Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 16
1.1. Применение тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости в отраслях народного хозяйства и за рубежом 16
1.2. Применяемые материалы заготовок для производства гнутых профилей с элементами жёсткости 31
1.3. Существующие технологии производства гнутых профилей 36
1.4. Анализ схем формообразования профилей с элементами жёсткости в роликах, дефекты профилей и требования к готовой профильной продукции 42
1.5. Теоретические и экспериментальные исследования процессов формообразования в роликах гнутых профилей с элементами жёсткости.. 68
1.6. Профилегибочное и вспомогательное оборудование, технологическое оснащение линий профилирования 86
1.7. Анализ номенклатуры гнутых профилей фирм-разработчиков конструкций и технологий. 94 Выводы по главе 1 97
Задачи исследования 100
Глава 2. Теоретические исследования формообразования в роликах профилей с элементами жёсткости 101
2.1. Общие замечания и основные допущения 101
2.2. Классификация гнутых профилей с элементами жёсткости 103
2.3. Расположение сечения профиля в валках последней клети 105
2.4. Число переходов при интенсивном деформировании 112
2.5. Оптимизация углов подгибки полок с элементами жёсткости 122
2.6. Схемы формообразования гнутых профилей и режим формовки элементов профиля 130
2.7. Модель угловой зоны при интенсивном деформировании 133
2.8. Поведение заготовки в межклетьевом пространстве и преемственность технологии 143
2.9. Устойчивость деформирования элементов профиля 154
2.10. Силовые параметры профилирования и контактные напряжения 158
2.11. Модели износа формующих валков 169
Выводы по главе 2 177
Глава 3. Экспериментальные исследования процессов интенсивного формообразования профилей с элементами жёсткости 179
3.1. Методы, оборудование, оснащение и исследуемые профили 179
3.2. Число переходов при формообразовании профилей с ЭЖ 188
3.3. Изменение толщины заготовки при формообразовании 194
3.4. Влияние ширины заготовки на напряжения и деформации угловой зоны, изменение её толщины, радиус изгиба и пружинение 210
3.5. Упрочнение профилей с ЭЖ при формообразовании 216
3.6. Длина ЗПП профилей с ЭЖ и переформовка заготовки 224
3.7. Эффект влияния ширины дна и преемственность технологии производства профилей с элементами жёсткости 238
3.8. Предотвращение потери устойчивости и других дефектов 241
3.9. Износ формующих валков и сохранность покрытия профилей с ЭЖ 248
Выводы по главе 3 255
4. Разработка и изготовление оборудования 257
4.1. Оборудование для производства гнутых профилей 257
4.2. Классификация профилегибочных станков и основные концепции их разработки, изготовления и использования 260
4.3. Приближённая процедура расчёта при проектировании станков 271
4.4. Конструкции и особенности изготовления и приёмки профилегибочного оборудования ООО «Спецтехнология» 272
4.5. Сведения о патентовании технических устройств, применявшихся при выполнении диссертационной работы 286
Выводы по главе 4 289
Глава 5. Разработка технологии производства профилей с элементами жёсткости 291
5.1. Этапы проектирования технологии для производства профиля 291
5.2. Технологичность конструкции и изготовления гнутых многоэлементных профилей и преемственность технологии 292
5.3. Выбор способа формообразования и принципа формовки 304
5.4. Сечение профиля в чистовом калибре и скоростной режим 308
5.5. Технологические схемы формообразования при МИД 311
5.6. Уточнение выбора профилегибочного оборудования 317
5.7. Технологическое оснащение производства гнутых профилей и запатентованные устройства автора для формообразования 319
5.8. Базирование формующих валков и замыкание калибров 327
5.9. Проектирование и конструкции формующих валков 335
5.10. Изготовление формующей и отрезной оснастки 348
5.11. Отработка оснастки, технологии, режимов формообразования, корректировка конструкторской документации 353
5.12. Обобщённая методика (алгоритм) разработки технологии производства профилей с элементами жёсткости 357
Выводы по главе 5 362
6. Внедрение оборудования и технологий производства профилей с элементами жёсткости 364
6.1. Внедрение технологий интенсивного формообразования гнутых профилей с элементами жёсткости, профилегибочного и вспомогательного оборудования для их реализации, использование результатов работы 364
6.2. Характеристики изготовляемых профилей 372
6.3. Технико-экономические показатели технологий производства профилей с элементами жёсткости 379
6.4. Перспективы развития результатов работы 382
Выводы по главе 6 383
Заключение: основные результаты и выводы 384
Список литературы 388
Приложение (акты внедрения ) 434
- Существующие технологии производства гнутых профилей
- Влияние ширины заготовки на напряжения и деформации угловой зоны, изменение её толщины, радиус изгиба и пружинение
- Технологическое оснащение производства гнутых профилей и запатентованные устройства автора для формообразования
- Внедрение технологий интенсивного формообразования гнутых профилей с элементами жёсткости, профилегибочного и вспомогательного оборудования для их реализации, использование результатов работы
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение сложности создаваемых в последние годы видов продукции затрагивает отрасли и производства со значительным потреблением металлопродукции, включая гнутые профили проката. Рост объёмов производства и расширение номенклатуры применяемых гнутых профилей из низкоуглеродистых сталей можно видеть в энергетике, транспортном, промышленном и сельскохозяйственном машиностроении, производстве мебели и особенно в дорожном, промышленном и гражданском строительстве. Увеличивается объём производства профилей с органическим покрытием, усложняются конфигурации сечений гнутых профилей вследствие введения в них элементов жёсткости (ЭЖ). В то же время, снижение транспортных издержек связано с децентрализацией производства гнутых профилей в странах с обширными территориями. Минимизация складской инфраструктуры и оборотных средств потребителей и производителей гнутых профилей приводит к частой смене объектов производства и уменьшению партий поставляемых профилей из-за перехода к современным JIT-технологиям (Just-In-Time = точно в срок) в профилировании, не требующим больших объёмов инвестиций.
В данной работе в качестве объекта исследования был выбран процесс производства гнутых профилей, базирующийся на методе интенсивного деформирования (МИД), который позволяет минимизировать количество и размеры технологического оснащения, а также габариты и энергопотребление применяемого оборудования.
В качестве предмета исследования выбрано формообразование в роликах многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости (ЭЖ) из низкоуглеродистых сталей. Традиционное профилирование (ТП), требующее больших инвестиций со значительными сроками окупаемости и ориентированное на серийное производство профилей, не удовлетворяет вышеуказанным требованиям. Широкому внедрению в промышленность технологий МИД для производства многоэлементных гнутых профилей с ЭЖ препятствовало отсутствие надёжных моделей и рекомендаций для создания технологий, отсутствовало профилегибочное и вспомогательное оборудование, что подчёркивает актуальность темы исследования.
Степень разработанности темы исследования. Методологической и теоретической базой для проведения исследований послужили работы отечественных и зарубежных исследователей в предметной области: Ю.М. Арышен-ского, С.Ф. Березовского, К.Н. Богоявленского, С.И. Вдовина, Ф.В. Гречникова, Г.Я. Гуна, Г.С. Гунна, В.И. Давыдова, М.Е. Докторова, В.И. Ершова, И.М. Кол-ганова, В.В. Колмогорова, А.Д. Матвеева, В.А. Осадчего, Е.А. Попова, Г.В. Проскурякова, И.П. Ренне, В.В. Соколовского, И.С. Тришевского, Р. Хилла, В.И. Филимонова, Н.Г. Шемшуровой, Х. Судзуки и М. Киути, Д. Кокадо и Е. Онода, Г.Т. Халмоса и других.
Существовавшие в 2000-х годах технологии изготовления гнутых профилей в роликах не отвечали требованиям вышеуказанных изменений. Созданный в 1970-е годы Г.В. Проскуряковым стеснённый изгиб (СИ) имел ограниченные
технологические возможности, а традиционное профилирование (ТП) требовало больших капитальных вложений на громоздкое оборудование и технологическое оснащение, которое не окупалось при производстве небольших партий профилей. Обозначенным тенденциям в сфере профилирования в наибольшей степени соответствовал созданный в 2000-е годы метод интенсивного деформирования (МИД), прочно занявший к настоящему времени свою нишу в мелкосерийном производстве. Для реализации этого метода для производства гнутых многоэлементных профилей с элементами жёсткости можно использовать компактное оборудование (с окупаемым в короткие сроки технологическим оснащением), требующее незначительный инвестиционный капитал для создания новых производств.
Кандидатская диссертация автора (2003 года) была посвящена разработке технологии МИД для производства гнутых профилей с гладкими (без ЭЖ) подгибаемыми полками, подверженными кромковой волнистости. Наличие элементов жёсткости приводит к значительному усложнению сечения профиля и технологии его производства. Возникают проблемы минимизации числа переходов, оптимизации углов подгибки несущих полок, переформовки заготовки, обеспечения параметров точности сечения, нарушения покрытия, износа оснастки при формовке заготовок без покрытия (особенно горячекатаных), формовки «глухих» угловых зон, предотвращения дефектов, вызванных асимметрией конструкции профиля и наличием ЭЖ и т.д.
В начале работы широкому внедрению в промышленность этого метода формообразования профилей препятствовали: 1) отсутствие компактного промышленного оборудования; 2) отсутствие надёжных математических моделей процессов формообразования профилей с ЭЖ; 3) отсутствие рекомендаций по проектированию схем формообразования и технологической оснастки; 4) низкая эффективность технических решений, направленных на повышение качества таких профилей; 5) высокий уровень затрат отработки технологии.
Целевой функцией, на которую направлена работа, является повышение качества и расширение номенклатуры сложных гнутых профилей с элементами жесткости (ЭЖ) и вытекающая из этого минимизация складской инфраструктуры и оборотных средств потребителя, что особо актуально в условиях многономенклатурного производства с небольшими партиями запуска и для мелкосерийного производства.
Цель работы: Разработка и освоение экономически эффективных технологий мелкосерийного производства в роликах тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости, создание основы для широкого внедрения импортозамещающих технологий и промышленного оборудования для их реализации.
Для достижения указанной цели работы ставятся следующие задачи:
разработать классификаторы профилей с ЭЖ, дефектов профилей (возникающих при отработке технологии), профилировочного оборудования и условий замыкания валковых калибров;
разработать математические модели формообразования профилей с ЭЖ, охватывающие число переходов, оптимизацию углов подгибки, НДС угло-
вых зон, длину зоны плавного перехода, контактные напряжения в очаге пластической деформации и износ формующей оснастки;
провести экспериментальные исследования формовки профилей с ЭЖ, включающие исследование числа переходов, параметров зон изгиба заготовок, протяжённости зон плавного перехода и износа оснастки с целью верификации разработанных математических моделей, а также исследование качества изготавливаемых профилей;
создать на основе проведённых исследований новую методику разработки технологии и новые конструкции инструмента для изготовления профилей с ЭЖ, а также выработать рекомендации, направленные на снижение затрат на освоение технологии и повышение качества профилей с ЭЖ;
выработать и запатентовать технические решения по созданию технологического оборудования для реализации технологии интенсивного деформирования, изготовить и отладить его для промышленной эксплуатации;
разработать схемы формообразования профилей с ЭЖ, инструмент, провести отладку технологии и внедрить разработанные технологии в производство на российских предприятиях.
Научная новизна работы заключается 1) в разработке математических моделей процесса формообразования профилей с ЭЖ на профилегибочных станках, включающих формализованное описание необходимого числа переходов, формовки угловой зоны, длины зоны плавного перехода, контактных напряжений; 2) в разработке оптимизированных схем формообразования и запатентованных технических решениях, реализующих эти схемы; 3) в новой методике разработки технологий для производства сложных профилей с элементами жёсткости, обобщающей результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке математического и методического обеспечения для технологических процессов формообразования сложных профилей с ЭЖ методом интенсивного деформирования (моделей числа переходов, оптимизации углов подгибки, формовки угловой зоны, длины зоны плавного перехода, контактных напряжений и износа оснастки, обеспечения точности сечения профилей с элементами жёсткости), а также в классификации указанных профилей, их дефектов, профилегибочных станков и замыканий валковых калибров.
Практическая значимость работы состоит в разработке и практическом применении рекомендаций и новой методики (алгоритма с сопутствующими математическими моделями) создания более 250 импортозамещающих технологий для производства тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости, их схемах формообразованиях и конструкциях формующей оснастки, профилегибочном и вспомогательном оборудовании, внедрённых на 80 промышленных предприятиях семи отраслей с расчётным годовым экономическим эффектом более 40 млн. руб.
Методы исследования: 1) аналитические и численные методы механики сплошной среды и теории ОМД (инженерный и вариационный методы, метод
баланса работ, метод конечных элементов); 2) методы статистического анализа; 3) методы измерений геометрических параметров и физических характеристик гнутых профилей (линейных и угловых размеров, микротвёрдости); 4) программные средства МКЭ для моделирования формообразования (модуль LS-Dyna ANSYS, предназначенный для решения нелинейных задач структурного анализа).
Положения, выносимые на защиту:
классификаторы профилей с ЭЖ, дефектов профилей (возникающих при отработке технологии), профилировочного оборудования и условий замыкания валковых калибров;
математические модели формообразования профилей с ЭЖ, охватывающие число переходов, оптимизацию углов подгибки, НДС угловых зон, длину зоны плавного перехода, контактные напряжения в очаге пластической деформации и износ формующей оснастки;
результаты экспериментальных исследований формовки профилей с ЭЖ, включающие исследование числа переходов, параметров зон изгиба заготовок, протяжённости зон плавного перехода и износа оснастки, качества изготавливаемых профилей;
методика разработки технологии и новые конструкции инструмента для изготовления профилей с ЭЖ, технологические рекомендации, направленные на снижение затрат освоения технологии и повышение качества профилей с ЭЖ;
технические решения по созданию технологического оборудования для реализации технологии интенсивного деформирования и результаты его отладки для промышленной эксплуатации;
схемы формообразования профилей с ЭЖ, конструкции инструмента, результаты внедрения технологии и оборудования в промышленное производство.
Достоверность результатов обеспечена за счёт применения альтернативных методов исследования (теоретических, экспериментальных и метода конечных элементов), современных средств моделирования и статистической обработки данных, результатами внедрения. Экспериментальные исследования и результаты внедрения в достаточной степени подтверждают достоверность применяемых теоретических моделей.
Апробация основных результатов работы осуществлена на 16 международных, всероссийских и вузовских конференциях: 1) 3-я международная конференция «Автомобиль и техносфера», 17-18 июня 2003 года, г. Казань; 2) Всероссийское совещание обработчиков давлением «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке материалов», 14-16 мая 2007 года, г. Ульяновск; 3) 41-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 20 января – 3 февраля 2007 года, г. Ульяновск; 4) 44-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 1 – 7 февраля 2010 года, г. Ульяновск; 5) 45-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 24 – 29 янва-
ря 2010 года, г. Ульяновск; 6) II Международная молодежная научная конференция «Гражданская авиация: 21 век», 23 – 24 апреля 2010 года, г. Ульяновск; 7) Научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии в машиностроении», 14 – 15 мая 2010 года, г. Ишимбай; 8) VIII Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века», 12-14 сентября 2010 года, г. Пенза; 9) Третья Международная научно-техническая конференция «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения», 12-14 сентября 2010 года, г. Брянск; 10) Международная научно-практическая конференция «Научно-технический прогресс в металлургии», 11 ноября 2011 года, г. Караганда; 11) Всероссийская научно-практическая конференция «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве», 11 – 12 марта 2011 года, г. Орск; 12) 46-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 23-28 января 2012 года, г. Ульяновск; 13) Восьмая Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», 1-2 июля 2013 года, г. Ульяновск; 14) 48-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 27 января – 1 февраля 2014 года, г. Ульяновск; 15) 49-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 26 – 31 января 2015 года, г. Ульяновск; 16) Девятая Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», 1 – 2 октября 2015 года, г. Ульяновск.
Технологии и оборудование ООО «Спецтехнология» были отмечены дипломами 12 международных и российских выставок: 1) Российская выставка «Строительство. Отделочные материалы. Дизайн-2005», Саратов, 2005 г., 20-23 апреля; 2) 10-я Международная выставка «Волгастройэкспо-2005», Казань, 2005 г., 26–29 апреля (сертификат 12/367); 3) 19-я Международная выставка «Строительство. Осень-2006», г. Самара, 2006, 26-29 сентября; 4) 14-я Международная строительная выставка «Быстровозводимые и мобильные здания», Москва, 2006 г.; 5) Выставка «Современный город», г. Белгород, 2006 г., 9–11 августа; 6) Строительная выставка «Строительный комплекс Большого Урала», Екатиринбург, 2007, 16–18 октября; 7) Международная выставка «METALBuild-2007», Москва, 2007; 8) 16-я, 17-я, 18-я Международная выставка «Стройтех», Москва, 2008, 2009 и 2010 год соответственно; 11) 19-я Международная выставка «Капитальное строительство», Москва, 2011; 12) Выставка «СТИМэкспо», Ростов-на-Дону, 2011, 16-19 марта (за активное продвижение продукции на Юге России).
Лично автором и с его участием разработаны: классификаторы профилей с ЭЖ, их дефектов (90%), математические модели для расчета параметров НДС, изменения толщины и расчета ширины заготовки (60%), зоны плавного перехода (70 %), числа переходов (40%), износа формующей оснастки (60%), включая постановку задач и анализ результатов конечноэлементного моделирования (100%). Лично автором и под его руководством выполнены проекты по поставке технологий производства профилей и сопутствующего оборудования заказчикам (в процентах указана доля соискателя): анализ технологичности ис-
ходных профилей (90%), разработка схем формообразования профилей (60%), разработка рекомендаций и нового алгоритма проектирования технологии для производства профилей с ЭЖ (100%), компоновка автоматизированных линий (80%). Экспериментальные исследования и отладка технологии (60%); внедрений технологий и оборудования на площадях заказчика (30%); патентование способов и конструкций оснастки и оборудования (70%).
Творческое участие автора в публикациях указано в заключении Организации (где выполнялась работа); участие в расчётах и внедрении оборудования указано в разделе 4.5 работы, участие в технологических разработках и их внедрении – в трёх актах внедрения (с указанием использованных работ автора).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в более чем 160 печатных работах (70 – наиболее значимых, включающих 3 монографии, 22 патента и 45 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК). Общий объём публикаций – более 100 условно печатных листов; доля соискателя – 35-40%.
Структура и объём работы. Основной текст диссертации изложен на 387 страницах машинописного текста. Работа включает перечень сокращений, введение, 6 глав, заключение, список литературы из 416 наименований (в том числе 161 работа автора), 254 рисунка, 68 таблиц. Работа содержит приложение (3 сводных акта внедрения).
Существующие технологии производства гнутых профилей
Изготовление гнутых профилей с ЭЖ на профилировочных станках в роликах обладает более широкими технологическими возможностями и определёнными преимуществами (Таблица 1.5) перед процессами прессования [64, 65], горячей прокатки [96], гибки в штампах [67], волочения в фильере [68 – 70], гибки в кромкогибочных машинах [66], проглаживания по пуансону [71] (Рисунок 1.18). Указанные процессы основательно рассмотрены в нашей книге [23].
Следует отметить комбинированные способы формовки профилей [118, 119] с целью получения утолщений в зонах изгиба (Рисунок 1.19), созданные в интересах авиационной промышленности. Несколько способов, сочетающих прокатку и волочение, были предложены И.М. Колгановым [82].
Для предотвращения аксиальной деформации в способе [119] предварительно формуют заготовку в роликах, а затем осаживают её в закрытом штампе, имеющем три сопряженных между собой участка – плющения, осадки и калибровки. Формовку профиля выполняют впередвижку с удержанием участков, прилегающих к очагу пластической деформации протяженности l, путем их обжатия в пределах упругости (см. Рисунок 1.19б). На основе закона кратчайших нормалей была определена длина упругих участков 1упр: где b - ширина зоны плющения; s - толщина стенок профиля; os, [оу] - предел текучести и предел упругости материала заготовки соответственно.
При толщине заготовки более 1,5 мм этим способом удается получить длинномерные профили с радиусами зон сгиба меньше допустимых, что представляет собой его несомненное достоинство. Однако на профилях остаются следы зон перекрытия при общем высоком уровне остаточных напряжений.
Методы изготовления гнутых профилей в роликах (Таблица 1.6) [23] можно условно разделить на традиционное профилирование (ТП) [4, 120, 8, 6, 63], интенсивное деформирование (МИД) [14, 23, 24, 60] и стеснённый изгиб (СИ) [13, 18, 82]. Для серийного производства профилей методом ТП используют много-клетьевые станки с диаметрами роликов более 250 мм [73] и числом клетей до 52 [23, 48] или даже до 60 и более [121], что требует развитой инфраструктуры предприятия и значительных инвестиционных ресурсов [60, 48, 122]. Сравнительно небольшое число переходов, компактность и малая стоимость оборудования, применяемого для реализации МИД [23, 47, 60], делают его более эффективным в средне- и мелкосерийном производстве, чем традиционное профилирование.
Стеснённый изгиб непригоден для производства многоэлементных профилей с элементами жёсткости, поскольку позволяет изготовлять профили только открытого сечения высотой (как правило, до 30 толщин заготовки) [82, 83] и используется преимущественно в авиастроении [18]. Более широкие технологические возможностями МИД для изготовления многоэлементных профилей с элементами жёсткости [123, 124] по сравнению с СИ обеспечивают широкое применение метода интенсивного деформирования в сфере малого бизнеса.
Рассматриваемые методы формообразования также различаются применяемым технологическим оснащением. Для ТП характерно использование открытых калибров с высвобождением зон изгиба; контур калибра состоит из прямых линий, сопряжённых дугами окружностей [6, 64, 63]. В МИД применяют закрытые калибры с заданными параметрами допусков и условий замыкания калибров [125, 126], а диаметры формующих роликов в МИД обычно в 1,5 раза меньше, чем в ТП [60]. В ТП радиусы изгиба принимают, как правило, переменными по переходам [6, 63, 127], в то время как в МИД они постоянны для всех переходов [23, 60]. Хотя это, конечно, «ужесточает» схему формовки [60, 128] и может вызывать кромковую волнистость [129 – 131], однако упрощает расчёты и изготовление формующей оснастки. Предотвращение кромковой волнистости [132 – 135] может достигаться натягом кромки [133], учётом влияния ширины дна профиля посредством изменения режима подгибки его элементов или другими способами [134, 135]. В МИД выбор соотношения развёртки калибра и ширины заготовки [136, 137] обеспечивает подачу тангенциального сжатия в зону изгиба с целью разгрузки наружного контура и уменьшения радиуса в 1,5 – 2 раза меньше допустимого без разрушения заготовки [23, 138] при достижении утолщения угловых зон до (5 – 10) % [46, 139]. Это даёт возможность формовки многоэлементных профилей из высокопрочных материалов на дешёвом и компактном оборудовании с небольшим энергопотреблением при минимальном количестве средств технологического оснащения, что сокращает затраты на технологическую подготовку производства и минимизирует время и трудоёмкость переналадок оборудования [60].
Рассматриваемые методы различаются также их схемами формообразования и подгибки элементов [23, 60]. В традиционном профилировании деформация изгиба и продольная деформация подгибаемых полок приходятся на границу упруго – пластической области, а в СИ продольная деформация всего профиля обычно превышает (1,0…1,5)% при значительных размерах пластических зон. В МИД продольная деформация полок – знакопеременная: перед осевой плоскостью формующих роликов она является деформацией растяжения, а за их осевой плоскостью становится деформацией сжатия за счёт приращения базового диаметра роликов, обеспечивающего так называемый эффект «пластического шарнира» [23]. Этим гарантируется незначительная суммарная продольная деформация профиля, которая обычно не превышает (0,3 – 0,5) %.
Влияние ширины заготовки на напряжения и деформации угловой зоны, изменение её толщины, радиус изгиба и пружинение
Избыточная ширина заготовки может приводить к некоторым нежелательным последствиям: затруднительному заходу заготовки в калибр, уменьшению радиуса изгиба при высвобождении наружного контура, повышенным контактным давлениям или потери устойчивости при высвобождении внутреннего контура зоны изгиба [23]. Влияние торцового поджатия3 на параметры зоны изгиба изучали с использованием модуля LS-Dyna программы ANSYS (прокатка трапециевидной заготовки за четыре перехода в уголок 2525s) с ограничением по наружному контуру для заготовок из стали 3сп толщиной 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 мм [196]. Первоначально проводили тестовое решение задач для различных толщин заготовки, которое показало схожесть процессов деформирования, поэтому рабочее моделирование проводили для заготовки условно – единичной толщины со скоростью нагружения, которая соответствовала реальной скорости формообразования. Применяли элементы solid164 (расчёт изменения толщины), shell163 (расчёт изменения пружинения и радиуса). В качестве пре-3 Построение модели процессора использовали программу Solid Works, а результаты снимали с помощью опций Selection plane и MEASUR (встроенного постпроцессора Ansys) с поперечных сечений заготовки. Процесс разбивали на ряд последовательных шагов, наиболее характерные из которых приведены на Рисунке 3.17.
Рисунок 3.17,а показывает монотонное изменение радиуса изгиба до посадки наружного контура зоны изгиба на рабочий контур нижнего валка к 85-му шагу нагружения. Дальнейшее нагружение за счёт избытка ширины заготовки приводит к утолщению угловой зоны и прилегающих участков, подверженных локальной потере устойчивости, а зона изгиба охвачена напряжениями сжатия, существенно превышающими предел текучести материала заготовки (см. Рисунок 3.17,б).
Рисунок 3.18 показывает распределение окружных деформаций по биссектрисе угла (а) и по углу (б), а также распределение напряжений по биссектрисе угла (б) на шаге нагружения 80. МКЭ-анализ двух остальных деформаций (радиальной и продольной) показывает, что условие плоской деформации выполняется (продольная деформация в любой точке заготовки на биссектрисе угла не превышает 0,4 %). Условие несжимаемости также выполняется: (є?-/- є2+ є3=0, где ЄІ -і- я главная деформация).
Отсюда видно, что торцовое поджатие позволяет разгрузить наружный контур, обеспечивая возможность гибки на радиус, меньший допустимого, хотя и при дополнительном нагружении внутреннего контура. Однако при высвобождении наружного контура возможно существенное уменьшение радиуса изгиба и появление «зажимов» на внутреннем контуре [23].
Подставляя соответствующие значения напряжений с Рисунка 3.18,в в последнюю формулу, получим, что практически во всех точках биссектрисы угла выполняется условие ns » 0 (случай плоской деформации).
Аналогичные закономерности формообразования наблюдаются и на других этапах нагружения, однако после посадки наружного контура заготовки на инструмент, окружные деформации пребывают в стадии стагнации. Эта ситуация соответствует случаю аксиального течения материала (условие плоской деформации не выполняется). На практике чрезмерное торцовое поджатие предотвращается за счёт надлежащего выбора ширины заготовки.
При избытке ширины заготовки и высвобождении угловой зоны валкового калибра часто бывает весьма трудно теоретически предсказать величину радиуса, утолщения и пружинения заготовки, в то время как МКЭ является достаточно эффективным инструментом для таких исследований. Оцифровка указанных параметров по шагам моделирования (см Рисунок 3.17), представлена на Рисунке 3.19 в терминах безразмерных величин совместно с экспериментальными данными формовки уголкового профиля 25x25x1,0 за четыре перехода с режимом подгибки 120-12-120-9. Применяли верхние валки с радиусами скругления 2 мм, а нижние валки - с высвобождением угловой зоны. Использовали трапециевидную заготовку из стали Зпс длиной 1400 мм, с шириной оснований 47 и 51 мм, а также три прямоугольных заготовки той же длины с шириной 47,9; 48,3 и 48,7 мм с точностью подрезки ±0,02 мм. Для исследования зависимости утонения и радиуса изгиба от избытка ширины заготовки, трапециевидную заготовку размечали поперечными рисками в диапазоне от 360 до 840 мм (с отсчётом от узкого конца) через каждые 40 мм для последующей разрезки и исследования образцов. Пружинение исследовали на профилях, изготовленных из прямоугольных образцов. Экспериментальные данные, приведенные к безразмерным величинам, представлены на Рисунке 3.19 в виде круглых, квадратных и треугольных маркеров с указанием погрешностей линейными маркерами. Здесь же показаны аппроксимирующие зависимости для автоматизированных расчётов (с указанием достоверности аппроксимации), полученные обработкой экспериментальных данных в пакете MS EXCEL-2007.
Сравнение результатов моделирования и эксперимента показывает, что в реальном процессе утолщение и пружинение несколько меньше, чем это предсказывает конечноэлементная модель. Для обоих случаев тенденция изменения радиуса изгиба с увеличением избытка ширины заготовки практически одна и та же. Критическое значение избытка ширины заготовки, показанное пунктирной линией, установлено из условия локальной потери устойчивости (изгиба полки). Как показывает анализ напряжений в модели МКЭ, величина торцового поджатия при относительном избытке ширины заготовки 0,7 не превышает 0,5ss, что согласуется с данными работы [23]. Набора толщины не происходит, если наружный или оба радиуса изгиба задаются инструментом.
При оптимальной относительной величине избытка ширины заготовки 0,4 (показана пунктирной линией) окружные деформации на наружном контуре не превышают (8 – 10) %, а на внутреннем контуре лежат ниже границы в 25 %, что свидетельствует о разгрузке (в 2,0…2,5 раза) наружного контура. Эволюция конечно-элементной сетки в зоне изгиба показывает, что наружный слой элементов на всем протяжении процесса практически не меняет своей толщины (образуется застойная зона), а внутренний слой подвержен существенному изменению толщины. Это даёт возможность производить изгиб заготовки на меньший радиус. Однако значительное торцовое поджатие при малом радиусе изгиба может приводить к повреждению внутреннего контура зоны изгиба (Рисунок 3.20). Механизм этого явления реализуется через деформации сдвига [102] вследствие касательных напряжений, распределение которых имеет вид двугорбой кривой [23, 60, 222].
Полученные зависимости также имеют существенное значение для формовки «слепых» угловых зон с односторонним доступом инструмента, если схема формообразования допускает подачу в них поперечного (торцового) поджатия за счёт конструкции формующих валков [60]. Однако приложение чрезмерной поперечной силы может приводить к локальному выпучиванию полки во внутрь, что требует предварительных исследований с помощью МКЭ локальной устойчивости заготовки. В крайнем случае, можно использовать внутреннюю проводку (дорн) [350, 351].
Отметим, что при профилировании пружинение меньше, чем при гибке в открытых штампах [221], а приложение торцового поджатия в пределах оптимального избытка заготовки позволяет уменьшить пружинение примерно в два раза (см. Рисунок 3.18). Приведенные результаты экспериментальных исследований и моделирования хорошо согласуются с теоретической моделью (2.55), иллюстрированной Рисунком 2.33.
Таким образом, избыток ширины заготовки при высвобождении угловых зон позволяет расширить возможности технологии в части изменения конфигураций угловых зон профиля, а возникающее при этом торцовое сжатие дает возможность разгрузить наружный контур зоны изгиба для получения радиусов изгиба меньше допустимых. Использование разработанных моделей и конечно-элементного анализа позволяет создавать технологии профилирования в валках с экономией трудовых, материальных и энергетических ресурсов с обеспечением достаточной точности и надежности расчетов. В целом, различие полученных экспериментальных данных и результатов аналитических или МКЭ расчётов по заявленной номенклатуре профилей с ЭЖ не превышает (6...9)%, в редких случаях достигая (13…17)%.
Технологическое оснащение производства гнутых профилей и запатентованные устройства автора для формообразования
Проектируемый инструмент для формообразования профилей с ЭЖ и выполнения разделительных операций должен отвечать требованиям функционального назначения, стойкости, экономичности, а также эргономическим требованиям (удобство установки валков, настройки оси профилирования; установки зазоров, монтажа штампов, их обслуживания, замены и пр.) [23]. Разделительные операции процессов изготовления профилей с ЭЖ в подавляющем большинстве случаев выполняются по традиционным схемам с использованием стандартно проектируемого и производимого инструмента [221, 235, 246, 259, 262]. Исключение составляют валковые перфорационные пары, встраиваемые в автоматизированные линии [286]. Технологическое оснащение для изготовления листовых профилей по группам основных операций представлено в табл.5.4 [286].
Пункты 1,2 и 4 в Таблице 5.4 относятся к разделительным операциям, оснащение которых приведено ниже в разделе 5.10.
Запатентованные автором технические решения по технологическому оснащению процессов формообразования гнутых профилей с ЭЖ [271] даны в описании ниже по тексту. Валки для интенсивного формообразования представлены в отличительной части профилегибочного стана (по патенту [376]), в котором: 1) нижние валки сопряжены с верхними; 2) валки выполнены различной ширины; 3) распорные втулки, устанавливаемые по обе стороны от охватывающего валка, образуют «постоянный одинаковый размер суммарной размерной цепи от основной оси профиля до установочной базы в каждом калибре каждой клети» [376].
Условия замыкания валковых калибров представлены в отличительной части патента [378] на клеть профилегибочного стана, в которой «формующие валки соединены торцевыми сопрягаемыми поверхностями посадкой «в замок» по H7/h7, а также выполнены замкнутыми по всему периметру рабочего контура и при горизонтальном расположении краев профиля ограничены по торцам упомянутыми выступами, а при вертикальном расположении краев профиля – уступами» [378]. Указанные патенты [376, 378] представляют наиболее общие особенности формующих валков для формообразования профилей с элементами жёсткости при использовании МИД.
Для изготовления профилей с покрытием требуется использовать «мягкие» схемы формообразования путём распределения углов подгибки по переходам и обеспечением «мягкого» контакта заготовки с замыкающими элементами валков [24]. Этим условиям удовлетворяет комплект валковых (роликовых) пар [362], в котором образующие боковых рабочих поверхностей валков расположены под углом к к горизонтали, вычисляемым по формуле
При изготовлении профилей с ЭЖ из высокопрочных или толстых заготовок (особенно горячекатаных) происходит интенсивный износ формующих валков из-за больших контактных напряжений [255], а при производстве профилей с покрытием - нарушение покрытия из-за скольжения, связанного с различием линейных скоростей рабочих поверхностей валков [24]. Ранее указанные проблемы решали за счёт увеличения числа клетей.
Автором предложен комплект формующих валков для интенсивного формообразования гнутых профилей (согласно патенту [358]), в конструкцию которого введены фиксированные антифрикционные элементы-вставки (Рисунок 5.10,а). Вставка верхнего валка покрывает ширину зоны изгиба заготовки и простирается на величину 2s (s - толщина заготовки) в сторону середины валка, а вставка нижнего валка (в форме усечённой конической шайбы) покрывает 1/3 конической образующей нижнего ролика с отсчётом от его цилиндрического участка. Назначение указанных геометрических параметров вставок обосновано исследованием формовки профилей с ЭЖ в наших работах [255, 335]. Антифрикционные элементы-вставки можно выполнять сборными и поворотными, с возможностью вращения друг относительно друга (Рисунок 5.10,б). Верхний валок с фиксированными вставками (см. Рисунок 5.10,а) одного из первых переходов включает элементы: центральный 1, антифрикционный 2 и периферийный замыкающий 4. В указанных элементах выполнены отверстия с пазами для их соединения стяжными винтами 5 с пружинными шайбами. Заготовка 6 располагается в калибре, образованном верхним и нижним валком. Элементы 7, 9 и 11 нижнего валка стягивают винтами 10 с пружинными шайбами.
В валковой паре с поворотными антифрикционными вставками [358, 286] (см. Рисунок 5.10,б), кроме фиксированных вставок 2 и 9, имеются также поворотные элементы 3 и 8 для верхнего и нижнего валка соответственно. Такие пары применяют преимущественно на последних переходах. Фиксированные шайбы из антифрикционного материала уменьшают силу трения скольжения, а поворотные составные шайбы позволяют заменить силы трения скольжения на силы трения качения в местах максимальных контактных напряжений.
Центральные и замыкающие элементы валков могут выполняться преимущественно из стали 45 или ХВГ с последующей закалкой, а шайбы – из бронзы или других антифрикционных материалов достаточной прочности. Составные шайбы могут сопрягаться по коническим поверхностям, в частности, по коническим поверхностям с углом наклона образующей, равным углу подгибки полки профиля в текущем переходе [358]. Применение указанных валков [286] позволяет сократить число переходов, повысить качество профилей с ЭЖ, а также уменьшить затраты на их освоение и производство.
В случае использования профилегибочного оборудования с недостаточным для изготовления заданного профиля числом клетей, приходится прибегать к вынужденной мере – применению межклетьевых проводок [23, 203, 347]. Потребность в проводках может возникать при изготовлении профилей из материалов с лакокрасочным покрытием, со сложными периферийными ЭЖ, с внутренним фальцевым соединением и т.д.
Автором работы запатентованы три вида проводок [385, 351, 387] различного назначения. Межклетьевая проводка профилегибочного стана [385] предназначена для производства особо широкополочных профилей и профилей с покрытием невысокой прочности. Проводка (Рисунок 5.11,а) [385] служит для придания поперечной кривизны (с целью предотвращения кромковой волнистости) и догибки подгибаемой полки профиля 1 с помощью роликов 7. Ролики жёстко установлены на осях ползуна 5, имеющего возможность позиционирования вдоль направляющей 6, которая шарнирно соединена со стойкой 8 винтом 3, замкнутым на направляющую 6 через поперечину 2. Поперечина 2 соединена шарнирно с натяжкой 4, имеющей возможность поворота и фиксации в дисковой головке с широким пазом стойки 8. Регулировка стойки по высоте (по отношению к поверхности рабочего стола станка) осуществляется прокладками, а её основание крепится через два отверстия к рабочему столу станка двумя винтами.
Комбинированная межклетьевая проводка (Рисунок 5.11,б) [351] имеет многоцелевое назначение (Таблица 5. 5) [350]. Она включает (см. Рисунок 5.11,б) трансверсально регулируемое основание с двумя стойками 1, замкнутыми сверху пластиной 2 с отверстием в средней части под регулировочный винт 3, перемещающий посредством пластины 4 швеллер 5 по профилированным пазам стойки 1. К средней части швеллера 5 крепится кронштейн 6 (с элементом скольжения проводки) посредством винта 7. Продольный паз 8 в стенке несущего швеллера обеспечивает независимую регулировку кронштейна 6 по высоте относительно жестко смонтированного на швеллере кронштейна 9, к которому крепится с возможностью поворота блок качения проводки.
Угол наклона блока качения обеспечивается стопорно-регулировочными гайками 10 и поворотной вставкой 11, закреплённой резьбовыми штифтами шар-нирно в полках швеллера. Вырез 12 в несущем швеллере обеспечивает необходимый поворот вставки 11 и пропускает через себя регулировочную тягу 13, шар-нирно соединённую с осью 14, на которой посредством шайбы 15 и гайки 16 удерживается ролик 17 (элемент качения). Ролик 17 служит для формовки или удержания подгибаемой полки профиля 18, а упругий элемент скольжения 19, смонтированный на планке 20, подгибает полку 18 с её периферийным ЭДТ. Поперечная регулировка планки 20 осуществляется за счёт паза 21 в кронштейне 6.
Внедрение технологий интенсивного формообразования гнутых профилей с элементами жёсткости, профилегибочного и вспомогательного оборудования для их реализации, использование результатов работы
Основные научные работы автора (3 книги, 45 статей в журналах ВАК и более 20 изобретений) охватывали следующие проблемы в производстве многоэлементных гнутых профилей с ЭЖ: 1) Классификация профилей, их дефектов, способов формообразования; 2) Напряжённо-деформированное состояние и силовые параметры профилирования заготовок в валках 3) Оптимизация схем формообразования профилей; 4) Обоснование и разработка способов предотвращения дефектов профилей при их формообразовании; 5) Обеспечение размерной точности профильной продукции; 6) Установление предельных возможностей процессов профилирования; 7) Оптимизация формообразующей оснастки и прогнозирование её износа; 8) Разработка и расчёты оборудования.
Результаты проведенных автором с 2003 по 2017 год исследований в области создания технологий для производства многоэлементных гнутых профилей с ЭЖ и разработки специализированного оборудования для реализации этих технологий внедрены в указанный период на ряде российских и белорусских предприятий (см. Акты внедрения №№ 1, 2 и 3 в Приложении). Базовыми предприятиями-разработчиками технологий и изготовителями оснащения (а иногда и оборудования) были НПО «ИДМ» и ООО «Спецтехнология» (г. Ульяновск), которые поставляли заказчикам «под ключ» отлаженные на собственном производстве автоматизированные линии, профилегибочные станки, вспомогательное оборудование, оснащение под ранее приобретённое заказчиками профилегибочное и вспомогательное оборудование [23, 60].
Полный цикл разработки и внедрения новых технологий производства гнутых профилей с ЭЖ включает: анализ требований заказчика, преемственности технологии и технологичности профиля (АТ), расчёты и разработку схем формообразования (СФ), разработку оборудования (РО), авторский надзор и испытание оборудования (АН), разработку КД на технологическое оснащение (КД), исследование и отработку технологии (ИО), внедрение технологий и оборудования на площадях заказчика (ВЗ). Принятые сокращения использованы в Актах внедрения для указания творческого участия автора, в том числе в акте № 3, который в качестве примера приведён в тексте работы (Таблица 6.1).
Полные акты внедрения № 1, 2 и 3 включают 66, 105 и 19 позиций соответственно, по которыми выполнено около 340 договоров на разработку технологии и оборудования для производства более 500 типоразмеров профилей за период с 2004 по 2016 год. Создание новой технологии в профилировании можно условно разделить на две стадии: 1) Исследование процессов, расчёт и проектирование; 2) Внедрение технологии.
Регламент внедрения технологии предусматривает: 1) Сдачу КД на технологическое оснащение в производство; 2) Проведение авторского надзора за изготовлением инструмента; 3) Приемочные испытания и апробирование технологического оснащения; 4) Отработку технологии; 5) Получение опытной партии профилей; 6) Метрологический анализ профилей и их исследования; 7) Оформление технической документации, внесение изменений и примечаний в КД на технологическое оснащение; 8) Передачу оснастки и документации заказчику; 9) Запуск технологии каждого из профилей в серийное производство; 10) Получение заключения ОТК и ЦЗЛ на каждый профиль; 11) Оформление акта о завершении работ по договору. В техническом плане, этапы внедрения достаточно подробно описаны в Главе 5 работы, откуда следует, что разработка и внедрение технологии предусматривает не только оптимизацию технических, но и организационных решений. Автор работы являлся руководителем 80% разработок (хозяйственных договоров), в рамках которых шло освоение новых профилей, и принимал в них личное участие (Таблица 6.3).
На Рисунке 6.4 – 6.6 показаны фотографии некоторых из освоенных в ООО «Спецтехнология» и внедрённых на предприятиях страны многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости за последнее десятилетие.
Подавляющее число (до 70%) внедрённых технологий применяются в строительной индустрии, а также значительное количество – в автомобильной (стеклоподъёмники, бамперы, обрамления дверей рефрижераторов и т.д.) и электротехнической промышленности.
Алгоритм (методика) создания технологии производства профилей с ЭЖ, расчётные зависимости, программы в MathCAD2001Pro, рекомендации по различным вопросам разработки и проектирования технологии, в том числе зависимости для расчёта стойкости валков (см. Главы 2 – 5) применяются в ООО «Спецтехнология» [271, 327]. Результаты исследований используются в учебном процессе на профильных кафедрах Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ) и Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва: студентами – для выполнения курсовых и дипломных проектов, конкурсных работ, а также аспирантами кафедры (книги и статьи автора, материалы для спецкурсов) [327]. В соавторстве с аспирантами опубликовано несколько десятков работ по совместным исследованиям; по тематике производства гнутых профилей на основе МИД защищены 7 кандидатских диссертаций (с 2003 года). Поставленные заказчикам оборудование и технологии (формующее, перфорирующее и отрезное оснащение) обеспечивают надлежащее качество профилей, в ряде случаев замещающих дорогостоящую импортную профильную продукцию.