Численное моделирование формообразования подшипниковых колец из дискового отхода

В настоящее время многие вопросы, связанные с проектированием прогрессивной техники и технологии металлообработки в условиях ограничений на добычу сырья и энергии, решаются с привлечением энергои металлосберегаюпщх малооперационных технологических процессов, основанных на высокоэффективных методах обработки металлов давлением.

Повышение коэффициента использования металла (КИМ) всегда было актуально во всех отраслях промышленности. Особенно остро эта проблема стоит перед металлоемкими отраслями, такими как производство подшипников. Здесь повышение КИМ только на 0,1 снижает себестоимость продукции не менее чем на 10%.

Прямое получение полезного продукта из отходов производства без какой-либо промежуточной переработки, является самым эффективным. Именно к таким процессам можно отнести процесс штамповки с операцией разворота для получения подшипниковых колец из ранее утилизируемого дискового отхода.

Изучить технологические возможности нового процесса пггамповки с разворотом и определить границы его эффективного использования невозможно только на основе экспериментальных данных. Экспериментальные исследования в этой области чрезвьшайно дорогостояпщ, требуют привлечения высококлассных специалистов и специальной техники и могут значительно повысить стоимость и замедлить разработку новых техпроцессов или усовершенствование существующих. Условия же рынка и конкуренции между предприятиями требуют расширения и удешевления выпускаемой номенклатуры изделий, оперативной возможности перенанадки оборудования при переходе от штамповки одной поковки к штамповке другой и мобильной разработки новых техпроцессов.

Решение этих актуальных задач невозможно без создания соответствующей компьютерной системы проектирования ответственных элементов техпроцессов, основанной на математическом моделировании, методах и алгоритмах, позволяющих прогнозировать напряженное состояние деформируемого материала при обработке его давлением.

Анализ рассмотренных экспериментальных и теоретических методов моделирования элементов технологических процессов показал, что для получения полной и достоверной картины напряженно-деформированного состояния поковки в процессе формоизменения, расчета элементов штамповой оснастки и инструмента наиболее эффективным является метод конечных элементов. Этот метод является наиболее универсальным, практически не накладывает ограничений на геометрию детали, свойств материала и граничные условия.

В данной работе на основе МКЭ построены математическая модель и алгоритмы решения задачи формоизменешы металла при ОМД в процессах штамповки с разворотом. Создана вычислительная система 8РЬЕК-8(У), предназначенная для решения физически нелинейной задачи о формоизменении материалов с преобладающей скоростной чувствительностью в условиях переменной, падающей скорости хода деформирующего инструмента, с учетом контактного взаимодействия на изменяюпщхся во времени и неизвестной заранее границе. Разработана методика прогнозирования формоизменения металла при штамповке подшипниковых колец на кривошипных горячештамповочных прессах методом разворота.

В первой главе рассматриваются проблемы использования отходов производства. Показана история появления новой технологии, основанной на идее получения подшипниковых колец из отходов производства. Рассмотрена технологическая цепочка малоотходного процесса получения подшипниковых колец, применяемого в настоящее время на Курском подшипниковом заводе. Приводится анализ патентной информации.

Рассмотрены методы решения краевых задач механики континуума применительно к процессам обработки металлов давлением. Обосновывается применение конечно-элементной аппроксимации при моделировании и анализе малоотходной технологии получения подшипниковых колец.

Во второй главе описана постановка задачи формоизменения горячего однородного изотропного сжимаемого материала, обладающего скоростной чувствительностью с рассчитываемыми граничными условиями на неизвестной заранее границе. Обсуждаются особенности задания граничных условий на изменяющейся во времени границе при пошаговом методе решения квазистационарной задачи и способ их реализации в компьютерной системе.

Разобраны способы представления физических свойств деформируемых сталей при изготовлении подшипниковых колец. Описан прием матричного четырехмерного представления зависимости сг = су (8,8,Т).

Приводится обпщй укрутшенный алгоритм решения, обеспечиваюшдй получение теоретического прогноза на персональном компьютере, и дано описание основных элементов промышленной вьпшслительной компьютерной системы 8РЬЕК-8(У).

В третьей главе рассматривается задача определения параметры кольца, которое можно получить из имеющегося отхода. Также приведена обратная задача, состоящая в определении параметров шайбы, которую нужно вырубить из дискового отхода, чтобы получить подшипниковое кольцо заданных размеров. Для решения этих задач разработан алгоритм и создана вычислительная система экспресс оценки размеров заготовок (шайб) и получаемых из них изделий (колец).

Четвертая глава посвящена разработке алгоритма расчета и последующему анализу технологических параметров, формы штампов и заготовок, обеспечивающих бездефектное получение из дисковых отходов цилиндрических поковок под подшипниковые кольца.

Рассчитан скоростной режим, используемый при штамповке на специализированных кривошипных горячештамповочных прессах К-8336 и К-8340, установленных на Курском подшипниковом заводе.

Создана программа, позволяющая получать по рабочим технологическим чертежам и чертежам штЛповой оснастки, параметры необходимые для работы с вьршслительным комплексом 8РЬЕМ-8(У).

Рассмотрена штамповка с применением операции разворота для заготовки-шайбы переменного сечения, что приводит к получению кольца близкого по форме к цилиндрическому.

Используя вычислительный комплекс 8РЬЕМ-8(У), была рассчитана и рекомендована к промышленной реализации серия поковок под подшипниковые кольца различных типоразмеров. Рассчитывались поковки под подшипниковые кольца: 203.01, 201.01, 202.01, 204.01, 205.01, 206.01, 180 902.01, 20 703.01, 20 803.01, 302.01. В работе приводится сравнение сделанных теоретических прогнозов с данными промышленной штамповки. Анализ полученных результатов показал высокую достоверность прогнозов формоизменения. Ошибка по всем контролируемым параметрам не превышала 2%.

Цели и задачи исследования:

1. На основе приемов математического моделирования деформируемого твердого тела разработать методику прогнозирования формоизменения металла при штамповке подшипниковых колец на кривоппшных горячештамповочных прессах методом разворота.

2. Разработать и реализовать на персональных компьютерах вычислительную систему, позволяющую давать научно-обоснованные рекомендации по проектированию технологического процесса получения подппшниковых колец из дискового отхода.

3. Внедрить полученные результаты в производство.

В заключении автор считает необходимым выразить свою глубокую признательность профессору, доктору технических наук Е. Н. Чумаченко за научное руководство и моральную поддержку при написании работы и Д. В. Аксенову за оказанную помощь.

Повышение эффективности подшипникового производства за счет использования традиционных отходов кузнечных цехов.

1,1. Проблемы использования отходов производства.

Одна из основных проблем промышленного производства серийных товаров — это эффективность производства и последуюшая утилизация отходов. Причем, чем выше обшцй уровень производства, тем больше на первый план выдвигаются проблемы экономии сырья, повышения коэффициента использования металла (КИМ), экологические проблемы переработки и утилизации отходов производства.

Повышение эффективности обеспечивается усовершенствованием экономических схем и технологических решений по производству товара. В обработке металлов давлением это, прежде всего, развитие назЛоемких технологий и разработка принципиально новых технологических гфоцессов, применение открытых в последние десятилетия новых знаний о поведении материалов, ну и, конечно, революционное развитие вычислительной техники. Это дало возможность реализовать многие задумки и казавшиеся прожектами идеи, которые ученые и конструктора высказывали давно и возврашались к ним неоднократно.

К принципиально новым технологиям можно отнести, например, штамповку с обкатыванием, торцевую раскатку дисков, штамповку с кручением, газовую формовку совмещенную с диффузионной сваркой, прессование с использованием эффекта активного действия сил трения и т. д. и т. п. Все эти и подобные технологии в конечном итоге позволяют значительно повысить КИМ в соответствующем производстве [1−4]. Тем не менее, полностью избавиться от отходов не удается.

Повышение коэффициента использования металла (КИМ) всегда бьшо актуально во всех отраслях промышленности. Особенно остро эта проблема стоит перед металлоемкими отраслями, такими как производство подпшгшиков. Здесь повышение КИМ только на 0,1 снижает себестоимость продукции не менее чем на 10%.

Анализ обшепринятых технологий изготовления колец подшипников позволяет установить следуюпще средние показатели КИМ в отрасли:

• при изготовлении методом точения из пруткового материала — 0,2-И), 25.

• при изготовлении из трубы — 0,4А, 55.

• при изготовлении из поковки — 0,3А0,50.

Понятно, что КИМ существенным образом зависит как от вида применяемой заготовки (труба, пруток) так и от способа получения конечного продукта (штамповка, токарная обработка).

Отходы в виде стружки, концевых обрезков, дисков, облойных колец, бракованных поковок и пр. обычно поступают на переплавку. При этом имеют место достаточно большие затраты по сбору, компактированию, хранению и доставке отходов к месту переработки. Это иногда приводит к тому, что заводу становится выгоднее «захоронить» отходы тем или иным, гораздо более дешевым способом, даже уплатив при этом соответствующий штраф государству. И «захоранивают», и это естественно сказывается на экологической обстановке вокруг предприятия и города. Таким образом, переработка отходов, являясь актуальнейшей проблемой современного производства и его эффективности, затрагивает и социальные проблемы, связанные с экологией.

Естественно, прямое получение полезного продукта из отходов производства без какой-либо промежуточной переработки, является самым эффективным. Именно к таким процессам можно отнести идею получения подшипниковых колец из ранее поступавшей в отход «выдры».

Первые попытки применения этой технологии на практике пришлись на промышленный кризис 90-х годов. Применение принципиально новой малоотходной технологии позволило Курскому подшипниковому заводу в условиях острейшей нехватки сырья не только не остановить производство, но и расширить номенклатуру выпускаемых подшипников.

В следующем параграфе мы рассмотрим решения, применяемые ранее у нас в России и за рубежом. Отметим в чем их сходство и в чем принципиальное различие.

Суть рассматриваемого процесса малоотходной технологии состоит в следующем.

К традиционному технологическому процессу (рис. 1.1) добавляется новая последовательность технологических операций (рис. 1.2), обеспечивающая получение полезного продукта из отходов традиционного технологического процесса.

Отрезка Осадка Предварительная Окончательная заготовки формовка формовка Разделение.

Рис. 1.1. Технологическая схема традиционной технологии получения подшипниковых колец из башенных поковок.

Осадка Вырубка Штамповка разворотом.

Рис. 12. Технологическая схема переработки дискового отхода в подшипниковое кольцо.

Традиционный процесс получения подшипникового кольца приводит к образованию дискового отхода, который идет на переплавку. Согласно новой технологии, дисковый отход осаживается и из него вырубается шайба. Затем производится штамповка с применением операции разворота.

Таким образом, из дискового отхода может быть вновь получено подшипниковое кольцо.

Впервые в России такая технология переработки «выдры» была разработана во Всесоюзном НИИ Подшипниковой промышленности для одного из типов подшипниковых колец и внедрена на Курском подшипниковом заводе. Однако при попытке завода расширить номенклатуру перерабатываемых отходов неожиданно для инженеров завода возникли большие трудности. При штамповке постоянно получались дефекты типа высокого заусенца, смятия и даже среза. Сотрудники ВНИИПП не смогли оказать оперативную помопц> заводу, т.к. технология разрабатывалась ими экспериментально, подбором для фиксированного размера шайбы. Т.о. для каждого нового типа размера требовалось повторное проведение всего комплекса исследований, причем объем работ значительно увеличивался с Лтленьшением диаметра шайбы. В условиях кризиса решение этой проблемы казалось невозможным.

В это время на Курском подшипниковом заводе уже несколько лет успешно эксплуатировался вычислительный комплекс SPLEN-S (Bearing), предназначенный для компьютерного математического моделирования процессов многопереходной штамповки заготовок под подшипниковые кольца на линии Л-309 [5−9]. Результаты эксгшуатации вычислительной системы на Вологодском и Курском подшипниковых заводах получили высокую оценку заводских специалистов, отметивших, прежде всего большую достоверность в прогнозах и эффективность предлагаемых рекомендаций по усовершенствованию технологических процессов штамповки. Учитывая многолетний положительный опыт сотрудничества и большой опыт фирмы в проектировании новых технологических процессов, руководство Курского подшипникового завода обратилось к специалистам КОММЕК*, разработчикам вычислительной системы 8РЬЕМ, с просьбой помочь в решении возникших трудностей и разработать обшую методику расчета.

КОММЕК — группа ученых из ведущих технических вузов и НИИ Москвы, объедапшвшихся в трудовой коллектив под названием «Компьютерные Методы МЕханики Континуума» для решения актуальных проблем прикладной механики и обработки материалов давлением, создания отечественных вьгшслительных систем.

Выводы по работе.

1. Разработаны математическая модель, методики, процедуры и алгоритмы решения задач численного моделирования процессов формоизменения заготовок-шайб в подшипниковые кольца, учитывающие условия контактного трения и специфику режима деформирования характерную для КГПШ.

2. Создана вычислительная система SPLEN-S (V), предназначенная для расчетов формоизменения, полей напряжений и деформаций в процессе деформирования, определения основных технологических факторов, рациональных с точки зрения производительности, энергоемкости и качества получаемых изделий, а также геометрических характеристик штамповой оснастки.

Установлено, что высокий уровень автоматизации подготовки данных для расчетов методом конечных элементов позволяет пользоваться в режиме срштеза задачи разработанной вычислительной системой непосредственно конструкторам и разработчикам технологических процессов.

3. Численное моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния поковок при моделировании технологического процесса штамповки с применением операции разворота позволили установить закономерности влияния формы штампов и размеров шайбы на геометрические размеры конечного кольца.

С использованием полученных закономерностей разработана оригинальная методика получения подшипниковых колец из дискового отхода, обеспечивающая соблюдение требуемых технологических размеров и.

— 147допусков в готовом кольце, а так же отсутствие дефектов типа утяжин, зажимов, отслоений, срезов, высоких заусенцев.

4. Разработаны алгоритмы и выполнено программирование серии сервисных систем, автоматизирующих выполнение подготовительных работ для осуществления проектирования и оптимизации технологических процессов в промыпшенных условиях. Расчет пггамповой оснастки, расчет графа скорости пуансона по параметрам эксплуатируемого кузнечного оборудования, расчет минимального диапазона размеров шайбы для получения кольца заданного типа размера и расчет диапазона размеров колец, которые могзлг быть получены из шайбы с фиксированными геометрическими параметрами.

5. Промышленные варианты вычислительного комплекса 8РЬЕМ-8 внедрены в производство и эксплуатируются на подшипниковом заводе АПЗ-20 (г.Курск) и на Казанском моторостроительном ПО. Специальная система 8РЬЕК-8(У) внедрена на АПЗ-20 (г.Курск).

Заключение

и выводы.

Подъем технического уровня ряда отраслей машиностроения неразрывно связан и во многом определяется научно-техническим уровнем кузнечного производства. Возрастающая потребность промыпшенности в изделиях высокой точности предъявляет повышенные требования к технологии и оборудованию обработки металлов давлением (ОМД).

С другой стороны, развитие промышленности в условиях все возрастающих экологических требований, ограничений на добычу сырья и энергии приводит к необходимости широкой разработки энергои металлосберегающих, малооперационных технологических процессов, основанных на высокоэффективных методах ОМД.

Повышение коэффиццента использования металла (КИМ) всегда было актуально во всех отраслях промышленности. Особенно остро эта проблема стоит перед металлоемкими отраслями, такими как производство подшипников. Анализ общепринятых технологий изготовления колец подпшпников позволяет установить следующие средние показатели по КИМ в отрасли: при изготовлении методом точения из пруткового материала — 0,2-Ю, 25 при изготовлении из трубы — 0,4А, 55 при изготовлении из поковки — 0,3а, 50.

Понятно, что КИМ существенно зависит как от вида применяемой заготовки (труба, пруток) так и от способа получения конечного продукта (штамповка, токарная обработка).

Выполненное в работе математическое и компьютерное моделирование, проведенные исследования и Пш5Д1енные научные и технические результаты, связанные с операцией штамповки с разворотом заготовки типа шайбы в кольцевую поковку подшипника, позволили разработать совместно с Курским подшипниковым заводом комплексную технологию использования горячекатаного прутка, суть которой заключается в следующем.

Из горячекатаного прутка, после рубки, на кузнечной автоматизированной линии Л-309 штампуется так называемая «башенная» поковка одновременно для наружного и внутреннего колец подшипника. При этом образуется отход в виде диска, так называемая «выдра» и концевой отход. Их масса зависит от размеров поковок подшипниковых колец.

Ранее дисковый и концевой отходы поступали в металлолом и на переплавку. По новой технологии отход используется для повторного изготовления колец. Технология переработки дискового отхода включает его нагрев, осадку и вырубку кольцевой заготовки. Затем осуществляется специапьная операция разворота кольцевой заготовки-шайбы в заготовку под радиальное кольцо. При этом используются линии соответственного производства на базе колено-чеканочных прессов. Цикл обработки занимает не более 10 сек. Образовавшийся при штамповке поковок на Л-309 концевой отход от прутка перерабатывается в поковки для упорных и радиальных колец. В технологию переработки входят нагрев концевого отхода, его осадка и изготовление заготовки кольца упорного подппшника. Образуемый при этом дисковый отход в свою очередь перерабатывается по технологии переработки «выдры» в поковку радиального кольца.

Приведем конкретный пример применения комплексной технологии использования горячекатаного прутка из практики Курского подшипникового завода. На кузнечной линии Л-309 штампуются «башенные» поковки для наружных и внутренних колец подшипника 209. Образующаяся при этом «выдра» весом 150 г перерабатывается в поковку кольца 203.01. Концевой отход перерабатьюается в поковку кольца подшипника 688 911, а образуюпщйся дисковый отход используется опять для получения поковки кольца подшипника 203.01. КИМ при использовании вышеуказанной технологии для конкретных типов подпппшиков составил 0,65-=-0,70, однако что в некоторых случаях он может доходить до. 0,85.

Некоторые данные по эффективности опытной промышленной эксплуатации новой технологии приведены в приложении к диссертации.