автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Повышение эффективности изготовления фланцевых поковок на основе анализа технологических схем штамповки

■ На правах рукописи

Абдуллах Мохаммед Наджиб

005005864

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФЛАНЦЕВЫХ ПОКОВОК НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ШТАМПОВКИ

Специальность: 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ЯНВ 2012

Липецк-2011

005005864

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» (ЛГТУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Володин Игорь Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лялин Виктор Михайлович кандидат технических наук, доцент Лисунец Николай Леонидович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет «Станкин»

Защита состоится « 17 » января 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.108.02 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» (ЛГТУ) по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, д. 30, зал ученого совета. Факс (4742) 31-83-73, е-таП: vim@stu.lipetsk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д.212.108.02.

Автореферат разослан « декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.В. Ведищев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном производстве горячая объёмная штамповка (ГОШ) является одним из основных способов изготовления поковок самых различных типов и размеров, массой от десятков граммов до ста и более килограммов.

Фланцевые поковки занимают значительную часть в номенклатуре продукции кузнечных цехов. Варианты технологических схем изготовления этих поковок выбирают в зависимости от серийности, имеющегося оборудования, специфических требований к качеству, технологических особенностей механической обработки поковок, уровня и культуры кузнечно-штамповочного производства. В настоящее время в большинстве случаев фланцевые поковки изготавливают на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП).

Традиционные технологии изготовления поковок, применяемые в большинстве кузнечных цехов, основаны на исследованиях и методах проектирования, созданных в середине прошлого века.

В России разработан новый принцип ГОШ - бесподпорная штамповка. Сущность её заключается в получении окончательно отштампованной поковки без подпора со стороны вытесняемого в облой металла. Это позволяет достичь значительного снижения сил деформирования при одновременном уменьшении отходов металла. Реализуемые таким образом технологии предъявляют повышенные требования к проектированию переходов штамповки и возможны только при рационально подготовленном полуфабрикате.

В основе изготовления одной и той же детали могут лежать различные технологические схемы штамповки. Выбор лучшей осуществляется на основе анализа таких показателей эффективности технологического процесса, как отсутствие дефектов штамповки (зажимы), металлоёмкость (масса заготовки), энергосиловые параметры (работа пластического деформирования, величина и характер изменения технологического усилия), прочность инструмента, условия работы технологического оборудования (динамические нагрузки в деталях и узлах пресса).

Известны исследования формообразования (и энергосиловых параметров) для кольцевых поковок. Однако возможность применения бесподпорной ГОШ для изготовления фланцевых поковок не изучена. Так же не исследовано влияние новых технологий на условия работы технологического оборудования.

Решению этих вопросов посвящена данная работа.

Цель работы. Совершенствование технологии изготовления фланцевых поковок, направленное на снижение металлоёмкости, энергосиловых параметров и повышения прочности инструмента.

Задачи исследования:

1. Исследовать влияние различных технологических схем штамповки фланцевых поковок на показатели их эффективности (металлоёмкость, энергетические затраты и прочность инструмента).

2. Разработать физическую модель и выполнить на её основе тестирование расчётной модели пластического деформирования металла при штамповке фланцевых поковок.

3. Исследовать возможность использования принципа бесподпорной штамповки для изготовления фланцевых поковок.

4. Разработать математическую модель кривошипно-ползунного механизма и методику комплексной оценки технологического процесса изготовления фланцевых поковок на основе обобщённого анализа его основных параметров и динамических характеристик системы КГШП - ГОШ.

Научная новизна работы:

• обоснована целесообразность применения принципа бесподпорной штамповки для изготовления фланцевых поковок;

• разработана методика комплексного исследования влияния технологических схем штамповки на эффективность процесса изготовления фланцевых поковок на КГШП;

• создана модель кривошипно-ползунного механизма, позволяющая учесть при расчёте показателей, определяющих условия работы КГШП, массу и жёсткость шатуна и ползуна пресса, жёсткость станины, силы трения и зазоры в кинематических парах, технологические и конструкционные нагрузки;

• обоснован эффект снижения сил пластического деформирования и динамических нагрузок в деталях механизмов КГШП за счет применения бесподпорной штамповки фланцевых поковок.

Практическая значимость полученных результатов. На основе установленной возможности применения принципа бесподпорной штамповки при изготовлении фланцевых поковок разработана методика проектирования, отвечающая требованиям минимизации материальных и энергетических ресурсов.

Выявленное снижение сил пластического деформирования и динамических нагрузок позволили разработать рекомендации по расширению технологических возможностей КГШП при штамповке фланцевых поковок. Реализация результатов работы.

Разработанная методика проектирования технологических переходов штамповки, реализующая принцип бесподпорной штамповки и рекомендации

по расширению технологических возможностей КГШП при изготовлении фланцевых поковок, переданы ООО «Липецкий кузнечный завод».

Методика разработки технологических схем штамповки фланцевых поковок, компьютерная модель кривошипно-ползунного механизма горячештампо-вочного пресса и методика расчета динамических характеристик пресса переданы университету города Мосула (Ирак) для использования в научных исследованиях и в учебном процессе.

Методика комплексного исследования системы кривошипно-ползунный пресс - технологическая схема горячей объёмной штамповки фланцевой поковки с применением методов компьютерного моделирования пластического формоизменения металла и динамических нагрузок в КГШП переданы кафедре механики пластического деформирования ФГБОУ ЛГТУ и используются в учебном процессе.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование целесообразности применения принципа бесподпорной штамповки для изготовления фланцевых поковок.

2. Методика расчёта показателей эффективности системы КГШП - ГОШ на основе обобщённого анализа основных характеристик технологического процесса штамповки и динамических процессов в КГШП.

3. Результаты исследования влияния различных технологических схем штамповки фланцевых поковок на материальные и энергетические затраты и напряжения в инструменте.

4. Модель кривошипно-ползунного механизма как объекта системы комплексного анализа показателей эффективности системы КГШП - ГОШ.

Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на: XII международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», г. Пенза, 2008 г.; VI международной научно-технической технической конференции «Металлургия начала нового тысячелетия», г. Липецк: ЛГТУ, 2009 г.; VII международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2009 г.; международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производства и управление», г. Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2009 г.; всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, НГТУ, 2009 г.; V международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» г. Вологда: ВоГТУ, 2009 г.; региональной научно-

технической конференции, г. Липецк: ЛГТУ, 2009 г.; научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов с международным участием «Образование, наука, производства и управление», г. Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ из них 7 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в зарубежном издании, 8 докладов и тезисов докладов на региональных, всероссийских и международных научных конференциях, 1 зарегистрированная программа для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 168 наименований и приложения. Материалы диссертации изложены на 143 страницах машинописного текста, содержат 86 рисунков и 16 таблиц.

Главы 3 и 4 в части исследования динамики выполнены при научном консультировании канд.техн.наук, доцента Телегина В.В.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность работы, положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературных источников, связанных с анализом существующих методов проектирования процессов ГОШ, технологических схем изготовления фланцевых поковок на кривошипных горячештампо-вочных прессах и математического моделировании процессов ГОШ.

В этой главе также выполнен обзор существующих методов анализа динамических процессов в механизмах кривошипных прессов и систем их компьютерного моделирования.

Исходя из анализа существующих проблем, сформулированы цели и задачи исследования, представленные во введении.

Вторая глава посвящена разработке методики анализа технологических схем изготовления фланцевых поковок на КГШП за три перехода пластического формоизменения металла: осадка, предварительная и окончательная штамповка по традиционной технологии, позволяющей определить наилучший вариант технологической схемы. В её основе лежат методы численного моделирования процессов горячей объёмной штамповки средствами программы ОРогт ЮВВ, подтверждённые данными экспериментальных исследований.

Рис.1. Фланцевая поковка

Исследуемая фланцевая поковка изображена на рис. 1. Поковки этого типа занимают значительную часть номенклатуры изделий, штампуемых на КГШП.

В табл.1 приведены возможные варианты окончательно отштампованных поковок, которые определяют технологические схемы их изготовления по признаку - расположения облоя и перемычки. Общее число вариантов штамповки, включающих промежуточные варианты расположения перемычки или облоя (при / = 2, / = 2) - бесконечно велико. В настоящей работе исследовано 25 наиболее характерных вариантов.

Таблица 1

Варианты расположения облоя и перемычки фланцевых поковок

Расположение облойного мостика

Расположение перемычки

Расположение облойного мостика

Расположение перемычки

Расположение облойного мостика

Расположение перемычки

111

А21

Аз1

Ш

А.12

А2

ТЗР

А

шт.

13

А

.23

ЪШ

По результатам анализа определены три наилучших варианта технологических схем: Ац, А!2 и А21 по следующим показателями эффективности технологического процесса: суммарная работа, максимальное усилие, масса заготовки, соотношение технологического усилия и графика допустимых усилий КГШП (коэффициент прочности) прессов, напряжение в инструменте.

В табл. 2 приведены относительные значения показателей эффективности вариантов ГОШ фланцевых поковок, для которых возможна реализация технологического процесса штамповки. Вариант Ап (табл.1), позволяющий реализовать принцип бесподпорной штамповки, выбран в качестве базового.

В качестве объекта исследования была принята технология изготовления поковки (рис. 1) массой - 4,27 кг из стали 15ХГН2ТА на КГШП К8544 и К8542.

Таблица 2

Относительные значения показателей эффективности исследованных вариантов штамповки фланцевых поковок

Варианты Суммарная работа Макс, усилие Масса поковки Коэффициент прочности Напряжение в инструменте

КГШП 25МН КГШП 16МН

А„ 1 1 1 1 1 1

А 12(0,25) 1,086 1,033 1,00 1,201 1,170 0,993

А ,2 1,213 0,916 1,030 1,716 0,978 0,948

Аг(0,25)1 1,086 1,07 1,007 0,932 0,833 0,982

^2(0.25)2(0,25) 1,086 1,002 1,007 1,028 0,528 0,988

Л2(0,25)2 1,306 1,139 1,082 1,048 0,433 0,970

А21 1,066 0,770 1,00 0,855 0,833 0,953

А22(0,25) 1,100 1,114 1,007 1,0817 0,555 1,003

А22 1,300 1,143 1,075 1,033 0,427 0,950

А2(0,75)1 1,060 0,835 1,00 0,807 0,833 0,973

А2(0,75)2(0,25) 1,080 1,062 1,075 1,019 0,494 1,017

Аг(0,75) 1,286 1,16 1,075 1,078 0,422 0,995

А31 1,100 1,011 1,007 0,889 0,538 0,986

Аз2(0,25) 1,140 0,958 1,007 1,082 0,544 0,983

А32 1,370 0,800 1,075 1,826 1,388 0,915

Рис. 2. Зависимость усилия штамповки от перемещения ползуна: а - первый, б - второй и в - третий переходы

Экспериментальное исследование выполнялись на свинцовой модели, соответствующей варианту А12, размеры которой в четыре раза уменьшены по сравнению с реальной поковкой. Для подтверждения достоверности результатов экспериментальных исследований проводилось сравнение графиков технологических усилий по переходам с численным моделированием (рис. 2), которое показало хорошую сходимость результатов.

Третья глава посвящена исследованию влияния параметров технологического процесса штамповки фланцевых поковок на динамику системы кривошипный пресс - штампуемая поковка (КГШП - ГОШ) с помощью программы "Динамический анализ механизмов" {dam). Разработана методика её применения для КГШП: расчёт упруго-инерционных характеристик средствами твердотельного моделирования, кинематические характеристики и зазоры, нагрузки (технологические, конструкционные, трение), определение динамических критериев качества системы КГШП - ГОШ, позволяющих оценить влияние технологии штамповки на динамику КГШП (максимальные и среднеквадратичные нагрузки в шатуне и главном вале пресса, возникающие после сброса технологической силы).

Разработан объект программы динамического анализа механизмов - кри-вошипно-ползунный механизм КГШП, его динамическая (рис. 3), математическая модели (1, 2) и их компьютерная реализация (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612833 от 31.08.2010 г.).

t

а

Шатун

Ползун

Ws ! W4

Сз Г}4 С4

Ъ -1 1?2 Ьз | Ъ4 Ьз

Рис. 3. Динамическая модель объекта "Кривошипно-ползунный механизм"

Количество масс модели (рис. 3) может варьироваться для звена шатун от одной до трёх, для звена ползун - от одной до двух. Математическая модель механизма - системы нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка вида:

10

Vi = -Cl(V {^-1Гх{9к)фк) + с2{х2- x-[) + b2{x2~xx) + Wl

т2х2 = ~с2(*2 -хх)-Ъ2(х2 -х1) + с3(х3~х2) + й3(хз -x2) + W2

«з*з = -x3) + (f3

«4*4 = ~с4(*4 -x3)-b4(xA~x3) + c4(x5~x4) + bs(x5

wsV ~С5(Х5 -xA)-b5(x5-x4) + +lV5+nj

Q .

J

W " >

Входные параметры: (Pk, Фк ~ перемещение и скорость предшествующего ему к-го объекта (кривошип);

- возмущение со стороны / -го объекта, следующего за рассматриваемым;

- внешние нагрузки (»г = [ 1, 2, ..., N]). Это сила, приложенная к массе т модели. N - число масс модели.

Выходные параметры: Xj, х, х, - перемещение, скорость и ускорение объекта; □г - отклик на возмущение предшествующего объекта, равный:

Q. =[*, (х.-и.«рк)) + Ъ. (хГи^к)фк)].и-(Рк) (2)

Свойства:

- массы фрагментов звеньев механизма (тт = const).

- упруго-инерционные характеристики связей, соединяющих фрагменты звеньев (cm * const).

- зазор в соединениях рассматриваемого объекта с предыдущим (кривошипом) и в соединении шатун - ползун.

- функция положения шатуна и её производная.

тт

V.

Рис.4. Объектная модель КГШП

Объектная модель механизма определяет, какие элементы изделия участвуют в моделировании, как они связаны между собой, какие нагрузки воздействуют на объект и тип (сложность) динамической модели объекта. Объектная модель КГШП показана на рис. 4.

Исследования, выполненные в главе 2, позволили определить три, рекомендуемых для использования, варианта технологических схем штамповки фланцевых поковок на КГШП: Ап, А21 и А,2 (табл. 1). Результаты расчётов параметров эффективности технологического процесса штамповки фланцевых поковок, определяющих условия работы КГШП, для этих вариантов представлены на рис. 5 и 6.

а б

Рис. 5. Максимальная нагрузка на главном вале (а) и шатуне пресса (б)

Рис. 6. Среднеквадратичная нагрузка на главном вале (а) и шатуне пресса (б)

Из приведённых диаграмм видно, что лучшие динамические характеристики имеет вариант штамповки фланцевых поковок А2ь причём как при осуществлении операции предварительной штамповки, так и окончательной. Единственный критерий, по которому этот вариант уступает, хотя и незначительно, варианту А,2 - максимальный крутящий момент на главном вале пресса (рис. 5а). Учитывая, что максимальная динамическая нагрузка чаще всего имеет характер

единичного всплеска, а среднеквадратичная нагрузка у варианта Ац меньше, чем у варианта А12, предпочтение следует отдать варианту Ап.

Четвертая глава посвящена анализу и совершенствованию существующей технологии штамповки поковки «Втулка шестерни передней передачи», изготовляемой на КГШП модели К8544 с номинальным усилием 25 МН; разработке новой технологической схемы штамповки указанной поковки, позволяющей не только повысить показатели эффективности технологического процесса, но и использовать для их изготовления КГШП с меньшим номинальным усилием - 16 МН; исследованию, теоретическому и экспериментальному новой технологической схемы штамповки.

Поковка детали "Втулка шестерни передней передачи" по традиционной технологии изготавливается за три технологических перехода: осадка, предварительная и окончательная штамповка табл.1, код такой технологии - А22.

Исследования, выполненные в главе 2, позволяют утверждать, что по таким критериям, как максимальное технологической усилие, суммарная работа, металлоёмкость, вариант А22 (табл. 1) уступает другим возможным вариантам штамповки, в первую очередь вариантам А2Ь Ац и А12. Вместе с тем, ни один из трёх последних вариантов изготовления фланцевых поковок, не является безусловно лучшим. Вследствие этого, при решении вопроса о выборе наиболее приемлемой схемы штамповки дайной поковки, характеристики базового варианта А22 сравнивались с технологическими характеристиками вариантов А2Ь А11 и А)2.

На рис. 7 приведены графики технологических усилий на ползуне для кривошипных прессов с номинальными усилиями, соответственно, 25 МН и 16 МН.

б

Рис. 7. Усилие штамповки в окончательном ручье для КГШП К8544 и К8542 для технологических схем Ац, А2Ь А]2, А22 (базовая)

На рис. 8 представлены показатели эффективности для КГ1ПП К8544 (25 МН). Результаты расчётов эквивалентных напряжений во вставках штампа при реализации базового технологического процесса показаны на рис. 9.

0.196 0.19* 0.1Я

| 0.1 ЕЛ

Рис. 8. Показатели эффективности: а - масса заготовки, б - суммарная работа

Из анализа результатов прочностного расчёта инструмента следует, что цилиндрические вставки штампов работают в очень тяжёлых условиях.

Исследование динамических процессов в КГШП выявлено, что их уровень не являются критическими, хотя и достигают заметных значений, что ведёт к ускоренному износу и снижению надёжности пресса.

".'«А 1ЙЙ8 ЯП

К

р||

й 1Р

а б

Рис. 9. Распределение эквивалентного напряжения в верхнем (а) и нижнем (б) штампе

Совершенствование технологии изготовления поковки выполнялось в соответствии с методиками, предложенными и обоснованными в главах 2 и 3 данной работы. Этапы такого совершенствования следующие:

• численное моделирование возможных вариантов схем штамповки;

• расчёт прочностных характеристик инструмента;

• расчёт динамических характеристик системы КГШП - ГОШ.

Анализ данных (рис. 8а и 86) показывает, что варианты Ац и А21 можно рассматривать как равноценные, с точки зрения массы заготовки и суммарной работы, а варианты А]2 и А22 им заметно уступают. Учитывая, что технологическое усилие штамповки для варианта Ац меньше, чем для А2Ь при выполнении дальнейших исследований рассматривался вариант Ац. Кроме того, допускаемые значения усилий на ползуне пресса (рис. 76), предполагает потенциальную возможность использования для штамповки поковки «Втулка шестерни передней передачи» КГШП К8542 и снижение массы заготовки на 4,9% (с 4,855 до 4,617 кг).

При исследовании прочности инструмента для варианта Ац было определено что, коэффициент его запаса прочности оказался таким же, как у базового варианта (А22).

Расчёт параметров эффективности системы КГШП - ГОШ показал, что в результате реализации усовершенствованной технологии изготовления поковки по варианту Ан на КГШП с номинальным усилием 16 МН, уровень динамических нагрузок в элементах шатун - ползун кривошипно-ползунного механизма практически не изменился, в сравнении с базовой технологией, реализуемой на КГШП с номинальных усилием 25 МН. Уровень динамических нагрузок в главном вале пресса снизился приблизительно на 30% .

ГТ

I

\_1

и

------1122—---

Рис. 10. Штамповочные переходы новой технологии изготовления фланцевой поковки (модификация варианта Ац)

С целью дальнейшего совершенствования технологии изготовления поковки, разработанной в предыдущем разделе данной главы, предложена новая

технологическая схема штамповки (рис. 10), которую можно рассматривать как одну из модификаций варианта Ап (табл.1). В основе новой технологии лежит один из принципов проектирования ресурсосберегающих процессов горячей объёмной штамповки - бесподпорная штамповка (рис. 11).

а б

Рис. 11. Бесподпорная технологическая схема штамповки фланцевых поковок: штамповки в предварительном (а), и окончательном ручьях (б)

Основная идея варианта Ап заключается в получении окончательно отштампованной поковки в открытом штампе с вытеснением избытка металла за пределы ¡гравюры штампа без подпора со стороны облоя (рис. 116). В этом случае облойная канавка в классическом виде отсутствует. Объём исходной заготовки уменьшается на величину облоя, заполняющего мостик и части магазина облойной канавки. В результате уменьшается площадь контакта деформируемого металла и штампа и, как следствие, снижается усилие деформации.

Результаты компьютерного моделирования технологического процесса штамповки (рис. 12) показывают, что применение технологии бесподпорной штамповки для изготовления поковки «Втулка—шестерня передней передачи», позволяют не только осуществить этот процесс на прессе К8542, вместо более дорогого и энергоёмкого К8544, но и заметно снизить металлоёмкость процесса: в сравнении с базовым вариантом на 13,4% и с вариантом Ап на 8,9%, уменьшить работу пластической деформации на 10,8% и 8,9%, а также максимальное технологическое усилие на 42,7% и 50,2% соответственно. При этом напряжения в инструменте не превышают допустимых значений и ниже, чем рассчитанные для вариантов А22 и Ап. Наблюдается заметное улучшение динамических характеристик системы КГШП-ГОШ.

Рис. 12. Безразмерные показатели эффективности технологического процесса.

Базовый вариант (А„ КГШП К8542) - 1

Результаты моделирования технологического процесса бесподпорной штамповки фланцевой поковки «Втулка-шестерня передней передачи» подтверждены результатами физического эксперимента, выполненного в соответствии с методикой, изложенной в главе 2.

Рис. 13. Фотографии технологических переходов бесподпорной штамповки физической модели фланцевой поковки

Материал физической модели поковки - свинец. Размеры физической модели, в сравнении с реальными размерами, уменьшены в 4 раза. На рис. 13 показаны фотографии, полученной экспериментально физической модели, для большей наглядности разрезанной пополам.

На рис. 14а изображены схемы штампов для второго (предварительная штамповка) и третьего (окончательная штамповка) штамповочных переходов, в соответствии с которыми они были изготовлены для проведения экспериментальных исследований. На рис.14 б показана фотография штампа для выполнения операции окончательной штамповки.

а б е

Рис.15. Сравнение теоретических и экспериментальных данных, полученных при выполнении операций: а - осадка, б - предварительная штамповка в - окончательная штамповка

а б

Рис. 14. Чертежи штампов для второго и третьего переходов изготовления физических моделей поковок (а) и рабочие части штампа для третьего перехода (б). На фотографии справа разрезанная пополам поковка

Результаты сравнения данных теоретических и экспериментальных (рис. 15) свидетельствуют об их хорошей сходимости и работоспособность технологического процесса бесподпорной штамповки применительно к изготовлению поковки «Втулка-шестерня передней передачи».

Основные выводы

1. Разработана методика оценки эффективности технологического процесса изготовления фланцевых поковок на основе обобщённого анализа основных характеристик технологического процесса штамповки и динамических процессов в КГШП.

2. Разработаны технологические переходы, спроектирована и изготовлена установка, на которой проведены физические эксперименты с целью тестирования результатов моделирования ГОШ фланцевых поковок.

3. Разработана компьютерную модель кривошипно-ползунного механизма, позволяющая исследовать динамические процессы в системе КГШП - ГОШ, возникающие при изготовлении фланцевых поковок, в зависимости от их технологической схемы штамповки.

4. Теоретически и экспериментально установлено, что использования технологии бесподпорной штамповки для изготовления фланцевых поковок позволяет снизить металлоёмкость процесса на 8 .. 13%, и приблизительно на 10% работу пластической деформации, уменьшить практически в два раза максимальное усилие штамповки и динамические нагрузки в деталях кривошипно-ползунного механизма пресса, а также повысить стойкость инструмента.

5. Теоретически и экспериментально на физической модели подтверждены рекомендации, основанные на принципе бесподпорной штамповки, позволяющие существенно повысить показатели эффективности технологических процессов изготовления фланцевых поковок.

6. Результаты работы переданы в производство (ООО «Липецкий кузнечный завод») и внедрены в учебный процесс (ФГБОУ ВПО ЛГТУ РФ, Мо-сульский университет, Ирак).

Основные публикации по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Телегин, В.В. Исследование динамики кривошипного горячештамповочного пресса в системе dam / В.В. Телегин, М.Н. Абдуллах // Естественные и технические наук, 2010, № 4(48), с. 252-267.

2. Абдуллах, М.Н. Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование процессов горячей объёмной штамповки фланцевых поковок / М.Н. Абдуллах, И.М. Володин, В.В. Телегин // Естественные и технические науки, 2010, № 6(50), с. 597-600.

3. Телегин, В.В. Анализ влияния на динамику кривошипного пресса технологических схем штамповки /В.В. Телегин, М.Н. Абдуллах // Известия Самарского научного центра РАН, 2010, № 4(3), с. 623-633.

В других изданиях: Телегин, В.В. Математическое моделирование динамических процессов в приводах кривошипных кузнечно-прессов машин / В.В. Телегин, И.М. Володин, М.Н. Абдуллах // Теория и практика производства листового проката [Текст]: Сб. научн. тр. Часть 1. - Липецк: ЛГТУ, 2008, с. 195-201.

4. Абдуллах, М.Н. Исследование процессов горячей объёмной штамповки в системе Q-form / М.Н. Абдуллах, В.В. Телегин II Современные технологии в машиностроении: сборник статей XII Международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2008, с. 99-101.

5. Абдуллах, М.Н. 3D моделирование главных валов кривошипных кузнечно-прессовых машин в системе Inventor 11 / М.Н. Абдуллах, В.В. Телегин // Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания. - Липецк: ЛГПУ, 2008, с. 3-6.

6. Абдуллах, М.Н. Исследование Q-form в задачах проектирования технологий горячей объемной штамповки / М.Н. Абдуллах // Сборник научных докладов и статей, участников региональной научно-технической конференции. Липецк: ЛГТУ, 2009, с. 20-22.

7. Телегин, В.В. Расчёт главного вала холодноштамповочного автомата в системе INVENTOR/ В.В. Телегин, М.Н. Абдуллах // сборник статей VII Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009, с. 124-127.

8. Телегин, В.В. Исследование влияния характера изменения технологического усилия штамповки на динамику кривошипного горячештамповочного пресса / В.В. Телегин, А.И. Володин, М.Н. Абдуллах // Вести вузов Черноземья. Липецк, ЛГТУ, 2009. №2(16), с. 78-82.

9. Абдуллах, М.Н. К исследованию традиционной и новой технологии горячей объемной штамповки на КГШП / М.Н. Абдуллах, В.В. Телегин // Сборник научных и научно-методических докладов международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов. Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2009.-Т. 1, с.224-227.

10. Абдуллах, М.Н. Влияние процесса осадки на силу деформации при процессе горячей объёмной штамповки / М.Н. Абдуллах, В.В. Телегин // Наука. Технологии. Инновации // Материалы всероссийской научной конференции молодых учёных в 7-ми частях. Новосибирск: НГТУ, 2009. Часть 3, с.3-5.

11. Абдуллах, М.Н. Анализ влияния параметров предварительной осадки заготовки на качество процессов объёмной штамповки / М.Н. Абдуллах, В.В. Телегин // Современная металлургия начали нового тысячелетия: сб. науч. тр. VI межд. научно-тех. конф. Часть 1. - Липецк: ЛГТУ, 2009, с. 137-140.

12. Абдуллах, М.Н. К расчёту динамических характеристик кривошипного горячештамповочного пресса / М.Н. Абдуллах, В.В. Телегин // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надёжность машин, приборов и оборудования: Мате-

риалы пятой международной научно-технической конференции. Т. 1.- Вологда: ВоГТУ, 2009, с. 11-15.

13.Свидетельства РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ № 20106156632. Ввод и тестирование данных объекта «Кривошипно-ползунный механизм» / В.В. Телегин, М.Н. Абдуллах // Заявка № 2010612833, дата поступления 24.05.10; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 31.08.10.

14. Телегин, В.В. Объект кривошипно-ползунный механизм. Ввод и тестирование данных / В.В. Телегин, М.Н. Абдуллах // Сборник научных и научно-методических докладов международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов. Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2010.-Т. 1, с. 131-134.

15. Abdullah, M.N. Modeling of Dynamic Processes of the Main Executive Mechanism of the Hot-crank Press / M.N. Abdullah, V.V. Telegin // Al-Rafidain Engineering, University of Mosul, Mosul - Iraq. Vol.19, No.4, 2011, cc. 1-10.

Подписано в печать 16.12.2011 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1,25 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 781.

Полиграфическое подразделение Издательства Липецкого государственного технического университета. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования.

1.1. Особенности проектирования процессов горячей объёмной штамповки.

1.1.1. Технологические схемы изготовления фланцевых поковок на кривошипных горячештамповочных прессах

1.1.2. Физическое моделирование процессов горячей объёмной штамповки.

1.1.3. Методы математического моделирования процессов горячей объёмной штамповки.

1.1.4. Компьютерное моделирование процессов горячей объёмной штамповки.

1.2. Исследование динамических процессов в механизмах кривошипных прессов.

1.2.1. Динамика механизмов кузнечно-прессовых машин с абсолютно жёсткими звеньями.

1.2.2. Динамика механизмов кузнечно-прессовых машин с упругими звеньями.

1.2.3. Компьютерное моделирование динамических процессов в механизмах кузнечно-прессовых машин.

1.3. Исследование влияния характера нагружения механизма на его динамику.

1.4. Основные задачи исследования.

Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования процессов пластического формообразования фланцевых поковок. 43 2.1. Исследование и расчёт параметров горячей объёмной штамповки фланцевых поковок средствами программы QForm 2D/3D.

2.1.1. Классификация исследуемых фланцевых поковок и показатели эффективности технологического процесса

2.1.2. Численное исследование пластического формоизменения металла при реализации различных схем изготовления фланцевых поковок.

2.2. Экспериментальные исследования процессов ГОШ фланцевых поковок на основе их физических моделей

2.2.1. Цели и задачи экспериментальных исследований

2.2.2. Определение параметров физической модели фланцевой поковки.

2.2.3. Конструктивные схемы штампов для проведения экспериментов.

2.2.4. Анализ экспериментальных данных.

2.3. Исследование напряжённо-деформируемого состояния инструмента для ГОШ фланцевых поковок.

2.4. Основные направления совершенствования технологических схем ГОШ фланцевых поковок.

2.5. Выводы.

Глава 3. Разработка методики исследования динамических процессов в системе кривошипный пресс - штампуемая поковка

3.1. Числовой прототип КГШП и расчёт упруго-инерционных характеристик элементов его конструкции

3.2. Адаптация системы динамического анализа механизмов {dam) для решения задачи исследования динамики КГШП.

3.2.1. Динамические характеристики КГШП -его надёжности. критерии

3.2.2. Компьютерная модель кривошипно-ползунного механизма как объект системы dam.

3.2.3 Объектная модель КГШП.

3.2.4. Определение нагрузок.

3.3. Оценка надёжности кривошипного пресса в системе dam при штамповке фланцевых поковок.

3.4. Выводы.

Глава 4. Применение методики совершенствования технологических схем штамповки фланцевых поковок.

4.1. Традиционная технология изготовления поковки "Втулка-шестерня передней передачи".

4.1.1. Компьютерное моделирование пластического формоизменения металла при реализации традиционной схемы штамповки.

4.1.2. Анализ напряжённо-деформируемого состояния инструментов.

4.1.3. Динамические нагрузки в системе КГШП-ГОШ при штамповке втулки-шестерни передней передачи по традиционной технологии.

4.2. Совершенствование технологии изготовления поковки: «Втулка-шестерня передней передачи».

4.3. Новые технологические схемы штамповки фланцевых поковок.

4.3.1. Разработка и исследование технологической схемы изготовления фланцевых поковок на основе принципа бесподпорной штамповки.

4.3.2. Экспериментальное исследование процесса изготовления поковки «Втулка-шестерня передней передачи» по технологии бесподпорной штамповки.

4.4. Выводы.

В современном производстве горячая объёмная штамповка (ГОШ) является одним из основных способов изготовления поковок самых различных типов и размеров, массой от десятков граммов до ста и более килограммов.

Фланцевые поковки занимают значительную часть в номенклатуре продукции кузнечных цехов. Варианты технологических схем изготовления этих поковок выбирают в зависимости от серийности, имеющегося оборудования, специфических требований к качеству, технологических особенностей механической обработки поковок, уровня и культуры кузнечно-штамповочного производства. В настоящее время в большинстве случаев фланцевые поковки изготавливают на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП).

Традиционные технологии изготовления поковок, применяемые в большинстве кузнечных цехов, основаны на исследованиях и методах проектирования, созданных в середине прошлого века.

В России разработан новый принцип ГОШ - бесподпорная штамповка. Сущность её заключается в получении окончательно отштампованной поковки без подпора со стороны вытесняемого в облой металла. Это позволяет достичь значительного снижения сил деформирования при одновременном уменьшении отходов металла. Реализуемые таким образом технологии предъявляют повышенные требования к проектированию переходов штамповки и возможны только при рационально подготовленном полуфабрикате.

В основе изготовления одной и той же детали могут лежать различные технологические схемы штамповки. Выбор лучшей осуществляется на основе анализа таких показателей эффективности технологического процесса, как отсутствие дефектов штамповки (зажимы), металлоёмкость (масса заготовки), энергосиловые параметры (работа пластического деформирования, величина и характер изменения технологического усилия), прочность инструмента, условия работы технологического оборудования (динамические нагрузки в деталях и узлах пресса).

Известны исследования формообразования (и энергосиловых параметров) для кольцевых поковок. Однако возможность применения бесподпорной ГОШ для изготовления фланцевых поковок не изучена. Так же не исследовано влияние новых технологий на условия работы технологического оборудования.

Решению этих вопросов посвящена данная работа. Цель работы. Совершенствование технологии изготовления фланцевых поковок, направленное на снижение металлоёмкости, энергосиловых параметров и повышения прочности инструмента. Задачи исследования:

1. Исследовать влияние различных технологических схем штамповки фланцевых поковок на показатели их эффективности (металлоёмкость, энергетические затраты и прочность инструмента).

2. Разработать физическую модель и выполнить на её основе тестирование расчётной модели пластического деформирования металла при штамповке фланцевых поковок.

3. Исследовать возможность использования принципа бесподпорной штамповки для изготовления фланцевых поковок.

4. Разработать математическую модель кривошипно-ползунного механизма и методику комплексной оценки технологического процесса изготовления фланцевых поковок на основе обобщённого анализа его основных параметров и динамических характеристик системы КГШП - ГОШ.

Научная новизна работы:

• обоснована целесообразность применения принципа бесподпорной штамповки для изготовления фланцевых поковок;

• разработана методика комплексного исследования влияния технологических схем штамповки на эффективность процесса изготовления фланцевых поковок на КГШП;

• создана модель кривошипно-ползунного механизма, позволяющая учесть при расчёте показателей, определяющих условия работы

КГШП, массу и жёсткость шатуна и ползуна пресса, жёсткость станины, силы трения и зазоры в кинематических парах, технологические и конструкционные нагрузки; • обоснован эффект снижения сил пластического деформирования и динамических нагрузок в деталях механизмов КГШП за счет применения бесподпорной штамповки фланцевых поковок.

Практическая значимость полученных результатов. На основе установленной возможности применения принципа бесподпорной штамповки при изготовлении фланцевых поковок разработана методика проектирования, отвечающая требованиям минимизации материальных и энергетических ресурсов.

Выявленное снижение сил пластического деформирования и динамических нагрузок позволили разработать рекомендации по расширению технологических возможностей КГШП при штамповке фланцевых поковок. Реализация результатов работы.

Разработанная методика проектирования технологических переходов штамповки, реализующая принцип бесподпорной штамповки и рекомендации по расширению технологических возможностей КГШП при изготовлении фланцевых поковок, переданы ООО «Липецкий кузнечный завод».

Методика разработки технологических схем штамповки фланцевых поковок, компьютерная модель кривошипно-ползунного механизма горячеш-тамповочного пресса и методика расчета динамических характеристик пресса переданы университету города Мосула (Ирак) для использования в научных исследованиях и в учебном процессе.

Методика комплексного исследования системы кривошипно-ползунный пресс - технологическая схема горячей объёмной штамповки фланцевой поковки с применением методов компьютерного моделирования пластического формоизменения металла и динамических нагрузок в КГШП переданы кафедре механики пластического деформирования ФГБОУ ЛГТУ и используются в учебном процессе.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование целесообразности применения принципа бесподпорной штамповки для изготовления фланцевых поковок.

2. Методика расчёта показателей эффективности системы КГШП -ГОШ на основе обобщённого анализа основных характеристик технологического процесса штамповки и динамических процессов в КГШП.

3. Результаты исследования влияния различных технологических схем штамповки фланцевых поковок на материальные и энергетические затраты и напряжения в инструменте.

4. Модель кривошипно-ползунного механизма как объекта системы комплексного анализа показателей эффективности системы КГШП - ГОШ.

Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на: XII международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», г. Пенза, 2008 г.; VI международной научно-технической технической конференции «Металлургия начала нового тысячелетия», г. Липецк: ЛГТУ, 2009 г.; УП международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2009 г.; международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производства и управление», г. Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2009 г.; всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, НГТУ, 2009 г.; V международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» г. Вологда: ВоГТУ, 2009 г.; региональной научно-технической конференции, г. Липецк: ЛГТУ, 2009 г.; научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов с международным участием «Образование, наука, производства и управление», г. Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ из них 7 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в зарубежном издании, 8 докладов и тезисов докладов на региональных, всероссийских и международных научных конференциях, 1 зарегистрированная программа для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 168 наименований и приложения. Материалы диссертации изложены на 143 страницах машинописного текста, содержат 86 рисунков и 16 таблиц.

Результаты исследования используются при изучении курсов: «Теория обработки металлов давлением», «Технология ковки и объёмной штамповки», «Компьютерное моделирование процессов и оборудования».

И.о. заведующего кафедры механики пластического деформирования доцент, к.т.н.

Золотухин П.И.