Автоматизация процесса правки стесненным сжатием

УДК 621:004

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРАВКИ СТЕСНЕННЫМ СЖАТИЕМ А.С.Бубнов1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Изложен анализ проблем и целей в области технологии правки, представлена структурная схема автоматизированной системы проектирования технологии правки стесненным сжатием. Предложено разработать согласно структурной схеме программный комплекс, основной функцией которого будет автоматизация правки стесненным сжатием, а также учет всех технологических факторов. Для повышения производительности правки и автоматизации операций спроектированы новые автоматизированные устройства, позволяющие править детали. Ил. 4. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: моделирование; восстановление деталей; правка.

AUTOMATION OF THE CORRECTING PROCESS BY CONSTRAINED COMPRESSION A.S. Bubnov

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The author gives the analysis of problems and goals in the field of the correcting technology. He presents a block diagram of the automated design system for the technology of correcting by constrained compression. It is offered to develop a software complex according to the block diagram. Its main function will be the automation of correcting by constrained compression, as well as registration of all technological factors. To improve the performance of correcting and operation automation two new automated devices allowing to correct parts are designed. 4 figures. 6 sources.

Key words: modeling; restoration of parts; correcting.

Правка занимает прочные позиции в реновации деталей, машин и механизмов в различных отраслях промышленности. При ремонте и восстановлении цилиндрических деталей машин (валы, оси, диски и трубы) одной из основных технологических операций является операция правки. В результате правки и при изготовлении деталей можно получить рабочую деталь, обладающую необходимым комплексом свойств: износостойкостью, термостойкостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и т.п. При ремонте правку используют для восстановления как плоских, так и цилиндрических деталей. На рис. 1 приведены примеры типичных деталей, для которых используется операция правки при ремонте и изготовлении.

Операция правки должна выполняться на специализированном правильном оборудовании, желательно оснащенном современными системами ЧПУ. Качество правки заготовок и деталей зависит от правильности проектирования оснастки и технологии процесса. Технология правки должна определяться программой управления рабочими органами оборудования. Правка стесненным сжатием осуществляется в два этапа. Сначала прикладывают радиальную нагрузку для обеспечения прямолинейности детали. Затем её нагружают сжимающей нагрузкой, которая устраняет исходные технологические напряжения и обеспечивает стабильность прямолинейной формы детали и снятие остаточных напряжений.

Таким образом, насущными проблемами и целями

в области технологии правки стесненным сжатием на данный момент являются:

- оптимальное управление оборудованием для правки;

- проектирование оснастки с учетом кинематических возможностей оборудования;

- предсказание вероятности появления технологических отказов;

- оценка качества деталей после выполненной операции правки;

- прогноз влияния эффекта упругой разгрузки и корректировка оснастки на величину пружинения.

Проектирование оснастки и технологии правки может составлять большой процент трудоемкости в общем объеме производства подобных деталей. Подготовка оснастки и управляющих программ для правильного оборудования должна осуществляться одним из двух способов: либо в ручном режиме путем выполнения серии экспериментов непосредственно на прессе, либо автоматически с помощью систем автоматизированного проектирования, базирующихся на моделировании процессов обработки металлов давлением.

Компьютерное проектирование технологии правки методом стесненного сжатия должно происходить по схеме, приведенной на рис. 2, с учетом входных данных: геометрии детали (см. рис. 1), данных о материале заготовки, кривой течения материала, кинематической модели оборудования.

1 Бубнов Андрей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405672, e-mail: bubnov@istu.edu

Bubnov Andrey Sergeyevich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405672, e-mail: bubnov@istu.edu

а)

б)

в)

д)

е)

Рис. 1. Типичные детали, при изготовлении и ремонте которых выполняется операция правки: а - ось конвейера; б - вал трансмиссионный; в - шпиндель верхний; г - шпиндель нижний; д - ось транспортера; е - рабочий вал насоса

Геометрия детали задает окончательную требуе-

мую форму детали. Основываясь на форме детали, проектируют оснастку для ее изготовления - призматические элементы. На основе данных о материале

строится математическая модель материала, которая позволит в дальнейшем (при вычислениях) предсказывать его свойства и поведение. Кинематическая модель оборудования позволяет построить операци-

Рис. 2. Структурная схема автоматизированной системы проектирования технологии правки стесненным

сжатием

онную модель, т.е. модель, позволяющую составлять и тестировать управляющие программы для пресса, проверять допустимость тех или иных манипуляций, детектировать превышения силовых или кинематических возможностей пресса и т. д.

На основании перечисленных выше данных и моделей выполняется автоматическое проектирование управляющей программы. Системы автоматизированного синтеза управляющих программ разрабатывались для использования технологом в производственных условиях, что требовало выполнения моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния заготовки на компьютерах слабой мощности за приемлемое время (5-10 мин). В данной постановке при создании систем модели нужно строить с принятием ряда упрощающих допущений. При этом с помощью инженерных критериев успешно можно решать задачи проектирования процесса правки и получения управляющих программ, исключающих появление основных признаков брака, таких как растрескивание заготовки, появление гофров и бочкообразности, изменение основных размеров [1].

Но данный подход имеет определенные ограничения и может не позволить осуществить дальнейшее совершенствование технологии процесса правки. Основная причина этого - невозможность качественного анализа поведения заготовки в областях контакта детали с инструментом, потеря устойчивости заготовки. Эти области являются областями повышенной опасности, в которых вероятны локальные всплески деформаций, приводящие к значительной деформации заготовки и изменению шероховатости. В разрабатываемых системах [2] такой анализ должен заменяться введением ряда инженерных критериев качества процесса, которые должны работать достаточно надежно, но при этом возможности оборудования могут реали-зовываться зачастую далеко не полностью.

Другой важной проблемой правки является наличие пружинения заготовки после снятия технологических усилий. Решение этой задачи связано с определением остаточных напряжений в заготовке после ее правки, что также невозможно в рамках допущений, принятых при создании системы.

Рассчитать напряженно-деформированное состояние заготовки при правке практически с любой степенью точности с последующим определением остаточных напряжений и изменений формы заготовки в результате упругой разгрузки позволяют методы конечных и граничных элементов. На рынке программного обеспечения имеется большое число конечно-элементных пакетов, например, Ansys, ABAQUS, Marc, Nastran, LS-DYNA и другие, которые с успехом могут использоваться для решения задач правки в технологических процессах обработки металлов давлением.

Для применения метода конечных элементов необходимо использовать изменяющиеся со временем краевые условия, которые определяются программой нагружения. Конечно-элементные технологии применяются на этапе проектирования - при оценке технологических отказов и качества изделия [3, 4].

Цикл проектирования заключается в следующем: с помощью систем проектирования технологии правки стесненным сжатием создается управляющая программа для оборудования. На основе этой программы рассчитывается модель процесса с помощью конечно-элементного пакета. Такая модель позволяет рассмотреть напряженно-деформированное состояние заготовки на качественно другом уровне с возможностью детального анализа поведения материала в любых областях контакта заготовки с инструментом, а также изменения формы заготовки после упругой разгрузки. В зависимости от полученных результатов возможны: 1) корректировка стратегии управления, пересмотр критериев качества, если моделирование показало, что высока вероятность технологических отказов при выбранной стратегии; 2) корректировка оснастки на величину пружинения, если моделирование показало, что в результате упругого формоизменения после снятия технологических усилий отклонение формы заготовки от чертежа превышает допустимый предел.

Если моделирование показало необходимость корректировки, то она выполняется, а цикл проектирования повторяется еще раз. Для достижения требуемых характеристик обычно необходимо несколько итераций. Основным показателем качества правки является соответствие формы и размеров заготовки в конце операции.

Использование конечно-элементной технологии при моделировании процессов правки стесненным сжатием позволяет с достаточно большой точностью предсказать появление технологических дефектов в областях локализации деформаций, что недостижимо другими методами. Использование данной методики моделирования позволит с достаточно высокой точностью определять пружинение заготовки и корректировать процесс с целью компенсации упругого последействия заготовки. Применение предложенной комбинированной технологии моделирования по сравнению с применявшимися ранее подходами позволит проектировать процесс правки стесненным сжатием в производственных условиях для конкретного оборудования и существенно повысить технологические возможности этого процесса.

Для автоматизации промышленного производства было спроектировано устройство (патент РФ №2388563) для правки цилиндрических изделий стесненным сжатием (рис. 3). Оно предназначено для правки деталей диаметром 10-16 мм и длиной 100-250 мм.

Устройство для правки изделий сжатием состоит из станины 1 с закрепленной на ней опоре 2, на которой расположены нижние опорные деформирующие элементы 3 с ограничителями радиального перемещения 4. На станине 1 закреплена нижняя пара клиновых элементов 5, которые соединены с верхней парой клиновых элементов 6 посредством клиновых толкателей 7. Пара клиновых элементов оснащена регулируемыми ограничителями хода 8. Траверса 9 внутренней стороной соединена с верхней парой клиновых элементов 5 и с подпружиненным толкателем

5/ 4] &2] 13 1/3 5х Ч

Рис. 3. Общий вид устройства для правки цилиндрических деталей стесненным сжатием

10, установленным над верхними деформирующими элементами 11. С наружной стороны траверса 9 соединена с приводным патроном 12.

Устройство работает следующим образом: в исходном положении траверса 9 находится в верхнем положении, что соответствует максимальному расстоянию между клиновыми толкателями 7, верхними деформирующими 11 и нижними опорными деформирующими элементами 3. Траверса наружной стороной касается приводного патрона 12. Изделие 13 укладывается на нижние опорные деформирующие элементы 3. Затем включается рабочий ход приводного патрона 12, начинается движение клиновых толкателей 7 по наклонным поверхностям пар клиновых элементов 5, 6 и происходит процесс правки сжатием изделия 13. При этом вертикально перемещается подпружиненный толкатель 10, воздействуя на верхние деформирующие элементы 11 в радиальном направлении, по-

ка не остановится ограничителем радиального перемещения 4. При достижении заданной величины осевого сжатия снимается давление с приводного патрона 12 и траверса 9 поднимается вверх.

Использование устройства для правки изделий сжатием позволяет с высокой точностью выправлять изделия и контролировать их кривизну, полностью снимать остаточные напряжения с минимальными потерями времени и повышать производительность процесса правки. Конструкция разработана так, что происходит самоцентрирование изделий в верхних деформирующих и нижних опорных элементах при работе устройства.

Для массового производства был спроектирован автомат (патент на полезную модель РФ №88303) для правки цилиндрических изделий (рис. 4). Он предназначен для правки деталей диаметром 10-30 мм и длиной 100-450 мм.

Рис. 4. Схема автомата для правки цилиндрических заготовок

Автомат для правки цилиндрических заготовок состоит из следующих основных узлов: загрузочного бункера 1, шагового транспорта, выполненного в виде звездочки 2, станины 3, основания станины 4, подпружиненного вала 5, средства вращения 6 подпружиненного вала 5, приемного бункера 7, клиновидных выступов 8 и 9, расположенных на подпружиненном валу 5 и верхней цилиндрической части станины 3. При этом подпружиненный вал 5 закреплен на средстве вращения 6 подпружиненного вала. Средство вращения 6 подпружиненного вала 5 установлено на основании станины 4 и соединено с загрузочным бункером 1 посредством передаточного механизма 10, выполненного в виде цепной передачи.

Автомат для правки цилиндрических заготовок работает следующим образом. После включения средства вращения 6, подключенного к электродвигателю, заготовки 11 загружаются в загрузочный бункер 1 и подаются к подпружиненному валу 5 из загрузочного бункера 1 поштучно, посредством шагового транспорта 2. Шаговый транспорт 2 приводится в движение с помощью средства вращения 6 посредством передаточного механизма 10, выполненного в виде цепной передачи. Подпружиненный вал 5 приводится в движение с помощью средства вращения 6. В процессе вращения подпружиненный вал 5 перемещает заготовку 11 под действием сил трения между клиновидными выступами 8 и 9 подпружиненного вала 5 и станины 3, имеющей основание 4, в приемный бункер 7.

При этом одновременно производится воздействие на заготовку 11 изгибающим усилием от клиновидных выступов 8 и 9.

Предлагаемый автомат для правки цилиндрических заготовок имеет расширенные технологические возможности, такие как возможность правки заготовок с различными диаметрами и возможность правки заготовок различной кривизны. Автомат обеспечивает большую производительность, так как прост по конструкции, а также обеспечивает требуемое качество правки и обработки заготовок.

Таким образом, компьютерное проектирование процесса и технологии, выполненное на основе математического моделирования процесса правки стесненным сжатием, позволяет:

- значительно сократить материальные расходы и время, необходимое для подготовки производства;

- уменьшить, а иногда и полностью исключить дорогостоящий натурный эксперимент;

- предсказать вероятность технологических отказов, подсказать необходимость использования технологических приемов борьбы с браком;

- исключить ошибки в проектировании оснастки и при необходимости скорректировать оснастку на величину пружинения.

Для повышения производительности правки и автоматизации операций спроектированы новые автоматизированные устройства, позволяющие править детали.

Библиографический список

4. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L.. The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics (6ed.), Elsivier, 2005. 648 p.

5. Патент 88303 МКИ3 кл. В21D3/02 РФ. Автомат для правки цилиндрических заготовок / А.С.Бубнов, С.А.Зайдес. № 2009124050/22; Заявлено 23.06.2009; Опубл. 10.11.2009, Бюл. № 31.

6. Патент 2388563 МКИ3 кл. В21D 3/12 РФ. Устройство для правки изделий сжатием / А.С. Бубнов, С.А. Зайдес. № 2008652154/02; Заявлено 29.12.2008; Опубл. 10.05.2010, Бюл. № 13.

УДК 620.18

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ПО МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ

1. Одинг С.С., Некрасов Ю.В. Компьютерное управление процессом формообразования методом продольной обтяжки // Кузнечно-штамповочное производство. 1996. № 3. С. 20-23.

2. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: справочник / В.И.Мяченков [и др.]; под общ. ред. В.И.Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. 520 с.

3. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 318 с.

С.А.Зайдес1, Н. В. Рудых2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлены результаты определения напряженно-деформированного состояния стальных образцов при испытании на сжатие и растяжение, позволяющие оценить достоверность разработанной программы «Металлография 2.0», основанной на анализе металлографических искажений. Ил. 10. Табл. 4. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: микроструктурный метод; металлографическое изображение; напряженно-деформированное состояние.

1Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, е-mail: zsa@istu.irk.ru

Zaydes Semen Azikovich, Doctor of technical sciences, professor, Head of the chair of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: zsa@istu.irk.ru

Рудых Нелли Васильевна, старший преподаватель кафедры математики, аспирант, тел.: (3952) 405176, е-mail: 2802591@mail.ru

Rudyh Nellie Vasilievna, senior lecturer of the chair of Mathematics, postgraduate student, tel.: (3952) 405176, e-mail: 2802591@mail.ru