Управление напряженно-деформированным состоянием материала заготовки при штамповке полусферических днищ из стали 12Х18Н10Т и сплава АМГ6 в полиуретановую матрицу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Вейнгерова, Екатерина Дмитриевна

• Вейнгерова, Екатерина Дмитриевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вейнгерова, Екатерина Дмитриевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ШТАМПОВКИ ДНИЩ

1.1 Процессы получения днищ методами листовой штамповки

1.2 Особенности вытяжки с жестко-эластичным подпором

1.3 Особенности применения штампов с полиуретаном

1.4 Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением (ОМД)

1.5 Использование CALS-технологий в производстве

1.6 Автоматизированные системы в листоштамповочном производстве 33 Л ВЫВОДЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Общая характеристика работы

2.2 Характеристики применяемых материалов

2.2.1 Характеристика хромникельтитановой стали 12Х18Н10Т

2.2.2 Характеристика сплава АМгб

2.2.3 Полиуретаны СКУ-7Л, СКУ-ПФЛ

2.3 Методы экспериментальных исследований и механических испыта- 54 ний, применяемые приборы и оборудование

2.4 Программное обеспечение

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ЗАГОТОВКЕ И В ПО-ЛИУРЕТАНОВОЙ МАТРИЦЕ ПРИ ШТАМПОВКЕ ПОЛУСФЕРИ

• ЧЕСКИХДНИЩ

3.1 Подготовка моделей к расчету

3.2 Изучение напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе штамповки

3.2.1 Изучение распределения напряжений в заготовке при вытяжке полусферических днищ из 12Х18Н10Т

3.2.2 Изучение распределения напряжений в заготовке при вытяжке полусферических днищ из сплава АМгб

3.3 Изучение влияния на напряженно-деформированное состояние поли-уретановой матрицы параметров технологического процесса

3.3.1 Исследование зависимости осевых напряжений и деформаций в по-лиуретановой матрице от ее диаметра

3.3.2 Исследование зависимости осевых напряжений и деформаций в по-лиуретановой матрице от ее высоты

3.3.3 Исследование зависимости осевых напряжений и деформаций в по-лиуретановой матрице от радиуса пуансона

3.3.4 Исследование зависимости напряжений и деформаций в полиурета-новой матрице от коэффициента трения

3.3.5 Исследование напряженно-деформированного состояния матрицы в зависимости от глубины вытяжки

3.3.6 Исследование напряженно-деформированного состояния матрицы в зависимости от толщины штампуемого материала

3.3.7 Исследование напряженно-деформированного состояния матрицы в зависимости от марки штампуемого материала

3.4 Исследование влияния габаритов полиуретановой матрицы на максимальные радиальные напряжения в заготовке

3.4.1 Исследование зависимости максимальных радиальных напряжений в готовом изделии от высоты полиуретановой матрицы

3.4.2 Исследование зависимости максимальных радиальных напряжений в готовом изделии от диаметра полиуретановой матрицы ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА (АСТПП)

ШТАМПОВКИ ДНИЩ

4.1 Создание функциональной и информационной моделей АСТПП

4.2 Разработка автоматизированного классификатора днищ

4.3 Создание параметрической модели днища средствами твердотельного моделирования

4.4 Автоматизация расчета раскроя листового материала

4.5 Создание автоматизированной подсиситемы проектирования технологического процесса штамповки полусферических и эллиптических 134 днищ

4.6 Автоматизированное проектирование штамповой оснастки

4.7 Разработка подсистемы «Маршрутная карта» 140 ВЫВОДЫ 148 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 150 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 152 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Функциональная модель ТПП штамповки днищ 157 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Функциональная модель АСТПП штамповки днищ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление напряженно-деформированным состоянием материала заготовки при штамповке полусферических днищ из стали 12Х18Н10Т и сплава АМГ6 в полиуретановую матрицу»

Актуальность работы.

В изделиях современной техники широкое применение имеют емкости высокого давления. Характер их работы предусматривает повышенное внимание к уровню остаточных напряжений в материале деталей, входящих в их состав. В качестве обязательного элемента емкостей высокого давления (автоклавов, резервуаров для хранения топлива и газа, огнетушителей и т.д.) входят полусферические днища, которые, как правило, изготавливают методами листовой штамповки. Наиболее часто в качестве материала емкостей высокого давления используются сталь 12Х18Н10Т и сплав АМгб, которые отличаются высокой коррозионной стойкостью, высокими прочностными характеристиками. Однако эти материалы весьма склонны к наклепу.

В условиях мелкосерийного и опытного производства основным методом получения полусферических днищ является штамповка в полиуретановую матрицу, которая по сравнению с металлическими матрицами позволяет снижать уровень остаточных напряжений в материале штамповок. Однако отсутствует опыт возможности управления НДС в заготовке в процессе штамповки. Получение функциональных зависимостей, позволяющих установить взаимосвязь параметров процесса с уровнем НДС в деформируемой заготовке является актуальной задачей. Цель.

Математическое моделирование и оценка возможности управления напряженным состоянием заготовки при штамповке полусферических днищ толщиной до 3 мм и диаметром до 1000 мм для получения деталей с заданным уровнем напряженного состояния и автоматизация технологической подготовки производства.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ влияния параметров полиуретановой матрицы на напряженно-деформированное состояние (НДС) заготовки при штамповке полусферических днищ.

2. Проведение математических экспериментов вытяжки полусферических днищ из сплава АМгбМ и стали 12Х18Н10Т в штампах с эластичной матрицей-подушкой.

3. Исследование зависимости НДС полиуретановой матрицы от ее габаритов, радиуса и глубины внедрения пуансона, толщины и прочностных характеристик заготовки.

4. Исследование влияния величины радиального подпора со стороны эластичной матрицы на НДС заготовки.

5. Усовершенствование технологического процесса вытяжки полусферических днищ в штампах с полиуретановой матрицей.

6. Разработка системы классификации днищ, позволяющей по конструктивно-геометрическим характеристикам детали однозначно ее идентифицировать.

7. Создание автоматизированной системы технологической подготовки процессов штамповки днищ.

Научная новизна.

- Получены зависимости распределения радиальных, тангенциальных и нормальных напряжений в заготовках из стали 12Х18Н10Т и АМгб при штамповке днищ в инструментальных штампах от глубины вытяжки.

- Установлена функциональная зависимость влияния подпора со стороны полиуретановой матрицы на напряженное состояние заготовки при вытяжке в штампах с эластичной средой.

- Установлены зависимости влияния основных параметров технологического процесса на НДС полиуретановой матрицы.

- Разработана система классификации деталей типа днищ, построенная на представлении детали как совокупности кодов ее элементарных составляющих.

Практическая значимость.

-Разработана методика управления НДС заготовки при штамповке полусферических днищ из стали 12Х18Н10Т и сплава АМгб в полиуретановую матрицу, позволяющая получать детали с заданным уровнем свойств.

- Разработаны электронные параметрические модели штамповой оснастки для вытяжки днищ в инструментальных и в штампах с эластичной средой.

- Создана автоматизированная система технологической подготовки производства днищ, позволяющая классифицировать и кодировать днища, проектировать технологическую схему процесса штамповки, проектировать вытяжные штампы как с металлической, так и с полиуретановой матрицей, осуществлять расчет раскроя материала и учитывать отходы.

Достоверность. Достоверность результатов исследований подтверждается применением апробированных методов испытаний и исследований, хорошей сходимостью результатов, полученных как в физических, так и в математических экспериментов.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждены на всероссийских научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии» в 2000 и 2002 гг., Первой всероссийской научно-практической конференции "Применение ИПИ-технологий в производстве" в 2003 г., на всероссийских молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» в 2000 - 2004 гг. Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 статьях. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, основных выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 11 таблиц и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Вейнгерова, Екатерина Дмитриевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследовано распределение тангенциальных, радиальных и нормальных напряжений в материале заготовке при вытяжке. Получены зависимости этих напряжений от глубины вытяжки. Показано, что при вытяжке полусферических днищ растягивающие напряжения в готовом изделии достигают 88,4% для стали 12Х18Н10Т и 93% для сплава АМгб от пределов прочности для данных материалов, что делает невозможным дальнейшее использование изделий в сложных эксплуатационных условиях. На основе анализа причин появления брака при штамповке полусферических днищ из стали 12Х18Н10Т и сплава АМгб и исследовании напряженного состояния заготовки в процессе вытяжки определена целесообразность в мелкосерийном и опытном производстве перехода на вытяжку в сплошную полиуретановую матрицу. Что позволяет не только избегать потери устойчивости материала заготовки, но и управляя величиной радиального подпора со стороны матрицы на заготовку, получать днища с заданными свойствами.

2. Проведено исследование влияния радиального подпора со стороны матрицы на напряжения в заготовке. Показано, что при переходе на схему вытяжки в сплошную полиуретановую матрицу уровень растягивающих напряжений в заготовке снижается в 3,12 раза для стали 12Х18Н10Т и в 3,84 раза для сплава АМгб. Что позволяет использовать днища без дальнейшей термообработки. Получены зависимости максимальных радиальных напряжений в заготовке от габаритов матрицы, что позволяет управлять НДС материала днища и получать детали с требуемым уровнем нагартовки.

3. Проведено математическое моделирование поведения полиуретановой матрицы в процессе вытяжки днищ с целью определить наиболее важные параметры технологического процесса, влияющие на ее стойкость. Установлено, что наиболее сильно на НДС матрицы влияют глубина внедрения пуансона в матрицу, ее габариты, толщина штампуемого материала. В меньшей степени влияет радиус пуансона, и практически не влияет коэффициент трения. Получена зависимость максимальных напряжений, возникающих в матрице в процессе вытяжки. Это позволит на каждом этапе вытяжки днищ определять максимальные напряжения и тем самым предотвратить преждевременное разрушение инструмента. Показаны пути управления НДС матрицы в процессе эксплуатации, что также позволит повысить ее стойкость.

4. Создана автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП) днищ, поскольку использование полученных зависимостей при безмашинном способе проектирования затруднено. Для создания автоматизированной системы проведен инжиниринг и реинжиниринг производственной среды, которые позволили выявить недостатки производственной среды и послужили основой для разработки информационной модели АСТПП. В АСТПП были учтены как стандартные методики расчета для инструментальных штампов, так и полученные в работе зависимости. В систему заложены параметрические модели штамповой оснастки, что позволяет в результате проектирования получать не только результаты расчета параметров технологического процесса, но и конструкторскую документацию. Полученная система позволяет значительно сократить время на проектирование технологического процесса, и в конечном итоге, снизить стоимость технологической подготовки производства.

5. Для автоматизированной системы разработана новая методика классификации деталей, которая, в отличие от применяющихся в настоящее время на производстве, позволяет однозначно идентифицировать объекты. Поскольку код детали формируется из совокупности кодов геометрических составляющих детали. Причем в коде учитывается не только тип составляющего ее геометрического элемента, но и его количество.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вейнгерова, Екатерина Дмитриевна, 2005 год

1. Э.Л. Мельников. Холодная штамповка днищ. М.: «Машиностроение» 1976, 184 стр., с илл.

2. Е.И. Исаченков. Штамповка резиной и жидкостью. М.: «Машиностроение», 1976, 367 стр.

3. А.А. Любченко. Конструирование штампов и горячая листовая штамповка. — М.: «Машиностроение», 1974, 479 стр., с илл.

4. В.А. Ходырев. Проектирование, изготовление и эксплуатация штампов с полиуретаном. Пермь: Пермское книжное издательство, 1975, 365 стр., с илл.

5. В.А. Ходырев. Применение полиуретана в листоштамповочном производстве. Пермь: Пермское книжное издательство, 1973, 218 стр., с илл.

6. В.И. Смирнов. Исследование процесса гибки армированных листов и разработка технологии производства профилей из волокнистых композиционных материалов системы алюминий-бор. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. -М., 1984

7. А.Д. Комаров, Е.М. Татке. Применение полиуретана в штампах. //Кузнечно-штамповочное производство №3 1969

8. РТМ 374-73. Штампы листовой холодной штамповки. Рекомендации по применению полиуретана. 1973

9. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

10. Г.Я. Гун. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: «Металлургия», 1983, 352 стр., с илл.

11. Г.Я. Гун. Теоретические основы обработки металлов давлением. — М.: «Металлургия», 1980, 456 стр., с илл.

12. РТМ. Штамповка гидроэластичными средами на прессах и пресс-молотах. НИАТ. 1976

13. В.П. Романовский. Справочник по холодной штамповке. Л.: «Машиностроение», 1971, 782 стр., с илл.

14. Авиационные материалы. Справочник. Т. 2. Коррозионностойкие и жаростойкие стали и сплавы М.: ОНТИ, 1973, 365 стр. с илл.

15. М.Ф. Томилов. Повышение эффективности процесса формообразования деталей из листа эластичной средой в жесткой матрице. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Воронеж, 200016. http://arguspro.comch.ru/polyur/polyuret.htm

16. Теория пластических деформаций металлов, /под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. — М.: «Машиностроение», 1983, 598 стр.

17. Д. Вейкас. Эффективная работа в системе ANSYS. СПб.: ЗАО «Издательство «Питер», 1999, 976 стр., с илл.

18. С.В. Маклаков. BpWin, ERWin. CASE-средства разработки информационных систем. М.: «Диалог - МИФИ», 2001, 304 стр., с илл.

19. С.В. Черемных, И.О. Семенов, B.C. Ручкин. Структурный анализ систем. IDEF-технологии. М.: «Финансы и статистика», 2001, 202 стр., с илл.

20. А.Г. Братухин, Ю.В. Давыдов, Ю.С. Елисеев и др. CALS в авиастроении. -М.: Издательство МАИ, 2000, 304 стр. с илл.

21. М.Е. Зубцов. Листовая штамповка. JL: «Машиностроение», 1980, 432 стр. с илл.

22. О. Зенкевич. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975, 318 стр.

23. В.А. Жарков. Visual С++ на практике. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002, 424 стр., с илл.

24. Авиационные материалы. Справочник. Т. 4. Алюминиевые и бериллиевые сплавы М.: ОНТИ, 1973, 365 стр. с илл.

25. В.И. Галкин. Современное состояние вопроса о разработке и внедрении систем автоматизированного проектирования конструкторских и технологических работ. М.: «Цветные металлы», 1998 с. 47-52

26. В.И. Галкин, А.П. Петров, А.А. Лисов, А.П. Афанасьев, Ф.И. Парамонов. Новые принципы построения и организации автоматизированной системы кон-структорско-технологической подготовки производства.

27. В.М. Зарубин, Н.М. Капустин. Автоматизированная система проектирования технологических процессов механосборочного производства. — М.: «Машиностроение», 1979, 247 стр. с илл.

28. JI. Сегерлинд. Применение метода конечных элеентов. М.: «Мир», 1979, 389 стр., с илл.

29. А.П. Гуляев. Металловедение. — М.: «Металлургия», 1986, 540 стр., с илл.

30. Е.А. Бутузов. Специальные виды штамповки. М.: «Высшая школа», 1963, 203 стр., с илл.

31. В.И. Галкин. Исследование и разработка процесса прокатки бороалюминие-вых листов с комбинированной матрицей. Автореферат кандидатской диссертации. М.: МАТИ, 1983

32. Базы данных: разработка и управление. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 1999, 704 стр. с илл.

33. М. Линке. Visual Basic 5. Справочник. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 1998, 512 стр., с илл.

34. Технический проект на разработку подсистемы автоматизированного проектирования элементов технологии и конструкции вытяжных штампов для штамповки эллиптических днищ. М.: ГП МИТ, 1982

35. Методика расчета элементов технологии и конструкции вытяжных штампов для полусферических деталей. М.: ГП МИТ, 1979

36. Г.А. Смирнов-Аляев, В.П. Чикидовский. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. — JL: «Машиностроение», 1972, 360 стр., с илл.

37. В.В. Подиновский, В.Д. Ногин. Паретно-оптимальные решения многокритериальных задач. М.: «Наука», 1982, 256 стр., с илл.

38. Промышленные алюминиевые сплавы. Справочник, /под ред. Ф.И. Квасова, И.Н. Фридляндера.-М.: «Металлургия», 1984, 528 стр.

39. Ю.Г. Гуляев, С.А. Чукмасов, А.В. Губинский. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. Киев: «Наукова думка», 1986, 240 стр.

40. Ю.Ф. Тарасевич, А.Е. Шелест, А.П. Петров. Словарь-справочник терминов по теории обработки металлов давлением. Учебное пособие. М.: «МАТИ»-РГТУ, 2000, 78 стр.

41. B.JI. Колмогоров. Механика обработки металлов давлением. М.: «Металлургия», 1986, 688 стр.

42. Е.И. Исаченков. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением. -М.: «Машиностроение», 1978, 208 стр.

43. Ф.П. Боуден, Д. Тейбор. Трение и смазка твердых тел. — М.: «Машиностроение», 1968, 543 стр.

44. Е.М. Макушок. Механика трения. Минск. Наука и техника, 1974, 256 стр.

45. Вейнгерова Е.Д. Системы автоматизированного производства и управление качеством. Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством», 2004

46. Галкин В.И., Вейнгерова Е.Д. Исследование напряженно-деформированного состояния сплошной полиуретановой матрицы при вытяжке днищ. Научные труды МАТИ

47. Галкин В.И., Вейнгерова Е.Д. Создание информационной среды САПР технологической подготовки металлургического производства. Международная неделя металлов. 3-5 июля 2003 г. Официальный каталог

48. Галкин В.И., Вейнгерова Е.Д., Москалец M.JL Математическое моделирование вытяжки полусферических днищ в полиуретановую матрицу. Цветные металлы, №5 2003

49. Галкин В.И., Вейнгерова Е.Д., Патрикеев А.Б. Разработка автоматизированной системы технологической подготовки листоштамповочного производства. Технология легких сплавов № 2-3 2003

50. Вейнгерова Е.Д. Автоматизация технологической подготовки производства полусфер и эллипсоидов. В сб. тезисов докладов XXVII Всероссийской молодежной научной конференции «Гагаринские чтения». М: ИТЦ «МАТИ» РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2001

51. Вейнгерова Е.Д., Головкин П.А., Харламов А.А. Информационные системы в обработке металлов давлением. В сб. научных трудов всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ 2002», 2002

52. Вейнгерова Е.Д. Принципы автоматизации разработки технологических процессов листовой штамповки. В сб. научных трудов всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ — 2000», 2000

53. AUTHOR: ВейнгероваЕ. Д. PROJECT: Штамповкаднищ1. NOTES: 123436789 10

54. DATE: 25.03.2002 REV: 04.05.20051. WORKING1. DRAFT1. RECOMMENDED1. PUBLICATION1. READER1. DATE1. CONTEXT: TOP1. Распоряжение руководства1. Чертеждетали1. Планвыпуска1. Методика проектирования

55. НТД, ГОСТы, Справочные данные

56. Спроектировать технологию штамповки Днищ0р.1. Маршрутнаякарта1. Комплектчертежей1. Персоналея я кЯой п>1. СГ1Нй я яВ1. NODE:1. А-О

57. TITLE: Спроектировать технологию штамповки днищ1. NUMBER:1. USED AT:

58. AUTHOR: Вейнгерова E. Д. PROJECT: Штамповка дншц1. MOTES: 123456789 10

59. DATE: 25.03.2002 REV: 04.05.2005

60. WORKING READER DATE CONTEXT:1. DRAFT 1. RFjnnMMFNnRn 1. PUBLICATION A-01. Распоряжение руководства1. Методика проектирования1. План выпуска1. Получить задание из КБШ