CC BY
11
УДК 621.77.01; 621.01:531.3 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-4-317-321
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КИНЕМАТИКИ ТОРЦЕВОЙ РАСКАТКИ
С. А. Морозов, А.В. Щенятский, А. С. Морозов
Рассмотрен способ реализации торцевой раскатки на универсальном гидропрессе с установкой на нем специальной приставки, реализующей кинематику торцевой раскатки. Решена задача параметрической оптимизации процесса типовой детали «Цилиндрическая с фланцем». В качестве параметров оптимизации выбирались: линейная скорость пуансона и угловая скорость вращения матрицы. В результате исследования получены зависимости оптимальных значений кинематики торцевой раскатки от усилия вытяжки. Рассмотрен способ их автоматического задания.
Ключевые слова: торцевая раскатка, параметрическая оптимизация, кинематика процесса, пуансон, матрица.
Торцевую раскатку можно реализовать на специализированном оборудовании или на универсальном прессе с установкой на нем приставки для торцевой раскатки. Поскольку в России не выпускается специализированное оборудование для данного процесса, то наиболее распространен способ с использованием универсального гидропресса с соответствующей приставкой [1, 2].
Нами разработана приставка для торцевой раскатки на конструкцию которой получен патент [3]. Кинематическими характеристиками процесса являются линейная скорость пуансона, определяемая скоростью пресса, и угловая скорость вращения матрицы, задаваемая электродвигателем приставки. Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение технологичности устройства для штамповки торцевой раскаткой, заключающейся в повышении его эксплуатационных качеств. К ним относятся повышение жесткости конструкции, автоматическое центрирование заготовки, и возможность слежения за усилием, прилагаемым к заготовке при штамповке, за счет применения в конструкции верхнего валкового узла измерительного модуля.
Решена задача оптимизации линейной скорости пресса в диапазоне от 2 до 35 мм/с и угловой скорости вращения матрицы в диапазоне от 120 до 420 об/мин для типовой детали «Цилиндрическая с фланцем» для углов наклона пуансона в 2°, 3°, 4° [4, 5]. Такие детали широко используются в машиностроении.
Для любого процесса обработки металлов давлением существует общая формула для определения усилия:
S К
P = J pds, 0
где P - усилие, МН (кгс); p - давление, МПА (кгс/мм2); SR - площадь контактной по-
2
верхности. мм .
В упрощённом виде:
P = PSK,
где p - среднее нормальное давление, МПА (кгс/мм2).
Среднее нормальное давление определяется по формуле
P = ~&zz,
где szz - нормальное напряжение. МПА.
Для анализа параметров инструмента и конструкционных параметров введём новую переменную i:
. 60h
i =-
w '
317
Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. Вып. 4
где И - ход пуансона, мм/с; О) - угловая скорость матрицы, об/мин (мм/0б)
Физический смысл / - какое расстояние в миллиметрах проходит пуансон за один оборот матрицы вокруг своей оси.
Далее будем использовать показатель I как один из основных для анализа и систематизации данных процесса.
Для анализа площади контактной поверхности (пятна контакта) введём переменную
£
а-
конт
общ
где £
г2.
конт контактная площадь инструмента с заготовкой, мм , о05щ
2
- общая пло-
щадь торца заготовки в рассматриваемый момент, мм . Методика определения 5К0НТ изложена в [6].
Физический смысл параметра (X - относительная площадь пятна контакта. В данной статье все значения приводятся для шага с максимальным усилием пуансона.
Приведем фрагмент таблицы результатов моделирования.
Результаты моделирования для 2°
11 и мм/ об И, мм/с; О), об/мин Р,МН а ^общ' мм2 °КОНТ> мм2 МПа Рп Р\ с '-'конт^ °КОНТ1 Рп Р1
1 1 5;300 1,266 0,206 24885 5126 246,98 1 1 1
2 1 2;120 1,241 0,223 24885 5549 223,64 0,980 1,083 0,905
3 1 7;420 1,322 0,224 24885 5574 237,17 1,044 1,087 0,960
18 4,5 30;400 2,873 0,532 22432 11934 240,74 2,269 2,328 0,975
Примечание: п — номер моделирования; I — отношение хода пуансона к угловой скорости матрицы; И — ход пуансона; О) — угловая скорость матрицы; Р —усилие; (X — доля плогцади пятна контакта в обгцей площади; общая площадь торцевой части; $конт— площадь пятна контакта; р — среднее
нормальное давление пуансона на заготовку; , ^контп , Рп - относительные изменения усилия,
А ^конт! Р\
пятна контакта и среднего нормального давления.
Построим график зависимости Р = /(?') (рис. 5).
Рис. 1. Зависимость Р = /(/') при 2°
График неоднородный, так как при его построении использовались разные значения угловой скорости.
Проанализируем зависимость P = f (i) при постоянном значении угловой скорости матрицы.
Характер зависимости близок к прямой пропорциональности. Получим математическое уравнение прямой с помощью функции линии Тренда программы Excel.
Линия Тренда представляет собой прямую или кривую линию, аппроксимирующую исходные данные на основе уравнения регрессии или скользящего среднего. Аппроксимация определяется по методу наименьших квадратов. Для оценки точности полученной математической зависимости использовался коэффициент достоверности аппроксимации.
Коэффициент достоверности аппроксимации R2 показывает степень соответствия трендовой модели исходным данным. Его значение может лежать в диапазоне от 0 до 1. Чем ближе R2 к 1, тем точнее модель описывает имеющиеся данные.
Приведём все полученные уравнения:
120 об/мин 200 об/мин 240 об/мин 300 об/мин 400 об/мин 420 об/мин
P = 0,3975 i + 0,8491 P = 0,406 i + 0,896 P = 0,434 i + 0,852 P = 0,495 i + 0,771 P = 0,426 i + 0,976 P = 0,441 i + 0,922
Я 2 = 0,999 Я 2 = 0,999 Я 2 = 0,989 Я 2= 1 Я 2= 0,996 , , Я2= 1
По данной методике были определены зависимости и по другим критериям оптимизации. Полученные зависимости применимы только для данного конкретного случая, но позволяют выявить общие закономерности процесса.
Для автоматического управления кинематикой процесса в приставке разработан модуль измерения усилия штамповки с помощью тензометрического датчика 27 посредством аналого-цифрового преобразователя 28 микроконтроллера 30 выполняет цикл измерения усилия штамповки (рис. 2, разрез приставки не приведен).
Рис. 2. Модуль измерения усилия штамповки
При этом измерение осуществляется с помощью управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 33 микроконтроллера с использованием SRAM-памяти данных 34, а результаты измерений могут сохранятся в энергонезависи-
мой электрически перепрограммируемой памяти EEPROM 35 или передаваться по каналу беспроводной связи с помощью радиомодуля 31 удаленной системе слежения за технологическим процессом штамповки. Полученные данные могут быть использованы как для осуществления автоматического контроля технологического процесса штамповки, так и для оптимизации динамических параметров процесса. При превышении усилия штамповки модуль измерения может сигнализировать об этом с помощью зуммера 39.
Сигнал от микроконтроллера с оптимальными значениями для электродвигателя насоса гидропресса и электродвигателя приставки передается на частотные регуляторы.
Таким образом, осуществляется автоматизированное управление кинематикой торцевой раскатки.
Список литературы
1. Морозов С. А., Морозов А.С. Актуальность и опыт внедрения торцевой раскатки на производстве // Интеграция науки, общества, производства и промышленности: проблемы и перспективы: сборник статей Международной научно-практической конференции. Уфа: Аэтерна, 2019. С. 33-35.
2. Морозов С.А., Морозов А.С. Реализация торцевой раскатки на универсальном гидропрессе // Техника и технологии машиностроения: материалы IV междунар. студ. науч.-практ. конф. (Омск, 25-30 марта 2015). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С. 166169.
3. Патент на полезную модель 200387, Устройство для штамповки торцевой раскаткой / Тепин Н.В., Морозов С.А., Михайлов Ю.О., Морозов А.С.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» - № 2020118826; за-явл. 01,06,2020; опубл. 21,10,2020, Бюл. № 30. 8 с.
4. Морозов С. А., Морозов А.С. Определение оптимальных параметров торцевой раскатки // Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке: электронное научное издание: сборник материалов III Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием, Ижевск, 22-23 апреля 2015 года / ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. Электрон. дан. (1 файл : 33,2 Мб.). - Ижевск: ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, ИННОВА, 2015. 1010 с. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). Систем. требования: Acrobat reader 6.0 и выше. С. 57-61.
5. Морозов А.С., Морозов С.А., Щенятский А.В., Параметрическая оптимизация процесса торцевой раскатки детали класса «Цилиндрическая с фланцем» // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 425-433.
6. Морозов А.С., Щенятский А.В., Морозов С.А. Определение площади контакта инструмента и заготовки при торцевой раскатке // Электрофизические методы обработки в современной промышленности. Специальный выпуск: Аддитивные технологии. Материалы III Межд. научно-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов, 11-12 декабря, 2019. Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2020. С. 61-63.
Морозов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, msa-omd@,mail. ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,
Щенятский Алексей Валерьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, bkkupol@,istu.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,
Морозов Александр Сергеевич, аспирант, sashamor2@mail.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М.Т. Калашникова
OPTIMAL PARAMETERS OF THE ROTARY FORGING S.A. Morozov, A. V. Schenyatsky, A.S. Morozov
The method of implementation of the rotary forging on the universal hydraulic press with installation of special attachment that implements kinematics of the rotary forging is considered. The problem of parametric optimization of the process of a typical part "Cylindrical with flange" was solved. Linear speed of an upper die and angular speed of a lower die rotation were selected as optimization parameters. As a result of the research the dependences of optimum values of the rotary forging kinematics on drawing force were obtained. The method of their automatic setting is considered.
Key words: rotary forging, parametric optimization, tool parameters, upper die, lower die.
Morozov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, msa-omd@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Schenyatsky Alexey Valerevich, doctor of technical sciences, professor, bkkupol@,istu. ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Morozov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, sashamor2@,mail. ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
