Повышение стабильности формообразования профильных заготовок на гибочно-растяжном оборудовании с адаптивным программным управлением

Актуальность темы

Совершенствование существующих и разработка новых прогрессивных технологий формообразования профильных заготовок является важной задачей машиностроения. Для повышения эффективности и расширения технологических возможностей операций формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок необходима разработка технологий, обеспечивающих управление качеством получаемых изделий. При формообразовании профильных деталей на гибочно-растяжном оборудовании с программным управлением, большое влияние на качество получаемых деталей оказывают свойства материала заготовки, которые даже в пределах одной партии отличаются, вследствие чего детали, полученные по одной и той же управляющей программе, могут иметь различные отклонения от ожидаемой формы. Для увеличения повторяемости результатов формообразования и улучшения качества деталей необходима коррекция программы управления с учетом реальных свойств материала заготовки.

За многие годы применения технологии формообразования профильных деталей методом гибки с растяжением в авиационной и автомобильной промышленности накоплен большой опыт. Гибочно-растяжные прессы оснащаются системами программного управления (ПУ) и обратной связи, вследствие чего возникают задачи по более полному использованию технологических возможностей такого оборудования.

Использование систем обратной связи пресса позволяет реализовать процесс формообразования таким образом, чтобы корректировать управляющую программу с учётом данных о материале профильной заготовки, полученных непосредственно в ходе процесса. Это повышает стабильность результатов формообразования и точность изготавливаемых деталей.

Объектом исследования в данной работе являются плоские профильные заготовки из алюминиевых сплавов, обрабатываемые гибкой с растяжением. Повышение качества получаемых деталей и увеличение повторяемости процесса формообразования представляет значительный интерес, т.к. это сокращает трудоёмкость технологического процесса за счёт сведения к минимуму объёма доводочных работ.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с перечнем критических технологий федерального уровня, направление 2.6 — «Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления». Тема работы включена в основное научное направление ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники», научное направление «Автоматизированное проектирование операций листовой штамповки» кафедры «Прикладная механика». Работа выполнялась на кафедре «Прикладная механика» Воронежского государственного технического университета.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии формообразования профильных заготовок методом гибки с растяжением, направленное на повышение стабильности и повторяемости результатов формообразования за счёт использования адаптивного программного управления гибочно-растяжным оборудованием.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать статистический разброс параметров материала и его влияние на пружинение заготовок;

2) создать адаптивную математическую модель материала, позволяющую определять параметры материала образца профильной заготовки;

3) разработать математическую модель процесса формообразования профилей, методом гибки с растяжением, позволяющую оценивать величину пружинения и управлять ею;

4) создать математическую модель гибочно-растяжного оборудования и методики её настройки;

5) разработать технологию формообразования профильных заготовок на основе адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием;

6) разработать и испытать в производственных условиях систему адаптивного программного управления гибочно-растяжным оборудованием.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории упругости и пластичности. Проверка предлагаемых алгоритмов осуществлялась с применением системы численного моделирования процесса обтяжки профильных заготовок «Р82Р», разработанной ЦПО ТЕСТ, а также на реальном оборудовании. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.

Достоверность результатов и выводов обеспечена корректной постановкой задач, аргументированными допущениями, выбором наиболее надёжных и эффективных методов математического моделирования, основанных на численном решении краевой задачи с использованием шагового метода нагружения. Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений. Научные положения и практические результаты подтверждены опытно-промышленными испытаниями разработанной методики. Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана адаптивная математическая модель материала, опробованная на алюминиевых сплавах;

• создана методика управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок, обеспечивающая устойчивый процесс деформирования без технологических отказов и оценивающая величину пружинения;

• разработана математическая модель гибочно-растяжного оборудования, реализующая управление прессом по расчётной программе нагружения профильной заготовки с учётом кинематических и силовых возможностей оборудования;

• созданы алгоритмы адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием, реализующего существующие механизмы обратной связи.

Практическая значимость работы. Использование разработанной методики адаптации управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок, позволяет более полно использовать технологические возможности оборудования, значительно сократить разброс качественных показателей производимых деталей.

Программное обеспечение, реализующее данный метод, даёт возможность сократить трудоёмкость и время доводочных работ при производстве профильных деталей, высвободить оборудование и персонал.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанные методики и программное обеспечение проверены автором в производственных условиях при составлении технологических рекомендаций по изготовлению плоских профилей, а также по оценке пружинения профильных деталей. Система адаптации программного управления гибочно-растяжным оборудованием опробована на предприятиях Воронежского акционерного самолётостроительного общества, что подтверждает акт внедрения, и фирмы АСВ (Франция), а также внедрена в учебный процесс, что подтверждается актами внедрения.

Методика, описанная в данной работе, была оформлена в виде заявки на изобретение № 2 003 131 561/02(33 758) «Способ управления процессом гибки с растяжением профильных деталей», по которой получено решение о выдаче патента.

Апробация работы: Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2001 г.) — школе-семинаре «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 2002 г.) — международной конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2002, 2003 и 2004 гг.).

Публикации:

Основное содержание работы изложено в шести научных работах, из них одна — положительное решение к заявке на изобретение и один зарегистрированный в ГосФАП программный продукт [69]. Личный вклад автора включает: в [56] проведение анализа статистического разброса механических свойств материалов профильных заготовок, в [38] предложение математической модели адаптации параметров кривой течения материала, в [55] разработка методики обработки данных систем обратной связи и корректировки программы нагружения, в [57] приведение методики настройки гибочно-растяжного оборудования.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и основных выводов, списка литературы (100 наименований) и четырёх приложений, изложенных на 187 страницах, содержит 116 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы и результаты.

1. Исследован статистический разброс механических характеристик алюминиевых сплавов. Результаты исследования показали существенный разброс: алюминиевые сплавы 2024, Д16, 7075 в отожжённом состоянии имеют статистический разброс параметров кривой течения материала до 7%- в закалённом состоянии при колебаниях времени естественного старения от 5 минут до 2-ух часов разброс параметров кривой течения материала достигает 23%.

2. Создана адаптивная математическая модель материала, позволяющая по начальному участку диаграммы растяжения материала конкретного образца с использованием свойств осреднённой кривой течения данной марки и учётом состояния материала определять параметры кривой течения материала конкретного образца.

3. Разработана математическая модель процесса формообразования гибкой с растяжением профильной заготовки, позволяющая в каждый текущий момент программы нагружения определять напряжённо-деформированное состояние заготовки и оценивать пружинение.

4. На основе разработанной математической модели предложена методика программного управления процессом формообразования методом гибки с растяжением профильных заготовок, обеспечивающая монотонное нагружение профильной заготовки, исключающее появление характерных браковочных признаков (гофра, разрыва) и позволяющая получить предсказуемую величину пружинения.

5. Исследовано влияние статистического разброса параметров материала на пружинение профильных заготовок. Показано, что отклонение параметров алюминиевых сплавов после закалки и естественного старения материала в течение до 2-х часов может привести к разбросу пружинения до 27%.

6. Разработана математическая модель гибочно-растяжного оборудования, преобразующая программу нагружения, полученную при моделировании процесса формообразования, в программу управления рабочими органами пресса, с учётом кинематических и силовых возможностей оборудования.

7. Создана методика адаптивного программного управления процессом формообразования гибкой с растяжением профильных заготовок, корректирующая в реальном времени программу нагружения с учётом реальных свойств материала конкретной профильной заготовки, полученных на основании обработки данных обратной связи.

8. Разработан программный продукт «Система адаптивного программного управления гибочно-растяжным прессом У-100 с ЧПУ», который испытан и внедрён в производство. За счёт внедрения системы удалось сократить объём ручных доводочных работ на 25−30%.