Повышение эффективности технологической оснастки и оборудования электромагнитной штамповки

Развитие машиностроения и вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, повышение производительности труда и качества продукции основывается на применении новейших видов технологических процессов, к числу которых относятся высокоскоростные методы обработки металлов давлением (ОМД).

К числу перспективных методов, внедрение которых может значительно усовершенствовать технологию ОМД, относится электромагнитная штамповка (ЭМШ) — новый высокоскоростной метод пластического деформирования металлов и сплавов, основанный на непосредственном преобразовании предварительно накопленной электрической энергии в механическую работу деформирования заготовки.

Интерес к исследованиям процессов деформирования материалов с помощью интенсивных электромагнитных воздействий возник в связи с развитием физики и техники сильных магнитных полей, их многочисленным применением в авиастроении и машиностроении при разработке и внедрении импульсных технологических процессов обработки металлов давлением, созданием ряда энергетических установок, эксплуатируемых в условиях комбинированного действия силовых, тепловых и магнитных полей. Одним из практических направлений использования интенсивных импульсных магнитных полей в промышленности является ЭМШ, которая начала развиваться в силу ряда преимуществ перед другими технологическими процессами — возможности автоматизации и механизации, большой технологической гибкости, возможности совмещения различных операций, увеличения пластичности металлов.

ЭМШ является одним из методов пластического формоизменения металлов с использованием импульсного магнитного поля. Принцип действия электромагнитных установок основан на использовании электродинамических сил, возникающих в результате взаимодействия магнитного поля разрядного тока через катушку (индуктор) с полем наведенного тока в заготовке помещенной в рабочую зону катушки. Давление, деформирующее металлическую заготовку, создается непосредственным воздействием магнитного поля без участия промежуточных твердых, жидких или газообразных тел.

Разработка научно-обоснованных путей и способов создания ресурсосберегающих технологий включает в себя большой круг теоретических, экспериментальных, технологических и компьютерно-программных задач.

В настоящее время внедрение достижений науки в производство затруднено в связи с недостатком инвестиций, жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, поэтому особенно актуальной становится задача создания методов комплексного проектирования ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций.

В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий электромагнитной штамповки, отличающихся компактностью и мобильностью оборудования, простотой и низкой стоимостью оснастки, высоким качеством получаемых изделий. Современные установки для электромагнитной обработки металлов, легко встраиваются в автоматизированные линии, могут использоваться для выполнения разнообразных операций формовки, калибровки и сборки как в условиях мелкосерийного, так и крупносерийного производств. Результаты исследований показывают, что в операциях электромагнитной штамповки можно получить большую предельную степень формоизменения.

В математическом плане магнитно-импульсные процессы динамического формоизменения описываются динамическими уравнениями термо-упругопластичности и электродинамики. При этом существенно, что термомеханическая" и «электромагнитная» группы уравнений оказываются взаимосвязанными. Лишь в последнее время благодаря развитию численных методов и созданию мощных ЭВМ появилась возможность адекватного моделирования указанных нелинейных процессов. Однако решение задач ЭМШ требует развития эффективных прикладных теорий, численных методов их реализации и оптимизации технологических процессов. Необходимо изучение деформационных и прочностных свойств материалов в новых специфических условиях, развития экспериментальной техники, создание более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.

Однако решение задач ЭМШ требует развития эффективных прикладных теорий, численных методов их реализации и оптимизации технологических операций. Необходимо изучение деформационных и прочностных свойств материалов в новых специфических условиях, развития экспериментальной техники, создание более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.

В то же время широкое внедрение процессов ЭМШ сдерживается недостаточной стойкостью инструмента, применяемой оснастки и элементов высокоэнергетического оборудования, что вызвано их работой в условиях, далеких от оптимальных. Это приводит к большим объемам экспериментальных и доводочных работ по корректировке технологии штамповки на этапе серийного производства.

Повышение технологичности операций ЭМШ позволяет не только экономить энергоресурсы, но и увеличить стойкость элементов оборудования и оснастки, что свидетельствует об актуальности разработок в области создания научно-обоснованных методов проектирования технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную энергоемкость операций ЭМШ.

Работа выполнена в соответствии с грантом по фундаментальным исследованиям в области металлургии и машиностроения в 1999;2001 гг.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена решению научно-технической задачи, имеющей важное значение в области развития технологии и оборудования для машиностроения — повышению эффективности технологической оснастки и оборудования на основе разработки научно-обоснованных методов проектирования, создания и реализации новых технологических режимов, модернизации оснастки, обеспечивающих снижение энергоемкости операций электромагнитной штамповки.

Научная новизна состоит в:

• создании математической модели, описывающей электромеханические процессы импульсного деформирования трубчатых заготовок с учетом разветвленного магнитопровода в индукторе;

• разработке метода определения коэффициента снижения энергоемкости операций ЭМШ;

• установлении особенностей формоизменения заготовок из разных материалов и закономерностей влияния параметров установки и технологической оснастки на процесс деформирования трубчатых заготовок при ЭМШ.

Основные научные положения, выносимые на защиту: теоретические зависимости для определения силовых и кинематических параметров операций ЭМШ, включающие упругопластические математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состоянияанализ результатов теоретических и экспериментальных исследований операций ЭМШ, технологических режимов работы оборудования и форм импульса давления магнитного поляметодика проектирования и математические модели электромеханических процессов штамповки, компьютерные модели и методы проектирования технологических операций ЭМШ трубчатых заготовок с учетом разветвленного магнитопровода в индукторерезультаты внедрения технологических операций ЭМШ, методов и алгоритмов расчета — в производство, практику проектирования и учебный процесс.

Методы исследования, использовавшиеся в работе: теоретический анализ операций ЭМШ с использованием основных положений теории ОМД и теории электрических цепей для различных вариантов схем применяемого магнитопровода в индукторематематическое моделирование процессов штамповки с использованием планирования эксперимента, нелинейного программирования и численного интегрирования систем дифференциальных уравненийэкспериментальные методы определения энергетических, силовых и деформационных параметров в процессах ЭМШ с использованием магнитно-импульсных установок и современной регистрирующей аппаратуры.

Практическая значимость работы заключается в следующих результатах: созданы математические модели и компьютерная методика проектирования, которые облегчают использование разработанных методов расчета при внедрении в технологическую и конструкторскую практику, позволяют сократить сроки технологической подготовки производства на стадии проектирования и освоения новых операций, оборудования и оснасткина основе теоретических и экспериментальных исследований намечены пути совершенствования технологии и индукторных систем для обеспечения оптимальных режимов работы оборудования и форм импульса давления в операциях ЭМШразработаны рекомендации по созданию и совершенствованию технологической оснастки и оборудования в операциях ЭМШразработаны различные варианты схем применяемого магнитопро-вода в индукторе, подана соответствующая заявка на изобретение (№ 2 001 125 365 от 14.09.01 г.): «Устройство для магнитно-импульсного формообразования осесимметричных оболочек».

Реализация результатов работы: положены в основу методики выбора оптимальных параметров и режимов проектируемых технологий и оборудования ЭМШприняты к эксплуатации для проектирования и оптимизации параметров технологических операций, инструмента и узлов оборудования для получения полых цилиндрических деталей в ОАО ТНИТИ (г. Тула) — внедрены в учебный процесс при написании конспектов лекций и постановке лабораторных работ по курсам «Новые виды технологических процессов и оборудования ОМД», «Компьютерное моделирование процессов и машин ОМД" — подготовке магистерских диссертаций, выпускных работ бакалавров, выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на международных, всероссийских, региональных, молодежных и межвузовских конференциях, в том числе: молодежной научно-техническая конференции технических вузов центральной России (г. Брянск, 2000 г.) — международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные научно-технические проблемы в машиностроении. Техноло-гия-2000» (г. Орел, 2000 г.) — российской научно-технической конференции «Технологические проблемы производства элементов и узлов изделий авиакосмической техники» (г. Казань, 2000 г.) — 1-ой электронной международной научно-технической конференции «Автоматизация и информатехнической конференции «Применение теории пластичности в современных технологиях обработки давлением» (Украина, г. Винница, 2001 г.) — международной научно-технической конференции «Совершенствование процессов и применение обработки давлением в металлургии и машиностроении» (Украина, г. Краматорск, 2001;2002 гг.) — всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (г. Рыбинск, 2002 г.), и на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 1999;2002 г. г.

Публикации. Основные научные положения и материалы проведенных исследований широко освещались в печати. По теме диссертации опубликовано 17работ.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., проф. Н. Е. Проскурякову, а также к.т.н., асс. В. А. Селищеву и к.т.н., доц. С. Ю. Орлову, за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов по работе, списка литературы из 111 наименований, приложения и включает 184 страницы машинописного текста, 82 рисунка, 14 таблиц. Общий объем работы 203страницы.

Результаты работы в виде методик проектирована ч и комплекса прикладных программ приняты для внедрения и были использованы при проектировании технологических процессов получения узлов и элементов изделий в ОАО ТНИТИ (г. Тула), что позволило на 30.50% сократить объем работ по технологической подготовке производства. Теоретические решения, разработанные математические модели и программное обеспечение внедрены и используются в учебном процессе ТулГУ.

Заключение

и основные выводы по работе.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение в области листовой штамповки —, имеющая важное народнохозяйственное значение в области листовой штамповки — создание новых технологий, позволяющих повысить эффективность технологической оснастки в операциях ЭМШ трубчатых заготовок, результативность и гибкость оборудования на основе разработки компьютерных методов проектирования технологии и оптимизации параметров оборудования и индукторной системы.

Решение данной актуальной задачи проводилось в соответствии с грантом по фундаментальным исследованиям в области металлургии и машиностроения в 1998;2000 гг. по разработке теории и процессов пластического формоизменения.

В работе реализованы поставленные задачи:

1. Разработана математическая модель динамического упругопласти-ческого поведения материала заготовки при его формоизменении с учетом влияния упрочнения и пластических свойств материала в операциях магнитно-импульсной штамповки.

2. Создана математическая модель электромеханических процессов импульсного деформирования заготовок и функционирования оборудования.

3. Установлены особенности формообразования и закономерности влияния силовых параметров, технологических факторов и геометрии инструмента в операциях ЭМШ трубчатых заготовок.

4. Проведены экспериментальные и теоретические исследования физических явлений и характера протекания электромеханических процессов при ЭМШ, на базе которых созданы новые схемные решения функционирования оборудования и технологической оснастки.

5. Разработан метод расчета режимов работы и форм импульса давления при магнитно-импульсном формоизменении трубчатых заготовок для типовых операций магнитно-импульсной штамповки с применением разветвленного магнитопровода в индукторе.

6. Разработана компьютерная методика, позволяющая проводить проектирование технологических операций, расчет параметров индукторных систем и установок для магнитно-импульсной штамповки трубчатых заготовок.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. На степень деформации заготовки влияют масса, форма и магнитная проницаемость магнитопровода, толщина листа электротехнической стали, применяемой в сердечнике и зазоры в разветвленной магнитной цепи. Анализ экспериментальных данных показал, что радиальная деформация заготовки повышается на 50−100% при применении различных вариантов схем ферромагнитного провода в индукторе.

2. Оценка точности и сходимости теоретических расчетов и экспериментальных данных по обжиму и раздаче заготовок из алюминиевого сплава АМг2М, латуни Л63 и стали 08кп по всем рассмотренным вариантам (с ферромагнитным сердечником и без него) показала, что расхождения между численным и аналитическим решениями по радиальной деформации заготовки составляют 3. 5%, по окружным напряжениям — 5. 8%, что подтверждает адекватность разработанных математических моделей;

3. Анализ полученных значений коэффициентов снижения энергоемкости операций показал, что применение разветвленного магнитопровода позволяет снизить энергоемкость операций обжима и раздачи импульсным магнитным полем на 7.. .20%, а также то что его можно использовать при расчетах технологичности в операциях ЭМШ с применением различных форм магнитопровода в индукторе так как коэффициент снижения энергоемкости операции К^ является частным показателем технологичности конструкции изделия;

4. Значение амплитуд и частот графиков по давлению ИМП, определенные экспериментально, отличаются от теоретических, на величину менее 10% по амплитуде и 6% по частоте.

5. Собственные механические частоты колебаний заготовок из разных материалов соотносятся примерно как.

АМг2М /.763: /сталь 08кп =1.5:1:1.5, а относительные собственные частоты установок /0! /зАГ-> рассчитанные для минимумов энергоемкостей операции заготовок из различных по своим физическим свойствам материалов.

А— ¦*<>.: .,/"-= 1.8:2.3: 1,.

АМг2М / 763 .1 сталь 08кп что подтверждает нелинейность данных зависимостей.

Получены научно-обоснованные технологические и конструкторские решения, включающие разработанные компьютерные модели и комплекс прикладных программ для численных расчетов исследуемых операций магнитно-импульсной штамповки, которые позволили значительно сократить трудоемкость расчетных работ, время выбора оптимального варианта технологии и оборудования, повысить качество принимаемых технических решений, что ускоряет научно-технический прогресс в данной области.