ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение .................................................................4
Глава 1. Повышение эффективности подшипникового
производства за счет использования традиционных
отходов кузнечных цехов........................................8
1.1. Проблемы использования отходов производства......................8
1.2. Обзор технологических решений, применяемых при штамповке
с разворотом подшипниковых колец................................13
1.3. Методы решения краевых задач в обработке металлов давлением.....24
Глава 2. Методика расчета напряженно-деформированного
состояния заготовки при штамповке на кривошипных
горячештамповочных прессах кольцевых заготовок
методом разворота............................................ 31
2.1. Математическая модель формоизменения и получение
разрешающих уравнений с применением МКЭ.........................31
2.2. Особенности задания граничных условий на изменяющейся во времени границе при пошаговом методе решения квазистационарной задачи и способ их реализации
в компьютерной системе..........................................42
2.3. Моделирование механических свойств подшипниковых сталей
при горячей обработке давлением.................................47
2.4. Алгоритм выполнения расчетов при компьютерной реализации........55
2.5. Основные элементы компьютерной системы ЯРЬЕМ^У).................59
Глава 3. Построение приближения к решению задачи
о развороте заготовки-шайбы в кольцо..........................66
3.1. Ориентировочный расчет размеров вывернутого кольца
по заданным размерам шайбы.................................... 67
3.2. Ориентировочный расчет размеров шайб, используемых для
получения колец с заданными размерами (обратная задача).........73
3.3. Компьютерная реализация алгоритма расчета предварительных
размеров шайб и колец для технологических операция разворота....78
-3-
Стр.
Г лава 4. Расчет технологических параметров, формы штампов
и заготовок, обеспечивающих бездефектное получение из дисковых отходов цилиндрических поковок под подшипниковые кольца............................................82
4.1. Расчет скоростного режима штамповки на специализированных кривошипных горячештамповочных прессах.................................83
4.2. Отличительные особенности производства поковок по новой технологии и алгоритм поиска решения поставленной задачи...............90
4.3. Автоматизация расчета формы пуансона и матрицы при подготовке данных компьютерного моделирования штамповки с разворотом.............................................................95
4.4. Расчет и экспериментальная штамповка с разворотом подшипникового кольца 203.01...........................................99
4.4.1. Математическое моделирование пробного заводского варианта штамповки..........................................................99
4.4.2. Анализ влияния «угла атаки» на пуансоне на процесс
разворота и выбор параметров заготовки......................102
4.4.3. Опытная штамповка поковки по результатам теоретического анализа...........................................................108
4.5. Расчет номенклатуры первой серии поковок под подшипниковые кольца и их промышленная реализация...................................113
4.6. Расчет шайб переменного сечения для получения колец соосных по средним радиусам нижней и верхней частей и близких по форме
к цилиндрическим.................................................129
Заключение...............................................................144
Библиографический список..................................................148
Приложения................................................................157
-4-
Введение
В настоящее время многие вопросы, связанные с проектированием прогрессивной техники и технологии металлообработки в условиях ограничений на добычу сырья и энергии, решаются с привлечением энерго- и металлосберегающих 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 штамповки с разворотом и определить границы его эффективного использования невозможно только на основе экспериментальных данных. Экспериментальные исследования в этой области чрезвычайно дорогостоящи, 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 переналадки 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
-5-
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 формоизменения металла при ОМД в процессах штамповки с разворотом. Создана вычислительная система 5РЬЕМ-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 изменяющихся 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
-6-
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 а = а(ё,е, Т).
Приводится общий укрупненный алгоритм решения, обеспечивающий получение теоретического прогноза на персональном компьютере, и дано описание основных элементов промышленной вычислительной компьютерной системы 8РЬЕ>1-5(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.
-7-
Создана программа, позволяющая получать по рабочим технологическим чертежам и чертежам шт^мповой оснастки, параметры необходимые для работы с вьгчислительным комплексом 8РЬЕЫ-5(У).
Рассмотрена штамповка с применением операции разворота для заг отовки-шайбы переменного сечения, что приводит к получению кольца близкого по форме к цилиндрическому.
Используя вычислительный комплекс БРЬЕК-БСУ), 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,
180902.01, 20703.01, 20803.01, 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 кривошипных горячештамповочных прессах методом разворота.
2. Разработать и реализовать на персональных компьютерах вычислительную систему, позволяющую давать научно-обоснованные рекомендации по проектированию технологического процесса получения подшипниковых 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.
-8-
1
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 последующая утилизация отходов. Причем, чем выше общий 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 наукоемких технологий и разработка принципиально новых технологических процессов, 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 возвращались 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 использова*гия металла (КИМ) всегда было актуально во всех отраслях промышленности. Особенно остро эта проблема стоит перед металлоемкими отраслями, такими как производство
-9-
подшипников. Здесь повышение КИМ только на 0,1 снижает себестоимость продукции не менее чем на 10%.
Анализ общепринятых технологий изготовления колец ПОДШИПНИКОВ позволяет установить следующие средние показатели КИМ в отрасли:
• при изготовлении методом точения из
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 посту павшей 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
• при изготовлении из поковки
пруткового материала • при изготовлении из трубы
- 0,2-ю,25
- 0,4-Ю,55
- 0,3-Ю,50
-10-
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
заготовки
Осадка Предварительная Окончательная
формовка формовка Разделение
Рис. 1.1. Технологическая схема традиционной технологии получения подшипниковых колец из башенных поковок
Осадка Вырубка Штамповка
разворотом
Рис. 1.2. Технологическая схема переработки дискового отхода в подшипниковое кольцо
-11-
Традиционный процесс получения подшипниковог о кольца приводит к образованшо 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 помощь 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 уменьшением 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 эксплуатации 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
- 12-
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 общую методику расчета.
КОММЕК - группа ученых из ведущих технических вузов и НИИ Москвы, объединившихся в трудовой коллектив под названием «Компьютерные Методы МЕханики Континуума» для решения актуальных проблем прикладной механики и обработки материалов давлением, создания отечественных вычислительных систем.
-13-
1.2. Обзор технологических решений, применяемых при штамповке с разворотом подшипниковых колец
Проблема получения подшипниковых колец из заготовок типа шайбы давно волнует специалистов в области проектирования технологических процессов обработки металлов давлением. Чтобы представить достаточно полно то, что уже известно и сделано в этом направлении, был осуществлен анализ патентной информации по разделам В2Ш 53/10 и В2Ш 53/12 в соответствии с Международной классификацией изобретений (МКИ) и Международной патентной классификацией (МИК).
В2Ш - механическая обработка давлением листового, сортового, профильного материала или труб; перфорация.
53/00 - изготовление прочих специальных изделий.
53/10 - элементов подшипников; втулок, клапанных седел и пр.
53/12 - обойм для подшипников.
Патентная информация была просмотрена в следующих ниже объемах в центральной патентно-технической библиотеке.
1. Информация по авторским свидетельствам СССР
53/10 168256 - 1833228
17.11.65г. 07.08.93г.
53/12 226541 - 1662730
16.09.68 г. 15.07.91 г.
Патентная информация по Российской Федерации
53/10 2025178 - 2070462
30.12.94 г. 20.12.96 г.
53/12 нет вложений.
2. Заявки Франции
53/10 2430807 - 2721238
12.07.79 г. 22.12.95 г.
- 14-
53/12 2488164 - 2669566
07.08.81 г. 29.05.92 г.
3. Заявки Англии
53/10 2059313
28.08.80 г. 53/12 2266675
11.11.93 г.
2216197 04.10.89 г.
4. Международные Европейские патенты
ЕР В2Ш 53/10
53/12
РСТ В2Ш 53/10
53/12
ЕР 0314733 -01.05.86г.
ЕР 0312516 -19.04.89 г.
WO 95/3430 21.12.95 г.
ЧУО 83/01586-01.05.83 г. -
0575245 22.12.93 г. 0666098 10.09.97 г.
96/30319
03.10.96 г. 97/03774
06.02.97 г.
5. Заявки ФРГ
53/10
53/12
2328264
09.01.75 г. 2441810
11.03.76 г.
4120404 24.12.92 г. 19605471 21.08.97 г.
6. Патенты ФРГ
53/10
53/12
1652654 02.09.71 г. 1602577 15.01.70 г.
19517266
28.08.97 г. 19625931
03.07.97 г.
-15-
7. Патентная информация по США
29/148.4 1846836 - 4879791
23.02.32 г. 14.11.89 г.
29/149.5 1208526 - 4894897
12.12.16 г. 23.01.90 г.
Рассмотрим некоторые, наиболее приемлемые, с точки зрения сегодняшнего дня, варианты изготовления подшипниковых колец, основывающиеся на полученной патентной информации.
Рис. 1.3. Схема оборудования в исходном положении к патенту США № 2880495
- Київ+380960830922