических параметров производства точных горячештампованных поковок на основе минимизации избытка штампуемого металла (ИТИМ) весьма актуален и перспективен.

Цель диссертационной работы

С использованием результатов моделирования и исследования способов

МГШ разработать научно обоснованные оптимизационные модели поиска рациональных технологических параметров МГШ на основе минимизации ИШМ.

Научная новизна

1. Разработана обобщенная математическая модель поиска

рациональных ТП МГШ на основе минимизации избытка металла.

2. Спроектированы математические модели штамповки типовых поковок, позволяющие получить рациональный расход штампуемого металла, количество переходов и силовые условия формообразования поковок, в том числе модель процесса с замкнутым силовым циклом.

3. Разработана экономическая оптимизационная модель в виде целевой математической функции для обоснования результатов поиска рациональных ТП процесса МГШ.

4. Разработаны новые способы закрытой штамповки изделий, защищенные тремя патентами на изобретения, обеспечивающие выбор рациональных ТП штамповки.

Практическая значимость

Разработан обобщенный многомодульный алгоритм для поиска

рационального объёма избытка металла и ТП МГШ с учетом последующей механической обработки поковок, реализованный в форме компьютерной программы с адаптацией к конкретным условиям производства. Предложены математические модели для рационализации выбора ТП МГШ типовых поковок, представленные в виде многомодульных алгоритмов с их программной реализацией в автоматизированном режиме.

Предложены новые способы штамповки изделий, защищенные тремя патентами на изобретения, принятые к внедрению.

Реализация работы в промышленности

Результаты исследований и оптимизационная компьютерная программа

опробованы и приняты к внедрению на промышленных предприятиях Алтайского края, таких как ОАО «АлтайВагон», ОАО «АНИТИМ», ООО «Алтайский завод топливной аппаратуры», ОАО «Барнаульский завод кузнечно-прессового производства», а также внедрены в учебный процесс Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения работ, подтвержденный актами внедрения, составляет 4 млн. 266 тыс. руб. в год (приложение 5).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены на заседании

кафедры «Технология и автоматизация кузнечно-штамповочного производства» Сибирского государственного индустриального университета, 2008 г., г. Новокузнецк; на заседании кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением» Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ); на научно-техническом совете Алтайского НИИ

ОАО «АНИТИМ»; на научно-практических конференциях АлтГТУ, на XI всероссийской научно-технической конференции «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире» студентов, аспирантов и молодых ученых г. Рубцовск, 2009 г.; на 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г.Новосибирск, 2011 г.; на VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь 2011». г. Барнаул, 2011 г.

Публикации

По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе статей и тезисов - 28, в том числе - 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, а также получено 3 патента на изобретения.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов,

списка литературы и четырех приложений. Работа содержит 147 страницы машинописного текста, 38 рисунков и 11 таблиц.

Глава 1 Анализ технологических параметров малоотходной горячей штамповки и методов минимизации избытка штампуемого металла при малоотходной горячей штамповки

1.1 Силовые условия формообразования поковок в закрытых штампах

Поиск рациональных технологических параметров МГШ непосредственно связан с методом компенсации ИШМ, предопределяющим выбор штампового компенсационного устройства (компенсатора).

Анализ силовых характеристик процессов закрытого деформирования целесообразно начать с рассмотрения закрытого выдавливания, поскольку выдавливание является главным видом деформации, на котором основаны другие формоизменяющие операции объемной штамповки (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Схема сил, действующих при прямом (а) и обратном (б) закрытом выдавливании: Р - усилие штамповки; Я - реактивная составляющая усилия штамповки; Т - сила трения.

Давление на поверхности Б с отверстием при прямом выдавливании составит рпр = (Р - Т)/¥ и при обратном выдавливании роб = РЯ7, т.е. рпр < р0б-Поэтому при одинаковой высотной деформации более интенсивно течет металл в стержневую полость и хуже заполняются углы основной полости матрицы при обратном выдавливании.

Для закрытого выдавливания из ступенчатого приемника в цилиндрическую полость используются следующие формулы для

определения нормальных напряжений характерных точках эпюры (рис. 1.2, а) [20]:

+2(1+ ¿0**7 + 2

к - \

а <0,5. >

К.1

<5и п +<Тс

^к.2 =

КРп-й) к '

(1-1)

где ц - показатель трения в соответствующих элементах полости. Для закрытого выдавливания из ступенчатого приемника в коническую или комбинированную полость (рис. 1.2, б) получены следующие соотношения [20]:

1. При 0° < а < 45°, выдавливание в коническую полость

0ко =

выдавливание в комбинированную полость = а. [Щ £ + 2(1 + + 2 (1 + £) Ы& + 2

2. При 45° < а < 90°, выдавливание в коническую полость

к

а <0,5.

0"ко - Ъ

2/^ + 2(1 + ^/71^

ип Чу

выдавливание в комбинированную полость

сг,

ко

и

б

к

а <0,5.

(1.2)

Рисунок 1.2 - Эпюры контактных нормальных напряжений при закрытом выдавливании из ступенчатого приемника и цилиндрическую (а) и в коническую комбинированную (б) полости

°к.1 — ^К-ОТ"6^ ак.2 - Ок.1Т°5 ь , '

**аа } (1.3)

_ , „ КРп-йтд &К.З = °к.2+°5-^-■

Значение среднего давления р определяют по формуле

V = - ; [Ок.3 - ^к.2)(1 + ^ + + ^ к.2 - ^кл) [-- + ^ Б|(1-4)

Процесс формообразования фланцевых поковок при закрытой штамповке можно разбить на следующие основные стадии (рис. 1.3):

1-стадия открытой деформации, которая в зависимости от соотношения размеров ручья и исходной заготовки может представлять собой свободное осаживание, открытое выдавливание или открытую прошивку (рис. 1.3, контуры эпюр нормальных напряжений I и Г); 2-стадия закрытой деформации, которая в зависимости от названных факторов может представлять собой закрытое выдавливание, закрытую прошивку и их сочетание (контуры II и П1); 3 - стадия окончательного заполнения углов гравюры, обычно сопровождаемого размещением некоторого избытка металла (рис. 1.3, в) [20]. На рисунке 1.3 показаны все стадии процесса формообразования при штамповке поковки типа фланца с центральным выступом, включающие открытое и закрытое выдавливание.

При равенстве объемов заготовки и поковки в заключительной стадии штамповки эпюра напряжений соответствует контуру II (рис. 1.3, в).

Так как точное равенство объемов маловероятно, то процесс осуществляется при наличии некоторого избытка металла, который, однако, должен быть таким, чтобы не вызывать повышения давления более чем на 10-20% (контур ПГ). Наличие большего избытка металла приводит при штамповке на кривошипных машинах к появлению четвертой стадии, заключающейся в размещении значительного избытка металла в условиях резкого повышения контактных напряжений и усилия штамповки (контур IV на рис. 1.3, в).

На рисунке 1.3, г приведен график путь - усилие соответственно описанным выше стадиям процесса.

Рисунок 1.3 - Стадии деформации металла при закрытой штамповке

Стадия открытого выдавливания соответствует ходу пуансона от начала соприкосновения с заготовкой высотой Н до момента контакта металла со стенками штампа, а усилие деформирования Р1 на пути ¥1 определяет по эпюрам контактных напряжений для открытого выдавливания.

Стадия закрытого выдавливания и заполнение углов фланцевой полости осаживанием протекает на пути пуансона У2 до момента контакта металла с дном ручья. В этом случае компоненты напряжений определяют как для закрытого осаживания, так и для закрытого выдавливания. В конце второй стадии усилие Р2 резко увеличивается (рис. 1.3, г). Интенсивность роста усилия (РЗ) особенно возрастает в третьей стадии в момент доштамповки на

пути пуансона УЗ.

Общая формула для определения усилия имеет следующий вид:

(1.5)

где Бп - площадь поковки в плане;

^ и £ - площади сечения полостей, соответствующие диаметрам с!п и с! (см. рис. 1.3); Нпср- высота поковки; Нпср=Уп/Рп; ёцР- приведенный диаметр

и - величина, обусловленная протяженностью очага деформации: к = 4 -для центральной полости (см. рис. 1.3),

г> =РП/ТП - для периферийной полости и я) = 4 - Рп/£п - для полости, занимающей промежуточное положение.

Рассмотренные выше силовые и кинематические условия формообразования поковок дают предпосылки для выбора и расчета ТП МГШ для определенного типа поковок, однако они далеко недостаточны для алгоритмизации и последующей автоматизации параметров МГШ.

Штамповка в разъемных матрацах. Схема штамповки и силовые условия формообразования поковка в матрицах с вертикальным разъёмом показаны на рис. 1.4.

Значения деформирующей силы (Р) и зажимного усилия (0) можно определить с помощью упрощенных эпюр напряжений (ст„ и ак), в осевом продольном сечении и на контактной поверхности, метод построения которых описан в работе [20].

Характерные напряжения а усилия в момент доштамповки определяют по следующим приближенным формулам:

полости,

берется меньшее из двух значений с1п и 1,13 д/^т »

"ох = [(1 + + (1 + £) + ^ + (1.6)

0 = 0,5(стП1 + ап2) Ц^Н,

(1.8)

Согласно условию пластичности: ак1 = ап2 + озЛ] 1 — д2; принимаем максимальное значение: ак1 = ап2 + а8.

Значение среднего давления определяют с использованием формул (1.6) и (1.7)

р = + + 1 + (1.9)

Усилие в момент доштамповки

р=р-1;. (1.10)

р

Рисунок 1.4 - Схемы штамповки в разъемной матрице с вертикальным разъёмом

Рассчитанные по формулам (1.5) и (1.10) усилия Р отвечают условиям заполнения полости штампа и размещения избытка металла, вызывающего лишь появление незначительного заусенца.

В реальных условиях закрытой штамповки может иметь место значительно больший избыток металла, который создает недопустимое перенапряжение инструмента и узлов машины. Поэтому при закрытом формообразовании поковок необходимо предусмотреть в штампах компенсационные устройства (компенсаторы) для размещения избытка

металла, обусловленного колебаниями объёмов исходной заготовки и полости штампа.

Серьёзным затруднением при внедрении МГШ является необходимость дозирования �