Материал: Критериальные параметры технологии вытяжек цилиндрических изделий

Критериальные параметры технологии вытяжек цилиндрических изделий

Критериальные параметры технологии вытяжек цилиндрических изделий

Введение

Создание надежных методов расчета элементов систем точного машиностроения и проектирования технологии их изготовления является актуальной научно-технической проблемой. Современное машиностроение предъявляет высокие требования к технологическим процессам. Важную роль в составе сложных технологий машиностроения занимают операции обработки давлением, которые в значительной степени определяют технологию и эксплуатационные характеристики готовых изделий [1].

Проблема оптимального проектирования интенсивных технологических процессов обработки давлением изделий с заданными свойствами связана с трудностью определения технологии и её критериальных параметров, удовлетворяющих одновременно многим требованиям: минимальному расходу материалов и энергоресурсов, предельно короткому технологическому пути обработки при эффективном использовании пластических свойств обрабатываемых материалов, обеспечению заданной точности и свойств изделий, надежной стойкости рабочего инструмента. Могут быть поставлены условия, связанные с организацией автоматизированного производства, что существенно влияет на технологию и её критериальные параметры [1].

1. Основные принципы технологии автоматизированных производств

деформация вытяжка утонение силовой

Технология автоматизированного производства (АП) должна основываться на высокоэффективных и высокопроизводительных методах обработки деталей и сборки изделий. Технологический опыт машиностроения показывает, что на всех этапах разрабатываемой технологии надо закладывать прогрессивные решения (возможное приближение конфигурации и размеров заготовки к готовой детали, обеспечение высоких эксплуатационных характеристик готовых изделий, высокая надежность работы оборудования и стойкость рабочего инструмента и т.д.) [1].

При проектировании технологических процессов АП особое значение приобретают вопросы комплексности и оптимизации технологии в целом.

Комплексность технологии заключается в том, что она должна соответствовать многим требованиям; минимальному расходу материалов и энергоресурсов, обеспечению заданных точности и свойств изделий, надежной работы оборудования, средств автоматизации, оснастки и инструмента.

Принцип оптимальности технологии АП заключается в том, что она должна соответствовать комплексу критериальных технологических параметров, описывающих степень совершенства технологии. К критериальным параметрам АП следует отнести:

параметры качества изделий (связанных с их эксплуатационными характеристиками);

количество операций технологического процесса;

параметры надежности работы оборудования, средств автоматизации, оснастки и инструмента;

технико-экономические показатели AП. Критериальные параметры рассматриваются как целевые функции, по которым производится оптимизация технологии АП на стадиях ее проектирования, отладки и внедрения, включая эксплуатационные испытания готовых изделий.

Многие технологические процессы автоматизированного производства изделий с высокими эксплуатационными характеристиками основываются на методах обработки металлов давлением (ОД). Операции (ОД) в структуре технологических процессов автоматизированного производства изделий почти полностью формируют их форму, размеры и задаваемые эксплуатационные характеристики [4].

Сложность проектирования технологических процессов автоматизированного производства на базе процессов (ОД) связана с трудностью проектирования технологии и её критериальных параметров, удовлетворяющих одновременно многим требованиям; минимальному расходу материалов и энергоресурсов; предельно короткому технологическому пути обработки при эффективном использовании пластических свойств обрабатываемых материалов; обеспечению заданных точности и свойств изделий; надёжности работы оборудования, средств автоматизации, оснастки, стойкости деформирующего инструмента, производительности [4].

Проектирование и оптимизация технологических процессов, оценка степени их совершенства производятся с помощью критериальных технологических параметров, к которым следует отнести:

эксплуатационные характеристики готовых изделий (э₁, э₂, э₃. …, э_к);

количество операций технологического процесса (n);

·   технологические усилия (P₁, P₂, P₃, …, P_m);

- локальные нагрузки на рабочий инструмент (p₁, p₂, р₃, …, p_а);

термомеханические (Q_p) и физико-структурные (м_s) параметры процессов обработки;

параметры надёжности работы оборудования (К_н^(об)) и средств автоматизации (К_н^(авт));

стойкость рабочего инструмента (Тс ^(инст)).

На значения критериальных параметров наложены ограничения, связанные с техническими условиями на готовую продукцию, свойствами обрабатываемых материалов, кинематическими и динамическими характеристиками оборудования и систем автоматизации, прочностью рабочего инструмента, формой, размерами и сохранение устойчивости заготовок и полуфабрикатов в процессе обработки и т.д., т.е.

, , ,                   

,, ,                       

, ,               (1)

где , , , …,  - предельно-допустимые значения критериальных технологических параметров. Введем безразмерные характеристики æ₁= э_k/[э_k]_max, æ₂ = n/[n]_max, æ₃ = Р_m/[P_m]_max, ….

Тогда система критериальных неравенств (1) принимает следующий вид:

a₁ ≤ æ₁ ≤ 1, a₂ ≤ æ₂ ≤ 1, …, æ_r ≤ 1                               

æ_r+1 ≤ 1, …, a₁^* ≤ æ_1, a^*_l+1 ≤ æ_l+1, …,                   (2)

где , , …; , , …; , , …,

условные верхнеграничные значения величин , ,….

Первая часть критериальных параметров (j =1, 2,…, r-1) имеет как максимальные, так и минимальные предельно-допустимые значения, вторая (j = r, r+1,…, r-1) - верхне-граничное значение 1, а третья (j =1, l +1,…) - нижне-граничные значения . Условные верхне-граничные значения величин ,… устанавливаются на основе систематизированных опытных и производственных данных.

Введем в рассмотрение n - мерное фазовое пространство с координатами æ_j (j =1, 2,…, n), где n - число критериальных параметров. Допустимые значения характеристик æ_j образуют в фазовом пространстве технологических параметров область , ограниченную кусочно гладкой гиперповерхностью æ_j •æ_j = 1 (j = 1, 2,…, 1-1) и гиперплоскостями æ₁ =a₁, æ₂ =a₂,…, æ_r-1 = a_r-1, æ₁ =a₁^*, æ_l+1 =a^*_l+1, …, æ_n = a_n^*. Таким образом, возможные варианты технологического процесса изображаются точками в области  n-мерного фазового пространства технологических параметров.

2. Критериальные параметры вытяжки с утонением стенки анизотропного упрочняющегося материала

.1 Силовые режимы и предельные степени деформации

Анализ результатов полученных в результате установления влияния технологических параметров процесса вытяжки с утонением, стенки и свойств материала на удельное усилие показал, что удельное усилие увеличивается с ростом степени деформации и коэффициента трения на инструменте, уменьшением характеристики анизотропии материала (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость удельного усилия от степени деформации

В чистом виде влияние характеристики анизотропии усилие процесса показано на рисунке 2, а. Исследование проводилось при вытяжке с утонением в матрице с углом  = 15°, коэффициентах трения на матрице и на пуансоне  и фиксированных степенях деформации .Удельное усилие увеличивается с уменьшением характеристики анизотропии [5].

Рисунок 2 - Зависимость удельного усилия вытяжки от

а) характеристики анизотропии; б) коэффициента трения;

в) угла матрицы; и степени деформации

Из анализа графиков (рисунок 2, б) следует, что напряжение  растет с увеличением коэффициента трения; причем при малых деформации его влияние более существенно. Исследования проведены при вытяжке с утонением в матрице с углом конусности °, характеристика анизотропии , коэффициенты трения изменялись в пределах , степени деформации выбирались

Влияние угла ската матрицы на удельное усилие  при вытяжке с утонением анизотропного материала с характеристикой анизотропии  при коэффициентах трения на матрице и пуансоне  и изменяющимися степенями деформаций в пределах  показано на рисунке 3, в. Из графиков видно, что угол, который обеспечивает минимум усилия при этих степенях деформации и фиксированной характеристике анизотропии, лежит в пределах °. Величина удельного усилия существенно зависит также от коэффициентов трения на пуансоне и матрице (рисунок 3). Чем больше коэффициент трения на пуансоне по сравнению с коэффициентом на матрице, тем значительнее разгружается стенка изделия при в больше степени деформации [3]. Полученная информация позволяет решить вопрос о предельных степенях деформации, т.е. таких, при которых среднее напряжение в стенке изделия достигает величины .

Рисунок 3 - Зависимость удельного усилия вытяжки от степени деформации

Анализ графиков (рисунок 3) показывает, что при одновременном росте коэффициента трения на матрице и пуансоне предельная степень деформации значительно уменьшается (кривые 4, 5, 6). Если же коэффициент трения на матрице остается постоянным , а на пуансоне возрастает, то можно достичь значительно больших степеней деформации (кривые 1, 2, 3).

При вытяжке с утонением материала с отрицательной характеристикой анизотропии при прочих равных условиях могут быть достигнуты большие степени деформации, а при вытяжке материалов с положительной характеристикой анизотропии меньшие степени деформации по сравнению с изотропным материалом [2]. В целях достижения больших степеней деформаций необходимо стремиться к уменьшению коэффициента трения матрицей и материалом, и увеличению коэффициента трения пуансоном и материалом, при этом угол матрицы выбирать в пределах 15…25°.

.2 Основные предположения и соотношения

Рассматривается процесс вытяжки с утонением стенки при установившемся течении начально - анизотропного, анизотропно упрочняющегося материла через коническую матрицу с углом конусности  и коэффициентом утонения . Здесь  и  - толщина заготовки и полуфабриката соответственно.

В качестве осей координат принимаем главные оси анизотропии, одна из которых  совпадает с условно главным направлением осевого напряжения  (с образующей пуансона) [5].

Предполагается, что процесс вытяжки с утонением стенки протекает в условиях плоской деформации. На контактных границах реализуется закон трения Кулона.

Величины осевого  и контактного  напряжений в очаге пластической деформации определяются путем совместного решения приближенного уравнения равновесия для элемента очага пластической деформации (рисунок 4, а).

          (3)

и приближенного условия текучести

                              (4)

где С - характеристика анизотропии в условиях плоской деформации, которая связана с параметрами анизотропии F, G, H, M выражением

                         (5)

где ;  и  - коэффициенты на контактных поверхностях пуансона и матрицы;  - сопротивление пластической деформации при сдвиге в плоскости ;  - угол между первым условно главным напряжением  и осью анизотропии .