авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Иван николаевич разработка технологии изготовления тонкостенных перфорированных профилей методом интенсивного деформирования

На правах рукописи

УДК 621.981.1 Гудков Иван Николаевич РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ПЕРФОРИРОВАННЫХ ПРОФИЛЕЙ МЕТОДОМ ИНТЕНСИВНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ Специальность: 05.03.05 – Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2009

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Филимонов Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Михаленко Федор Павлович кандидат технических наук Климычев Сергей Борисович

Ведущая организация: Ульяновский научно-технологический центр – филиал ФГУП «ВИАМ»

Защита состоится «28» декабря 2009 г. в 14 00 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.165.09 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д. 24, ауд. 1258. Телефон для справок: (831) 436-83-46, 436-23- Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского госу дарственного технического университета.

Автореферат разослан «25» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Б.В. Устинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Бурное развитие строительства в России требует применения новых высокоэкономичных заготовок. Одним из видов таких загото вок являются длинномерные гнутые перфорированные профили. Штамповка при их изготовлении имеет ограниченные возможности в отношении длины и сложно сти сечения профилей.

Технология производства данных профилей в роликах может иметь различ ные варианты сочетаний процессов перфорации и профилирования:

• Перфорация ленты в штампе – профилирование в роликах.

• Перфорация ленты в роликах – профилирование.

• Профилирование ленты – перфорация в штампах (роликах).

Третий из указанных процессов имеет существенное ограничение: перфори рование сформованного профиля возможно лишь на открытых участках (преиму щественно на донной части профиля или на горизонтальных полках).

Преимуществом первого процесса является высокая точность размеров про биваемых отверстий и их расположения, если перфорация осуществляется на прессе с шаговой подачей заготовки (вне линии профилирования). Однако в этом случае требуется дополнительная линия перфорации.

Во втором процессе перфорация может осуществляться в первых клетях профилировочного станка. Этот вариант технологии является предпочтительным, хотя возможно и встраивание перфорирующего пресса в линию профилирования.

Эти два варианта технологии служили объектом исследований в диссертации.

Предметом изучения являлись профили преимущественно типовой номенклатуры с отверстиями круговой или прямоугольной формы со скруглением в угловых зо нах, изготавливаемые из тонколистовых заготовок из низкоуглеродистых сталей.

При этом применяли метод интенсивного деформирования (МИД), характеризуе мый применением закрытых калибров, подсадкой полок и другими отличиями по сравнению с традиционным профилированием (ТП) и стесненным изгибом (СИ).

МИД обеспечивает высокую эффективность в условиях мелкосерийного произ водства в связи с использованием малогабаритного оборудования, меньшего ко личества технологического оснащения.

Однако широкому внедрению данного метода для производства перфориро ванных профилей препятствует отсутствие классификаторов факторов, влияющих на деформацию отверстий, надежных математических моделей процесса формо образования, рекомендаций по повышению качества профилей, методики проек тирования технологии, технических решений по перфорации заготовки в роликах небольшого диаметра и т.д.

Работа нацелена на выработку технических и технологических решений, устраняющих указанные недостатки, чем обосновывается актуальность темы.

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом универси тете в соответствии с тематическим планом кафедры «Материаловедения и ОМД» и по договору Д10-195/20-УП от 20.10.2006 г. «Интенсификация формообразова ния заготовок» с ООО НИЦ «МИТОМ» (г. Ульяновск) при содействии ОАО «Ульяновский НИАТ» и ООО «НПО «ИДМ» (г. Ульяновск).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований научно обоснованной методики проектирования технологического процесса изготовления гнутых тонкостенных перфорированных профилей методом интенсивного дефор мирования, позволяющей повысить качество перфорированных профилей, умень шить трудоемкость и затраты на освоение технологии на 12 – 15 %.

Для достижения поставленной цели ставятся следующие основные задачи:

разработать и исследовать классификатор факторов, влияющих на деформацию отверстий в перфорированной заготовке;

разработать математические модели, устанавливающие напряжения в приле гающей к отверстиям зоне при нагружении по кромке, и прогнозирующей ос лабление разрушающей нагрузки при предельной нагрузке;



разработать математическую модель подсадки заготовки с учетом упрочнения в зоне изгиба и дрейфа нейтрального слоя деформаций при торцевом поджатии;

модифицировать методику расчета числа переходов;

– разработать математическую модель локального продавливания отверстия по торцу заготовки;

провести необходимые для создания технологии экспериментальные исследо вания и конечноэлементное моделирование в среде ANYSIS процесса формооб разования перфорированных профилей;

создать методику разработки технологии изготовления МИД перфорированных профилей;

– разработать конструкцию перфорирующей роликовой пары для автоматических линий профилирования – внедрить разработки в производство.

Научная новизна работы заключается в: 1) разработанном и исследованном классификаторе факторов, влияющих на деформацию отверстий в перфорирован ной заготовке;

2) математической модели, устанавливающей напряжения в приле гающей к отверстиям зоне при нагружении по кромке, и прогнозирующей ослаб ление разрушающей нагрузки при ее предельном значении;

3) математической модели подсадки заготовки с учетом упрочнения в зоне изгиба и дрейфа ней трального слоя деформаций при торцевом поджатии;

4) впервые решенной мето дом баланса работ задаче локального продавливания отверстия по торцу заготов ки;

5) экспериментальных зависимостях, полученных в полнофакторном экспери менте и в результате конечноэлементного моделирования в среде ANYSIS;

6) соз данной методике разработки технологии изготовления МИД перфорированных профилей;

7) техническом решении патента на полезную модель роликовой пары для перфорации.

Методы исследования, использовавшиеся в работе:

1. Методы теории обработки металлов давлением;

2. Метод натурного экспери мента;

3. Геометрические методы измерения линейных и угловых величин;

4. Ко нечноэлементный анализ (средствами ANSYS);

5. Методы статистического анали за и полнофакторного эксперимента с использованием прикладных программ MathCAD2001 и EXCEL 2003.

Достоверность результатов обеспечивается совпадением теоретических и экспериментальных данных соискателя и данных других авторов, в основном, в пределах 10 – 15 %, результатами внедрения, а также применением современных средств вычислительной техники и апробированных прикладных программ.

Практическая ценность. Создан эффективный алгоритм (методика) проек тирования технологии изготовления гнутых перфорированных профилей, исполь зующий разработанные модели и критерии формообразования. Методика исполь зуются разработчиками технологии в ОАО «Ульяновский НИАТ» (имеется акт внедрения), а также может применяться на промышленных предприятиях РФ, где имеется профилегибочное оборудование, в организациях, занимающихся разра боткой технологии и оборудования в области профилирования. В ООО «НПО «ИДМ» (г. Ульяновск) внедрено техническое решение патента на полезную мо дель, созданного автором, которое используется в двух автоматических линиях производства перфорированных профилей. Расчетный годовой экономический эффект составляет 420 тыс. руб.

Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию на:

1. XXXVI научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в совре менных условиях», Ульяновск, 2002 г. 2. XXXVII научно-технической конферен ции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, 2003 г. 3.

Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы ма шиностроения и транспорта», Ульяновск, 2003 г. 4. XXXVIII научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, 2004 г. 5. Научно-техническом форуме с международным участием «Высокие тех нологии 2004». – Ижевск, 2004 г. 6. Международной научно-технической конфе ренции «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (ЗНТК 2004), Ульяновск, 2004 г. 7. ХХХIХ научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, 2005 г. 8. 49-й Междуна родной научно-технической конференции МАМИ «Приоритеты развития отечест венного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», Мо сква, 2005 г. 9. Всероссийской научной конференции «Наука и технологии», г.

Миасс, 2008 г.

В полном объеме диссертационной работы результаты докладывались на ка федре «Материаловедение и ОМД» Ульяновского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печат ных работах, в том числе 1 патенте на полезную модель, а также двух статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения: основных результатов и выводов, списка литера туры из 146 наименований, приложения и включает 145 страниц машинописного текста, 96 рисунков, 8 таблиц.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

классификатор факторов, влияющих на деформацию отверстий в перфориро ванной заготовке;

математическая модель, устанавливающая напряжения в прилегающей к отвер стиям зоне при нагружении по кромке, и прогнозирующая ослабление разру шающей нагрузки при ее предельном значении;

математическая модель подсадки заготовки с учетом упрочнения в зоне изгиба и дрейфа нейтрального слоя деформаций при торцевом поджатии;

математическая модель локального продавливания отверстия по торцу заготов ки;





экспериментальные зависимости, полученных в полнофакторном эксперименте и в результате конечноэлементного моделирования в среде ANYSIS;

модифицированная методика расчета числа переходов;

методика разработки технологии изготовления МИД перфорированных профи лей;

технические решения по конструкции роликовой пары для перфорации;

результаты внедрения методики разработки технологии и роликовой пары для перфорации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены объект и предмет исследования, обоснована акту альность темы, а также дана краткая характеристика работы по разделам.

В первой главе выполнен литературный обзор работ, посвященных проблемам изготовления гнутых перфорированных профилей различными способами, рассмотрены вопросы применения перфорированных профилей в различных отраслях, проведен технико экономический анализ различных способов изготовле ния профилей. Исследованы технологические и теоре- а) тические работы, посвященные процессам профилиро вания, с выделением круга задач, подлежащих решению в рамках данной работы.

Анализ литературных источников показывает, что применение перфорированных профилей позволяет сни зить расход металла на 18 – 20%, ускорить сборку и монтаж конструкций, устранить сварочные работы при б) монтаже, уменьшить трудоемкость монтажных работ.

Наибольшее применение они нашли в следующих от- Рис. 1. Конструкция межэ раслях: строительство (рис.1), автомобильная промыш- тажного перекрытия (а), ленность, складское хозяйство, электротехническая несущий настил перекры тия (б) промышленность. Из тех же источников выявлены об щие требования к гнутым перфорированным профилям.

Рассмотренные способы перфорации листовых профильных деталей выяви ли, что широкое распространение получили два основных способа: а) штампов кой, б) профилированием. Однако, ввиду ограничений в отношении длины профи лей и их сечений при штамповке, наиболее рациональным, в мелкосерийном про изводстве является профилирование, позволяющее сочетать в одной линии перфо рацию и формовку профиля. Это позволяет минимизировать издержки производ ства и снизить время изготовления продукции.

Изучены различные виды валковых перфори рующих устройств (рис. 2), отличающихся техниче скими решениями, однако имеющими одну особен ность – значительные габаритные размеры, в то вре мя как для МИД требуется компактная перфори рующая роликовая пара, подлежащая разработке.

Выполненный анализ схем формообразования в роликах перфорированных профилей уголкового, швеллерного и С-образного типа показал, что имеет ся большое количество патентов, относящихся к тра диционному профилированию, однако отсутствуют работы по формовке перфорированных профилей МИД. Некоторые технические решения из изучен ных работ приняты во внимание при разработке ма тематических моделей и технологии. В частности, оказалось необходимым провести классификацию Рис.2. Валковая пара факторов, влияющих на деформацию отверстий, раз для перфорации в роликах работать математические модели подсадки при вы свобождении угловой зоны, рассмотреть вопросы НДС полки в областях, примы кающих к отверстиям, установить минимальное расстояние отверстий до кромки, а также исследовать схемы формообразования (преимущественно углы подгибки и число переходов) МИД профилей типовой номенклатуры. Установлено, что наи более часто встречающимися отверстиями являются круговые и прямоугольные с сопряжением сторон в угловых зонах, а наиболее часто применяемыми материа лами – низкоуглеродистые стали, что отчасти и определило предмет исследования.

Проведена классификация профилировочного оборудования и вариантов со вмещенных процессов перфорации и формообразования. Установлено, что наибо лее подходящими для реализации МИД являются станки семейства ГПС, а наибо лее приемлемым вариантом технологии – перфорация в составе линии профили рования (в штампе или роликах) с последующим формообразованием профиля.

Анализ теоретических работ, относящихся к деформации отверстий в пла стинах, подверженных внешней нагрузке, позволил выявить, что наибольшая кон центрация напряжений наблюдается на границах отверстий, а разрушающая на грузка по различным критериям может отличаться на 30% и более от реальной. В рассмотренных работах решения относятся, в основном, к упругой области. Работ, относящихся к профилированию перфорированной ленты, не выявлено.

Проведенный обзор позволил определить цель работы и ее задачи.

Во второй главе разработан и выполнен анализ классификатора факторов деформирования отверстий (рис.4), который позволил определить для исследова ния виды отверстий и их расположение на элементах профиля.

Факторыдеформирования Факторы предельного отверстий в профилях формоизменения 1. 1 Ж есткий режим 1. Режимы профилиров ания 1. 2 Мягкий режим 2. Толщина исходной заготов ки 4. 1.1 Типов ая (кру глая, ов альная, кв адратная, 4.1 Форма прямоу гольная) отв ерстий 3. Ш ирина 4. 1.2 Специальная подгибаемых полок 4.2. 1 П о отношению к толщине заготов ки 4. П араметры 4.2 Размеры отв ерстий отв ерстий 4.2.2 По отношению к размеру элемента на котором расположен 4.3. 1 П родольное 4.3.4 Переферийная расположение часть 4. 3.2 Поперечное 4. 3. 5 Срединная расположение часть 4. 3 Топология отв ерстий 4. 3. 3 Углов ое 4. 3.6 Д онная часть расположение 5. Материал 4. 3.7.1 Узкие заготов ки 4. 3.7 П еремычки между отв ерстиями 4.3. 7.2 Ш ирокие Рис. 3. Классификатор факторов деформирования отверстий в перфорированных заготовках при профилировании В качестве объекта выбраны отверстия круговой и прямоугольной формы с сопряжением сторон, причем последние на исследуемых профилях располагали под разными углами. Анализ деформации отверстий в постановочных экспери ментах показал, что деформация напрямую зависит от режимов подгибки полок и толщины заготовки, с увеличением ширины полки профиля деформация отвер стий уменьшается.

Для установления влияния нагружения подгибаемой полки по торцу в меж клетьевой проводке и в роликах разработаны математические модели согласно ви дам нагружения на рис. 4.

Для равномерного нагру жения в упругой области полу ченное решение в терминах осессиметричной функции Эри (модель сжатия кольца со сво бодным внутренним контуром а) б) по наружному контуру напря жением 0/2) и неосесиммет- Рис. 4. Схемы нагружения полки при формовке:

а –в роликах;

б – в межклетьевой проводке ричной функции Эри для задачи сжатия кольца с напряжениями на внешней границе представляется после их суммирования в виде:

(r 2 R 2 ) 2 (r, ) = cos 2 r 2 2R 2 ln r, (1) r где r, – текущие координаты;

R – внутренний радиус кольца.

Взяв соответствующие частные производные от функции (1), получаем зна чения соответствующих напряжений:

R 2 R2 R4 R 0 R 2 1 1 4 2 + 3 4 cos 2 ;

= 0 1 + 2 + 1 + 3 4 cos 2 ;

rr = r 2 r r r 2 r R 2 R r = 0 1 + 2 2 3 4 sin 2. (2) r 2 r Из формул (2), в частности, следует, что при r = R (контур отверстия):

= 0 (2 cos 2 1), откуда видно, что для определенных направлений осей напряжение может троекратно превышать значение напряжения, приложенного к торцевой поверхно сти заготовки. Анализ модели показывает, что аналогичная картина распределения напряжений справедлива и для овальной или продолговатой формы отверстий при их различном расположении (продольно или поперечно). Для относительно узкого отверстия, расположенного поперечно по отношению оси профилирования, на гружение сосредоточенной силой кромки заготовки на уровне отверстия (см. рис.

4,а) приводит к значению коэффициента концентрации напряжений К:

l T K= F, S0 b где Т – сосредоточенная сила, Н;

l – характерный параметр отверстия, м;

F – функция, принимающая значения 0,2 до 1,2 в зависимости от геометрических ха рактеристик.

Это означает, что в местах концентрации напряжений материал легче под вержен переходу в пластическое состояние и последующему разрушению. В рабо те приводятся графическое представление и анализ полученных решений.

В пластической области решение уравнений равновесия с условием пла стичности и соответствующими граничными условиями дает решение, используе мое для оценки разрушающей нагрузки. В случае сплошной заготовки значение разрушающего напряжения может быть принято равным p, однако наличие от верстия снижает это значение до величины Pp = p, где – коэффициент ослаб ления (0 1). Нижнюю н и верхнюю B границы коэффициента ослабления раз рушающего напряжения в полке шириной b определяли из анализа разрывов ско (1 )2, представ ростей, введя коэффициент = 2R : B = 2 4 + 3 2, н = b ленные на рис. 5. При достаточно высоком уровне сжимающих напряжений и диаметре отверстия, соизмеримом с шириной полки, в зонах, примыкающих к точкам пересечения координатных осей с контуром отверстия, образуется «пла стические шарниры». В этих зонах при торцевом сжатии могут наблюдаться на рушения сплошности материала или локальное «продавливание» роликом.

С целью верификации данных математических моделей проводили модели рование формовки уголкового профиля 30х30х2 мм со сжатием, приближенная к схеме интенсивного деформирования. Решение проведено средствами модуля LS DYNA из пакета ANSYS. На рис. 6 представлены результаты моделирования и со ответствующие им образцы, отвечающие различным этапам деформирования.

В данной задаче движение про () филя в продольном направлении обес печивается распределенными силами в трех зонах: две зоны по торцам полок и зона изгиба. Так как в исходной по в() становке задачи девиации элементов профиля в поперечном направлении исключены, то в полках возникают в() значительные касательные напряже ния. Они приводят к деформациям сдвига и искажению отверстий: изна- чально круговая форма отверстия пе Рис. 5. Верхняя (ku) и нижняя (kl) реходит в эллиптическую, причем границы «коэффициента ослабления» большая ось эллипса располагается под углом 54° по отношению к оси профилирования, хотя в этой модельной задаче они несколько завышены.

а б Рис. 6. Изменение формы отверстий профиля при формовке: а – по результа там моделирования со шкалой деформаций по фон Мизесу;

б – на опытных образцах, соответствующих различным этапам деформирования Использование подсадки (торцевого поджатия) в закрытом калибре при МИД позволяет решать ряд технологических вопросов: получение малых радиу сов гиба, снижение пружинения, предотвращение кромковой волнистости, а при высвобождении угловой зоны – сохранение покрытия на уровне угловых зон и, в целом, интенсифицировать процесс формообразования. При моделировании влия ния подсадки решали задачу формовки угловой зоны в условиях высвобождения (рис. 7) инженерным методом с учетом деформационного упрочнения материала заготовки и дрейфа нейтрального слоя деформаций при подсадке, полученного А.В. Филимоновым. Решение по радиальным на пряжениям представляется в виде:

r = D ln + F ( r ) (зона сжатия). (3) c p = D ln + F ( R ) (зона растяжения). (4) R Тангенциальные значения напряжений, соответст Рис. 7. Расчетные параметры вующие радиальным напряжениям, получали из угловой зоны условий пластичности. Обозначения в формулах (3) и (4) отвечают параметрам рис. 7 и следующим обозначениям величин D и F:

П 2, S (m) S0 (0,15 m + 1), D = T + П, F= 3 (2 0 + S ( m) m) где Т – предел текучести;

П – модуль упрочнения;

0 – нейтральный радиус при обычной гибке;

S0 – исходная толщина заготовки;

m – относительная величина подсадки полки.

В качестве иллюстрации модели на рис. 8 представлено распределение на пряжений в зоне растяжения.

Рис. 8. Зависимость напряжений зоны растяжения от относительного радиуса и показателя упрочнения П Рис. 9. Зависимость зоны растяжения от относительного ра диуса и величины относительного торцевого поджатия «m» Отсюда видно, что происходит разгрузка наружного волокна зоны изгиба, по отношению к гибке в отсутствие подсадки. В этом отношении еще более иллю стративны деформации (рис. 10), показывающие влияние торцевого поджатия.

Рис. 10. Распреде ление окружных деформаций в зо не изгиба в зави симости от вели чины торцевого поджатия «m» Текущий относительный радиус Следовательно, исходя из критерия предельной деформации наружного во локна, ограничивающей минимально допустимый радиус при свободном изгибе, можно найти минимальный относительный радиус изгиба при торцевом поджа тии, решив численно соответствующее трансцендентное уравнение в среде Math CAD (рис. 11, где пунктирной линией указана процедура определения искомого радиуса). Уменьшение предельно допустимого радиуса при торцевом поджатии m = 0,4 может достигать (30…50)%, а при m = 0,2 уменьшение предельно допусти мого радиуса составляет (20…25)% при относительном радиусе изгиба более двух.

При малых значениях относительного радиуса первоначально наблюдается уменьшение радиуса изгиба, а при дальнейшем увеличении m наступает складко образование по внутреннему контуру с последующим разрушением.

Рис. 11. Диаграмма определения мини мального относитель ного радиуса при тор цевом поджатии m для материалов, у которых при свободном изгибе (изгиб моментом) пре дельно допустимый радиус равен r (при = 90°) Используя методику определения пружинения на основе теоремы А.А.

Ильюшина о разгрузке, однако с учетом торцевого поджатия, получена расчетная формула для определения пружинения:

3 T [1 4 m (1 cos( / 2)) c ] = c. (5) E где – угол пружинения;

– угол подгибки;

с – относительный радиус кривиз ны срединной поверхности;

Е – модуль Юнга.

Анализ формулы (5) показывает, что приложение торцевого поджатия мо жет уменьшать пружинение в 2 – 2,5 раза, а при больших значениях m – приво дить к отрицательным значениям, что подтверждено экспериментально.

Для выбора станка и разработки технологии производства многоэлементных перфорированных профилей исследована модель и модифицирована методика расчета числа переходов N для профилей типовой номенклатуры:

L 2 b (1 - cos ) R N = F M, r s LM n C в где F – функция формы;

LM – межклетьевое расстояние профилегибочного станка, мм;

b – ширина подгибаемой полки, мм;

– суммарный угол подгибки боковых полок, град;

С – ширина дна профиля, мм;

R – средний радиус гиба, соответст вующий 95% уровню охвата зоны сгиба пластическими деформациями, мм;

rв – внутренний радиус зоны сгиба, мм;

s – толщина заготовки, мм;

n - число зон сгиба профиля;

– фактор соотношения номинального и принимаемого для проектиро вания диаметра формующего ролика.

Автором разработан подход, позволяющий применять указанную модель и для более сложных конфигураций профилей. Суть его сводится к следующему. 1) Введение фактора увеличения диаметра формующего ролика (для обеспечения на тяга кромки). 2) Сведение криволинейных элементов к гладким путем их «спрям ления» (их ширина развертки отождествляется с шириной гладкой виртуальной полки). 3) Число зон изгиба, приходящихся на криволинейный элемент (при его наличии), берется равным единице. 4) При наличии элементов двойной толщины (ЭДТ) на подгибаемой полке при расчете числа переходов в качестве ширины под гибаемой полки следует брать развертку полки с учетом ЭДТ. 5. Для ширины дна вводятся диапазоны соизмеримости с межклетьевым расстоянием, т.е. ширину дна следует округлять до соответствующего реперного значения так, чтобы сохраня лась асимптотическая корректность модели. Например, при весьма узком дне чис ло переходов становится несоразмерно большим. При этом мерой соизмеримости можно брать ширину подгибаемой полки.

Решен важный для оценки технологичности вопрос о продавливании заго товки в области отверстия, расположенного близко к кромке подгибаемой полки с применением метода баланса работ на основе разрешающего уравнения:

P h = i i dV, (V ) где Р – полная сила на формующем ролике;

h – глубина продавливания кромки;

i, i – интенсивность напряжений и деформаций соответственно;

V – объем заго товки, по которому ведется интегрирование.

Задачей ставилось определить: на каком минимальном расстоянии от кромки должно быть расположено заданного раз мера отверстие при заданной величине подсадки, чтобы не происходило продав ливание заготовки. На рис. 12 представле на расчетная схема для решения данной задачи.

Определив величины в последней формуле, с учетом замены знака равенства на знак нестрогого, после несложных пре образований получили:

C R m, (6) Рис. 12. Расчетная схема для определе где m – величина подсадки;

– коэффици- ния параметров продавливания заготовки ент уменьшения размера отверстия. при подсадке полки Обычно топология и размер отвер стия задаются чертежом на профиль (т.е. заданы C и R). Тогда для предотвраще ния продавливания необходимо вычислить допустимую величину подсадки по со отношению (6) и реализовать ее в технологии путем задания ширины заготовки или настройкой межклетьевой проводки, если подсадка осуществляется в меж клетьевом пространстве профилировочного станка.

В третьей главе выявлен механизм и установлены закономерности развития деформаций отверстий при изготовлении перфорированных профилей МИД, ис следованы схемы и режимы их формообразования для верификации теоретиче ских моделей и создания методики разработки технологии.

Экспериментальные исследования проводили с использованием линии про филирования (рис. 13) на девяти типоразмерах профилей уголковой формы, кроме того, были исследованы профили швеллерной и особо сложной формы для полу чения всесторонней оценки проводимых опытов.

В натурных экспериментах использовали метод Бокса-Уилсона. Исследо вания проводили на комплектах роликов с различными видами замыкания калиб ров для выявления особенностей формообразования уголковых профилей с отвер стиями. Первоначально изготавливали профиль за четыре перехода (первые три – открытые, последний – закрытый с вертикальным замыканием) при жестких ре жимах формовки. Отклонения по размерам диаметра превышали допустимые зна чения в 2 – 3 раза, а большая ось располагалась под углом около 30° по отноше нию к продольной оси. Кроме того, присутствовала продольная кривизна в преде лах 4 – 6 мм на 1 м. Поэтому был сделан переход к более щадящей схеме с режи мом подгибки 10° – 20° – 30° – 40° – 45°, которая была подвергнута более тща тельному исследованию. Формуемую заготовку извлекали из калибров, разрезали по местам осевых плоскостей калибров (рис.14,а), сканировали плоские участки полок и переносили в AutoCAD-2002 для проведения замеров с использованием «эластичных шаблонов») (рис.14, б). Затем производили необходимые расчеты и полиномиальную аппроксимацию экспериментально-расчетных данных в среде EXCEL-2000Pro для получения зависимостей:

e1 = 1.535 103 N 2 + 0.014 N T 0.0074, e 2 = 2.56 103 N T 0.016 N T + 0.0077, T где е1, е2 – главные деформации отверстий;

NT – текущий номер перехода.

Приведенные на рис. 15 и 16 зависи мости для одного из профилей показывают, что наиболее значительные всплески де формаций проявляются вблизи осевой плоскости роликов из-за влияния замы кающих буртов нижних роликов. Этой же причиной обусловлен поворот большей оси эллипса (рис. 17). Деформации отверстий а б Рис. 13. Линия профилирования:

1 – перфоратор;

2 – направляющее устройство;

3 – отсчитывающее устройство;

4 – формующий ролик Рис. 14. Изучение размеров отверстий: а – верхний;

5 – серьга замыкающая;

образцы для исследований;

б – определе – пульт управления;

7 – правильное ние главных направлений деформаций устройство;

8 – летучий штамп от замыканием резной D б.э. D м.э. Dм Dб 80, 0,0 Угол наклона отверстия, град.

70, 0, 60, Степень деформации 50, 0,0 40, 0, 30, 0,0 20, 0, 10, 0,0 0, 01 12 23 3 4 4 Номер перехода 1 12 23 34 45 Но м е р пе ре хода Рис. 16. Поворот большой оси Рис. 15. Деформаций полки по переходам эллипсов относительно кромки уменьшаются к последнему переходу, однако их размеры выходят за допустимые пределы. Заметим, что профиль той же геометрии сечения, полученный по данной технологии из сплошной заготовки, не имел дефектов.

Для снижения деформаций полки путем устранения влияния буртов роликов была использована схема замыкания роликов с коническими участками, протя женность которых не превышала величину одностороннего сужения-стеснения профиля. В этом случае устранялась тангенциальная составляющая силы, влияв шая в предыдущей схеме на вид деформированного состояния и изгиб профиля, в то время как режимы подгибки полок оставались теми же. Изготовленная кон трольная партия профилей (около 500 погонных метров) не имела отклонений от требований чертежа.

Полученные в эксперименте данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами: отклонения не превышали 12%.

Для установления зависимости деформаций отверстий от ширины полки, толщины заготовки и числа переходов был проведен полнофакторный экспери мент, в котором варьировались величины: ширина полки b = 25, 35, 50 мм, толщи на заготовки S = 1,2;

1,6;

2,0 мм, число переходов N, разным значениям которого соответствовали мягкий, средний и жесткий режимы профилированиясо следую щими углами соответственно: 10° – 15° – 20° – 30° – 40° – 45°;

10° – 20° – 30° – 40° – 45°;

10° – 20° – 40° – 45°. Пробивку отверстий в заготовках осуществляли на пневматическом прессе.

Подготовленные заготовки, требуемой ширины и толщины, в количестве штук формовали последовательно, пропуская через шесть, пять и четыре клети профилегибочного станка ГПС-300М6. По результатам экспериментов производи ли расчет логарифмических деформаций и обработку данных с помощью опции "Регрессия" из "Пакета анализа" прикладной программы Microsoft Excel 2003 для установления регрессионной модели. Функции обработки массивов данных, в том числе оценка по критериям значимости, в указанной программе являются встро енными. Модель получена в виде:

E = 0.130 + 0.045 S 0.021 N 0.001 b.

Модель была протестирована на результатах частных случаев эксперимен тального исследования швеллерных профилей и теоретических моделях. Отклоне ния укладываются в предел 14%.

Для изучения предельных воз можностей формообразования МИД проведено численное моделирование процесса формовки швеллерного про- Рис. 17. Распределение напряжений в заготовке филя (рис. 17) с отверстиями различ- на последнем этапе деформирования ного диаметра с помощью пакета AN SYS. Полученные результаты отклоняются от экспериментальных данных не бо лее, чем на 17%.

Для разработки технологии изготовления многоэлементного перфориро ванного профиля (рис. 18) исследовали различные режимы формовки (рис. 19,а), приводящие к деформации отверстий (рис. 20,а) и утонению заготовки в донной части. И только мягкая схема формовки с осадкой (рис. 19,б – модернизированный режим) позволила получить удовлетвори тельное качество отверстия (рис. 20,б).

Рис. 18. Многоэле- а) б) ментный перфориро- Рис. 19. Режимы формовки профиля:

а) один из режимов формовки;

ванный профиль б) модернизированный режим В четвертом разделе рассмотрены основные этапы проектирования технологического про цесса формообразования перфорированных профилей методом интенсивного деформирования, вопросы тех- а нологичности, выбора расположения профиля по отно шению к осям основных валков, расчета заготовки, рас положения оси профилирования, разработки технологи ческих схем, определения углов подгибки, обеспечения б размерной точности профиля, скоростного режима, про ектирования оснастки, выбора материала инструмента.

Указанные этапы базируются на результатах проведен- Рис. 20. Прямоугольное ных теоретических и экспериментальных исследований отверстие 28х9 мм после и представлены на рис. 21 в виде методики (алгоритма) формовки по жесткому разработки технологии изготовления перфорированных режиму (а) и мягкому профилей, используемой для практического проектиро- режиму (б) вания и пригодной для автоматизации технологии МИД.

Внедрение. Патент на перфорирующее устройство внедрен в ООО «НПО «ИДМ» (г. Ульяновск) в виде технических решений по перфорирующим роликам (рис. 22) в составе двух автоматических линий (акт внедрения).

Методика разработки технологии и процессы формообразования перфори рованных профилей внедрены в ОАО «Ульяновский НИАТ» в составе автомати ческих линий, поставленных заказчикам технологии и оборудования (на четыре предприятия РФ). Сданные под «ключ» заказчикам оборудование и технологиче ские процессы используются на предприятиях, указанных в акте технического внедрения. Расчетный годовой экономический эффект от выполненных автором разработок составляет 420,0 тыс. руб. При этом повышено качество изготавливае мых перфорированных профилей, уменьшены трудоемкость и затраты на освоение технологии на 12 – 15 %.

Начало Ввод исходных данных: тип профиля, основные размеры, материал Объявление параметров Анализ оборудования технологичности да нет Изменение Профиль конструкции технологичен?

профиля? Расчет калибров Учет необходимости применения способов Определение предотвращения углов деформации отверстий пружинения Выбор расположения Выбор способа профиля по Выбор основной формовки и отношению к осям оси профиля системы Определение основных валков калибровки пружинения линейных размеров DL Расчет Определение Расчет ширины количества критического угла исходной технологических подгибки крит. заготовки Взаг.

переходов Есть место способа предотвращения деформации отверстий?

Определение углов подгибки N=N+ по переходам i Выбор способа:

1. Применение специального валкового устройства для пробивки отверстий в Расчет Анализ процессе профилирования.

протяженности экономической зоны плавного целесообразност 2. Выбор типа замыкающих перехода Li и увеличения N калибров для торцевого поджатия.

нет крит.i да Увеличение N Проектирование целесообразно?

технологического да нет оснащения LiLm NNБ нет Учет необходимости применения способов нет предотвращения Создание нового Выбор режимов Выбор оборудования деформации отверстий настройки оборудования целесообразно?

оборудования Определение межклетьевого расстояния станка L M=max(Li) Анализ нет экономической Расчет энергосиловых Конец Параметры целесообразности соответствуют? параметров создания нового оборудования да Разработка ТЗ на новое оборудование Учет необходимости применения способов предотвращения деформации отверстий Рис. 21. Алгоритм разработки техно логического процесса производства перфорированных профилей Рис. 22. Перфорирующие устройства по патенту на полезную модель автора ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ На основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований разработана научно-обоснованная методика проектирования технологии изготовле ния гнутых перфорированных профилей методом интенсивного деформирования.

Результаты работы можно резюмировать в следующем:

1. МИД является предпочтительным методом производства широко используе мых в строительстве перфорированных длинномерных профилей, применение ко торых на 15 % выгоднее, чем применение цельных профилей 2. Разработанный и исследованный классификатор факторов деформации от верстий позволил установить основные влияющие факторы: число переходов, па раметры сечения профиля, углы подгибки, схемы формообразования.

3. Разработанные математические модели деформирования полок профиля при нагружении по кромке позволили установить, что напряжения у контура отвер стия могут в три раза превосходить напряжение на кромке, а ослабление разру шающей нагрузки из-за отверстий может снижаться на 25 – 30 %.

4. Математическая модель подсадки заготовки с учетом упрочнения в зоне из гиба и дрейфа НСД позволила установить, что торцевое сжатие разгружает на ружный контур зоны изгиба по деформациям и получать радиусы гиба на 30…50% меньше, чем предельные радиусы при обычной гибке. Пружинение при этом может уменьшаться в 2 – 2,5 раза.

5. Модифицированная методика расчета числа переходов дает возможность расширить сферу приложения полуэмпирической модели, в частности, для профи лей с криволинейными элементами и элементами двойной толщины.

6. Разработанная впервые на основе метода баланса работ модель локального продавливания отверстия по торцу заготовки позволяет проводить анализ техно логичности перфорированных профилей при использовании МИД.

7. Проведенные экспериментальные исследования и конечноэлементное моде лирование процессов формообразования перфорированных профилей позволили построить необходимые регрессионные зависимости, устанавливающие взаимо связь определяющих параметров процесса, подтвердить с точностью до 12 – 17 % аналитические модели и сделать возможным внедрение результатов исследования.

8. Созданная на основе результатов проведенных исследований методика (ал горитм) разработки технологии изготовления МИД перфорированных профилей позволяет повысить качество перфорированных профилей, уменьшить трудоем кость и затраты на освоение технологии на 12 – 15 %.

9. Технические решения по перфорирующей роликовой паре, а также методика разработки технологии внедрены на ряде промышленных предприятий РФ с рас четным годовым экономическим эффектом 420 тыс. руб.

Основное содержание работы

отражено в публикациях, Рекомендованных ВАК:

1. Гудков И.Н. Особенности изготовления в роликах перфорированных уголковых про филей / Филимонов В.И., Гудков И.Н., Марковцев В.А., Филимонов С.В. // Производство проката. – 2004. – №12. – С. 29 – 34.

2. Гудков И.Н. Моделирование интенсивного деформирования перфорированных заго товок при профилировании / Гудков И.Н., Левщанов В.В., Филимонов В.И. // Производ ство проката. – 2006. – №4. – С. 30-35.

3. Патент 2004135480/22 Роликовая пара для перфорации заготовок в процессе их про филирования / Гудков И.Н., Филимонов В.И. – опубл. 12.01.2005 г.

Других изданиях:

4. Гудков И.Н. Способы упрочнения инструмента для разделительных операций // Тезисы док ладов XXXVII научно-технической конференции «Вузовская наука в современных условиях». – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – c. 26.

5. Гудков И.Н. Классификация факторов предельных возможностей формообразования перфо рированных заготовок / Гудков И.Н., Филимонов В.И. // Современные проблемы машино строения и транспорта: Материалы Всероссийской научно-технической конференции (8 – 10 ок тября 2003 г.) – Ульяновск: УлГТУ. – 2003. – с. 79-81.

6. Гудков И.Н. Исследование возможности повышения стойкости рабочих частей штампов / Мурасов А.Ш., Гудков И.Н. // Тез. докладов XXXVI научно- технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях». – Ульяновск, 2002. – 38-39 с.

7. Гудков И.Н. Исследование формообразования перфорированных профилей // Тезисы докла дов XXXVIII научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных усло виях». – Ульяновск, 2004. – 84 с.

8. Гудков И.Н. Совершенствование технологии производства перфорированных гнутых профи лей // Высокие технологии 2004: Сб. тр. науч.-техн. форума с международным участием: В 4 ч. – Ч. 4 – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004. – 60 – 64 с.

9. Гудков И.Н. Применение валковых устройств при производстве гнутых профилей с перфора цией // Материалы 49-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», Часть 1, Москва, МАМИ, 2005 г., С. 32-34.

10. Гудков И.Н. Использование системы LS-DYNA при моделировании технологического про цесса производства гнутых профилей с отверстиями // Тезисы докладов ХХХIХ научно технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях». – Ульяновск, 2005. – С.32.

11. Гудков И.Н. Исследование влияния режима профилирования на качество пробитых отвер стий в гнутых профилях // Вестник Курганского государственного университета. – Серия «Тех нические науки». – Вып.2. – Курган: Изд-во Курганского государственного университета, 2005.

– С.127-128.

12. Гудков И.Н. Способы изготовления перфорированных гнутых профилей // Актуальные во просы промышленности и прикладных наук (ЗНТК-2004): Сборник статей Международной на учно-технической конференции (1 октября – 20 декабря 2004 г.) – Ульяновск: УлГТУ, 2004. – С.25-27.

13. Гудков И.Н. Производство профилей сложной С-образной формы с отверстиями в донной части // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехниче ских систем: Сборник научных трудов. Пятый выпуск - Ульяновск. 2006. - с.171-174.

14. Гудков И.Н. Исследование процесса валковой перфорации / Гудков И.Н., Филимонов В.И. // Наука и технологии Секция 1 Неоднородные материалы и конструкции. Краткие сообщения XXVIII Российской школы (24-26 июня 2008 года, г.Миасс). Екатеринбург. 2008. - С.75-78.

Подписано в печать. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Уч.- изд. л. _. Тираж 100 экз. Заказ.

Ульяновский государственный технический университет.

Типография УлГТУ. 432027, Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.