Повышение эффективности технологических процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана

Актуальность работы.

Ключевой задачей предприятий аэрокосмической отрасли является повышение конкурентоспособности, в том числе за счет повышения производительности труда и обеспечения высокого качества изготавливаемых изделий. В связи с этим на многих предприятиях внедрены методы изготовления листовых деталей штамповкой эластичной средойполиуретаном.

Данные методы являются высокоэффективными при годовых программах выпуска до 10 тысяч штук, это обуславливается низкой стоимостью и простотой штамповой оснастки, минимальными сроками подготовки производства, возможностью применения обычного прессового оборудования. Несмотря на необходимость повышенного усилия прессового оборудования для реализации процесса штамповки деталей полиуретаном подобные методы доказали свою значительную эффективность по сравнению со штамповкой деталей в инструментальных штампах в опытном и мелкосерийном производстве, которое характеризуется частой сменой изделий, а также сжатыми сроками подготовки производства.

Классический способ процесса вырубки деталей эластичной средой предусматривает реализацию разделительного процесса в замкнутом объеме универсального контейнера. Однако использование данной технологической схемы ограничено размерами вырубаемых деталей и, соответственно, размерами существующих универсальных контейнеров.

Вместе с тем в конструктивных элементах топливных систем и других агрегатах ракеты-носителя или планера самолета имеют место тонколистовые крупногабаритные детали сложной геометрической формы. К ним относятся: перегородки топливных баков, панели приборных отсеков, развертки шпангоутов и т. д. Штамповка-вырубка полиуретаном таких деталей в замкнутом объёме контейнера не эффективна, так как для этого требуются металлоёмкие крупногабаритные контейнеры, которые сложны в изготовлении, и мощное дорогостоящее прессовое оборудование.

Вместе с тем для реализации разделительных процессов в изготовлении длинномерных листовых деталей возможно использование вырубки с использованием полузамкнутого и полуоткрытого объемов эластичной среды, в том числе фрагментарным способом с применением гидравлических прессов небольших усилий.

Таким образом, задача по разработке и исследованию интенсификации методов разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и «полуоткрытом способах его< воздействия на заготовку является крайне актуальной и позволяет решить задачи снижения материальных затрат, повышения производительности труда, качества изготовления деталей и конкурентоспособности предприятия в целом.

Цель работы.

Целью настоящей работы являются повышение производительности процесса и снижение энергетических и материальных затрат на технологическое оснащение при разделительной штамповке листовых среднеи крупногабаритных деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать технологию разделительной штамповки листовых среднеи крупногабаритных деталей давлением полиуретана, в том числе фрагментарным способом.

2. Разработать математическую модель контактного взаимодействия эластичного инструмента с листовой заготовкой при вырубке деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах реализации процесса с использованием различной геометрической формы эластичного инструмента.

3. Провести численные и экспериментальные исследования формоизменения заготовки и эластичного инструмента в условиях реализации процесса разделительной штамповки листовой заготовки давлением в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

4. Исследовать напряженно-деформированное состояние листовой заготовки в очаге разделения при использовании различных конструктивных схем вырубного инструмента.

5. Провести исследования условий повышения качества изготовляемых деталей разделительной штамповкой давлением эластичной среды в полузамкнутом способе ее воздействия на заготовку с применением локализированного вырубного инструмента.

6. Разработать методику расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды на заготовку в полузамкнутом объеме.

7. Разработать конструкции опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полузамкнутом объеме.

8. Разработать практические рекомендации для применения процесса разделительной штамповки давлением эластичной среды при изготовлении среднеи крупногабаритных листовых деталей в условиях производства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны технологические основы способа вырубки листовых деталей давлением эластичного элемента в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, в том числе фрагментарно, а также разработан целый ряд технологических инноваций.

2. Разработана комплексная математическая модель разделительного процесса штамповки листовых деталей давлением эластичной среды.

3. На основании численных исследований установлены основные технологические факторы и оптимальные параметры процесса вырубки листовых деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, обеспечивающих повышенный уровень и равномерность распределения нормального контактного давления полиуретановой матрицы по поверхности заготовки, а также условия разделения в очаге деформирования материала заготовки, обеспечивающие высокое качество и точность изготовления деталей.

4. Разработана методика расчета энергосиловых параметров процесса разделения листовых деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

Методы исследований. Численные математические исследования проводились с применением специализированных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов. Экспериментальные исследования заключались в определении нормального давления в зоне контакта эластичной матрицы с заготовкой, напряжений и деформаций в очаге разделения заготовки, с последующим анализом контура среза. Исследования проводились с использованием современных методик.

Автор выносит на защиту:

1. Технологию разделительной штамповки листовых среднеи крупногабаритных деталей давлением полиуретана в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, в том числе фрагментарным способом.

2. Результаты исследований комплексной математической модели целого ряда технологических схем реализации процесса вырубки листовых деталей в полузамкнутом и полуоткрытом объемах полиуретана, включая этап разделения заготовкиисследования контактного взаимодействия заготовки со штамповой оснасткойисследования напряженно-деформированного состояния полиуретанового элемента и материала заготовки в очаге разделенияисследования точности изготовляемых деталейисследования касательных напряжений, вызывающих деформацию заготовки после снятия нагрузки в случае малых толщин материала.

3. Методику расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

4., Конструкцию опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

5. Практические рекомендации для применения процесса разделительной штамповки давлением эластичной среды при изготовлении среднеи крупногабаритных листовых деталей в условиях производства.

Практическая ценность.

1. Разработана комплексная математическая модель процесса разделительной штамповки листовых заготовок давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах, которая применима для расчета параметров различных технологических схем реализации процессапозволяет существенно сократить затраты на НИОКРмаксимально сократить затраты на подготовку производствапроводить все экспериментальные исследования.

2. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по расчету и проектированию технологических процессов и оснастки для разделительной штамповки листовых заготовок давлением эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах.

3. По результатам моделирования и экспериментальных исследований разработаны высокоэффективные конструктивно технологические схемы универсального штампа со щелевым сабельным сегментированным контейнером, универсальной штамповой оснастки для фрагментарной пошаговой вырубки длинномерных деталей, универсального штампа для групповой вырубки среднегабаритных деталей в полузамкнутом объеме эластичной среды, а также разработаны конструкции формообразующего вырубного инструмента для изготовления типовых листовых деталей групповым способом и для фрагментарной вырубки в полузамкнутом и полуоткрытом объемах эластичной среды.

Реализация результатов работы.

1. Технология разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах апробирована в условиях производства на предприятии Федеральное государственное унитарное предприятие государственный научно-производственный ракетно-космический центр (ФГУП ГНП РКЦ) «ЦСКБ-Прогресс», что позволяет получить при изготовлении только 320 наименований деталей годовой экономический эффект 1'052'000 рублей в ценах 2009 г.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 4 Международных научно-технических конференциях.

Публикации.

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 8 печатных работ. В том числе 4 статьи — в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 132 страниц машинописного текста, 79 рисунков, 8 таблиц и 1 приложение объемом 58 страниц машинописного текста.

Список использованных источников

содержит 84 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Решена задача повышенияэффективности процесса разделительной штамповкилистовых деталей за счет разработки' новой технологии вырубки^ давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах.

2. Разработана комплексная математическая модель деформационного процесса вырубки, листовых деталей-в полузамкнутом и полуоткрытом объемах полиуретана, учитывающая контактное взаимодействие эластичного инструмента1 с заготовкой. Адекватность математической модели подтверждена проведенными экспериментами-.

3. На основании* численных исследований установлены оптимальные параметры процесса и эластичного инструмента, при которых достигается равномерность уровня контактного давления эластичной среды на листовую заготовку в пределах 160. 180 МПа для полузамкнутой и 155. 175 МПа для1 полуоткрытой схем нагружения эластомера.

4. На основании исследований напряженно-деформированного состояния материала заготовки в очаге разделения установлены оптимальные параметры процесса и конструктивных схем вырубного локализированного инструмента, обеспечивающие сдвиговой характер разделения листовой заготовки и повышение качества вырубаемого контура детали.

5. Разработана' методика расчета энергосиловых параметров процесса разделительной штамповки листовых деталей при деформационном воздействии эластичной среды в полузамкнутом и полуоткрытом объемах с использованием инструмента с локализацией очага разделения.

6. Разработаны конструкции опытно-промышленной оснастки для реализации процессов разделительной штамповки листовых деталей давлением эластичной среды в полуоткрытом и полузамкнутом объемах, в том числе фрагментарным способом.

7. Применение разработанных конструкций штамповой оснастки позволяет сократить трудоемкость изготовление листовых длинномерных деталей в 3.5 раз, затраты на средства оснащения в десятки раз (к примеру, при изготовлении 320 наименований деталей — в 30 раз).

8. Для реализации процессов разделительной штамповки давлением эластичной среды при изготовлении среднеи крупногабаритных листовых деталей в условиях производства разработана методология расчета основных параметров и основных этапов технологии, что сократило сроки подготовки производства в 2. .3 раза.

9. Технология разделительной штамповки листовых деталей давлением полиуретана в полуоткрытом и полузамкнутом объемах апробирована в условиях производства на предприятии ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», что позволяет получить при изготовлении только 320 наименований деталей годовой экономический эффект 1'052'000 рублей в ценах 2009 г.