автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Повышение стабильности формообразования профильных заготовок на гибочно-растяжном оборудовании с адаптивным программным управлением

На правах рукописи

КРЕТОВ Илья Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК

НА ГИБОЧНО-РАСТЯЖНОМ ОБОРУДОВАНИИ С АДАПТИВНЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.03.05. - Технологии и машины

обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2005

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Одинг Сергей Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита состоится 6 апреля 2005 г. В 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026 Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан «4» марта 2005 г.

Семеноженков Владимир Степанович;

кандидат технических наук Крук Александр Тимофеевич

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное

предприятие «Научно-исследовательский институт автоматизированных средств производства и контроля», г. Воронеж

Учёный секретарь диссертационного совета

Кириллов О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование существующих и разработка новых прогрессивных технологий формообразования профильных заготовок является важной задачей машиностроения. Для повышения эффективности и расширения технологических возможностей операций формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок необходима разработка технологий, обеспечивающих управление качеством получаемых изделий. При формообразовании профильных деталей на гибочно-растяжном оборудовании с программным управлением, большое влияние на качество получаемых деталей оказывают свойства материала заготовки, которые даже в пределах одной партии отличаются, вследствие чего детали, полученные по одной и той же управляющей программе, могут иметь различные отклонения от ожидаемой формы. Для увеличения повторяемости результатов формообразования и улучшения качества деталей необходима коррекция программы управления с учетом реальных свойств материала заготовки.

За многие годы применения технологии формообразования профильных деталей методом гибки с растяжением в авиационной и автомобильной промышленности накоплен большой опыт. Гибочно-растяжные прессы оснащаются системами программного управления (ПУ) и обратной связи, вследствие чего возникают задачи по более полному использованию технологических возможностей такого оборудования.

Использование систем обратной связи пресса позволяет реализовать процесс формообразования таким образом, чтобы корректировать управляющую программу с учётом данных о материале профильной заготовки, полученных непосредственно в ходе процесса. Это повышает стабильность результатов формообразования и точность изготавливаемых деталей.

Объектом исследования в данной работе являются плоские профильные заготовки из алюминиевых сплавов, обрабатываемые гибкой с растяжением. Повышение качества получаемых деталей и увеличение повторяемости процесса формообразования представляет значительный интерес, т.к. это сокращает трудоёмкость технологического процесса за счёт сведения к минимуму объёма доводочных работ.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с перечнем критических технологий федерального уровня, направление 2.6 -«Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления». Тема работы включена в основное научное направление ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники», научное направление

«Автоматизированное проектирование операций листовой штамповки» кафедры «Прикладная механика». Работа выполнялась на кафедре «Прикладная механика» Воронежского государственного технического университета.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии формообразования профильных заготовок методом гибки с растяжением, направленное на повышение стабильности и повторяемости результатов формообразования за счёт использования адаптивного программного управления гибочно-растяжным оборудованием.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать статистический разброс параметров материала и его влияние на пружинение заготовок;

2) создать адаптивную математическую модель материала, позволяющую определять параметры материала образца профильной заготовки;

3) разработать математическую модель процесса формообразования профилей, методом гибки с растяжением, позволяющую оценивать величину пружинения и управлять ею;

4) создать математическую модель гибочно-растяжного оборудования и методики её настройки;

5) разработать технологию формообразования профильных заготовок на основе адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием;

6) разработать и испытать в производственных условиях систему адаптивного программного управления гибочно-расгяжным оборудованием.

Методы исследования. Теоретические исследования

выполнены с использованием методов теории упругости и пластичности. Проверка предлагаемых алгоритмов осуществлялась с применением системы численного моделирования процесса обтяжки профильных заготовок "PS2F", разработанной ЦПО ТЕСТ, а также на реальном оборудовании. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечена корректной постановкой задач, аргументированными допущениями, выбором наиболее надёжных и эффективных методов математического моделирования, основанных на численном решении краевой задачи с использованием шагового метода нагружения. Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений. Научные положения и практические результаты подтверждены опытно-промышленными испытаниями разработанной методики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана адаптивная математическая модель материала, опробованная на алюминиевых сплавах;

• создана методика управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок, обеспечивающая устойчивый процесс деформирования без технологических отказов и оценивающая величину пружинения;

• разработана математическая модель гибочно-растяжного оборудования, реализующая управление прессом по расчетной программе нагружения профильной заготовки с учётом кинематических и силовых возможностей оборудования;

• созданы алгоритмы адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием, реализующего существующие механизмы обратной связи.

Практическая значимость работы. Использование разработанной методики адаптации управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок

позволяет более полно использовать технологические возможности оборудования, значительно сократить разброс качественных показателей производимых деталей.

Программное обеспечение, реализующее данный метод, даёт возможность сократить трудоёмкость и время доводочных работ при производстве профильных деталей, высвободить оборудование и персонал.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные методики и программное обеспечение проверены автором в производственных условиях при составлении технологических рекомендаций по изготовлению плоских профилей, а также по оценке пружинения профильных деталей. Система адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием опробована на предприятиях Воронежского акционерного самолётостроительного общества и фирмы АСВ (Франция), а также внедрена в учебный процесс, что подтверждается актами внедрения.

Методика, описанная в данной работе была оформлена в виде заявки на изобретение №2003131561/02(033758) «Способ управления процессом гибки с растяжением профильных деталей», по которой получено решение о выдаче патента.

Апробация работы: Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2001г.); школе-семинаре «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 2002г.); международной конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2002, 2003 и 2004 гг.).

Публикации: Основное содержание работы изложено в шести научных работах, из них одна - положительное решение к заявке на изобретение [6] и один зарегистрированный в ГосФАП программный продукт [2]. Личный вклад автора включает: в [3] проведение анализа статистического разброса механических свойств материалов профильных заготовок, в [5] предложение математической модели адаптации параметров кривой течения материала, в [4] разработку методики обработки данных систем обратной связи и корректировки программы нагружения, в [1] приведение методики настройки гибочно-растяжного оборудования.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и основных выводов, списка литературы (100 наименований) и четырёх приложений, изложенных на 187 страницах, содержит 116 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, определены её научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён обзор способов получения профильных деталей методом гибки с растяжением, методов математического моделирования процесса формообразования, конструкций и принципов действия гибочно-растяжного оборудования, методов управления процессом гибки с растяжением, методов адаптации управления в процессах гибки с растяжением и смежных процессах обработки давлением.

Теории формообразования профильных деталей посвящены монографии М.И. Лысова и И.М. Закирова. Решение задачи пластического изгиба с растяжением брусьев рассматривалось в работах Н.Н. Малинина, А.Д. Матвеева, И.П. Рене, Р. Хилла, А.А. Ширшова и других авторов.

Для определения напряжений в сечении заготовки решается задача изгиба с растяжением. Решение такой задачи, как правило, строится путём обобщения решения задачи о чистом изгибе полосы. Величину пружинения определяют в предположении о полной разгрузке заготовки после пластического деформирования от внутренних сил. В работах Ю.М. Арышенского и СИ. Вдовина определяются внутренние усилия в сечениях заготовки непосредственно перед разгрузкой. Затем, решая задачу об упругом деформировании заготовки под действием нагрузок, равных по величине, но обратных по направлению нагрузкам при формообразовании, определяют пружинение.

Современные гибочно-растяжные прессы, оснащённые системой ЧПУ, позволяют реализовать процесс формообразования в соответствии с любой заданной управляющей программой при

условии, что она соответствует кинематическим ограничениям пресса. Датчики усилия и деформации, устанавливаемые на гибочно-растяжных прессах, позволяют осуществить получение данных «обратной связи», что даёт возможность оснастить систему числового программного управления средствами обработки, анализа и коррекции программы деформирования заготовки непосредственно в процессе формообразования. Развитию методов программного управления обтяжного (гибочно-растяжного) оборудования посвящены работы С.С. Одинга и сотрудников лаборатории кафедры прикладной механики Воронежского государственного технического университета.

Первые шаги в сторону адаптивного управления гибочно-растяжными прессами были сделаны в системах с автоматическим определением точки течения материала заготовки на оборудовании фирмы "Cyril-Bath" и "АСВ". Системам адаптивного управления процессами обработки давлением посвящены работы Б.М. Готлиба. Различные варианты систем адаптивного управления профильных и листовых деталей исследованы в работах Дж. Рейснера. К.А. Стелсона, М. Страно, П. Зелински, М. Гейгера, М. Нока и других авторов.

Таким образом, анализ известных литературных источников и описанных технологий позволяет сделать следующие выводы

Процесс формообразования профильных заготовок гибкой с растяжением является основным для получения профильных деталей в авиационной, автомобильной и судостроительной промышленности. Современное гибочно-растяжное оборудование оснащено системой ЧПУ, позволяющей реализовать формообразование по оптимальной программе управления и, таким образом, влиять на качество изготовления деталей. Однако даже при использовании оптимальной программы управления процессом формообразования, из-за статистического разброса механических характеристик материала, и случайных расхождений в настроечных параметрах оборудования наблюдаются значительные отклонения в качестве получаемых деталей, приводящие к необходимости использования ручных доводочных работ, удорожающих изделие и значительно повышающих трудоёмкость.

Разработанные идеи адаптивного управления, нашедшие

применение в других технологических процессах, могли бы быть применены в исследуемом процессе формообразования гибкой с растяжением профилей и повысить повторяемость результатов формообразования, а следовательно - качество изделий.

Во второй главе рассматривается математическая модель материала профильных заготовок. В авиастроении наибольшее распространение находят алюминиевые сплавы. Математическая модель, описывающая поведение материала, включает упругие характеристики, кривую течения, параметры анизотропии, предельные деформации.

Для определения статистического разброса свойств материалов профильных заготовок был проведён ряд экспериментов по определению механических свойств нескольких серий образцов из различных алюминиевых сплавов в различных состояниях поставки и при различных условиях термообработки в результате испытаний на одноосное растяжение. Испытания проводились в лаборатории кафедры прикладной механики Воронежского государственного технического университета под руководством В.В. Елисеева. Использовалась испытательная машина Р-20 и цифровые системы обработки данных. В результате анализа разброса механических параметров для испытанных образцов было установлено, что наибольший статистический разброс наблюдается у параметров кривой течения материала, следовательно, они в большей степени влияют на разброс результатов формообразования. Выполнены исследования влияния времени естественного старения материала образцов при комнатной температуре и при пониженных температурах, с использованием холодильной камеры, на параметры кривой течения материала, образцы которого подвергнуты закалке. На рис. 1 приведены кривые течения материала Д16 в закалённом состоянии, при этом время естественного старения не превышало двух часов.

Для управления процессом формообразования используется математическая модель материала обрабатываемой заготовки.

Характеристики материала реальной заготовки могут значительно отличаться от среднестатистических, при этом погрешность может оказаться недопустимо большой.

В связи с этим возникает проблема уточнения параметров

материала для конкретной заготовки, подвергаемой формообразованию.

Для аппроксимации принимаем степенной закон упрочнения: С — -4(е0 +е)и, где А,т,е0 - параметры аппроксимации.

Рис. 1. Кривые течения серии образцов материала Д16 Предполагается определять параметры кривой течения материала заданного образца из условия прохождения данной кривой

течения через заданную точку Другим условием является

равенство первой и второй производной кривой течения материала образца первой и второй производной осреднённой кривой течения материала в точке, соответствующей условному пределу текучести

среднестатистического материала и материала конкретной заготовки, соответственно, - напряжение и деформация в точке,

соответствующей окончанию начального участка кривой течения заданного образца, ет - деформация, соответствующая условному пределу текучести материала (см. рис. 2).

Рис. 2. Адаптация кривой течения

Для оценки работоспособности модели адаптации материала было проведено исследование предложенной модели на основе экспериментальных данных. Результат исследования показал, что при использовании в качестве тестовой точки деформации порядка предела текучести максимальное расхождение по

напряжению между реальной и аппроксимированной кривыми течения материала при деформациях в районе 0,1... 15% составляет около 8,8 МПа (3,57%). Из этого можно заключить, что предложенная модель адаптации материала работоспособна для материалов, кривая течения которых адекватно описывается степенной аппроксимацией.

В третьей главе описывается математическая модель процесса гибки с растяжением. Процесс гибки с растяжением профильных деталей представляет собой натяжение первоначально прямолинейной заготовки на жёсткую поверхность пуансона с заданием траектории движения концов заготовки. Программу нагружения можно построить и оптимизировать на основе знания текущей информации о напряжённо-деформированном состоянии заготовки в процессе её формообразования. Оценка качества формообразования производится по величине пружинения заготовки, при отсутствии других неустранимых браковочных признаков. Таким образом,

математическая модель процесса гибки с растяжением профильных заготовок должна с достаточной точностью определять напряжённо-деформированное состояние заготовки в каждый текущий момент времени, оценивать вероятность появления браковочных признаков и на конечной стадии формообразования определять пружинение профильной заготовки.

При моделировании сложного нагружения заготовки при гибке с растяжением принимаем следующие допущения:

• на этапе нагружения деформирование происходит в одной плоскости.

• каждое сечение заготовки в процессе формообразования проходит три стадии нагружения: растяжение, мгновенный изгиб и дальнейшее растяжение в контакте с поверхностью пуансона.

• закон изменения осевых деформаций по высоте сечения профиля принимается линейным.

Модель строилась на основании упруго-пластического деформирования трансверсально изотропного, несжимаемого материала. Программа нагружения задавалась в виде зависимости N = Л^), £ = £(/), где N сила растяжения, прикладываемая к концу

заготовки, - относительное удлинение заготовки, параметр

времени. Осевая деформация определяется в виде

- приращения

деформации на разных этапах нагружения, - кривизна.

Уравнения состояния записываются в приращениях:

сдвига. Изменение знака осевого напряжения учитывается эффектом

Баушингера.

Уравнения равновесия используются в интегральном виде:

ц = ; 7} =/-д , Ы = Мгехр

V 5 ) Г

где / - коэффициент трения, д - давление, 5 - текущая длина контура.

Решение замкнутой системы уравнений при заданной программе нагружения позволяет на каждом шаге определить напряжённо-деформированное состояние заготовки и по нему оценить вероятность появления характерных технологических отказов. Наиболее распространенными видами отказов при формообразовании профилей являются: потеря устойчивости пластического растяжения, приводящая к разрыву заготовки, образование гофра, приводящее к складкам детали, недопустимая разнотолщинность и искажение поперечного сечения профиля. Все эти браковочные признаки имеют деформационную природу и могут, в конечном итоге, оцениваться по полученным деформациям заготовки. Основным параметром, определяющим качество формообразования, является пружинение. Величина пружинения определяется из решения задачи об упругой разгрузке заготовки после снятия технологических усилий.

Восстановление формы заготовки после её разгрузки осуществляется решением системы уравнений, которое определяется конечно-разностным методом за несколько итераций.

Поскольку не всегда удается снизить пружинение заготовки до требуемой величины за счёт оптимизации программы нагружения, потребовалось разработать методику корректировки пуансона на величину пружинения. В этом случае ещё более возросло значение стабилизации параметров пружинения заготовки.

Оценка достоверности расчёта пружинения профильной детали проводилась сравнением полученных результатов с экспериментом, осуществлявшимся на профилегибочном прессе РЕИР-бО. Был выполнен расчёт управляющей программы и пружинения профильной детали из материала Д16 в свежезакалённом состоянии, имевшей сложное тавровое сечение. Сопоставление результатов измерений отклонений партии деталей в результате пружинения заготовок с расчётными значениями показало хорошее их совпадение. Отклонение не превысило 3,3%.

Для оценки влияния статистического разброса механических свойств материала заготовок на величину разброса пружинения был проведён эксперимент по 10 сериям материалов 2024, 7075 и 6106 в различных состояниях. Для каждой серии материалов проводился расчёт пружинения профильной заготовки для материала с осреднёнными параметрами, а затем - с параметрами материала конкретной заготовки. Для всех заготовок использовалась одна и та же программа нагружения. Анализ результатов расчёта пружинения типичных профильных деталей позволяет сделать вывод о значительном разбросе (до 27%) пружинения заготовки для одного и того же материала в пределах одной партии заготовок, подвергнутых одному виду термообработки.

В четвёртой главе рассмотрены управление и адаптация программного управления процессом гибки с растяжением. Управление процессом гибки с растяжением представляет собой замкнутый цикл, реагирующий на отклонение определённого выходного параметра от заданного значения. Оно строится таким образом, чтобы исключить появление браковочных признаков. Основным показателем, характеризующим качество управления, является пружинение.

В ходе формообразования заготовка испытывает сложное нагружение, состоящее из нескольких этапов, среди которых можно выделить предварительное растяжение заготовки, оборачивание, при котором производится изгиб растянутой заготовки вокруг пуансона и калибровка, при которой происходит дополнительное растяжение с целью стабилизации формы заготовки.

Для преобразования программы нагружения в команды системы ЧПУ гибочно-растяжного пресса используется кинематическая модель пресса. При формировании управляющей программы решается задача о преобразовании траектории движения концов заготовки, к перемещениям штоков растяжных и поворотных цилиндров пресса.

Кинематическая модель пресса должна быть настроена. С этой целью разработана методика и программный продукт, позволяющий связать управляющие координаты системы ЧПУ пресса с положениями его рабочих органов.

Задача адаптации процесса формообразования методом гибки с растяжением состоит в том, чтобы учесть влияние особенностей

материала заготовки и условий процесса и компенсировать их таким образом, чтобы максимально приблизить величину пружинения обрабатываемой заготовки к расчётной величине пружинения, определённой в результате математического моделирования.

Адаптация процесса гибки с растяжением происходит следующим образом На основании данных о геометрии профильной заготовки, среднестатистических параметров материала и условий трения выполняется моделирование процесса формообразования. Результатом моделирования являются программа деформирования профильной заготовки. Полученную таким образом управляющую программу назовём «базовой». Структура «базовой» управляющей программы такова, что она разделяется на кадры предварительного растяжения заготовки и последующего оборачивания заготовки на поверхность пуансона с программным нарастанием растягивающей силы. На этапе предварительного растяжения с помощью обратной связи записывается диаграмма растяжения, т.е. зависимость перемещения зажимной губки и силы растяжного усилия. На основании этой зависимости строится начальный участок кривой течения материала заготовки. Параметры степенной аппроксимации кривой течения материала реальной заготовки определяются на основании свойства «подобия» кривой течения материала реальной заготовки и базовой кривой течения данного материала. Анализ пружинения профильной заготовки при её обтяжке показывает, что величина пружинения пропорциональна величине касательной к кривой течения материала заготовки, определённой на последнем этапе обтяжки-калибровки. Это даёт возможность определить коэффициент, с помощью которого на основании полученной в результате математического моделирования процесса гибки с растяжением корреляционной зависимости величины пружинения от деформации калибровки определить значение деформации, требуемое для достижения заданной величины пружинения.

Найденная для получения ожидаемого пружинения величина деформации заготовки определяет величину, на которую необходимо скорректировать «базовую» программу деформирования и программу управления прессом.

В пятой главе описывается реализация методики адаптации программного управления процессом гибки с растяжением.

Разработан программный комплекс, позволяющий осуществлять адаптацию программного управления процессом гибки с растяжением Он состоит из двух частей, одна из которых размещается на персональном компьютере технолога и позволяет производить математическое моделирование процесса гибки с растяжением и получать оптимальную программу нагружения, другая часть является модулем системы ЧПУ гибочно-растяжного пресса и осуществляет запись и обработку показаний датчиков обратной связи, адаптацию кривой течения материала обрабатываемой заготовки и корректировку управления процессом в реальном времени

На рис 3 показана структурная схема работы системы адаптивного программного управления гибочно-растяжного пресса

Рис. 3. Схема работы системы адаптивного программного управления гибочно-растяжным прессом Для оценки работоспособности методики адаптации программного управления процессом гибки с растяжением и созданного для ее реализации программного комплекса был проведён эксперимент, состоящий в изготовлении пробной партии профильных заготовок из различных алюминиевых сплавов на гибочно-растяжном прессе ^100.

Результаты эксперимента показали значительное уменьшение

статистического разброса пружинения получаемых деталей Так. статистический разброс пружинения профильной заготовки таврового сечения из алюминиевого сплава 2024 от поверхности пуансона сократился с 4,13 до 1,04%, т.е. почти в четыре раза

Таким образом, использование адаптации программного управления процессом гибки с растяжением позволяет увеличить стабильность и повторяемость результатов формообразования, что сокращает объем ручных доводочных работ и в конечном итоге повышает качество деталей, получаемых на гибочно-растяжном оборудовании.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы и результаты.

1 Исследован статистический разброс механических характеристик алюминиевых сплавов. Результаты исследования показали существенный разброс: алюминиевые сплавы 2024, Д16, 7075 в отожжённом состоянии имеют статистический разброс параметров кривой течения материала до 7%; в закалённом состоянии при колебаниях времени естественною старения от 5 минут до 2-х часов разброс параметров кривой течения материала достигает 23%.

2. Создана адаптивная математическая модель материала, позволяющая по начальному участку диаграммы растяжения материала конкретного образца с использованием свойств осредненной кривой течения данной марки и учетом состояния материала определять параметры кривой течения материала конкретного образца.

3 Разработана математическая модель процесса формообразования гибкой с растяжением профильной заготовки, позволяющая в каждый текущий момент программы нагружения определять напряжённо-деформированное состояние заготовки и оценивать пружинение.

4. На основе разработанной математической модели предложена методика программного управления процессом формообразования методом гибки с растяжением профильных заготовок, обеспечивающая монотонное нагружение профильной

заготовки, исключающее появление характерных браковочных признаков (гофра, разрыва) и позволяющая получить предсказуемую величину пружинения.

5. Исследовано влияние статистического разброса параметров материала на пружинение профильных заготовок. Показано, что отклонение параметров алюминиевых сплавов после закалки и естественного старения материала в течение до 2-х часов может привести к разбросу пружинения до 27%.

6. Разработана математическая модель гибочно-растяжного оборудования, преобразующая программу нагружения, полученную при моделировании процесса формообразования, в программу управления рабочими органами пресса с учётом кинематических и силовых возможностей оборудования.

7. Создана методика адаптивного программного управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок, корректирующая в реальном времени программу нагружения с учётом реальных свойств материала конкретной профильной заготовки, полученных на основании обработки данных обратной связи.

8. Разработан программный продукт «Система адаптивного программного управления гибочно-растяжным прессом У-100 с ЧГГУ», который апробирован и внедрён в производство. За счёт внедрения системы удалось сократить объём ручных доводочных работ на 25-30%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Одинг С.С., Кретов И А Система автоматизированной настройки гибочно-растяжных станков с программным управлением // Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении / Сб. тр. Второй Всерос. науч.-техн. конф. Воронеж, 2001. Ч. 2. С.140-144.

2. Кретов И.А. Программное средство «Система автоматизированной настройки гибочно-растяжного пресса» / ГОСФАП РФ № 50200100237, М. 2001.

3. Одинг С.С, Кретов И.А. Влияние статистическою разброса свойств материала заготовки на управление процессом гибки с растяжением // Авиакосмические технологии / Сб. тр. Третьей Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2002. С. 68-72.

4 Одинг С С, Кретов И А Адаптивное программное управление процессом обтяжки профильных заготовок из алюминиевых сплавов // Кузнечно-штамповочное производство Обработка металлов давлением 2004 №7 С 40-44

5 Кретов И А Адаптивное моделирование процессов обтяжки профильных деталей // Авиакосмические технологии «АКТ-2004» Ч 1 Технологи авиастроения Конструкция и прочность Труды Пятой Между нар науч-техн конф - Воронеж, 2004 С 175-180

6 Кретов И А , Одиш С С Способ управления процессом гибки с растяжением профильных деталей положительное решение по заявке на изобретение №2003131561/02(033758)

Подписано в печать 28 02 05 Формат 60x84 / 16 Бумага для множительных аппаратов

Уел печ л 1,0 Тираж 85 экз Зак № $>%. Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп 14

05-01- OS. 06

m

Введение •

1. Актуальность и задачи работы

1.1. Теоретические исследования технологии гибки с растяжением

1.2. Типы гибочно-растяжных прессов 14 1.2.1. Устройство гибочно-растяжного пресса

1.3. Технология процесса гибки с растяжением

1.4. Управление процессом

1.5. Автоматизация управления

1.6. Программное и адаптивное управление

2. Математическая модель профильных материалов

2.1. Механические свойства материала

2.2. Испытания материалов

2.3. Математическая обработка данных испытаний и определение параметров материала

2.4. Статистический разброс параметров материала

2.5. Влияние термообработки и процесса старения на параметры кривой течения материала

2.6. Математическая модель адаптации материала

2.7. Оценка работоспособности модели

2.8. Результаты и выводы по главе

3. Математическая модель процесса гибки с растяжением

3.1. Основные положения математической модели процесса гибки с растяжением профильных заготовок

3.2. Геометрическое описание детали и оснастки

3.2.1. Модель пуансона

3.2.2. Модель заготовки

3.2.3. Модель поперечного сечения заготовки

3.3. Расчёт напряжённо-деформированного состояния заготовки

3.3.1. Эффект Баушингера

3.3.2. Определение деформаций

3.3.3. Определение напряжений

3.3.4. Равновесие заготовки, находящейся в контакте с поверхностью пуансона

3.4. Характерные браковочные признаки профильной заготовки

3.4.1. Потеря устойчивости при растяжении

3.4.2. Потеря устойчивости при сжатии

3.4.3. Разнотолщинность

3.4.4. Исчерпание технологического ресурса пластичности

3.5. Искажение формы детали после снятия технологических усилий (пружинение)

3.5.1. Параметры пружинения

3.5.2. Восстановление формы детали

3.5.3. Проверка результатов расчёта пружинения профильной детали

3.5.4. Примеры расчёта пружинения профильных деталей

3.5.5. Корректировка оснастки

3.6. Результаты и выводы по главе 81 4. Адаптивное программное управление гибочно-растяжным оборудованием

4.1. Принципы (критерии) управления процессом гибки с растяжением

4.2. Показатели качества управления

4.3. Управление процессом гибки с растяжением

4.4. Математическая модель гибочно-растяжного пресса

4.4.1. Параметры модели гибочно-растяжного пресса

4.4.2. Формирование управляющей программы

4.5. Настройка параметров модели гибочно-растяжного пресса

4.6. Адаптация программного управления процессом формообразования на гибочно-растяжном прессе

4.7. Результаты и выводы по главе 116 5. Реализация адаптивного управления процессом формообразования профильных деталей

5.1. Программный комплекс моделирования и управления процессом гибки с растяжением

5.2. Апробация системы адаптивного управления на реальных деталях

5.3. Перспективы развития адаптивного программного управления

5.4. Результаты и выводы по главе 128 Основные результаты и выводы 129 Литература 131 Приложение 1. Данные испытаний материалов 140 Приложение 2. Расчёты разброса пружинения профильных деталей 154 Приложение 3. Проверка адаптации управления процессом гибки с растяжением

Актуальность темы. Совершенствование существующих и разработка новых прогрессивных технологий формообразования профильных заготовок является важной задачей машиностроения. Для повышения эффективности и расширения технологических возможностей операций формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок необходима разработка технологий, обеспечивающих управление качеством получаемых изделий. При формообразовании профильных деталей на гибочно-растяжном оборудовании с программным управлением, большое влияние на качество получаемых деталей оказывают свойства материала заготовки, которые даже в пределах одной партии отличаются, вследствие чего детали, полученные по одной и той же управляющей программе, могут иметь различные отклонения от ожидаемой формы. Для увеличения повторяемости результатов формообразования и улучшения качества деталей необходима коррекция программы управления с учетом реальных свойств материала заготовки.

За многие годы применения технологии формообразования профильных деталей методом гибки с растяжением в авиационной и автомобильной промышленности накоплен большой опыт. Гибочно-растяжные прессы оснащаются системами программного управления (ПУ) и обратной связи, вследствие чего возникают задачи по более полному использованию технологических возможностей такого оборудования.

Использование систем обратной связи пресса позволяет реализовать процесс формообразования таким образом, чтобы корректировать управляющую программу с учётом данных о материале профильной заготовки, полученных непосредственно в ходе процесса. Это повышает стабильность результатов формообразования и точность изготавливаемых деталей.

Объектом исследования в данной работе являются плоские профильные заготовки из алюминиевых сплавов, обрабатываемые гибкой с растяжением. Повышение качества получаемых деталей и увеличение повторяемости процесса формообразования представляет значительный интерес, т.к. это сокращает трудоёмкость технологического процесса за счёт сведения к минимуму объёма доводочных работ.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с перечнем критических технологий федерального уровня, направление 2.6 — «Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления». Тема работы включена в основное научное направление ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники», научное направление «Автоматизированное проектирование операций листовой штамповки» кафедры «Прикладная механика». Работа выполнялась на кафедре «Прикладная механика» Воронежского государственного технического университета.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии формообразования профильных заготовок методом гибки с растяжением, направленное на повышение стабильности и повторяемости результатов формообразования за счёт использования адаптивного программного управления гибочно-растяжным оборудованием.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать статистический разброс параметров материала и его влияние на пружинение заготовок;

2) создать адаптивную математическую модель материала, позволяющую определять параметры материала образца профильной заготовки;

3) разработать математическую модель процесса формообразования профилей, методом гибки с растяжением, позволяющую оценивать величину пружинения и управлять ею;

4) создать математическую модель гибочно-растяжного оборудования и методики её настройки;

5) разработать технологию формообразования профильных заготовок на основе адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием;

6) разработать и испытать в производственных условиях систему адаптивного программного управления гибочно-растяжным оборудованием.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории упругости и пластичности. Проверка предлагаемых алгоритмов осуществлялась с применением системы численного моделирования процесса обтяжки профильных заготовок "Р82Р", разработанной ЦПО ТЕСТ, а также на реальном оборудовании. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.

Достоверность результатов и выводов обеспечена корректной постановкой задач, аргументированными допущениями, выбором наиболее надёжных и эффективных методов математического моделирования, основанных на численном решении краевой задачи с использованием шагового метода нагружения. Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений. Научные положения и практические результаты подтверждены опытно-промышленными испытаниями разработанной методики. Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана адаптивная математическая модель материала, опробованная на алюминиевых сплавах;

• создана методика управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок, обеспечивающая устойчивый процесс деформирования без технологических отказов и оценивающая величину пружинения;

• разработана математическая модель гибочно-растяжного оборудования, реализующая управление прессом по расчётной программе нагружения профильной заготовки с учётом кинематических и силовых возможностей оборудования;

• созданы алгоритмы адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием, реализующего существующие механизмы обратной связи.

Практическая значимость работы. Использование разработанной методики адаптации управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок, позволяет более полно использовать технологические возможности оборудования, значительно сократить разброс качественных показателей производимых деталей.

Программное обеспечение, реализующее данный метод, даёт возможность сократить трудоёмкость и время доводочных работ при производстве профильных деталей, высвободить оборудование и персонал.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанные методики и программное обеспечение проверены автором в производственных условиях при составлении технологических рекомендаций по изготовлению плоских профилей, а также по оценке пружинения профильных деталей. Система адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием опробована на предприятиях Воронежского акционерного самолётостроительного общества, что подтверждает акт внедрения, и фирмы АСВ (Франция), а также внедрена в учебный процесс, что подтверждается актами внедрения.

Методика, описанная в данной работе, была оформлена в виде заявки на изобретение №2003131561/02(033758) «Способ управления процессом гибки с растяжением профильных деталей», по которой получено решение о выдаче патента.

Апробация работы: Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2001г.); школе-семинаре «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 2002г.); международной конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2002, 2003 и 2004 гг.).

Публикации:

Основное содержание работы изложено в шести научных работах, из них одна - положительное решение к заявке на изобретение и один зарегистрированный в ГосФАП программный продукт [69]. Личный вклад автора включает: в [56] проведение анализа статистического разброса механических свойств материалов профильных заготовок, в [38] предложение математической модели адаптации параметров кривой течения материала, в [55] разработка методики обработки данных систем обратной связи и корректировки программы нагружения, в [57] приведение методики настройки гибочно-растяжного оборудования.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и основных выводов, списка литературы (100 наименований) и четырёх приложений, изложенных на 187 страницах, содержит 116 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы и результаты.

1. Исследован статистический разброс механических характеристик алюминиевых сплавов. Результаты исследования показали существенный разброс: алюминиевые сплавы 2024, Д16, 7075 в отожжённом состоянии имеют статистический разброс параметров кривой течения материала до 7%; в закалённом состоянии при колебаниях времени естественного старения от 5 минут до 2-ух часов разброс параметров кривой течения материала достигает 23%.

2. Создана адаптивная математическая модель материала, позволяющая по начальному участку диаграммы растяжения материала конкретного образца с использованием свойств осреднённой кривой течения данной марки и учётом состояния материала определять параметры кривой течения материала конкретного образца.

3. Разработана математическая модель процесса формообразования гибкой с растяжением профильной заготовки, позволяющая в каждый текущий момент программы нагружения определять напряжённо-деформированное состояние заготовки и оценивать пружинение.

4. На основе разработанной математической модели предложена методика программного управления процессом формообразования методом гибки с растяжением профильных заготовок, обеспечивающая монотонное нагружение профильной заготовки, исключающее появление характерных браковочных признаков (гофра, разрыва) и позволяющая получить предсказуемую величину пружинения.

5. Исследовано влияние статистического разброса параметров материала на пружинение профильных заготовок. Показано, что отклонение параметров алюминиевых сплавов после закалки и естественного старения материала в течение до 2-х часов может привести к разбросу пружинения до 27%.

6. Разработана математическая модель гибочно-растяжного оборудования, преобразующая программу нагружения, полученную при моделировании процесса формообразования, в программу управления рабочими органами пресса, с учётом кинематических и силовых возможностей оборудования.

7. Создана методика адаптивного программного управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок, корректирующая в реальном времени программу нагружения с учётом реальных свойств материала конкретной профильной заготовки, полученных на основании обработки данных обратной связи.

8. Разработан программный продукт «Система адаптивного программного управления гибочно-растяжным прессом У-100 с ЧПУ», который испытан и внедрён в производство. За счёт внедрения системы удалось сократить объём ручных доводочных работ на 25-30%.