автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Повышение эффективности операций магнитно-импульсной штамповки

Ни правах рукописи

Маленичвв Игорь Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПЕРАЦИЙ

МЛПШ'ПШ-ИМПУЛЬСПОЙ ШТАМПОВКИ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработии ¿¡»влением

АЦТОР-ФЕРАТ

диссертаций на соискание ученой степени кандидата техни ...ских наук

Тула 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Н Е. ПРОСКУРЯКОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Н.А. УСЕНКО

кандидат технических наук, главный специалист , А.Л. ЗЫРИН

Ведущая организация - ГНПП «СПЛАВ»

1998 г.

Защита диссертации состоится « на заседании диссертационного совета К 063.47.из рульского государст-всшюго университета (300600, г. Тула, ГСП, пр-т Ленина, 92, 9-101).

51470Г^льс

.в/^ ч.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « »/-сси^+^лт г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к ф.-м.н., доцент

В.И. Желтков

ОБ1ЦАЙ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие машиностроения и вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, повышение производительности труда и качества продукции основывается на применении новейших видов технологических процессов, к числу которых относятся высокоскоростные методы обработки металлов давлением (ОМД). Создание средств автоматизированного проектирования, таких процессов и их широкое применение в структуре современного производства является важной задачей прикладной науки.

В настоящее время все это усугубляется недостатком инвестиций, жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, в связи с чем особенно актуальной становится задача создания научно-обоснованных методов проектирования ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций.

В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий магнитно-импульсной штамповки (МИШ), отличающихся компактностью и мобильностью оборудования, простотой и низкой стоимостью оснастки, высоким качеством получаемых изделий. Современные установки для магнитно-импульсной обработки металлов (МИОМ), основанные на модульном принципе, позволяют расширить потенциальные возможности листовой штамповки, легко встраиваются в автоматические линии, могут использоваться для выполнения разнообразных операций МИШ как в условиях мелкосерийного, так и крупносерийного производств. Результаты исследований показывают,, что в операциях МИШ можно получить значительную степень формоизменения, высокую точность геометрических размеров и качество поверхности получаемых изделий.

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

Снижение энергоемкости процессов МИШ позволяет не только экономить энергоресурсы, но и повысить стойкость элементов технолопгче-ского оборудования и инструмента. Имеющиеся в литературе работы позволяют определить энергоемкость технологической операции, но в силу принятых значительных упрощающих допущений обычно решается либо механическая, либо электрическая задачи, что не позволяет определить оптимальные параметры технологических процессов, индукторных систем и установок для магнитно-импульсной штамповки.

Работа выполнена в соответствии с грантами по фундаментальным исследованиям в области металлургии и машиностроения в 1995-1998 гг.

Все это свидетельствует об актуальности разработок в области создания научно-обоснованных методов проектирования системы «оборудование-инструмент-заготовка» для реализации процессов МИШ.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена созданию научно-обоснованной компьютерной методики проектирования технологии и оборудования магнитно-импульсного формоизменения'трубчатых заготовок, позволяющей разрабатывать новые процессы и машины, расширяющие технологические возможности штамповки при минимизации энергоемкости операций.

Научная новизна состоит в разработке математических Моделей нестационарных электромеханических процессов импульсного деформирования заготовок, методов проектирования технологических процессов МИШ и выбора режимов работы оборудования с использованием машинного эксперимента и параметрической оптимизации системы «установка-инструмент-заготовка». 1

Основные научные положения, выносимые на защиту;

- математические модели электромеханических процессов штамповки, компьютерные модели и методики проектирований оборудования, оснастки и технологических операций штамповки трубчатых заготовок;

- методы оптимизации параметров системы «установка-инструмент-заготовка», режимов работы оборудования и форм импульса давления магнитного поля; •

- результаты экспериментальных исследований процессов МИШ и внедрения технологических операций, методов и алгоритмов расчета - в производство, практику проектирования и учебный процесс.

. Методы исследования, использовавшиеся в работе:

- теоретический анализ динамических процессов, происходящих при МИШ, с использованием основных положений теории пластических деформаций металлов и теории электрических цепей;

- математического моделирования, параметрической оптимизации, математической статистики и теории планирования эксперимента, а также методы переменных состояния и численного, интегрирования систем дифференциальных уравнений с применением специального комплекса программ РИАОЩ

- экспериментальные методы определения энергетических, силовых и деформационных параметров операций МИШ с использованием магнитно-импульсных установок и современной регистрирующей аппаратуры, с последующей статистической обработкой результатов.

Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:

- созданы компьютерные модели и методики проектирования системы «установка-индуктор-заготовка», позволяющие сократить сроки технологической подготовки производства на стадии проектирования и освоения новых процессов, оборудования и оснастки;

- разработаны математические модели, позволяющие проектировать типовые технологические - операции МИШ, инструмент и оборудование, выбирать оптимальные параметры системы и режимы работы на основе критерия минимума энергоемкости операции;'

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и намечены пути совершенствования оборудования и индукторных систем для обеспечения оптимальных режимов работы и форм импульса давления в операциях магнитно-импульсной штамповки трубчатых заготовок. • . k

Научные положения диссертации использованы в учебном процессе при написании конспектов лекций и подготовке лабораторных работ по курсам «Новые виды технологических процессов, и оборудования ОМД», «Компьютерное моделирование процессов и машин ОМД», «Кузнечно-штамповочное оборудование», издании учебного пособия, а также при выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на международных, всесоюзных, республиканских и межвузовских конференциях, и том числе: международной научно-технической конференции «10U лет российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа» (г. Москва, 1996 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва, ¡997 г.), «XXiY Гагариисше чтения» Всероссийская молодежная научная конференция (г. Москва, 1998 г.), II международная'научно-техническая конференция «Проблемы пластичности в технологии» (г. Орел, ¡998 г.), , международной конференции ч»Итогн развития механики в Гуле» (г. Гула, 1998 г) и на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 1994-1998 г.г.

ПуДлмкццип.' Ос!!0П!Г.тс пзутпыс положения и материалы проведенных исследований освещались и печати. Но теме диссертации опубликовано ¡0 работ. . • - - - ' ' " '

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.г.н., доц. И.Е. Проскурякову, а также д.т.и., проф. С.П. Яковлеву, В.Д. Кухарю и А.К. Талалаеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структуру Ii объем рпйцтм- Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и общих выводов по работу списка литературы из 154 наименований и приложения и включает 187 страницы машинописного текста, 79 рисунков, 19 таблиц. Обший пбъг-м работы 235

страниц.

В первом разделе рассмотрено современное состояние магнитно-импульспой обработки металлов. Обзор литературу показывает, что исследованию процессов магнитно-импульсной обработки металлов, являющейся одиим из новых прогрессивных видов обработки металлов давлением, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых.

Основы теории, технологии и оборудования импульсных методов штамповки базируются на работах таких ученых как: О.Д. Антоненков,

A.M. Балтаханов, И.В. Белый, В.А. Глущенков, С.Ф. Головащенко, A.A. Есин, Е.Г. Иванов, С.М. Колесников, A.B. Колодяжный, А.Д. Комаров,

B.Д. Кухарь, В.Я. Мазуровский, B.C. Мамутов, В.М. Михайлов, Е.А. Попов, Ю.А. Попов, В.Н. Самохвалов, А.К. Талалаев, Л.Т. Хим.енко, В.Н. Начни, Б.А. Щеглов, В.Б. Юдаев, С.П. Яковлев, Я Dietz, Н.Р-. Furth, J. Jablon-ski, H. Lippman, R.H. Post, HP- Waniek, R. Winkler и другие.

Проведенные исследования технологических'процессов МИШ и опыт эксплуатации магнитно-импульсных установок выявили существенные преимущества магнитно-импульсной обработки металлов по сравнению с другими способами листовой штамповки. '

Анализ существующих методов расчета и моделирования процессов и оборудования МИШ показал, что из-за отсутствия теоретических рекомендаций многие технологические операции МИЩ осуществляются недостаточно эффективно, что ставит, задачу более глубокого и научно обоснованного определения параметров процессов МИШ, включай исследование напряженно-деформированного состояния в течении всего процесса формоизменения, определение работу пластического деформирования, предельных степеней деформаций, расчет параметров оснастки, оборудования и энергоемкости технологических операций.

В литературе отсутствуют исследования ч анализ' влияния конструктивных и технологических параметров системы «установка-индуктор-заготовка» для операций МИШ, что не позволяет на стадии проектирования определять их конструктивные параметры, проводить оптимизацию технологических процессов, оборудования и инструмента.

Применение численных методов для расчета операции формообразования, сборки и калибровки позволяет провести анализ механизма формоизменения, и дать рекомендации по выбору оитимш^шлх параметров технологического процесса и оборудования, что в настоящее время является нерешенной задачей. *

Варьируя параметрами индуктора, количеством блокоЕ установки и их энергоемкостью, а следовательно, фазой к амплитудой разрядных токов в индукторе, можно создавать сложные законы изменения давления импульсного магнитного поля на заготовку, ню Позволяет управлять процес-

сом деформирования заготовки и расширяет технологические возможности МИШ. Определить наилучшую для конкретной технологической операции форму импульса давления можно на основе численного решения и' оптимизации параметров системы «установка-индуктор-заготовка» по критерию минимума энергоемкости операции.

На Основе проведенного обзора определены следующие основные* чяттяич* _ . • •

1. Исстедеэатг» рсттоисгс фаз»пс';;лс здлшмя и харлмер протекания электромеханических процессов, происходящих в системе «установка-индуктор-заготовка» при МИШ, разработать математические модели и методы расчета Индукторных систем.

2. Провести экспериментальные и теоретические исследования, на основе которых создать методы расчета оптимальных режимов работы и форм импульса давления при магнитно-импульсном формоизменения трубчатых'заготовок для типовых операций МИШ.

"ТС"ПТ*"*"С: . ; ¡"1 . ■ ; . рро,- V г. 1 '-'*;;:;

позволяющие проводить росчсг оншмашшх параметров -гс.-нолшиме-скмх ироцсссов, индукторных спстсм и >с|аново1. лля М1Ш1 тритатых гс.тоб'ж, обеспечивающих у,П1ШМйл>>н}ю эж'р! ое-1миль оиерапт.

Во итопом разделе исгнедосвиы основные фтшссмю характер протекания электромеханических яроиеесоа. происходящих >• системе «устаповка-индуктир-.«аготонка» при МИШ.

При обжиме или раздаче тонкостенной цилиндрической злтго.'ч:". свчзь между напряжениями и деформациями при МИШ можно лртдега-ешь в виде .... ................•

где (У, - интенсивность напряжений, которая определяете! и.» !р,,'''г-н,.п ¡1

а,=Л- •л/оа*+о„*+(о0-стр)" (2)

2 , 2 9 V ^ Р

Условие текучести Губера-Мизеса и ассоциированный закон ппасги-ческого течения имеют вид:

0о2+о/+(<*»-ер^Зсг,2; «Л:,, -=г/?.-(2С70 -ст ); с/ер ={/Л.-(2ар -сг0 - ск~ --¿//..-(а,,

где <$Ев, , с1е3 - компоненты тензора приращений главных деформации; ¿А, - коэффициент пропорциональности.

Приращение интенсивности деформации определяется 2

<*В'=Щ' ~ ^р ^(^Р - У + (4)

Одной из важнейших величин, характеризующих процесс формоизменения при МИШ, является работа деформации. Удельная работа деформации определяется по зависимости

1 +п

где ау - интенсивность удельной работы деформации; Б( - интенсивность деформации, определяемая по формуле ( 4 ); В, П - механические характеристики штампуемых материалов. В работе приведены приближенные значения констант В, П для различных материалов заготовок, наиболее часто используемых в процессах МИШ.

Полная работа деформации будет

А„ = ау-У3, (6)

где У3 - объем деформируемой части заготовки.

Для практических расчетов часто пользуются средним значением интенсивности деформации, которую определяют путем усреднения истинных значений Б,-. Приведены зависимости определения средних значений интенсивности деформаций для основных формоизменяющих операций. При определении удельной работы деформации сложных деталей необходимо разбивать деталь на элементарные фигуры, для которых определяется работа деформации, а затем просуммировать.

Были проанализированы различные варианты определения электромагнитных параметров системы «установка-индуктор-заготовка»: индуктивности, взаимной индуктивности и активного сопротивления. Приведена формулы для определения индуктивности и взаимной индуктивности индуктора и заготовки, которые вычисляются по квадратурным формулам Гаусса с использованием полиномов Лежандра. Использование данного уточненного метода позволяет определять индуктивности индуктора и заготовки; а также их взаимную индуктивность с относительной погрешностью менее 0.5%.

В качестве накопителей энергии в установках для магнитно-

импульсной штамповки (МИШ) применяются импульсные конденсаторы. В практике конструирования конденсаторные батареи собираются посредством ошиновок двух типов: плоской малонндуктивиой и кабельной коаксиальной. Выбор ошиновки, а также способа подключения к разряднику зависит от энергоемкости батареи, расположения в ней конденсаторов и назначения магнитно-импульсной установки (МИУ). Как показал опыт_ проектирования и эксплуатации, для удобства компоновки, обслуживания узло» и блоков, сшр»?еппгт ."ггдастпсцос'Щ иаогсй^счных ус.ановок «им*» ИИ1Й чнергоемкости пелесосбразяо применять сиешиццую ошиновку, состоящую из коаксиальных кабелей и плоских шин-коллекторов.

Выбор оптимальной конструкции ошиновки и способа подключения к разряднику зависит в основном от энергоемкости конденсаторной бата--реи и расположения конденсаторов в ней. Установки для МИШ должны иметь предельно малую собственную индуктивность разрядного контура установки, которая представляется суммой:

!. -1. +Т + - -,- 7}

■ 'у -ом -'р 1 » > ' '

пк

где ^ - индуктивность ошиновки; Ь^ - индуктивность разрядника;

Ьк - индуктишюсгь одного конденсатора; П - колнчеово конденсаторов

л батарее.

Для достижения минимальной индуктииносш-цегш разряда в установках с энергоемкостью до 200 кДж-наиболее целесообразно применять плоскую ошиновку, непосредственно соединенную с конденсаторами и разрядником, индуктивность которой рассчитывается по формуле ■. ■ "

" <! . 1

1.5-МП--------ь / — о |. (3)

Ь + с J

где Ь, С, с/- соответственно толщина, шир"на плоских шин и их межцентровое расстояние; /, 8 - коэффициенты, определяемые по таблицам.

Проведенные экспериментальные исследования ( 10 ] с использованием плоской ошиновки позволили получить зависимости собственных индуктивности и частоты оборудования прй различном числе параллельно под1слючаемых конденсаторов ИМУ5-140 и переменного геометрического-зазора между шинами- Анализ полученных зависимостей наказал,, что с увеличением числа подсоединяемых блоков собственная индуктивность установки уменьшается, но до определенного прздеяа, а далее начинает возрастать. Обратная картина наблюдается для зависимости собственной частоты МИУ- Можно сделать вывод, что для получения минимальной индуктивности установки количество конденсаторов данного типа

должно быть Пк— 8... 10, а для достижения максимальной собственной частоты МИУ- Пк~ 5...7. '

Приведены расчетные ц экспериментальные зависимости собственной индуктивности установки от разных геометрических зазоров между шинами, которые показали, что с увеличением зазора между плоскими шинами собственная индуктивность установки увеличивается. Сравнение опытных, данных с расчетами, проведенными по формуле (8), выявило превышение расчетных значений по индуктивностям ошиновки примерно на 12 %. Поэтому для шин, у которых Ы С <0.1 и с11С <0.1, предложено учитывать это введением поправочного коэффициента к — 1.12 в формулу (8);

При расчете и проектировании технологических процессов МИШ для'расчета электромеханических параметров широко применяют методы, основанные на теории цепей. При этом МИУ, в частности - ее разрядный контур, можно предсзавить эквивалентной дсухконгурной схемой заме-щени.;. Первичный контур образуют батарея конденсаторов емкостью С^ с собственной индуктивностью Ьс, сопротивление разрядной цепи МИУ, индуктивность и сопротивление 11в токойодводов индуктора, сопротивление Щ индуктора, а также индуктивность индуктора ■ Вторичный контур образует заготовка, которая может быть представлена как одновитковая катушка г индуктивностью £2 11 сопротивлением . Магнитная связь между контурами с индуктором и заготовкой отражена взаимной индуктивностью М12.

- При разряде конденсаторной батареи на индуктор в заготовке наводятся вихревые токи и возникает электродинамическая сила, действующая на заготовку со стороны индуктора. Эта пондеромоторная сила определяется как производная энергии электромагнитного нож. по направлению движения заготовки.

Для эквивалентной двухконтурной схемы согласно И правилу Кирхгофа можно записать:

& сП

Уравнение движения заготовки на основе принципа Д'Аламбера

и___________ ■

представим в виде . .

• ' Рин =0,' (10)

где Р[{Н - силы инерции заготовки; рст - статическое сопротивление заготовки; Рпм - пондеромоторные силы.

Совместное решение уравнений ( 9 ) и ( Ш ) позволяет определить токи и усилия, а также учесть взаимодействие механической и электрической частей системы.

В трет ьем разделе рассмотрен вариант математического моделирования процессов МИШ, проведены исследования операций обжима и раздачи, разработан метод расчета параметров системы «установка-индуктор-заготовка» для заданной технологии на основе факторного машинного эксперимента, получены математические модели процесса МИШ для типовых материалов-представителей ['8, 9 ]. Показано, что увеличение степени деформации заготовки можно достигнуть при одновременном варьировании параметрами индукторной системы - числом вит ко» индуктора :: его материалом, что расширяет технологические возможности процесса.

Проведенные машинные эксперименты по раздаче трубчатых заготовок пз алюминиевогосплава АМг2М, латуни Л63 и стали 08кп, с последующей статистической обработкой результатов на основе автоматизированной системы экспериментатора, позволили получить ВММ системы «МИУ-индуктор-заготовка» и проанализировать влияние параметров системы на энергоемкость операции. Анализ многомерных параметрических зависимостей энергоемкости процесса МИШ для разных материалов позволил определить значения собственной частоты устшшзкпл .параметры индукторной" системы, оптимальные по критерию минимума энергоемкости операции.

Сравнение показало, что для различных по своим физическим свой-£гаам материалов заготовки имеются минимумы энергоемкости операции, которые получаются при разных значениях собственной частоты МИУ и числа витков индуктора. Для данных геометрических параметров трубчатой заготовки можно рекомендовать число витков индуктора для алюминиевых и латунных заготовок 5, для стальных - А, 9. Увеличение геометрических размеров - толщины стенки и длины заготовки приводит к соответствующему повышению энергоемкости процесса, но при различных значениях .числа витков индуктора (рабочей частоты разряда) наблюдается трансформирование характера этих зависимостей, особенно заметное для латунных заготовок, что связано с изменением инерционных и частотных параметров системы.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований, целью которых являлась проверка адекватности разработан-

пых математических моделей процесса МИШ, изложенных в предыдущих разделах, изучение особенностей процесса деформирования под действием импульсного магнитного поля, а также влияния исследуемых факторов на энергоемкость операций. Трубчатые заготовки из алюминия АМг2М и стали 08кп с известными начальными размерами (наружный диаметр, длина, толщина.стенки) деформировались импульсным магнитным полем на МИУ. Регистрация величины импульсного разрядного тока и рабочей частоты разрядного контура обеспечивалась схемой, состоящей из пояса Роговского.с интегрирующим звеном и двухлучевого запоминающего осциллографа типа С8-2. Кривая разрядного тока фотографировалась и затем подвергалась расшифровке.

Результаты сравнения экспериментальных и расчетных величин максимальных значений тока в индукторе /тах и давления ИМИ на заготовку Рпах показали, что погрешность по току составила менее 5 %, а по давлению - менее 10 %.

Были выполнены измерения индуктивности экспериментального индуктора. Для определения индуктивности применялись приборы Е7-8 (частота измерений - Г кГц) и Е7-12 (частота измерений - 1 МГц), использующие мостовую схему измерений. Замеры индуктивности витков индуктора проводились как с их внутренней, так и внешней поверхности. Каждый замер дублировался не менее трех раз. Результаты значений индук-тивностей витков индуктора усреднялись (за вычетом индуктивности шнуров-щупов). Пснрен'ность измерения индуктивностей на приборе Е7-8 составляла А = ± 50 нГн, а на приборе Е7-12 - А = ± 5 нГн. .

Рисунок 1 - Сравнение расчетных и опытных данных

Анализ графических зависимостей, приведенных на рисунке 1, показывает, чго индуктивности индуктора, определенные теоретически, близ-

ки к экспериментальным данным, замеренным с помощью приборов Б7-8 и Е7-12. Видно, что максимальное отклонение экспериментальных и расчетных значений индуктивности составляет менее 7 %.

В пятом разделе для исследования и моделирования режимов технологического процесса И работы оборудования использована разработанная во втором разделе электромеханическая модель сист??пл «оборудование-инструмент-заготовка». , .

При математическом моделировании взаимосвязи электрической и механической подсистем применен метод переменных состояния, положенный в основу метода формирования математических моделей в программном комплексе схемотехнического проектирования РЛ4Х>/5. В данной модели решается система уравнений:

ЛI 5 л-

Зх дя Л- дз

■7" 2'1 д5 ' '' '' дв ' ■ ( П )

р -р

* МЕХ 1 ПН '

Г

где II = и2-О, и V — У2 — У1 - разница потенциалов и радиальных скоростей, на узлах модели в ее электрической и механической частях; I, 1г-токи в индукторе и заготовке; - пондеромоторн.ая сила, действующая на заготовку; Ц 5 -.сопротивление и радиальное-перемещение стенки заготовки. Таким образом электрическая часть модели зависит от скорости движения заготовки в радиальном направлении V и изменяющихся от геометрических параметров индуктивности заготовки Ь2 и взаимной индуктивности индуктора и заготовки Л/12. В свою очередь, как видно из системы (11), электромагнитная сила РиЕХ зависит от мгновенных значений токов и изменяющихся электрических параметров (/^ и Мп) и, следовательно, текущих геометрических параметров заготовки и ее механических характеристик.

При решении полученной системы алгебраических уравнений (11) с использованием схемотехнического комплекса РИА013 были получены аналитические зависимости для элементов матрицы Якоб и системы (матрицы узловых проводимостей), представляющие собой частные производные от токов (усилий) по потенциалам (скоростям) узлгв. и текущих

значений сопротивления R2 и индуктивности Ьг заготовки, а также вза имной индуктивности Ми.

Одним и'з основных параметров, определяющих кинематику деформационного процесса, окончательное формоизменение и точность получаемых деталей является форма импульса давления. Дискретное изменении параметров разрядного контура во время процесса деформированш заготовки, варьирование частотой, фазой и амплитудой разрядных токов программируемое последовательное подключение Дополнительных конденсаторных блоков-модулей к общему индуктору позволяет расширит! технологические возможности МИШ. Оптимальную форму импульса дав леиия для конкретной технологической операции можно получить на основе решения задачи динамического формоизменения заготовки с приме нением планирования эксперимента и итеративных методов поиска опти мума многомерных систем.

Исследования проводились для операции раздачи трубчатых загото вок из стали 08ки, латуни ЛбЗ и алюминия АМг2М. Варьировалась энер гоемкость оборудования, его собственная частота и сопротивление. Tai как низкочастотные МИУ применяются, в основном, для контактных спо собов обработки, моделировалась работа на сре^нечастотных (_/"<,= 20...75 кГц ) и высокочастотных (f0- 75...150 кГц) установках. Резуль таты расчетов далее подвергались статистической обработке, интерполя ции кубическими сплайнами и аппроксимации полиномами более высоко го порядка.

■ СГВДО:часютэье: ЖУ

Э1КРП-Л , »д*

ЯЕИта 5ЛРЧДКИ , *Д* б)

Рисунок 2-Зависимости отношений деформации 6А./е/7 .' а) - сргдчечастотные; б) - высокочастотные установки

Анализ зависимостей отношения радиальной деформации заготовки при режиме кроубар к ее деформации при обычном периодическом разряде для высокочастотных и среднечастотных МИУ, полученных на основе математического моделирования различных режимов и форм разряда блочных конструкций МНУ для операции раздачи трубчатых заготовок (рисунок 2), позволил выявить общие закономерности влияния параметров МИУ на процесс формоизменения заготовка «з равных м-иермнлов [ 8 J. í4uaaio шмаштк. что молучеяныетрафпкц качественно подобны для заготовок из разных материалов и зависят от соотношения собственных частот установки и заготовки, а также параметров индукторной системы.

Для среднечастотных МИУ (рисунок 2а), в пределах варьирования относительной частоты установки 0.8 5Í fü¡f3Ar 5í 1.5, при изменении энергии зарядки, как правило, имеется максимум отношений деформаций S А- /йц , показывающий, что для моделируемых заготовок режим кроубар

тсляется пред тчти>е«ьным при деформациях 5 < £ < 20 "Л, что характерно для формоизменяющих операций. Для. высокочастотных МИУ рекам кроубар представляется более выгодным только при деформациях Е <3...5 % (рисунок 26), что типично для операций калибровки и сборки.

Показано, что комбинируя варианты согласного включения первоначально одного in¡¡ двух ра»личных по параметрам и энерюем кости блоков конденсаторов, можно только ja счет этого увеличить величину деформации заготовки примерно на 10 % при постоянной чиерпш зарядки МИУ, когда сначала в разрядный контур передается, не менее 50 % за-р.аселуоц знергаы» Другие варианты практически не дают увеличения деформации заготовки. ■ '

Па асисве мпггпатчгских модексЛ npoivícoon МИШ 1р>0чаты:< заготовок pu.'paiíOTíiiía автомат!;,знроч;<нчл.ч ра^чогоп, включающая в себя'расчет технологической операции, выбор оптимальных режимов работы оборудования, параметров индукторной системы и оснастки [ 3 ], а такгка алгоритм проектирования и комплекс поиклялшлх прогр?мм' [ 2 ]. :"':М!!;(егс .'КлМ'ь'е- баз;.! по плгчым ."пиментов л их -."рпте;;.ч-«?«, ¡ю усюповкач и ищукторини системам.

• При проектирован^!* с"стг',нл яМИУ-пнд) к юр-заготовка» ч наборе .е параметров предлагаете;' получать ВММ. к;» осноча машинного окспе-ичменгс в сочетании с фактора«« лланиропанием и последующей С/Пти-шзацней полученных многомерных зависимостей. Выбор варианта расчета зависит от вида задачи: а) проектирование установки для эадпнНой тех-юлогии; б) выбор установки для технологии из базы данных по МИУ; в) ¡роектироваппе индукторной системы для заданных технологии и оборудований. В соответствии с этими вариантами выбирается математическая одсль процесса. На гарном лапе проектирования предпочтительно ре-

шать задачу выбора параметров технологии и оборудования на базе математических моделей, использующих интегральный электромеханический подход. Далее, определив интервалы изменения параметров системы и план машинного эксперимента, переходить к расчету оптимальных параметров процесса. МИШ, используя конечно-элементные математические модели, что позволяет уточнить выбор и назначение параметров системы . «МИУ-индуктор-заготовка».

Ниже приведены примеры использования результатов исследований, выполненных при непосредственном участии автора по отработке и внедрению технологических операций раздачи и обжима, применительно к сборочным и формообразующим операциям. -

Согласно техническим условиям сборочный узел типа «штанга-диафрагма» в процессе эксплуатации должен выдержать осевое усилие 250 кН. По существующей технологии сборка осуществлялась сваркой штанги (тонкостенной трубы из алюминиевого сплава) с диафрагмой по боковым поверхностям последней. Процесс имеет высокую трудоемкость и энергоемкость, а также значительный процент брака, вызванного остаточными напряжениями от сварки, приводящими к искажению формы штанги. При анализе конструкции на возможность применения МИШ по схеме «раздана», были произведены конструктивные изменения в обоих деталях - выполнены кольцевые проточки. Количество выступов и канавок, а также их геометрические размеры, параметры установки и индукторной системы были выбраны с учетом рекомендаций, полученных в разделах 2-5. Экспериментальные исследования и отработка режимов сборки осуществлялись на испытательном стенде опытного участка ОАО ТНИТИ (г. Тула). Были получены качественные сборочные соединения при энергии разряда 43 кДж (испытания собранных узлов на разрыв, проведенные на испытательной машине ] 1-250, показали, что в среднем осевое усилие разъема деталей составило 430 кН). Внедрение операции магцитно-импульской сборки позволило при небольших конструктивных доработках мест сопряжений деталей, не отражающихся ча процессе их функционировании в изделиях, значительно снизить трудоемкость изготовления и повысить качество сборки, а также способствовало механизации и автоматизации производства.

Узел «кожух-резьбовое кольцо» представляет собой мерный патрубок (труба АМц, 065*1 ТУ 1-801-204-89) и резьбовое кольцо из стали 10. По существующей технологии длинная труба разрезается на мерные заготовки и далее производилась закатка роликом конца заготовки. Затем внутрь вставляется резьбовое кольцо и пространство между ними заливается полиэтиленом. Предлагаемый технологический процесс включает в себя магнитно-импульсную резку трубы на ноже и резьбовом кольце с одновременной сборкой по схсме «обжим» сгребаемой заготовки с кольцом,

что позволяет получить узел за одну операцию. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что по критерию минимума энергоемкости'оптимальными являются следующие параметры процесса: частота разрядного тока /Р4П= 26 кГц, угол конуса резьбового

кольца (X = 10°, длина конусного участка Ь- 2 мм, зазор между резьбо-2>Ш1 кольцом и ножом г.=.6 мм. При проведении ппту]1псгр згсперимеша для изменения частоты разрядного тока использовались три МНУ с различными значениями собственной частоты: /0= 20 ; 36 ; 60 кГд, и после изготовления опытных партий были получены соответствующие этим установкам средние значения энергоемкостей операции ^УрАБ~ 10.2 ; 6.5 ; 4.0 кДж. Эти результаты подтверждают рекомендации и выводы, сделанные ранее. По Итогам проведения опытной партии и соответствующих испытаний была разработана- опытно-промышленная и конструкторская документация: Внедрение Магнитно-импульсной"технологии в производство позволило сократить металлоемкость узла, исключить операцию закатки, повысить производительность труда и культуру производства.

На основе полученных рекомендаций была спроектирована магнитно-импульсная установка модульного типа МИУ-ТК-1 со следующими характеристиками:

Запасаемая энергия, кДж 60

; Максимальное рабочее напряжение, кВ 20

Собственная рабочая частота, кГц 60

.....- Тип применяемых конденсаторов ИК-25-12

Число модулей . '. ' 8

Установка предназначена для обработки трубчатых деталей из раз личных машиностроительных материалов.. Каждый модуль установки содержит два соединенных параллельно конденсатора, подключаемых через разрядник . ИРТ-6, снабжен выкатной тележкой и имеет свои индивиду-1 альные системы охлаждения, зарядки и разрядки, блокировки и контроле.

Каждый модуль оформлен в виде блока энергоемкостью 7.5 кДж ^ геометрическими размерами 1100*500*1020 мм. Варьируя числом моду лей, программируя энергию зарядки н временную последовате'льностт включения каждого модуля в разрядный контур, можно получать разнообразные. законы изменения давления ИМП на заготовку. - .....

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе решены поставленные задачи:

1) Проведены исследования основных физических язленик и характера протекания электромеханических процессов,-происходящих в слсге-

ме «установка-индуктор-заготовка» при МИШ, разработаны математические Модели и методы расчета индукторных систем.

2) Выполнены экспериментальные и теоретические исследования, на основе которых разработаны методы расчета оптимальных режимов работы и форм импульса давления при магнитно-импульсном формоизменении трубчатых заготовок для типовых операций МИШ.

3) Разработаны математические модели и методики проектирования, позволяющие проводить расчет оптимальных параметров' технологических процессов, индукторных систем и установок для МИШ трубчатых заготовок и обеспечивающие минимальную энергоемкость операции.

Проведенные исследования математических моделей процессов штамповки позволили установить новые закономерности пластического деформирования трубчатых заготовок и решить ряд задач, связанных с определением технологических параметров процессов деформирования трубчатых заготовок:

- разработаны математически более полные модели процессов пластического формоизменения, учитывающие многообразие факторов, действующих на заготовку в процессе штамповки, что значительно расширяет поиск оптимального решения для конкретной технологической операции;

- созданные математические модели системы «установка-индуктор-заготовка», позволяют проводить исследование взаимосвязей между входными и выходными параметрами процесса МИШ, глубже проникать в «механизм явления», разрабатывать модели, адекватные в широких диапазонах возможного изменения факторов, и использовать их для решения технологических задач.

В результате проведенных исследований и моделирования операций магнитно-импульсной штамповки установлено, что разработанные математические модели .адекватно отражают физические закономерности реальных процессов. Погрешности в определении максимальных значений тока в индукторе и давления ИМП на заготовку не превышают, как правило, по току 5 %, а по давлению -10 %.

Получены научно-обоснованные технологические и конструкторские решения, включающие разработанные компьютерные модели и пакет ■ прикладных программ для численных расчетов и оптимизации исследуемых процессов магнитно-импульсной штамповки, которые позволили значительно сократить трудоемкость расчетных работ, время выбора опти-| мального варианта технологии и оборудования, повысить качество прини-1 маемых технических решений, что ускоряет научно-технический прогресс в данной области.

Результаты работы в виде методик проектирования и комплекс! прикладных программ приняты для внедрения и были использованы пр! проектировании технологических процессов получения ряда!узлов и эле

ментов летательных аппаратов в «НПО им. С.А. Лавочкина», спепизделий в АО ТНИТИ, ГНГТГ1 «Сплав», НИИ репрографии (г. Тула), чго позволило в 1.5 ... 2 раза сократить объем работ но технологической подготовке производства. Теоретические решения, разработанные математические модели и программное обеспечение внедрены и используются в учебном процессе ТулГУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Маленичев И.А. Расчет параметров системы «индуктор-заготовка» при магнитно-импульсной штамповке // XXXII Студ. научно-техн. конференция. Тез. докладов .- Тула: ТулГУ, 1995. - С.51

2. Маленичев И.А., Орлов С.Ю. Автоматизированное проектирование пропссс™ мпгтптто-ттлтгтулт-еттг.п ттггампоькн. !! XXIV Пнаринские чтения. Сб. тез. докладов Всероссийской молодежной науч. конференции -М: МЛ'ГИ им. Циолковского - Российский государственный icnhojioih чгскни университет, 1998. - С. 65-66.

). Маленичев H.A., Орлов С.!0., Селншев П.А, Определение технологических параметров процессов матни шо-импульсной ппампоеги // Прл-блеМ1.1 пластичности в технологии. Тез. докладов И международ. Паул но-техн. конференции .- Орел: ОрелГТУ, 1998,- С. 99-100.

4. Проскуряков U.E., Маленичев И.А. Выбор р сжимов техиолсл нческн \ процессов и параметров оборудования для операций магнитно-импульсной штамповки // Международ, научно-техн. конференция «1ПП лет российскому анточобилю. Промышленность н высшач школл.е. Tel докладов М.: МГЛД'1 М (MANii П., >«>%.- С. 57-5«.

5. Проскуряков Н.Е., Маленичев И.А. Выбор режимов технологических процессов, параметров оборудования и оснастки. // Всероссийская научно-техн. конференция «Новые материалы и технологии». Тез. докладов .- М.: МАТП им. IЫслкояеко!о - Российский государственный чех нояогический университет, 1997.- С. 56.

6. Проскуряков Н.Я., Маленичев И.А. Исследование npcneccen rßwy.rt " раздачи трубчатых заготовок // Мсслед. в обллети теории, теллюл. к обо руд, штамп. ир-ва/Туда: ТулГУ, 1995.- С. 72-77.

7. Проскуряков Н.Е., Маленичев И.А. Определение технологических параметров и режимов работы при мапгитно-импульсной штамповке // Ресурсосберегающие технологии машиностроения. - М.: МГААТМ (МАМИ), 1996.- С.57-62.

8. Проскуряков Н.Е., Маленичев H.A.. Расчет оптимальных режимов технологически х процессов, параметров оборудования и оснастки /'Тезисы

докладов: Международ, симпозиум, «Механика и технология в процес сах формоизменения с локальным очагом пластической деформации» Орел: ОрелГТУ, 1997,- С. 29. *

9. Проскуряков Н.Е., Талалаев А.К., Маленичев И.А. Выбор параметра! оборудования и оснастки при магнитно-импульсной штамповке // Ис-след. в обл. теории, технол. и оборуд. штамп, пр-ва .- Орел: ОрелГТУ Тула: ТулГУ, 1998.- С. 99-105.

10. Талалаев А.К., Маленичев И. А. Определение конструктивных параметров оборудования // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штамп пр-ва. Тула: ТулГГУ, 1998,- С. 78-82.

ГЬлиисако ь печи Iь ^ ■ Формах бумага $0x84 1/16. Бумага шишрафская -\а 2 Офсепштечан,. Усл.иеч.л. 4 / .Усл.кр.-огт. ^ / .Уч.изд. л. V, О Тираж -/Л зк% Заказ // .

Тульский государс1вснный университет, 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92. Редакцнонно- шдапльскнк цсигр.Тульского государственного упнверь ..ста. 300600, г. Тула, ул. Бодд»Ша,1$1