Вдосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання для згинання композиційних і складнопрофільних заготівок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

УДК 621.98.01: 621.98.04: 621.981.01

Спеціальність 05.03. 05 "Процеси та машини обробки тиском"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вдосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання для згинання композиційних і складнопрофільних заготівок

Фоменко Юрій Вікторович

Краматорськ - 1999

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, академік Академії Інженерних Наук України Потапкін Віктор Федорович, ректор Донбаської державної машинобудівної академії

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, ведучий науковий співробітник Тараненко Михайло Євгенович, кафедра "Технологія металів і авіаційне матеріалознавство " Харківського авіаційного інституту ім. М.Є.Жуковського

- кандидат технічних наук, доцент Майоров Геннадій Іванович, доцент кафедри "Обробка металів тиском" Донбаського гірнично-металургійного інституту

Провідна установа - Інститут чорної металургії ім. З.І.Некрасова Національної Академії наук України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться " 15 " квітня 1999 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105. 01 по захисту дисертацій в Донбаській державній машинобудівній академії (343913, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (343913, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус)

Автореферат розісланий " 15 " березня 1999 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105. 01, к.т.н., доц. Сатонін О. В.

Анотації

Фоменко Ю.В. Вдосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання для згинання композиційних і складнопрофільних заготівок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03. 05 - Процеси та машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 1998.

Дисертація присвячена вдосконаленню і розвитку процесів згинання композиційних і складнопрофільних заготівок. Розроблена комп'ютерна система розрахунку і автоматизованого проектування процесу. Обгрунтовані засоби підвищення ефективності, запропоновані і реалізовані нові технологічні прийоми і технічні рішення, що дозволили підвищити техніко-економічні показники виробництва гнутих деталей з композиційних і складнопрофільних заготівок.

Ключові слова: згинання, біметалева порошкова композиція, складнопрофільна заготівка, радіус залишкової кривизни, пружне пружинення, математична модель, точність.

Фоменко Ю.В. Совершенствование технологических режимов и конструктивных параметров механического оборудования для гибки композиционных и сложнопрофильных заготовок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 1998.

Диссертация посвящена совершенствованию и развитию процессов гибки композиционных и сложнопрофильных заготовок, в частности, используемых в производстве длинномерных тонкостенных гнутых деталей с чередующимися участками различной кривизны, гнутых деталей с пористыми составляющими и гнутых деталей из сортовых и тонкостенных профилей со сложной формой поперечного сечения. Обосновано, что наиболее эффективное получение рассматриваемых гнутых деталей, изготавливаемых малыми партиями, возможно только с широким использованием математических моделей и разработанного на их основе комплекса программных средств. Последние должны обеспечить как исследование и выявление физических закономерностей процесса при их максимально возможном приближении к реальным объектам моделирования путем наиболее корректного учета всех наиболее влияющих факторов, так и решение на их основе задач автоматизированного проектирования технологий и конструкций гибочного оборудования.

Уточнена и расширена в область многослойных композиций с пористыми составляющими и произвольной формой поперечного сечения детерминированная математическая модель напряженно-деформированного состояния при гибке многослойных полиметаллических листов и полос. На основе полученных детерминированных математических моделей, в соответствии с общей стратегией метода Монте-Карло, разработана математическая модель по прогнозированию точности размеров гнутых деталей. Сформулирована и решена задача по автоматизированному проектированию технологий и оборудования с учетом влияния на величину упругого пружинения наиболее значимых случайных нерегламентированных факторов. Достоверность полученного математического аппарата подтверждена экспериментально. Разработана компъютерная система по расчету и автоматизированному проектированию процесса, позволяющая исследовать причинно-следственные связи и решать задачи автоматизированного проектирования технологий и конструкций с учетом установленных диапазонов рассеивания наиболее значимых исходных параметров, которая может быть применена к широкому спектру гнутых деталей из композиционных и сложнопрофильных заготовок с минимальными затратами на обеспечение их производства.

Количественно и качественно выявлено влияние исходных параметров пористого слоя на величину упругого пружинения, исследовано изменение толщины порошковой составляющей биметаллической композиции, определены условия ее неразрушения в процессе деформирования; выявлены параметры исходных заготовок, вариация которых в установленных диапазонах оказывает наибольшее влияние на рассеяние величины упругого пружинения.

Разработаны практические рекомендации, которые нашли применение: при разработке конструкции машины для формовки боковых панелей панциря крыши автобуса ЛАЗ, входящей в состав линии для производства боковых панелей и выборе оптимальных технологических режимов, обеспечивающих получение профилей боковых панелей на одном профиле шаблона с заданной точностью, когда величина упругого пружинения значительна и зависит от случайных нерегламентированных факторов; при разработке технологических режимов и требований к параметрам исходных порошковых биметаллических заготовок под моторноосевой подшипник тепловоза и подшипниковые вкладыши роликов рольгангов; при разработке конструкции станка гибочного для изготовления гнутых деталей из тонкостенных профилей высокой жесткости с управляемым складкообразованием и конструкции гибочно-правильного трехроликового устройства специализированного прокатного стана 55/260х 200.

Ключевые слова: гибка, биметаллическая порошковая композиция, сложнопрофильная заготовка, радиус остаточной кривизны, упругое пружинение, математическая модель, точность.

Fomenko Y.V. Perfecting of technological modes and design data of machinery for bending composite and complete section of blanks. - Manuscript.

Thesis on competition of a Scientific Degree of the Candidate of Engineering Science on a Speciality 05.03.05 - Processes and Machines of the Pressure Processing . - Donbass State Machine-Building Academy, Kramatorsk, 1998.

The thesis is devoted to perfecting and development of bending processes composite and complete section of blanks. The computer system of calculation and automated designing of process is worked out. The methods of increase of efficiency are justified, are offered and the new technological methods and engineering solutions permitting to increase technological parameters of production of bent detailses from composite and complete section of blanks are realized.

Key word: bending, the bimetallic powder composition, complete section blank, radius of a residual curvature, elastic spring back, mathematical model, accuracy.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зважаючи на важливе промислове значення, процесу згинання присвячено багато теоретичних і практичних робіт, з багатьох типів гнутих деталей, що випускаються серійно, накопичений багатий емпіричний досвід. У виробництві застосовують велику кількість засобів отримання гнутих деталей, що задовольняють вимогам споживача за якістю продукції, яка випускається, а також щодо забезпечення її мінімальної собівартості.

Разом з тим, слід відзначити, що ані існуючі в нинішній час засоби розрахунку і математичні моделі, ані засоби отримання і конструкції механічного обладнання не дозволяють охопити весь спектр гнутих деталей щодо їхніх габаритів, формами профілю, наявності композиційної структури і ін. складнопрофільний заготівка згинання автоматизація

Відзначене можна віднести, зокрема, до довгомірних тонкостінних гнутих деталей з дільницями, що чергуються, різноманітної кривизни і гнутих деталей шаруватої структури з пористими шарами, а також до широкого спектру гнутих деталей з складнопрофільних сортових і тонкостінних заготівок, достатній обсяг теоретичних і емпіричних знань з процесів виготовлення яких ще не накопичений. Здебільшого деталі, найбільш ефективне отримання яких і розглядається в даній роботі, виробляються малими партіями, тому визначення оптимальних технологічних режимів і конструктивних параметрів обладнання необхідно здійснювати, при мінімальних витратах, з широким використанням математичних моделей і відповідного комплексу програмних засобів.

В зв'язку з цим вивчення закономірностей формотворення гнутих деталей, що є специфічними по довжині, формі поперечного перетину і наявності композиційної структури з пористими шарами, математичний опис фізичних закономірностей процесу і його максимально повне наближення до реальних об'єктів моделювання шляхом найбільш коректного врахування всіх, найбільш що впливають, факторів, вирішення задач оптимального проектування технологій і конструкцій, а також розробка на їхній основі практичних рекомендацій являють собою актуальну задачу, що має важливе наукове і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з тематикою науково-дослідних робіт кафедри "Автоматизовані металургійні машини і обладнання" Донбаської державної машинобудівної академії:

Г-03-96 "Розробка, дослідження і вдосконалення технології і обладнання для виробництва високоефективних композиційних заготівок і складних профілів спеціального призначення" № Держ. реєстрації 0196U015979;

Г-14-94 "Розробка, дослідження і вдосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання для виробництва заготівок і готової металопродукції з антифрикційними, антикорозійними і декоративними покриттями" № Держ. реєстрації 0194U015531;

Г-01-97 "Розробка, дослідження і вдосконалення технологій і обладнання металургійного виробництва, що забезпечують збільшення об'ємів виробництва, розширення сортаменту і підвищення якості гостродефіцитних і спеціальних видів готового металопрокату" № Держ. реєстрації 019U001595;

ДП-29-94 "Вдосконалення конструктивних параметрів механічного обладнання спеціалізованих прокатних станів 5501300, П 1000750" № Держ.. реєстрації 0193U041036;

Х-09-94 "Дослідження і вдосконалення технологій і обладнання для виробництва багатошарових звернутих паяних труб" № Держ. реєстрації 0195U023846;

Х-10-95 "Розробка технологічних режимів і уточнення вихідних даних на проектування обладнання спеціалізованого стану 500 для Артемовського заводу "Перемога праці" № Держ. реєстрації 0195U015603;

Х-22-97 "Дослідження і вдосконалення технологій і обладнання плющильно-вочильного стану ВАТ СКМЗ" № Держ. реєстрації 0197U015740.

Ціль і задачі досліджень. Підвищення техніко-економічних показників промислового виробництва гнутих композиційних і складнопрофільних деталей на основі розробки математичних моделей, програмних засобів і практичних рекомендацій.

Для досягнення поставленої цілі сформульовані і вирішені наступні задачі:

уточнення детермінованої математичної моделі напружено-деформованого стану при згинанні багатошарових поліметалевих листів і смуг, розширення її в область багатошарових композицій з пористими шарами і складною формою поперечного перетину; розробка на їхній основі програмних засобів;

розробка імітаційної математичної моделі і програмних засобів щодо прогнозування точності геометричних характеристик гнутих композиційних і складнопрофільних деталей;

розробка програмних засобів щодо автоматизованого проектування технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання, що забезпечують отримання гнутих деталей з композиційних і складнопрофільних заготівок з заданою точністю виготовлення;

експериментальна оцінка ступеня вірогідності розробленого математичного апарату і комплексу програмних засобів, а також уточнення діапазонів варіацій найбільш значущих вихідних параметрів процесу;

розробка практичних рекомендацій щодо вдосконалення технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного обладнання для отримання гнутих композиційних і складнопрофільних деталей необхідної якості.

Наукова новизна отриманих результатів. Автором запропоновані нові наукові положення:

визначені технологічні можливості отримання довгомірних тонкостінних профілів з дільницями, що чергуються, різноманітної кривизни і гнутих біметалевих вкладишів підшипників ковзання з порошковим антифрикційним шаром;

в область згинання багатошарових композицій з пористими шарами і довільною формою поперечного перетину поширена детермінована математична модель щодо розрахунку напружено-деформованого стану та оцінці умови неруйнування в процесі їхнього деформування;

виявлений діапазон умов реалізації процесу згинання, що забезпечує неруйнування біметалевих композицій; дана оцінка впливу товщини, механічних властивостей і відносної щільності матеріалу шару спеченого порошку на схему напружено-деформованого стану, величину пружного пружинення та зміну товщини порошкового шару композиції в процесі її вигину;

на основі отриманих детермінованих математичних моделей, підпрограми генерування псевдовипадкових рівномірно і нормально розподілених чисел і підпрограми статистичної обробки багаторазовими розиграшами масивів даних, що надаються, у відповідності з загальною стратегією засобу Монте-Карло розроблена імітаційна математична модель щодо прогнозування точності геометричних характеристик гнутих композиційних і складнопрофільних деталей;

виявлений теоретично і підтверджений експериментально вплив варіацій вихідних параметрів на діапазон стохастичного зміну радіусу залишкової кривизни вигнутих біметалевих порошкових композицій і складнопрофільних виробів;

на основі отриманих математичних моделей і елементів теорії операцій вирішена задача щодо автоматизованого проектування радіусів вигину і призначенню вимог до вихідних технологічних параметрів, що забезпечують отримання необхідних радіусів залишкової кривизни з урахуванням допустимих діапазонів їхньої можливої зміни.

Практична цінність отриманих результатів. На основі результатів проведених теоретичних і експериментальних досліджень:

розроблені алгоритми розрахунку і комплекс програмних засобів щодо дослідження причинно-наслідкових зв'язків процесу згинання композиційних і складнопрофільних заготівок, а також щодо автоматизованого проектування технологій і конструкцій, що можуть бути застосовані до широкого спектру гнутих деталей при рішенні конкретних дослідних і практичних задач;

розроблені рекомендації щодо вибору засобу згинання довгомірних бокових панелей панциря даху автобуса ЛАЗ з дільницями, що чергуються, різноманітної кривизни; визначення радіусів кривизни робітничої частини шаблону для згинання; діапазонів зміни положення зварного кінця профілю бокової панелі даху автобуса ЛАЗ і діапазонів зміни сили притиснення ролика з еластичним поліуретановим покриттям для згинання до шаблону з заготівкою, що забезпечують отримання профілю бокових панелей з заданою точністю геометричних характеристик;

розроблені рекомендації щодо вибору засобу згинання біметалевих підшипників ковзання з антифрикційним порошковим шаром; визначенню радіусів вигину, що забезпечують плюсове відхилення на радіальний розмір з урахуванням стохастичного зміну механічних властивостей, товщин шарів і вихідної щільності матеріалу; вибору товщини порошкового шару вихідної заготівки з урахуванням його потовщення в процесі вигину на заданий радіус; допустимому співвідношенню товщин компактного і пористого шарів з точки зору неруйнування композиції при її деформуванні;

розроблені рекомендації щодо вибору засобів згинання; визначенню параметрів складкоутворення при згинанні тонкостінного профілю зі складною формою поперечного перетину; радіусів вигину, що забезпечують необхідні радіуси залишкової кривизни або радіусів противигину для виправлення спадкової кривизни стосовно до декількох виглядів сортових профілів зі складною формою поперечного перетину, що прокатуються на спеціалізованому стані 55/260200.

Розроблені рекомендації були використані:

при створенні конструкції машини для формування бокових панелей панциря даху автобуса ЛАЗ, що входить в склад лінії для виробництва бокових панелей; виборі оптимальних технологічних режимів, що забезпечують отримання профілів бокових панелей з заданою точністю розмірів в УкрНДІ МеталургМаші (м. Слов'янськ);

при розробці технологічних режимів і вимог до параметрів вихідних порошкових біметалевих заготівок під моторноосевий підшипник тепловозу і підшипникові вкладиші роликів рольгангів різних типорозмірів на Кіровському заводі виробів з металевих порошків (м. Кіровськ) і Артемовському заводі "Перемога праці" (м. Артемовськ);

при розробці конструкції верстату для виготовлення гнутих деталей з тонкостінних профілів високої жорсткості зі складкоутворенням, що управляється, і конструкції згинально-правильного трьохроликового влаштування спеціалізованого прокатного стану 55/260200.

Особистий внесок здобувача. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автору належить обґрунтування прийнятих засобів отримання розглядуваних типів гнутих деталей, розробка математичних моделей, алгоритмів і програмних засобів, участь у проведенні дослідів, аналіз і узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень, розробка практичних рекомендацій і участь в впровадженні їх у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень повідомлені і обговорені:

на науково-технічній раді УкрНДІМеталургМаша, м. Слов'янськ, 1993 р.;

на науково-технічній раді Кіровського заводу виробів з металевих порошків, м. Кіровськ, 1995 р.;

на 6-й Міжнародній науково-технічній конференції "Надійність ріжучого інструменту і оптимізація технологічних систем", м. Краматорськ, жовтень 1995 р.;

на Міжвузівській науково-технологічній конференції молодих учених і фахівців "Проблеми техніки, технології і економії машинобудівного виробництва", м. Краматорськ, 28-29 травня 1996 р.;

на науково-технічній конференції "Проблеми розвитку наукоємких і відхідних процесів обробки металів тиском", м. Краматорськ, 24-26 лютого 1997 р.;

на Всеукраїнській науково-технічній конференції "Перспективні технології і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні", м. Краматорськ, 22-24 квітня 1998 р.;

на об'єднаній науково-технічній раді факультету АПОМТ ДДМА, 21 жовтня 1998 р.

Публікації. Основний зміст дисертації викладений в 10 наукових статтях, з яких 6 опубліковані в спеціалізованих збірках наукових праць Донбаської державної машинобудівної академії, Харківського авіаційного інституту і ЗДТУ, 4 - рукописи, що анотувалися і депонувалися.

При роботі над дисертацією автор спирався на праці Мошніна Є.Н., Лисова М.І., Давидова В.І., Трішевського І.С. та інших дослідників.

Наведені нижче дослідження виконані при зацікавленому сприянні УкрНДІ МеталургМаша і ВАТ "Старо-Краматорський машинобудівний завод".

Автор вдячний співробітникам кафедри АММ ДДМА Сатоніну О. В., Федорінову В.А., Гершовичу Є.У. та іншим, що виявили безцінну допомогу при роботі над дисертацією і висловили корисні ради і зауваження.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків. Вона викладена на 129 стор. машинописного тексту, містить 92 рисунка, 19 таблиць, список використаних джерел з 111 найменувань, а також 4 додатка.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність роботи, її ціль, освітлені наукові і практичні результати, а також основні положення, що виносяться до захисту.

Технологічні режими і конструктивні особливості механічного обладнання для згинання композиційних і складнопрофільних заготівок (аналіз стану питання)

В залежності від призначення і вимог до точності виготовлення в промисловості використовується цілий ряд засобів отримання гнутих деталей. Ці засоби характеризуються виглядами інструменту, оснастки, обладнання, що використовуються, і володіють певними можливостями виготовлення гнутих деталей.

Застосування гнутих деталей, отриманих при реалізації різноманітних технологічних схем процесів згинання, направлене на рішення актуальної задачі зниження металовартості машин і будівельних конструкцій при одночасному забезпеченні вимог до їх міцності, жорсткості і надійності, а також для надання окремим елементам конструкцій специфічних властивостей, не притаманних звичайним конструкційним матеріалам. При цьому останнє може бути досягнуте тільки за рахунок застосування гнутих деталей композиційної структури, в тому числі і деталей, отриманих з використанням порошкових технологій.

Разом з тим, при виготовленні цілого ряду якісно нових гнутих деталей складної форми поперечного перетину і композиційної структури вибір засобів отримання, технологічних режимів і обладнання, що забезпечують найбільшу ефективність процесу, може бути ускладнений габаритами деталей, особливостями і формою поперечного перетину, наявністю композиційної структури, в тому числі і пористої, підвищеними вимогами до точності виготовлення і ін. Тому, при проведенні аналізу стану питання стосовно до характерних гнутих деталей, на забезпечення найбільш ефективного отримання яких направлені здійснювані в нинішній роботі дослідження, встановлено, що:

існуючі засоби і технологічні можливості механічного обладнання, без додатку напружень, що розтягують вище межі плинності, практично не дозволяють одержувати надто довгомірні тонкостінні деталі зі складним профілем змінної кривизни при зміні відносних радіусів залишкової кривизни в діапазоні Rост/h=30...1500, коли величина пружного пружинення значна і в більшій мірі залежить від впливу випадкових нерегламентованих чинників;

науково-обгрунтовані рекомендації щодо вибору оптимального співвідношення товщин шарів, врахуванню зміни товщини, впливу вихідних параметрів пористого шару з урахуванням реальних діапазонів їх стохастичного зміну при вигині біметалевої композиції, отриманої прокаткою та наступним спіканням компактної і пористої складових, а також математичні моделі, що дозволять з достатнім ступенем наближення досліджувати даний процес з розробкою конкретних рекомендацій, в технічній літературі в достатньому обсязі не наведені.

Тому є актуальним як подальше вдосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів обладнання, що використовується в цьому випадку, так і подальший розвиток математичних моделей, а також вирішеного на їхній основі широкого кола задач проектування технологій і конструкцій, що забезпечують підвищення основних показників якості одержуваних гнутих деталей.

Вибір напрямку і засобів досліджень

Правильний вибір технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання для виробництва нових спеціальних гнутих деталей за відсутності достатнього обсягу емпіричних даних є складною комплексною задачею, рішення якої повинно здійснюватися здебільшого на основі точних наукових закономірностей і залежностей, висловлених у вигляді математичних моделей і розроблених на їхній основі програмних засобів, що повинні забезпечити аналіз причинно-наслідкових зв'язків з наданням всієї необхідної інформації про процес.

Для отримання математичних залежностей використані положення теорії пружності, теорії пластичності, теорії імовірності, засоби математичної статистики та елементи теорії операцій.

Експериментальні дослідження для оцінки вірогідності отриманого математичного апарату і отримання статистичної інформації по коефіцієнтах варіацій вихідних параметрів, що впливають найбільше, були проведені як в лабораторних умовах, так і в умовах дослідницько-промислового і промислового виробництва.

Математичні моделі і програмні засоби по автоматизованому розрахунку і проектуванню процесів згинання композиційних і складнопрофільних заготівок

На основі чисельного рекурентного рішення звичайно-різницевої форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму поширена в область багатошарових листових композицій з пористими складовими і довільних форм поперечного перетину чисельна детермінована математична модель напружено-деформованого стану при згинанні багатошарових поліметалевих листів і смуг. Безпосередньо математичне моделювання процесу пружно-пластичного навантаження багатошарової листової композиції з пористими складовими полягало в розділенні композиції по її товщині на кінцеву множину елементарних об'ємів, ідентифікації приналежності i-го елемента k-му шару композиції, визначенні тангенціальних деформацій і напружень для кожного елементарного об'єму в залежності від його координати, фізично-механічних властивостей матеріалу, кривизни та деформації середнього шару, а також в наступному чисельному інтегруванні по товщині з ітераційним рішенням деформації середнього шару виходячи з умови відповідності розрахункових і заданих значень тангенціальних сил. При реалізації кожного чергового циклу навантаження з порядковим номером t в якості вихідних використовували розрахункові геометричні характеристики багатошарової композиції, отримані для попереднього циклу з порядковим номером (t-1). Результуючі наведені до одиниці ширини тангенціальна сила і момент на t-ому кроку наближення склали, відповідно, для багатошарової листової композиції:

(1)

де yit - геометрична координата елементарної дільниці по відношенню до середньої поверхні;

it - тангенціальна напруга, діюча на відповідній елементарній дільниці.

Для композиції довільної форми поперечного перетину розділення здійснювали і по товщині, і по ширині для кожної окремої по рівню лінії струму.

Зв'язок між деформаціями і напруженнями для кожної елементарної дільниці, відповідної компактним складовим, здійснювали на основі закону Гука в зонах пружного і з урахуванням деформаційного зміцнення в зонах пружно-пластичного формотворення.

Функціональні зв'язки поміж деформаціями і напруженнями елементарної дільниці пористої складової в зонах пружно-пластичного формотворення здійснювали з використанням умови пластичності саме для порошкових матеріалів.

Зважаючи на функціональну взаємозалежність величин, що входять до умови пластичності пористих матеріалів, рішення для кожної дільниці yit виробляли чисельно шляхом нескінченно малого приросту тангенціальної деформації it до значення, відповідного розглядуваній елементарній дільниці.

Рішення при пружному розвантаженні здійснювали також з використанням ітераційних процедур, визначаючи залежності між тангенціальною силою Npt і моментом Mpt, деформацією середньої поверхні cpt та її залишковою кривизною состt до виконання умов Npt=0 і Mpt=0.

На основі результатів чисельної реалізації отриманих детермінованих математичних моделей і відповідних їм програмних засобів вироблена оцінка впливу всього комплексу вихідних параметрів на результуючі локальні і інтегральні характеристики процесу, даний кількісний та якісний аналіз відповідних функціональних зв'язків.

Отримані детерміновані математичні моделі, що організувалися у відповідності із загальною стратегією засобу Монте-Карло, склали комплекс програмних засобів щодо імітаційного моделювання точності геометричних характеристик гнутих деталей з композиційних і складнопрофільних заготівок.

На основі результатів чисельного аналізу встановлено, що найбільш значущими параметрами, варіації яких виявляють найбільший вплив на стохастичну зміну результуючих значень радіусу залишкової кривизни і величини моменту, є товщина і механічні властивості шарів, а для композицій з пористими складовими, і вихідна відносна щільність спеченого порошку, кількісні оцінки яких можуть бути використані при призначенні вимог до вихідних заготівок виходячи з умови забезпечення необхідної точності одержуваних гнутих деталей.

Закони розподілу всіх результуючих характеристик близькі до нормального, наприклад, для порошкової біметалевої композиції "сталь 20 + бронзографіт БГ-1" коефіцієнти варіації результуючої товщини порошкового шару і радіусу залишкової кривизни можуть досягати, відповідно, hпр=0,047 і Rcост=0,0075 (рис. 1), а для тонкої смуги під бокову панель з стали 08 кп коефіцієнти варіації моменту і радіусу залишкової кривизни відповідно M =0,04 і Rcост=0,011 (рис. 2).

Рис. 1 Залежності коефіцієнтів варіацій результуючої товщини порошкового шару hпр (а) і радіусу залишкової кривизни Rcост (б) від зміни коефіцієнтів варіацій товщин компактного hк і пористого hп шарів, межі плинності компактного шару т 0к і вихідної щільності порошкового шару 0 при згинанні біметалевої композиції "сталь 20+бронзографіт БГ-1"

З використанням детермінованих математичних моделей в якості цільової функції і стратегій однопараметричної оптимізації сформульована і вирішена програмно задача по автоматизованому проектуванню радіусів вигину, що забезпечують отримання необхідних радіусів залишкової кривизни деталі, а в поєднанні з одночасним проведенням імітаційного моделювання, і забезпечення необхідної точності результуючих геометричних характеристик.

Експериментальні дослідження процесів згинання композиційних і складнопрофільних заготівок

На основі результатів експериментальних досліджень, проведених в лабораторних і промислових умовах, визначені дійсні діапазони стохастичного зміну вихідних параметрів, що найбільш впливають на величину пружного пружинення заготівок під бокову панель і під порошкові вкладиші підшипників ковзання. Встановлено, що коефіцієнти варіації товщини і межі плинності заготівок в обсязі партій рулонів під бокову панель складають, відповідно, h=0,038 і т 0=0,0057, а коефіцієнти варіації товщин компактного і пористого шарів, межі плинності компактного шару і вихідної відносної щільності спеченого порошкового шару біметалевих "сталь 20 + бронзографіт БГ-1" заготівок під вкладиші підшипників ковзання, відповідно: hk=0,021; hп=0,028; т 0=0,059; 0=0,024.

Рис. 2 Залежності коефіцієнтів варіацій моменту M (а) і радіусу залишкової кривизни Rcост (б) від зміни коефіцієнтів варіацій товщини h і межі плинності т 0 тонкої смуги з стали 08 кп

Результати зіставного аналізу розрахункових і емпіричних розподілів радіусу залишкової кривизни, проведеного з використанням критеріїв Уілкоксона і Смирнова, підтвердили достатній ступінь вірогідності і можливість подальшого використання отриманих в нинішній роботі математичних моделей, а також розроблених на їхній основі програмних засобів, при цьому заносима погрішність не перевищила, по середнім вибірковим значенням, 3.1% для заготівок під бокову панель і 5.1% для заготівок під підшипникові вкладиші.

Досліджено процес формотворення експериментального профілю бокової панелі і встановлено, що отримання бокової панелі з необхідною точністю при дійсних встановлених діапазонах стохастичного зміну товщини і межі плинності матеріалу вихідних заготівок на одному профілі шаблону є можливим, при цьому діапазон зміни тиску робітничої рідини в гідроціліндрах притиснення ролика з еластичним покриттям повинен складати 0.78... 2.2 МПа, що відповідає розподіленому навантаженню на ролік до 5.34 Н/мм.

Вдосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання для отримання гнутих композиційних і складнопрофільних деталей

На основі результатів проведених досліджень процесу згинання бокових панелей панциря даху автобуса ЛАЗ було встановлено, що найбільш ефективним в даному випадку може бути комбінований засіб, що полягає в обкатці заготівки по поворотному жорсткому шаблону роликом з поліуретановим покриттям, що дозволить при правильно вибраному профілю шаблону одержувати заданий кінцевий профіль бокової панелі. При вирішенні оптимізаційної задачі з одночасним проведенням імітаційного моделювання визначені радіуси кривизни робітничої частини шаблону для згинання, що забезпечують при мінімальній силі притиснення ролика нижнє граничне відхилення вільного кінця профілю від номіналу. На підставі встановленого в цьому випадку діапазоні відхилення вільного кінця був визначений діапазон зміни необхідної сили притиснення ролика, що забезпечує необхідну точність розмірів кінцевого профілю, отримана емпірична настроювальна залежність необхідної сили притиснення від величини відхилення. Рекомендації були використані при розробці технічного і робітничого проектів машини для формування бокових панелей панциря даху автобуса ЛАЗ, що входить в склад обладнання лінії для виробництва бокових панелей.

Для виготовлення біметалевих підшипників ковзання з антифрикційним порошковим покриттям з перетином достатньо великої жорсткости при відносних радіусах вигину Rост/h>10, був прийнятий засіб згинання на трьохвалковій симетричній машині. Визначені радіуси вигину, що забезпечують гарантоване плюсове відхилення і діапазон розсіювання радіусу залишкової кривизни, сформульовані вимоги до товщини порошкового шару вихідних заготівок з урахуванням потовщення в процесі вигину. Підтверджене неруйнування композиції при її вигині для характерних співвідношень товщин, матеріалів шарів і радіусу вигину для заготівки під моторноосевий підшипник тепловозу. Для вкладишів підшипникових вузлів рольгангів, де товщина порошкового шару повинна забезпечувати допустиму величину зносу, були визначені мінімально допустимі з умови неруйнування співвідношення товщин компактного і пористого шарів композиції.

Крім того, при вигині тонкостінного профілю високої жорсткості на відносно малий радіус досліджена схема деформованого стану і визначені параметри складкоутворення. Отримані рекомендації були використані при розробці конструкції верстату для згинання тонкостінних профілів високої жорсткості по шаблону з складкоутворенням, що керується. Були визначені також радіуси вигину, що забезпечують гарантований необхідний радіус залишкової кривизни стосовно до декільком типорозмірів сортових профілів зі складною формою поперечного перетину, одержуваних на спеціалізованому стані 55/260х 200.

Висновки

При створенні нових ефективних зразків сучасної техніки з високими експлуатаційними характеристиками існує потреба в застосуванні гнутих деталей, що є специфічними щодо габаритів, формі профілю, рівню фізично- механічних властивостей і наявності композиційної структури, отримання яких в силу здебільш дрібносерійного виробництва і відсутності достатнього обсягу емпіричних даних, повинно здійснюватися автоматизовано з використанням достатньо строгого математичного апарату.

Уточнена і поширена в область згинання багатошарових композицій з пористими складовими і довільною формою поперечного перетину детермінована математична модель щодо оцінки напружено-деформованого стану і оцінки збереження цілісності. Встановлено, що при згинанні біметалевих композицій "маловуглицева сталь + бронзографіт" в діапазоні Rост/h=10..30 співвідношення товщин компактного і пористого шарів, із умови її неруйнування, повинно складати hк/hп>0,2.

У відповідності із загальною стратегією засобу Монте-Карло розроблена імітаційна математична модель і програмні засоби по прогнозуванню точності геометричних характеристик гнутих деталей. Встановлено, що закони зміни моменту і радіусу залишкової кривизни близькі до нормального, а значення коефіцієнтів їхньої варіації можуть досягати, відповідно, 0,04 і 0,0011, при цьому більший вплив виявляє діапазон стохастичного зміну товщини і механічних властивостей шарів, а за наявності пористої складової, і вихідної відносної щільності матеріалу порошкового шару.

Сформульована і вирішена задача по автоматизованому проектуванню радіусів вигину, що забезпечують необхідне номінальне значення, а в поєднанні з одночасним проведенням імітаційного моделювання, і формування необхідного діапазону зміни радіусу залишкової кривизни.

При виготовленні довгомірних гнутих деталей з дільницями різноманітної кривизни, що чергуються, при значній величині пружинення найбільш ефективним є комбінований засіб обкатки по шаблону роликом з еластичним покриттям. Радіуси кривизни робітничої частини шаблону в цьому випадку повинні бути визначені при максимально можливому значенні товщини і мінімальній межі плинності матеріалу вихідних заготівок.

Для забезпечення гарантованого плюсового допуска на радіальний розмір гнутих деталей з біметалевих композицій з пористим шаром радіуси вигину повинні бути вибрані виходячи з максимальних значень товщин і мінімальних значень межі плинності компактного шару і вихідної щільності матеріалу шару спеченого порошку. З використанням отриманого комплексу програмних засобів були розроблені практичні рекомендації по вибору технологічних режимів і обладнання, що були застосовані:

при розробці конструкції машини для формовки бокових панелей панциря даху автобуса ЛАЗ, що входить до складу лінії для виробництва бокових панелей; виборі оптимальних технологічних режимів, що забезпечують отримання профілів бокових панелей на одному профілі шаблону з заданою точністю розмірів в УкрНДІ МеталургМаші (м. Слов'янськ); радіуси кривизни шаблону склали 35,1 і 270,4 мм, а сила притиснення ролика повинна змінюватися в діапазоні 2,8...58,4 кН;

при розробці технологічних режимів і вимог до параметрів вихідних порошкових біметалевих заготівок під моторноосевий підшипник тепловозу і підшипникові вкладиші роликів рольгангів різних типорозмірів на Кіровському заводі виробів з металевих порошків (м. Кіровськ) і Артемовському заводі "Перемога праці" (м. Артемовськ);

при розробці конструкції верстату згинального для виготовлення гнутих деталей з тонкостінних профілів високої жорсткості з складкоутворенням, що управляється, і конструкції згинально-правильного трьохроликового влаштування спеціалізованого прокатного стану 55/260200.

Основний зміст дисертації відбитий в наступних опублікованих наукових працях

Имитационное математическое моделирование процессов гибки многослойных полиметаллических листов и полос / Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Романов С.М., Фоменко Ю.В., Гершович Е.У. // Сборник научных статей КИИ. Вып. 1. -Краматорск: Краматор. индустр. ин-т. -1993. -с. 10-15.

Математическая модель напряженно-деформированного состояния при гибке композиционных материалов, полученных на основе процесса прокатки порошков / Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Фоменко Ю.В., Романов С.М., Штибен В.Ф. // Сборник научных статей. Вып. 3. -Краматорск: Донбас. гос. машиностроит.академия. 1996. -с. 17-26.

Изгиб биметаллической полосы при наличии пористой составляющей. Импульсная обработка металлов давлением / Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Фоменко Ю.В., Гершович Е.У. // Межвузовский тематический сборник научных трудов. -Харьков: Харьковский авиационный институт. -1997 -с. 63-72.

Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Фоменко Ю.В. Моделирование процессов гибки деталей из композиционных профилей. Импульсная обработка металлов давлением // Межвузовский тематический сборник научных трудов. -Харьков: Харьковский авиационный институт -1997 -с. 73-75.

Фоменко Ю.В., Гершович Е.У., Сун Сяо Фен. Численное моделирование процессов гибки и профилирования листового металлопроката. Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении // Межвуз. тематич. сб. науч. тр. Вып. 4. -Краматорск: Донбас. гос. машиностроит.академия. 1998. -с. 111-115.

Фоменко Ю.В., Нотченко В.Д. Машина и способ формовки длинномерных панелей обшивки комбинированием гибки по шаблону жестко-эластичной средой. Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий // Сб. науч. тр. ЗГТУ. -Запорожье: Запорож. Гос. техн. ун-т. 1998. -с. 284-285.

Математическая модель напряженно-деформированного состояния при гибке композиционных профилей со сложной формой поперечного сечения / Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Фоменко Ю.В., Нотченко В.Д., Гершович Е.У.; Донбас. гос. машиностроит. академия. - Краматорск, 1996. -15 с. -Рус. -Деп. в УкрИНТЭИ 25.10.96, №72 -Ук 96 // Анот. В ж. Экспрес-новини: наука, техніка, виробництво, №23, 1996.

Имитационное математическое моделирование процессов гибки многослойных полиметаллических листов и полос / Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Фоменко Ю.В., Романов С.М., Штибен В.Ф., Гершович Е.У.; Донбас. гос. машиностроит. академия. - Краматорск, 1996. -12 с. -Рус. -Деп. в УкрИНТЭИ 25.10.96, №74 -Ук 96 // Анот. В ж. Экспрес-новини: наука, техніка, виробництво, №23, 1996.

Оптимизация конструктивных параметров деформирующего инструмента при гибке композиционных листов и профилей / Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Фоменко Ю.В., Нотченко В.Д., Романов С.М., Штибен В.Ф.; Донбас. гос. машиностроит. академия. - Краматорск, 1996. -9 с. -Рус. -Деп. в УкрИНТЭИ 25.10.96, №73 -Ук 96 // Анот. В ж. Экспрес-новини: наука, техніка, виробництво, №23, 1996.

Исследование и проектирование технологии гибки панели обшивки автобуса с учетом вероятностного характера распределения исходных параметров / Потапкин В.Ф., Нотченко В.Д., Фоменко Ю.В., Самойлов В.А., Сатонин А.В.; Донбас. гос. машиностроит. академия. - Краматорск, 1997. -12 с. -Рус. -Деп. в УкрИНТЭИ 2.06.97, №415 -Уі97.

Размещено на Allbest.ru