Повышение эффективности процесса формообразования деталей из листа эластичной средой в жесткой матрице

Одной из важных проблем современного машиностроения является производство экономичных высококачественных тонкостенных изделий из листа, получивших широкое распространение в различных отраслях промышленности. К числу наиболее перспективных и эффективных направлений интенсификации процессов формообразования деталей из листовых заготовок относится металлосберегающая технология штамповки эластичными средами, имеющая целый ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными методами штамповки в металлических штампах. Процессы листовой штамповки эластичными средами характеризуются универсальностью и мобильностью, простотой внедрения и удобством обслуживания, а также высокой экономической эффективностью в связи со сравнительно низкой стоимостью применяемой инструментальной оснастки.

Среди формообразующих операций, осуществляемых с применением эластичных сред, значительное место занимает вытяжка деталей из листа эластичным пуансоном в жесткую матрицу. Ее дальнейшее развитие и широкое промышленное освоение в известной мере сдерживается в силу отдельных недостатков, присущих этой операции (неравномерная утяжка фланца и большая разнотолщинность получаемых деталей), а также из-за недостаточной разработанности инженерной методики расчета ее параметров, определяющих процесс формообразования. Существующие методики расчета, предназначенные для определения энергосиловых параметров процесса, основаны на применении достаточно грубых математических моделей операции и не позволяют осуществить ее проектирование — прогнозировать появление на детали признаков брака деформационного характера, рассчитывать необходимое для получения детали число переходов и выбирать рациональную технологию формоизменения. Не обеспечивают возможности проектирования операции и методики расчета, основанные на использовании наиболее точных математических моделей, базирующихся на методе конечных элементов. Реализация таких моделей требует применения больших дорогостоящих вычислительных программных комплексов и оказывается эффективной только при расчете операций, связанных с изготовлением дорогостоящих деталей в условиях массового производства. Для опытного и серийного производства, которое характерно для процессов листовой штамповки с применением эластичных сред, целесообразнее использовать упрощенные математические модели, реализация которых в системе компьютерного моделирования позволяет осуществить проектирование операции непосредственно в производственных условиях.

В связи с изложенным, возникает необходимость разработки инженерной методики расчета операции, позволяющей осуществить ее проектирование достаточно быстро и эффективно на персональном компьютере. Эта методика должна базироваться на упрощенной и в то же время достаточно строгой математической модели операции, адекватно отражающей наиболее существенные особенности процесса и учитывающей, в частности, начальную анизотропию материала, контактное трение и изменение толщины заготовки в ходе деформирования.

Для разработки такой модели необходимо проведение экспериментальных исследований процесса, результаты которых являются основой для построения самой модели и для ее последующей корректировки. Это в свою очередь предопределяет необходимость разработки экспериментально-расчетных методик исследования кинематики процесса, обеспечивающих более высокую точность определения параметров напряженно-деформированного состояния формуемой заготовки по сравнению с существующими. Полученные с использованием этих методик сведения, а также данные о механических свойствах материала формуемой детали и ее геометрии, являются исходными условиями для создания системы компьютерного моделирования и проектирования операции.

Применение этой системы при расчете и проектировании операции позволяет существенно повысить эффективность процесса вытяжки за счет снижения трудоемкости и длительности подготовки производства, уменьшения числа технологических проб и объема ручных доводочных работ. Целесообразность разработки такой системы диктуется широкой номенклатурой деталей, получаемых вытяжкой из листа в жесткую матрицу с применением эластичных сред. Для повышения эффективности и расширения технологических возможностей операции вытяжки эластичными средами в жесткую матрицу необходима разработка новых способов и технологий формоизменения, позволяющих устранить отдельные недостатки присущие известным способам и обеспечить получение изделий требуемого качества.

Работа выполнена в соответствии с перечнем критических технологий федерального уровня, направлением 2.6 «Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления» — планом госбюджетной НИР Г. Б.96.02 «Автоматизированное проектирование операций и элементов конструкций», научным направлением «Автоматизированное проектирование операций листовой штамповки» кафедры «Прикладная механика» Воронежского государственного технического университета (ВГТУ).

Тема работы включена в основное научное направление ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники» .

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является интенсификация процесса формообразования деталей из листа эластичной средой в жесткой матрице и повышение качества изделий на базе создания и применения комплекса экспериментально-расчетных методик и соответствующего программного обеспечения.

Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:

1. Разработать экспериментально-расчетные методики определения деформированного состояния, коэффициента трения, распределения давления и прогнозирования разрушения при вытяжке эластичными средами в жесткую матрицу, обеспечивающие повышение точности определения параметров процесса.

2. Экспериментально исследовать деформированное состояние и определить величины коэффициента трения и давления при формообразовании деталей из листа в жесткой матрице с помощью эластичных сред.

3. Разработать математическую модель операции вытяжки эластичной средой в жесткую матрицу и создать на ее основе инженерную методику расчета и проектирования исследуемой операции, применение которой позволит определить основные параметры процесса, сократить время технологической подготовки производства и обеспечить получение качественных деталей.

4. Реализовать разработанную методику в системе компьютерного моделирования операции формообразования деталей из листа в жесткой матрице с помощью эластичных сред.

5. С целью повышения эффективности и расширения технологических возможностей операции вытяжки эластичными средами в жесткую матрицу предложить новые способы формоизменения, разработать на их основе технологию, обеспечивающую получение деталей требуемого качества, и внедрить ее в производство.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов, принятых в теории пластичности анизотропных тел. Предельные возможности процесса формоизменения оценивали с применением методов математического моделирования. Экспериментальные методы исследования проводили с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработку опытных данных осуществляли с применением методов математической статистики.

Научная новизна. Разработаны экспериментально-расчетные методики определения деформированного состояния, коэффициента трения, распределения давления и прогнозирования разрушения при вытяжке эластичной средой в жесткую матрицу, позволяющие повысить точность определения параметров процесса. Создана математическая модель операции, учитывающая начальную анизотропию и упрочнение материала, контактное трение и изменение толщины заготовки в ходе ее деформирования. Разработана инженерная методика расчета и проектирования исследуемой операции, позволяющая установить предельные параметры процесса: величину коэффициента вытяжки, потребное число переходов и коэффициенты запаса по различным технологическим отказам. Разработано соответствующее программное обеспечение для компьютерного моделирования операции формообразования деталей из листа в жесткой матрице с применением эластичных сред, позволяющее на основе математических моделей комплексно решить задачу проектирования технологии ряда производственных деталей от ввода данных о детали и материале до параметров технологического оборудования.

Практическая ценность. Разработанные экспериментально-расчетные методики исследования операции вытяжки эластичной средой в жесткую матрицу обеспечивают возможность более точно, по сравнению с существующими методами, устанавливать деформированное состояние заготовки в процессе ее формообразования, определять коэффициенты трения и распределение давления. Использование разработанной инженерной методики расчета и проектирования операции в системе компьютерного моделирования позволяет произвести оценку технологичности конструкции детали, сократить сроки технологической подготовки производства новых изделий, уменьшить затраты на пробные эксперименты и доводку технологии, рационально спроектировать технологический процесс, повысить производительность труда и снизить себестоимость продукции. Система компьютерного моделирования используется при подготовке производства для проектирования операции вытяжки эластичным пуансоном в жесткую матрицу, расчете и проектировании новых видов технологической оснастки и оборудования, а также при оценке технологичности деталей в конструкторских бюро. Система является законченным программным продуктом и апробирована на предприятии Воронежского акционерного самолетостроительного общества (ВACO). Предложены новые способы формоизменения, на основе которых разработана промышленная технология формообразования деталей из листовых заготовок эластичной средой в жесткой матрице, обеспечивающая получение изделий требуемого качества.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечена корректной постановкой задач, аргументированными допущениями, использованием современных надежных и эффективных методов исследования, проведением численных и экспериментальных тестов, сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей. Научные положения и практические результаты подтверждены опытно-промышленными испытаниями разработанных технологий.

Промышленная реализация. На основании предложенных методик и математической модели операции разработана система компьютерного моделирования и проектирования операции вытяжки эластичной средой в жесткую матрицу. Система прошла промышленные испытания и в настоящее время внедряется на предприятии ВАСО. Применение системы при проектировании технологии изготовления деталей сложной формы вытяжкой эластичной средой в жесткую матрицу подтвердило ее работоспособность. Акт внедрения приведен в приложении.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены и обсуждены на:

— научном семинаре на фирме «AEROSPATIALE» (Франция, 1995 г.);

— научном семинаре в Высшей школе Нанта (Франция, 1996 г.);

— Всероссийской научно-технической конференции «Оборудование и процессы обработки давлением» (Москва, 1995 г.);

— Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 1998 г.);

— Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства» (Тула. 1999 г.);

— ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (г. Воронеж, 1994 — 1999 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 научных работах.

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы и результаты.

1. Разработана методика исследования деформированного состояния в пластической области, основанная на компьютерном способе изготовления эталонных делительных сеток. Методика отличается универсальностью, высокой точностью и производительностью и позволяет получать как негативное, так и позитивное изображение эталонной сетки с различной исходной базой и формой ячейки.

2. С использованием разработанной методики выполнено поэтапное исследование деформированного состояния цилиндрических и коробчатых деталей, полученных вытяжкой эластичным пуансоном в жесткую матрицу. Вытяжку осуществляли в специально спроектированных и изготовленных экспериментальных штампах.

3. Предложена экспериментально-расчетная методика определения коэффициента трения и давления со стороны эластичной среды на поверхность заготовки из анизотропного материала, деформируемой в условиях плоской или осесимметричной деформации. Реализация методики, основанной на экспериментально установленном распределении деформаций позволила с более высокой точностью чем известные способы установить закон распределения нормального давления и исследовать условия трения непосредственно в процессе формообразования заготовок из алюминиевых сплавов различными эластичными средами.

4. Разработана комплексная универсальная экспериментально-расчетная методика построения диаграмм предельной формуемости (ДПФ) по результатам вытяжки плоских образцов эластичной средой в жесткую матрицу различной формы. Выполнена проверка возможности прогнозирования с помощью ДПФ технологических отказов деформационного типа. Показано, что при прогнозировании дефектов в формуемых заготовках, изготовленных из высокопластичного материала, следует пользоваться диаграммой предельных устойчивых деформаций.

5. Предложена методика расчета геометрии заготовки в процессе ее формоизменения, на основании которой разработаны алгоритм и вычислительная программа. Произведена оценка технологичности ряда производственных деталей.

6. Разработана уточненная методика расчета вытяжки осесимметричных деталей, учитывающая влияние изгибающих моментов. Показано, что использование методики позволяет повысить точность расчета и достоверность прогнозирования ряда браковочных признаков. Установлено, что расчет операции вытяжки цилиндрических деталей производится по безмоментной теории, если суммарная длина участков скруглений матрицы и пуансона составляет не более 20% от общей длины меридиана получаемой детали.

7. Составлена методика определения параметров поправочной функции, используемой при расчете окружной деформации в угловых областях коробчатых деталей.

Введение

поправочной функции позволяет учесть влияние соседних областей и свести решаемую задачу к одномерной.

8. С использованием результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований на основе безмоментной теории тонкостенных оболочек разработана математическая модель операции вытяжки деталей из листа эластичной средой в жесткую матрицу, учитывающая начальную анизотропию материала и контактное трение. Для реализации предложенной модели в системе компьютерного моделирования составлены алгоритм и программа расчета напряженно-деформированного состояния формуемой заготовки.

9. На основе разработанной математической модели операции предложена методика расчета и проектирования операции вытяжки эластичной средой в жесткую матрицу и разработано соответствующее программное обеспечение для ее реализации в системе компьютерного моделирования. Использование разработанной системы, которая эксплуатируется на персональном компьютере, позволяет определить основные параметры процесса и обеспечить получение качественных деталей. Система апробирована на предприятии Воронежского акционерного самолетостроительного общества (ВАСО) и в настоящее время находится на стадии внедрения для проектирования процессов формообразования деталей из листа эластичной средой в жесткой матрице на прессах типа С>1Ш-600.

10. Разработанное программное обеспечение позволило на основе имитационного эксперимента повысить эффективность процесса формообразования деталей из листа эластичной средой в жесткой матрице за счет повышения качества получаемых изделий, сокращения сроков технологической подготовки производства, уменьшения объема работ и расхода материала при доработке и внедрении технологии.

11. На основании анализа экспериментальных и расчетных данных, полученных при выполнении работы, предложены два новых способа вытяжки эластичным пуансоном в жесткую матрицу деталей простой и сложной геометрии. Способы основаны на использовании жестких или эластичных вкладышей. Их применение позволило уменьшить разнотолщинность получаемых деталей, а также неравномерность утяжки фланца по сравнению с традиционными способами формообразования. Это расширило технологические возможности операции и повысило ее эффективность за счет обеспечения стабильности протекания процесса, улучшения качества получаемых деталей и сокращения процента брака.

12. На базе предложенных способов разработана промышленная технология изготовления деталей интерьера самолета ИЛ-96М, которая внедрена в производство.