Поиск рациональных технологических параметров малоотходной горячей штамповки на основе минимизации избытка штампуемого металла

Актуальность темы

.

Эффективность машиностроительных предприятий во многом определяется качеством заготовок, обеспечивающих минимизацию расхода металла и трудоемкости их механической обработки. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают поковки, получаемые малоотходной горячей штамповкой.

В условиях быстрого развития рыночных отношений необходима оптимизация технологических параметров (ТП) малоотходной горячей штамповки (МГШ) в автоматизированном режиме.

Необходимым условием конкурентоспособности производства деталей является его гибкость, т. е. возможность в короткие сроки модернизировать действующие технологические процессы или разрабатывать и внедрять новые — более эффективные. Это возможно только с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР) технологических процессов получения высокоточных заготовок, учитывающих принципы их базирования в процессе механической обработки.

Многие современные исследования процессов обработки давлением базируются на теоретических положениях Тарновского И. Я., Колмогорова B. JL, Овчинникова А. Г., Богатова A.A., Перетятько В. Н. и др. ученых.

Большой вклад в развитие теории и практики проектирования новых ресурсосберегающих способов объемной штамповки и технологической оснастки внесли Леванов А. Н. [1 — 5], Перетятько В. Н., [6−8], Евстифеев В. В. [9 — 13], Володин И. М. [14 -16].

Значительный вклад в область автоматизации проектирования технологии горячей штамповки внесли Тарновский И. Я., Полухин П. Н., Тетерин Г. П., Алиев Ч. А., Вайсбурд P.A. и другие ученые [17−19]. Известны работы Охрименко Я. М., Ребельского A.B., Леванова А. Н., Поксеваткина.

М.И., Тетерина Г. П, посвященные выбору и расчету компенсационных устройств.

Однако, в настоящее время отсутствуют методики выбора и расчета объема избытка металла в САПР ТП, что сдерживает оптимизацию технологических параметров МГШ, непосредственно связанную с повышением эффективности производства деталей. Поэтому поиск рациональных технологических параметров производства точных горячештампованных поковок на основе минимизации избытка штампуемого металла (ИТИМ) весьма актуален и перспективен.

Цель диссертационной работы.

С использованием результатов моделирования и исследования способов.

МГШ разработать научно обоснованные оптимизационные модели поиска рациональных технологических параметров МГШ на основе минимизации ИШМ.

Научная новизна.

1. Разработана обобщенная математическая модель поиска рациональных ТП МГШ на основе минимизации избытка металла.

2. Спроектированы математические модели штамповки типовых поковок, позволяющие получить рациональный расход штампуемого металла, количество переходов и силовые условия формообразования поковок, в том числе модель процесса с замкнутым силовым циклом.

3. Разработана экономическая оптимизационная модель в виде целевой математической функции для обоснования результатов поиска рациональных ТП процесса МГШ.

4. Разработаны новые способы закрытой штамповки изделий, защищенные тремя патентами на изобретения, обеспечивающие выбор рациональных ТП штамповки.

Практическая значимость.

Разработан обобщенный многомодульный алгоритм для поиска рационального объёма избытка металла и ТП МГШ с учетом последующей механической обработки поковок, реализованный в форме компьютерной программы с адаптацией к конкретным условиям производства. Предложены математические модели для рационализации выбора ТП МГШ типовых поковок, представленные в виде многомодульных алгоритмов с их программной реализацией в автоматизированном режиме.

Предложены новые способы штамповки изделий, защищенные тремя патентами на изобретения, принятые к внедрению.

Реализация работы в промышленности.

Результаты исследований и оптимизационная компьютерная программа опробованы и приняты к внедрению на промышленных предприятиях Алтайского края, таких как ОАО «АлтайВагон», ОАО «АНИТИМ», ООО «Алтайский завод топливной аппаратуры», ОАО «Барнаульский завод кузнечно-прессового производства», а также внедрены в учебный процесс Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения работ, подтвержденный актами внедрения, составляет 4 млн. 266 тыс. руб. в год (приложение 5).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены на заседании кафедры «Технология и автоматизация кузнечно-штамповочного производства» Сибирского государственного индустриального университета, 2008 г., г. Новокузнецкна заседании кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением» Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ) — на научно-техническом совете Алтайского НИИ.

ОАО «АНИТИМ" — на научно-практических конференциях АлтГТУ, на XI всероссийской научно-технической конференции «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире» студентов, аспирантов и молодых ученых г. Рубцовск, 2009 г.- на 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2011 г.- на VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь 2011». г. Барнаул, 2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе статей и тезисов — 28, в том числе — 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, а также получено 3 патента на изобретения.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов,.

Основные результаты и выводы.

В ходе достижения основной цели диссертации — разработки оптимизационных моделей процессов выбора и расчета ТП МГШ на основе минимизации ИШМ были решены следующие задачи:

1) Разработана обобщенная оптимизационная модель выбора и расчета ТП МГШ на основе минимизации ИШМ, реализованная многомодульным алгоритмом;

2) с использованием методов системного анализа спроектирован комплекс иерархических гибридных моделей выбора ТП МГШ, реализованный оптимизационными алгоритмами;

3) разработана оптимизационная система выбора ТП МГШ с замкнутым силовым циклом, минимизирующая энергоемкость процесса штамповки;

4) разработаны оптимизационные системы выбора ТП МГШ на основе минимизации избытка штампуемого металла для производства типовых поковок по заданным параметрам;

5) на основе экономической модели, представленной в виде целевой математической функции, создан многомодульный оптимизационный алгоритм выбора и расчета ТП МГШ с целью поддержки принятых решений;

6) на основе многомодульного оптимизационного алгоритма разработаны и успешно опробованы компьютерные программы, реализующие оптимизационные системы с возможностью их адаптации к конкретным условиям производства;

7) разработаны и внедрены в производство новые технические решения, защищенные тремя патентами на изобретения, которые существенно повышают эффективность процессов МГШ.

Заключение

.

Разработанные с использованием системного анализа процессов МГШ оптимизационные технологические системы, представленные в виде компьютерных программ, позволяют в автоматизированном режиме осуществлять управление выбором ТП штамповки и метода компенсации избытка металла с учётом минимизации трудоемкости последующей механической обработки, а экономическое обоснование принятых решений, несомненно, способствует повышению эффективности производства поковок и конкурентоспособности производства деталей в целом.

Произведенные теоретическое и экспериментальное исследования разработанных оптимизационных систем выбора ТП МГШ на основе минимизации избытка металла с применением систем автоматизированного проектирования технологических процессов показали:

1) разработанные оптимизационные модели выбора и расчета технологических параметров МГШ пригодны для использования в системах автоматизированного проектирования;

2) разработанный и предоставленный к использованию программный продукт, предназначенный для выбора технологических параметров МГШ, функционирует, обеспечивает корректный выбор метода компенсации ИШМ и может быть адаптирован к конкретным условиям производства.

В работе заданы направления дальнейшего совершенствования разработки, а именно:

— в рамках адаптации программы к конкретным условиям производствапополнение базы данных известных методов компенсации избытка металла, корректировка назначения и содержания оптимизационных модулей ТП МГШ;

— в рамках научно-исследовательских работ — разработка иерархических гибридных моделей и оптимизационных алгоритмов выбора и расчета технологических параметров МГШ, целевой математической модели повышения экономической эффективности технологических процессов, разработка удобных интерфейсов для программы, программирования на перспективных языковых системах (Delphi, Visual Basic, С++) и т. д.

Основным достижением представленной разработки является сформированная система оптимизационных моделей и алгоритмов выбора и расчета технологических параметров процессов МГШ на основе минимизации расхода штампуемого металла, оптимизации силовых условий процесса и условной себестоимости поковки с учётом трудоемкости последующей механической обработки с экономическим обоснованием принимаемых решений.

Используемые источники.

1. A.c. 880 599 СССР. Закрытый штамп/ Волосов H.H., Леванов А. Н., Семендий В. И., Лукин В. И., Бюл. № 42,1981.

2. A.c. 565 768 СССР. Штамп для закрытой штамповки /А.Н. Леванов, В. И. Семендий, H.H. Волосов. — М.: Бюл.№ 27, 1977.

3. A.C. № 560 691 СССР. Штамп для закрытой штамповки. / А. Н. Леванов, B.C. Можайский, Ю. В. Ашпур. Бюл. № 21, 1977.

4. Тарновский И. Я., Леванов А. Н., Поксеваткин М. И., Контактные напряжения при пластической деформации.- М.: Металлургия. 1966. -220 с.

5. Леванов А. Н., Колмогоров В. Л. Буркин С.П. и др. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. — М.: Металлургия. 1976. -416 с.

6. Ковтун A.A., Перетятько В. Н., Ерастов В. В., Чарухин А. Ю. Комплексное автоматизированное проектирование штампов молотовой штамповки// Автоматизация проектирования и изготовления штампов. — Ленинград: ЛДНТП, 1990. — С. 22−23.

7. A.C. № 1 792 784 СССР. Способ выдавливания полых изделий. / М. И. Поксеваткин, А. И. Осколков, В. Н. Перетятько, Р. Я. Шмидт. и др. Бюл.№ 5. 1993.

8. A.c. 1 007 816 СССР. Штамп для горячей объемной штамповки осесимметричных поковок с одним плоским торцом /В.Н. Меркутов, В. Н. Перетятько, С. Г. Кузнецов и В. В. Ерастов. Бюл. № 24, 1983.

9. A.c. 1 593 774 СССР. Штамп для объемного деформирования/ A.A. Александров, В. М. Колесников, В. В. Евстифеев, В. Н. Лобас, Бюл.№ 35, 1990.

Ю.А.с. 1 593 775 СССР. Штамп для выдавливания/ A.A. Александров, В. В. Евстифеев, В. М. Колесников, В. Н. Лобас, O.A. Макеев, Бюл. № 35, 1990.

11.A.c. 1 736 669 СССР. Штамп для выдавливания заготовок/ A.A. Александров, В. В. Евстифеев, Бюл. № 20, 1992.

12.Евтифеев В. В. Конструкции закрытых штампов для выдавливания. /В .В. Евстифеев, A.A. Александров, В. Н. Лобас /Проблемы машиностроения и металлообработки: сб. научных трудов. — Омск, 1994.-С. 108−114.

13.Евстифеев В. В. Устойчивость деформирования в процессах выдавливания изделий с коническими поверхностями /В.В. Евстифеев //Омский научный вестник.- 1998.-№ 2 — С. 49−55.

14.Вол один И. М. Моделирование процессов горячей объемной штамповки. Монография /И.М. Володин. -. М.: Машиностроение — 1. 2006.-253 с.

15.Володин И. М. Развитие теории и практики проектирования ресурсосберегающих процессов горячей объемной штамповки (Сообщение 1) / И. М. Володин //Известия Тул ГУ. Сер. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением.

2006.-ЖЗ.-С. 195−207.

16.Володин И. М. Развитие теории и практики проектирования ресурсосберегающих процессов горячей объемной штамповки (Сообщение 2)/ И. М. Володин //Известия Тул ГУ. Сер. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением.

2006.-№ 3.-С. 208−222.

17.Тарновский И. Я., Вайсбурд P.A., Еремеев Г. А. Автоматизация проектирования технологии горячей штамповки. М.: Машиностроение. 1969. — 240 с.

18.Тетерин Г. П., Богомолов Б. Т. Автоматизация проектирования технологических процессов для поковок типа тел вращения.-М.: Машиностроение. 1980, Вып. 6 — 60 с.

19. Алиев Ч. А. Алгоритм автоматизированной классификации с самообучением в САПР технологических процессов горячей штамповки / Известия вузов, 1984, № 11, С. 113−116.

20.Ребельский A.B. Основы проектирования процессов горячей объемной штамповки/ М.: Машиностроение, 1965 — 248 с.

21.Поксеваткин М. И. Малоотходные процессы горячей штамповки. Учебное пособие /Алтайский политехнический институт им. И. И. Ползунова. — Барнаул: Изд. АлтГТУ, 1989. 90 с.

22.0хрименко Я. М. Технология кузнечно-штамповочного производства. М.: «Машиностроение», 1976, — 580 с.

23.Ковка и штамповка. Справочник / Атрошенко А. П., Зиновьев Н. С., Крючков М. А. и др. Под ред. Семёнова Е. И. — М.: Машиностроение, 1986. — 592 с.

24.Сторожев М. В. Теория обработки металлов давлением. /М.В. Сторожев, Е. А. Попов.- М.: Машиностроение. 1983. — 200с.

25.Патент РФ № 782 930. Способ штамповки поковок типа крестовин/ Осколков А. И., Максимов A.A., Поксеваткин М. И. и др., Бюл.№ 11, 2001.

26.A.c. 963 676 СССР. Штамп для закрытой объемной штамповки/ Дедов Б. В., Тактаров В. М., Бюл. № 37, 1983.

27.A.c. 1 476 717 СССР. Способ двухпереходной объемной штамповки стержневых деталей с утолщением./ Поксеваткин М. И., Осколков А. И., Бюл. № 23, 1987.

28.А.С. 1 199 409 СССР. Штамп для закрытой штамповки/ Осколков А. И., Поксеваткин М. И., Макаль Ю. М., Холюсев A.C., Бюл. № 2, 1985.

29.A.c. 1 063 519 СССР. Способ штамповки деталей в закрытых штампах/ Осколков А. И., Поксеваткин М. И., Торхов A.C., Карпов C.B., — М.: Бюл. № 48, 1983.

30. A.c. 1 316 740 СССР. Способ изготовления деталей с утолщением на конце. /А.И. Осколков, М. И. Поксеваткин, Е. М. Пузырев. Бюл. № 22, 1987.

31.A.c. 1 196 090 СССР. Штамп для безоблойной штамповки/ Никитин В. Б., Бюл. № 45, 1985.

32.A.c. 1 091 975 СССР. Штамп для закрытой безоблойной штамповки деталей с глухими полостями/ Никитин В. Б., Бюл. № 18, 1984.

33.A.c. 1 202 682 СССР. Штамп для закрытой штамповки/ С. И. Рапопорт, М. И. Хризман, Бюл. № 1, 1986.

34.Классификация и выбор компенсационных устройств в штампах объемной штамповки/ Поксеваткин М. И., Тетерин Г. П., Поксеваткин Д. М., КШПОМД, 1994 г., N6, С. 17−18.

35.Тетерин Г. П. Основы оптимизации и автоматизации проектирования технологических процессов горячей объемной штамповки/ Г. П. Тетерин, П. Н. Полухин — М.: Машиностроение, 1979. — 284 с.

36.Алиев Ч. А. Система автоматизированного проектирования технологии горячей объемной штамповки/ Ч. А. Алиев, Г. П. Тетерин — М.: Машиностроение, 1987. -221 с.

37.Поксеваткин М. И., Тетерин Г. П., Поксеваткин Д. М. Алгоритмизация выбора и расчета компенсаторов при выдавливании стержневых поковок, КШПОМД, 1994 г., N8, стр. 14.

38.Поксеваткин М. И., Штильников A.A., Овчаров Г. А., Поксеваткин Д. М. Алгоритмизация выбора и расчета штамповки компенсаторов при штамповке выдавливанием. /КШП ОМД. 2006.№ 9, С. 33−35.

39.Поксеваткин М. И., Штильников A.A., Овчаров Г. А., Поксеваткин Д. М. Автоматизация выборки компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки. /КШП ОМД, 2007. № 7. С. 30−32.

40.Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. Учебник для вузов. //В.Л. Колмогоров. — М.: Металлургия. 1986. — 688 с.

41.Тарновский И. Я. Теория обработки металлов давлением/ И. Я. Тарновский, A.A. Поздеев, O.A. Ганго и др. — М.: Металлургиздат, 1963.-672 с.

42.Аксенов Л. Б. Системное проектирование процессов штамповки/ Л. Б. Аксенов — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1991. 240 с.

43.Овчинников А. Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах/ А. Г. Овчинников. — М.: Машиностроение, 1983. — 200 с.

44.Томсэн Э., Янг К., Кабояши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1969.-503 с.

45.Бекофен В. Процессы деформации. Пер. с англ. М.: Металлургия. 1977. -287 с.

46.Артес А. Э. Групповое производство деталей холодной объемной штамповкой. М.: Машиностроение. 1991. — 192 с.

47.Артес А. Э. Холодная объемная штамповка в мелкосерийном и серийном производстве. Обзор. М.: НИИМаш. 1982. — 58 с.

48.Журавлев А. З. Основы теории штамповки в закрытых штампах/ А.З. Журавлев-М.: Машиностроение, 1973. — 165 с.

49.Поксеваткин М. И. Курсовое проектирование по горячей объемной штамповке/ Учебное пособие. Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007. — 123 с.

50.Тарновский И. Я. Деформации и усилия при обработке металлов давлением/ И. Я. Тарновский, A.A. Поздеев, O.A. Ганаго, — Свердловск: изд. ГНТИМЛ. 1959. — 304 с.

51.Патент РФ № 2 346 783. Штамп для горячей объемной штамповки осесемметричных поковок /М.И. Поксеваткин, Г. А. Овчаров, А. А. Штильников, Д. М. Поксеваткин, Бюл. № 5, 2009.

52.Безухов Н. И. Теория упругости и пластичности/ М.:Госиздат. 1953.267 с.

53.Патент РФ № 2 312 730. Способ закрытой штамповки шатуна двигателя / М. И. Поксеваткин, Д. М. Поксеваткин, C.B. Карпов, Г. А. Овчаров, A.A. Штильников. Бюл.№ 35. 2007.

54.Патент РФ № 2 312 727. Способ изготовления гнутых изделий из коротких толстостенных труб в штампе / М. И. Поксеваткин, Г. А. Овчаров, A.A. Штильников, Д. М. Поксеваткин. Бюл.№ 35. 2007.

55.Матвеев. А. Д. Ковка и штамповка: справочник /ред. А. Д. Матвеев. -М.: Машиностроение, 1987. — 111 с.

56.Аверкиев А. Ю. Ковка и штамповка/ Справочник. А. Ю. Аверкиев, Д. И. Бережковский, Ю. С. Вильчинский и др. Под ред. Семенова Е. И. — М.: Машиностроение, 1985. — 568 с.

57.Поксеваткин М. И., Тетерин Г. П., Поксеваткин Д. М. Классификация и выбор компенсационных устройств в штампах объёмной штамповки. КШП ОМД, 1994, № 6, С. 17−18.

58.Соколов Н. Л. Горячая штамповка выдавливанием стальных деталей: М.: Машиностроение, 1967. — 190 с.

59.Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. — Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1979. — 520 с.

60.Семенов Е. И. «Ковка и штамповка», т.2 «Горячая объемная штамповка», справочник в 4-х томах. М.: Машиностроение, 1985.

61.Поксеваткин М. И., Штильников A.A., Овчаров Г. А., Поксеваткин Д. М. Принципы параметрической классификации поковок в многомерном пространстве признаков. / КШП ОМД, 2008. № 8 С. 46−48.

62.Штильников A.A., Поксеваткин М. И., Мамонтов М. С., Дунаев К. Ю. Обобщенный алгоритм минимизации технологической себестоимости детали. Материалы научно-практической конференции Рубцовского индустриального института. Рубцовск. Изд. РубИИ, 2009, С. 26−28.

63.Поксеваткин М. И., Штильников A.A., Овчаров Г. А., Мамонтов М. С., Дунаев К. Ю. Штампы для закрытой штамповки. Материалы научно-практической конференции Рубцовского индустриального института. Рубцовск. Изд. РубИИ, 2009, С. 39−42.

64.Дунаев К. Ю., Поксеваткин М. И., Бедарев М. В., Штильников A.A. Алгоритмизация штамповки стержневых заготовок с полостью в утолщении. Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск. Изд. НГТУ, 2011, С. 8−9.

65.Поксеваткин М. И., Штильников A.A., Дунаев К. Ю., Овчаров Г. А. Заполняемость внутреннего компенсатора при штамповке стержневых поковок. Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск. Изд. НГТУ, 2011, С. 25−26.

66.Поксеваткин М. И., Штильников A.A., Дунаев К. Ю. Компенсация избытка металла при штамповке стержневых поковок с фасонным хвостовиком. Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск. Изд. НГТУ, 2011, С. 23−24.

67.Дунаев К. Ю., Поксеваткин М. И., Бедарев М. В., Штильников A.A. Однопереходная штамповка болтов с полостью в головке. Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск. Изд. НГТУ, 2011, С. 10−11.

68.Дунаев К. Ю., Штильников A.A. Проблемы монотонного заполнения полости штампа при деформации утолщения стержневой поковки. Материалы 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск. Изд. НГТУ, 2011, С. 11−13.

69.Компенсация избытка металла при горячей штамповке корпуса распылителя / Казанцева Ю. Е., Савостина К. С., Поксеваткин М. И., Дунаев К. Ю., Штильников A.A.// Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011.

70.Принцип обеспечения монотонности процесса заполнения полости штампа / Дунаев К. Ю., Поксеваткин М. И., Штильников A.A.// Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011.

71 .Принципы параметрической классификации поковок по геометрическому образу / Овчаров Г. А., Поксеваткин М. И., Штильников A.A., Дунаев К. Ю., Логинов A.C.// Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011 72. Оптимизационная модель проектирования малоотходной горячей штамповки (МГШ) / Штильников A.A., Поксеваткин М. И., Дунаев К. Ю., Овчаров Y.A.II Материалы VIII Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011 73. Оптимизация технологических параметров при закрытой штамповке стальных поршневых колец при волочении /Храмцов А.Н., Асташин А. И., Поксеваткин М. И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю.//Материалы VIH Всеросийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь-2011», г. Барнаул, 2011 74. Поксеваткин М. И, Штильников A.A., Овчаров Г. А., Поксеваткин Д. М. /Оптимизация процесса выдавливания в закрытую полость штампа. КТТГГТ ОМД, 2011. № 6 С. 18−22.