автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Повышение эффективности технологических процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана

На правах рукописи

Шумков Алексей Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ШТАМПОВКИ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ДАВЛЕНИЕМ ПОЛИУРЕТАНА

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара-2010

2 8 20 га

004611978

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Барвинок Виталий Алексеевич

"I

доктор технических наук, профессор Каргин Владимир Родионович;

кандидат технических наук, доцент : Чертков Геннадий Вячеславович <

1Н ■ с.-аз-

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс» (^Самара)

Защита состоится 32 ноября 2010 года в 10:00 на заседании диссертационного ровета Д 212.215.03 при ГОУ ВПО* «Самарский государственны^ аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу:;Д43086, г. Самара, Московское шоссе, 34, ауд. 209. .;

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 07 октября 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Клочков Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ключевой задачей производственных предприятий аэрокосмической отрасли является повышение эффективности технологических процессов и обеспечение высокого качества изготавливаемых изделий. В связи с этим на многих предприятиях внедрены методы изготовления листовых деталей штамповкой эластичной средой - полиуретаном.

Данные методы являются высокоэффективными при годовых программах выпуска до 10 тысяч штук, что обуславливается низкой стоимостью и простотой штамповой оснастки, минимальными сроками подготовки производства, возможностью применения обычного прессового оборудования. Несмотря- на необходимость повышенного усилия прессового оборудования для реализации процесса штамповки деталей полиуретаном подобные методы доказали свою значительную эффективность по сравнению со штамповкой деталей в инструментальных штампах в опытном и мелкосерийном производстве, которое характеризуется частой сменой изделий, а также сжатыми сроками подготовки производства.

Классический способ процесса вырубки деталей эластичной средой предусматривает реализацию разделительного процесса в замкнутом объеме универсального контейнера. Однако использование данной технологической схемы ограничено размерами вырубаемых деталей и, соответственно, размерами существующих универсальных контейнеров.

Вместе с тем в конструктивных элементах топливных систем и других агрегатах ракеты-носителя или планера самолета имеют место тонколистовые крупногабаритные детали сложной геометрической формы. К ним относятся: перегородки топливных баков, панели приборных отсеков, развертки шпангоутов и т.д. Штамповка-вырубка полиуретаном таких деталей в замкнутом объёме контейнера не эффективна, так как для этого требуются металлоёмкие крупногабаритные контейнеры, которые сложны в изготовлении, и мощное дорогостоящее прессовое оборудование.

Вместе с тем для реализации разделительных процессов в изготовлении длинномерных листовых деталей возможно использование вырубки с использованием полузамкнутого и полуоткрытого объемов эластичной среды, в том числе фрагментарным способом с применением гидравлических прессов небольших усилий.

Таким образом, задача по разработке и исследованию интенсификации методов разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом способах его воздействия на заготовку является крайне актуальной и позволяет решить задачи снижения материальных затрат, повышения производительности труда, качества изготовления деталей и конкурентоспособности предприятия в целом.

Цель работы. Целью настоящей работы являются повышение производительности процесса и снижение энергетических и материальных затрат на технологическое оснащение при разделительной штамповке листовых средне- и крупногабаритных деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать технологию разделительной штамповки листовых средне- и крупногабаритных деталей давлением полиуретана, в том числе фрагментарным способом.

2. Разработать математическую модель контактного взаимодействия эластичного инструмента с листовой заготовкой при вырубке деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах реализации процесса с использованием различной геометрической формы эластичного инструмента.

3. Провести численные и экспериментальные исследования формоизменения заготовки и эластичного инструмента в условиях реализации процесса разделительной штамповки листовой заготовки давлением в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

4. Исследовать напряженно-деформированное состояние листовой заготовки в очаге разделения при использовании различных конструктивных схем вырубного инструмента.

5. Провести исследования условий повышения качества изготовляемых деталей разделительной штамповкой давлением эластичной среды в полузамкнутом способе ее воздействия на заготовку с применением локализированного вырубного инструмента.

6. Разработать методику расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды на заготовку в полузамкнутом объеме.

7. Разработать конструкции опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полузамкнутом объеме.

8. Разработать практические рекомендации для применения процесса разделительной штамповки давлением эластичной среды при изготовлении средне- и крупногабаритных листовых деталей в условиях производства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны технологические основы способа вырубки листовых деталей давлением эластичного элемента в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, в том числе фрагментарно, а также разработан целый ряд технологических инноваций. -г

2. Разработана комплексная математическая модель разделительного процесса штамповки листовых деталей давлением эластичной среды.

3. На ¡основании численных исследований установлены основные технологические факторы и оптимальные параметры процесса вырубки листовых деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, обеспечивающих повышенный уровень и равномерность распределения нормального контактного давления полиуретановой матрицы по поверхности заготовки, а также условия разделения в очаге деформирования материала заготовки, обеспечивающие высокое качество и точность изготовления деталей.

4. Разработана методика расчета энергосиловых параметров процесса разделения листовых деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

Методы исследований. Численные математические исследования проводились с применением специализированных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов. Экспериментальные исследования заключались в определении нормального давления в зоне контакта эластичной матрицы с заготовкой, напряжений и деформаций вточаге разделения заготовки, с последующим анализом контура среза. Исследования проводились с использованием современных методик.

Автор выносит на защиту: т

1. Технологию разделительной штамповки листовых средне- и крупногабаритных деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, в том числе фрагментарным способом.

2. Результаты исследований комплексной математической модели целого ряда технологических схем реализации процесса вырубки листовых деталей в; полузамкнутом и полуоткрытом объемах полиуретана, включая этап разделения заготовки; исследования контактного взаимодействия заготовки со штамповой оснасткой; исследования напряженно-деформированного состояния полиуретанового элемента и материала заготовки в очаге разделейия; исследования точности изготовляемых деталей; исследования касательных напряжений, вызывающих деформацию заготовки после снятия нагрузки в случае малых толщин материала.

3. Методику расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

4. Конструкцию опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

5. Практические рекомендации для применения процесса разделительной штамповки давлением эластичной среды при изготовлении средне- и крупногабаритных листовых деталей в условиях производства.

Практическая ценность.

1. Разработана комплексная математическая модель процесса разделительной штамповки листовых заготовок давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, которая применима для расчета параметров различных технологических схем реализации процесса; позволяет существенно сократить затраты на НИОКР; максимально сократить затраты на подготовку производства; проводить все экспериментальные исследования.

2. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по расчету и проектированию технологических процессов и оснастки для разделительной штамповки листовых заготовок давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

3. По результатам моделирования и экспериментальных исследований разработаны высокоэффективные конструктивно технологические схемы универсального штампа со щелевым сабельным сегментированным контейнером, универсальной штамповой оснастки для .фрагментарной пошаговой вырубки длинномерных деталей, универсального штампа для групповой вырубки среднегабаритных деталей в полузамкнутом объеме эластичной среды, а также разработаны конструкции формообразующего вырубного инструмента для изготовления типовых ■листовых деталей групповым способом и для фрагментарной вырубки в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 4 Международных научно-технических конференциях.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ. В том числе 4 статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, ¡общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 132 страницу ^машинописного текста, 79 рисунков, 8 таблиц и 1 приложение объемом 58 страниц машинописного ¡текста. Список использованных источников содержит 84 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . L. Во введении изложена актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследования.

Первая глава раскрывает современное состояние вопроса по изготовлению листовых деталей ЛА методами разделительной штамповки с применением давления эластичной среды.

В конструкциях летательных аппаратов используется широкая номенклатура листовых деталей различных геометрических форм и размеров, которые изготавливаются вырубкой-пробивкой на инструментальных штампах или давлением эластичной среды в замкнутом объеме. Разделительные процессы нашли широкое распространение длагодаря фундаментальным и .прикладным исследованиям в области теории листовой штамповки, в развитие которых значительный вклад внесли Е.А. Попов, Г.А. Смирнов-Апяев, А.Д. Томленов, Е.И. Исаченков, A.A. Ильюшин, С.И. Губкин, И.П. Ренне, H.A. Аль-Куреши, С. Гарбер и др.

Общим недостатком использования традиционных методов штамповки - вырубки в инструментальных штампах применительно к мелкосерийному производству, являются значительные затраты на проектирование и изготовление штамповой оснастки, высокая металлоемкость штамповой оснастки, неудовлетворительное качество получаемых деталей по контуру разделения.

В последние годы в технологии листовой штамповки произошли качественные изменения благодаря разработке и совершенствованию динамических методов с использованием магнитного поля и электрического разряда в жидкости и квазистатических методов с использованием давления эластополимерного материала (полиуретана). Большой вклад в изучение данных вопросов внесли •Ю.Н. Алексеев, В.А. Барвинок, В.А. Вагин, A.M. Дмитриев, В.И. Ершов, И.М. Закиров, А.Д. Комаров,

B.K. Моисеев, B.A. Тарасов, В.П. Самохвалов, Ю.В. Федотов, A.C. Чумадин, В.А. Ходырев, H.A. Шавров, Д. Пирсон, Ч. Янг, Ш. Кобояши и другие отечественные и зарубежные ученые.

Динамическая штамповка электрогидроимпульсным и магнитноимпульсным методами применяется в процессах формообразования деталей гибкой, формовкой, вытяжкой и редко используется в разделительных процессах в виду большой энергоемкости и малой эффективности. Поэтому в мелкосерийном производстве на предприятиях аэрокосмической отрасти целесообразно применять методы разделительной штамповки давлением полиуретана. Однако использование классической технологической схемы штамповки деталей полиуретаном в закрытом объеме ограничено размерами вырубаемых деталей и, соответственно, размерами универсальных контейнеров, а также'необходимостью использования мощного прессового оборудования. Вместе с тем в конструктивных элементах топливных систем и других агрегатах планера самолета (или корпуса ЛА) имеют место тонколистовые крупногабаритные детали сложной геометрической формы с размерами в плане до 4000x500 мм и выше: перегородки топливных баков, развертки сегментов шпангоутов, панели приборных отсеков, элементы обшивки и т. п. Штамповка-вырубка полиуретаном

4 таких деталей в замкнутом объёме контейнера не эффективна, так как для этого требуются

з металлоёмкие крупногабаритные контейнеры, которые сложны в изготовлении, и мощное прессовое

оборудование.

а . Для реализации разделительных процессов в изготовлении длинномерных листовых деталей

возможно использование вырубки в полузамкнутом и полуоткрытом объемах полиуретана, в том числе фрагментарно. Однако данные технологические схемы недостаточно изучены." . зь Обзор научно-технической литературы показывает также, что на эффективность процессов

й- разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана большое влияние оказывают з- конструктивные особенности вырубного инструмента, который создает различный механизм разделения заготовки.чА это напрямую связано с качеством изготовляемых деталей и силовыми г затратами на реализацию процесса, в чем многие авторы не имеют единого подхода| т.к. не изучен - -о- механизм разделения/заготовки в каждой конкретной технологической схеме. Кроме того ни один к автор работ, связанных с изучением процессов формообразования деталей давлением полиуретана, : не уделяет достаточного внимания влиянию касательных напряжений в контактной зоне эластичного

а* инструмента с листовой заготовкой на точность геометрических форм изготавливаемых деталей. _]- Таким образом, проведенный анализ существующих работ говорит о недостаточной

изученности области разделительной штамповки давлением полиуретана. е

г В целях интенсификации процесса разделительной штамповки листовых деталей

предлагается использовать технологические возможности открытых схем взаимодействия эластичного инструмента с листовой заготовкой, разработанных на кафедре ПЛА и УКМ СГАУ (рис.1), а также через изучение механизма разделения заготовки произвести оптимизацию параметров наиболее эффективных видов вырубного инструмента.

а) б)

Рис. 1. Технологическая схема реализации процесса разделения листовых деталей а) в полузамкнутом объеме эластичной среды; б) в полуоткрытом объеме эластичной среды 1 - эластичная матрица; 2 - подштамповая плита; 3 - вырубной инструмент; 4,6 - силовая обойма; 5 - эластичная матрица со ступенчатым выступом центральной части.

Для проведения научно-технических исследований по теме диссертации сформулирована цель работы и связанные с ней задачи.

Во второй главе представлены результаты комплексного математического моделирования проведенной работы. В данной работе была создана математическая модель, позволяющая проводить весь процесс разделения с последующим анализом любых интересующих результатов моделирования. Исследования проводили методом конечно-элементного моделирования с применением программного комплекса «АпБуз».

й)

Рис. 2. Физические модели деформирования и квазистатического разделения листовой заготовки в полузамкнутом объеме эластичной среды: а) трехмерная объемная модель реализации процесса при круговой форме эластичного элемента; б) трехмерная объемная модель реализации процесса при квадратной форме эластичного элемента

Для математического описания процесса деформирования использовали основные уравнения механики деформируемого тела.

В основу теоретической задачи математического моделирования положен принцип виртуальной работы, согласно которому очень малое (виртуальное) изменение внешней работы приложенных к телу нагрузок должно компенсироваться таким же изменением внутренней энергии деформаций, т.е.

5U = ÖV, (1)

где U - энергия деформации (внутренняя работа); V - внешняя работа; S - символ виртуального приращения.

Уравнение равновесия для одного конечного элемента:

([Ке] + [Ke]f) {u} = {Fe}pr + {Fe}nd, (2)

где [Ke]=ivol[B]T[D][B]d(vol) - матрица жесткости элемента;

[Kfe]=kjareaf[Nn]T[Nn]d(areaf) - матрица жесткости основания;

{Fe}pr = iareap {Nn}T {Р} d(areap) - вектор сил давления;

{Fe}nd - работа узловых сил.

Матрицы и векторы нагрузок для конечного элемента могут быть получены с помощью модифицированного метода Лагранжа, который в этом случае приводит к следующим уравнениям:

[K*i] Aui = {Fapp} - {Fnri}, (3)

где {Fw}, {Fnri} - векторы нагрузок; [K*j - матрица касательной жесткости:

[К*] = [Ке] + [SJ; (4)

[Si] = j [Gj]T [ü] [GJ d(vol) - матрица, которая определяет вклад в повышение жесткости за счет роста напряжений; [Gi] - матрица производных функции формы; [tJ - матрица текущих напряжений Коши

(ИСТИННЫХ) {Oj}.

В узловых точках элемента деформации и напряжений вычисляются с помощью уравнений: {se,} = [B]{u}, W=[D]{s4, (5,6)

где {Eei}=[e*eySzSxyExzsyz]T - вектор деформации; [В] - матрица деформации-перемещения в точке интегрирования; {и} - вектор узловых перемещений; [D] - матрица упругости; {сг} = La-xCTyCTzCTxyo-yzcrxzJ1 - вектор напряжений.

Эквивалентные напряжения:

сте = 2 s е G, (7)

где G = Е / (2 (1 + v)) - модуль сдвига; Е - модуль Юнга; v - коэффициент Пуассона.

Материал эластичной матрицы принимается гиперупругам, для которого принимаем двухлараметрическую модель Муни-Ривлина. В таком случае функция плотности энергии деформации:

W = а10 ■(/,*- 3) + д01 • (/2* - з)+0.5 • * • (/,* -1)1, (8)

где а10, а0. - константы Муни-Ривлина; к = 2 (а">+ . объемный модуль; v - коэффициент

(l-2-v)

Пуассона; /* - редуцированные инварианты деформации в /-ом направлении. Соотношения между напряжениями и деформациями для эластомера: Sü=sw / aEü ^ 2 aw / sou, (9)

где Si, - компоненты второго тензора напряжений Пиола-Киркхофф; Еу = 0.5 (Q - 6ij) - компоненты тензора деформации Лагранжа; Оц = fo fkj, - компоненты правого тензора деформации Коши-Грина; fj = ЭХ/ / fix,-; Xi- недеформированное положение точки в направлении i; х, = Xi + и, - деформированное положение точки в направлении i; ц - перемещение точки в направлении ¡. Условие деактивации элемента при разрушении материала заготовки: oij >N; eij>[s], , (10)

где <rij'. - j-тое напряжение i-го элемента; [о] - предельно допустимое напряжение; е ij - j-тая деформация ¡-го элемента; [s] - предельно допустимая деформация. .. Si

Чтобы; модель учитывала исчезновение элемента, его не нужно удалять физически, а достаточно , придать этому элементу нулевой модуль упругости. Это осуществляется умножением матрицы жесткости элементов [К у на ощутимый коэффициент уменьшения. Этот коэффициент принимаем равным 1.0-Ю-6.

На базе разработанной математической модели проведены численные исследования происходящих деформационных и разделительных процессов с учетом контактного взаимодействия эластичного инструмента с листовой заготовкой. В результате численных исследований установлено следующее: . .. г.

Распределение нормального контактного давления эластичной матриды по заготовке имеет неравномерный характер (рис. 3) с резким убыванием ее 2/3 ширины зоны контакта до периферии.

Уровень неравномерности составляет от 30% до 50%. При этом с увеличением масштабного фактора эластичной матрицы (размеров матрицы в плане, аха, bxbj и уменьшением ее коэффициента формы (Н/а) уровень неравномерности снижается, а величина нормального давления увеличивается.

Уровень нормального контактного давления существенно возрастает с увеличением относительной,величины осадки эластичной матрицы по высоте. При осадке выступающей части полиуретана от 25% до 35% (в пределах упругих деформаций) величина формат е-35% звления возрастает в 1,5 раза.

Численный расчет нормального давления для прямоугольной геометрической формы (в плане) эластичной матрицы при оптимальных параметрах процесса (для полузамкнутой схемы £=35%; я = я//>=0,05..0,06; b=2a; h = h/H= 0,33..0,4; г=2..3мм; Az=0,6mm) величина нормального давления в центральной зоне (на 2/3 площади) составляет 140..,180 МПа и на периферии 95...120 МПа. -

В полуоткрытом способе заделки эластичной матрицы распределение нормального давления эластичной среды по листовой заготовке несколько выше, чем в полузамкнутом, на 10..20%.

Для квадратной геометрической формы (в плане) эластичной матрицы при оптимальных параметрах процесса (£=35%; (я + А)/в=0,07..0,09 H/h =0,6...0,8; d/D=0,6..0,8; г=2..3мм; Az=0,6mm) уровень нормального контактного давления эластичной матрицы для полузамкнутого ее воздействия по листовой заготовке составляет 140...175 МПа в центральной зоне (на 2/3 площади) и 100... 125 МПа на периферии (для квадратной формы матрице в плане).

-

,__- —' --___

_ М- —

3 __

-20%

— 25%

-100 -80 -60 40 -20 0 20 40 60 80 ТОО Зона контакта I, мм

-300-250-200-150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 Зона контакта I, мм

б)

Рис. 3. Примеры зависимостей величины нормального давления: а) от величины деформации полиуретана по высоте £ при использовании полузамкнутого объема эластичной среды: б) от масштабного фактора эластичной пластины в полузамкнутом объеме; в) от относительной высоты центрального выступа Я/А в полуоткрытом объеме; г) от относительного диаметра.центрального выступа бв/а, в полуоткрытом объеме

Для практического использования результатов предлагаются диаграммы распределения контактного давления по всей площади контакта эластичной матрицы, по средствам которых возможно провести анализ целесообразности вырубки деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной; среды. А именно изучение возможности изготовления детали заданной конфигурации внешнего и внутреннего контура, из заданных материалов, заданной толщины. Примеры таких диаграмм представлены на рис. 4.

зяенаепа при

а) б)

Рис. 4. Диаграммы распределения нормального давления в (МПа) полиуретана (полузамкнутый объем) по плоскости листовой заготовки (технологические параметры а=200 мм; я = =0,05;

А = =0,33; г=3 мм; Д2=0,6 мм; £ = 35%); а) квадратная форма эластичной матрицы (в плане); б) прямоугольная форма эластичной матрицы (Ь=1,5а)

С использованием разработанной математической модели были проведены также численные исследования распределения контактного давления применительно к реализации разделительного процесса в щелевых прямоугольных и сабельных контейнерах с открытыми торцами, которые используются в изготовлении длинномерных деталей, в том числе фрагментарным способом (рис.5).

Численные расчеты показывают, что уровень нормального давления на заготовку с применением щелевых контейнеров с открытыми торцами выше на 10..15%, чем у таких же по геометрическим соотношениям прямоугольных силовых обойм с полузамкнутой и полуоткрытой заделкой полиуретана.

; Ч"

а) б) в) г)

Рис. 5. Щелевой контейнер: а) конструктивная схема (прямоугольный тип): 1 - пуансон-матрица; 2 -заготовка; 3 - эластичная матрица; 4,5 - элементы щелевого контейнера; б) конечно-элементная модель нагружения (прямоугольный тип); в) конечно-элементная модель нагружения (сабельный тип); г) пример диаграммы распределения контактного давления эластичной матрицы по площади заготовки в щелевом сабельном контейнере

Используя метод «смерти» элементов и разработанную математическую модель, были проведены исследования механизма разделения листовой заготовки с применением четырех схем конструктивного исполнения вырубного инструмента (рис. 6).

Рис. 6. Конструктивно-технологические схемы вырубного инструмента: а) локализированный инструмент без промежуточной < опоры; б) локализированный инструмент с промежуточной опорой; в) шаблон с наклонной опорной рамкой; г) шаблон с боковым подпором отхода:

1 - вырубной шаблон:

2 - промежуточная опора;

3 - заготовка; 4 - полиуретан; 5 - наклонная опорная рамка

щ< 1111

«я

8 В Мш 3 _-!

1 Ш

1

г)

Фрагменты поэтапного разделения заготовок для каждой из предложенных схем вырубки представлены на рисунках 7...9.

Характерными параметрами процессов является относительная глубина прогиба А7= Л//5" и относительная величина пластического сдвига отхода Дх = Дх/5, где 51- толщина заготовки (рис.7).

Оптимизирующими факторами процессов принимаются конструктивные параметры вырубного инструмента: ширина паза а между режущими кромками инструмента (рис. 6 а, б); глубина паза И (рис. 6 б); ширина Ь и радиус скругления г промежуточной опоры (рис, 4 б); угол конусности ср опорной рамки (рис. 6 в); превышение опорной рамки д И, зазор между опорной рамкой и вырубным шаблоном ъ (рис. 6 г), угол конусности опорной рамки а (рис. 6 а).

Эффективность процессов оценивалась по параметрам, характеризующим качество контура разделения, а именно: минимальное отклонение вырубаемого контура, вертикальность профиля среза (выражается через угол скола р).

ш

¿а—и«

б)

ш 1 а

ММ» )

-лХл1

■ 4 --:ЯК

Рис. 7. Поэтапное разделение фрагмента заготовки при вырубке детали на локализированном инструменте без дополнительной опоры

а) б) в)

Рис. 8. Поэтапное разделение фрагмента заготовки при вырубке детали на локализированном инструменте с дополнительной опорой

МИЙНЯЖШ идишщррш!

| йгаШ

ВИИМШ

а) б) в)

Рис. 9. Поэтапное разделение фрагмента заготовки при вырубке детали на локализированном инструменте с наклонной опорной рамкой вокруг шаблона

Следует отметить, что численные исследования проводились для наиболее распространенных в аэрокосмической отрасли марок алюминиевых сплавов (АмцАМ, Д16АМ, АмгбМ, Д16АТ).

В результате моделирования поэтапного разделения заготовок (для каждой технологической схемы вырубки) численно определены главные напряжения и главные деформации материала заготовки в очаге разделения.

Для оптимальных значений конструктивных параметров вырубного инструмента, как показали вычисления характеристик качества контуров среза заготовки, численно определены значения показателя деформированного состояния материала заготовки \>с, по формуле

(11)

где е, - главные компоненты деформаций.

По значениям показателя деформированного состояния (ус) построены соответствующие графические зависимости по высоте контура среза (рис. 10).

Как видно из зависимостей (рис. 10) разделение заготовки с применением локализации находится в области сдвиговых процессов (- 0,46 < уе < 0,46), в результате чего обеспечивается повышение качества контура среза детали.

t

I s

I <

I

s 3 ï г

1 в 5 Г 1

1 ч \ | \ е 1

в УА s % . j ^ \\ ¡!

1 5 У/ 6 \\ \ г / Il

ч \ у , \ . Р

: I \ \\. \ \ \ ■ \ \ \ \ 1

-0.2 0 0.2 Показатель дефврнороВаниога состояния

m

Рис. 10. Зависимости показателя деформированного состояния в каждой узловой точке по толщине листовой заготовки при вырубке контура детали: а) на локализированном инструменте без дополнительной опоры; б) на локализированном инструменте с дополнительной опорой; в) на вырубном инструменте с наклонной опорной рамкой вокруг шаблона; г) на вырубном инструменте с

боковым поджатием

Математическое моделирование позволило проанализировать качество получаемых деталей. Численные расчеты показали, что при нагружении тонколистовых заготовок выше 500...750 кН с последующей разгрузкой при сухом трении листы толщиной менее 0,5...0,8 мм подвергаются дефектному деформированию (короблению) вследствие контактирующих с полиуретаном поверхностных слоев (рис. 11).

Рис. 11. Деформация листовых деталей после разгрузки: а) толщина листа 0,5 мм; б) толщина

листа 0,8 мм.

Для исключения коробления детали после разгрузки как показали численные исследования целесообразно использовать эластичную матрицу с внутренней конусностью (рис.12) (с углом конусности у не мене 0,5°), что обеспечивает равномерность распределения нормального давления.

Рис. 12. Конструктивная схема эластичной матрицы с внутренней конусностью в схеме с заделкой эластичной матрицы в полузамкнутом объеме: 1 - заготовка; 2 -силовая обойма; 3 - эластичная матрица; 4 -формообразующий инструмент; 5 технологическая обойма

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований контактного давления эластичной матрицы и механизма разделения листвой заготовки в процессах штамповки деталей полиуретаном.

Для проведения экспериментов по оценке контактного давления был спроектирован и изготовлен специальный штамп, который позволяет производить переналадку технологической схемы на тот или иной принцип передачи давления эластичной среды на заготовку. Схема экспериментального штампа показана на рис. 13. В экспериментальных исследованиях использовался гидравлический пресс марки ПСУ-500.

эластичным инструментом при нагружении: 1,5- нижняя и верхняя плиты; 2,4 - верхнее и нижнее основания; 3 - силовая обойма; 6 - сменная эластичная матрица; 7 - упор; 8 - индикатор часового

типа; 9 - датчики

давления; 10-технологическая пластина с насечками и углублением для датчиков давления; 11 -пластина фиксирующая точность установки датчиков

В работе использовался метод рототабельного планирования второго порядка. В качестве примера ниже приведены результаты экспериментов применительно к технологической схеме нагружения полиуретана в полузамкнутом объеме. На основании проведенных экспериментов, статистической обработки, данных, расчёта коэффициентов уравнения регрессии и проверки его адекватности получена расчетно-экспериментальная модель влияния технологических факторов на распределение контактного давления эластичной среды в полузамкнутом способе её воздействия на заготовку:

q = 123,7 + 2,35х, - 1,57j;2 + 1,46х3 -1,75*, + 3,8х5 - 1,34л:,2 + 1,52.т2 +

+ 0,87х2 -0,69х2 -1,43х2 + 0,83х,хг + 0,7х,х, + 0,53х,х4 + 1,35х,х5 - (12)

-0,42х2х3 -0,65х2х4 -0,57х2х5 - 0,48Л:,Х4 + 0,68Х3Х5 -0,55х„Х5.

Уравнение регрессии (12) показывает степень влияния конструктивно-технологических факторов (в кодированном их выражении) на величину контактного давления полиуретана. Проведя анализ данного уравнения можно сделать вывод, что наибольшее влияние на величину контактного давления при воздействии эластичной среды на заготовку в полузамкнутом объеме оказывают такие

технологические. факторы, как размер и величина относительной жесткости полиуретановой матрицы (кодированные обозначения, соответственно, Х5 и х1). Наименьшее влияние оказывают относительная высота выступания полиуретана за пределы силовой обоймы и глубина насечки силовой и технологической обойм (кодированное обозначение, соответственно, хг и х4). Причем при увеличении глубины насечки и величины относительной деформации сжатия полиуретана, а также его геометрических размеров в плане и уменьшении относительной высоты полиуретана контактное давление возрастает.

В результате проведенных экспериментальных исследований подтверждена возможность создания нормального давления эластичным инструментом до уровня 100л.200 МПа при его прямолинейном нагружении в полуоткрытом и полузамкнутом объеме; что является достаточным условием для выполнения разделительных операций при изготовлении деталей вырубкой-пробивкой широкого диапазона толщин и марок материалов.

Экспериментальные исследования характера и уровня распределения нормального давления эластомера (полиуретана) по площади контакта с листовой заготовкой при прямолинейном нагружении в полуоткрытом и полузамкнутом' объеме эластичного инструмента совпадают с результатами численных исследований. Погрешность результатов исследований находится в пределах 5... 10%.' -V

Для проверки результатов численных исследований НДС материала -в очаге разделения листовой заготовки в экспериментальных исследованиях применялся метод деформирования координатных'сеток, наносимых на торцевую поверхность, предварительно разрезанных по диаметральной плоскости заготовок, половинки которых составлялись' вместе, после чего производилась вырубка с использованием различных конструкций вырубного инструмента и замер параметров деформирования координатной сетки.

Далее - расчетным путем по известным формулам определялись, главные компоненты деформации и вычислялся показатель деформированного состояния. ■

По результатам расчета построена графическая зависимость, аналогичная численным исследованиям (рис. 10). Анализируя данные зависимости, можно отметить, что экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния листовой заготовки в очаге разделения также подтвердили результаты численных исследований о соответствии условий разделения заготовки сдвиговому процессу при вырубке деталей на локализированном инструменте. Сравнение значений показателя деформированного состояния материала заготовки в.'очаге разделения, полученных экспериментальным путем, со значениями, полученными в результате численных исследований, - также имело удовлетворительную сходимость результатов ■ с погрешностью в пределах 10..;12%, что подтверждает адекватность разработанной математической модели реальному процессу разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах с локализацией очага разделения.

В четвертой главе приведены технологические рекомендации для реализации процессов разделительной штамповки листовых средне и крупногабаритных деталей давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах. Для этого, используя результаты численных исследований, построены диаграммы контактного давления для эластичных матриц квадратной и прямоугольной форм различного масштабного фактора. Применительно к вырубному инструменту, локализирующему очаг деформации, определены оптимальные геометрические параметры, обеспечивающие высокое качество контура разделения.

Для оценки силовых параметров четырех методов разделения листовых деталей с локализацией очага деформации разработана инженерная методика расчета необходимого давления полиуретана с учетом его локального деформирования.

Для практической реализации процессов разделительной штамповки разработана методология последовательности расчета необходимых параметров и проектирования основных этапов технологии вырубки-пробивки деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, в том числе пошаговым методом.

•. С целью эффективного • использования разработанной технологии спроектированы универсальные средства технологического оснащения, а именно, универсальный штамп с быстросменным вырубным инструментом для групповой или фрагментарной вырубки листовых деталей (с габаритными размерами от 300 до 1500 мм), универсальный сегментированный сабельный контейнер с открытыми торцами для вырубки длинномерных криволинейных деталей (с радиусом от 500 до 2000 мм); универсальная оснастка для фрагментарной вырубки крупногабаритных длинномерных деталей (длиной до 4000...5000 мм, с толщиной заготовки от 0,5 до 2 мм) в полуоткрытом объеме эластичной среды.

I Использование данных средств технологического оснащения на базовом предприятии ФГУП ГНЛ. РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», что позволяет при изготовлении только 320 наименований деталей обеспечить годовой экономический эффект 1 '052 000 рублей в ценах 2009 г.

i В номенклатуре изготовляемых листовых деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах алюминиевые сплавы (АД1, АМцАМ, АМгб, Д16АМ), магниевые (МА2, МА8) и титановые (ОТ4 и ВТ14), нержавеющие стали, латунь (Л62) и медь (М2) широкого диапазона толщин от 0,3 мм до 2 мм и геометрических размеров в плане от 100 до 4000 мм.

. г! ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

.е; 1. Решена задача повышения эффективности процесса разделительной штамповки листовых деталей за счет разработки новой технологии вырубки давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах. .:

::.е: 2. Разработана комплексная математическая модель деформационного процесса вырубки листовых деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах полиуретана, учитывающая контактное взаимодействие эластичного инструмента с заготовкой: Адекватность математической модели подтверждена проведенными экспериментами.

:гг 3. На основании численных исследований установлены оптимальные параметры процесса и эластичного инструмента, при которых достигается равномерность уровня контактного давления эластичной среды на листовую заготовку в пределах 160* ;. 180 МПа для полузамкнутой й 155... 175 МПа для полуоткрытой схем нагружения эластомера.

м: 1. На основании исследований напряженно-деформированного состояния материала заготовки в очаге разделения установлены оптимальные параметры процесса и конструктивных схем вырубного локализированного;инструмента, обеспечивающие;едвиговой характер разделения листовой заготовки и повышение качества вырубаемого контура детали.

•. 2. Разработана методика расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах с использованием инструмента с локализацией очага разделения.

■ 3. Разработаны конструкции опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полуоткрытом й полузамкнутом объемах, в том числе фрагментарным способом.

: 4. Применение разработанных конструкций штамповой оснастки позволяет сократить трудоемкость изготовление листовых длинномерных деталей в 3...5 раз, затраты на средства оснащения в десятки раз (к примеру, при изготовлении 320 наименований деталей - в 30 раз).

; 5. Для реализации процессов разделительной штамповки давлением эластичной среды при - изготовлении средне- и крупногабаритных листовых деталей в условиях производства разработана методология расчета основных параметров и основных этапов технологии, что сократило сроки подготовки производства в 2...3 раза.

< 6. Технология разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах апробирована в условиях производства на предприятии ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», что позволяет получить при изготовлении только 320 наименований деталей годовой экономический эффект 1'052'000 рублей в ценах 2009 г.

tf,4

1 i

Основные положения диссертации опубликованы

в изданиях рекомендованных Высшей аттестационной комиссией:

1. Барвинок В.А. Математическое моделирование контактного взаимодействия эластичного инструмента в процессах ротационного раскроя листовых деталей изделий машиностроения [Текст] / Барвинок В.А., Федотов Ю.В., Громова Е.Г., Шумков А.П., Поникарова Н.Ю. II Проблемы машиностроения и автоматизации - 2008. - №1. - С. 128-132.

2. Федотов Ю.В. Исследование контактного взаимодействия эластичного инструмента в процессах ротационного раскроя листовых деталей изделий машиностроения [Текст] / Федотов Ю.В., Громова Е.Г., Шумков А.П., Шаров A.A., Еськина Е.В., Федотова И.Ю. II Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Спец. выпуск Четверть века изысканий и экспериментов по созданию уникальных технологий и материалов для авиаракетостроения УНТЦ-ФГУП ВИАМ. Том 3.2008.-С. 159-167.

3. Барвинок В.А. Повышение эффективности технологии разделительной штамповки листовых деталей полиуретаном за счет использования различных схем открытого воздействия эластомера на заготовку [Текст] / Барвинок В.А., Федотов Ю.В., Шумков А.П., Рыжаков С.Г., Федотова И.Ю. II Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 12, №4 (2), 2010. -С. 362-369.

4. Федотов Ю.В. Исследование механизма разделения листовых материалов при различных способах вырубки деталей полиуретаном [Текст] / Федотов Ю.В., Моисеев В.К., Шумков А.П., Рыжаков С.Г., Федотова И.Ю., Громова Е.Г. II Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 12, №4 (2), 2010. - С. 449-457.

в других изданиях:

5. Барвинок В.А.',: Математическое моделирование контактного взаимодействия эластополимерной матрицы с листовой заготовкой в разделительных процессах [Текст] / Барвинок В.А., Федотов Ю.В., Громова Е.Г., Шумков А.П., Алешин A.B. II «Актуальные проблемы трибологии» Сб. трудов международной научно-технической конференции июнь 2007 г. - М.: Машиностроение, 2007г., в 2-х томах. Т;1. - с. 93-104.Барвинок В.А. Повышение эффективности методов разделительной штамповки при изготовлении листовых деталей летательных аппаратов [Текст] / Барвинок В.А., Федотов Ю.В., Громова Е.Г., Шумков А.П. II «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» Сб. трудов международной научной конференции 19-23 ноября 2007г. - М.: Машиностроение, 2007г., С.132-137.

6. Федотов Ю.В. Разработка безотходной технологии лезвийной обработки эластичных элементов штамповой оснастки [Текст] I Федотов Ю.В., Громова Е.Г., Шумков А.П., Федотова И.Ю. II «Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXIII Академических чтений по космонавтике» Сб. трудов международной научной конференции январь 2009. -М.: Изд-во РАН, 2009.-С.530.

7. Федотов Ю.В. Штамповка длинномерных криволинейных деталей полиуретаном в сабельных контейнерах [Текст] / Федотов Ю.В., Громова Е.Г., Шумков А.П., Федотова И.Ю. II «Актуальные проблемы .российской космонавтики: Труды XXIII Академических чтений по космонавтике» Сб. трудов международной научной конференции январь 2009. -М.: Изд-во РАН, 2009.-С.531.

Подписано в печать 27.09.2010 Тираж 100 экземпляров. Отпечатано с готового оригинал-макета 443086, Самара, Московское шоссе 34, СГАУ

и, V, {и} перемещение, вектор перемещения

5и виртуальная внутренняя работа

8У виртуальная внешняя работа х, у, г координаты элемента

X, У, Ъ узловые координаты (обычно глобальные декартовые) в деформация

V коэффициент Пуассона а напряжение стт предел текучести материала аь предел прочности

Я относительная жесткость эластичной матрицы к относительная высота открытой части эластичной матрицы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Номенклатура средне- и крупногабаритных деталей летательных аппаратов осесимметричного и удлиненного контура, изготовляемых методами разделительной штамповки.

1.2 Особенности использования квазистатического давления эластополимерных материалов в процессах разделительной штамповки.

1.3 Анализ работ и конструктивно-технологических решений по разделительной штамповке листовых деталей в полузамкнутом объеме эластичной среды.

1.4 Анализ существующих методик расчета силовых параметров процессов вырубки листовых деталей полиуретаном и их недостатки.

1.5 Выводы.

1.7 Цель и задачи исследований.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ШТАМПОВКИ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛАСТИЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ЗАГОТОВКУ В ПОЛУЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ.

2.1 Формулировка физических моделей деформирования эластичного инструмента и квазистатического разделения листовой заготовки с локализацией очага разделения.

2.2 Постановка задач математического моделирования.

2.3 Численные исследования деформационного процесса при разделительной штамповке листовых деталей давлением полиуретановой матрицы в полузамкнутом объеме.

2.4 Выводы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ШТАМПОВКЕ ЛИСТОВЫХ

ДЕТАЛЕЙ ДАВЛЕНИЕМ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДЫ В ПОЛУОТКРЫТОМ И ПОЛУЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДЫ.

3.1 Описание методики планирования, обработки и проведения экспериментальных исследований.

3.2 Исследования распределения нормального давления полиуретана по контактной поверхности с листовой заготовкой при разделительной штамповке в полуоткрытом и полузамкнутом объеме эластичной среды

3.3 Исследования напряженно-деформированного состояния заготовки при вырубке детали на локализированном инструменте.

3.4 Выводы.

4 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО ПРОЦЕССА РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ШТАМПОВКИ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ДАВЛЕНИЕМ ПОЛИУРЕТАНА.

4.1 Разработка и описание конструктивной схемы универсального штампа полузамкнутого типа с полиуретановым элементом для разделительной штамповки тонколистовых деталей.

4.2 Разработка конструкции универсальной оснастки для фрагментарной пошаговой вырубки длинномерных деталей.

4.3 Разработка конструктивной схемы сегментированного щелевого контейнера.

4.4 Разработка рекомендаций по проектированию и изготовлению вырубного инструмента для разделительной штамповки.

4.5 Разработка методики расчета силовых параметров разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана.

4.6 Внедрение разработок в производство. Экономическая эффективность от внедрения.

4.7 Выводы.

Актуальность работы

Ключевой задачей предприятий аэрокосмической отрасли является повышение конкурентоспособности, в том числе за счет повышения производительности труда и обеспечения высокого качества изготавливаемых изделий. В связи с этим на многих предприятиях внедрены методы изготовления листовых деталей штамповкой эластичной средой -полиуретаном.

Данные методы являются высокоэффективными при годовых программах выпуска до 10 тысяч штук, это обуславливается низкой стоимостью и простотой штамповой оснастки, минимальными сроками подготовки производства, возможностью применения обычного прессового оборудования. Несмотря на необходимость повышенного усилия прессового оборудования для реализации процесса штамповки деталей полиуретаном подобные методы доказали свою значительную эффективность по сравнению со штамповкой деталей в инструментальных штампах в опытном и мелкосерийном производстве, которое характеризуется частой сменой изделий, а также сжатыми сроками подготовки производства.

Классический способ процесса вырубки деталей эластичной средой предусматривает реализацию разделительного процесса в замкнутом объеме универсального контейнера. Однако использование данной технологической схемы ограничено размерами вырубаемых деталей и, соответственно, размерами существующих универсальных контейнеров.

Вместе с тем в конструктивных элементах топливных систем и других агрегатах ракеты-носителя или планера самолета имеют место тонколистовые крупногабаритные детали сложной геометрической формы. К ним относятся: перегородки топливных баков, панели приборных отсеков, развертки шпангоутов и т.д. Штамповка-вырубка полиуретаном таких деталей в замкнутом объёме контейнера не эффективна, так как для этого требуются металлоёмкие крупногабаритные контейнеры, которые сложны в изготовлении, и мощное дорогостоящее прессовое оборудование.

Вместе с тем для реализации разделительных процессов в изготовлении длинномерных листовых деталей возможно использование вырубки с использованием полузамкнутого и полуоткрытого объемов эластичной среды, в том числе фрагментарным способом с применением гидравлических прессов небольших усилий.

Таким образом, задача по разработке и исследованию интенсификации методов разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и »полуоткрытом способах его< воздействия на заготовку является крайне актуальной и позволяет решить задачи снижения материальных затрат, повышения производительности труда, качества изготовления деталей и конкурентоспособности предприятия в целом.

Цель работы

Целью настоящей работы являются повышение производительности процесса и снижение энергетических и материальных затрат на технологическое оснащение при разделительной штамповке листовых средне- и крупногабаритных деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать технологию разделительной штамповки листовых средне- и крупногабаритных деталей давлением полиуретана, в том числе фрагментарным способом.

2. Разработать математическую модель контактного взаимодействия эластичного инструмента с листовой заготовкой при вырубке деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах реализации процесса с использованием различной геометрической формы эластичного инструмента.

3. Провести численные и экспериментальные исследования формоизменения заготовки и эластичного инструмента в условиях реализации процесса разделительной штамповки листовой заготовки давлением в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

4. Исследовать напряженно-деформированное состояние листовой заготовки в очаге разделения при использовании различных конструктивных схем вырубного инструмента.

5. Провести исследования условий повышения качества изготовляемых деталей разделительной штамповкой давлением эластичной среды в полузамкнутом способе ее воздействия на заготовку с применением локализированного вырубного инструмента.

6. Разработать методику расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды на заготовку в полузамкнутом объеме.

7. Разработать конструкции опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полузамкнутом объеме.

8. Разработать практические рекомендации для применения процесса разделительной штамповки давлением эластичной среды при изготовлении средне- и крупногабаритных листовых деталей в условиях производства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны технологические основы способа вырубки листовых деталей давлением эластичного элемента в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, в том числе фрагментарно, а также разработан целый ряд технологических инноваций.

2. Разработана комплексная математическая модель разделительного процесса штамповки листовых деталей давлением эластичной среды.

3. На основании численных исследований установлены основные технологические факторы и оптимальные параметры процесса вырубки листовых деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, обеспечивающих повышенный уровень и равномерность распределения нормального контактного давления полиуретановой матрицы по поверхности заготовки, а также условия разделения в очаге деформирования материала заготовки, обеспечивающие высокое качество и точность изготовления деталей.

4. Разработана методика расчета энергосиловых параметров процесса разделения листовых деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

Методы исследований. Численные математические исследования проводились с применением специализированных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов. Экспериментальные исследования заключались в определении нормального давления в зоне контакта эластичной матрицы с заготовкой, напряжений и деформаций в очаге разделения заготовки, с последующим анализом контура среза. Исследования проводились с использованием современных методик.

Автор выносит на защиту:

1. Технологию разделительной штамповки листовых средне- и крупногабаритных деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, в том числе фрагментарным способом.

2. Результаты исследований комплексной математической модели целого ряда технологических схем реализации процесса вырубки листовых деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах полиуретана, включая этап разделения заготовки; исследования контактного взаимодействия заготовки со штамповой оснасткой; исследования напряженно-деформированного состояния полиуретанового элемента и материала заготовки в очаге разделения; исследования точности изготовляемых деталей; исследования касательных напряжений, вызывающих деформацию заготовки после снятия нагрузки в случае малых толщин материала.

3. Методику расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

4. , Конструкцию опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

5. Практические рекомендации для применения процесса разделительной штамповки давлением эластичной среды при изготовлении средне- и крупногабаритных листовых деталей в условиях производства.

Практическая ценность.

1. Разработана комплексная математическая модель процесса разделительной штамповки листовых заготовок давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, которая применима для расчета параметров различных технологических схем реализации процесса; позволяет существенно сократить затраты на НИОКР; максимально сократить затраты на подготовку производства; проводить все экспериментальные исследования.

2. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по расчету и проектированию технологических процессов и оснастки для разделительной штамповки листовых заготовок давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

3. По результатам моделирования и экспериментальных исследований разработаны высокоэффективные конструктивно технологические схемы универсального штампа со щелевым сабельным сегментированным контейнером, универсальной штамповой оснастки для фрагментарной пошаговой вырубки длинномерных деталей, универсального штампа для групповой вырубки среднегабаритных деталей в полузамкнутом объеме эластичной среды, а также разработаны конструкции формообразующего вырубного инструмента для изготовления типовых листовых деталей групповым способом и для фрагментарной вырубки в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

Реализация результатов работы.

1. Технология разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах апробирована в условиях производства на предприятии Федеральное государственное унитарное предприятие государственный научно-производственный ракетно-космический центр (ФГУП ГНП РКЦ) «ЦСКБ-Прогресс», что позволяет получить при изготовлении только 320 наименований деталей годовой экономический эффект 1'052'000 рублей в ценах 2009 г.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 4 Международных научно-технических конференциях.

Публикации.

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 8 печатных работ. В том числе 4 статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 132 страниц машинописного текста, 79 рисунков, 8 таблиц и 1 приложение объемом 58 страниц машинописного текста. Список использованных источников содержит 84 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Решена задача повышения- эффективности процесса разделительной штамповки- листовых деталей за счет разработки' новой технологии вырубки^ давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах.

2. Разработана комплексная математическая модель деформационного процесса вырубки, листовых деталей-в полузамкнутом и полуоткрытом объемах полиуретана, учитывающая контактное взаимодействие эластичного инструмента1 с заготовкой. Адекватность математической модели подтверждена проведенными экспериментами-.

3. На основании* численных исследований установлены оптимальные параметры процесса и эластичного инструмента, при которых достигается равномерность уровня контактного давления эластичной среды на листовую заготовку в пределах 160. 180 МПа для полузамкнутой и 155. 175 МПа для1 полуоткрытой схем нагружения эластомера.

4. На основании исследований напряженно-деформированного состояния материала заготовки в очаге разделения установлены оптимальные параметры процесса и конструктивных схем вырубного локализированного инструмента, обеспечивающие сдвиговой характер разделения листовой заготовки и повышение качества вырубаемого контура детали.

5. Разработана' методика расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах с использованием инструмента с локализацией очага разделения.

6. Разработаны конструкции опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полуоткрытом и полузамкнутом объемах, в том числе фрагментарным способом.

7. Применение разработанных конструкций штамповой оснастки позволяет сократить трудоемкость изготовление листовых длинномерных деталей в 3.5 раз, затраты на средства оснащения в десятки раз (к примеру, при изготовлении 320 наименований деталей - в 30 раз).

8. Для реализации процессов разделительной штамповки давлением эластичной среды при изготовлении средне- и крупногабаритных листовых деталей в условиях производства разработана методология расчета основных параметров и основных этапов технологии, что сократило сроки подготовки производства в 2. .3 раза.

9. Технология разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах апробирована в условиях производства на предприятии ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», что позволяет получить при изготовлении только 320 наименований деталей годовой экономический эффект 1'052'000 рублей в ценах 2009 г.

1. Богоявленский, К.Н. Использование импульсных методов для листовой штамповки в мелкосерийном производстве Текст./ К.Н. Богоявленский// В сб. Холодная штамповка в мелкосерийном производстве. -Л.: ЛДНТП, 1980.-c.8-13

2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов Текст./ Под ред. Г.Гроше и В. Циглера.- М.: Наука, 1980,- 978 с.

3. Бутузов, Е.А. Специальные виды штамповки Текст./ Е.А. Бутузов. М.: Высшая школа, 1963,- 206 с.

4. Вишневский, Н.С. Исследование и внедрение вырубки со сжатием применительно к деталям оптических приборов Текст./ Н.С. Вишневский// Дис.кан.техн.наук.-Москва, 1971.-167с.

5. Герасимов, В.Г. Совершенствование технологии пробивки отверстий при штамповке полиуретаном Текст./ В.Г. Герасимов// Дис.канд.техн.наук 05.03.05.- М., 1984.- 217 с.

6. Гиндин, В.Б. Опыт изготовления деталей из листовых материалов методом магнитно-эласто-импульсной вырубки-пробивки Текст./ В.Б. Гиндин, B.C. Мамутов, А.И. Орешенков // В сб. Холодная штамповка вмелкосерийном производстве. -JI.: ЛДНТП, 1980. -с.27-30.

7. Гребенкин, Н.Б. Исследование электрогидроимпульсной вырезки, пробивки круглых деталей и отверстий Текст./ Н.Б. Гребенкин // Дисс. канд. техн. наук. Ленинград, 1978. - 183с.

8. Губарев, В.В. Экспериментальное исследование механизма деформации при резке листового металла в штампах Текст./ В.В. Губарев // Дис.канд.техн.наук. — Москва, 1954.-143с.

9. Гуров, Ю.М. Исследование основных технологических параметров различных способов чистовой вырубки-пробивки Текст./ Ю.М. Гуров // Дис.канд.техн.наук.-Москва, 1978.-162с.

10. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике Текст./ О. Зенкевич. М.: Мир, 1975.-542с.

11. Зубцов, М.Е. Листовая штамповка Текст./ М.Е. Зубцов. Л.: Машиностроение, 1980.-432с.

12. Исаченков, Е.И. Развитие технологии листовой штамповки Текст./ Е.И. Исаченков Кузнечно-штамповочное производство, 1977, №11, с.39-40.

13. Исаченков, Е.И. Развитие технологии штамповки эластичными, жидкостными и газовыми средами Текст./ Е.И. Исаченков // Кузнечно-штамповочное производство. 1976, № 7, с.2-5.

14. Исаченков, Е.И. Штамповка резиной и жидкостью Текст./ Е.И. Исаченков. М.: Машиностроение, 1967.- 367 с.

15. Исаченков, Е.И. Штамповка эластичными и жидкостными средами Текст./ Е.И. Исаченков, В.Е. Исаченков. М.: Машиностроение, 1976.- 48 с.

16. Исаченков, Е.И. Пробивка листового металла эластичнымисредами Текст.// Е.И. Исаченков, Ю.Д. Борисов, Ю.П. Кулик // Кузнечно-штамповочное производство.- 1972, N1.- С.27-30.

17. Камышев, И.Я. Исследование процесса чистовой вырубки листового материала с различными прижимами Текст./ И.Я. Камышев // Дис.канд.техн.наук. — Харьков, 1975,-157с.

18. Комаров, А.Д. Экономия материалов при штамповке деталей полиуретаном Текст./ А.Д. Комаров, В.К. Моисеев, Ю.В. Федотов, В.В. Шалавин. Куйбышев: ВСНТО, Куйбыш. обл. совет НТО. 1986.- 62 с.

19. Комаров, А.Д. Штамповка деталей из листовых и трубчатых заготовок эластичной средой Текст.// А.Д. Комаров // Кузнечно-штамповочное производство.- 1976, N 7.- С.5-9.

20. Комаров, А.Д.Штамповка деталей пластичными средами Текст. В кн.: Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием/ Под ред. К.Н.Богоявленского, В.В.Риса, А.М.Шелестеева.- Д.: Политехника, 1991.- 351с.

21. Кузнецов, Г.П. Исследование электрогидравлической пробивки тонколистовых материалов Текст./ Г.П. Кузнецов // Дисс. канд. техн. наук. -Ленинград, 1974. 178с.

22. Лавенделл, Э.Э. Прикладная теория упругости Текст./ Э.Э. Лавенделл. Рига: РПИ, 1978.-95с.

23. Лурье, А.И. Теория упругости Текст./ А.И. Лурье. М.: Изд-во "Наука", 1970.- 940 с.

24. Мендлин, М.А. Штамповка резиной Текст./ М.А. Мендлин. М.: Оборонгиз, 1944.- 53 с.

25. Новик, Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирование эксперимента Текст./ Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. М.: Машиностроение, 1980.- 287 с.

26. Пластичность и прочность твердых тел при высоких давлениях Текст./ Б.Н.Береснев, Е.Д. Мартынов, Ю.Н. Рябинин и др. М.: Наука,1970.-232с.

27. Подгорный, В.В. Исследование процесса изготовления деталей методом ЭГИП деформирования некомпактных материалов: Автореф.дис. на соиск.учен.степени канд.техн.наук Текст. / В.В. Подгорный. Ленинград,1977. 18с. Для служебного пользования.

28. Познянский, И.М. Исследование и разработка процесса чистовой вырубки-пробивки Текст. / И.М. Познянский. — Дис.канд.техн.наук.-Москва,1971.-168с.

29. Попов, Е.А. Основы теории листовой штамповки Текст./ Е.А. Попов. М.: Машиностроение, 1968.- 283 с.

30. Пытьев, П.Я. К вопросу определения силовых параметров вырубки эластичной средой Текст. / П.Я. Пытьев // Межвузовский сборник.-Куйбышев: КуАИ, 1981.- С.33-54.

31. Пытьев, П.Я. О расчете давления эластичной среды привыполнении разделительных операций Текст. / П.Я. Пытьев // Труды КуАИ.-Куйбышев: КуАИ, 1978.- С.31-41.

32. Разработка и внедрение гидроударного пресса для листовой штамповки Текст. // Отчет ЦКБ с ОП АН БССР, рук. Шарин Ю.Е., Инв. № Б340711.-Минск, 1974.-94с.

33. Растопчин, С.А. Исследование и усовершенствование процесса резки металлов в штампах Текст. / С.А. Растопчин // -Дис.канд.техн.наук. -Москва,1970.-163с.

34. РДМУ 95-77. Методические указания по проектированию технологической оснастки для штамповки деталей из листовых материалов эластичной средой Текст.//М.: Изд-во стандартов, 1978.- 68 с.

35. Романовский, В.П. Справочник по холодной штамповке Текст./

36. B.П. Романовский. Л.: Машиностроение, 1971. 782с.

37. Рябых, A.A. Исследование и разработка процесса пробивки малых отверстий эластичным инструментом Текст. / A.A. Рябых // Дис. канд. техн. наук.- Куйбышев, 1987.- 206 с.

38. Самуль, В.И. Основы теории упругости и пластичности: Учеб. пособие для студентов вызов Текст. / В.И. Самуль.- 2-е изд., перераб. М.: Высш. Школа, 1982.-264с.,ил.

39. Сапаровский, C.B. Штамповка резиной Текст./ C.B. Сапаровский, А.Д. Комаров, Е.П. Смеляков, В.Н. Фарманова. Куйбышев: Куйбышев.книжн.изд., 1964,- 108 с.

40. Сапаровский, C.B. Новые способы холодной штамповки Текст./

41. C.B. Сапаровский, Е.П. Смеляков, А.Д. Комаров, И.Н. Сорокин, Б.Д. Шильмейстер. Куйбышев: Куйбышев.книжн.изд., 1969.- 182с.

42. Смирнов-Аляев, Г.А. Холодная штамповка в приборостроении

43. Текст./ Г.А. Смирнов-Аляев, Д.А. Вайнтрауб. М.: Машгиз, 1963. -435с.

44. Смирнов-Аляев, Г.А. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением Текст./ Г.А. Смирнов-Аляев, В.П. Чикидовский. JL: Машиностроение, 1972.- 360 с.

45. Степанов, В.Г. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов Текст./ В.Г. Степанов, И. А. Шавров. JL: Машиностроение, 1975, - 280с.

46. Фарманова, В.Н. Исследование штамповки-вырезки резиной заготовок и деталей и тонколистового материала Текст. / В.Н. Фарманова // Дис. канд. техн. наук.- Куйбышев, 1970.-171 с.

47. Федотов, Ю.В. Разработка, исследование и внедрение технологических процессов вырезки деталей из листовых малопластичных материалов эластичной средой Текст. / Ю.В. Федотов // Дис. канд. техн. наук.-Куйбышев, 1983.-261с.

48. Федотов, Ю.В. Авторское свидетельство СССР № 1806889. Валковая машина Текст. / Ю.В. Федотов, A.A. Сургутанов, Н.П. Родин и др. Опубликовано в БИ, 1993, №13.

49. Ходырев, В.А. Применение полиуретана в листоштамповочном производстве Текст./В.А. Ходырев. Пермь: Книжное изд-во. 1973.- 218 с.

50. Ходырев, В.А. Проектирование, изготовление и эксплуатация штампов с полиуретаном Текст./ В.А. Ходырев. Пермь: Книжное изд-во, 1975.- 365 с.

51. Цуркан, О.В. Исследование и разработка процесса чистовой вырубки. Дис.канд.техн.наук Текст. / О.В. Цуркан. - Ленинград, 1980. -150с.

52. Шавров, И.А. Исследование процессов вырубки и пробивки тонколистового металла с применением полиуретана Текст. / И.А. Шавров, В.Г. Степанов // В кн.: Вопросы судостроения. Сер. Технология судостроения.- Л.: ЦНИИ "Румб", 1975,. ВЫП.7.- С.80-99.

53. Шавров, И.А. Применение полиуретанов в холодной штамповке Текст. / И.А. Шавров, В.Г. Степанов // В кн.: Вопроси судостроения. Сер. Технология судостроения.- Л.: ЦНИИ "Румб", 1975, вып.7.- С.72-78.

54. ANSYS, Inc. Theory Reference / Ansys Release 5.6 Ansys Inc., 1998.

55. Al-Qureshi H.A., Garber S., Mellor P.B. Piersing of métal sheet with rubber pads.- Intarnational of Production Research, 1968, V.6, N3.- P.207-225.

56. Bader G. Hidroschnitt fur hleine stuhzahlen.-Werhstadt und Betrieb, 1969, №9, c.102-107.

57. Herts Р.В; and Garber. The piercing of sheet metal 1 with rubber// Sheet metal industries.- 1964, October c. 761-770.

58. Hill J.E.,. Guerreiro A.M. Tempered polyurethane pads improve cold fonnind efiicieney.-Machinery,USA, 1966,Лг21, c.73-84.

59. Барвинок, В. А., Федотов Ю. В., Родин Н. П., Кирилин А. 1-Т. Исследование технологических возможностей вырубки; деталей из малопластичных материалов эластичной! среды Текст.; .//- Проблемы машиностроения и; автоматизации, 1997, №2.-73-76 ¡с.

60. Сторожев И. В., Попов Е. А. Теория: обработки металлов давлением Текст. / М: Машгиз, 1966. 367 с.70: Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке Текст. / J1.: Машиностроение, 1979. 520 с.

61. Исаченков Е. И: Штамповка резиной и жидкостью Текст.(/ М.: Машиностроение, 1979; 520 с.

62. Сербии А.Г. Разработка ; новых ресурсов; и энергосберегающих технологий и оборудования локальной обработки листового металла, эластичным рабочим инструментом Текст. / Дис:,. К.Т.Н.: 05.03:05 М.: РЕБ, 2003 .

63. Лавров; Е.В. Разработка технологий штамповки? полиуретаном мембран из тонколистовых материалов на основе; компьютерного и статистического моделирования Текст.?/ Дис. . К.Т.Н. С.-Петербург, инт машипостр. Санкт-Петербург, 2000.

64. Томи лов М.Ф., Попов СЛ., Шагунов A.B.', Томилов Ф.Х. Прогнозирование технологических отказов при. формообразовании эластичными средами деталей из листа Текст. / Кузн.-штамп. Пр-во. Обр. матер. Давлением: 2000, №11, с. 3-7.

65. Томилов М.Ф. Повышение эффективности процесса, формообразования деталей из листа эластичной средой в, жесткой матрице Текст. / Дис. . К.Т.Н. Воронеж. Гос. Ун-т, Воронеж, 2000:

66. Кухарь В.Д., Чистяков A.B. Моделирование разделительных операций ОМД методом конечных элементов Текст. / Кузн.-штамп. Пр-во. Обраб. Матер. Давлением. 2002, №6, с. 41-45.

67. Ефимов H.A. Изготовление листовых деталей транспортных средств штамповкой полиуретаном в незамкнутом объеме Текст. / Проблемы транспорта Дальнего Востока, Владивосток: Издательство ДВО PAT. 2005, с. 79-81.