автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Разработка комбинированной технологии сборки листовых деталей пластическим деформированием

На правах рукописи

БЕЛЯЕВА ИРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 СЕН 21ЛЗ 005532630

Самара-2013

005532630

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре обработки металлов давлением.

Научный руководитель:

Хардин Михаил Викторович, кандидат технических наук, доцент Официальные оппоненты:

Самохвалов Владимир Петрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», кафедра производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, профессор;

Почекуев Евгений Николаевич, кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет», кафедра сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов, доцент.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева».

Защита состоится 4.10.2013 г. в 1400 часов - на заседании диссертационного совета Д212.215.03 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ. Автореферат разослан ..P.S.. 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, доцент

Ю.С. Клочков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Астуальность работы. Одной из распространенных операций пластического формообразования во многих отраслях промышленности является операция «фальцовка», благодаря которой получают сборочные соединения. В автомобилестроении, например, операция «фальцовка» используется для сборки внешних и внутренних панелей капота, дверей, крышки багажника автомобиля, к которым предъявляются повышенные требования к неподвижности панелей относительно друг друга (плотность прилегания, прочность соединения), коррозионной стойкости (отсутствие пустот и карманов), исключению гофрообразований на радиусных участках и другие.

Сложность обеспечения этих требований снижает качество готовой продукции, усложняет конструкцию фальцуемого борта, а технологов вынуждает вводить дополнительные операции точечной сварки, нанесения клея, мастики. В связи с этим актуальной задачей является разработка новых, более совершенных технологий фальцовки, сочетающих статическое и динамическое пластические деформирования.

Цель работы: разработка и исследование новой комбинированной технологии сборки листовых деталей с использованием статического и динамического нагружений.

Задачи исследования;

- разработать и исследовать новый способ фальцовки и устройство получения качественных неразъемных соединений;

- разработать компьютерную модель процесса;

- получить научно обоснованную методику расчета технологических параметров нового комбинированного процесса;

- дать практические рекомендации использования комбинированной фальцовки для производства автомобильных деталей;

- определить факторы экономической эффективности нового технического решения.

Область исследования: пластическое деформирование заготовок и разработка технологий изготовления изделий высокого качества.

Объект исследования: технологические процессы получения сборочных соединений операцией фальцовки.

Предмет исследования: технологические параметры осуществления фальцовки, сочетающие статическое и динамическое нагружения.

Методы исследований:

- Математическое моделирование процесса комбинированной штамповки с использованием численного интегрирования систем дифференциальных уравнений с применением расчетной среды М8С.МА8Т11АМ/МА11С.

- Экспериментальные методы определения энергетических, силовых и деформационных параметров для комбинированной фальцовки с использованием магнитно-импульсной технологии и высокоскоростной регистрирующей аппаратуры.

Научная новизна:

- в разработке нового способа осуществления сборочных соединений на основе совмещения статического и динамического нагружений;

- создании компьютерной модели для анализа напряженно-деформированного состояния деформируемой заготовки и определения технологических параметров процесса;

- во вскрытии механизма динамической фальцовки и оценки влияния технологических параметров на качество соединения.

Практическую значимость имеют следующие результаты:

- разработка устройства для комбинированной сборки листовых деталей;

- методика расчета комбинированной фальцовки на основе метода конечных элементов с учетом статического и динамического нагружений без остановки процесса;

- рекомендации по практической реализации предложенной технологии.

Апробация работы

Основные положения и материалы работы доложены и обсуждены:

- на Международной молодежной конференции «Туполевские чтения». - Москва, 2009.

- Научной конференции «Человек и космос». — Москва, 2010.

- Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики». - Красноярск, 2010.

- XIII Российской конференции пользователей систем МЗС.Бойлуаге. -Москва, 2010.

- Конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». - Москва, 2010.

- Международной конференции XXXVII Гагаринские чтения. - Москва, 2011.

- Региональной научно-практической конференции, посвященная 50-летию первого полета человека в космос. - Самара, 2011.

- Международной конференции по соединению материалов ТОМ 17. -Дания, 2013.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 13 публикациях, в том числе в 3 статьях в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Получен патент на полезную модель № 111468 «Устройство для фаль-цевого соединения листовых заготовок».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и итогов по работе, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 122 рисунка и список литературы из 106 наименований.

Автор защищает:

- способ и устройство осуществления комбинированной фальцовки;

- методику расчета комбинированной технологии на основе метода конечных элементов с учетом статического и динамического видов нагру-жения без остановки процесса;

- результаты компьютерного моделирования процесса фальцовки, учитывающие свойства материала и его взаимодействие с инструментом и позволяющие полностью определять размеры и напряженно-деформированное состояние материала заготовки в любой момент деформирования;

- механизм деформирования в зависимости от формы и интенсивности нагрузки, геометрических размеров, свойств обрабатываемых заготовок;

- результаты исследований, показывающие адекватность модели и экспериментов и эффективность использования комбинированной технологии.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и сформулирована ее цель.

В первой главе проведен анализ литературных источников, посвященных вопросам сборки облицовочных деталей автомобилей. Рассмотрены существующие схемы деформирования и технические решения, позволяющие проводить операцию фальцовки.

Решением этой проблемы в настоящее время занимаются отечественные и зарубежные исследователи.

В России исследованием высокоскоростной отбортовки и гибки тонкостенных листовых деталей с помощью импульсного магнитного поля занимались Исарович Г.Э., Лебедев Г.М., Юдаев В.Б., Курлаев Н.В. Гибку на малый радиус рассматривали Власов A.B., Головащенко С.Ф., Коптелов A.A. и Илинич A.M. За рубежом это Baartman R., Guohua Zhang, Xin Wu, Guohua Zhang, Livatyali H., Muderrisoglu А. и др.

Анализ отечественных и зарубежных литературных источников выявил отсутствие в настоящее время способа сборки, полностью удовлетворяющего основным требованиям автомобильной промышленности (высокое качество лицевой поверхности детали, возможность получения малых радиусов гиба; стойкость инструмента, достаточная для промышленного применения; возможность использования стандартного оборудования). Реализация большинства способов в промышленности требует разработки специализированного оборудования или целых технологических линий.

Во второй главе приведены разработанные схемы осуществления комбинированной фальцовки, которые совмещают статическую и динамическую нагрузки.

По первой предлагаемой схеме начальным переходом является операция вытяжки внешней панели с размещенной внутренней деталью, вторым переходом осуществляется подгибка борта на 135° в инструментальном штампе с последующим магнитно-импульсным воздействием - гибкой на

угол 180°. Такой подход позволяет достичь более качественного соединения изготавливаемого изделия. Реализация такой схемы подразумевает использование инструментального штампа с встроенным в матрицу индуктором, соединенным с магнитно-импульсной установкой (МИУ).

Вторая схема (комбинированная фальцовка) также осуществляется в два перехода (рисунок 1). Пуансон после вытяжки заготовки останавливается или возвращается в исходное положение, а обе панели с прижимом продолжают движение. Когда вытянутый борт (а = 90°) достигнет расположения индуктора, производится разряд батареи конденсаторов. Борт фальцуется на угол 180° под воздействием импульсного магнитного поля. Особенностью предлагаемой технологии является возможность последовательного осуществления двух видов нагружения без остановки процесса в целом.

6

Рисунок 1 - Технологическая схема комбинированной фальцовки: 1 - внутренняя панель; 2 - внешняя панель; 3 - индуктор;

4 - прижим; 5 - матрица; 6 - пуансон

На данное устройство выдан патент на полезную модель №111468 от 20.12.2011 «Устройство фальцевого соединения листовых заготовок».

В третьей главе представлена математическая модель комбинированной фальцовки.

Для математического моделирования динамических процессов использованы численные методы расчета.

При моделировании процесса комбинированной фальцовки приняты следующие допущения;

1. Давление магнитного поля, прикладываемое к фланцуемому борту, принимается независимым от движения борта.

2.Тепловые эффекты, возникающие при динамическом деформировании борта, не рассматриваются.

3. При расчете давления импульсного магнитного поля не учитываются краевые эффекты.

Предложена и реализована методика компьютерного моделирования комбинированной фальцовки, которую можно выразить в виде схемы, приведенной на рисунке 2.

Разработка САР-модели Выбор программного продукта

Импорт геометрии

Вывод результатов

Расчет статической задачи

Создание статического расчетного случая

Сохранение результатов в виде векторных попей

Импорт векторных полей

Создание динамического расчетного случая

Модальный анализ

Ї

Приложение динамической нагрузки

Вывод результатов

Расчет задачи в динамической <постановке

Подготовка файла рестарта

Рисунок 2 — Схема создания комбинированного расчетного случая

На первом этапе была разработана геометрия заготовки и инструмента вСАТТА.

Для моделирования комбинированной фальцовки выбрана деталь, которая, с одной стороны, достаточно проста, а с другой - получение её отражает реальные производственные процессы. Деталь близка по форме к люку наливной горловины топливного бака, в которой внутренняя панель соединяется с внешней посредством операции фальцовки. По его периметру выполнены скругления различных радиусов (К = 10, 20, 30, 40 мм) (рисунок 3).

Компьютерная модель инструмента в упрощенной форме соответствует предложенной оснастке для экспериментального исследования. Для статического и динамического расчетов использовался программный продукт МЗС.ЫАЗТКАМ/ МБС.МАКС.

В основе расчетной модели лежит метод конечных элементов, использующий уравнения движения, уравнений Максвелла и соответствующие граничные условия.

В процессе моделирования выполнен модальный анализ. Некоторые результаты модального анализа приведены на рисунке 4.

Я «40 им

Рисунок 3 - Модель заготовки

___шштш^^ё; »

Рисунок 4 - Результаты модельного анализа для первых трех низших собственных частот и их форм колебаний

Величина силы, действующей на борт, должна быть меньше критической силы потери устойчивости. Превышение её может привести к неуправляемому процессу деформирования и неустойчивому решению.

В методике компьютерного моделирования использован импорт векторных полей для переноса статического результата в динамическое решение (рисунок 5).

Рисунок 5 - Совмещение статического и динамического решений

Для реализации комбинированного математического расчета разработана и внедрена методика проведения виртуальных испытаний 34110.37.101.0004-2011 по порядку построения расчетной модели при комбинированных расчетах.

В четвертой главе показаны основные результаты компьютерного моделирования процесса комбинированной фальцовки.

1. Изменение напряженного состояния материала борта при динамической фальцовке (рисунок 6).

Полученные картины напряженного состояния материала на радиусных участках фланцуемого борта позволяют оценить критические значения напряжений при динамическом нагружении, приводящих к потере его устойчивости.

дииамика

статика

Рисунок 6 - Напряженно-деформированное состояние борта фланца на радиусном участке (RIO, R 20)

2. Влияние интенсивности (величины) динамической нагрузки на характер деформированного состояния борта при фальцовке.

На рисунке 7 приведены фрагменты деформированного состояния материала заготовки после приложения динамического импульса (под углом 45° (а) и при горизонтальном расположении импульса (б)).

Из приведенных рисунков можно наблюдать развитие деформаций в процессах гибки и соударения борта с внутренней панелью (рисунок 7). При избытке энергии наблюдаются процессы течения борта, подсечки внутренней панели или даже отрыва борта. Проведенное моделирование позволило найти оптимальную величину нагрузки (6-8 кДж).

3. Влияние формы импульса на кинематику фальцуемого борта (рисунок 8).

Взаимное расположение индуктора и фальцуемого борта создает возможность изменения формы прикладываемого импульса. Проведенное компьютерное моделирование позволило исследовать при этом кинематику (движение) борта: опережающее, равномерное или запаздывающее перемещение кромки.

Характер движения борта определяет напряженно-деформированное состояние материала заготовки при фальцовке.

Как видно из рисунка 9, при фальцовке борта в очаге деформации действуют преобладающие растягивающие напряжения.

4. Влияние геометрических размеров заготовки на предельные параметры процесса при условии обеспечения заданного качества сборки.

Компьютерное моделирование процессов фальцовки при разных высотах борта h = 3, 5, 7 мм и R скругления 10, 20, 30, 40 мм позволило определить рациональные значения высоты h и минимального радиуса R (,h = 5 мм и Rmm =10 мм). Кроме того, определен минимальный радиус гиба rmin = 1,0 t вместо 1,5 t при статической фальцовке.

Отрыв фланца

Рисунок 7 - Кинематика процесса комбинированной фальцовки при различном направлении импульса

_^ 1 Горизонтальное, убывающее Горизонтальное равномерное

Опережающее перемещение кромки Перемещение борга по радиусу Запаздывающее перемещение кромки ШШШШЯШя

1 шитудв.' И вииг шяшМ Горизонтальное, возрастающее Горизонтальное равномерное —^ И

шшшшшшшш ■■■■■к*

Рисунок 8 - Влияние формы импульса и расположения индуктора на кинематику борта

Рисунок 9 - Деформированное состояние фланца

5. Анализ взаимосвязи перемещений, напряжений и деформаций для характерных точек борта при динамической фальцовке.

Компьютерное моделирование позволяет рассмотреть во взаимосвязи напряженно-деформированное состояние материала борта: перемещение, деформация, напряжение (рисунки 10, 11) из которых видно взаимосвязь этих характеристик.

Оценка качества соединений, полученных фальцовкой

В производстве жесткость и прочность соединения проверяют в готовом состоянии на кручение, изгиб, излом.

Компьютерное моделирование позволяет определить качество прилегания фальцованного борта внешней панели к внутренней по величине контактных напряжений. Так, например, при высоте фланцуемого борта И = 5 мм при энергиях IV = 2; 6,7; 12,3 кДж контактные напряжения достигают соответственно значений 50-70; 356-387; более 600 МПа.

Сопоставление результатов производственных испытаний сборок и контактных напряжений при моделировании дало возможность определить °"ко1гг' ПРИ котором обеспечивается требуемое качество соединения (сткшгг =250-340 МПа).

начальный момент времени конечный момент времени

Рисунок 10 - Картина изменений значений параметров в трех точках во времени от начального положения борта

Проведенный в главе 4 анализ фальцовки позволил описать механизм (особенности) процесса:

- Установлена сложная картина кинематики фланцуемого борта в зависимости от формы нагрузки: отставание кромки борта, захлест борта, равномерное деформирование по радиусу, возникновение пластического шарнира, деформирование собранного изделия.

- При динамической фальцовке при любой форме и интенсивности нагрузки возникают дополнительные растягивающие усилия, меняющие картину напряженного состояния, например по радиусу гиба г, приближая его к процессам гибки с растяжением или даже к обтяжке наружного борта по внутренней панели.

- На заключительном этапе фальцовки происходит соударение борта с внутренней панелью, особенно это характерно для крайних точек. Как показало компьютерное моделирование, соударение может привести к пластическому деформированию металла по толщине (течение металла), устраняя эффекты отскока.

- Установлена возможность плотного прилегания борта внешней панели к внутренней (по торцу) без образования внутренних «карманов». Причина плотного прилегания - действие нагрузки в направлении торца внутренней панели. Это давление препятствует перемещению фланцуемого борта в направлении «кармана» - в основном при захлестывании края.

- С учетом потери устойчивости по радиусу И определены предельные значения /?т,п и высоты фланцуемого борта к. Как установлено, уровень критических снижающих напряжений, приводящих к гофрообразованию, достигается значительно позже по сравнению со статическим нагружением, что расширяет предельные возможности процесса фальцовки. Кроме того, при соударении происходит частичное выправление гофр.

Положительную роль динамическая фальцовка оказывает на механические свойства металла. Повышение пластичности при динамическом деформировании дает возможность получения минимального радиуса гиба Мтт = 1,0 г при статической фальцовке.

В пятой главе описаны методика и результаты экспериментальных исследований комбинированной фальцовки, их сопоставление с результатами компьютерного моделирования.

Исследовалась кинематика борта при фальцовке на втором этапе (динамика) процесса. При исследовании кинематических параметров использовалась покадровая фоторегистрация с помощью цифровой высокоскоростной камеры «СогсНп-505». При этом фиксировались параметры разрядной цепи (ток, напряженность магнитного поля). Одновременно измерялись геометрические размеры полученной сборки. На рисунке 12 приведен график изменения скорости деформирования для выбранной точки на радиусной части фланцуемого борта.

V, м/с

7»

35

4, мсек

адиую и.шг

»Натурное испытание — Численное моделирование

Рисунок 12 - Сравнение натурного и численного испытаний по контрольным точкам

В результате сравнения натурных и виртуальных испытаний наблюдается 5-8-процентная сходимость результатов.

Хорошая качественная сходимость наблюдается по геометрии внешней панели, полученной при моделировании и в эксперименте (рисунок 13).

С

Рисунок 13 - Внешний вид соединения полученного фальцовкой (эксперимент и численное моделирование)

При сравнении результатов моделирования и эксперимента при определении высоты гофр, по радиусу гиба и радиусу кривизны в плане наблюдалось их совпадение (таблица 1). Приведенные данные служат основанием утверждать об адекватности созданной математической модели.

Таблица 1

Высота гофр, мм Расчетные — 0,15-0,3 Экспериментальные — 0,2-0,3

......

Минимальный радиус гиба, мм Расчетные- 1,2-1,35 Экспериментальные - 1,2-1,3

г; < і «и.

Минимальный радиус скруглення в плане, мм Расчетные - К10 Экспериментальные - /?10

В шестой главе даны рекомендации по практической реализации разработанной технологии и расчету конструктивных элементов соединений, получаемых фальцовкой.

1. Предложена программа компьютерного расчета параметров комбинированной фальцовки; дана методика практического использования.

Разработанная методика внедрена на ОАО «АВТОВАЗ» (И.34/10/37 101 004-2011, акт внедрения 34110-77/154) и опробована при изготовлении задней двери автомобиля «Калина» (рисунок 14).

2. Проведен расчет индуктора во взаимосвязи с параметрами установки и заготовки, проверенный при проектировании экспериментальной технологической оснастки.

3. Основываясь на результатах моделирования и экспериментов, сформулированы реко мендации по основным геометрическим размерам фланцуемого борта при условии получения высокого качества изделия (7?, г, /г).

Основные результаты и выводы:

1. Разработана технология сборки кузовных деталей пластическим деформированием, совмещающая статическое и динамическое на-гружения без остановки процесса и устройство для осуществления этого процесса (патент № 111468 «Устройство для фальцевого соединения листовых заготовок»),

2. Разработана методика компьютерного моделирования комбинированной фальцовки, позволяющая осуществить расчет геометрических и силовых параметров при сборке деталей сложной формы.

3. Использование в работе численных методов позволило выявить характер изменения напряженно-деформированного состояния материала заготовки в течение всего времени деформирования, учесть изменение интенсивности давления как во времени, так и в пространстве.

4. Изучен механизм комбинированной фальцовки, что позволило учесть влияние силовых и геометрических факторов для управления процессом сборки деталей.

5. За счет совмещения статических и динамических нагрузок происходит увеличение производительности труда, повышение качества готовой продукции, снижение себестоимости изготовления деталей (упрощение конструкции и уменьшение количества штампов).

6. На основании обобщения результатов численного моделирования и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по практической реализации комбинированной фальцовки: для конструкторов - рекомендации по выбору оптимальных значений высоты борта радиуса гиба и скругления; для технологов - по выбору оптимальных формы и интенсивности нагрузки, проектированию штампов и встроенных индукторов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Глущенков, В.А. Разработка комбинированной технологии сборки деталей [Текст] / В.А. Глущенков, М.В. Хардин, И.А. Беляева // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением.- 2012. - № 3. - С. 17 - 19.

2. Беляева, И.А. Математическое моделирование комбинированных технологий [Текст] / И.А. Беляева // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва. - 2011. - № 6, - С. 53 - 59.

3. Глущенков, В.А. Практическая реализация комбинированной технологии сборки деталей [Текст] / В А. Глущенков, М.В. Хардин, И.А. Беляева // Вестник Са-

Рисунок 14-Модель (1:2) задней

двери автомобиля семейства ВАЗ 2118 («Калина»), полученная по предложенной технологии

марского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва. - 2011. - № 6. - С. 67 - 72.

Патент:

4. Патент 111468. Российская Федерация, МПК В21Д39/02. Устройство для фальцевого соединения листовых заготовок / Глущенков В.А., Черников Д.Г., Хар-дин М.В., Беляева И.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ В ПО СГАУ, ООО «НТФ «Заряд». -№2011122816/02; заявл. 06.06.2011; опубл. 20.12.2011. - 3 с.

Публикация в трудах международной конференции:

5. Glushchenkov V.A. Assembly of parts by flanging method combining static and dynamic loading [Text] / V.A. Glushchenkov, Osama Al-Erhayem, M.V. Khardin, L.A. Belyaeva // JOM-17. International Conference of Joining Materials. - Helsingor, Denmark, 5-8 may 2013/ - session VI. - S. 1 -7.

Публикации в других изданиях

6. Беляева, И.А. Технология операции «фальцовка» магнитно-импульсным методом [Текст] / И.А. Беляева, М.В. Хардин // XVII Туполевские чтения: Сборник научных трудов Международной молодежной научной конференции. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2009. - Том 1. - С. 82-83.

7. Беляева, И.А. Комбинированные технологии листовой штамповки магнитно-импульсным методом [Текст] / И.А. Беляева, М.В. Хардин // Человек и космос: Сборник научных трудов XII Международной молодежной научно-практической конференции. - Днепропетровск. - 2010. - С. 370.

8. Беляева, И.А. Разработка комбинированной технологии зафланцовки с использованием статического и динамического нагружения [Текст] // Региональная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию первого полета человека в космос .14-15 апреля 2011- Самара.- С. 44 - 45.

9. Беляева, И.А. Применение магнитно-импульсного нагружения в комбинированных технологиях листовой штамповки [Текст] / И.А. Беляева, М.В. Хардин // Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы авиации и космонавтики». - Красноярск, 2010. - С. 14-16.

10. Беляева, И.А. Возможность совмещения статического и динамического нагружения [Текст] / И.А. Беляева, М.В. Хардин // ХШ Российская конференция пользователей систем MSC.Software. - 2010.

11. Беляева, И.А. Моделирование комбинированных технологий с помощью программного комплекса MSC. NASTRAN/ MSC.MARC [Текст] / И.А. Беляева, М.В. Хардин // Международная конференция XXXVII «Гагаринские чтения». - 2011.

12. Беляева, И.А. Разработка комбинированной технологии на примере операции фальцовки [Текст] / И.А. Беляева, М.В. Хардин // Конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». - 2010. - С. 44-45.

13. Беляева, И.А. Анализ потери устойчивости фланца при магнитно-импульсном нагружении [Текст] / И.А. Беляева, М.В. Хардин // IX научно-техническая конференция «Молодежь в науке».Сборник аннотаций докладов. 26-28 октября. - Саров, 2010.

Подписано в печать 28.07.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета заказчика

Минобрнауки России Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева (Национальный исследовательский университет)»

сборки листовых деталей пластическим деформированием.

На правах рукописи

Беляева Ирина Александровна

Разработка комбинированной технологии

Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением.

о

см

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, Хардин М.В.

Самара 2013

Содержание

Введение.....................................................................................................5

Глава 1 Комбинированные технологии в машиностроении. Цель и задачи диссертационной работы..................................................10

1.1 Гибридные и комбинированные технологии в машиностроении......10

1.2 Операция фальцовки в автомобилестроении................................11

1.3 Существующие технологии сборки кузовных деталей автомобиля.. 16

1.3.1 Фальцовка роликами.........................................................16

1.3.2 Фальцовка в инструментальном штампе..............................18

1.4 Комбинированные технологии с использованием магнитно-импульсного воздействия...............................................................25

1.4.1 Магнитно-импульсная обработка материалов.......................26

1.4.2 Существующие схемы комбинированных операций...............29

1.5 Цель и задачи исследования...................................................34

1.6 Выводы по первой главе............................................................35

Глава 2 Разработка комбинированной технологии........................36

2.1 Разработка технологических схем комбинированной технологии фальцовки, сочетающих статические и динамические

нагрузки.......................................................................................36

2.2 Выводы по второй главе...........................................................40

Глава 3 Разработка математической модели комбинированной фальцовки..................................................................................41

3.1 Математическая постановка задачи комбинированного расчетного случая........................................................................................41

3.2 Выбор метода решения комбинированной задачи.......................49

3.3 Принятые допущения при математическом моделировании комбинированной задачи..............................................................52

3.4 Матрица планирования эксперимента.......................................53

3.4.1 Свойства матриц планирования......................................54

3.4.2 Расчет параметров матрицы планирования......................56

3.5 Последовательность моделирования комбинированной фальцовки...................................................................................59

3.5.1 Разработка CAD -модели...............................................60

3.5.2 Выбор программного продукта........................................62

3.5.3 Создание статического расчетного случая........................63

3.5.3.1 Граничные условия..............................................64

3.5.3.2 Назначение материалов......................................65

3.5.3.3 Проверка «работоспособности» КЭМ...................67

3.5.3.4 Предварительный анализ конструкции на потерю устойчивости (модальный анализ)..........................................67

3.5.4 Создание динамического расчетного случая.....................70

3.5.5 Создание комбинированного расчетного случая................79

3.6 Выводы по третьей главе..........................................................82

Глава 4 Результаты расчетов и анализ полученных данных.........83

4.1 Влияние интенсивности (величины) динамической нагрузки на характер деформированного состояния борта при фальцовке............83

4.2 Влияние формы импульса на кинематику фальцуемого борта..........................................................................................90

4.3 Изменение напряженного состояния материала борта при динамической фальцовке (прямой борт)..........................................99

4.4 Изменение напряженного состояния материала борта при динамической фальцовке (закругленный борт)................................102

4.5 Влияние геометрических размеров заготовки на предельные параметры процесса при условии обеспечения заданного качества сборки........................................................................................106

4.6 Анализ взаимосвязи перемещений , напряжений и деформаций для характерных точек при динамической фальцовке.......................109

4.7 Исследование возможности применения различных материалов.......................................................................114

4.8 Оценка качества полученных образцов............................115

4.9 Выводы по четвертой главе...........................................118

Глава 5 Экспериментальные исследования комбинированной

фальцовки................................................................................120

5.1 Программа проведения поискового эксперимента......................120

5.2 Расчет энергии разряда при выполнении второго этапа фальцовки..................................................................................122

5.3 Технологическая оснастка, используемая при экспериментальном

исследовании процесса комбинированной фальцовки.....................125

5.4 Экспериментальное оборудование...........................................128

5.4.1 Принцип действия магнитно-импульсных установок............129

5.4.2 Магнитно-импульсная установка МИУ15.........................132

5.4.3 Алгоритм работы приборов и оборудования магнитно-импульсной обработки материалов...............................................134

5.5 Методика проведения натурного эксперимента.........................137

5.6 Результаты экспериментального исследования процесса динамического этапа комбинированной фальцовки.........................142

5.6.1 Полученные образцы....................................................144

5.6.2 Оценка качества полученных образцов...........................146

5.6.3 Сопоставление с результатами компьютерного моделирования...........................................................................147

5.7 Выводы по пятой главе...........................................................149

Глава 6 Рекомендации по промышленному применению разработанной технологии.........................................................150

6.1 Рекомендации для конструкторов...........................................150

6.2 Рекомендации для конструкторов разработчиков штамповой оснастки.....................................................................................151

6.3 Рекомендации для технологов.................................................156

6.4 Технологические требования к фланцу заготовки.......................157

6.5 Выводы по шестой главе.........................................................161

Основные выводы по работе......................................................162

Список сокращений и условных обозначений..............................163

Список литературы.....................................................................165

Приложение 1...........................................................................................176

Приложение 2...........................................................................................178

Приложение 3...........................................................................................180

Приложение 4...........................................................................................204

ВВЕДЕНИЕ

Развитие машиностроения и вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии при повышении производительности труда и качества продукции, основывается на применении новейших видов технологических процессов, к числу которых относятся комбинированные технологии, сочетающие статические и динамические нагружения. Из высокоскоростных методов ОМД в промышленности наибольшее внимание уделяется магнитно-импульсной штамповке (МИШ), которая развивается в силу ряда своих преимуществ перед другими технологическими процессами.

Современные установки для магнитно-импульсной штамповки используются для выполнения разнообразных операций: формовки, калибровки, вырубки, пробивки.

Разработана научно-обоснованная методика создания комбинированной технологии, совмещающей в себе преимущества традиционного метода сборки и высокоскоростного воздействия давления импульсного магнитного поля. Методика включает в себя теоретические, экспериментальные, технологические и компьютерно - программные задачи.

В математическом плане процессы магнитно-импульсного динамического формоизменения описываются сложными динамическими уравнениями. Лишь в последнее время благодаря развитию численных методов и созданию мощных компьютерных технологий появилась возможность адекватного моделирования указанных нелинейных процессов, что позволяет использовать новые подходы для разработки подобных технологий.

Новая технология направлена на повышение точности изготавливаемого изделия, стойкости технологического оснащения, экономии листового материала и снижение себестоимости изготовления сборочной конструкции.

Цель работы:

Разработка и исследование новой комбинированной технологии сборки листовых деталей с использованием статического и динамического нагружений.

На защиту выносится:

- способ и устройство осуществления комбинированной фальцовки

- методику расчета процесса комбинированной технологии на основе метода конечных элементов с учетом статического и динамического видов нагружения без остановки процесса;

- результаты компьютерного моделирования процесса фальцовки, учитывающие свойства материала и его взаимодействие с инструментом и позволяющие полностью определять размеры и напряженно-деформированное состояние материала заготовки в любой момент деформирования;

- механизм деформирования в зависимости от формы и интенсивности нагрузки, геометрических размеров, свойств обрабатываемых заготовок

- результаты исследований, показывающие адекватность модели и экспериментов и эффективность использования комбинированной технологии

Научная новизна состоит:

- в разработке нового способа осуществления сборочных соединений на основе совмещения статического и динамического нагружений;

- в создании компьютерной модели для анализа напряженно-деформированного состояния деформированной заготовки и определения технологических параметров процесса

- во вскрытии механизма динамической фальцовки и оценки влияния технологических параметров на качество соединения.

Методы исследования, использовавшиеся в работе.

-Математическое моделирование процесса комбинированной штамповки с использованием численного интегрирования систем дифференциальных уравнений с применением расчетной среды МЭС. МАЭТРДЫ/М АРС.

- Экспериментальные методы определения энергетических, силовых и деформационных параметров комбинированной фальцовки с использованием магнитно-импульсной установки и высокоскоростной регистрирующей аппаратуры.

Практическую значимость имеют следующие результаты:

- разработка устройства для комбинированной сборки листовых деталей;

- методика расчета комбинированной фальцовки на основе метода

/

конечных элементов с учетом статического и динамического видов нагружения без остановки процесса;

- рекомендации по практической реализации предложенной технологии

Реализация результатов работы: Создана методика выбора оптимальных параметров и режимов проектируемых технологий и оборудования МИШ.

Процесс моделирования описан в методике № 34110.37.101.0004-2011 «Порядок построения модели при комбинированных расчетах» и внедрен на ОАО «АВТОВАЗ» в отделе математического моделирования и расчетов (приложение 1).

Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при написании конспектов лекций и постановке лабораторных работ по курсу «Компьютерное моделирование технологических процессов и оборудования»; подготовке магистерских диссертаций, выпускных работ

бакалавров, выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийских и международных конференциях:

- Международная молодежная конференция «Туполевские чтения», «Технология операции «фальцовка» магнитно-импульсным методом», 2009

- Научная конференция «Человек и космос», «Комбинированные технологии листовой штамповки магнитно-импульсным методом», 2010

- Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», «Применение магнитно-импульсного нагружения в комбинированных технологиях листовой штамповки», Красноярск, 2010

- IX научно-техническая конференция «Молодежь в науке», «Анализ потери устойчивости фланца при магнитно-импульсном нагружении, 2010

- XIII Российская конференция пользователей систем MSC. Software, «Возможность совмещения статического и динамического нагружения», 2010 (призовое место)

-Международная молодежная конференция XXXVII «Гагаринские чтения», «Моделирование комбинированных технологий с помощью программного комплекса MSC. NASTRAN/ MSC.MARC», 2011

- Региональная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию первого полета человека в космос, «Разработка комбинированной технологии зафланцовки с использованием статического и динамического нагружения», Самара, 2011

Автор выражает благодарность научному руководителю Хардину М.В, Глущенкову В.А. за постановку задачи, научное руководство и постоянный контроль, а также моральную поддержку и взаимопонимание, которые создавали творческие условия для работы. Экспериментальная работа была выполнена совместно с центром МИОМ СГАУ

Публикации: Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 12 работах, включая 1 патент РФ и 3 статьи в рецензируемых журналах ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и итогов по работе, списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 122 рисунка и список литературы из 106 наименований.

импульсного магнитного поля на фланец (рис. 1.21) или боковую поверхность (рис. 1.22). Опробованы комбинированные технологии вытяжки и обрезки припуска, вытяжки и формовки (рис. 1.23) и другие.

Применение комбинированных технологий позволяет соединить воедино преимущества статических и импульсных методов штамповки -повысить качество готовой продукции, упростить используемую технологическую оснастку и др.

В развитии этого направления автор данной диссертационной работы поставил цель: разработка комбинированной технологии фальцовки применительно к автомобилестроению.

1.2 ОПЕРАЦИЯ ФАЛЬЦОВКИ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ.

Облицовочные детали большинства автомобилей, такие как капоты, багажники, передние и задние двери (рис. 1.2), состоят из двух панелей -внутренней и внешней. Внешняя панель имеет только эстетическое значение, а внутренняя отвечает за жесткость всей детали, так как к ней привариваются усилители, крепятся петли и замки.

Рисунок 1.2 - Пример облицовочных деталей

Традиционным методом сборки облицовочных деталей автомобилей является, гибка фланца внешней панели по всему периметру на 180° с охватом фланца внутренней панели, проводимая в три этапа, последовательно на 90°, 135° и 180° [1].

Традиционная сборка облицовочных деталей автомобилей, как уже было отмечено, осуществляется гибкой фланца внешней панели с охватом фланца внутренней панели (рис. 1.3). Первая операция - получение подогнутого на 90° фланца внешней панели с радиусом R (рис. 1.3а). Последующие две операции (рис. 1.36, в) проводятся при окончательной сборке, когда внутренняя панель со всеми приваренными элементами вставлена во внешнюю. В результате получается прочное неразъемное соединение, достоинствами которого являются малый размер и отсутствие крепежных деталей [2]. Дополнительно, для увеличения жесткости соединения, по поверхности зафланцовки наносится высокопрочный клей. Высота подгибаемых при сборке фланцев колеблется в пределах 10... 14 мм, однако в случае образования складок в зонах скругления она снижается до 7...8 мм. Известно, что в настоящее время эта операция осуществляется на ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) в прессовом производстве.

а - гибка фланца на 90°; б - гибка фланца на 135°; в - гибка фланца на 180° Рисунок 1.3 - Стадии традиционного процесса сборки автомобильных

Внутренняя панель

Внешняя панель

деталей

От совершенства операции фальцовки зависит качество соединения и технико-экономические показатели производства готовой продукции, к которой предъявляются следующие требования:

- неподвижность внешней и внутренней панелей относительно друг друга (прочность соединения);

- коррозионная стойкость сборочного узла (отсутствие скрытых полостей по радиусу гиба как потенциальных карманов для влаги);

- отсутствие потери устойчивости (складок) на фальцуемой поверхности, в первую очередь, в угловых зонах;

- отсутствие повреждений (царапин) на наружной панели - следов оснастки после выполнения операции фальцовки.

Как показал анализ литературных источников выполнение этих требований приводит к усложнению либо конструкции соединения, либо технологии сборки, например, возникает необходимость

- применения «точечной» сварки, клея между панелями, установки промежуточных элементов - упругих прокладок, липких антикоррозионных уплотнений (рис. 1.4)

- изменяя конфигурации фальцуемого борта (его фигурное уменьшение по радиусам в плане) (рис. 1.5)

Рисунок 1.4 «Точечная» сварка на фланце заготовки

Рисунок 1.5 - Уменьшение высоты борта на радиусном участке

Определение геометрических размеров заготовки внешней панели облицовочной детали с учетом подгибаемого фланца базируется на формулах, приведенных в [4].