CC BY
11
The study is subjected to the process of landing parts with a rectangular head in terms of. The results obtained experimentally and in the Q-Form 3D program are compared.
Key words: landing Force of a rod bolt with a rectangular head, comparison of experiment with the Q-Form 3d program.
Glazunov Dmitry Alexandrovich, postgraduate, glazunov_d@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Filippov Julian Kirillovich, doctor of technical sciences, professor, yulianf@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Kalpin Julius Grigorievich, doctor of technical sciences, professor, kalpin@inbox.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.7.01
ПРИМЕНЕНИЕ ВЕПОЛЬНОГО АНАЛИЗА НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ
ПРЕССА ДЛЯ ШТАМПОВКИ С КРУЧЕНИЕМ
П.И. Строков, Б. А. Степанов
В статье рассмотрены применение вепольного и морфологического анализов (методов современной ТРИЗ) для подбора оптимального оборудования, позволяющего варьировать параметр кручения для управления качеством детали при штамповке с кручением.
Ключевые слова: штамповка с кручением, ТРИЗ, гидроцилиндр, гидромотор, гидравлический пресс, веполь.
В обработке металлов давлением машины с вращающимся инструментом позволяют осуществить штамповку с кручением [1]. Известно, что при деформировании заготовка занимает свободное пространство в штампе. Если размер формообразующей полости является недостаточным для свободного истечения материала по объему штампа, то внутренние напряжения, созданные в заготовке, начинают очень активно действовать на контактную поверхность и приводят к разрушению инструмента. При увеличении силы деформирования на ползуне мы можем как необходимого формоизменения заготовки, так и наоборот, вызвать разрушение материала инструмента из-за избыточного контактного давления. Если в этот момент к заготовке приложить крутящий момент, то материал будет легче «растекаться» по гравюре штампа за счет реализации схемы сдвига. При этом поведение материала заготовки подобно поведению жидкости или газа [1].
Другими словами, вращение инструмента создает дополнительную силу, воздействующую на деформируемую заготовку. Таким образом, заготовка не просто сжимается, а как будто «выдавливается и растекается» тем самых заполняя все труднодоступные области штампа.
Преимущества использования вращающегося инструмента при штамповке:
- снижение скорости инструмента пресса при сохранении высокой кинетической энергии. Использование вращающегося инструмента позволяет уменьшать скорость разгона ползуна с сохранением силы деформирования;
- значительное уменьшение необходимой силы давления инструмента на заготовку: аналогично скорости, уменьшается и сила давления инструмента, что, в свою очередь, позволяет увеличить массу и размер детали, оставляя неизменным массу и размер молота;
- уменьшение давления на рабочий инструмент: для повышения точности необходимо регулярно менять инструмент, в виду его износа. Повышение срока службы инструмента повышает точность и производительность, и, одновременно, уменьшает затраты на замену штампа. К тому же, это позволяет использовать менее прочные и менее дорогие материалы;
- возможность получения особо тонкостенных деталей: с увеличением допустимой силы деформирования на прессе увеличивается и максимально допустимое соотношение [1]:
где Ь - это определенный габаритный размер детали; Н - это толщина стенки.
-возможность получения высокоточных деталей из литых заготовок, пористых материалов или некомпактных материалов: вследствие уплотнения слоев детали и структурообразований появляется возможность производства высокоточных деталей из неплотных материалов (например, металлической стружки). То есть уменьшается пространство между взаимодействующими частицами. Это позволяет в качестве исходного материала использовать не только сплошные металлические бруски, но и «отходы» производства (стружку, мелкие детали), зернистые материалы, порошки. В процессе штамповки происходит склеивание или спаивание отдельных материалов;
-снижение металлоемкости оборудования: еще один аспект, улучшающий экономичность процесса. Затраты металла на производство оборудования снижаются, так как нет смысла производить настолько тяжелый пресс, массивные направляющие или большую по размерам станину.
Управление качеством детали при штамповке с кручением
При штамповке с кручением для управления качеством детали необходимо варьировать параметром (3 [1], определяемым как:
Р = ", (2)
Г О)
где (3 - отношение скорости поступательного движения г) и угловой скорости вращения штампа ю.
Для винтового механизма параметр (3 определяется по формуле:
Р = 5/2тг = 1с1ь,С08аь9 (3)
где £ - ход винта; с[ь - диаметр винта; аъ - угол наклона винтовой нарезки.
При увеличении скорости поступательного перемещения винта пропорционально увеличивается и угловая скорость вращения, то есть коэффициент (3 остается неизменным для данной винтовой пары.
Управляя этим соотношением, можно управлять качеством детали. В зависимости от требуемых характеристик и используемых материалов, оптимальное соотношение должно меняться. В идеальном варианте одна машина должна быть способна работать в нескольких режимах.
Тогда мы можем сформулировать проблему следующим образом: невозможность осуществления управления качеством на оборудовании для штамповки с кручением.
Как уже было замечено ранее, суть проблемы кроется в невозможности управления параметром (3. Тогда имеем задачу: осуществить модификацию установки, позволяющую управлять соотношением (3. Для решения этой задачи прибегнем к вепольному анализу.
Пресс для штамповки с кручением - сложная техническая система, включающая несколько укрупненных подсистем, состоящих из элементов и/или подсистем нижнего уровня. Вепольный анализ является хорошим решением, если необходимо изменить порядок взаимодействия нескольких элементов (подсистем) внутри одной системы. Для начала построим вепольную схему взаимодействия штампа и заготовки [2].
В исследуемом процессе веществом являются штамп и заготовка, а поле, в котором они взаимодействуют является механическим.
На рис. 1 представлена схема взаимодействия штампа и заготовки, где Пмех - поле механического взаимодействия, Вш - верхний штамп, как элемент технической системы, Взаг - заготовка, как элемент технической системы.
Пмех Взаг
Рис. 1. Вепольная схема взаимодействия штампа и заготовки
Сплошной стрелкой указаны взаимодействия, осуществляемые на достаточном для данных условий задачи уровне, прерывистой стрелкой указано взаимодействие на недостаточном уровне.
В данном случае штамп Взаг механически Пмех воздействует на заготовку Взаг. Было принято, что взаимодействие штампа и механического поля осуществляется на достаточном уровне на данный момент времени. По условию задачи необходимо повысить качество взаимодействия между штампом и заготовкой.
Для этого построим элемент веполя, который требует изменения (рис. 2).
Рис. 2. Вепольная схема элемента, требующего изменения
148
Одним из инструментов вепольного анализа является доработка веполя до полного. То есть добавления поля и/или вещества, чтобы получить полный веполь (П-В-В).
Воспользуемся им для решения данной задачи. Тогда вепольная схема примет следующий вид
(рис. 3).
Рис. 3. Вепольная схема вариантов решения
Из этого следует, что необходимо воздействовать на заготовку дополнительно другим элементом системы. То есть, часть работы должен осуществлять верхний штамп, а другую часть работы должен осуществлять другой элемент, например, нижний штамп или подставка.
Интерпретируя это решение можно заключить, что для осуществления штамповки с кручением высокого качества необходимо, чтобы вращение и поступательное перемещение осуществлялось разными подсистемами.
Варианты исполнения устройства. Из предыдущего пункта видно, что достигнуть требуемого результата можно путем разделения действий. Одна часть оборудования должна обеспечивать поступательное движение инструмента, а другая должна обеспечивать необходимое его вращение. То есть должно присутствовать два независимых привода.
Применим такой инструмент, как морфологический ящик [2]. Они идеально подходит для выдвижения концепции новой технической системы, обладающей конкретными характеристиками.
Задача: сделать вывод о возможной конструкции оборудования для штамповки с кручением высокого качества.
Инструмент совершает два независимых движения: поступательное и вращательное. Они и будут морфологическими параметрами решаемой задачи:
- А - поступательное движение одной половины штампа (пуансон);
- Б - вращательное движение другой половины штампа (матрица).
Для каждого из параметров подбирается по несколько вариантов осуществления заданной функции. Все варианты берутся на основе существующих машин для прессования, таким образом уменьшается риск создания нерабочей машины.
Тогда все варианты морфологических параметров:
А1. Гидравлический цилиндр;
А2. Кривошипно-шатунный механизм;
А3. Кривошипно-коленный механизм;
А4. Винтовая пара.
Б1. Электромотор;
Б2. Гидромотор;
Б3. Винтовая пара.
Эти варианты подобраны на основе патентов и существующих установок для прессования.
Из всех предложенных вариантов составим морфологическую матрицу элементов: (А1, А2, А3, А4); (Б1, Б2, Б3).
Тогда морфологический ящик имеет вид, приведен в табл. 1.
Таблица 1
Морфологический ящик_
Морфологический ящик
Поступательное движение Вращательное движение
Гидравлический цилиндр Электромотор
Кривошипно-шатунный механизм Гидромотор
Кривошипно-коленный механизм Винтовая пара
Винтовая пара
Эта таблица является подсказкой для решения задачи. Таблица дает представление о классификации машин. Теперь, для наглядности представим это решение в виде двумерной табл. 2, где по вертикали отразим вращательное, а по горизонтали поступательное движение.
Анализируя полученные решения, можно сделать вывод о вариантах развития этой технологии. Для выполнения поиска оптимального решения можно сравнить и оценить все варианты по определенному параметру [3-8] и найти наилучший, удовлетворяющий заданным условиям.
Таблица 2
Классификация, основанная на морфологическом ящике_
Варианты исполнения обору- Кривошипно- Кривошипно-
дования для штамповки с Гидравлический шатунный ме- коленный ме- Винтовая
кручением цилиндр ханизм ханизм пара
Электромотор 3 4 4 3
Гидромотор 5 4 4 3
Винтовая пара 4 3 3 2
Исходя из представленных данных, можно сделать вывод о том, что существует 12 видов оборудования, которые выполняют данную задачу на достаточном качестве. Причем все эти варианты являются рабочими, то есть техническое решение с применением данных составляющих уже было известно в прессовании.
Решением задачи управления качеством детали путем варьирования параметра ß (отношение скоростей) является наиболее эффективная пара взаимодействующих элементов на основе экспертного сравнения по заданным параметрам, то есть пара: гидравлический цилиндр и гидромотор.
Выводы. Применив инструменты ТРИЗ в ходе анализа был получен следующий
результат:
- получено техническое решение для осуществления штамповки с кручением, основанное на разделении двух движущих сил, вращательной и поступательной;
- получено представление о структурировании и упорядочивании существующих машин, осуществляющих штамповку с кручением;
- с целью управления качеством детали получено решение о направлении развития данной технологии (выбран вид оборудования).
Список литературы
1. Субич В.Н., Демин В.Н., Шестаков Н.А., Власов А.В. Штамповка с кручением. М.: Изд-во: Московский государственный индустриальный университет, 2009. 389 с.
2. Петров В.М. Теория решения изобретательских задач - ТРИЗ. Изд-во: Солон-пресс, 2017.
500 с.
3. Петров П.А., Типалин С.А., Строков П.И. ТРИЗ+ в системе подготовки молодых специалистов в вузе: итоги // История и педагогика естествознания, 2017. №4. С. 16-21.
4. Типалин С.А., Шпунькин Н.Ф., Никитин М.Ю., Типалина А.В. Экспериментальное исследование механических свойств демпфирующего материала // Известия МГТУ «МАМИ», 2010. №1. С. 166-170.
5. Петров М.А., Субич В.Н., Петров П.А. Численное исследование инновационного процесса штамповки с кручением // Пром-Инжиниринг Труды III международной научно-технической конференции, 2017. С. 338-342.
6. Альтшуллер Г.С. Найти идею: Введение в теорию решения изобретательских задач. Петрозаводск: Скандинавия, 2003.
7. Гин А.А., Кудрявцев А.В., Бубенцов В.Ю. и др.: Теория решения изобретательских задач: учебное пособие I уровня. Издательство Модерн, 2017.
8. Петров П.А., Кудрявцев А.В., Минакер В.Е., Токарев А.С. «ТРИЗ+» в системе подготовки инновационных специалистов (бакалавров и магистров) в вузе. Сб. труд. VII межд. конф. «ТРИЗ. Практика применения и проблемы развития». М., 2015. М.: ООО «Аналитик», 2015.
9. Петров П.А., Минакер В.Е., Токарев А.С. «ТРИЗ+» в системе подготовки молодых специалистов в вузе: год спустя // Сб. труд. VIII межд. конф. «ТРИЗ. Практика применения и проблемы развития». М.: ООО «Аналитик», 2016.
Степанов Борис Алексеевич, д-р. техн. наук, профессор, sba40@yandex. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Строков Павел Игоревич, старший преподаватель, pavig@yandex.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
THE USING OF VEPOL ANALYSIS AT THE DESIGN STAGE OF CONSTRUCTION OF THE PRESS FOR STAMPING WITH TORSION
B.A. Stepanov, P.I. Strokov
At the article it is discussed the use of vepol and morphological analyzes (TRIZ methods) for the selection of optimal equipment that allows varying the torsion parameter to control the quality of the part during stamping with torsion.
Key words: stamping, torsion, TRIZ, hydraulic motor, hydraulic cylinder, hydraulic press.
Stepanov Boris Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, sba40@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Strokov Pavel Igorevich, lecturer, pavig@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic
University
УДК 621; 004; 681
ОПТИЧЕСКОЕ 3Б-СКАНИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ПРОТОТИПОВ
М.А. Петров, И.С.А. Эльдиб, Э.М. Азатьян
В статье рассмотрены результаты 3D-сканирования металлических и полимерных деталей и прототипов с высоким и стандартным уровнями детализации. Проведена проверка размеров на соответствие чертёжным. Показана малая степень влияния результатов 3D-печати на результат получения полигональной модели при автоматической настройке реконструкции модели.
Ключевые слова: 3D-сканирование, структурированный подсвет, металлические и полимерные материалы, точность сканирования, отклонение размера, поле допуска, макроструктура поверхности, CAD, CAI.
В современном производстве, основанном на цифровых данных о продукции, применяются системы контроля точности (СКТ), которые можно разделить на контактные (координатно-измерительные машины или КИМ) и бесконтактные (оптические и лазерные системы 2D/3D-сканирования). Первая группа СКТ подходит для твёрдых материалов. Вторая группа позволяет работать как с мягкими, так и с твёрдыми материалами. И в том, и в другом случаях результатом является набор точек, имеющих однозначное координатное определение в двух- или трёхмерном пространстве [1, 2].
Основными рабочими элементами оптического 2D/3D-сканера являются источник света и камеры, позволяющие получать стереоскопическое изображение. На сегодняшний день нет универсальных камер, которые бы позволяли получать высокоточные макромодели (свыше 1 метра), мезомодели (менее 1 метра) и микромодели (менее 1 мм) объектов. В связи с этим произошло разделение устройств, для реализации «машинного зрения» на устройства для плоскостного распознавания геометрии (системы фотограмметрии или 2D-сканеры), обладающие высокой разрешающей способностью, и объёмного распознавания геометрии (лазерные и оптические 3D-сканеры) с невысокой разрешающей способностью. Первая группа сканеров применяется на поточных линиях, в которых необходим контроль размеров детали в/на плоскости (рис. 1 а). Вторая группа предназначена для получения геометрической информации о всей детали и построения полигональной 3D-модели/поверхности (рис. 1б). При сравнении размеров изготовленной детали в случае 2D-сканирования проводится сравнение с чертежом (шаг 5, рис. 1а), а в случае 3D-сканирования с твердотельной моделью (рис. 1б). Причём чертёж и твердотельная 3D-модель разрабатываются во внешних CAD-программах. Иногда при 3D-сканировании больших объектов применяются инструменты фотограмметрии, позволяющие, создавать опорную сеть, относительно которой позиционируются отдельные сканы, полученные в процессе 3D-сканирования (рис. 2).
