Ольга владимировна совершенствование технологии производства гнутых профилей с отбортовками в роликах методом интенсивного деформирования
На правах рукописи
УДК 621.981.1 Мищенко Ольга Владимировна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ С ОТБОРТОВКАМИ В РОЛИКАХ МЕТОДОМ ИНТЕНСИВНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ Специальность 05.02.09 – Технологии и машины обработки давлением
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2010 2
Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом универси тете на кафедре «Материаловедение и обработка металлов давлением»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Филимонов Вячеслав Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Михаленко Федор Павлович кандидат технических наук, доцент Королев Петр Михайлович Ведущее предприятие: Ульяновский научно-технологический центр – филиал ФГУП «ВИАМ»
Защита состоится «22» июня 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертаци онного совета Д 212.165.09 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП – 41, ул. Минина, 24, ауд. 1307. Телефон для справок: (8314)36-83-46, 36-23-91.
Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, про сим направлять по вышеуказанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского госу дарственного технического университета.
Автореферат разослан «20» мая 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент Б.В. Устинов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В последнее время в России наметилась ус тойчивая тенденция к применению все большего количества гнутых металличе ских профилей практически во всех отраслях народного хозяйства. За послед ние 10 лет увеличились не только объемы производства гнутых профилей, но и существенно расширился их сортамент. Согласно ГОСТ 14350-80 и проведен ному литературному обзору более 50% профилей несут отбортованную часть.
Существует несколько альтернативных способов получения гнутых про филей с отбортовками, а именно: штамповка, гибка на прессах и протяжка в инструментальных фильерах. Однако использование этих способов изготовле ния затруднительно для получения профилей большой длины с узкими отбор товками. Еще более существенным ограничением этих технологий является по лучение профилей со сложной конфигурацией поперечного сечения. Кроме то го, эти способы приводят к большим потерям металла, они малопроизводитель ны, себестоимость гнутых профилей оказывается достаточно высокой, что рез ко ограничивает применение указанных технологий в промышленной сфере.
Традиционное профилирование, использующее крупногабаритное обору дование и большое число переходов, оказывается мало эффективным в услови ях меняющейся номенклатуры профилей и их мелкосерийного производства, получившего широкое распространение в последние годы.
Одним из прогрессивных методов производства профилей в роликах профилировочных станков является метод интенсивного деформирования (МИД). Его главной особенностью является одновременная формовка всех эле ментов профиля в закрытых калибрах, что позволяет существенно уменьшить число переходов, использовать компактное оборудование и тем самым снизить затраты на изготовление профилей, особенно в условиях мелкосерийного про изводства. Другой отличительной чертой указанного метода является значи тельное «ужесточение» режимов подгибки элементов профиля.
Однако применение данного метода для производства профилей с пери ферийными элементами жесткости типа отбортовок ограничивается вследствие ряда факторов: отсутствие классификаторов профилей и их дефектов, надеж ных математических моделей процесса формообразования, рекомендаций по разработке схем формообразования и проектированию технологической осна стки, недостаточная эффективность технологических решений по предотвра щению дефектов и повышению качества профилей и др. Устранение указанных недостатков представляет собой актуальную научно-техническую проблему, требующую решения.
Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом уни верситете на кафедре «Материаловедение и ОМД» в 2004 – 2009 гг. в соответ ствии с тематическим планом и по договорам № Д 10-195/20-УП от 20.10.06г. с ООО НИИ «МИТОМ» (г. Ульяновск), № Д 687 от 21.10.09г. с ОАО «Ульянов ский НИАТ» (г. Ульяновск).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работой является разра ботка на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследова ний научно обоснованной методики проектирования технологического процес са изготовления методом интенсивного деформирования гнутых профилей с отбортовками, обеспечивающей повышение качества продукции, снижение за трат на разработку и освоение технологии.
Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:
1. Провести классификация профилей с отбортовками и их дефектов для ситематического исследования процессов формообразования и совершенство вания технологии.
2. Разработать модель изменения толщины заготовки с учетом вида на гружения заготовки на промежуточных переходах.
3. Разработать модель протяженности зоны плавного перехода для пре дотвращения переформовки заготовки и оптимизации углов подгибки полок во избежание возникновения дефектов неустойчивости пластического деформиро вания.
4. Исследовать влияние торцевого поджатия полки для определения зави симости относительного радиуса, изменения толщины заготовки и пружинения от величины поджатия.
5. Исследовать факторы, позволяющие снизить утонение угловых зон и уровень контактных напряжений.
6. Разработать методику разработки технологии производства профилей с отбортовками для повышения качества профилей, снижения на 5 – 7 % издер жек на освоение технологии.
7. Внедрить результаты исследования и выработанные технические ре шения по совершенствованию технологии в производство.
Научную новизну имеют следующие результаты:
1. Классификатор профилей с отбортовками;
2. Классификатор дефектов профилей с отбортовками;
3. Математические модели угловой зоны для расчета параметров НДС и расчета ширины заготовки при различном нагружении на предварительных и окончательных переходах;
4. Математические модели про цесса формообразования зоны плавного перехода;
5. Методика и алгоритм про ектирования технологического оснащения для изготовления профилей с отбор товками;
6. Технологические решения по разработке технологического оснаще ния для изготовления профилей с отбортовками, на которые получены охран ные документы патентного ведомства РФ.
Методы исследования:
1. Методы теории обработки металлов давлением;
2. Метод натурного эксперимента;
3. Геометрические методы измерения линейных и угловых вели чин;
4. Конечно-элементный анализ (средствами ANSYS);
5. Методы статисти ческого анализа и полнофакторного эксперимента с использованием приклад ных программ MathCAD2001 и EXCEL 2003.
Достоверность результатов обеспечена применением альтернативных методов исследования: теоретических, экспериментальных, метода конечных элементов. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность при меняемых теоретических моделей с точностью от 5 до 17 %, что представляется удовлетворительным для практических целей.
Практическая ценность работы состоит в разработке и практическом апробировании процедуры проектирования роликовой оснастки для изготовле ния МИД гнутых профилей с отбортовками, что позволяет сократить затраты на освоение технологии (до 9%) и повысить качество производимых профилей.
Практическая ценность работы подтверждается промышленным внедрением технологии и оборудования на пяти предприятиях РФ с расчетным годовым экономическим эффектом более 545 тыс. руб.
Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию на:
1. ХХХIХ научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, 26 января – 1 февраля 2004 года;
2. Все российская заочная молодежная научно-техническая конференция «Молодежь Поволжья – науке будущего», Ульяновск, УлГТУ, 01 октября – 31 декабря года;
3. ХL научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в со временных условиях», Ульяновск, 30 января – 5 февраля 2005 года;
4. Научно технический семинар кафедры МиОМд «Новые тенденции в теории и практике профилирования листовых заготовок», Ульяновск, УлГТУ, 02 – 03 июня года;
5. Международная заочная молодежная научно-техническая конференция «Молодежь Поволжья – науке будущего», Ульяновск, УлГТУ, 01 октября – декабря 2005 года;
6. Всероссийское Совещание материаловедов России, Улья новск, УлГТУ, 11-15 сентября 2006 года;
7. ХХХХI научно-техническая конфе ренция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, УлГТУ, 29 января – 3 февраля 2006 года;
8. Всероссийского Совещания обработчиков давлением, Ульяновск, УлГТУ, 14-16 мая 2007 года;
9. ХХХХIII научно техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, УлГТУ, 29 января – 3 февраля 2009 года;
10. Молодежный иннова ционный форум Приволжского федерального округа, Ульяновск, УлГТУ, 12- мая 2009 года.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 на учных работах, в том числе в патенте на полезную модель, а также трех стать ях в рецензированных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, четырех разделов, заключения: основных результатов и выводов, списка литературы из 148 наименований, приложения и включает 150 страниц маши нописного текста, 77 рисунков, 25 таблиц.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- классификатор профилей с отбортовками, классификатор дефектов про филей с отбортовками;
- математические модели угловой зоны для расчета параметров НДС и расчета ширины заготовки при различном нагружении на предварительных и окончательных переходах;
- математические модели процесса формообразования зоны плавного пе рехода;
- экспериментальные зависимости, полученные в полнофакторном экспе рименте и в результате конечно-элементного моделирования в среде ANYSIS;
- методика и алгоритм проектирования технологического оснащения для изготовления профилей с отбортовками;
- технологические решения по разработке технологического оснащения для изготовления профилей с отбортовками.
- результаты промышленного внедрения технологии на предприятиях РФ.
Автор выражает благодарность научному руководителю и сотрудникам базовых предприятий-разработчиков технологий интенсивного деформирова ния г. Ульяновска (ОАО «Ульяновский НИАТ», ООО «НПО «ИДМ» и др.) за поддержку и помощь, оказанные в процессе выполнения работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, показана область примене ния метода интенсивного деформирования в сравнении с другими методами формообразования профиля в роликах, дана краткая характеристика работы по разделам.
В первой главе выполнен обзор работ, освещающих вопросы примене ния гнутых профилей с отбортовками в различных отраслях, современное со стояние технологии их производства и соответствующих теоретических разра боток.
Проведенный анализ показывает, что применение гнутых профилей с от бортовками может обеспечить конструктивно-технологическое совершенство вание, быструю сборку, надежность, мобильность и долгий срок эксплуатации конструкций используемых во многих отраслях народного хозяйства.
Выявлено, что интенсивное деформирование в роликах предпочтительнее методов гибки в кромкогибочных устройствах, штампах, инструментальных фильерах, а также в роликах при традиционном профилировании, так как обес печивает более широкие технологические возможности и высокое качество профиля.
Анализ тенденций развития рынка оборудования для производства длин номерных гнутых профилей с отбортовками показывает, что наиболее прием лемым оборудованием для реализации технологии МИД являются профилиро вочные станки ОАО «Ульяновский НИАТ» и ООО «НПО «ИДМ», поскольку применение оборудования для традиционного профилирования нецелесообраз но для мелкосерийного изготовления профилей из-за высокой стоимости, зна чительных габаритных размеров, большого количества оснастки.
Произведена классификация дефектов, встречающихся при изготовлении профилей с отбортовками (рис. 1), выполнен анализ причин их возникновения.
Показано, что при формообразовании профилей с отбортовками в роликах наи более серьезными являются дефекты изменения размеров сечения профиля, на рушения покрытия при переформовке и потеря устойчивости его элементов.
а) б) в) г) е) ж) д) Рис. 1. Дефекты гнутых профилей с отбортовками: а - излом полки, б - продольная кривизна, в - кромковая волнистость, г - саблевидность, д - смятие, е - скрутка, ж - отклонение по радиусу и пружинение Анализ литературных источников свидетельствует, что практические и теоретические разработки в области гибки, в частности, в профилировании ба зируются на результатах работ известных отечественных и зарубежных ученых:
Ю.М. Арышенского, К.Н. Богоявленского, С.И. Вдовина, Г.Я. Гуна, В.И. Давы дова, М.Е. Докторова, В.И. Ершова, М. Киути, Д. Кокадо, В.В. Колмогорова, А.Д. Матвеева, Е. Онода, Е.А. Попова, Г.В. Проскурякова, И.П. Ренне, В.В. Со коловского, Х. Судзуки, И.С. Тришевского, Р. Хилла и др.
Анализ теоретических работ в предметной области показал, что при изго товлении профилей с отбортовками актуальными остаются вопросы схем фор мообразования и связанное с ними НДС подгибаемых полок и угловых зон, обеспечения размерной точности сечения и протяженности зоны плавного пе рехода. Решение этих вопросов позволит совершенствовать существующие процедуры разработки и отладки технологии, повысить качество профилей.
В целом, изучение состояния вопроса позволило выявить актуальность темы и проблемы, подлежащие решению, сформулировать цель и задачи рабо ты (см. положения, выносимые на защиту, приведенные выше).
Во второй главе представлены результаты моделирования процесса формообразования профиля. Для систематизации исследований произведена классификация профилей с отбортовками по следующим параметрам: 1) конст руктивное назначение профиля;
2) тип несущего элемента;
3) угол наклона от бортовки по отношению к несущему элементу;
4) характеристики исходного материала;
5) схема формообразования.
1. Расчет развертки сечения профиля L и предварительный расчет шири ны заготовки Lз осуществляются аналитическим методом с предварительным делением профиля на элементарные участки (прямолинейные и криволиней ные) по формулам:
o k m L = li + 180o (r j + x0 S, (1) j =1 i = 1/ (13,1 + S m S Lз = L – L, L = 0,00074 R(cp ) j l j ( j ) 2/, (2) r j =1 3 r j j где li,lj – длины прямолинейных и изогнутых участков детали, мм;
, j – сум марный угол подгибки изогнутого участка;
R(cp)j – средний радиус изгиба;
rj – внутренний радиус зоны изгиба детали, мм;
хo – коэффициент, определяющий положение нейтрального слоя;
хo = f (r/s);
S – толщина заготовки.
Формулы (1) и (2) служат для предварительного определения ширины за готовки для процесса формообразования и подлежит уточнению с учетом влия ния схемы нагружения заготовки на промежуточных переходах.
2. Исследование напряженно-деформированного состояния в зонах изги ба предпринято для изучения влияния схем нагружения заготовки на предварительных (рис. 2) и окончательных (рис. 3) перехо дах, где угловые зоны подвержены различ ному действию силовых факторов и в за висимости от этого получают утонение или утолщение соответственно. Задача ре шается инженерным методом при соответ ствующих допущениях: применялась схе ма плоской деформации, материал считал- Рис. 2. Зона изгиба и действующие си ся изотропным и несжимаемым, эффектом лы на на предварительных переходах Баушингера пренебрегли, компоненты тензора на пряжений считали зависящими только от одной из координат. Полученные радиальные напряжений «сшивались» для получения радиуса нейтрального слоя напряжений для схем с растяжением и для схем со сжатием.
Расчет скоростей перемещений и изменения толщины заготовки в зонах изгиба производили в Рис. 3. Схема обжима следующей последовательности.
заготовки в роликах Скорости перемещения материала u и в ради альном и окружном направлениях соответственно могут быть представлены за висимостями:
н v= + u= 2,, (3) где – суммарный угол подгибки;
, – текущие координаты, определяющие положение рассматриваемой точки.
Из формул (3) легко получить скорости деформаций:
1 н 1 н 2 = 1 2, = 1 2.
& & (4) 2 2 Радиальные скорости представляют собой приращения радиуса за еди ницу времени, однако целесообразнее вместо времени взять приращение угла подгибки в качестве параметра нагружения. Поэтому приращение произ вольного радиуса можно представить в виде:
= + н 2. (5) Взяв разность виртуальных приращений наружного и внутреннего радиу сов на основании формул (4) и (5) и, отнеся ее к толщине заготовки, с учетом значений нейтрального слоя напряжений н для обоих случаев, получим:
s =± 1 exp *, (6) 2 T s0 где принимает значение р в случае растяжения и значение q – в случае сжа тия;
T* – модифицированный предел текучести материала заготовки.
Знак «–» в формуле 6 относится к утонению, а знак «+» – к утолщению заготовки. Значения p и q (контактные давления в зоне изгиба при растяжении и сжатии соответственно) определены при исследовании НДС в зонах изгиба:
т s т s0 * * q= p= 2r (rc + s 0 / 2), 4rR, (7) Формулу (6) можно переписать для указанных двух случаев с учетом за висимостей (7) в следующей форме:
s s s s 1 exp = 4r (r + s / 2, s = 2 1 exp 0. (8) s0 4rR c 0 В формуле (8) радиус rc соответствует скруглению ролика в зоне изгиба.
При гибке с растяжением он всегда равен внутреннему радиусу зоны изгиба r.
Для расчета утонения или утолщения, например, для k-го перехода со гласно формулам (8) и (9) надлежит вводить обозначения:
= k, = k k 1. (9) где k-1, k – углы подгибки на предшествующем и текущем переходах соот ветственно.
Зависимости (8) – (9) были использованы для уточненного расчета шири ны заготовки (замена величины L в формуле (2) на B) при разработке техно логии производства профилей, подлежащих внедрению.
c N ( r + s 0 / 2) m n B = s k + s k p, (10) k =1 s k = m + где m – число переходов, в которых происходит растяжение угловых зон;
n – общее число переходов;
N – число угловых зон профиля.
В формуле (10) значения приращений толщины берутся из формул (8) с учетом характера деформации угловых зон в схеме формообразования. Уточ ненный расчет ширины заготовки по разработанной модели позволяет избежать ошибок при разработке технологического оснащения, сократить сроки и затра ты на освоение технологии, повысить качество профилей за счет предотвраще ния потери устойчивости подгибаемых элементов.
3. Исследование зоны плавного перехода (ЗПП) предусматривало по строение на основе вариации полной энергии деформирования полки, дна профиля и угловой зоны модели протяженности ЗПП, позволяющей назна чать такие предельные углы подгибки (с учетом прогиба донной части про филя), которые бы не приводили к потери устойчивости деформирования или переформовке заготовки. Задача решалась в криволинейной системе координат.
Работа деформации полки с учетом упрочнения дается соотношением:
m + A 2 2 (u ) Ап = i dei = m + A ei v уд, m +1 m +1 3 u где i – интенсивность напряжений;
A, m – параметры упрочнения.
Определяя также работу деформирования донной и угловой частей про филя, получим полную работу деформирования на текущем переходе:
(u ) 2 m+ 2 L L • + (Y + Z ) (u ) du = (,, u) du, = W полн А (11) u 0 m + m + R m + 2 m +3 2A A S b d, ln Y= W= где, (m + 1)(2m + 3) 3 c c 1 m2 A eпр+1 S C (2 k ).
Z= m m + Решая вариационную задачу с подвижной границей с учетом (11) и гео L • метрических параметров зоны изгиба: А = (,, u) du, получаем:
полн B (2m + 1) W Y +Z (u ) = u + C1 + C 2, где С1, С2 – константы, подлежа W ( 2 m + 2) (Y + Z ) 2m + щие определению;
В = С учетом граничных условий и условия.
2m + (u ) |u = L = k, формула протяженности ЗПП приобретает окончательный вид:
B L= k, (12) D 2m + ;
= Y + Z ;
A, m – параметры упрочнения;
S – толщина где D = ( 2 m + 2) W ( 2 m + 2) заготовки, мм;
b – ширина полки, мм.
При разработке технологии, во избежание переформовки заготовки и по тери устойчивости деформирования, надлежит следить за выполнением усло вия: L LM. (где LM – межклетьевое расстояние профилировочного станка), че му соответствует ограничение k kпред, где k пред определяется из уравнения:
L = LM. (13) Модель ЗПП (12) – (13) позволяет гарантировать отсутствие переформов ки заготовки путем ограничения углов подгибки полок, сократить число пере ходов и обеспечить отсутствие пластической неустойчивости деформирования.
Зависимость (20) была использованы при разработке технологии произ водства профилей, подлежащих внедрению.
4. Определение предельных параметров формовки угловых зон при тор цевом поджатии с помощью конечно-элементного анализа.
Торцевое поджатие позволяет уменьшить пружинение угловой зоны или даже сделать его отрицательным, получить радиус изгиба меньше допустимого для данной заготовки в случае гибки моментом, однако существуют ограниче ния на величину подсадки. Это сопряжено как с потерей устойчивости подса живаемой полки, так и с образованием микроскладок или нарушением покры тия по внутреннему контуру зоны изгиба. Моделирование процесса деформи рования с торцевым сжатием полки целесообразно проводить с помощью мето да конечных элементов. Использовали пакет Ansys 7.1 (модуль LS-dyna), при обретенный по лицензии УлГТУ. Программу Solid Works использовали в каче стве препроцессора, а обработку результатов производили встроенными сред ствами программы Ansys. Моделировали торцевое поджатие стальной заготов ки толщиной 0,5;
1,0;
1,5 и 2.0 мм. Скорость нагружения соответствовала скорости про цесса деформирования, который разбивали на ряд последовательных шагов, наиболее характерные из которых приведены на рис.
4. Результаты моделирования даны рис. 5, где значения величины поджатия соответст вуют изображениям угловых зон рис. 5 в по рядке их следования.
Анализ деформаций показывает, что Рис. 4. Угловые зоны на различ окружные деформации на наружном контуре ных этапах нагружения не превышают 10 %, а на внутреннем конту ре составляет 25 %, что свидетельствует о разгрузке наружного контура.
На рис. 4 видно, что наружный слой элементов на всем протяжении про цесса практически не меняет своей толщины (образуется застойная зона), а внутренний слой подвержен существенному изменению толщины.
Для формализации зависимостей рис. 5 ниже приводятся их аналитиче ские соотношения, полученные аппроксимацией в среде MS EXCEL:
• относительный радиус гиба – r (h) = 2,978 exp(0, 356 h), • утолщение (в процентах) – S (h) = 5,38 exp(0, 236 h), • пружинение (в градусах) – (h) = 0,1012 (h)2 1,5536 h + 5,0524, где h – величина подсадки в мм.
Расчет фактора Лоде в решенных задачах дает его нулевое значение, т. е., деформирование происходит практически в условиях плоской деформации.
Таким образом, поджатие полки позволяет разгрузить наружный контур зоны сгиба по деформациям в 2,0…2,5 раза, что обеспечивает получение радиу сов гиба меньше допустимых при наличии утолщения, а рекомендуемая об ласть применения поджатия дает возможность уменьшить пружине ние и предотвратить нарушение покрытия в угловой зоне.
В третьей главе приведены экспериментальные исследования по 10 типам профилей (рис. 6) с отбортовками различных сечений, используемые средства, обоснован выбор материалов.
Рис. 5. Зависимости внутреннего радиуса (кривая 1), положения НСН (кривая 2) (а), величины утолщения угловой зоны (б) и угла пружинения (в) от величины поджа тия полки h Рис. 6. Профили для экспери ментальных исследований 1. Исследование влияния вида нагружения на параметры угловых зон.
Изменение толщины в угловой зоне профилей для производства мебели 4228,51,0 (№1) и 35271,5 (№1) из стали 08пс и стрингера 38350,7 (№1) из сплава Д16, исследовали на приготовленных микрошлифах с помощью при бора ПМТ-3М (рис. 7).
Результаты измере ний по переходам для уг ловых зон, прилегающих к дну профиля, с точно а б в стью до 0,01 мм пред ставлены на рис. 8, откуда видно, что для точек (правая) и 9 (профиль № экспериментальные 2) значения суммарного из г менения толщины состав- д е ляют +5 % и –3 %, а рас- Рис. 7. Зоны и точки замеров толщины: а, б, в – расположе четные – +5,31 % и –5,52 ние зон на профилях № 1, № 2, № 3 соответственно;
г – раз % соответственно;
для деление профиля № 1 на зоны;
д – шлифы элементов про точек 2 (левая) и 3 (про- филя № 1 и № 2;
е – разделение профиля № 2 на зоны филь № 1) эксперимен тальные значения составляют –4 % и +2%, а расчетные – –3,98 % и +0,81 % соответственно. Отсюда видно, что теоретические модели достаточно точно описывают из менение толщины заготовки в зо нах изгиба в зависимости от вида нагружения.
2. Исследования влияния Рис. 8. Расчетные значения изменения ширины отбортовки на изменение толщины зон сгиба по переходам толщины зон изгиба на основе полного факторного эксперимента.
Для верификации математических моделей (8), (10) проводили экспери ментальные исследования изменения толщины зоны изги ба С-образного профиля (рис. 9) в зависимости от величи ны отбортовки, толщины материала и углов подгибки.
Экспериментальные исследования проводили на станке.
Заготовки (по три образа на каждый опыт) подвергали профилированию на станке ГПС-300 за 4 – 6 переходов (в зависимости от условий эксперимента).
Исследования проводили на основе полного фактор- Рис. 9. С-образный ного эксперимента (ПФЭ) типа 23, при этом модель про- профиль цесса представляли функцией отклика (изменение толщины заготовки в угло вой зоне):
y = b0 + b1 x1 + b2 x2 + b3 x3 + b12 x1 x2 + b13 x1 x3 + b23 x2 x3 + b123 x1 x2 x3, (14) где х1, х2, х3 – ширина отбортовки, толщина заготовки и угол подгибки соответ ственно.
Все расчеты по стандартной процедуре были произведены с помощью па кета «Регрессия». Полученные значения коэффициентов в уравнении регрес сии: b0 =8,522;
b1 =0,977;
b2 =2,398;
b3 = –0,96;
b12 =0,652;
b13 =0;
b23 = –0,335;
b123=0. Уравнение (14) представляет собой модель зависимости изменения тол щины материала в зоне изгиба, примыкающей к отбортовке, в процентах к толщине исходной заготовки. Отклонения экспериментальных значений по регрессионной зависимости отличаются от теоретических данных главы 2 не более чем на 14%. На рис. 10 показано в качестве примера для одной толщины заготовки влияние отбортовки на утонение материала в угловой зоне.
3. Исследование влияния промежуточных радиусов изгиба заготовки на геометрические параметры сечения профиля.
Схема формообразования профиля при использовании МИД является достаточно «жесткой» из-за больших углов подгибки на первых переходах и также приводит к утонению заготовки и сравнительно большим контактным напряжениям, влияющим на сохранность покрытия. Уменьшение углов под гибки в первых клетях станка и переход к плавно изменяющемуся радиусу из гиба угловых зон при формообразо- Условные обозначения переходов: вании уменьшает 0, уровень контакт И зменение толщины, ных напряжений и деформацион- 4 7 10 -0, ных характери мм -0, стик заготовки.
Для данного слу- -0, чая предложено -0, техническое ре шение по полез- -0, ной модели авто величина отбортовки, мм ра, где углы под гибки по перехо- Рис. 10. Зависимость изменения толщины от величины отбор товки по переходам при толщине заготовки S = 1, 5 мм дам определяются формулой:
1 k k k = arcsin sin + sin, 2 N N где k – номер текущего перехода;
– суммарный угол подгибки (угол на гото вом профиле);
N – число переходов, а высота вертикального бурта замкнутого калибра составляет величину 3S, причем, скругление бурта задается формулой:
k k k = 2 b sin k sin, 2 где b – высота подгибаемой полки;
k – суммарный угол подгибки на k-ом пе реходе (k – 2, 3…N);
k – угол подгибки полки в k-ом переходе.
Рассматривалось изменение толщины заготовки в угловых зонах профи ля, примыкающих к отбортовке (зона II), и зонах, примыкающих к дну профиля (зона IV), представленное на рис. 11. При этом исследовали схему № 1 (r = const) и схему № 2 с переменными радиусами (r = var) при исходной толщине заготовки 2 мм. Модель утонения угловых зон (см. гл. 2 работы) пригодна и для данного процесса формообразования.
Результаты ко нечно-элементного моделирования, экспе риментальных данных и теоретической моде ли находятся в хоро шем соответствии, а переход от фиксиро ванных конечных ра диусов изгиба на всех технологических пере ходах к более мягкому режиму с плавно изме няющимися по пере- Рис. 11. Экспериментальные значения утонений в угловых зонах II, IV ходам радиусами изги ба в комбинации с торцевым поджатием позволяет уменьшить утонение заготовки и снизить уро вень контактных напряжений в 1,5 – 2 раза, что позволяет повысить качество профиля за счет уменьшения утонения и сохранности покрытия.
4. Исследование возможности использования теоретической модели зоны плавного перехода в приложении к формовке сложных профилей с отбортовка ми. Для верификации модели (12) проводили исследования при формообразо вании пяти профилей с жесткой донной частью (рис. 12).
а б в г д Рис. 12. Схемы формообразования профилей с отбортовками:
а – армирующий профиль 40,5х27,5х1,5;
б – авиационный профиль 3077,50,7;
в – авиационный профиль 89450,6;
г – армирующий профиль 77300,7;
д – авиационный профиль На каждом переходе измеряли протяженность ЗПП по разработанной ме тодике. Расчетные значения ЗПП для каждого перехода с учетом углов подгиб ки в схеме формообразования получали расчетом в среде MathCAD с предвари тельным получением характеристик жесткости «надстройки» полки утилитой «МЦХ» программы «Компас-3D V9» и последующим пересчетом для опреде ления эквивалентной толщины полки по полярному моменту инерции (метод локальных жесткостей). Имеет место достаточно хорошее соответствие теории и эксперимента (отклонения в среднем не превышают 17%). Это означает, что модель ЗПП для гладких подгибаемых полок может применяться и для расчета протяженности ЗПП профилей с отбортовками.
5. Исследование влияния отбортовок на протяженность ЗПП.
Для практического использования зависимости влияния отбортовок на протяженность ЗПП были проведены экспериментальные исследования на ос нове ПФЭ для профиля рис. 9.
В результате, получили следующую зависимость протяженности ЗПП от ширины полки, толщины заготовки и угла подгибки:
у = 145,042+16,208x1–20,292x2+14,291x3–0,792x1x2+2,958х2х3. (15) Уравнением (15) можно пользоваться при разработке технологии для оценки протяженности ЗПП в пределах варьирования релевантных параметров.
6. Рассмотрены некоторые вопросы устойчивости деформирования про филей с отбортовками (рис. 13 и 14).
Представленная выше модель зоны плавного перехода позволяет вычислять предельные углы подгибки, не приводящие Изгиб с кручением к переформовке заготовки, и тем самым устранить предпосылки к возникновению некоторых дефектов потери устойчивости.
Излом Кромковая волнистость Поперечный пластический изгиб Рис. 13. Некоторые виды поте ри устойчивости деформирова- Рис. 14. Виды локальной потери устой ния профилей с отбортовками чивости элементов профилей с отбор товками при аксиальном сжатии Тщательный подбор режимов формовки профиля также значительно снижает риск возникновения неустойчивости деформирования. Автором рабо ты проведены экспериментальные исследования по выявлению характера ло кальной потери устойчивости элементов профилей при аксиальном сжатии (моделирование «набегания» продольных деформаций при профилировании, см. рис. 14).
В четвертой главе определены основные этапы проектирования техно логического процесса формообразования профиля с отбортовками методом ин тенсивного деформирования, рассмотрены вопросы технологичности, расчета заготовки, выбора расположения профиля по отношению к осям основных вал ков, оси профилирования, разработки технологических схем, выбора способов формовки и калибровки, определения углов подгибки, обеспечения размерной точности профиля, скоростного режима, проектирования оснастки, выбора ма териала инструмента.
Разработанная автором программа расчета себестоимости формующей оснастки в среде Delphi сокращает трудозатраты разработчиков, цеховых ра ботников и позволяет оптимизировать производственные издержки.
На основе предложенной методики (см. ниже) в ОАО «Ульяновский НИАТ» разработаны технологии производства профилей ответственного назна чения из алюминиевых сплавов для Воронежского авиастроительного объеди нения (изделие АН-140) (рис. 15). При освоении указанной номенклатуры за траты на отработку технологии были сокращены в среднем на 9,2% по отноше нию к ранее применявшейся методике разработки технологии, хотя требования к авиационным провилям по ряду параметров достаточно высоки. Опытные партии профилей, указанных на рис. 15, изготовлены и переданы заказчику для испытаний.
Рис. 15. Гнутые профили с отбортовками для ВАСО: 1- 11х11х1,5 мм (12Х18Н10Т М);
2 – 21,5х16х12,5х1,0 мм (Д16Мл1);
3 – 15х20х5х1,2 мм (АМГ 6М);
4 – 24х19х14х18х2,0 мм (Д16Мл1);
5 – 15х15х12 мм (АМГ 6М);
6 – 20х20х1, мм (АМГ 6М);
7 – 15х15х1,2 мм (АМГ 6М);
8 – 15х10х1,2 мм (АМГ 6М) На основе комплексных исследований и разработанных моделей процесса формоизменения заготовки, приведенных выше, создан новый алгоритм (мето дика) разработки технологии изготовления МИД профилей с отбортовками (рис. 16). Внедрение методики разработки технологии производства МИД про филей с отбортовками на предприятиях-разработчиках г. Ульяновска позволило сократить затраты освоения одного типоразмера профиля в среднем на 8,3 %, уменьшить число технологических переходов, повысить качество профилей за счет уменьшения утонения угловых зон профиля, обеспечения сохранности по крытия и предотвращения дефектов потери устойчивости элементов профиля.
Рис. 16. Алгоритм разработки технологии изготовления профилей с отбортовками Методика разработки технологии и процессы формообразования профи лей с отбортовками (10 типоразмеров профилей, приведенных на рис. 6), а так же патент на роликовую оснастку внедрены в ОАО «Ульяновский НИАТ» и на четырех других предприятиях в 2006 – 2010 гг.. Патент и акты внедрения при ведены в Приложении к работе. На рис. 17 показаны несколько внедренных с участием автора профилей с отбортовками.
Произведен расчет экономической эффективности освоения профилей с от бортовками в сравнении с ранее использовавшейся технологией (базовый вари ант). Разность затрат по базовому варианту и по предлагаемой техно логии составляет 16,52 тыс. руб. на освоение одного типоразмера про- Рис. 17. Гнутые профили с отбортовками для строительства и энергетики, изго филя. Учитывая, что разработчиками товленные МИД в роликах технологий интенсивного формооб разования ежегодно осваивается более 300 типоразмеров профилей, из которых профили с отбортовками составляют порядка 11%, то расчетный годовой эко номический эффект Э от использования результатов работы составил:
Э = (Сб.в. – Сп.т.)Nn = (201,09 – 184,57)3000,11 = 545,16 тыс. руб.
где Сб.в. – себестоимость освоения одного типоразмера профиля по базовой тех нологии;
Сп.т. – себестоимость освоения одного типоразмера профиля по пред лагаемой технологии;
N – годовой объем освоения типоразмеров профилей предприятиями – разработчиками г. Ульяновска;
n – процент типоразмеров профилей с отбортовками по отношению к общему объему ежегодно осваивае мых гнутых профилей предприятиями – разработчиками г. Ульяновска.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: ОСНОВНЫЕ РУЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В результате выполнения работы выявлено и установлено следующее:
1. Анализ применения профилей с отбортовками показал, что эффектив ность их применения на 20 % выше по сравнению с применением фасонных профилей. Из известных методов изготовления профилей с отбортовками в ус ловиях мелкосерийного производства предпочтительным является метод ин тенсивного деформирования. Анализ работ по теме позволил выявить пробле мы, определить материалы, оборудование и типоразмеры профилей для иссле дования, сформулировать задачи работы.
2. Разработанные классификаторы профилей с отбортовками и их дефектов позволили систематично исследовать и совершенствовать технологию с обес печением высокого качества профилей и снижением издержек на их освоение.
3. Модель изменения толщины заготовки на различных переходах и экспе риментальные исследования несимметричных профилей с отбортовками пока зали, что при растяжении имеет место утонение порядка 5 %, а при поджатии – утолщение до 4 %. Теоретические значения отличаются от экспериментальных не более чем на 6 %.
4. Построенная на основе ПФЭ регрессионная модель устанавливает за висимость изменения толщины заготовки от размеров отбортовки, толщины профиля и подгибки несущей полки. Расхождение значений изменения толщи ны заготовки в угловых зонах, полученных по теоретической модели и по рег рессионной модели не превышает 14%.
5. Полученное вариационным методом решение задачи о протяженности ЗПП позволяет повысить качество профилей за счет предотвращения перефор мовки заготовки и оптимизации углов подгибки, позволяющих избежать дефек тов неустойчивости пластического деформирования. Расхождение теоретиче ских и экспериментальных данных по исследуемому массиву профилей с от бортовками семи типоразмеров в среднем лежит в пределах 12…17 %.
6. Моделирование торцевого поджатия в среде Ansys позволило определить зависимости относительного радиуса, утонения и пружинения от величины подсадки, выявить допустимые значения поджатия полки. Разгрузка наружного контура зоны изгиба при поджатии полки дает возможность получать радиусы изгиба меньше допустимых радиусов при гибке моментом.
7. Исследованием влияния промежуточных радиусов кривизны заготовки на утонение заготовки и контактные напряжения, влияющие на сохранность покрытия, установлено, что применение плавно изменяющихся радиусов изги ба заготовки по переходам в 1,5 – 2 раза снижает значения утонений заготовки и уровень контактных напряжений.
8. Новый алгоритм (методика) разработки технологии производства про филей с отбортовками, учитывающий расположение профиля в валках, выбор базового элемента и оси профилирования, формы замыкающих элементов ро ликов, позволяет оптимизировать схему формообразования, сократить число переходов, повысить качество профилей и сократить на 8 – 9 % издержки на освоение технологии их производства. Разработанная автором программа рас чета себестоимости формующей оснастки в среде Delphi сокращает трудозатра ты разработчиков, цеховых работников и позволяет оптимизировать производ ственные издержки.
9. Разработанные патент на роликовую оснастку, более 10 технологий производства профилей с отбортовками и методика разработки технологии из готовления профилей с отбортовками внедрены с участием автора на 5 пред приятиях РФ, что подтверждается актами технического внедрения. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составляет более 545 тыс. руб.
ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Мищенко О. В. Влияние схем формообразования полузакрытых профи лей на изменение толщины зон сгиба / О. В. Мищенко, А. В. Филимонов // Технология металлов. – 2007. – № 12. – С. 12 – 17.
2. Мищенко О. В. Об оценке длины зоны плавного перехода при подгиб ке узких полок с отбортовками в роликах // Заготовительное производство в машиностроении. – 2009. – № 12. – С. 28 – 33.
3. Филимонов С. В. Моделирование торцевого поджатия полки при ин тенсивном формообразовании профиля в роликах / С. В. Филимонов, В. В.
Левщанов, В. И. Филимонов, О. В. Мищенко // Кузнечно-штамповочное произ водство. Обработка металлов давлением. – 2010. – № 2. – С. 42 - 46.
В других изданиях:
4. Мищенко О.В. Оценка технологичности швеллерных гнутых профилей / О. В. Мищенко // Труды второй Всероссийской заочной молодежной научно технической конференции «Молодежь Поволжья – науке будущего». – Улья новск: УлГТУ, 2004. – С. 90 – 93.
5. Мищенко О.В. Обобщенный классификатор гнутых профилей / О. В.
Мищенко // Тезисы докладов ХХХIХ научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях». – Ульяновск: УлГТУ, 2005. – С.
30.
6. Мищенко О.В. Программа по расчету себестоимости роликовых калиб ров / О. В. Мищенко // Труды третьей Международной заочной молодежной научно-технической конференции «Молодежь Поволжья – науке будущего». – Ульяновск: УлГТУ, 2005. – С. 104 – 105.
7. Мищенко О.В. Анализ механических свойств гнутых профилей с от бортовками на примере Z-образного профиля типа стрингер / О. В. Мищенко, В. И. Филимонов // Прогрессивные технологии обработки материалов: научные труды Всероссийского Совещания материаловедов России. – Ульяновск: Ул ГТУ, 2006. – С. 86 – 88.
8. Мищенко О.В. О механических свойствах зетового профиля с отбор товками / О. В. Мищенко // Современные проблемы проектирования, производ ства и эксплуатации радиотехнических систем: Сборник научных трудов. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – С. 168 – 170.
9. Мищенко О.В. К расчету утонения полузамкнутых несимметричных профилей при их формообразовании в роликах / О. В. Мищенко, В.И. Филимо нов, А.В. Филимонов, Е.А Алексеевский // Вестник УлГТУ. – Ульяновск: Ул ГТУ, 2006. – № 2. – С. 36 – 38.
10. Мищенко О.В. Программа расчета себестоимости изготовления форми рующих роликов / О. В. Мищенко, В. И. Филимонов // Избранные труды Рос сийской школы «Наука и технология» серия «Технология и машины обработки давлением». – Екатеринбург. Уральское отделение РАН. 2006. – С. 184 – 187.
11. Мищенко О.В. Влияние наличия элемента жесткости на основные ха рактеристики зон сгиба полузакрытого профиля в процессе формирования / О.
В. Мищенко, А. В. Филимонов // Современные технологии в машиностроении.
Сборник статей XI Международной научно-практической конференции. – Пен за, 2007. – С. 73 – 76.
12. Мищенко О.В. Обобщенный классификатор дефектов гнутых профилей с отбортовками / О. В. Мищенко, В. И. Филимонов // Тезисы докладов ХХХХI научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных ус ловиях». – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – С. 35.
13. Филимонов В.И. НДС в угловой зоне при посадке заготовки на наруж ный контур / В. И. Филимонов, В.Н. Кокорин, О. В. Мищенко // Тезисы докла дов ХХХХI научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в со временных условиях». – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – С. 36.
14. Мищенко О.В. Дефекты профилей с периферийными элементами жест кости типа отбортовок / О. В. Мищенко // Прогрессивные технологии и обору дование при обработке металлов давлением: научные труды Всероссийского Совещания обработчиков давлением. – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – С. 69 – 74.
15. Мищенко О.В. Классификация профилей с периферийными элементами жесткости типа отбортовок / О. В. Мищенко // Современные проблемы созда ния и эксплуатации радиотехнических систем. Труды Всероссийской научно практической конференции (с учетом стран СНГ), посвященной 50-летию Уль яновского государственного технического университета. – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – С. 294 – 295.
16. Мищенко О.В. Модель изменения основных характеристик полузакры того профиля с периферийными элементами жесткости в процессе формообра зования / О. В. Мищенко // Современные проблемы проектирования, производ ства и эксплуатации радиотехнических систем: Сборник научных трудов. – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – С. 207 – 209.
17. Мищенко О.В. Исследование гнутых профилей на потерю устойчиво сти / О. В. Мищенко, В. И. Филимонов // Тезисы докладов 43-й научно технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях».
– Ульяновск: УлГТУ, 2009. – С. 25.
18. Мищенко О.В. Совершенствование технологии изготовления гнутых профилей в роликах профилегибочных станков / О. В. Мищенко, В. И. Фили монов // Сборник аннотаций проектов Молодежного инновационного форума Приволжского федерального округа. – Ульяновск: УлГТУ, 2009. – С. 151 – 153.
19. Мищенко О.В. Оценка длины зоны плавного перехода при формообра зовании профилей с отбортовками / О. В. Мищенко, С. В. Филимонов, А. С. Ба ранов // Вестник УлГТУ. – Ульяновск: УлГТУ, 2010. – № 1. – С. 45 – 47.
Патенты:
20. Патент РФ на полезную модель № 81109, МПК В 21D 5/06. Роликовая оснастка для изготовления профилей из листовых заготовок с покрытием / А.С.
Баранов, В.И. Филимонов, С.В. Филимонов, О.В. Мищенко. – Опубл.
10.03.2009, Бюл. № 7.
Подписано в печать 13.05.2010. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Уч.-изд. л. 1,39. Тираж 110 экз. Заказ 531.
Типография УлГТУ. 432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.