Поксеваткин М.И. Проектирование и оптимизация процессов малоотходной горячей штамповки

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический

университет им. И.И. Ползунова»

М. И. Поксеваткин

Проектирование и оптимизация процессов

малоотходной горячей штамповки

Практикум по курсу

«Технология ковки и объемной штамповки»

для студентов специальности 150201

«Машины и технология обработки металлов давлением»

Учебное пособие

Рекомендовано

Алтайским государственным техническим университетом

им. И.И. Ползунова в качестве учебного пособия

для студентов Алт ГТУ, обучающихся по направлению подготовки

150200 «Машиностроительные технологии и оборудование»

специальности «Машины и технология обработки

металлов давлением»

Барнаул 2009

УДК 519.24.001.5.02-50

М. И. Поксеваткин. Проектирование и оптимизация процессов малоот-

ходной горячей штамповки. Практикум по курсу «Технология ковки и

горячей объемной штамповки» для студентов специальности 150201

«Машины и технология обработки металлов давлением». Учебное по-

собие / М. И. Поксеваткин.

Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. –

Барнаул. Изд. Алт ГТУ. 2009. – 160 с.

В учебном пособии в логической последовательности изложены

основы проектирования технологии малоотходной горячей штамповки

(МГШ), принципы автоматизированного проектирования процессов

МГШ с использованием оптимизационных алгоритмов, а также прак-

тика оптимизации типовых процессов МГШ.

Приведены ситуативные вопросы для самостоятельной

подготов-

ки студентов к выполнению заданий, которые могут служить инстру-

ментом для оценивания предметных компетенций студентов. Даны

варианты заданий, выполнение которых предполагает компетентност-

ный подход.

Рецензенты:

И.Я. Федоренко, д.т.н., профессор, директор Алтайского института

агроинженерных исследований;

М.В. Бедарев, главный конструктор ОАО «АНИТИМ»

Подписано в печать 15.10.09

Формат 60×84 1/16. Тираж 50 экз..

Усл. п.л. 9,54

Издательство государственного технического университета им. И.И.

Ползунова.

656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

Лицензия на полиграфическую деятельность

ПЛД № 28 – 35 от 15.07.97 г..

Отпечатано в типографии Алт ГТУ

Содержание

Введение 5

1 Проектирования процесса малоотходной горячей штампов-

ки (МГШ)

1.1 Обобщенный алгоритм проектирования процесса МГШ

1.2 Выбор схемы формообразования поковки в окончательном

ручье и вида оборудования

1.3 Классификация и выбор компенсаторов

1.4 Конструирование горячештампованной поковки

2 Проектирование технологического процесса МГШ

2.1 Выбор и расчёт исходной заготовки

2.1.1 Выбор вида исходной заготовки

2.1.2 Расчёт массы и размеров заготовки

2.1.3 Минимизация объёма исходной заготовки

2.1.4 Расчёт нормы расхода металла на поковку

2.1.5 Расчёт усилия отрезки мерной заготовки. Выбор типораз-

мера отрезного оборудования

2.2 Выбор и расчёт переходов штамповки

2.3 Определение термомеханических параметров штамповки

2.4 Выбор типоразмера штамповочного оборудования

3 Принципы оптимизированного проектирования технологий

малоотходной горячей штамповки

3.1 Оптимизационная модель проектирования процесса МГШ

3.2 Параметрическая характеристика поковок

3.3 Принципы верификации параметров поковок и компенсаци-

онных устройств

3.4 Автоматизация выборки компенсационных устройств

3.4.1 Автоматизация выборки компенсационных устройств на

основе параметрических характеристик поковок

3.4.2 Автоматизация выборки компенсационных устройств на

основе алгоритмической модели процесса верификации пара-

метров поковки

3.4.3 Корреляция выборки компенсационных устройств по сум-

марному весовому коэффициенту

4 Оптимизация процессов штамповки типовых поковок

4.1 Оптимизация штамповки стержневых поковок

4.2 Оптимизация процесса штамповки фланцевых поковок

103

5 Конструирование технологической оснастки

107

5.1 Конструирование штампов для разрезки заготовок

107

5.2 Конструирование формоизменяющих штампов

110

6 Технико-экономическое обоснование технологического про-

цесса МГШ

118

6.1 Показатели эффективности технологического процесса

118

6.2 Удельные затраты производства поковок

119

7 Учебно-методическая и информационная литература

122

8 Контрольные вопросы

124

9 Задания

126

9.1 Исходные данные к деталям 126

9.2 Технические требования к деталям 128

9.3 Чертежи деталей 128

10 Порядок выполнения и оформления работы

148

Приложение А (рекомендуемое) Перечень государственных

стандартов, используемых для выполнения практикума

149

Приложение Б (справочное) Технологические характеристики

штамповочного оборудования

152

Приложение В (справочное) исходные данные для расчёта эф-

фективности технологического процесса

153

Введение

В настоящее время более 90% штампованных заготовок (поковок)

изготовляется в открытых штампах. При этом в зависимости от формы

и размеров поковок потери металла в облой в среднем составляют 10-

30% от массы поковок [13]. Кроме того, около 10-20% металла удаля-

ется в стружку при последующей механической обработке за счет

штамповочных уклонов и других напусков. В

результате коэффициент

использования металла при штамповке в открытых штампах весьма

низок и составляет в среднем 0,4-0,5 [13].

Поэтому одним из основных направлений повышения эффектив-

ности машиностроительного производства является получение высо-

коточных штампованных поковок, по форме и размерам приближаю-

щихся к форме и размерам готовых деталей, требующих минимальной

трудоемкости последующей механической обработки или полным

от-

сутствием таковой.

Важнейшим направлением снижения себестоимости изготовле-

ния деталей является производство высокоточных поковок в закрытых

штампах, штамповкой выдавливанием, штамповкой в разъёмных мат-

рицах, высокоскоростной штамповкой.

Всё более широкое применение находят способы малоотходной

горячей штамповки с использованием активного действия сил трения,

с противодавлением, с градиентным нагревом.

В связи с постоянно

растущими запросами потребителя необхо-

димым условием конкурентоспособности производства является его

гибкость, т.е. возможность модернизировать действующие технологи-

ческие процессы или разрабатывать и внедрять новые - более эффек-

тивные. Это возможно только с использованием оптимизационных

систем автоматизированного проектирования технологических процес-

сов.

Поэтому целью выполнения работы является практическое ос-

воение студентами процесса проектирования технологии

малоотход-

ной горячей штамповки с разработкой оптимизационных алгоритмов,

позволяющих минимизировать расход металла, снижать энергоёмкость

и трудоёмкость производства поковок и готовых деталей.

В задачу практикума входит формирование у студентов предмет-

ных и профессиональных компетенций с последующим их проявлени-

ем в ходе курсового проектирования, а также получение навыков раз-

работки оптимизационных технологических

алгоритмов проектирова-

ния процессов малоотходной горячей штамповки.

1 Проектирование процесса малоотходной горячей

штамповки (МГШ)

1.1 Обобщенный алгоритм проектирования процесса МГШ

Разработку процесса горячей объёмной штамповки с использова-

нием стандартов, нормалей (Приложение А), технологических и мето-

дических рекомендаций ([1] - [13]) выполняют в определённой после-

довательности, представленной в виде структурной схемы алгоритма,

изображённой на рисунке 1.1.

В результате анализа чертежа готовой детали (блок А) предвари-

тельно устанавливают технические условия на поковку (блок Б). Затем

намечают возможные

для получения поковки схемы штампов (таблица

1.1) [5] и ориентировочно просчитывают варианты технологий с раз-

личными компенсационными устройствами (КУ) – компенсаторами.

На основе сравнительного анализа затрат, связанных с изменени-

ем вида применяемого компенсатора, выбирают более рациональную

схему процесса штамповки и тип оборудования (блок В).

Далее конструируют поковку (блок Г) и проектируют технологи-

ческий

процесс штамповки (блок Д).

Технологический процесс штамповки разрабатывают в следую-

щей последовательности:

- рассчитывают массу и размеры заготовки; устанавливают вид заго-

товки;

- выбирают и рассчитывают технологические переходы штамповки;

- определяют термомеханические параметры штамповки; выбирают

типоразмер штамповочного оборудования;

- выбирают и рассчитывают завершающие и отделочные операции;

- проводят технико-экономическую

оценку спроектированного тех-

нологического процесса.

После оценки технических характеристик спроектированного

технологического процесса и его экономической эффективности про-

водят корректировку (линия обратной связи блока Е с блоком Г) от-

дельных параметров поковки (припусков, напусков и др.) с целью

обеспечения повышенного качества поковок и рациональных технико-

экономических показателей технологии штамповки. Затем оформляют

технологическую документацию (блок Ж) (чертёж поковки и карту

технологического процесса), конструируют технологическую оснастку

(блок 3).

Рисунок 1.1 – Структурная схема процесса горячей штамповки

Анализ чертежа

готовой детали

Определение тех-

нологических ус-

ловий на поковку

Выбор схемы про-

цесса штамповки и

вида оборудования

Конструирование

поковки

Проектирование

технологии

штамповки

Оценка

эффективности

технологии

Оформление

технологической

документации

Конструирование

технологической

оснастки

Опытная проверка

технологии

Запуск в

производство

Чертёж готовой

детали

Инструкции,

нормали, РТИ

Стандарты,

методики,

теор. работы

Чертёж поковки и

карта технологиче-

ского п

оцесса

Чертежи штампов

и сменного инст-

румента

Для крупносерийного и массового производства далее проводят

опытную проверку технологии и её отработку (блок И), в процессе ко-

торых может потребоваться повторное выполнение или корректировка

решений этапов Г и Д. После отработки технологический процесс за-

пускается в производство (блок К).

1.2 Выбор схемы формообразования поковки в окончатель-

ном ручье и вида оборудования

Схему штамповки поковки в окончательном ручье составляют на

основе анализа чертежа детали с учётом технических требований и

годовой программы производства. При этом руководствуются класси-

фикациями поковок [4], типовыми технологиями [1,4], опытом штам-

повки подобных поковок на передовых предприятиях.

Штамповку выполняют на паровоздушных штамповочных моло-

тах (ПШМ), кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП),

горизонтально- штамповочных машинах

(ГШМ), горячештамповочных

автоматах и другом оборудовании.

На ПШМ преимущественно штампуют поковки удлиненной фор-

мы с большим перепадом площадей поперечных сечений по длине.

Штамповку осуществляют перпендикулярно продольной оси поковки

– штамповка плашмя (рычаги, шатуны, коленчатые и прямые ступен-

чатые валы и т.д.), а также осесимметричные поковки высотой мень-

шей диаметра – штамповкой

в торец (шестерни, фланцы, ступицы и

др.) [4, c. 46÷51].

При штамповке на ПШМ следует учесть лучшую заполняемость

верхнего штампа.

На КГШП штампуют в основном высокие объёмные поковки в

торец (шестерни, поршни), поковки с развилинами, а также поковки с

боковыми отростками, извилинами в разъёмных матрицах [4, с.179].

На ГШМ получают стержневые поковки удлиненной

формы с

одним или несколькими утолщениями, поковки типа втулок и колец,

поковки сложной конфигурации с глухими или сквозными полостями

[4, с.236÷251].

При разработке схемы штамповки поковки в окончательном ру-

чье необходимо предусмотреть способ компенсации избытка металла

заготовки.

1.3 Классификация и выбор компенсаторов

С рационализацией метода компенсации избытка металла при

МГШ непосредственно связаны трудоёмкость изготовления и качество

поковок, расход металла и стойкость штампа.

Независимо от метода компенсации и конструкции устройства

компенсаторы должны обеспечивать чёткое заполнение полости штам-

па и последующее размещение колеблющегося в определённых преде-

лах избыточного металла.

Все компенсационные устройства (КУ) можно

разбить на два ви-

да [5,6] (таблица 1.1):

1 Магазинные компенсаторы (МК) – устройства, создающие в

штампах компенсационные полости, постоянные по сечению или объ-

ёму в процессе формообразования поковки (зазоры, щелевые, кониче-

ские или цилиндрические полости (см. таблицу 1.1: МК1А-МК1Ж); во

избежание перегрузки штампа коэффициент заполнения МК должен

составлять 0.6÷0.7.

2 Деформационные компенсаторы

(ДК) - устройства, создающие

компенсационные полости в процессе формообразования поковки объ-

ёмом, соответствующим объёму избытка металла (см. таблицу 1.1:

ДК2А-ДК2Д).

Действие ДК основано на создании противодавления на протяже-

нии всего процесса формирования поковки. Различают ДК механиче-

ские (пружинные, рычажные), пневматические, гидравлические, ком-

бинированные и др. Наибольшее применение, благодаря своей

просто-

те исполнения, нашли пружинные компенсаторы.

Несмотря на усложнение конструкции штампа, повышение точ-

ности наладки и регулировки, штампы с ДК дают возможность исполь-

зовать сортовой прокат обычной точности, обеспечивают безопасное

размещение избытка металла, спокойную работу кривошипной маши-

ны и повышенную стойкость.

Компенсацию избытка металла в стержень или отросток (МКIА)

широко

используют при штамповке выдавливанием. Если вытекание

невозможно обеспечить к моменту формообразования поковки, то

применяют противодавление (ДК1А). При этом верхний или нижний

выталкиватели не представляют собой жёстких упоров, а снабжены

упругими элементами. Штампы с противодавлением можно применять

при всех типах выталкивателей (рычажных, гидравлических и пневма-

тических) и для всех разновидностей

поковок, выталкиваемых с упо-

ром в тело поковки.

Компенсаторы видов 1Б-1Д (таблица 1.1) применяют для поковок

несложной конфигурации с использованием заготовок повышенной

точности, так как разрушающее действие повышенного избытка ме-

талла значительно снижает стойкость штампа. Штамп с компенсатором

МКIЕ более сложен в эксплуатации в связи с необходимостью жёсткой

посадки матрицы. Течение металла в такой компенсатор аналогично

образованию

облоя в открытых штампах; отличие в том, что высота

компенсационной полости постоянна в течение всего процесса формо-

образования поковки. Применение подобного штампа на прессах

двойного действия не вызывает затруднения, при использовании

обычных прессов необходимо дополнительное устройство для фикса-

ции матриц.

Внутренний компенсатор МК1Ж применяют для поковок кольце-

вого типа

и размещают в области перемычки в виде кармана увеличен-

ного объёма (таблица 1.1). Необходимо предварительное формирова-

ние перемычки в подготовительном ручье [1].

Серьёзного внимания заслуживают штампы с деформационными ком-

пенсаторами (см. таблица 1.1).

На схеме 2Б таблицы 1.1 показан штамп для безоблойной штам-

повки полых поковок с кольцевым выталкивателем, объединённым с

системой противодавления. Компенсационная полость

образуется в

результате смещения кольцевого выталкивателя в заключительной

стадии штамповки[1].

Следующий метод компенсации избытка металла заключается в

образовании зазора между подвижной матрицей 2 и нижним штампом

5 в момент завершения формообразования поковки [7] (таблица 1.1,

ДК2В).

В начале штамповки посредством амортизатора матрица 2 плотно

прижимается к нижней поверхности штампа 5, образуя закрытую по-

лость.

При

равномерном уклоне внутренней поверхности матрицы в

процессе формообразования поковки имеет место соотношение

0cossin

−

⋅

аn

рр

, (1.1)

где

- среднее давление на поверхности с уклоном α;

- касательное напряжение;

- суммарное давление амортизатора и

вредного сопротивления движению матрицы [7] (левая часть схемы

штампа с ДК2В).