автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Теория и методы комплексного проектирования процессов и оборудования магнитно-импульсной штамповки

- #

\ НаЧ

шах рукописи

1/

шпр

пг:

¥

Проскуряков Николай Евгеньевич

ТЕОРИЯ И МЕТОД КОМПЛЕКСНОГО ПРОЕКТШ'ОНАНИЯ ПРОЦЕСС ОН Н ОЬОРУДОНАНИЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ШТАМПОВКИ

Специальность 0S.Q3.0S - Процессы и манпшц обработки давлением

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный консультант - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор С.П. ЯКОВЛЕВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

С.Ф. ГОЛОВАЩЕНКО

доктор технических наук, профессор ЮГ. КАЛПИН

' доктор технических наук, пр'офессор H.A. УСЕНКО

Ведущая организация - ОАО «ТНИТИ»

Защита диссертации состоится « Ноября ¡993 г в /А д.

на заседании диссертационного совета Д 063.47.03 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, ГСП, пр-т Ленина, 92,9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

° УЮ

Автореферат разослан « Л/* » ч^-у 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н., доцент ( _ А.Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сокращение сроков освоения новых иэде-1Й, снижение себестоимости их изготовления и металлоемкости прнме-;емой оснастки, повышение конкурентоспособности продукции отечест-нного машиностроения оказывают мощное стимулирующее воздействие I разработку научно обоснованных методов расчета новых техники и хнологий, компьютерных проектных методик. В настоящее время все о усугубляется недостатком инвестиций, высокой стоимостью кредитов, есткими требованиями И нестабильностью товарного рынка, в связи с ■м особенно актуальной становится проблема создания теоретических :нов и методов комплексного проектирования ресурсосберегающих тех-могий и оборудования, обеспечивающих минимальную трудоемкость ¡делий при наилучшем их качестве.

Разработка научно-обоснованных путей и способов создания ресур-)сберегающих технологий включает в себя большой круг теоретических, сспериментальных, технологических и компьютерно-программных задач, таким задачам, в первую очередь, относятся разработка более полных и зчных математических моделей процессов пластического формоизмене-ия. В значительной степени решению этих задач способствует внедрение промышленность прогрессивных технологий магнитно-импульсной 1тамповки, отличающихся компактностью и мобильностью оборудовз-ия, простотой и низкой стоимостью оснастки, высоким качеством нолу-аемых изделий. Современные установки для магнитно-импульсной обрп-отки металлов, основанные на модульном принципе, позволяют распить потенциальные возможности листовой штамповки, легко встраивайся в автоматизированные линии, могуг использоваться для выполнения азнообразных операций формовки, калибровки и сборки как в условиях [елкосерийного, так и крупносерийного производств. Результаты иссле-овашгй показывают, что & операциях магнитно-импульсной штамповки южно подучить большую предельную степень формоизменения, высокую очность геометрических размеров и качества получаемых изделий.

В то же время широкое внедрение процессов магнитно-импульсной цтамповки сдерживается недостаточной стойкостью инструмента, прнме-[яемой оснастки и элементов высокоэнергетического оборудования, что ;Ызвано их работой в условиях, далеких от оптимальных, а также огсугст-шем комплексных методов проектирования технологии и оборудования. I го приводит к большим объемам экспериментальных и доводочных работ ю корректировке технологии штамповки на этапе серийного иротно/1-:тва. Снижение энергоемкости процессов мапшшо-пмпульспоП н'там ювки позволяет не только экономить энергоресурсы, но и йог лсить стоимость элементов технологического оборудования и инструмента. Имею-циеся в литературе работы позволяют определить энергоемкость тсхноло-

гической операции, но в силу принятых значительных упрощающих допущений обычно решается либо механическая, либо электрическая зад4«ш, что не позволяет определить оптимальные параметры Технологических процессов, индукторных систем и установок для магнитно-импульсной штамповки.

Отмеченное свидетельствует об актуальности разработок 6 области создания научно обоснованных методов комплексного проектирований системы «оборудование-инструмент-заготовка» в процессах магнитно-импульсной штамповки.

Работа выполнена в соответствии с заданием По §53 научно-технической программы ГКНТ 072.06, программой «Фундаментальные Исследования в технических университетах», грантами по фундаментальным исследованиям в области металлургии й машиностроения в 1995-98гг.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - созданию новых процессов и машин, расширяющих технологические возможности магнитно-импульсной штамповки при снижений энергоемкости операций и повышении качества получаемых изделий, Целью работы является разработка теории и методов комплексного проектирования технологических процессов и оборудования магнитно-импульсного формоизменения трубчатых заготовок. :

Научная нопнзна состоит И

- разработке теоретических основ нестационарных электромеханических процессов импульсного деформирования заготовок и функционирования оборудования, позволяющих проводить параметрическую оптимизацию системы «установка-инструмент-заготовка» по критерию минимума энергоемкости операции;

- создании конечно-элементных моделей динамического упругопла-стического формоизменения в процессах магнитно-импульсной щтзмгюв-ки с учетом взаимодействия жесткого или упругого инструмента с заготовкой и подвижных границ контактируемых тел,

- получении основных соотношений для анализа силовых и температурных ^условий работы системы «индуктор-заготовка»;

* установлении особенностей формообразования и закономерностей влияния силовых параметров, технологических факторов и геометрии инструмента в операциях магнитно-импульсной штамповки трубчатых заготовок. '

Основные научные положения, выносимые на защите;

- теоретический анализ процессов магнитно'идепульсной штамповки, включающий упругопластические математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния;

- методологические основы формообразования продольных и попе- .

речных пазов на трубчатых заготовках с учетом контактного взаимодействия заготовки с жестким и упругим инструментом;

- теоретические зависимости для определения силовых и кинематических параметров операций сборки и калибровки трубчатых заготовок;

- методики проектирования и математические модели электромеханических процессов штамповки трубчатых заготовок, режимов работы и форм импульса давления магнитного поля;

- результаты экспериментальных исследований процессов магнитно-импульсной штамповки и внедрения разработанных технологий в производство, методов и алгоритмов расчета - в практику проектирования и учебный процесс.

Методы исследования, использовавшиеся в работе:

- теоретический анализ процессов магнитно-импульсной штамповки с использованием основных положений механики сплошных сред и теории пластических деформаций металлов, уравнений математической физики и теории электрических цепей,

- математическое моделирование, конечно-элементный анализ, параметрическая оптимизация, математическая статистика и теории планирования эксперимента, а также методы переменных состояния и численного интегрирования систем дифференциальных уравнений с применением специального комплекса программ РИА015\

- экспериментальные методы определения энергетических, силопых и деформационных параметров в процессах магнит но-имнульснои штамповки с использованием магнитно-импульсных установок и современной регистрирующей аппаратуры.

Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:

- созданы комплексные методики ц компьютерные модели системы «установка-индуктор-заготовка», облегчающие использование разработанных методов рлсчота при внедрении в технологическую а конструкторскую практику, позволяющие сократить срока технологической подготовки производства на стадии проектирования и освоения новых процессов, оборудования и оснастки;

- разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать качество изделий, и получены конструкции, трубчатых соединений с заданными эксплуатационными показателями при минимальных энергозатратах;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований намечены пути совершенствования оборудования и индукторных систем для обеспечения оптимальных режимов работы и форм импульса давления в операциях магнитно-импульсной щтамповки трубчатых заготовок;

- разработаны рекомендации по созданию и совершенствованию пи-

дукторлыл систем, оборудования и технологических процессор магнит но-импульсной штамповки трубчатых заготовок- .

Результаты работы положены в основу выбора оптимальных пара метров и режимов новых технологических процессов, оснастки и'оборуДо рания. Создан рабочий проект блочно-модульной магн.итно-импульсна: установки нового поколения.

Научные положения диссертации использованы в учебном процессе

- при написании конспектов лекций и подготовке лабораторных ре бот по курсам САПР, «Математическое моделирование процессов ОМД> «Новые "виды технологических процессов и оборудования ОМД> «Компьютерное моделирование процессов И мацщн ОМД»;

- при подготовке аспирантских и магистерских диссертаций, вьш) скных работ бакалавров, выполнении исследовательских курсовых и ДЬ пломных проектов; •

- при издании двух учебных пособий.

Аипобамия работы. Основные результаты работы были доложен] на международных, всесоюзных, республиканских и межвузовских конф* ренциях, в том числе: Всесоюзном совещании «Расчет, проектнровани< технология изготовления, эксплуатация индукторных систем» (г. Ту Л; 1988 г.), республиканской научно-техническая конференции «Вопрос: развития технологии, оборудование И автоматизации ' кузце'чне штамповочного производства» (г, Тула, 1989 г.), Всесоюзном совещанй секции МИОМ «Норые технологические процессы малштно-импулшго обработки, оборудование и инструмент» (г- Куйбышев, 1990 г.), Всесою: ном совещании секций МИОМ «Вопросы теории й практики магнитш импульсной обработки» (г. ,Самара, 1991 г.), международном конгресс «Конверсия. Наука. Образование» (г- Тула, 1993 г.), Российской межвузо] ской научно-технической конференции « Фундаментальные проблемы № таллургии» (г. Екатеринбург, 1995 г.), международной н&учш технической конференции «100 лет российскому автомобилю. Промьн! ленность и высшая школа» (г. Москва, 1996 г.), Всероссийской научш технической конференции «Новые материалу и технологии» (г. Москв 1997 г.), международном симпозиуме «Механика и технология в проце' сах формоизменения с локальный очагом пластической деформации» ( Орел, 1997 г.), международной юбилейной научно-технической конфере) ции «Прогрессивные методы проектирования технологических процессо станков и инструментов» (г. Тула, 1997 г.), международной Корференш «Итоги развития механики в Туле» (р. Тула, 1998 г.) и на ежегодных ко: ференциях профессорско-преподавательского состава ТУ^ГУ в 1988-19! г.г.

Публикации; Основные научные положения и материалы пров денных исследований широко освещались в печати. По теме диссерташ

тублИКЬвано 39 работ ( в том числе две монографии в соавторстве).

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту i.t.h., проф. С.П. Яковлеву, а также д.т.н., проф. В.Д. Кухарю и А.К. Тала-гаеву, к.т.н., доц. А.Н. Пасько за оказанную помощь при выполнении ра-5оты, Критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из зведення, шести разделов, заключения и общих выводов по работе, списка штерагуры из 229 наименований, приложения и включает 2ВЗ страницы машинописного текста, 154 рисунка, 32 таблицы. Общий объем работы 366 страниц.

В первом разделе проведен исторический анализ развития а обзор существующих способов изготовления' трубчатых деталей и соединений методами магнитно-импульсной штамповки, способов интенсификации процессов и методов расчета оборудования и формоизменения заготовки, основные опубликованные результаты экспериментальных исследований.

Анализ литературных источников свидетельствует, что исследованию процессов магнитно-импульсной штамповки (МИШ), являющейся одной из- новых прогрессивных разновидностей листовой штамповки, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученЫх и специалистов.

Вопросы листовой штамповки, теории пластичности и механики деформируемого твердого те.л рассмотрены в работах A.A. Илыошина, H.H. Малинина, А.Д. Томленова, М.В. Сторожева, Е.А. Попова, С.И. Губкина, Г.А. Смирнона-Аляева, Е.П. Унксова, Л.М. Качанова, В.Л. Колмогорова, А.Ю. Ишлинского, Е.И. Исачеикова, В.Д. Головлева, К.Н. Богоявленского, И.П. Ренне, Л.А. Толоконникова, НА. Смаратдова, О.В. Попова, А.Д. Матвеева, Ю.Г. Калпнна, Г.Д. Деля; А.Г. Овчинникова, Ю.М. Ары-ш.енского, Ф.В, Гречникова, Ю.А. Алюшина, С. И, Вдовина, Ю.А. Авср-Kiiena, Р. Хилла, Г. Закса, Э. Зибеля, Э. Томсона, П; Бриджмена и других. В работах этих ученых разработаны и усовершенствованы методы анализа процессов пластического формоизменения, даны их приложения к анализу деформирования листовых и цилиндрических заготовок.

В значительной мере основы теории, технологии И оборудования импулБсных методов штамповки базируются на результатах работ отечественных и зарубежных школ, к которым принадлежат О.Д. Антоненков, A.M.. Балтаханов, И.В-. Белый, Ш.У. Галнев, В.А. Глущенков, С.Ф. Голо-вашенко, A.A. Есин, Е.Г. Иванов, В.Н. Кислоокий, С.М. Колесников, A.B. Колодяжный, А.Д. Комаров, В.Д. Кухарь, В.Я. Мазуронский, B.C. Мамутов, В.М. Михайлов, Е.А.;Попов, Ю.А. Прпов, В.Н. Самохвалов, А.С Сахаров, А.К. Талалаев, Л.Т. Химёнко, В.Н. Чачин, Г.А. Шнсерсон, Б.А. Щеглов В.Б, Юдаев, С Л Яковлев, tf. Dielz, Н.Р Furth, J. Jablonski, II Lippman, ЯН; Post, H.P. Wariick, Я' Winkler и другие. '.

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

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

Б литературе отсутствуют комплексные исследования и анализ влияния конструктивных и технологических параметров в процессах получения продольных и поперечных пазов, сборочных соединений. Отсутствуют подходы к расчёту параметров качества получаемых деталей и соединений, что не позволяет на стадии проектирования определять их конструктивны!. параметры, проводить оптимизацию технологических процессов, оборудования и инструмента.

Применение численных методов для расчета операций формообразования пазов, сборки и калибровки, проектирования инструмента позволяет провести анализ механизма формоизменения и дать рекомендации по выбору оптимальных параметров технологического процесса и оборудования, что в настоящее время является нерешенной задачей. Метод конечных элементов (МКЭ) для решения динамических задач импульсного уп-ругопластического формоизменения с'наличием движущихся контактных поверхностей практически не применялся из-за отсутствия достаточно надежного алгоритма реализации граничных условий.на таких поверхностях.

, Варьируя параметрами индуктора, количеством блоков установки, энергоемкостью, а следовательно, фазой и амплитудой.разрядных токов в индукторе можно создавать сложные законы изменения давления импульсного магнитного поля, что позволяет управлять процессом деформирования заготовки и расширить технологические возможности МИШ. Определить наилучшую для конкретной технологической операции форму импульса давления можно на основе численного решения и оптимизации параметров системы «установка-индуктор-заготовка» по критерию, минимума энергоемкости.

На основе поставленных научных проблем определены следующие основные задачи исследований:

1. Разработать определяющие соотношения конечно-элементного анализа динамического формоизменения трубчатых заготовок в процессах

Магнитно-импульсной щтамповки с учетом контактного взаимодействия и подвижных границ (скольжение и относительное перемещение) заготовки с инструментом.

¿. Исследовать операции и создать методологические основы формообразования продольных и поперечных пазов на трубчатых заготовках при воздействии импульсных магнитных полей с применением жесткого и упругого инструмента.

3. Провести исследования и разработать теоретические основы расчета оптимальных режимов работы и форм импульса давления при МИШ трубчатых заготовок. .'

4.- Исследовать основные физические явления и характер протекания электромеханических процессов при рабрте индукторных систем, создать математические модели для анализа силовых и температурных условий функционирования системы «индуктор-заготовка» в процессах магнитно-импульсной штамповки,

.5. Разработать компьютерные модели расчета оптимальных параметров технрлогических процессов, индукторных систем и установок для МИШ трубчатых заготовок.

6. Создать комплексные математические модели и методику проектирования, позволяющие производить расчет основных параметров технологических операций МШи, инструмента и оборудования.

Но втором разделе изложены общие принципы построения математических моделей технологических операций МИШ, получены основные зависимости и уравнения для анализа задач динамического формоизменения с помощью' МКЭ на основе вариационных принципов теории пластичности.

Получение основных соотношений конечно-элементного анализа процессов уиругопластнческого деформирования рассматривается на примере пчоской задачи, где с учетом допущений об изотропности и линейном упрочнении материалп, а такяс подобии, арл иктнвном на! ружении, девиаюрй деформаций дешш.ору мпряжгннй записано вариационное уравнение Лагранжа с учетом даламбёровых сил инерции в виде:

• -[а8ЫК.= ГГ— р ¡РШ(1Г-\~ (У(у)8С/г/5,(1)

V ^ ' Л J

V V [-• 5

. где р - плошость материала; 0, Е- ¿икус.ри напряжений и деформаций,

и, и, - векторы ускорений, перемещений, массовых и внеш-

них сил соответственно; К,-. 5 - объем и площадь поверхности тела соответственно.

Обобщенный закон Гука записывали с помощью матрицы жесткости

через вектор перемещений узловых точек конечного элемента -. |{У |:

{а)=[Х)].{а}=[£.].[С].{б}, V

где - матрица упругости, [С] - матрица функций формы элемента. Матрицу жесткости элемента представляли следующим образом:

М=МЧЖс]-£. (3)

где 2 - площадь конечного элемента.

Далее, на основе метода Релея - Ритиэ, используя уравнение (1), получили взаимосвязанную систему алгебраических уравнений

где К - матрица жесткости; М - матрица масс; Р, А - векторы внешних сил и ускорений элемента.

При решении упругопластической задачи связать напряжения и деформации по участкам пластических Деформаций и упругой разгрузки можно линейным законом, если решать задачу в приращениях напряжений и деформаций. Тогда получим линейную матрицу жесткости, а уравнение движения элемента в момент времени ^ примет вид ]

0 0

где

Д£/ и АР

- векторц приращений перемещений и внешних сил соответственно.

При упругих деформациях связь между приращениями напряжений И деформаций выражается законом Гука, который в случае плоского деформированного состояния имеет вид:

(Да) = [£)]• {Де}, (6)

где матрица упругости

"1-у V О

И=

(1 + у)(1-2У)

у 1 - V 0 0 О 0,5 -V

При пластическом состоянии материала, в соответствии с принятыми положениями, его объемная деформация и ц пластической зоне остается упругой и для нее выполняется объемный закон Гука, э упругий модуль

сдвига 0е заменяется пластическим модулем сдвига 0Р, связанным с Пластическим модулем упрочнения Н линейным соотношением.

С учетом этой поправки матрица в пластической зоне также линейна и имеет вид;

V

Е

1-

■2v

v

+ 25

•2v О

-

О

+2 S О

1+35

где

3

"1,5 Е

Зная текущее состояние элемента, предел текучести, накопленную деформацию и приращения внешних сил, определяли напряженно-деформированное состояние на шаге по времени А/, используя для вычисления матрицы жесткости К по формуле (3) либо ее упругое, либо пластическое представление. Для проверки разработанной математической модели была решена задача По раздаче бесконечно длинной гладкой трубы и выполнено сравнение с решением, полученным по теории тонких оболочек. Показано, 41о предложенная математическая модель адекватно описывает процессы динамического унругопластического деформирования и может быть использована для практических расчетов.

При решении задач калибровки, сборки, получения патон были рас смотрены на основе конечно-элементного подхода возможные варианты контактного взаимодействия или соударения заготовки с инструментом, которое может происходить как со скольжение?! заготовки относительно оснастки, так и без этого, причем оправку можно считать абсолюпю жесткой или упругопластической.

В основу, математической модели контактного взаимодействия без скольжения положены следующие допущения: заготовка и инструмент представляют собой унругоштстическНе тела, обладающие свойством непроницаемости границ; начало контакта заготовки с инструментом определяется совпадением их границ, после чего границы заготовки и инструмента как бы «прилипают» друг к другу; интегрирование уравнении движения контактирующих узлов заготовки и инструмента выполняе гея совместно, не находящихся в контакте - независимо; вычисление узловые сад выполняется раздельно для конечно-элементных сеток инструмента и заготовки с последующим определением результирующих сил для контактирующих поверхностей; прекращение контакта взаимодействуют!1.:: тел определяется сменой знака узловых сил заготовки и инструмента. Проверка адекватности данных моделей контактного взаимодействия проводилась на основа сравнения результатов расчета с экспериментальными Данными río раздаче трубчатой заготовки из сплава АМгбМ в матрицу из

органического стекла. Погрешность определения максимальной скорости отскока заготовки от матрицы после соударения составила около 7 %.

Полученную модель контактного взаимодействия без скольжения использовали при моделировании процесса запрессовки, осуществляемого путем раздачи круглых труб [ 6 ]. В декартовых координатах выделяли наименьший симметричный сектор, что позволило значительно уменьшить размерность матрицы жесткости [А'] и, следовательно, увеличить

скорость и устойчивость вычислительного процесса.. Наложение граничных условий проводили путем обнуления перпендикулярных к границе сектора узловых перемещений, скоростей и сил.

Модель контактного взаимодействия тел со скольжением применяется, если заготовка (или матрица) некруглая, либо имеет пазы или ребра жесткости, где необходимо учитывать скольжение и связанное с ним контактное трение. Процесс контактного взаимодействия элементов при этом распадается на три этапа: касание узлом заготовки границы инструмента (собственно удар), совместное движение узла и границы (скольжение) и размыкание контакта.

Для расчета осесимметричных заготовок в декартовых координатах предложено выделять наименьший симметричный сектор с углом менее 90°, что приводит к значительному сокращению вычислительных затрат и повышению устойчивости решения задачи. Показано, что значительное влияние на величину натяга в соединении оказывает предварительный зазор между трубами перед запрессовкой.

Для деформируемого тела, участвующего в процессе взаимодействия, все силы делятся на внутренние и внешние. Внутренние силы учитываются взаимодействием конечных элементов, а внешние - представленной ниже математической моделью (15].

Рисунок 1. Конечно-элементная схема взаимодействия тел

к _ '1 I, _

где ЛГ, —--——-—, Кг —

Процесс касания узла заготовки с ребром конечного элемента инструмента, схема которого приведена на рисунка I, описывается системой уравнений: ■

ДКт + АУ т + ДКт = 0;

- ДГт /

г ,Л+ ' (7)

3 3 /,+/, "

где индексы «I» и «2» относятся к инструменту, «3» - к заготовке, неизвестными Величинами являются невязки скоростей дг„ дк2, ау3, учет которых приводит все три узла к совместному движению на одной прямой. Решение системы (7) имеет вид:

АУ = к-АУ' АУ=к.-АУ< АУ ~ "ИаМ

щ-К . к 'щ-'Ь /«,•(/,+/,)' 12 Н)'

Взаимодействие смежных ребер границы инструмента учитывается путем многократного последовательного решения системы (7) относительно невязок скоростей

ДР|, ДК2, ДУ3 для каждой контактирующей пары «узел-ребро» до тех пор, пока соответствующие скорости перестанут уточняться.

Во время скольжения узла заготовки по границе инструмента (совместное движение узла и границы) еро поведение описывается системой уравнений (8) в локальной системе координат границы элемента Х]01У1 (см. рисунок 1):

I, = Щ Л; А} •(/, + /2) = 4, /2 + ^

где УП2- массы узлов, образующих границу элемента; Щ - масса узла заготовки» ^ - суммарные узловые силы; А^, А3 - неизвест-

ные ускорения; А/^, Д/^, Д/^ - неизвестные невязки внешних сил для соответствующего тела, то есть добавку к внешним узловым силам, которые удовлетворяют равенствам системы (8) и обеспечивают движение . трех узлов по одной прямой 0}Х/ (рисунок 1). Решение системы (8) отно-

сительно невязки имеет рид:

Ар = _1h_üh_^_•

3 / + / l2 P

tx±Si. + _il__ + ___

«Ъ WaC. + О + l2)

Остальные неизвестные невязки внешних сил определяются непосредственно из системы (8), которая описывает взаимодействие ребра одного элемента инструмента с одним узлом заготовки. Взаимодействие смежных ребер границы инструмента учитывается путем многократного Последовательного решения системы (8) относительно неизвестных невязок сил AFJ, АF2, AF3 для каждой пары «узел-ребро» до тех пор, пока соответствующие силы перестанут уточняться.

Применение конечно-элементной модели динамического контактного взаимодействия упругопластических тел со скольжением дает следующие преимущества:

- возможность строить для контактирующих тел конечно-элементные сетки независимо друг от друга и не согласовывать положение узлов на поверхностях контакта;

- возможность рассчитывать контакт твердых тел сложных форм, когда невозможно предсказать наличие или направление скольжения на конкретных участках контакта в процессе совместных деформаций.

Предложенные модели динамического упругопластическогр деформирования позволяют описывать процессы штамповки, калибровки, запрессовки и прочие, как с отсутствием скольжение контактирующих поверхностей, так и с наличием скольжения, в зоне контакта, при этом имеется возможность решения задач, в которых контактирующие тела.могут быть неосесимметричны.

В третьем разделе приведены результаты исследований процессов . получения кольцевых и продольных пазов на трубчатых заготовках. При расчетах этих операций с помощью. МКЭ для получения более точных результатов необходимо учитывать влияние изменения формы и вращения конечного элемента вр время каждого приращения Maijoft деформации. При математическом описании Данных задач была применена инкрементальная теория, что в МКЭ требует.использование пошагового алгоритма, особенностью которого является решение задачи формоизменения в приращениях перемещений, деформаций и напряжений - адаптивная формулировка унругопластического анализа МКЭ.

Были проведены расчеты процесса раздачи давлением ИМП трубчатой заготовки в матрицу с продольными пазами [ 14 ]. Прй заданной reo-

мстрни паза и условий нагружепия, максимальная интенсивность деформаций достигается в вершине рифта, в = 35 %. Для всех вариантов расчета относительная разница перемещений вершины рифта составила менее 1 %. Однако расчеты показали значительное качественное отличие принятых подходов гс решению задачи. Затраты машинного времени на расчет этих вариантов относительно первого, принятого за базовый, соотносятся примерно как 1.0 : 4.0 ; 1.45 : 5.0, Выполненное сравнение с экспериментальными данными показало хорошие Качественное подобие и количественной соЕпадийт? для яяривнтя применен** ннкрстеш^ышго аЛгЬр;:т: с использованием тензора Коши, чш обеспечивает приемлемые мпштгтгтгое время счета И точность расчетов. Поэтому дальнейшие расчеты проводили с использованием изложенного подхода.

Анализ результатов численного моделирования процессов раздачи и обжима в поперечные и продольные пазы позволил установить, что накопленная пластическая деформация распределяется неравномерно по длине деформированного участка [9, 10 }. Наибольшая деформация при малой ширине паза, как правило, достигается в основании рифта. Второй пик деформаций приходится па вершину рифта, На других участках деформзщп! как правило не превышают 5 %, что подтверждает неравномерный харак-зер формоизменения заготовки.. Результаты расчетов показали, что только при значительных величинах давления ИМИ и относительно широких палах матрицы форма рифта заготовки может быть аппроксимирована дугой окружности, как это предполагалось при анализе этих процессов на базе безмоментной теории оболочек. В остальных случаях вершина рифта (центральная часть оболочки) практически не деформируется и не искажает своей первоначальной формы.

Проверку адекватности разработанных математических моделей и результатов компьютерных расчетов для операций обжима и раздачи в матрицы с поперечным» и Продольными пазами осуществляли на основе сравнениях экспериментальными данными, полученными при деформировании заготовок на магнитно-импульсной установке МЙУ-Т2 и теоре-! тическнми решениями, полученными на основе безмоментной теории оболочек. На рпсунтсс 2 приведены'зависимости, построенные на основе: «Расчет» - расчета по теории тонких оболочек-; «МКЭ» - расчета по методу конечных элементов; «Опыт» - экспериментальных данных.

Полученные результаты демонстрируют удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных данных, а также показывают, что расчет на основе МКЭ, как правило, дает более точную оценку по относительным перемещениям, чем анализ по безмоментной теории Оболочек.

Далее рассмотрены проблемы создания вторичных математических моделей (ВММ) процессов МИШ' на основе машинного эксперимента с использованием полученных моделей, методов поиска оптимума много-

мерных систем и планирования эксперимента [ 27, 33 ], что позволяет перейти от частных эмпирических зависимостей к общей, дающей математической описание картины процесса во Всей сложности и Взаимообуслов-

ленности,

Рмши * ПйПвр«ч>»м пш на НУ~Т2

РЫДЯча я (фодопым* ПШ Д* * ■ 6.1 КДО

-V с 4

- , • 1 О 1- РАСЧЕТ у 2- НО 0 3- сшг

/

7 /

/ // У

¿У X

А И-'

У

4.! 5

10 и 14 К и 39

УГОЛ ГОСПОД ПАЗА, градус

а) б)

Рисунок 2. Сравнение опытных и расчетных данных для. процессов: а) поперечной б) продольной рифтовки

Варьируемыми параметрами в процессах поперечной рифтовки являлись: Ипаза I Озаг - относительная ширина паза матрицы; условное давление ИМП, где ктт, Оюг- ширина паза.матрицы и диаметр трубчатой заготовки соответственно, После обработки результатов моделирования на основе разработанных алгоритмов и программ получены В ММ в виде полиномиальных зависимостей от варьируемых параметров. Полученные' зависимости позволяют дать рекомендации по выбору значений силовых и геометрических параметров при проектировании технологических процессов поперечной рифтовки ИМП. Анализ зависимости относительного перемещения вершины рифта от Исследуемых факторов процесса поперечной рифтовки позволяет сделать вывод, что при постоянной ширине Лаза Одну И ту же деформацию основания можно получить при разных значениях условного давления ИМП, то есть при реализации разных силовых режимов. При проектировании технологической операции поперечт ной рифтовки для выбора геометрии и силовых параметров процесса наиболее предпочтительной, с точки зрения равномерного деформирования материала, является зона, где деформации вершины и основания одинаковы ( 6 /.6^ — 0.8 ... 1.2 ), что возможно только при больших значениях условного давления ИМП и относительно щироких пазоа (рисунок

з). • •• .•". . . ' ' ■ ■'■•"" ■'.•-'■'

раздача в поперечнье пазы

, %

ш

Рисунок 3. Отношение деформации вершины к деформации основания

рифта при раздаче в поперечные пази

При исследовании процесса продольной рнфгоакн потными технологическим!! параметрами являются геометрические харамгристики контактирующих тел, токие как радиальный зазор между заготовкой и матрицей, и радиус кромкч матринь: 5 осногашш рифта, а та.гжо условное давление ИМГ1, рабочая частота разряда, п угол раствора паза. Проведенный анализ полученных (аБиснмосТ'Л! чыявил некоторые тендешиш взаимодействия оснастки с заготовкой { 5 ]:

; пр" м°пых значениях садиалыюго зазора и ширины паза матрицы одну и ту же деформацию основания можно получить при разных значениях радиуса скругленич матрицы;

- при проектировании технологического процесса МИЩ для выбора И определения геометрических параметров инструмента наиболее предпочтительной, с точки зрения равномерного ¿сформирования материала, является зона с одинаковыми деформациями вершины а основания

1 ■•• 1-2). что возможно только при относительно больших

значениях радиуса скруглеция матрицы;

- анализ влияния рабочей частоты разряда и угла раствора паза матрицы на деформацию р основании рифта показал, что поверхность отклика йосит минимаксный характер. ' .; • '

- для равномерного распределения деформаций в зоне рифта можно

рекомендовать для данных условий технологического процесса, значрния рабочей частоты разряду 26 кГц и угол раствора паза матрицы 25°, что позволяет практически на всем интервале изменения условного давления импульсного магнитного поля получить соотношение деформаций 6 пределах 0.8 ^ £ /Б < 1.2. " • ~т "еерш рсн —

В четвертом разделе для исследования и моделирования режимов технологического процесса и работы оборудования разработана электромеханическая модель системы «оборудованне-инструмент-заготовка» [ 1)5, 19, 20, 25, 26 ]. При создании этой модели с учетом взаимовлияния электрической и механической подсистем была рассмотрена система электрических уравнений процессов, происходящих при разряде, совместно с уравнением движения заготовки. При моделировании приняты допущения; материал заготрвки является изотропным, жесткопластическим и упрочняется по линейному закону, а основная деформация реализуется в поперечном сечении заготовки; материалы заготовки и индуктора не магнитные, электромагнитные процессы в разрядной цепи системы «МИУ-Индуктор-заготовка» рписываются уравнениями теории цепей, а весь протекающий ток сосредоточен в скин-слое. МЙУ, конкретно ее разрядный контур, бъщ представлен эквивалентной двухконтур^ой схемой замещения. .

В математической модели взаимосвязи электрической и механической подсистем применен метод неременных- состояния, положенный в основу метода формирования математических моделей в программном комплексе схемотехнического проектирования РЯ^ШБ. В данной модели

решается система уравнений:

1 12 2

ш- аз т 0 5

¿д . , ах, „ ,, сЦу .. ЗМ,

ъм

— ■--Г

о.ь

Гч . Г/ .

Рчех ~ Р1

"" ■а ' 2 д 5 (9)

г

Где и = и2~и1 и V ~ Уг ~ У\ ' разницу потенциалов и радиальных скоростей на узлах модели ■ в ее электрической и механической частях;

/3- токи в индукторе и заготовке; понДеромйторНая сила, действующая на заготовку; Я2ГЯ - сопротивление и радиальное перемещение стенки заготовки. Таким образом электрическая часть модели зависит от

скорости движения заготовки в радиальном направлении V. и изменяющихся от геометрических параметров индуктивности заготовки L7 и взаимной индуктивности индуктора и заготовки -Мп. В свою очередь, как

видно из системы (9), электромагнитная сила FUEX зависит от мгновенных

значений токов и изменяющихся электрических параметров (Х2 и Мп) и>

следовательно, текущих геометрических параметров заготовки и ее механических характеристик.

Для решения полученной системы алгебраических уравнений (9) с использованием схемотехнического комплекса PMA DIS были получены аналитические зависимости для элементов матрицы Якоби системы (матрицы узловых проводимостей), представляющие собой частные производные от токов (усилий) по потенциалам (скоростям) узлов, и текущих значений сопротивления R2 и индуктивности Ь2 заготовки, а также взаимной индуктивности Л/,2.

Одним из основных параметров, определяющих кинематику деформационного процесса, окончательное формоизменение и точность получаемых деталей является 'форма импульса давления. Дискретное изменении параметров разрядного контура во время процесса деформирования заготовки, варьирование частотой, фазой и амплитудой разрядных токов, программируемое последовательное подключении дополни s елыилх конденсаторных блоков-модулей к общему индуктору позволяет расширить технологические возможности МИШ. Оптимальную форму импульса давления для конкретной технологической операции можно получить на основе решения задачи динамического формоизменения загоювки с применением планирования эксперимента и итеративных методов поиска оптимума многомерных систем. ...

Исследования проводились Для операции раздачи трубчатых заготовок из стали 08кП, лвгуни Д63 и алюминии АМг2М. Варьировалась энергоемкость оборудования, его собственная частоте, и сопротивление. Так как низкочастотные М!4У применяются, в основном, для контактных способов обработки, моделировалась работа на среднечастотных ( /¿ = 7П...75 кГц ) и высокочастотных ( f(.~ 73...ï"О кГц) усчааоьках. Результаты расчетов далее ьодьергшшсь с?а'(исткч".скс>й обработке, питерпола-ции кубическими сплайнами и аппроксимации полиномами более пысоко-го порядка.

Анализ зависимостей отношения радиальной деформации заготовки при режиме кроубар к ее деформации при обы'Чнр'м периодическом разряде для высокочастотных и среднечастотных МИУ, полученных на Основе математического моделирования различных режимов и форм разряда

блочных конструкций МИУ дл^ операции раздачи трубчатых заготовок (рисунок 4), позволил выявить общие закономерности влияния параметров МИУ на процесс формоизменения заготовки 'из разных материалов [24}. Можно отметить, что полученные графики качественно подобны для заготовок из разных материалов и зависят от соотношения собственных частот установки и заготовки, а также параметров индукторной системы.

схвдшгаскяшк »у

вдоктАсгсггнш маг

1- В5г2Н

2- латуч.

3- латунь ,

-1.3

4- окиа.08, -0.9

5-СмдЫИ, »„/{3^,-1.5

10 15 20

&НЕ ?ГИЯ ЭЛ2ЯД1И , жОя ■

10 20 30 40 60 ' СО 8Н£ РГИ? 5А»ИММ , КД*

а)

б)

Рисунок 4. Зависимости отношений деформаций Ел./Еп •' а) - среднечастотнре; 6) - высокочастотные установки

Для среднечастотных МИУ(рисунок 4а), в пределах варьирования относительной частоты установки 0-8 — /о//ЗЛр 1.5, при изменении энергии зарядки, как правило, имеется максимум отношений Деформаций Б к /б п , показывающий, что для моделируемых заготовок режим кроубар

является предпочтительным при деформациях 5 Б ^ 20 %, что характерно для формоизменяющих операций- Для высокочастотных МИУ режим кроубар представляется более выгодным только при деформациях £ <3..,5 % (рисунок 46), что типично ддц операций калибровки и сборки.

Показано, что комбинируя .варианты согласного включения первоначально одного или двух различных цо параметрам И энергоемкости блоков конденсаторов, можно ТШ1ЬК0 33 счет этого увеличить величину деформации заготовки примерно на 10 % при постоянной энергии зарядки МИУ, когда сначала в разрядный контур передается не менее 50 % запасенной энергии [24]- Другие варианты практически не дают увеличение деформаций заготрвки.

В пятщу; разделе разработана математическая модель систем*

«индуктор-заготовка» для расчета электромагнитных, температурных и силовых параметров данной системы при Штамповке ИМП [ 1-4 ]. В основу математической модели положены следующие допущения: распределение токов, объемных сил и температур симметрично относительно оси индуктора; размеры системы малы по сравнению с длиной излучаемых электромагнитных волн; не учитываются явлений гистерезиса и нелинейность характеристик ферромагнетиков; диэлектрическая и магнитная проницаемости среды принимаются постоянными.

На основе уравнений математической физйкИ с использованием МКЭ разработана математическая модель процессор, протекающих п системе «индуктор-заготовка» при МИШ.. Используя уравнения Максвелла, векторный потенциал магнитного роля, можно записать закон Ома:

цiin fô j dV д j

. Ьг-= Ec--' 00)

4tv Jdt r a

v

rte Ëc- внешнее электрическое поле, создаваемое конденсатором, В/м; j -плотность тока; t - время, с; Ц = 4it,10"7 Гн/м - магнитная постоянная;

Ц0 - относительная магнитная проницаемость; О - проводимость материала, 1/(Ом-м); Г - расстояние между точками. Уравнение (10), используя свойство осевой симметрии задачи, проинтегрировали по угловой координате:

ЦЦо

х JJJ r.„ dt О

(il)

4л ^ ■> г., (г

5 I, 12 I2

Учитывая, что первая часть уравнения (11) есть взаимная индуктивность двух элементарных круговых контуров /, и /2, где Ги- кратчайшее

расстояние между ними, И добавив к уравнению (11) уравнение изменения тока на конденсаторе от времени, получили систему уравнений (12).

dt с к '

Интегрирование во втором уравнении системы (12) осуществляется по площади сечения индуктора Проведя преобразования системы (12), получили систему линейных дифференциальных по времени уравнений (13) с постоянными коэффициентами, для численного решения которой

применялся МКЭ. '

В системе (13) обозначено: Ь - взаимная Индуктивность элемент тарных контуров Ш и П, проходящих через центры масс элементов; (Ул— напряжение на элементе: оно соответствует напряжению на конденсаторе, если данный элемент принадлежит индуктору, и 0 - если заготовке;. 1п -ток, протекающий по элементу. Были использованы треугольные конечные элементы нулевого порядка, т.е. распределение плотности тока по элементу считалось равномерным. Вариант разбиения индуктора на конечные элементы показан на рисунке 5.

Диагональные элементы матрицы индуктивностей вычислялись:

г coscp d(p

S, ¿ í +r2- 2rm r eos cp + (zm - z)

где интефалы по углу и по площади определялись по методу Гаусса с использованием полиномов Лежандра с 10-ю абсциссами, что обеспечивает относительную пофешность порядка 0.5 %.

На основе известного распределения токов определялись электродинамические силы и температура в каждом элементе поперечных сечений индуктора и заготовки. Пондеромоторные силы вычислялись как производные от энергии электромагнитного поля по координате при неизменных на временном шаге счета токах в индукторе и заготовке. Радиальная и осевая силы взаимодействия между двумя элементами соответственно равны:

. F" = —/ ;

4 . дг ' я 8z ' ' .

Скорость нафева определяли следующим образом:

dT = Infjdsjr = /. dt 2nr<j(d Sfpc peo'

где p~ плотность, С - удельная теплоемкость материала.

Были-решены задачи о распределении плотности тока и объемных сил по сеЧенйям одновиткового и многовиткового индуктора с заготовкой. Заготовка располагалась снаружи индуктора, соосно и согласно с ним. Моделировалась операция раздачи, при этом на фафиках, где приведены рассчитываемые параметры для заготовки, взяты буквенные обозначения сечений аналогично.индуктору, показанному ца рисунке 5.

Сечения витков индуктора и заготовки на рисунках б-В нумеруются

1 виток 2 виток 3 виток Заготовка

. 1-3 4-6 7-9 10-12

где номера соответствуют обозначениям сечений на рисунке 5 по радиальной координате Г : 1,4, 7, Ю - А-А; 2, 5, 8, 11 - Б-15; 3, 6, 9, 12 - В-В;

rio высоте Z : 1,4, 7, 10 - Г-Г; 2, 5, 8, 11 - Д-Д; 3, 6, 9, 12 - Е-Е. Принятые параметры индуктора и заготовки при моделировании динамических процессов в исследуемой системе приведены в таблицах 1 и 2.

Рисунок 5. Разбиение индуктора на конечные элементы

Распределения плотностей токов в индукторе и заготовке для момента времени 1=5 мке, когда ток в цепи индуктора достигает максимального значения, приведены на рисунке б, из которого видно, что токи в индукторе и заготовке противоположно направлены, что подтверждается как экспериментальными данными, так и приближенными решениями. Па рисунке 6 наблюдается яркр выраженный скин-эффект: плотность тока в индукторе максимальна со стороны заготовки (кривые 3, б,9), а в заготовке - со стороны индуктора (кривая 10). Согласно закону Ампера противоположно направленные токи отталкиваются, что подтверждает распределение объемных сил (рисунки 7-8). Они сконцентрированы в поверхностных слоях индуктора и быстро цадают внутри- Объемные силы распределены симметрично по высоте, что связано с симметрией положения заготовки относительно индуктора. Эта симметрия может нарушаться при смещении заготовки, то есть ее несоосном или несогласном расположении. На рисунке 7 показано распределение радиальных составляющих объемных сил Е*, а на рисунке 8 - осевых составляющих объемных сил р2 «о высоте витков индуктора (1-9) и заголовки (10-12/ Анализ усилий, приведенных на рисунках 7-8, позволяет.сделать вывод, что индуктор подвергается сжатию в радиальном направлении И растяжению по Ьысоте, а заготовка - соответственно растяжению по радиусу и сжатию по высоте.

Таблица 1 - Параметры индуктора и конденсаторного блока,

внутренний радиус, мм . 20

толщина витка, мм 10

высота витка, мм В

толщина изоляции, мм 2

материал бронза БрБ2

число витков 3

начальное напряжение на конденсаторе, кВ 13

емкость батареи конденсаторов. мкФ 120

Таблица 2 - Параметры заголовки

внутренний радиус, мм 29

толщина, мм 1.2

высота, Мм .28

материал АМг2М

0 работах А-.К. Талалаева приведены экспериментальные данные по рыбору оптимальной формы ритка индуктора из латуни Л63, где рекомендуются выполнять витки со скругленными кромками или с фасками на рабочей поверхности.

' ДОЮ

Рисунок 6. Распределения плотности разрядного тока по высоте витков индуктора (!-9) и заготовки (10-12)

—, ■ 11— 11

— - 12 —

2 5 8

\

Рисунок 7. Распределение радиальных составляющих объемных сип по высот г витков индуктора (1-9) и заготовки (10-12)

Рисунок 8. Распределение осевых составляющих объемных сил Fz по высоте витков индуктора (1-9) и заготовки (10-12)

Нами были выполнены расчеты распределения плотностей токов для 3-хвитковых индукторов из латуни, сечением витка 10 х }0 мМ, как без фаски, так и с фаской 2 мм на рабочих кромках каждого витка, обращенных к заготовке. Заготовка была высотой 32 мм из сплава АМг2М, с толщиной стенки 1 мм. Результаты расчетов показали, что наличие фаски на рабочей кромках индуктора действительно приводит к перераспределению токов в приповерхностном слое, обращенном к заготовке, то есть к снижению максимальных значений токов в этом слое в данном случае на 15 %, что приводит к понижению среднего значения тока в заготовке на 8...10 %. Кроме того, как показали расчеты, при наличии фаски максимальна^ амплитуда колебаний осевых усилий, действующих на крайние витки индуктора, увеличивается примерно на 25 %, а период колебаний осевых сил несколько больше, чем период колебаний тока разряда.

На основе разработанной математической модели проведен анализ распределений токов и температур по сечению индуктора с использованием экспериментальных данных для биттеровского индуктора, применявшегося в опытах Талалаев? А.К. Сечение индуктора при расчетах было разбито на 500 элементов. Результаты распределения температур и токов по сечению индуктора, полученные в расчетах, близки к эксперименту, особенно, если учесть дополнительные потери в реальной установке. Экспериментальная кривая импульсного тока разряда имеет хорошее подобие с теоретической. Максимальный ток в эксперименте и теоретическом расчете отличаются примерно на 2 %, а расчетная температура больше экс-. периментальной на 15 %, однако не исключено, что в эксперименте в действительности достигалась более высокая температура, но вследствие применявшейся методики (измерение температуры по оплавлению легкоплавких покрытий, в данном случае - олова) она не была зафиксирована. Таким образом, наблюдается близость экспериментальных и теоретиче-. ских данных, что подтверждает адекватность разработанной модели.

Полученные в результате расчетов распределения усилий, токов и температур по сечениям индуктора И заготовки, используются для определения технологических параметров процесса пластического формоизменения заготовки, его энергоемкости, назначения режимов работы и про-^ • * . ектирования инструмента.

В шестом разделе рассмотрен вариант математического моделирования процессов МИШ с использованием комплексного подхода, Проведены исследование процесса обжцма и моделирование параметров системы «установка-индуктор-заготовка» для заданной технологии на основе факторного машинного эксперимента [ 22 ], получены математические модели процесса МИШ для типовых материалов-представителей [ 23, 32], а также на основе комплексного подхода разработаны технологические процессы МИШ: калибровка труб, имеюЩцх начальное искажение профи-

ля; несоосный обжим труб, получение сборочных соединений [15, 3J ]. Представлена разработанная методика комплексного проектирования технологии и оборудования процессов МИШ, приведены результаты и опыт внедрения технологических процессов МИШ.

Показано, что увеличение степени деформации заготовки можно достигнуть при одновременном варьировании параметрами индукторной системы - числом витков индуктора и его материалом, что расширяет технологические возможности процесса. Например, оптимизация параметров индукторной системы при обжиме трубчатой заготовки позволила cinnitTi. энергоемкость orrepamw практически в 2 раза. Выполненные на установке МИУ-20/1 ХПИ натурные эксперименты по обжиму толстостенных образцов из меди М2 показали расхождение с теоретическими результатами по деформации заготовки в пределах 8 %, что подтверждает адекватность разработанной математической модели [20].

'Проведенные машинные эксперименты по раздаче трубчатых заготовок из алюминиевого сплава АМг2М, латуни J163 и стали 08кп, с последующей статистической обработкой результатов на основе автоматизированной системы экспериментатора [ 33 позволили получить В ММ системы «МИУ-индуктор-заготовка» и проанализировать лдииние параметров снуемы на энергоемкость операции. Анализ многомерных парамсгриче-ских зависимостей -шсргоемкосги процесса М'ПП длч рнлшх ишериапов позволил определить значения собственной частоты установки п параметры индукторной системы, оптимальные по критерию минимума люрюем-коен: операции | 23 (. Сравнение величин ?а.*ргоемкч»С1и установки при раздаче заготовок показало, что ляп различных m> .-в»!"« физическим vBoftnaaM материалов заготовки имекпел мшшмумм энергоемкости операции, которые иапучиогац при равных значениях собственной чистоты МйУ и числа витков индуктора.

для да.пглх геометпичес.чпх нип.петроа '¡р; б чагой за го то я к л молено рекомендовать ¡яс.,о .xiiixui-i ныдукгара длл .ллилпев'лх и латунных заготовок = 5, для стальных - Л^ = 9. Увеличение геометрических размеров - толщины стенки'и длины заготовки приводит к соответствующему пггаи'шрнмю ?нерг'>емк?лт!» пронес?, "" гтр" га .Tfitvn.'.i" *ятсяа

>п;;ов индуктора (p~i>o4eii чаенпы .о,тз:зл;;a) sri.j.i.,, ¡.-it-тс;,' трчпеформнро-¿aiiae характера этих зазиадя^сД, ¿iJjzuuu для дцгдошх wo-

говок, ч'го связано с изменением инерционных и частотных параметров v-нстемы.

Комплексный подход к проектированию технологических процессов МИД! и разработанные математические модели были апробированы на расчетах следующих, технологических процессов: калибровки круглых труб в многоугольных матрицах и труб, имерзщик отклонения и искажения круглого профиля, например, раздача давлением ИМП длинной ци-

линдрической заготовки с эллиптическим профилем в круглую матрицу; калибровки и сборки трубчатых заготовок с возможной несоосностью их, первоначального расположения; сборки трубчатых заготовок с заданными параметрами качества. • ■'

Созданные математические модели были испрльзораны для разработки технологического процесса сборки деталей амортизатора.' автомобиля ВАЗ [15 ]. Материалом корпуса и крышки является сталь 10. В процессе сборки конусная крьццка выполняет роль оправки, по которой обнимается корпус. Качества полученного соединения контролировали путем фиксирования втулки и приложения к корпусу стягивающего осевого усилия -/^=15 кН, заданного в технических условиях на сборочный узел, с последующим определением максимального осевого смещения напрессованного корпуса с конуса крышки. При проведении машинного эксперимента варьировали угод наклона конуса в пределах 15°$ (Х < 35°. Для обеспечения качественного соединения деталей амортизатора ВАЗ способом магнитно-импульсной сборки рекомендуется выбирать значение угла наклона крышки в пределах 25 ... 30й. • . "

При моделировании процесс« магнитно-импульсной запрессовки труб была получена ВММ, представляющая собой зависимость натяга в сборочном соединении от входных факторов [ 8 ]. Для'ее построения нами были выбраны, следующие факторы: услошюе давление ИМП; рабочая частота разряда; коэффициент затухания колебаний давления ИМП; начальный радиальный зазор между трубами. В качестве выходного факторе выбран конечный натяг (зазор) между трубами. Операция запрессовк* осуществлялась раздачей трубы в трубу, Так как предварительные экспе: рименты и их анализ выявили значительную нелинейность в характере за висимости Натяга в соединении от рассматриваемых входных факторов был синтезирован . симметричный композиционный ■ локально ортогональный план третьего порядка с варьированием исследуемых фак торов на четырех уровнях и содержащий 40 опытов в матрице плаиирова ния. Полученная ВММ позволяет определить степень натяга при сборк трубчатых заготовок при любом сочетании указанных факторов из их об ласти определения. Из факторов, наиболее сильно влияющих на стеиен натяга в соединении, в первую очередь следует отметить условное давда ние ИМП и начальный радиальный зазор. Можно отметить следующие з; кономерности для данных условий нагружения:. 1) существует онтимал ное условное давление в области 80...90 МПа и отклонение рт этой зон приводит к уменьшению натяга; 2) увеличение начального забора прив дит сначала к уменьшению натяга в соединении, а затем к егр росту, ч-можно объяснить увеличением радиальной скорости разгоняемой трубы моменту соударения. . .

При постоянном значении условного давления 85 МПа И изменен

начального зазора в пределах 0 < 5 < 0.25 мм, максимальный натяг достигается при рабочей частоте разряда /,чь= 20 ... 25 кГц и коэффициенте затухания колебаний (3= 10 кГц; при 0.25 <6 5 0.5 мм максимальный натяг получается при /;мв~10кГц и р=25кГц.

На основе математических моделей процессов МИШ трубчатых заготовок разработана автоматизированная методика расчетов, включающая в себя расчет технологической операции, выбор оптимальных режимов работы оборудования, параметров индукторной системы и оснастки { 12, 18, 19, 26-29, 32, 34, .37 ], а также алгоритм проектирования и комплекс прикладных программ [15, 36 ]. Комплекс включает базы данных по планам экспериментов и их критериям, по установкам и индукторным системам. При проектировании системы «МИУ-нндуктор-заготовка» и выборе ее параметров предлагается получать ВММ на основе машинного эксперимента в сочетании с факторным планированием и последующей оптимизацией полученных многомерных зависимостей. Выбор варианта расчета зависит от вида задачи: а) проектирование установки для заданной технологий; б) выбор установки для технологии из базы данных по МИУ; в) проектирование индукторной системы для заданных технологии и оборудования. В соответствии с этими вариантами выбирается математическая модель процесса. На первом этапе проектирования предпочтительно решать задачу выбора параметр .а технологии и оборудования на базе математических моделей, использующих интегральный электромеханический подход. Далее, определив интервалы изменения параметров системы и план машинного эксперимента, переходить к расчету оптимальных параметров процесса МИШ, используя конечно-эле'ментчь^ математические модели, что позволяет уточнить выбор и назначение параметров системы «МИУ-индуктор-заготовка».

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

Согласно тежнйческим условиям сборочный узел типа «штанга-пиафрагма» в процессе эксплуатации должен выдержать осевое усилие 250 кН. По существующей технологии сборка осуществлялась сваркой шганги ^тонкостенной трубы из алюминиевого сплава) с диафрагмой по боковым зоверхИостям последней. Процесс имеет высокую трудоемкость и энергоемкость, а также значительный процент брака, вызванного остаточными тпряжениями от сварки, приводящими к искажению формы штанги. При щализе конструкции на возможность применения МИШ по схеме (раздача», были произведены конструктивные изменения в обоих деталях выполнены кольцевые проточки. Количество выступов и канавок, а так-

же их геометрические размеры, параметры установки и индукторной сйс-темы были выбраны с учетом рекЬмендаций, полученных в разделах 3-5. Экспериментальные исследования и отработка режимов сборки осуществлялись на испытательном стенде опытного участка ОАО ТНИТИ (г. Тула). Были получены качественные сборочные соединения при энергий разряда 43 кДж (испытания собранных узлов на разрыв, проведеннйё на испытательной машине П-250, показали, что в среднем осевое усилие разъема Деталей составило 430 кН). Внедрение операции магнитно-импульсной сборки позволило при небольших конструктивных доработках мест сопряжений деталей, не отражающихся на процессе их функционирований в изделиях, значительно снизить трудоемкость изготовления И повысить качество сборки, а также способствовало механизации и автоматизации производства.

Узел «кожух-резьбовое кольцо» представляет собой мерный патрубок (труба АМц, 065* 1 ТУ 1-801-204-89) и резьбовое кольцо из стали 10. . По существующей технологии длинная труба разрезается на мерные заготовки и далее производилась закатка роликом конца заготовки. Затем внутрь вставляется резьбовое кольцо и пространство между ними заливается полиэтиленом. Предлагаемый технологический процесс, включает в себя магнитно-импульсную резку трубы на ноже и резьбовом кольце с од- . повременной сборкой rio схеме «обжим» отрезаемой заготовки с кольцом, что позволяет получить узел за одну операцию. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что по критерию минимума энергоемкости оптимальными являются следующие параметры процесса: частота разрядного тока fF¿E- 26 кГц, угол конуса резьбового

кольца а= 10°, длина конусного участка ■. Ь? 2 мм, зазор между резьбовым кольцом и ножом 2 = 6 мм. При проведении натурного эксперимента для изменения частоты разрядного тока использовались, три МИУ с различными значениями собственной частоты: fü= .20 ; 36 ; 60 кГц, и после изготовления опытных партий были получены соответствующие этим ус- • тановкам средние значения энергоемкостей операции WPAB~ 10.2 .; 6.5 ; j 4.0 кДжэ Эти результаты подтверждают рекомендации и выводы, сделан- . Ные ранее. По итогам проведения опытной партии и соответствуют!!* испытаний была разработана опытно-промышленная и. конструкторская, документация. Внедрение магнитно-импульсной технологии в прризвод- ■ ство позволило сократить металлоемкость узла, исключить операцию закатки, повысить производительность труда и культуру производства.

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

Запасаемая энергия, кДж 60

Максимальное рабочее напряжение, кВ 20 Собственная рабочая частота, кГц 60

Тип применяемых конденсаторов ИК-25-12

Число модулей 8

Установка предназначена для обработки трубчатых деталей из различных машиностроительных материалов. Каждый модуль установки содержит два соединенных параллельно конденсатора, подключаемых через разрядник ИРТ-6, снабжен выкатпой тележкой и имеет свои индивидуальные'системы охлаждения, зарядки и разрядки, блокировки и контроля. В целом каждый модуль оформлен в виде блока энергоемкостью 7.5 кДж с геометрическими размерами 1100*500*1020 мм. Варьируя числом модулей, программируя энергию зарядки и временную последовательность включения каждого модуля в разрядный контур, можно получать разнообразные законы изменения давления ИМП на заготовку.

основные выводы и результаты работы

В работе решены поставленные задачи:

1) Разработаны определяющие соотношения конечно-элементного анализа динамического формоизменения трубчатых заготовок в процессах МИШ с учетом контактного взаимодействия заготовки с инструментом.

2) Проведены исследования и созваны методологические основы процессов формообразования продольных и поперечных пазов на трубчатых заготовках в при воздействии ИМП с применением моделей жесткого и упругого инсфумеша.

' 3) Исследованы основные физические явления и характер протек?,-ния электромеханических процессов при воздействии ИМП На систему «индуктор-заготовка», разработаны теоретические основы расчета и ком-рыо1срные модели оптимальных режимов работы оборудован!! i и форм импульса давления при магнитно-импульсном формоизменении трубчатых заготовок. .

4) Созданы комплексные математические модели и методики проектирования, позволяющие производить расчет основных параметров технологических процессов, индукторных систем и оборудован:«! МИШ осе-спмметричных цилиндрических деталей. ■'

Проведенные исследования математических моделей процессов штамповки позволили уоганорщь новые закономерности пластического деформирования трубчатых заготовок и решить ряд задач, связанных с определением технологически^, параметров процессов деформирования трубчатых заготовок: •

- разработаны математически более полные и точные модели про-

з:

цессов пластического формоизменения, учитывающие многообразие фак торов, действующих на заготовку в процессе штамповки, включая различ ные варианты контактного взаимодействия с матрицей или оправкой, чт значительно расширяет поиск оптимального решения для конкретной тех нологической операции;

- впервые разработаны комплексные математические модели сист« мы «установка-индуктор-заготовка», позволяющие проводить всесторщ нее исследование взаимосвязей между входными и выходными параме" рами процесса МИШ, глубже проникать в «механизм явления», создават модели, действительно адекватные в широких диапазонах возможного и: менения факторов, и использовать их для решения технологических зада1

- проведенными расчетами количественно обоснованы направлен! интенсификации операций формообразования продольных и поперечнь: пазов на трубчатых заготовках, калибровки и получения сборочных ci единений с заданными силовыми и геометрическими параметрами.

В результате проведенных исследований и моделирования операщ магнитно-импульсной штамповки установлено, что разработанные мат магические модели адекватно отражают физические закономерности р альных процессов. Погрешности в определении деформаций не превыш ют, как правило, 1Q %, в определении напряжений - не более 15 %.

Получены научно-обоснованные технологические и конструкто ские решения, включающие разработанные компьютерные модели и ко; плекс прикладных программ для численных расчетов и оптимизации и следуемых процессов магнитно-импульсной штамповки, которые позв лили значительно сократить трудоемкость расчетных работ, время выбо оптимального варианта технологии и оборудования, повысить качест принимаемых технических решений, что усгаряет научноттехкическ прогресс в данной области.

Результаты работы в виде методик проектирования и комплек прикладных программ приняты для внедрения и были использованы п проектировании технологических процессов получения ряда узлов И 3J менгов летательных аппаратов в «НПО им. С.А. Лавочкина», «НПО Tf номаш» (г. Москва), специзделий в АО ТНИ'ГИ, ГНПП «Сплав», НИИ ] прографии (г. Тула), что позволило в 1.5 ... 2 раза сократить объем ра£ по технологической подготовке производства. Теоретические решен разработанные математические модели и программное обеспечение в; дрены и используются в учебном процессе ТулГУ.

основное содержание диссертации отражено публикациях

1. Кухарь В .Д., Орлов A.A., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Б. Конеч

элементная модель распределения тока в индукторе для магинтно-импульсной штамповки // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штамп, пр-ва. - Орел: ОрелГТУ, Тула: ТулГУ, 1998.- С. 105-110.

!. Кухарь В.Д., Орлов A.A., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е. Математическая модель одновиткового индуктора для магнитно-импульсной обработки металлов //Тезисы докладов: Международ, симпозиум «Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации», Орел: ОрелГТУ, 1997,- С. 15-16.

I. Кухарь В.Д., Орлов A.A., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е. Распределение тока в одновитковом индукторе для магнитно-импульсной обработки металлов // Известия Тул. гос. ун-та. Серия Проблемы специального машиностроения. Вып. 1.-Тула: ТулГУ, 1997,- С. 119-123.

i. КухарЬ В.Д., Орлов A.A., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е. Распределение токов по сечению витка иНдуктора для магнитно-импульсной обработки металлов //Международ, юбилейная научно-техническая конференция «Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, станков и инструментов», Тула: ТулГУ 1997,- С.57.

S. Кухарь В.Д., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е. Исследование процессов продольной рифтовкн // Международная конференция «Итоги развития механики в Туле» .- Тула, 1998,- С. 47-48.

э. Кухарь В.Д., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е. Импульсная запрессовка труб // Исслед. в обл. теопии, технол. и оборуд. штамп, пр-ва / Тула, 1995.-С.З-9.

7. Кухарь В.Д., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е. Математическое моделирование калибровочных и сборочных операции импульсным магнитным полем // Фундаментальные проблемы металлургии: Тезисы Рос. межвуз. науч.-техн. конф., Екатеринбург: УГТУ, 1995,- С. 66.

I, Кухарь В.Д., Пасько А.Н-, Проскуряков Н.Е., Пустовгар A.C. Исследование влияния режимов нагружения, геометрии заготовки и матрицы на параметры получаемого соединения при магнитно-импульсной штамповке // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штампов, пр-ва .- Тула: ТулГУ, 1996,-С. 150-155.

). Кухарь В.Д., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е., Яковлева О.Б. Обжим трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного поля на матрицу с продольными пазами //Известия Тул. гос. ун-та. Серия Машиностроение. Вып. 1,-Тула: ТулГУ, 1997.- С. 128-131.

10. Кухарь В .Д., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Е., Яковлева О.Б. Раздача и обжим трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного поля // Кузнечно-штамповочное производство, № 10, 1997.-С. 14-15.

1, Кухарь В.Д., Пасько А.Н., Проскуряков Н.Ё., Яковлева О.Б. Сборка трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного ноля //Международ. юбилейная научно-техническая конференция

«Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, станков и инструментов», Тула: ТулГУ 1997.- С.58.

12. Кухарь В.Д., Проскуряков Н.Е. Методика проектирования технологии и оборудования для магнитно-импульсной штамповки // Фундаментальные проблемы металлургии: Тезисы Рос. межвуз. науч.-техн. конф., Екатеринбург: УГТУ, 1995,- С.67.

13. Кухарь В.Д., Проскуряков Н.Е., Пасько А.Н. Боковой удар трубы в плиту // Сборник научных трудов. - Орел: ОрелГТУ, 1996. - С. 89-92.

14. Кухарь В.Д., Проскуряков Н.Е., Пасько А.Н. Конечно-элементные варианты вычисления деформаций в задачах магнитно-импульсной штамповки И Кузнечно-штамповочное производство, № 10, 1998.-С. 16-17.

15. Кухарь В.Д., Проскуряков Н.Е., Пасько А.Н. Моделирование процессов сборки деталей давлением импульсного магнитного поля (ИМП) // Куз-нечно-штамповочное производство, № 8, 1996.-С. 2-3.

16. Магнитно-импульсная штамповка полых цилиндрических заготовок / А.К. Талалаев, С.П. Яковлев, В.Д. Кухарь, НЕ. Проскуряков и др. Под ред. А.К. Талалаева, С.П. Яковлева.-Тула: «Репроникс Лтд.», 1998.-23 8 с.

17. Малоотходная, ресурсосберегающая технология штамповки / С.П. Яковлев, В.Д. Кухарь, Н.Е. Проскуряков и др. Под ред. Яковлева С.П., Юдина Л.Г.- Кишинев: «Universitas», 1993,- 238 с.

18. Основы проектирования машин и узлов. Учебное пособие / Талалаев А.К., Проскуряков Н.Е., Маленичев A.C. - Тула: Тул. гос. ун-т, 1997.138 с.

19. Проскуряков Н.Е. Выбор рациональных параметров и компоновок магнитно-импульсных установок // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штамп, пр-ва Тула: ТулПИ, 1990,- С. 152-157.

20. Проскуряков Н.Е. Исследование влияния параметров системы «установка-индуктор-заготовка» на процесс обжима импульсным магнитным полем //Избранные труды ученых Тульского государственного университетаТула: ТулГУ, 1997,- С. 205-214.

21. Проскуряков Н.Е. Математическое моделирование процессов магнитно-импульсной штамповки // Новые технологич. процессы магнитно-импульсн. обработки, оборудование и инструмент .- Всесоюзн. совещание секции МИОМ.- Куйбышев: КуАИ, 1990,- С. 16.

22. Проскуряков Н.Е. Определение параметров системы «установка-индуктор-заготовка» для заданной технологии // Кузнечно-штамповочиое производство, № 8, >1995.-С.15-17.

23. Проскуряков Н.Е. Оптимизация параметров оборудования и индуктор-ион системы ори расчете технологических процессов магнитно-импульсной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство, 1998, №10, с. 27-29.

24. Проскуряков Н.Е. Пути повышения эффективности магнитно-

импульсной штамповки Трубчатых заготовок // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штамп, пр-ва,- Тула: ТулГУ, 1998. - С. 32-37.

25. Проскуряков Н.Е., Максимов А.Н. Моделирование электрических схем МИУ на ЭЦВМ //Расчет, проектирование, технология изготовл., эксплуатация индукторных систем,- Всесоюзн. совещ. Тула, 1988.- С. 57.

26. Проскуряков Н.Е., Максимов А.Н. Определение рациональных характеристик магнитно-импульсных установок по заданным технологическим параметрам // Республиканская научно-техническая конференция: Вопросы развития технологии, оборуд. и автоматиз. кузн.-штампов, пр-ва.- Тула, 1989.- С. 8-9.

27. Проскуряков U.E., Максимов А.Н. Опыт применения факторных планов при разработке процессов мапитю-пмпульсиой штамповки // Исслед. в обл. теории, тёхнол. и оборуд. штамп, пр-ва,- Тула: ТулПИ, 1992.-С. 113-118.

28. Проскуряков Н.Е., Маленичев И.А, Выбор режимов технологических процессов и параметров оборудования для операций магнитно-импульсной штамповки // Международная научно-техническая конференция «100 лет российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа» Тезисы докладов / МАМИ - Москва 1996,- С.57-58

29. Проскуряков U.E., Маленичев И.А. Выбор режимов технологических процессов, параметров оборудования и оснастки. // Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии». Тезисы докладов/ Москва: МАТИ им. Циолковского - Российский государственный технологический университет, 1997,- С. 56.

30. Проскуряков Н.Е., Маленичев И.А. Исследование процессов обжима и раздачи трубчатых заготовок // Исслед. в области теории, технол. и оборуд. штамп, пр-ва / Тула: ТулГУ, 1995,- С. 72-77.

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

32. Проскуряков Н,Е., Маленичев Й.А. Расчет оптимальных режимов технологических процессов, параметров оборудования и оснастки //Тезисы докладов: Международ, симпозиум «Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации», Орел: ОрелГТУ, 1997,- С. 29.

33. Проскуряков Н.Е., Пустовгар A.C. Автоматизированная система экспериментатора // Тул. гос. ун-т, Тула, 1997.- Деп. в ВИНИТИ 13.04.98, № 1084-В98.-10 с.

34. Проскуряков Н.Е., Талалаёв А.К. Вопросы проектирования и перспективы применения магнитно-импульсных установок // Международный конгресс «Конверсия. Наука. Образование».- Тула, 1993.- С. 26.

>

35. Проскуряков Н.Е., Талалаев А.К. Определение оптимальных параметров оборудования и индукторной системы при расчете процессов магнитно-импульсной штамповки // Исслед. в области теории, технол. и оборуд. штамп, пр-еа. - Тула: ТулГУ, 1996.- С. 138-122.

36. Проскуряков Н.Е., Талалаев А.К. Разработка алгоритма проектирования магнитно-импульсных установок // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штамп, пр-ва. Тула: ТУЛГТУ, 1994.- С. 120-126,

37. Проскуряков Н.Е., Талалаев А.К., Малецичев И.А. Выбор параметров оборудования и оснастки при магнитно-импульсной штамповке // Исслед. в обл. теории, технол. и оборуд. штамп, пр-ва Орел: ОрелГТУ, Тула: ТулГУ, 1998.- С. 99-105.

38. Талалаев А-К., Проскуряков Н.Е-, Максимов А.Н- Разработка математических моделей функционирования МИУ с учетом взаимовлияния механической и электрической частей системы // Вопросы теории и практики магнитно-импульсной обработки. - Всесоюзн. совещание секции МИОМ.- Самара: САИ, 1991,- С. 54-55.

39. Установки для магнитно-импульсной штамповки. Учебное пособие / Талалаев А.К., Проскуряков НЕ,- Тула: Тул. гос. ун-т, 1996.- 37 с.

Подписана в кеча п. Д 10,9» . фирма г бумаги 60x84 1/16. Буцяги ти^исрифсьсан № 2 Офсетнаяиечагь.Ум.ысч. л. ¿,{ .У«, кр.-огт. £.1 . Учгиздл. 4,4 Тираж ¿00 »10.3»К41 ЧН .

Тульский юеудврстнинуй умил^ентет. 300600, г. Туле, »р. Левин», 92. Реакционно- шяМсльсккй Цсцтр Тульского государственного унивёрситпв. 300600, Г.Тула, ул. Болдина, |$1

< '



/ # Ц 4

«У «У О''

Тульский государственный университет

През

идиум ВАК России

(решение от " 19

г., №,

присудил ученую степень ДОКТОРА,!

На правах рукописи

^ наук

Прос,

Начальник управления ВАК России

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ КОМПЛЕКСНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ШТАМПОВКИ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

д.т.н., проф. С.П. Яковлев

Тула 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................8

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................15

1.1. Технологические схемы МИШ и методы анализа формоизменения заготовки..................................................................19

1.1.1. Исследования изменения пластических свойств металлов и сплавов при МИШ...................................................................................22

1.1.2. Современное состояние динамических задач контактного взаимодействия трубчатых заготовок.................................................26

1.2. применение метода конечных элементов для анализа процессов МИШ........................................................................................31

1.3. Анализ методов расчета электромагнитных процессов в

задачах магнитно-импульсной штамповки....................................36

1.4. Использование различных режимов разряда в процессах МИОМ...........................................................................................................45

1.5. Машинный (численный) эксперимент.......................................51

1.6. Основные выводы по разделу........................................................53

1.7. Цель и основные задачи исследования...................................54

2. ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СООТНОШЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК........................................................................................56

2.1. Основные соотношения конечно-элементного анализа процессов деформирования..................................................................56

2.1.1. Вариационная формулировка задачи динамики..........................57

2.1.2. Конечно-элементная формулировка задачи..............................59

2.1.3. Представление матрицы жесткости при упругом и пластическом состояниях материала...................................................66

2.1.4. Математическая реализация упругопластических переходовбЯ

2.1.5. Вариант решения уравнений движения.....................................72

2.1.6. Свободная раздача тонкостенных трубчатых заготовок.......74

2.2. Математические модели контактного взаимодействия заготовки и инструмента.......................................................................78

2.2.1. Модель контактного взаимодействия без скольжения............79

2.2.1.1. Основные положения..................................................................................79

2.2.1.2. Касание заготовки и инструмента..............................................................80

2.2.1.3. Совместное движение заготовки и инструмента..............................81

2.2.1.4. Процесс размыкания контакта...................................................................82

2.2.1.5. Тестирование модели контактного взаимодействия без скольжения. 82

2.2.1.6. Импульсная запрессовка труб....................................................................86

2.2.2. Модель контактного взаимодействия со скольжением...........93

2.2.2.1. Модель контакта заготовки с абсолютно жесткой оснасткой................94

2.2.2.2. Модель контакта упругопластических тел................................................95

2.2.2.3. Трение при контактном взаимодействии заготовки и инструмента.... 100

2.2.2.4. Условие прекращения контакта заготовки с инструментом.................101

2.2.3. Области применения разработанных моделей.........................101

2.3. Основные результаты и выводы..................................................102

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ШТАМПОВКИ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК......................................104

3.1. Конечно-элементные варианты вычисления деформаций в задачах магнитно-импульсной штамповки.................................104

3.2. Решение задач обжима и раздачи трубчатой заготовки в матрицу с кольцевыми пазами...........................................................109

3.3. Исследование процессов продольной рифтовки..................117

3.3.1. Конечно-элементный анализ процесса раздачи в матрицу с

продольными пазами..............................................................................117

3.3.2. Численные исследования процесса обжима в матрицу с продольными пазами энергией ИМП....................................................122

3.4. Сравнение экспериментальных и расчетных данных..........125

3.5. Применение машинного эксперимента для получения математических моделей процессов МИШ...................................128

3.5.1. Основные положения теории планирования эксперимента 129

3.5.2. Итеративные методы поиска оптимума.................................135

3.5.3. Исследование процессов поперечной рифтовки.......................136

3.5.3.1. Реализация многофакторного эксперимента и анализ результатов..............................................................................................................137

3.5.4. Исследование процессов продольной рифтовки.......................144

3.5.4.1. Исследование геометрических параметров процесса............................144

3.5.4.2. Изучение технологических параметров процесса..................................150

3.6. Общие результаты и выводы.........................................................156

4. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ОБОРУДОВАНИЕ-ИНСТРУМЕНТ-ЗАГОТОВКА».........................161

4.1. Основные положения.....................................................................161

4.2. Математическое моделирование процесса раздачи трубчатой заготовки..............................................................................164

4.2.1. Допущения при моделировании...................................................164

4.2.2. Основные математические зависимости.................................165

4.2.3. Методы формирования математической модели...................169

4.2.4. Численная реализация метода переменных состояния...........171

4.2.5. Формирование матрицы Якоби модели.....................................172

4.2.6. Определение текущих значений переменных.............................175

4.3. Управление формой импульса давления.................................177

4.3.1. Дискретное изменение параметров разрядного контура в процессе формоизменения заготовки..................................................178

4.4. Исследования режимов функционирования системы и форм импульса давления при раздаче трубчатых заготовок...............181

4.4.1. Раздача заготовок из стали 08кп..............................................184

4.4.2. Раздача заготовок из латуни J162.............................................188

4.4.3. Раздача заготовок из алюминия АМг2M..................................191

4.4.4. Пути повышения эффективности операции раздачи трубчатых заготовок............................................................................193

4.5. Общие результаты и выводы.........................................................202

5. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕМПЕРАТУРНЫХ И СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ «ИНДУКТОР-ЗАГОТОВКА» ПРИ ШТАМПОВКЕ ИМП.................................................................206

5.1. Основные гипотезы.........................................................................206

5.2. Построение математической модели электромагнитных процессов..................................................................................................208

5.3. Решение уравнений.........................................................................212

5.4. Вычисление объемных сил и температур............................216

5.5. Результаты расчетов и их анализ................................................217

5.5.1. Распределение плотности тока и объемных сил по сечениям одновиткового индуктора и заготовки..............................................217

5.5.1.1. Индуктор без заготовки............................................................................219

5.5.1.2. Индуктор с заготовкой..............................................................................224

5.5.2. Распределение плотностей токов и объемных сил в системе «многовитковый индуктор-заготовка»..............................................226

5.5.3. Распределения тока и температуры по сечению биттеровского индуктора..................................................................236

5.6. Общие результаты и выводы.........................................................239

6. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ «УСТАНОВКА-ИНДУКТОР-ЗАГОТОВКА» ПО ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССА ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ..................................................241

6.1. Планирование машинного эксперимента...............................241

6.1.1. Постановка задачи.......................................................................241

6.1.2. Выбор факторов, их уровней и интервалов варьирования.....243

6.1.2.1. Факторы, характеризующие магнитно-импульсную установку...........243

6.1.2.2. Факторы, характеризующие технологическую оснастку (индуктор)... 244

6.1.2.3. Факторы, характеризующие заготовку....................................................245

6.1.3. Выходные параметры процессов магнитно-импульсной штамповки...............................................................................................246

6.1.4. Выбор математической модели и плана машинного эксперимента..........................................................................................247

6.2. Вариант математического моделирования процессов МИШ с использованием комплексного подхода...................................249

6.3. Исследование процесса обжима на основе многофакторного машинного эксперимента...............................251

6.3.1. Реализация многофакторного эксперимента...........................252

6.3.2. Анализ результатов моделирования процесса обжима.........255

6.4. Моделирование параметров системы «установка-индуктор-заготовка» для заданной технологии..............................................260

6.5. Математические модели процесса МИШ для типовых материалов-представителей...............................................................269

6.6. Обсуждение результатов моделирования технологических процессов МИШ для заготовок из типовых материалов........275

6.6.1. Заготовки из алюминия АМг2М..................................................275

6.6.2. Заготовки из латуни Л62.............................................................283

6.6.3. Заготовки из стали 08кп.............................................................289

6.6.4. Сравнение влияния исследуемых параметров на энергоемкость процесса МИШ для заготовок из типовых материалов....................295

6.7. Комплексный подход к проектированию технологических процессов МИШ......................................................................................297

6.7.1. Калибровка круглой трубы в квадратной матрице.......298

6.7.2. Калибровка труб, имеющих начальное искажение профиля.. 300

6.7.3. Несоосный обжим труб............................................................303

6.7.4. Боковой удар трубы в пластину.................................................305

6.7.5. Моделирование сборочных процессов МИШ.............................308

б.7.5.1. Моделирование сборки деталей типа «корпус-крышка».......................308

в.1.5.2. Моделирование процесса запрессовки труб...........................................311

6.8. Алгоритм комплексного проектирования технологии и оборудования процессов МИШ..........................................................316

6.9. Опыт внедрения технологии и оборудования МИШ............320

6.9.1. Разработка технологического процесса сборки деталей 9Н. 139.01.012/013...................................................................................321

6.9.2. Разработка технологического процесса изготовления узла 9Н.210.001................................................................................................ 324

6.9.3. Проектирование оборудования..................................................325

6.10. Общие результаты и выводы....................................................328

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..........330

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................333

ПРИЛОЖЕНИЕ

359

Введение

Сокращение сроков освоения новых изделий, снижение себестоимости их изготовления и металлоемкости применяемой оснастки, повышение конкурентоспособности продукции отечественного машиностроения оказывают мощное стимулирующее воздействие на разработку научно-обоснованных методов расчета новых техники и технологий, компьютерных проектных методик. В настоящее время все это усугубляется недостатком инвестиций, высокой стоимостью кредитов, жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, в связи с чем особенно актуальной становится проблема создания научных основ комплексного проектирования ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную трудоемкость изделий при наилучшем их качестве.

Разработка научно-обоснованных путей и способов создания ресурсосберегающих технологий включает в себя большой круг теоретических, экспериментальных, технологических и компьютерно-программных задач. К таким задачам, в первую очередь, относятся разработка более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.

В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий магнитно-импульсной штамповки, отличающихся компактностью и мобильностью оборудования, простотой и низкой стоимостью оснастки, высоким качеством получаемых изделий. Современные установки для магнитно-импульсной обработки металлов, основанные на модульном принципе, позволяют расширить потенциальные возможности листовой штамповки, легко встраиваются в автоматизированные линии, могут использоваться для выполнения разнообразных операций формовки, калибровки и сборки как в условиях мелкосерийного, так и крупносерийного производств [ 101, 104, 144, 171, 174 ]. Результаты исследова-

ний показывают, что в операциях магнитно-импульсной штамповки мож: получить большую предельную степень формоизменения, высокую точное геометрических размеров и качества получаемых изделий [ 11, 12, 146, 15 199].

В то же время широкое внедрение процессов магнитно-импульсн штамповки сдерживается недостаточной стойкостью инструмента, пршу няемой оснастки и элементов высокоэнергетического оборудования, что в звано их работой в условиях, далеких от оптимальных, а также отсутствие комплексных методов проектирования технологии и оборудования, что пр водит к большим объемам экспериментальных и доводочных работ по кс ректировке технологии штамповки на этапе серийного производства. Сния ние энергоемкости процессов магнитно-импульсной штамповки позволяет только экономить энергоресурсы, но и повысить стойкость элементов техь логического оборудования и инструмента [ 39 ]. Имеющиеся в литерату работы позволяют определить энергоемкость технологической операции, ш силу принятых значительных упрощающих допущений обычно решается л бо механическая, либо электрическая задачи, что не позволяет определи оптимальные параметры технологических процессов, индукторных систем установок для магнитно-импульсной штамповки.

Отмеченное свидетельствует об актуальности разработок в облас создания научно-обоснованных методов комплексного проектирования С1 темы «оборудование-инструмент-заготовка» в процессах магнить импульсной штамповки.

Работа выполнена в соответствии с заданием по §53 научг технической программы ГКНТ 072-.06, программой «Фундаментальные I следования в технических университетах», грантами по фундаментальш исследованиям в области металлургии и машиностроения в 1995-1998 гг.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена решению крупн

научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - созданию новых процессов и машин, расширяющих технологические возможности магнитно-импульсной штамповки при снижении энергоемкости операций и повышении качества получаемых изделий. Целью работы является разработка теории и методов комплексного проектирования технологических процессов и оборудования магнитно-импульсного формоизменения трубчатых заготовок.

Научная новизна состоит в

- разработке теоретических основ нестационарных электромеханических процессов импульсного деформирования заготовок и функционирования оборудования, позволяющих проводить параметрическую оптимизацию системы «установка-инструмент-заготовка» по критерию минимума энергоемкости операции;

- создании конечно-элементных моделей динамического упругопла-стического формоизменения в процессах магнитно-импульсной штамповки с учетом взаимодействия жесткого или упругого инструмента с заготовкой и подвижных границ контактируемых тел.

- получении основных соотношений для анализа силовых и температурных условий работы системы «индуктор-заготовка»;

- установлении особенностей формообразования и закономерностей влияния силовых параметров, технологических факторов и геометрии инструмента в операциях магнитно-импульсной штамповки трубчатых заготовок.

Основные научные положения (результаты), выносимые на защиту:

- основные теоретические положения магнитно-импульсной штамповки, включающие конечно-элементный анализ процессов, упругопластические математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния;

- методологические основы формообразования продольных и попереч-

ных пазов на трубчатых заготовках с учетом контактного взаимодействия заготовки с жестким и упругим инструментом;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов магнитно-импульсной штамповки;

- теоретические зависимости для определения силовых и кинематических параметров процессов сборки и калибровки трубчатых заготовок;

- методики проектирования и математические модели электромеханических процессов штамповки;

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

- компьютерные модели расчета и методы проектирования оборудования и технологических процессов штамповки трубчатых заготовок;

- результаты внедрения технологических процессов магнитно-импульсной штамповки, методов и алгоритмов расчета - в производство, практику проектирования и учебный процесс.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- теоретический анализ процессов магни