Разработка интеллектуальной системы управления жизненным циклом штампов для холодной ковки на основе реальных

Apr 04, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13297 (2022) Цитировать эту статью

1289 доступов

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Штампы для холодной ковки изготавливаются методом термоусадочной посадки, чтобы выдерживать нагрузки высокого давления, но в конечном итоге происходит усталостное разрушение из-за повторяющихся сжимающих напряжений. Жизненный цикл до усталостного разрушения был определен как предельная долговечность, и были предприняты попытки спрогнозировать срок службы штампа на основе метода конечных элементов. Однако точный прогноз был невозможен из-за неконтролируемых переменных окружающей среды. Следовательно, невозможно четко определить цикл замены матрицы, что приводит к негативным последствиям, таким как низкое качество, задержки производства и увеличение стоимости. Различные факторы окружающей среды, влияющие на прогноз жизненного цикла штампа, приводят к увеличению или уменьшению формовочной нагрузки, которая является важной переменной, определяющей жизненный цикл штампа. В данном исследовании на основе пьезодатчика была разработана система мониторинга данных о нагрузках, генерируемых ковочным оборудованием. Кроме того, жизненный цикл штампа был более точно спрогнозирован за счет использования данных формовочной нагрузки, измеренных в реальном времени, а на линии по производству деталей автомобильного рулевого управления была применена система управления сроком службы штампа, которая может определять цикл замены штампа.

Обрабатывающая промышленность в современном обществе сталкивается с различными проблемами из-за чрезмерного роста производственных затрат, в том числе затрат на материалы и рабочую силу, резких колебаний спроса, чрезмерных инвестиций в оборудование и излишков производственных ресурсов1. В частности, по мере ужесточения правил выбросов углекислого газа2, требуемые характеристики конечного продукта изменяются различными способами, а также совершенствование и инновация производственного процесса3. Для повышения топливной эффективности автомобилей необходимо уменьшить вес всех деталей4; одновременно из производственного процесса необходимо исключить неэкологические факторы. Следовательно, перед обрабатывающей промышленностью встала задача одновременного достижения экологичности, высокого качества и низкой стоимости. Чтобы преодолеть эту ситуацию, предпринимаются усилия по повышению эффективности производственного процесса путем различных попыток, таких как создание низкозатратной производственной структуры и расширение автоматизированного процесса. Этот поток привел к волне четвертой промышленной революции, которая началась в Германии5 и ускоряет смену парадигмы в обрабатывающей промышленности. Инновации в производственном секторе подразумевают гиперсвязь, основанную на технологических данных, и включают анализ и использование больших данных, Интернет вещей (IoT), зависимое производство, моделирование, а также системы горизонтальной и вертикальной интеграции6.

В этом исследовании, в рамках смены парадигмы производственных инноваций, были собраны данные о процессе производства деталей автомобильного рулевого управления. На основании этого более точно был спрогнозирован срок службы ковочного штампа. Кроме того, была предпринята попытка максимизировать эффективность производственного процесса за счет контроля оператором цикла замены матрицы. Шаровая шпилька на рис. 1 соединена с внешним шаровым шарниром (OBJ), одной из систем рулевого управления автомобилей, и играет роль в обеспечении подвижности в различных направлениях.

Шаровые опорные детали рулевого управления7,8,9,10.

Шаровые шпильки изготавливаются посредством многоэтапного процесса холодной ковки, при котором сыпучие материалы несколько раз прессуются в закрытом пространстве для формирования конечного продукта. Операции ковки заключаются в формировании детали путем пластической деформации сырья, сжатого между пуансоном и матрицей11. В частности, процесс холодной ковки может обеспечить высокую прочность и высокую точность формы за счет деформации материала при комнатной температуре12. В этом процессе матрица неоднократно подвергается высокой сжимающей нагрузке, а материал матрицы достигает предела выносливости и повреждается13. Это приводит к увеличению затрат на процесс14, например, к снижению производительности и увеличению количества дефектов из-за разрушения и замены штампа. Были проведены исследования с целью прогнозирования срока службы штампов для холодной ковки и снижения затрат на процесс. Самый распространенный способ спрогнозировать срок службы штампа для холодной ковки — использовать метод FEM. Однако эти методы количественно не предсказывают предельный срок службы, а остаются в качественном анализе13,15. С другой стороны, есть исследования, проведенные с точки зрения того, что поломка ковочной матрицы вызвана усталостным растрескиванием14,16,17. Танрыкулу рассчитал предел выносливости материала штампа для холодной ковки и представил эмпирическую формулу для прогнозирования предельного срока службы штампа на основе значения напряжения, действующего на штамп, посредством численного моделирования18. Кроме того, продолжаются аналогичные исследования по прогнозированию срока службы штампов для холодной ковки19,20,21,22,23.