СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРАВКИ Российский патент 1996 года по МПК B21D3/00 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к технологии правки плоским изгибом, и может быть использовано при изготовлении гидроцилиндров, корпусов и плунжеров глубинных штанговых насосов и других высокоточных длинномерных деталей нефтяного, химического и энергетического машиностроения.

Известен способ правки заготовок гибкой или кручением, включающий определение отклонения фактической формы заготовки от заданной и величины коррекции и непрерывное формоизменение заготовки, при котором в области упругой деформации путем измерения усилия и перемещения определяют параметры, характеризующие величину упругой деформации, используемые при последующем деформировании заготовки для определения обратного пружинения и величины остаточной деформации, сохраняющейся после снятия с заготовки нагрузки, а процесс завершают после того, как достигнутая остаточная деформация обеспечивает получение заданной формы заготовки [1]
Недостатком известного способа правки являются ограниченные технологические возможности: он не применим при изготовлении высокоточных жестких изделий, так как не обеспечивает высокую точность правки и требует чрезвычайно высокой точности выполнения текущих измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу является принятый за прототип способ управления процессом правки изделий, при котором с момента начала нагружения непрерывно измеряют деформацию, вычисляют значение остаточной деформации, сравнивают его с требуемым значением остаточной деформации и при их равенстве прекращают процесс правки [2] В известном способе измеряют также усилие правки и вычисляют жесткость и скорость изменения жесткости подвергаемого правке изделия и по отклонению последней величины от нуля судят о протекании упругой либо пластической деформации либо упрочнении при пластической деформации.

Недостатком известного, принятого за прототип, способа управления процессом правки являются низкая точность и ограниченные технологические возможности: использование способа возможно при правке заготовок и деталей, имеющих высокую точность формы поперечных сечений и высокое качество поверхности, и при наличии высокоточной измерительной системы, причем точность измерений должна многократно превышать точность правки, или при правке относительно нежестких заготовок с большими величинами остаточной деформации.

Задачей разработки способа управления процессом правки является получение технического результата, заключающегося в расширении технологических возможностей: обеспечении правки относительно жестких заготовок и изделий за счет повышения точности прогнозирования в ходе правки остаточной деформации при снижении требований к точности текущих измерений до практически достижимой.

Указанный результат достигается тем, что, осуществляя способ управления процессом правки, при котором с момента начала нагружения заготовки непрерывно измеряют ее деформацию, вычисляют значение остаточной деформации, сравнивают его с требуемым значением остаточной деформации и при их равенстве прекращают процесс правки, дополнительно перед началом нагружения в 5.12 разнесенных по длине выправляемого участка контролируемых сечениях заготовки измеряют отклонение ее фактической формы от заданной, по измеренным значениям определяют величину необходимой коррекции формы заготовки, в процессе правки непрерывно измеряют перемещения этих же сечений заготовки, по значениям перемещений определяют фактическое отклонение формы заготовки от первоначальной, сравнивают полученное отклонение с формами, характерными для упругой и для пластической деформации, выделяют расчетным путем величину остаточной деформации и сравнивают эту величину с величиной необходимой коррекции формы заготовки, причем величину необходимой коррекции и параметры упругой и пластической деформации рассчитывают с использованием коэффициентов влияния по формулам

а коэффициенты влияния предварительно вычисляют по формулам
,

где Z характеристика необходимой коррекции формы заготовки;
n число контролируемых сечений заготовки;
i, j индекс контролируемого сечения, i, j 1.n;
r_i, k_i, f_i коэффициенты влияния перемещения i-го контролируемого сечения;
Y_i отклонение от заданной формы заготовки в i-м контролируемом сечении в исходном состоянии;
w_i, u_i формы оси заготовки при упругом и, соответственно, пластическом деформировании;
W характеристика упругой составляющей деформации;
U характеристика пластической составляющей деформации;
y_i перемещение i-го контролируемого сечения в ходе правки.

В варианте осуществления способа при правке осесимметричных заготовок установленную для правки заготовку перед нагружением вращают вокруг оси, измеряют перемещения в контролируемых сечениях и средние значения в каждом сечении принимают за положения, характеризующие прямолинейную форму заготовки и начало отсчета перемещений.

В предпочтительном варианте осуществления способа формы оси заготовки при упругом и пластическом деформировании уточняют в процессе правки по реккурентным формулам


где W_i, U_i соответственно фактические значения упругой и пластической деформации в i-м сечении заготовки;
W_o, U_o фактические значения упругой и пластической деформации в месте приложения силы;
N порядковый номер выполняемой операции правки (выправляемой детали).

В качестве первого приближения (при N 1) могут быть использованы расчетные характеристики. Например, при правке длинномерных цилиндрических заготовок (валов, цилиндров) постоянного сечения, если усилие правки прикладывают в среднем сечении заготовки между опорами, первое приближение предпочтительно рассчитывать по формулам


где x_i осевая координата i-го контролируемого сечения заготовки на участке правки, 0<x_i<L;
L длина участка правки (расстояние между опорами).

Сущность предложенного способа управления процессом правки поясняется следующим образом.

Деформация заготовки при правке плоским изгибом состоит из упругой и пластической составляющих. Распределение упругих деформаций по длине заготовки определяется схемой правки (взаимным расположением заготовки, опор и нагружающих устройств) и жесткостными характеристиками заготовки и не зависит от величины прикладываемой нагрузки и общей величины деформации. При ограниченном интервале изменения пластической деформации форма остаточной деформации (распределение по длине), как показывает опыт, также практически постоянна и определяется схемой правки и жесткостными характеристиками заготовки. Измеряя перемещения при правке нескольких сечений заготовки, можно восстановить форму деформации, а выделяя из полученной формы составляющие, пропорциональные формам, характерным для упругой и пластической деформации, например, методом наименьших квадратов, можно определить упругую и пластическую составляющие перемещений. Непрерывно выполняя эти операции, нагружение при правке проводят до тех пор, пока выделяемая таким образом пластическая (остаточная) составляющая перемещения не сравняется с величиной, определяемой по разности исходной и заданной форм заготовки. Для определения конечного значения пластической деформации из разности исходной и заданной форм заготовки предварительно выделяют составляющую, наиболее близкую к этой разности и пропорциональную форме, характерной для остаточной деформации. Коэффициент пропорциональности используют в качестве оценки заданной остаточной деформации.

Расчетные соотношения способа определены на основании анализа и моделирования процесса правки.

При практическом использовании способа формы деформации заготовки, характерные для упругого и пластического деформирования, могут быть заранее известны недостаточно точно. Предпочтительный вариант осуществления способа предполагает предварительное использование форм деформирования, определенных опытным путем, расчетом (например, по теориям упругости и пластичности) или на основании интуиции специалистов. При правке реальных заготовок определяют фактические или близкие к ним формы деформирования и при промышленном использовании предложенного способа для правки однотипных заготовок эти формы уточняют. Предложенные реккурентные соотношения способа, как проверено при моделировании процесса, обеспечивают устойчивость (сходимость) самообучения системы управления правкой и повышение точности используемых данных.

Количество контролируемых сечений заготовки выбрано исходя из необходимости и возможности получения в ходе правки и измерений необходимой информации. При 1 или 2 контролируемых сечениях предложенный способ принципиально не осуществим. Если число контролируемых сечений равно 3 или 4, то велико влияние погрешностей измерения (метрологических, погрешностей датчиков, влияния отклонений формы заготовки в поперечном сечении и качества поверхности, возможных погрешностей установки заготовки и пр.) на получаемые результаты. При числе контролируемых сечений свыше 12 точность расчетного восстановления формы деформирования возрастает медленнее, зато усложняется практическое осуществление способа: повышается плотность размещения датчиков перемещения, увеличивается число линий связи датчиков с управляющим устройством (ЭВМ), повышаются требования к быстродействию линий связи, включающих высокоточные аналого-цифровые преобразователи.

Способ управления процессом правки поясняется приводимой схемой правки длинномерной заготовки. На схеме обозначено: 1 заготовка, 2, 3 опоры для правки, 4 датчики перемещения, 5 нагружающее устройство, 6 датчик начала нагружения, 7 коммутирующее устройство, 8 управляющее устройство (ЭВМ), 9 накопитель результатов правки, 10 устройство индикации.

Осуществляют способ следующим образом.

Предположим, что правке подвергают длинномерную осесимметричную заготовку. Заготовку 1 устанавливают на опоры 2 и 3 устройства для правки (пресс). Измеряют перемещения заготовки в разнесенных по ее длине поперечных сечениях относительно пресса датчиками 4. Нагружающее устройство 5 выключено, что фиксируется датчиком 6. Сигналы от датчиков 4 и 6 поступают на электронное коммутирующее устройство 7 с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к одному из портов ЭВМ 8. Коммутирующее устройство 7 имеет собственный контроллер или работает под управлением ЭВМ 8 и с высокой частотой периодически опрашивает датчики 4 и 6. Сигналы от датчиков 4 преобразуются в величины перемещения соответствующих сечений заготовки, сигнал датчика 6 устанавливает режим работы управляющей системы: производят предварительные измерения или собственно правку заготовки. ЭВМ 8 работает по программе, вычислительная часть которой реализует расчетные соотношения предложенного способа.

Вращают заготовку вокруг оси. Из показаний датчиков 4 выделяют средние значения и амплитуды изменений. Средние значения соответствуют показаниям датчиков при контроле заготовки с прямолинейной геометрической осью и их принимают за начало отсчета показаний датчиков, а амплитуды равны отклонениям оси заготовки от прямолинейности.

Если в производстве освоен непрерывный процесс правки однотипных заготовок, то определение начала отсчета датчиков можно производить только при правке первой заготовки в партии изделий или в начале работы. Полученные значения сохраняются в ЭВМ 8.

В управляющее устройство с накопителя 9 результатов правки передается информация о формах оси заготовки, характерных для упругого и для пластического деформирования. Из полученной от датчиков 4 информации с использованием этих данных непрерывно выделяют составляющую, пропорциональную форме заготовки при пластической деформации, эта составляющая может быть компенсирована в ходе правки. Если правка совмещена с регламентированным формоизменением, т. е. после правки требуется получить не прямолинейную, а специально изогнутую заготовку, вычисляют разность между имеющимися и заданными отклонениями оси заготовки от прямолинейности. Необходимую для работающего информацию выводят на устройство индикации 10, в качестве которого используют монитор ЭВМ или специальное устройство.

После того, как работающий или управляющее устройство 8 примет решение о начале правки, вращение заготовки прекращают и включают нагружающее устройство 5. Соответствующий сигнал датчика 6 переводит систему управления в режим правки. Заготовку непрерывно деформируют. Из информации, снимаемой с датчиков 4, с помощью данных 9 выделяют упругую и пластическую составляющую. Первая при разгрузке проявится как пружинение, вторая как остаточная деформация. Определяемые в ходе нагружения формы оси заготовки, характерные для ее упругого и пластического деформирования, сравнивают с имеющимися в накопителе 9 и корректируют последние с учетом вновь полученных данных. Сравнивают величину пластической деформации с определенной при предварительном контроле прямолинейности оси заготовки, результаты сравнения индицируют работающему на устройстве 10. При совпадении значений работающий или ЭВМ 8 принимает решение о завершении процесса правки. Переводят нагружающее устройство на обратный ход и после полной разгрузки повторно контролируют прямолинейность заготовки или просто снимают ее с опор. Устанавливают следующую заготовку или следующий участок длинномерной заготовки.

Пример 1. Процесс правки моделировался на ЭВМ. Изучалось влияние метрологических и технологических погрешностей измерения перемещений сечений заготовки на точность правки. Погрешности определения перемещений имитировались равномерно распределенными случайными отклонениями с одинаковыми для всех контролируемых сечений заготовки диапазонами распределения. Число контролируемых сечений выбиралось от 3 (при меньшем числе предложенный способ не осуществим) до 20. Статистические характеристики рассчитывали по выборке из 200 реализаций процесса правки заготовок. В табл. 1 приведены полученные оценки погрешности определения параметров упругой и пластической составляющей деформации в процентах от среднеквадратической величины погрешности измерения перемещения каждого контролируемого сечения. Видно, что при 5.12 контролируемых сечениях погрешность расчета составляет 33.60% погрешности измерения перемещений. При меньшем числе контролируемых сечений (3.4) погрешность определения параметров, необходимых для осуществления предложенного способа правки, существенно выше, а дальнейшее увеличение количества контролируемых сечений сверх 12 не приводит к эквивалентному повышению точности.

Пример 2. Моделировалась правка партии труб наружным диаметром 45 мм с толщиной стенки 6,5 мм и исходной непрямолинейностью оси, соответствующей промышленным данным. Расстояние между опорами правильного пресса 1000 мм, усилие правки прикладывают на расстоянии 500 мм от опор. Деформируют трубу бойком диаметром 50 мм с плоским основанием. Перемещение трубы контролируют в 7 промежуточных сечениях, расположенных равномерно по длине выправляемой части трубы через каждые 125 мм. Материал трубы конструкционная упруго-пластическая сталь с пределом текучести 1000 МПа.

В табл. 2 приведены значения формы пластической деформации, уточняемые при накоплении статистических данных. Видно, что даже при неточно заданном первом приближении после сравнительно небольшого числа операций правки для управления процессом начинает использоваться форма, близкая к реальной. Видно также, что процесс самообучения системы устойчив.

Пример 3. Моделировалась правка трубы с характеристиками по примеру 2. Имитировалась правка по предложенному способу и по принятому за прототип способу по патенту N2006311. Считалось, что датчик усилия протарирован в линейных величинах таким образом, что при упругих деформациях его показания совпадают с величиной перемещения среднего сечения заготовки, а все измерения проводятся со случайными равномерно распределенными погрешностями. При использовании способа-прототипа упругая жесткость трубы определялась как среднее из нескольких измерений, выполненных при упругих деформациях трубы (при прогибе 5. 6 мм). Текущие измерения проводились через каждые 0,2 мм прогиба среднего сечения трубы. Требуемое при использовании способа-прототипа значение производной от жесткости определялось как скорость изменения жесткости: соотношения приращения нагрузки в масштабе линейных перемещений и приращения перемещения среднего сечения трубы.

Результаты моделирования приведены в табл. 3. По полученным данным видна существенная зависимость точности осуществления известного способа от точности измерений. Максимальная погрешность 0,02 мм является предельной для него, как показали расчеты, при большей погрешности расчетные значения не коррелируют с фактическими. Погрешность настоящего способа также увеличивается при снижении точности измерений, но корреляция сохраняется и результаты остаются приемлемыми вплоть до погрешности измерений 0,05.0,06 мм. При большем числе контролируемых сечений заготовки точность способа возрастает.

Из приведенных данных следует также, что по величине скорости изменения жесткости надежно судить о характере деформации можно лишь при очень высокой точности измерений. При обычной в промышленной практике точности измерений чрезмерно велика случайная составляющая вычисляемой величины.

К примеру, если при правке нужно компенсировать исходное отклонение от непрямолинейности в 0,4 мм, то нужно деформировать заготовку в среднем сечении на 24,8 мм (см. табл. 3). Использование способа, принятого за прототип, при выполнении измерений с точностью до 0,01 мм позволяет получить требуемый результат, но при снижении точности до 0,02 мм это не удается: расчетная величина, определяемая непрерывно в процессе правки, достигает значения 0,4 мм уже при деформации 22,2 мм; одновременно, хотя на самом деле заметные пластические деформации при таком перемещении отсутствуют, скорость изменения жесткости принимает отрицательное значение, характерное для значительной пластической деформации. Если завершить процесс правки не в этот момент, а в следующий момент, то расчетная остаточная деформация также составит 0,4 мм (при отсутствии реальной), а значение скорости изменения жесткости будет показывать деформационное упрочнение материала заготовки (на самом деле деформация трубы еще не отличается от упругой).

С использованием способа цель правки достигается весьма точно: при выполнении измерений с погрешностью до 0,02 мм, например, возможно завершение процесса при деформации 24,8.25,2 мм с получением ошибки остаточной деформации 0.0,15 мм.

Приведенные примеры доказывают обоснованность выбора числа контролируемых сечений заготовки при правке, показывают возможность самообучения и повышения таким образом точности системы управления процессом правки, подтверждают возможность решения поставленной задачи разработанным способом управления и его преимущества перед известным.

Использование: обработка металлов давлением, в частности правка заготовок и деталей при изготовлении гидроцилиндров, корпусов и плунжеров глубинных штанговых насосов и других высокоточных длинномерных деталей нефтяного, химического и энергетического машиностроения. Сущность изобретения: перед началом нагружения в 5...12 разнесенных по длине выправляемого участка контролируемых сечений заготовки измеряют отклонение ее фактической формы от заданной. По измеренным значениям определяют величину необходимой коррекции формы заготовки. В процессе правки непрерывно измеряют перемещения этих же сечений заготовки. По значениям перемещений определяют фактическое отклонение формы заготовки от первоначальной. Сравнивают полученное отклонение с формами, характерными для упругой и для пластической деформации. Выделяют расчетным путем величину остаточной деформации. Сравнивают эту величину с величиной необходимой коррекции формы заготовки. Величину необходимой коррекции и параметры упругой и пластической деформации рассчитывают с использованием коэффициентов влияния по предложенным формулам. При правке осесимметричных заготовок установленную для правки заготовку перед нагружением вращают вокруг оси. Измеряют перемещения в контролируемых сечениях и средние значения в каждом сечении принимают за положения, характеризующие прямолинейную форму заготовки и начало отсчета перемещений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ управления процессом правки заготовок, при котором с момента начала нагружения непрерывно измеряют деформацию, вычисляют значение остаточной деформации, сравнивают его с требуемым значением остаточной деформации и при их равенстве прекращают процесс правки, отличающийся тем, что перед началом нагружения в 5.12 разнесенных по длине выправляемого участка контролируемых сечениях заготовки измеряют отклонение ее фактической формы от заданной, по измеренным значениям определяют величину необходимой коррекции формы заготовки, в процессе правки непрерывно измеряют перемещения этих же сечений заготовки, по значениям перемещений определяют фактическое отклонение формы заготовки от первоначальной, сравнивают полученное отклонение с формами, характерными для упругой и пластической деформации, выделяют расчетным путем величину остаточной деформации и сравнивают эту величину с величиной необходимой коррекции формы заготовки, причем величину необходимой коррекции и параметры упругой и пластической деформации рассчитывают с использованием коэффициентов влияния по формулам



а коэффициенты влияния предварительно вычисляют по формулам



где Z характеристика необходимой коррекции формы заготовки;
n число контролируемых сечений заготовки;
i, j индекс контролируемого сечения;
r_i, k_i, f_i коэффициенты влияния перемещения i-го контролируемого сечения;
y_i отклонение от заданной формы заготовки в i-м контролируемом сечении в исходном состоянии;
w_i, u_i формы оси заготовки при упругом и, соответственно, пластическом деформировании;
w характеристика упругой составляющей деформации;
u характеристика пластической составляющей деформации;
y_i перемещение i-го контролируемого сечения в ходе правки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нагружением осесимметричную заготовку, установленную для правки, вращают вокруг оси, измеряют перемещения в контролируемых сечениях и средние значения в каждом сечении принимают за положения, характеризующие прямолинейную форму заготовки и начало отсчета перемещений. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формы оси заготовки при упругом и пластическом деформировании уточняют в процессе правки по реккурентным формулам


где w_i, u_i соответственно, фактические значения упругой и пластической деформации в i-м сечении заготовки;
w_o, u_o фактические значения упругой и пластической деформации в месте приложения силы;
N порядковый номер выполняемой операции правки (выправляемой детали).