Software & Systems

Производство цельнотянутых цилиндрических изделий методом глубокой вытяжки – сложный многооперационный процесс холодной обработки металла давлением, включающий следующие технологические прессовые операции: первая вытяжка без утонения стенки (свертка); несколько последующих вытяжек с утонением стенки, количество которых определяется в зависимости от геометрических параметров изделия; объемная штамповка донной части; прессовка донной части.

Одним из наиболее сложных этапов является вытяжка с утонением – основная формо- образующая операция преобразования толстостенного цилиндрического полуфабриката типа «стакан» с глухой донной частью в тонкостенный [1, 2]. В процессе многооперационного формообразования производится промежуточный отжиг, снимающий напряжение и упрочнение металла, возникающие на промежуточных вытяжках в результате деформации. Заключительная вытяжка с утонением выполняет окончательное формообразование и придает изделию требуемые механические свойства.

Высокие требования к цельнотянутым цилиндрическим изделиям обусловливают большое количество вариантов расчета вытяжного инструмента. Применение при его проектировании универсальных CAD-систем позволяет автоматизировать подготовку электронной конструкторской документации уже по выполненным вручную расчетам. Сложность и слабая формализация процессов обработки металлов давлением не позволяют полностью исключить участие человека в процессе автоматизированного проектирования [3]. Существующие методики расчета технологических параметров процесса зачастую неполные, а количество экспериментальных исследований недостаточно для внедрения вытяжки с утонением стенки по внутреннему контуру в производство высокоточных деталей [4].

В доступных для анализа зарубежных публикациях приводятся исследования уже спроектированного штампового инструмента средствами систем конечно-элементного анализа, но не раскрывается процесс проектирования формы инструмента [5–7]. Геометрия штампового инструмента корректируется по результатам вычислительных экспериментов, что является нормальной общемировой практикой. Формообразование инструмента выполняется на основании готового изделия с учетом припусков, пружинения и других параметров. В процессах многооперационной глубокой вытяжки с утонением это утверждение справедливо только для заключительной операции. Допущенные в расчетах ошибки могут про- явиться лишь на заключительной вытяжке с утонением, что приводит к дополнительным трудозатратам на повторное проектирование, изготовление инструмента и производство новой партии изделия. Поэтому автоматизация расчета параметров инструмента заключительной вытяжки с утонением цельнотянутых цилиндрических изделий является актуальной.

Размеры матрицы и пуансона заключительной вытяжки с утонением определяются исходя из геометрии изделия. В зависимости от требований, предъявляемых к изделию, его внутренняя часть может формироваться с помощью одного, двух или трех радиусов (рис. 1).

Для автоматизации расчета размеров вытяжного инструмента заключительной вытяжки с утонением разработана UML-диаграм­ма деятельности [8], представленная на рисунке 2. Расчет инструмента заключительной вытяжки с утонением начинается при выполнении предусловия получения всех исходных данных из файла проекта в формате *.xml. После установки начальных состояний переменных и генерации необходимых экземпляров объектов запускается процедура подключения к БД.

В БД хранятся зависимости механических свойств материалов, в частности, предела прочности, от степени деформации. На основе полученной информации в дальнейших расчетах определяется наличие операций закалки и низкотемпературного отжига на предпоследней вытяжке с утонением, а также проверяется соответствие получаемых механических свойств заданным по чертежу. Проверка исходных данных заключается в анализе соответствия параметров, введенных пользователем, размерам изделия. В случае обнаружения не- корректных данных пользователю выдается со- общение об ошибке и процедура завершается.

Зная наружный диаметр изделия, задаваемый чертежом, можно определить диаметр рабочей части матрицы заключительной вытяжки с утонением (D). Так как матрица при работе испытывает значительные растягивающие напряжения, в процессе вытяжки ее рабочий диаметр увеличивается за счет пружинения. Поэтому при определении диаметра матрицы заключительной вытяжки с утонением необходимо учитывать коэффициент пружинения, зависящий от материала изделия. При известном диаметре матрицы определяются размеры пуансона заключительной вытяжки с утонением в различных сечениях в зависимости от количества радиусов как разница между диаметром матрицы и толщиной стенки в заданном сечении. При расчете размеров пуансона учитываются суммарный допуск на изготовление и износ матрицы и пуансона, допуск на разностенность, величина пружинения матриц, допуск на толщину стенки, припуски под механическую обработку.

Высоты точки сопряжения конуса и цилиндра и точки сопряжения радиуса с конусом для пуансона с одним радиусом определяются на основе данных чертежа и тригонометрических зависимостей.

Для пуансона с двумя и тремя радиусами количество точек сопряжения увеличивается и расчет их выполняется по схожим алгоритмам, но по различным исходным данным. Обозначения входных данных на диаграмме деятельности соответствуют обозначениям на рисунке 1 (в мм): hr1 – высота центра среднего радиуса; hr2 – высота центра большого радиуса; r0, r1, r2 – малый, средний и большой радиусы (r0 также является высотой центра малого радиуса, поэтому отдельное обозначение для этой величины не вводится); dv – диаметр цилиндрической части пуансона; dk – диаметр пуансона в точке сопряжения конуса с радиусом; dr – диаметр пуансона в точке сопряжения большого радиуса со средним радиусом; dh – диаметр пуансона в точке сопряжения малого радиуса со средним или с большим радиусом; hk – высота точки сопряжения конуса с радиусом; hr – высота точки сопряжения большого радиуса со средним радиусом; hh – высота точки сопряжения малого радиуса со средним или с большим радиусом; alpha, betta, gamma – углы между центрами большого, среднего и малого радиусов и соответствующими точками сопряжений.

Определение гладких сопряжений элементов контура предполагает получение полного объема данных с достаточной точностью для программного построения трехмерных моделей пуансонов [9, 10]. Разработанное матема- тическое обеспечение, описанное в работе [10], позволяет полностью исключить этап подбора геометрии пуансона вручную на основе расчетных данных.

Расчет количества вытяжек определяется с учетом площади поперечного сечения полуфабриката вытяжки (свертки) вверху, площади поперечного сечения полуфабриката предпоследней вытяжки с утонением вверху и средней операционной степени деформации.

Заключительным этапом является вывод данных для пользователя на экран в соответствии с рисунком 3.

Заключение. Результаты проектирования инструмента заключительной вытяжки с утонением оказывают определяющее влияние на расчет промежуточных вытяжек с утонением и вытяжки (свертки). Программа, разработанная на основе предложенной диаграммы деятельности, позволяет минимизировать количество ошибок расчета. Полученные с высокой точностью результаты расчета являются входными данными для модуля автоматического построения трехмерных моделей и чертежей пуансонов и матриц в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D путем использования прикладного программного интер- фейса. Полученные трехмерные модели инструмента предлагается проверить перед изготовлением опытной партии в системе моделирования процессов обработки металлов давлением, в том числе и для настройки технологических параметров изготовления.

Литература

1.    Овечкина Ю.И., Овечкин М.В., Сергеев А.И., Шерстобитова В.Н., Щеголев А.В. Отличительные особенности методов холодного выдавливания металлов // Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии: матер. VIII Всеросс. науч.-практич. конф. Оренбург, 2017. С. 109–111.

2.    Лысов В.А., Абрамова Н.Б., Янё В.С., Шевченко О.В., Щеголев А.В. Автоматизация профилирования осевых сечений пуансонов гладкой совокупностью дуг кривых третьего порядка в технологических процессах глубокой вытяжки // ОКНТПР. 2013. № 4. С. 31–39.

3.    Канюков С.И., Коновалов А.В., Муйземнек О.Ю. Входной язык системы автоматизированного проектирования поковок типа валов // Программные продукты и системы. 2018. № 3. С. 614–619. DOI: 10.15827/0236-235X.123.614-619.

4.    Лобов В.А., Затеруха Е.В. Методика проектирования процесса вытяжки с утонением стенки по внутреннему контуру в производстве полых фланцевых изделий // Изв. ТулГУ. Технич. науки. 2019. № 5. С. 222–228.

5.    Chiorescu D., Chiorescu E., Nagit G., Olaru S.C. The study of the radius of connection of the die for deep drawing using analysis with finite element. MSF, 2019, vol. 957, pp. 103–110. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.957.103.

6.    Lee H.Y., Park J.Y. A study on the punch shape for improving tool life in shearing AHSS. IOP Conf. MSE, 2018, vol. 418, iss. 1, pp. 103–110. DOI: 10.1088/1757-899X/418/1/012063.

7.    Nasulea D., Oancea G. Research on manufacturing of pyramidal frustum parts using single point incremental forming process. IOP Conf. MSE, 2019, vol. 564, iss. 1, 8 p.

8.    Арлоу Д., Нейштадт И. UML 2 и унифицированный процесс. Практический объектно-ориентированный анализ и проектирование; [пер. с англ.]. СПб: Символ-Плюс, 2007. 624 с.

9.    Прусаков М.А., Бушуев С.В. Расчет профиля пуансона для глубокой вытяжки тонкостенной полусферы // Вестн. МГТУ «Станкин». 2015. № 2. С. 50–55.

10. Shchegolev A.V., Sergeev A.I., Rusyaev A.S., Sherstobitova V.N. Automated shaping of punches for deep extrusion with thinning. Russian Eng. Research, 2018, vol. 38, no. 5, pp. 387–389. DOI: 10.3103/S1068798X18050167.

References

1.   Ovechkina Yu.I., Ovechkin M.V., Sergeev A.I., Sherstobitova V.N., Shchegolev A.V. Distinctive features of methods of cold drawing of metals. Proc. VIII All-Russ. Sci.-Prakt. Conf. Computer Integration of Production and CALS-Technology, Orenburg, 2017, pp. 109–111.

2.   Lysov V.A., Abramova N.B., Yanyo V.S., Shevchenko O.V., Schegolev A.V. The automation by smooth totality of tertiaryۥ s arcs of curve in deep drawings workflows. DIARSTP, 2013, no. 4, pp. 31–39 (in Russ.).

3.   Kanyukov S.I., Konovalov A.V., Muizemnek O.Yu. Input language of a computer-aided system for shaft forging. Software & Systems, 2018, no. 3, pp. 614–619 (in Russ.). DOI: 10.15827/0236-235X.123.614-619.

4.   Lobov V.A., Zaterukha E.V. The technique of designing the drawing process wth wall thinning on the inner contour in the production of hollowflange products. Bull. TulSU. Tech. Sci., 2019, no. 5, pp. 222–228 (in Russ.).

5. Chiorescu D., Chiorescu E., Nagit G., Olaru S.C. The study of the radius of connection of the die for deep drawing using analysis with finite element. MSF, 2019, vol. 957, pp. 103–110. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.957.103.

6. Lee H.Y., Park J.Y. A study on the punch shape for improving tool life in shearing AHSS. IOP Conf. MSE, 2018, vol. 418, iss. 1, pp. 103–110. DOI: 10.1088/1757-899X/418/1/012063.

7. Nasulea D., Oancea G. Research on manufacturing of pyramidal frustum parts using single point incremental forming process. IOP Conf. MSE, 2019, vol. 564, iss. 1, 8 p.

8.   Arlow J., Neustadt I. UML 2 and Unified Process. Practical Object Oriented Analysis and Design. Addison-Wesley Publ., 2005, 624 p. (Russ. ed.: St. Petersburg, 2007, 624 p.).

9.   Prusakov M.A., Bushuev S.V. Calculation of punch profile for deep drawing of thin-walled hemisphere. Bull. MSTU "Stankin", 2015, no. 2, pp. 50–55 (in Russ.).

10. Shchegolev A.V., Sergeev A.I., Rusyaev A.S., Sherstobitova V.N. Automated shaping of punches for deep extrusion with thinning. Russian Eng. Research, 2018, vol. 38, no. 5, pp. 387–389. DOI: 10.3103/S1068798X18050167.