Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное оборудование для производства профилей 5
1.1. Производство сортовых профилей 6
1.2. Производство гнутых профилей 14
1.3. Сортамент сортовых и гнутых профилей 26
1.4. Анализ типовых конструктивных схем гибочных станов, их элементов и технологического инструмента 38
1.5. Типовые конструктивные схемы технологических штампов листогибочных прессов и их элементов 45
1.6. Анализ процесса формоизменения при пластическом изгибе 54
Глава 2. Экспериментальные исследования 77
2.1. Исследование утонения полосы при гибке усилием с фиксированным внутренним радиусом (V-образная гибка) — 80
2.2. Исследование утонения полосы при гибке усилием со свободными наружным и внутренним радиусами (V-образная гибка) 92
2.3. Исследование деформации при гибке полосы с помощью координатной сетки (V-образная гибка) 94
2.4. Исследование утонения полосы при гибке моментом (П-образная гибка) 100
2.5. Исследование силовых параметров при гибке 105
Глава 3. Развитие теории гибки профилей 112
3.1. Определение конечной геометрии листовой заготовки при гибке моментом 112
3.2. Гибка листовой заготовки моментом без учёта упрочнения металла 117
3.3. Гибка листовой заготовки моментом с учётом упрочнения металла 128
Глава 4. Определение конечной геометрии листовой заготовки при гибке в угловых штампах и калибрах 137
4.1. Бесконтактная гибка полосы 139
4.2. Гибка при фиксированном внутреннем радиусе полосы 150
4.3. Гибка при фиксированном наружном радиусе полосы 154
4.4. Гибка жёстко зафиксированной полосы 157
4.5. Уточнение технологии гибки 164
4.6. Силовые и энергетические параметры гибки 168
Глава 5. Совершенствование валковых узлов профилегибочных станов 173
5.1. Прочность и размеры калибра 173
5.2. Расчёт калибра на жёсткость 181
5.3. Совершенствование конструкции профилегибочных станов 188
Общие выводы 189
Библиографический список использованной литературы 190
- Анализ типовых конструктивных схем гибочных станов, их элементов и технологического инструмента
- Исследование деформации при гибке полосы с помощью координатной сетки (V-образная гибка)
- Гибка листовой заготовки моментом без учёта упрочнения металла
- Гибка при фиксированном наружном радиусе полосы
Введение к работе
Существующее технологическое оборудование для производства гнутых профилей использует метод холодной прокатки, позволяющий значительно повысить производительность процесса.
Преимущества гнутых профилей, определяющие быстрое развитие их производства, обусловлены широкими возможностями процесса профилирования и его высокими технико-экономическими показателями, а также большим комплексом технологических достоинств, а именно: высоким качеством поверхности, одинаковой толщиной полок и стенок по всему сечению профиля, возможностью изготовления профилей сложной конфигурации.
Профили могут быть изготовлены из самых различных материалов: горячекатаной и холоднокатаной углеродистой и низколегированной стали, цветных металлов и сплавов, допускающих холодную обработку, а также сталей с различными видами антикоррозионных и декоративных покрытий.
• Отсутствие дефектов на поверхности гнутых профилей позволяет получать их с высокой чистотой поверхности наряду с высокой конструкционной прочностью и коррозионной стойкостью.
Однако в производстве гнутых профилей существуют определённые трудности, связанные прежде всего с выполнением заданных чертежом размеров по изгибаемой части профиля. Утонение полосы в месте изгиба ведёт к отклонению геометрических размеров профиля от требуемых и соответственно к определённому снижению прочностных параметров.
Основной задачей данной работы является проектирование и усовершенствование профилегибочных агрегатов для получения более широкого сортамента гнутых профилей, что связано с уточнением технологических процессов гибки.
Анализ типовых конструктивных схем гибочных станов, их элементов и технологического инструмента
Анализ приведённых выше методик расчёта штампов для различных схем гибки показывает, что конструкции самих штампов не универсальны по сравнению с рабочими клетями профилегибочных агрегатов. Работа прессов не обеспечивает достаточного автоматизма выполнения операций. Для некоторых операций необходимо вмешательство человека, например в случае с листогибочным прессом (рис. 1.21). Кроме того, большая стоимость штамповои оснастки не позволяет широко использовать их при производстве гнутых профилей.
Общим недостатком, как профилирования, так и гибки в штампах, является: Г. Отсутствие точных методик выбора заготовки. Поэтому выбор заготовки;на производстве осуществляется опытным путём. При этом трудно учитываемым фактором является не столько утонение в местах изгиба, сколько зачастую возникающее здесь же утонение с растяжением. В результате даже для V-образной гибки, где отсутствует подобный вид деформации, расчёт заготовки следует считать упрощённым. 2. В существующих методиках не учитываются эксплуатационные режимы работы штампа: его использование для угловой гибки и П-образной в качестве чернового, предчистового или калибрующего инструмента, не проводится разграничение по жёсткостным параметрам в соответствии с направленностью перехода. Поэтому задачей настоящих исследований на основании технологических режимов обработки, должна быть разработана: а) методика уточнённого прочностного расчёта инструмента и оборудования; б) методика проверки оборудования на выполнение точностных показателей. В основе существующих прикладных методов расчёта пластического изгиба легли исследования, проведённые отечественными и зарубежными учёными: А.А. Ильюшиным [46], Н.Н. Малининым [47], Е.А. Мошниным [48], А. Надай [49] [50], И.П. Ренне [51]; В.П. Романовским [52], Р. Хиллом [53] и др. Уточнением теории изгиба и проблемами листовой штамповки занимались Е.А. Попов [54], [55], И.А. Норицын [56] и др. Многочисленные исследования показали, что напряжённое и деформированное состояние при пластическом изгибе зависит от формы и размеров поперечного сечения исходных заготовок [57], [46]. В этом отношении следует различать узкие заготовки, у которых ширина (в направлении образующей) соизмерима с толщиной, и широкие заготовки, у которых ширина несоизмеримо больше толщины. К первому типу относятся гнутые детали из полос и профилей, ко второму — детали из листового металла. В общем случае изгиб заготовки осуществляется одновременным действием внешних изгибающих моментов, а также при помощи продольных и поперечных сил [49]. Под действием внешних нагрузок заготовка теряет свою прямолинейную форму и становится криволинейной (рис. 1.24, а). Это выражается в том, что поперечные сечения параллельные и плоские до деформации наклоняются друг к другу под определённым углом р, с радиусом кривизны рн по срединной поверхности. В процессе изгиба толщина заготовки разделяется на два материальных слоя: один из них испытывает в тангенциальном направлении деформацию растяжения ( х7), второй -деформацию сжатия — а2 (рис. 1.24, б). Общей границей этих зон является нейтральная поверхность с радиусом рн, в которой тангенциальные напряжения и деформации, получающиеся при изгибе, обращаются в ноль. Всё выше сказанное хорошо видно при проведении эксперимента, в котором на боковую поверхность прямоугольного сечения наносится ортогональная сетка в виде продольных и поперечных прямых (рис. 1.25) [18]. После деформирования на участке пластического изгиба продольные прямые принимают криволинейное очертание, а поперечные — остаются прямыми. Отсюда можно сделать вывод, что угловые деформации в плоскости изгиба отсутствуют, и поперечные сечения образца при деформации не искривляются [54]. толстом чистота lime Фактически это есть доказательство того, что все сечения однородного образца (заготовки) при чистом изгибе не искривляются, а лишь поворачиваются относительно вертикальной плоскости. О наличии существования нейтрального слоя также свидетельствует тот факт, что часть продольных волокон образца, расположенные ниже некоторого слоя будут растянуты, а выше этого слоя - сжаты. Следовательно, ниже нейтрального слоя в поперечных сечениях действуют растягивающие нормальные напряжения, а выше этого слоя — сжимающие. Говоря о пластическом изгибе, не лишним будет упомянуть и о механизме его образования. Первые признаки пластической деформации начинают возникать в металле при некоторой определённой нагрузке, выражающейся через определённый радиус кривизны срединной поверхности. При этом, в поверхностных слоях заготовки появляются первые пластические деформации (рис. 1.26, а) [49]; По мере дальнейшего деформирования, толщина зон пластических деформаций увеличивается (рис. 1.26, б). Пластическая деформация распространяется вглубь от поверхностей заготовки, а толщина упруго - деформированного слоя уменьшается по мере увеличения кривизны срединной поверхности. Этот механизм продолжится до тех пор, пока обе зоны не а) сомкнутся (рис. 1.26, в). В этом месте образуется Пластическая одластЬ (Пластическая области Пластическая оІлаппЬ, так называемый пластический шарнир и его 5} появление будет характеризоваться полным охватыванием всего сечения пластическими деформациями.
Исследование деформации при гибке полосы с помощью координатной сетки (V-образная гибка)
Таким образом, из решения данного примера видно, что наибольшие напряжения действуют в щеках калибра. Наиболее напряжёнными элементами являются сечения в щеках по галтели сопряжения бочки калибра и щеки с внутренней стороны бочки. Для уменьшения концентрации напряжений в гантельном переходе его рекомендуется выполнять с максимально большим радиусом.
Совершенствование конструкции профилегибочных станов связано с необходимостью обеспечения надёжной работы стана при производстве качественных гнутых профилей. Для этого необходима проверка: 1. Прочности валка по диаметру бочки D6 (см. рис. 5.5) и необходимой ширине щёк 1Щ, определяемым при расчете напряжений о-7, о , а3 с учётом наибольшей допустимой прочности материала атах = зап д Коэффициент запаса кзап должен быть не менее 1,5 в связи с высокими скоростными и динамическими параметрами стана, что учитывается дополнительным коэффициентом динамичности кд равным 1,1. 2. Диаметр бочки валка должен отвечать условиям наименьшего прогиба (см. рис. 5.8). При правильно выбранном; D6 прогиб Ау между началом бочки и её серединой не должен превышать допустимого [А у], установленного на продукцию. В соответствии с технологическими параметрами гибки, приведёнными в предыдущих главах, указанные расчёты должны осуществляться для наибольших типоразмеров. Методика расчёта основных энергосиловых параметров стана приведена в пункте 4.6. В заключение следует отметить, что энергосиловые параметры зависят от правильности выбора калибровок. В этом отношении наши исследования устанавливают требуемые энергосиловые параметры, так как проводились для наиболее нагруженного последнего и калибровочного перехода. По сравнению с традиционной методикой, новая методика, требует совершенствования параметров оборудования на основе прочностных расчётов и расчётов на жёсткость. В заключение диссертации приведём выводы, сделанные по результатам всей работы. 1. Экспериментально установлена тенденция изменения геометрических, кинематических и энергосиловых параметров процессов получения гнутых уголковых и швеллерных профилей при изменении отношения наружного радиуса профиля к внутреннему от 1,1 до 3. 2. Разработаны две теоретические модели, учитывающие особенности конструкции рабочего инструмента для предварительной бесконтактной гибки профиля, и его окончательной калибровки с фиксированными наружным и внутренним радиусами. Это позволило уточнить выбор геометрических и кинематических параметров технологического процесса гибки. 3. Разработана оптимальная методика выбора заготовки и технологических режимов при производстве гнутых уголковых и швеллерных профилей, позволяющая повысить их качество, снизить расход металла и устранить вспомогательные операции доводки готовых изделий. 4. Предложена методика проектирования конструкции валковых узлов профилегибочных станов, позволяющая получать гнутые профили с заданными геометрическими размерами при регламентированном уровне допусков и неплоскостности поверхностей. 5. Проведена опытно-промышленная проверка результатов предложенной методики проектирования валковых узлов профилегибочных станов, подтвердившая полученные в диссертации результаты.
Гибка листовой заготовки моментом без учёта упрочнения металла
Изготовление профилей в штампах происходит главным образом на листогибочных прессах. Профиль в зависимости от сложности получают за один или несколько ходов пресса, во время которых элементы профиля формуются последовательно один за другим. Скорость изготовления профилей методом гибки невелика, так как число ходов листогибочных прессов 30 — 60 в минуту. При этом неизбежны большие затраты времени на установку заготовки в штампе.
Второй способ изготовления гнутых профилей заключается в том, что полосу со специально подготовленным передним концом заправляют в роликовую фильеру или ряд фильер и протягивают через них. Скорость получения гнутых профилей невелика, неизбежны остановки на отрезку полученного профиля.
Изготовление гнутых профилей на профилегибочных станах отличается от первых двух способов стабильностью, непрерывностью, высокой степенью механизации и автоматизации, большой производительностью.
Следует отметить, что процесс профилирования нельзя отождествлять с процессом прокатки: при прокатке в каждой клети изменяется не только форма полосы, но и ее поперечное сечение, а при формовке и профилировании последовательно изменяется только форма поперечного сечения полосы (рис. 1.3).
В настоящее время на профилегибочных агрегатах изготовляют профили из полосы толщиной 0,5 - 20 мм и шириной до 2000 мм. Первые подобные станы были установлены в США в 1910 — 1911 гг. в основном для автомобилестроения. Для профилирования холодной горячекатаной и холоднокатаной полос применяют агрегаты трёх типов [12]: 1. поточные для поштучного профилирования листов; 2. поточные для поштучного профилирования листов, получаемых непрерывной резкой рулонной полосы перед формовкой; 3. поточные непрерывные для профилирования "бесконечной" полосы и последующей резки профилей на мерные длины. Во многих этих агрегатах профилирование листов или полосы осуществляется на многоклетьевом непрерывном стане с горизонтальными и вертикальными валками. Валки этих клетей образуют калибры для последовательного изгиба листа (полосы) и получения соответствующего открытого или закрытого профиля (рис. 1.3; б, в). При последовательном изгибе материал листов и полосы испытывает напряжения близкие к пределу текучести не по всему сечению, а только на участках последовательной деформации. Усилия на валки, возникающие при последовательных изгибах небольшие, поэтому конструкция клетей непрерывного стана весьма проста и относительно легка; Агрегаты первого типа (рис. 1.4, а) применяют для поштучного профилирования листов. Они наиболее просты по конструкции. Листы и стопы (пачки) по одному поднимаются при помощи электромагнита или вакуумных присосов и задаются в непрерывный профилегибочный стан. Агрегаты этого типы применяют для формовки тяжёлых профилей из листов шириной более 1000 мм и толщиной 10 - 20 мм. Существенным недостатком агрегата является неточность размеров и формы по концам профиля вследствие так называемого пружинения, возникающего при упругом возврате деформированных концов меньшей жёсткости, чем средняя по длине часть профиля. Агрегат второго типа (рис. 1.4, б) применяют для профилирования листов толщиной до 10 мм и шириной до 1500 мм. По сравнению с агрегатом первого типа он характеризуется большей производительностью и большей степенью механизации и автоматизации технологических операций, так как в головной части агрегата; использован рулонный способ подготовки полосы. Такое профилирование позволяет улучшить качество за счёт отсутствия отклонений формы профиля на концевых участках, как это бывает при поштучном профилировании, а также позволяет производить профилирование в более жестких режимах, что уменьшает количество формующих валков и снижает металлоемкость. Агрегат третьего типа (рис. 1.4, в) является наиболее совершенным. Благодаря стыковой сварке концов полос и наличию петлеобразования на агрегате осуществлён принцип "бесконечности" всех технологических операций. Недостаток присущий первым двум агрегатам (неточность концов профиля) здесь полностью устранён, так как осуществляется непрерывное и "бесконечное" профилирование полосы (а не листов). В настоящее время чаще всего используются агрегаты второго типа [13]. Несмотря на то, что процесс профилирования здесь не "бесконечен" они удобны тем, что в их линии отсутствует дополнительная стыкосварочная машина вынуждающая увеличивать общую длину агрегата за счёт невозможности искривления общей поточной линии.
Гибка при фиксированном наружном радиусе полосы
Аналогично, с некоторыми допущениями (без учёта скруглений), были выведены формулы для изгиба сортовой угловой стали.
Теперь по полученным формулам рассчитаем рациональность применения сортового или гнутого углового профиля. Будем считать, что изгиб происходит в горизонтальной плоскости относительно оси Ох.
В качестве исходных размеров принимаем ширину полки Ь = 50 мм, толщина полки варьируется в пределах S = 2 + 8 мм. Внутренний радиус у гнутых профилей будет принят по соотношению R/S = l,5. Все полученные данные сводим в таблицу 1.6.
Как видно из таблицы 1.6 центр тяжести у гнутых профилей находится выше, чем у сортовых. Это является дополнительным их преимуществом, так как при этом возрастает эффективность использования материала. Кроме того, имея наименьшую площадь поперечного сечения, гнутые профили обладают большими прочностными характеристиками (рис. 1.9);
Как видно из рис. 1.9 преимуществом тонкостенности пользуются оба рассмотренных типа профилей. Что касается прочностных характеристик, то они здесь ведут себя по-разному. Независимо от толщины разница в жёсткости (/) гнутого и сортового профилей составляет 3% в пользу гнутого. Прочность же ( »), наоборот, с увеличением толщины увеличивается с 5,8% при толщине в 2 мм и до 14,3% при 8 мм. Что касается площади поперечного сечения и соответственно массы профиля, то при толщине в 2 мм масса сортового профиля на 2% превышает массу гнутого, ас увеличением толщины до 8 мм эта разница увеличивается до 8,4%.
Проведённое сравнение ясно показывает неоспоримое преимущество гнутых профилей над сортовыми по всем показателям. Представленные выше формулы являются упрощёнными и не совсем точно отражающими изменение силовых параметров работы гнутых профилей. Возникающее утонение при изгибе с толщины S на толщину S приводит к изменению момента инерции J и момента сопротивления W. Уменьшение толщины определяется выражением S = 2q-S. Исследования проведённые при профилировании гнутых профилей показывают, что при формовке гибкой уменьшение толщины полосы S проникает также и на прямолинейные участки профиля. Начальная толщина S остаётся только на торцах этих участков или в их центре. Однако в самых опасных местах по центру изгиба толщина не превышает величины S . Поэтому условно толщину всего гнутого элемента можно принять постоянной и равной 5". Расчет будет проводиться для профиля приведённого выше при его геометрии: А=50 мм, S = 8 мм, внутренний радиус /г будет изменяться в R пределах 0,25 — 1,5. Возникающая погрешность при определении момента инерции 6J гнутого профиля представлена на рис. 1.10: Из рис. 1.10 следует, что уменьшение радиуса изгиба, сказывающееся на увеличении утонения, увеличивает погрешность определения действительного момента инерции д/. К производственным недостаткам сортовых профилей следует отнести различие их прочности на различных стадиях изготовления. Ниже на рис. 1.11 ив табл. 1.7 приведены режимы обжатия при прокатке угловой стали 125х 125х 10 мм в линии калибровочных клетей стана 500 [3], [27], [28]. Для указанного режима определяем среднюю деформацию по высоте єsq, 0,42 и по длине єі а, »0,017. Затем определим величину прочности у рассматриваемого полуфабриката. Так, для стали 20 сопротивление пластической деформации по методике А.И. Целикова равно [29]: При температуре прокатки Т = 1100 С а скорости v = l lc сопротивление пластической деформации полуфабриката составит: - в направлении высотной деформации - сгт = — = 68,45 МПа; - в поперечном направлении — ат = — = 30,7 МПа. Откуда изменение прочности в различных направлениях будет равно: Подобная неравномерность деформации характерна для всех переходов прокатки. Поэтому прочность материала сортовых изделий будет различной в продольном и поперечном направлениях. Для устранения данной неравномерности применяют специальную термообработку. Например, ускоренное охлаждение. Однако это дополнительные расходы средств и энергии [30]. Таким образом, профилегибочное производство экономически целесообразнее, чем прокатное. Поэтому на современных машиностроительных предприятиях и строительной индустрии постоянно расширяются области применения гнутых профилей. Переходим к анализу типовых конструкций и инструментов гибочного и штампового оборудования.
