Обработка материалов давлением. Сборник научных трудов. №19
Подождите немного. Документ загружается.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ
АКАДЕМИЯ
ОБРАБОТКА
МАТЕРИАЛОВ
ДАВЛЕНИЕМ
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ
№ 1 (19) – 2008
Краматорск
УДК 621.7
ОБРАБОТКА
МАТЕРИАЛОВ
ДАВЛЕНИЕМ
ОБРОБКА
МАТЕРІАЛІВ
ТИСКОМ
MATERIALS
WORKING BY
PRESSURE
Сборник научных трудов
№1 (19) – 2008
Збірник наукових праць
№1 (19) – 2008
Collection of science papers
№1 (19) – 2008
Основатель
Донбасская государственная
машиностроительная академия
Засновник
Донбаська державна
машинобудівна академія
Founder
Donbass State
Engineering Academy
Свидетельство
про государственную регистрацию
серия КВ № 13770-2744P
от 17.03.2008
Свідоцтво
про державну реєстрацію
серія КВ № 13770-2744P
від 17.03.2008
Registration certificate
№ 13770-2744P
dated 17.03.2008
В сборнике размещены статьи различных направлений процессов и машин обработки
материалов давлением, подготовленные профессорско-преподавательским составом,
научными сотрудниками, аспирантами, соискателями, специалистами. Сборник
предназначен для научных и инженерных работников, аспирантов и студентов.
У збірнику розміщено статті різних напрямків процесів і машин обробки матеріалів
тиском, підготовлені професорсько-викладацьким складом, науковими співробітниками,
аспірантами, здобувачами, фахівцями. Збірник призначений для наукових й інженерних
працівників, аспірантів і студентів.
Different articles of various directions of processes and machines of materials forming,
prepared by the faculty, scientific employees, post-graduate students, competitors, experts are
placed in this collection. The collection is intended for scientific and engineering workers, post-
graduate students and students.
Редакционная коллегия: Алиев И. С., д-р техн. наук, проф. (председатель редакционной
коллегии); Бейгельзимер Я. Е., д-р техн. наук, проф.; Доброносов Ю. К., канд. техн. наук, доц.,
(ответственный секретарь); Заблоцкий В. К., д-р техн. наук, проф.; Кассов В. Д., д-р техн. наук, проф.;
Лаптев А. М., д
-р техн. наук, проф.; Миленин А. А., д-р техн. наук, проф. (Польша); Мороз Б. С., д-р
техн. наук, проф. (Россия);
Огородников В. А. д-р техн. наук, проф.; Роганов Л. Л., д-р техн . наук,
проф.; Розенберг О. А., д-р техн. наук, проф.; Сатонин А. В., д-р техн. наук, проф.; Соколов Л. Н., д-р
техн. наук, проф.; Сосенушкин Е. Н., д-р техн. наук, проф.(Россия); Тарасов А
. Ф., д-р техн. наук,
проф.; Титов В. А., д-р техн. наук, проф.; Федоринов В. А., канд. техн. наук, проф.; Яковлев С. С., д-р
техн. наук, проф. (Россия).
Ответственный за выпуск проф. Алиев И. С.
Статьи прорецензированы членами редакционной коллегии.
Материалы номера печатаются на языке оригинала.
Рекомендовано к печати ученым советом Донбасской государственной
машиностроительной академии (протокол № 8 от 03.04.2008).
ISBN 978-966-379-269-9 © Донбасская государственная
машиностроительная академия, 2008
© Донбаська державна машинобудівна
академія, 2008
© Donbass State Engineering Academy, 2008
Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 3
Шановні читачі!
Перед Вами тематичний збірник наукових праць Донбаської державної
машинобудівної академії (ДДМА) «Обробка матеріалів тиском», який
містить нові результати теоретичних і експериментальних досліджень і
розробок, спрямованих на розвиток методів моделювання і удосконалення
процесів, обладнання та оснащення обробки матеріалів тиском.
Він є новим, міжнародним варіантом збірника наукових праць ДДМА
"Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і
машинобудуванні", який входить до переліку фахових видань ВАК України з
технічних наук.
У ДДМА понад 50 років ведеться підготовка спеціалістів – технологів
і конструкторів для ковальсько-штампувального і прокатного виробництв.
В академії 30 років успішно працює спеціалізована наукова рада з захисту
докторських і кандидатських дисертацій зі спеціальності 05.03.05 – процеси
та машини обробки тиском, яка відіграє важливу роль у підготовці і
атестації кадрів вищої кваліфікації для академії, ВНЗ, НДІ та підприємств
Донбасу і України. Він також мав важливе значення в становленні та
визнанні Краматорської наукової школи обробки тиском.
Протягом багатьох років у Краматорську на базі ДДМА і НКМЗ
проводилися науково-технічні конференції з проблем розвитку теорії,
технологій і машин обробки тиском. За останні 10 років конференції з
проблем обробки тиском стали щорічними, традиційними і визнаними
форумами оброблювачів тиском країн СНД. Вони відіграли значну роль в
координації наукових досліджень між вищими навчальними закладами і
інститутами Національної академії наук України, у встановленні і зміцненні
зв’язків між спеціалістами-оброблювачами тиском не тільки України, Росії і
країн СНД, а Польщі і Німеччини. Це послужило також основою для
організації і проведення в Україні, що стали уже традиційними, міжвузівських
студентських наукових конкурсів-конференцій, конкурсів магістерських
робіт, а також всеукраїнських студентських олімпіад з обробки металів
тиском.
Це, безумовно
, сприяло розширенню географії ВНЗ і НДІ, що
представлені в збірнику наукових робіт ДДМА. Автори опублікованих у
збірниках робіт є представниками наукових шкіл вищих навчальних закладів і
дослідних інститутів, а також спеціалістами промислових підприємств
багатьох міст України, Росії, Польщі, Німеччини.
Запрошуємо викладачів ВНЗ, аспірантів и спеціалістів підприємств і
інститутів України, Росії,
Польщі, країн Співдружності до подальшого
співробітництва з Академією і до участі в виданні нового збірника наукових
праць ДДМА "Обробка матеріалів тиском".
Проректор з наукової роботи ДДМА І. С. Алієв
Обработка материалов давлением №1 (19), 2008 4
Уважаемые читатели!
Перед Вами тематический сборник научных трудов Донбасская
государственная машиностроительная академия (ДГМА) «Обработка
материалов давлением», который содержит новые результаты
теоретических и экспериментальных исследований и разработок,
направленных на развитие методов моделирования и совершенствование
процессов, оборудования и оснастки обработки материалов давлением.
Он является новым, международным вариантом сборника научных
трудов ДГМА "Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в
металургії і машинобудуванні", включенного в перечень специализированных
изданий ВАК Украины по техническим наукам.
В ДГМА более 50 лет ведется подготовка специалистов –
технологов и конструкторов для кузнечно-штамповочного и прокатного
производств. В академии 30 лет успешно работает специализированный
ученый совет по защите докторских и кандидатских диссертаций по
специальности 05.03.05 – процессы и машины обработки давлением,
сыгравший важную роль в подготовке и аттестации кадров высшей
квалификации для академии, вузов, НИИ и предприятий Донбасса и Украины.
Он имел также важное значение в становлении и признании Краматорской
научной школы обработчиков давлением.
На протяжении многих лет в Краматорске на базе ДГМА и НКМЗ
проводились научно-технические конференции по проблемам развития
теории, технологий и машин обработки давлением. За последние 10 лет
конференции по проблемам обработки давлением стали ежегодными,
традиционными и признанными форумами обработчиков давлением стран
СНГ. Они сыграли немаловажную роль в координации научных исследований
между вузами и институтами Национальной академии наук Украины, в
установлении и укреплении связей между специалистами
- обработчиками
давлением не только Украины, России и стран СНГ, но и Польши и
Германии. Это послужило также основой для организации и проведения в
Украине ставших уже традиционными межвузовских студенческих научных
конкурсов-конференций, конкурсов магистерских работ, а также
Всеукраинских студенческих олимпиад по обработке металлов давлением
Это, несомненно, способствовало расширению географии вузов
и
НИИ, представленных в сборнике трудов ДГМА. Авторы опубликованных в
сборниках работ являются представителями научных школ вузов и
исследовательских институтов, а также специалистами промышленных
предприятий многих городов Украины, России, Польши и Германии.
Приглашаем преподавателей вузов, аспирантов и специалистов
предприятий и институтов Украины, России, Польши и стран Содружества
к дальнейшему сотрудничеству с Академией и участию в издании нового
сборника научных трудов ДГМА "Обработка материалов давлением".
Проректор по научной работе ДГМА И. С. Алиев
Обработка материалов давлением №1 (19), 2008
5
РАЗДЕЛ I
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.73.06-52
Борисов А. В.
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА ПРИ МАТЕМАТИЧЕСКОМ
МОДЕЛИРОВАНИИ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛИ
«ШЕСТЕРНЯ ВЕНЕЧНАЯ»
Исследование технологических процессов горячей объёмной штамповки с помощью
программ математического моделирования можно реализовать как последовательность рас-
четных экспериментов. Целью такого моделирования является получения простого, удобно-
го для анализа линейного уравнения, связывающего варьируемые факторы входа (например,
температуру нагрева, коэффициент контактного трения и объём заготовки) с фактором от-
клика или выходным параметром (например, силой деформирования). Линейное уравнение
позволяет в явном виде анализировать влияние факторов на выходной параметр и может
быть использовано как основа для описания качества исследуемого процесса. Следует исхо-
дить из того, что при узком диапазоне варьирования факторов линейное уравнение доста-
точно точно отображает закономерности процесса. Для проверки точности модели выполня-
ются расчетные эксперименты в середине диапазона варьирования факторов.
Метод планирования эксперимента предоставляет хорошую основу для построения
математической и графической модели качества моделируемого процесса. Остановимся под-
робнее на содержании метода [1].
В качестве общей формы
линейной математической модели используется полином
первой степени, например, трехфакторный:
32173263152143322110
xxxaxxaxxaxxaxaxaxaay
+
+
+
+
++
+
=
, (1)
где y – функция отклика или выходной параметр;
n21
x,...x,x – варьируемые пере-
менные или факторы;
0
a – среднее значение функции;
321
a,a,a – коэффициенты регрессии,
учитывающие влияние каждого из факторов в отдельности;
654
a,a,a – коэффициенты рег-
рессии, учитывающие парное влияние факторов;
7
a – коэффициент, учитывающий влияние
всех трёх факторов.
Поиск уравнения (1) осуществляется через процедуру кодирования факторов. При
этом уравнение (1) преобразуется к виду (2) а эксперимент выполняется по обобщенному
плану таблицы 1.
32173163152143322110
XXXAXXAXXAXXAXAXAXAAY +
+
+
+
+
+
+= . (2)
Обработка материалов давлением №1 (19), 2008
6
Таблица 1
План трехфакторного эксперимента
№
опыта
Х
1
Х
2
Х
3
Y
№
опыта
Х
1
Х
2
Х
3
Y
1 +1 +1 +1
Y
1
5 +1 +1 -1
Y
5
2 -1 +1 +1
Y
2
6 -1 +1 -1
Y
6
3 +1 -1 +1
Y
3
7 +1 -1 -1
Y
7
4 -1 -1 +1
Y
4
8 -1 -1 -1
Y
8
Известны расчетные выражения для коэффициентов регрессии уравнения (2), полу-
ченные методом наименьших квадратов [1]:
∑
=
⋅
=
8
1n
n1
0
n
YX
A ;
∑
=
⋅
=
8
1n
nn1
1
n
YX
A ;
∑
=
⋅
=
8
1n
nn2
2
n
YX
A;
∑
=
⋅
=
8
1n
nn3
3
n
YX
A ;
∑
=
⋅⋅
=
8
1n
nn2n1
4
n
YXX
A ;
∑
=
⋅⋅
=
8
1n
nn3n1
5
n
YXX
A;
∑
=
⋅⋅
=
8
1n
nn3n2
6
n
YXX
A ;
∑
=
⋅⋅⋅
=
8
1n
nn3n2n1
7
n
YXXX
A.
Уравнения (2) в кодовой форме характерны тем, что факторы в них имеют одинако-
вый диапазон изменения от -1 до +1, и коэффициенты регрессии
....321
A,A,A характеризуют
соразмерное друг с другом влияние факторов в рамках одного процесса. Для сравнения сте-
пени влияния фактора по вариантам процесса (например, по операциям штамповки) уравне-
ние регрессии (2) следует преобразовать к относительному виду:
)XXX...XXX1(AY
32173322110
β
+
+
β
+
β
+
β+⋅
=
,
0
1
1
A
A
=β ,
0
2
2
A
A
=β ,
0
3
3
A
A
=β , … (3)
Здесь относительные коэффициенты регрессии позволяют сравнивать влияние факто-
ров, как между собой, так и по вариантам процесса.
Можно выразить факторы через минимальный уровень и диапазон изменения:
⊃
Δ
+
⊃
1Xmi
n
11
XX -1+2;
⊃
Δ
+
⊃
2Xmi
n
22
XX -1+2; (4)
⊃
Δ
+
⊃
3Xmin33
XX -1+2.
При этом минимальные значения факторов
mi
n
1
X ,
mi
n
2
X и
min3
X можно рассмат-
ривать как предельные значения достижимого качества входных факторов техпроцесса. То-
гда
1X
Δ ,
2X
Δ ,
3X
Δ характеризуют отклонения от достижимого качества факторов (потери
качества).
Аналогичным образом можно выразить выходной фактор технологического процесса:
Ymin
YY Δ+⊃ ; )1(YY
Ymi
n
∂
+
⊃
;
min
Y
Y
Y
Δ
=∂ . (5)
Минимальное значение отклика
mi
n
Y можно рассматривать как предельное значение
достижимого качества выходного параметра техпроцесса. Величина
Y
Δ характеризует от-
клонение от достижимого уровня качества (потерю качества) техпроцесса. Величина
Y
∂
ха-
рактеризует относительную потерю качества, она позволяет сравнивать процессы по уровню
качества между собой.
Из выражения (5) следует:
minmax
YYY
−
=
Δ
,
...)XXX1(AY
max33max22max110max
β
+
β
+
β
+⋅= ,
Обработка материалов давлением №1 (19), 2008
7
...)XXX1(AY
min33min22min110min
β
+
β
+
β
+⋅= ,
...)XXX(AY
3322110
Δ
β
+
Δ
β
+
Δ
β
⋅
=Δ ;
2XXX
321
=Δ=Δ=Δ , 4XXXXXX
323121
=
Δ
Δ
=
Δ
Δ
=
ΔΔ , 8XXX
321
=ΔΔ
Δ
;
Β
=
β
+
β
+
β
+
β
+
β
+
β
+β⋅=Δ
076543210
A2)4222(A2Y . (6)
Выражение (6) связывает отклонение выходного параметра с отклонениями входных
факторов. При этом каждому фактору будет соответствовать своя процентная доля (фактор-
ная доля) в отклонении выхода
Y
Δ :
Β
=δ
1
1
A
%100%
,
Β
=δ
2
2
A
%100%
,
Β
=δ
3
3
A
%100%
. (7)
Таким образом, выражения (4)…(7) можно рассматривать как математическую модель
качества процесса. Эта модель имеет графический образ (рис. 2).
В программе конечно-элементного моделирования «РАПИД» [2] выполнено исследо-
вание технологического процесса горячей объёмной штамповки детали «венечная шестерня»
в условиях завода «КАМАЗ-Металлургия». Технологический процесс штамповки венечной
шестерни включает в себя три перехода: осадку, предварительную
штамповку и окончатель-
ную штамповку на КГШП усилием 63 МН за три последовательные операции [2, 3] . На ри-
сунке 1 приведены форма и размеры заготовки, операционных полуфабрикатов и детали по-
сле механической обработки.
Рис. 1. Технологический процесс ГОШ поковки венечной шестерни: форма и размеры
заготовки, полуфабрикатов и детали.
Обработка материалов давлением №1 (19), 2008
8
Моделирование процесса выполнено по геометрическим размерам и форме приме-
няемого инструмента и заготовки. Материал поковки сталь-20ХГНМ. Начальная температу-
ра штампов 200°С. Коэффициент теплопередачи от заготовки к штампу 0,017 [5].
Приняты следующие крайние значения факторов: температура заготовки (950°С,
1050°С), коэффициент контактного трения (0,30 и 0,75), объём горячей заготовки (4244 см
3
и
4512 см
3
). Меньший объём определен в результате предварительного моделирования, как
наименьший объем, при котором происходит полное оформление рабочего сечения поковки.
Больший объём рассчитан по допускам на сортовой прокат и отрезку.
Факторы температуры и объема преобразованы к виду относительных безразмерных
величин. Принято кодирование факторов: наименьшее значение каждого из факторов приня-
то (-1), наибольшее (+1) (таблица 2).
В табл. 3 приведены план и результаты моделирования.
Таблица 2
Представление факторов в плане эксперимента
Наименование факторов
Температура
заготовки
Коэффициент
трения
Объём
заготовки
Кодовое значение
+
1
X
-
1
X
+
2
X
-
2
X
+
3
X
-
3
X
Размерное значение 1050°С 950°С 0,75 0,30 4421 см
3
4164 см
3
Безразмерное значение 1,105 1,0 2,5 1 1,062 1,0
Таблица 3
План и результаты моделирования параметров по операциям базовой технологии
№
опыта
1
X
2
X
3
X
1P
Y
2P
Y
3P
Y
№
опыта
1
X
2
X
3
X
1P
Y
2P
Y
1 + + + 8,54 22,33 67,66 5 + + - 7,77 19,24
2 - + + 10,36 28,00 70,06 6 - + - 9,81 24,60
3 + - + 7,08 20,07 55,32 7 + - - 6,95 14,78
4 - - + 9,17 23,96 68,68 8 - - - 8,56 18,32
1
P
Y ,
2
P
Y ,
3
P
Y – сила деформирования соответственно первой, второй и третьей
операций штамповки (МН).
В результате моделирования получены следующие уравнения регрессии с факторами
в кодах:
;088,0072,0033,002,0
258,059,0945,053,8
321323121
3211
XXXXXXXXX
XXXY
P
++−−
−
+
+
−=
;005,0555,0082,045,0
178,213,2308,2413,21
321323121
3212
XXXXXXXXX
XXXY
P
+−−−
−
+
+
−
=
(8)
.47,1634,0296,0281,1
041,12796,2236,4389,53
321323121
3213
XXXXXXXXX
XXXY
P
++++
+
+
+
−=
Для оценки точности полученных моделей следует сравнить результаты расчета силы
деформирования по уравнению (8) с результатами при моделировании (табл. 4) для значе-
ний фактов температуры и трения в середине диапазона.
Обработка материалов давлением №1 (19), 2008
9
Таблица 4
Сравнение результатов расчета и моделирования
Результаты моделирования
1
x
2
x
3
x
1
P
y
2
P
y
3P
y
1000 0,45 4164 7,87 18,37 39,09
Результаты расчета
1
X
2
X
3
X
1
P
Y
2
P
Y
3P
Y
0 -0,333 -1 8,1 18,34 40,63
Абсолютная
погрешность
Yy
−
0,14 0,04 1,54
Относительная
погрешность
yYy /)(
−
0,017 0,002 0,039
Выражения (8) в рамках их погрешности можно упростить:
3211P
X258,0X59,0X945,053,8Y
+
+
−
= ,
3212P
X178,2X13,2X308,2413,21Y
+
+
−
= , (9)
3213P
X041,12X796,2X236,4389,53Y
+
+
−
= .
На основании уравнений (9) для параметра силы деформирования трех операций
штамповки с учетом замен
=
1
X
t
X,
=
2
X
μ
X ,
=
3
X
v
X модель качества имеет вид:
)X03,0X069,0X111,01(53,8Y
vt1P
+
+
−
=
μ
,
)X102,0X099,0X108,01(413,21Y
vt2P
+
+
−
=
μ
, (10)
)X225,0X052,0X079,01(389,53Y
vt3P
+
+
−
=
μ
.
21X
t
+−⊃ ; 21X
+
−
⊃
μ
, 21X
v
+
−
⊃
.
⊃
1P
Y 6,95 + 3,41 = 6,95 (1 + 0,49);
⊃
2P
Y 14,78 + 13,22 = 14,78 (1 + 0,89);
⊃
3P
Y 34,83 + 35,23 = 34,83 (1 + 1,01).
В таблице 5 представлены параметры моделирования.
На рисунке 2 представлены диаграммы изменения параметров по операциям штам-
повки и диаграммы степени влияния факторов на
Y
Δ
.
Сила деформирования (см. табл. 5 и рис. 2) на первой операции
1P
Y характеризуется
уровнем (6,95 МН + 3,41 МН,
49,0
1YP
=
∂ ). В наибольшей мере 53 % на увеличение силы
влияет понижение фактора температуры заготовки
t
X (
1t
α
= - 0,111), значительно меньше
влияет 33% фактор трения
μ
X (
1μ
α = 0,07) и 14% фактор объёма
v
X (
1v
α = 0,03). Для
операции характерно свободное течение металла и большая устойчивость к изменению
факторов.
На второй операции сила
2P
Y имеет уровень (14,78 МН + 13,22 МН, 89,0
2YP
=
∂ ).
Это характеризует вторую операцию как более нагруженную и менее устойчивую к измене-
ниям факторов. Фактор температуры
t
X влияет на силу несколько меньше, чем на первой
операции 35% (
2t
α = - 0,108), влияние фактора трения
μ
X возросло до 32% (
2μ
α = 0,099),
влияние фактора объёма
v
X 33% (
2v
α = 0,102). Для второй операции характерно наиболь-
шее деформирование в средней части поковки в области перемычки. Течение металла в ве-
нечной части поковки достаточно свободно. Качество операции характеризуется большим
относительным изменением силы деформирования.
Обработка материалов давлением №1 (19), 2008
10
На третьей операции параметр силы
3P
Y очень большой (34,83 МН + 35,23 МН,
01,1
3YP
=∂ ). Третья операция наиболее нагруженная. Качество операции, устойчивость па-
раметра силы к изменению факторов, наименьшее. Велико влияние фактора объёма
v
X 63%
(
3v
α = 0,225). Он определяет максимальное усилие штамповки, превышающее номинальную
силу КГШП 63МН и увеличение массы облоя [6].
Таблица 5
Изменение параметров технологического процесса при изменении факторов
Параметры техпроцесса 1
операция
2
операция
3
операция
Сила деформирования (МН)
Минимальное значение
mi
n
P
Y
6,95 14,78 34,83
Максимальное значение
maxP
Y
10,36 28,00 70,06
Диапазон изменения
Y
P
Δ
3,41 13,22 35,23
Относительный диапазон
Y
P
∂
0,49 0,89 1,01
Влияние факторов на
YP
Δ
t
β
- 0,111 - 0,108 -0,079
μ
β
0,069 0,099 0,052
Относительные коэффициенты
факторов температуры, трения
и объёма
v
β
0,030 0,102 0,225
%
t
∂
53% 35% 22%
%
μ
∂
33% 32% 15%
Факторные доли
температуры, трения
и объёма
%
v
∂
14% 33% 63%
Рис. 2. Диаграмма модели качества по операциям штамповки:
1
P
Y ,
2
P
Y ,
3P
Y – параметр силы деформирования (МН) на первой, второй и третьей
операциях;
t
X ,
μ
X ,
v
X – факторы температуры заготовки, коэффициента контактного тре-
ния и объёма заготовки.