Содержание к диссертации
Введение
1. Системно-функциональный анализ технологий изготовления профилей и гофров методом волочения- прокатки из листовых конструкционных материалов для производства летательных аппартов 9
1.1. Применение в конструкциях летательных аппаратов профилей и гофров из листовых материалов 9
1.2. Метод стесненного изгиба при изготовлении подкрепляющего набора панельных конструкций летательных аппаратов 21
1.3. Изготовление профилей гнбкой-волоченнем 26
1.4. Анализ работ по теоретическому исследованию стесненного изгиба 27
1.5. Постановка задач исследований, пути их решения 36
2. Научные основы процесса волочения-прокатки при деформировании листовых материалов в условиях сжато-напряжнного состояния 38
2.1. Классификация процессов стесненного изгиба при волоченнн-нрокатке гнутых из листа профилен 38
2.2. Основные допущения, принятые при исследованиях 41
2.3. Напряжения и деформации в зоне гиба при процессах формообразования профилен повышенной жесткости волочением-прокаткой 41
2.4. Определение геометрических параметров зоны сгиба 43
2.5. Определение усилия волочения при формообразовании профиля 47
2.6. Исследование процесса формообразования профилей в роликовой фильере 64
2.7. Влияние аксиального сжатия при формообразовании профилен волочением-прокаткой 67
3. Экспериментальные лабораторные ii производственно- технологические исследования технологических параметров конструкционных материалов для изготовления профилей и гофра, методология их оптимизации и технологическое обеспечение 73
3.1. Параметры исследуемых профилей, их материалы 73
3.2. Методика проведения и технологическое обеспечение экспериментальных исследовании 73
3.3. Исследование процесса формообразования профилей в инструментальной фильере 83
3.4. Исследования по выбору схем формообразования гнутых тонкостенных профилей 85
3.5. Исследование влияния технологических параметров стесненного изгиба на формообразование зоны сгиба 93
3.6. Влияние условий деформирования на основные технологические параметры процесса 112
3.7. Математическое планирование эксперимента 118
3.8. Предельные возможности и оптимизация параметров гнутых профилен при стесненном изгибе 121
3.9. Определение силовых параметров стесненного изгиба тонкостенных профилей при волочении 127
ЗЛО. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследова ний 130
4. Разработка технологических процессов изготовления гнутых профилей гофров повышенной жесткости волочением-прокаткой в условиях стесненного изгиба 135
4.1. Разработка технологических процессов изготовления тонкостенных профилен из традиционных авиационных материалов 135
4.2. Точностные характеристики профилей, изготовленных гибкон-волочением 141
4.3. Изготовление гнутых профилей из перспективных материалов 144
4.4. Термомсханнчсская обработка .материала и повышение качества профилей 156
4.5. Металлографические исследования как основной метод контроля, качества профилей 157
5. Разработка методики ii моделей оборудования дляреализации новых методов изготовления тонкостеных профилей из труднодеформируемых листовых материалов 173
5.1. Технические условия на изготовление тонкостенных гпутолистовых профилей 173
5.2. Разработка технических условий на проектирование оборудования, технологических процессов и их оснащения 175
5.3. Разработка нормативно-технической документации 180
5.4. Внедрение результатов исследований и разработок в промышленность 181
6. Научно-обоснованные рекохмендации по совершен ствованию технологических процессов, оборудования ii панельных конструкций летательных аппаратов с применением профилей ii гофра из листовых заготовок с расчетом экономической эффективности разработок 183
6.1. Оценка сравнительных механических испытании профилей из различных материалов 183
6.2. Допустимые напряжения на сжатие профилей и панелей и оптимизация их параметров 184
6.3. Исследование режимов изготовления экспериментальных панелей по разным технологиям с профилями из алюминисво-лнтиевых сплавов 194
6.4. Технико-экономическая эффективность использования результатов работы в промышленности и перспективы развития результатов работы 197
Заключение. Основные результаты и выводы 199
Библиографический список
- Метод стесненного изгиба при изготовлении подкрепляющего набора панельных конструкций летательных аппаратов
- Напряжения и деформации в зоне гиба при процессах формообразования профилен повышенной жесткости волочением-прокаткой
- Исследование процесса формообразования профилей в инструментальной фильере
- Точностные характеристики профилей, изготовленных гибкон-волочением
Введение к работе
Несмотря на сегодняшнее состояние экономики России, роль и значение науки и научно-технического прогресса не могут быть принижены. В условиях перехода страны к рыночной экономике роль металлообработки и машиностроения, являющихся фундаментом ее материально-технической базы, ещё более усиливается. Интенсивный путь их развития не мыслим без нового этапа ускорения научно-технического прогресса, что является гарантом роста производительности труда и масштабов производства. В условиях конкуренции производителей важнейшими критериями принимаемых конструктивных и технологических решений станет оптимизация.
Одним из направлений технического прогресса в современном машиностроении является создание методов и средств производства, обеспечивающих безотходную технологию, то есть получение заготовок, максимально приближающихся по формам, размерам и чистоте поверхности к готовым деталям. Одно из ведущих мест в создании прогрессивных заготовок принадлежит обработке металлов давлением.
Самолето- и ракетостроение, как специфические отрасли машиностроения, всегда были и остаются отраслями самой передовой техники и технологии, где используются новые материалы, наиболее совершенное оборудование и прогрессивные технологические процессы, что без использования методов обработки металлов давлением обеспечить практически невозможно.
Стремление улучшить летно-технические характеристики летальных аппаратов (ЛА) связано с большим количеством исследований и испытаний по снижению их массы и повышению ресурса. Важным направлением таких работ является применение в конструкциях ЛА новых материалов повышенных удельной прочности и жесткости и деталей из листовых заготовок, ресурс которых, например, в 2-3 раза превышает ресурс деталей из прессованных профилей.
Выход изделий отечественной авиационной промышленности, в частности широкофюзеляжных самолетов, на мировой рынок бесперспективен без значительного повышения их ресурса. Во многом решению этой задачи будет способствовать применение в продольном наборе панелей агрегатов планера вместо прессованных профилей гнутых из листа, которые характеризуются более стабильными механическими и более высокими коррозионными свойствами, что также будет содействовать созданию технологичных изделий минимальной массы при заданных прочности и жесткости.
В связи с тем, что авиационные материалы повышенных прочности и жесткости, как правило, имеют пониженную технологическую пластичность, получение тонкостенных профилей и гофров из них прессованием, является на сегодняшнем уровне развития технологии трудноразрешимой задачей, изготовление их из листа становится в большинстве случаев единственно возможным методом.
В промышленности освоены профили, гнутые из титановых и других низкопластичных листовых материалов, имеющие в зоне сгиба внутренние радиусы в пределах трех-пяти толщин исходной заготовки. Они заметно уступают по жесткостным характеристикам прессованным из-за невыгодной геометрии зоны сгиба. Чтобы характеристики профилей, гнутых из листа, приблизить к прессованным и горячекатаным, необходимо их изготовлять с минимальными радиусами и утолщением материала по зонам сгиба. При обычном пластическом изгибе листовых материалов сделать этого не удается, возникает опасность разрыва растянутых волокон по наружному контуру и утонение материалов в зоне наибольших деформаций.
Возможные способы устранения указанных недостатков в процессе горячей деформации приводят к повышению трудоемкости, увеличению цикла изготовления и металлоемкости технологического оснащения. При этом коэффициент использования металла не превышает обычно 0,6-0,7, качество и точность размеров невысокие.
Целью данной работы является разработка научных основ процессов формообразования тонкостенных профилей и гофра из листовых заготовок в условиях сжато-напряженного состояния материала при волочении-прокатке, снижение массы конструкции планера летательного аппарата с повышением надежности.
Изготовление тонкостенных профилей и гофра с малыми радиусами по зонам сгиба стесненным изгибом (СИ) в роликовых фильерах при волочении и сочетании волочения с прокаткой, как это следует из принципиальных основ метода, позволит увеличить допустимые степени деформаций и снизить число переходов, позволит изготовлять в холодном состоянии из низкопла-
стичных материалов профили сложной формы сечения, может уменьшить опасность скручивания заготовки в процессе деформирования, обеспечит высокое качество поверхности, благодаря отсутствию сдвиговых деформаций по высоте формовки, и точность размеров по сечению без дополнительной калибровки.
Проведение исследований в этом направлении и широкое внедрение полученных результатов в промышленность позволит снизить массу листовых конструкций, подкрепленных тонкостенными профилями и гофром, трудоемкость и металлоемкость процессов профилирования, повысить несущую способность панельных конструкций ЛА с одновременным повышением их качества и надежности, что говорит об актуальности проблемы.
Исходя из поставленной цели определены задачи исследований, основными из которых являются:
разработка, исследование и выбор оптимальных схем формообразования профилей из листовых заготовок различных материалов при волочении и сочетании волочения с прокаткой;
исследование напряженно-деформированного состояния материала при различных схемах формообразования и установление аналитических зависимостей силовых и геометрических параметров зоны сгиба профиля от марки материала;
исследование математических зависимостей процесса волочения-прокатки при деформировании листовых материалов в роликовой фильере при создании аксиального сжатия;
исследование режимов термомеханической обработки и их влияния на качество гнутых профилей;
установление оптимальных параметров гнутых профилей и панелей при минимизации массы и высоком качестве (несущей способности);
установление предельных возможностей процесса деформирования заготовок с обеспечением кондиционности изготовленных профилей;
разработка на базе проведенных исследований технологического процесса изготовления тонкостенных профилей и гофров из различных листовых материалов и оборудования для реализации в промышленности с использованием волочения-прокатки в условиях стесненного изгиба.
Проведенные исследования и разработки позволили создать принципиально новые технологические процессы и оборудование, основы научной теории деформирования листовых материалов в условиях стесненного изгиба при процессах волочения-прокатки, внедрить в конструкции летальных аппаратов перспективные авиационные материалы.
На защиту выносятся:
Совокупность теоретических положений и экспериментальной отработки, позволивших решить крупную научно-техническую проблему повышения надежности, ресурса и снижения массы панельных конструкций летательных аппаратов за счет разработки и внедрения новых технических решений и научно обоснованных технологий формообразования и оптимизации параметров тонколистовых профилей и конструкций панелей.
Классификатор процессов стесненного изгиба при волочении и сочетании волочения с прокаткой, позволяющий выбрать физическую модель процесса и схему формообразования листовой заготовки в профиль и гофр, установить напряженно-деформированное состояние материала в зоне сгиба;
Научные основы процесса волочения-прокатки как результат теоретического и экспериментального исследования по обеспечению оптимальных соотношений параметров гнутолисто-вых профилей, изготовленных с их применением панельных конструкций; процесса профилирования и параметров профилегибочного оборудования.
Новые способы формообразования тонкостенных гнутых профилей и гофров при холодной и горячей деформациях перспективных авиационных труднодеформируемых материалов стесненным изгибом при волочении и сочетании волочения с прокаткой;
Новые технологические процессы изготовления тонкостенных профилей волочением-прокаткой из перспективных труднодеформируемых материалов с использованием термомеханических методов обработки;
Принципиально новые варианты мобильного волочильно-прокатного оборудования, позволяющего изготовлять тонкостенные профили из плоской заготовки при непрерывном профилировании с созданием тангенциального, нормального и аксиального сжатия в очаге деформации и одновременно правки профиля растяжением с возможностью его гибки по радиусу;
Рекомендации по конструктивно-технологичскому совершенствованию летальных аппаратов за счет гнутых профилей минимальной массы и оптимизации параметров панельных конструкций.
Результаты внедрения разработанных технологий и оборудования для их реализации в промышленности.
Основная часть исследований выполнена на Комсольском-на-Амуре авиационном производственном объединении им. Ю.А. Гагарина, НПО «Молния», при работе автора в Научно-исследовательском институте технологии и организации производства (Новосибирский филиал, НИОТ-8500 г. Ульяновска) и Ульяновском государственном техническом университете.
Автор выражает признательность научному и инженерному персоналу заводов и учебных заведений за оказанную помощь в проведении исследований и подготовке материалов диссертации к защите.
Особую благодарность автор выражает кафедрам «Производство летательных аппаратов» и «Обработка металлов давлением» Самарского аэрокосмического университета; «Самолетостроение» Института авиационных технологий и управления УлГТУ и их руководителям Барвинку В.А., Гречникову Ф.В., Щеклеину B.C.
Метод стесненного изгиба при изготовлении подкрепляющего набора панельных конструкций летательных аппаратов
Развитие авиакосмической техники связано с необходимостью повышения ресурса при снижении массы конструкций, особенно при создании широкофюзеляжных самолетов нового поколения, Что требует освоения новых материалов с повышенными удельными прочностью и жесткостью, создания ресурсосберегающих технологий и оборудования для их реализации.
Решению данной проблемы во многом способствует применение в конструкциях планера и панелей оболочек с подкрепляющим набором в виде профилей и гофра, выполненных из листовых заготовок с использованием метода стесненного изгиба, а также многослойных конструкций с сотовыми и гофровыми заполнителями
Изготовление деталей, в частности тонкостенных профилей и гофра, из листовых традиционных и перспективных материалов гибкой с малыми относительными радиусами, важная для авиационного производства народнохозяйственная задача. Применение, например, в конструкциях сверхтяжелых широкофюзеляжных самолетов традиционных прессованных профилей не позволит повысить их ресурс выше 30 тыс. часов, что не обеспечивает окупаемость машин при их мелкосерийном производстве [101]. Поднять ресурс таких машин до 50-60 тыс. часов можно, прежде всего, за счет широкого применения листовых профилей, ибо их ресурс в 2-3 раза выше, чем у прессованных [26, 100, 163].
Приблизить жесткостные характеристики профилей из листа к прессованным позволяет метод стесненного изгиба, когда формообразование ведется в условиях напряженно-деформированного состояния материала [169, 170].
Сущность процесса изготовления профилей из листовых материалов методом стесненного изгиба (СИ) в настоящее время достаточно широко известна и признана, заключается в их пластическом деформировании в условиях, приближающихся к объемному сжато-напряженному состоянию. При этом, как правило, используются совмещенные операции гибки: гибка тангенциальным (Р,), и радиальным (нормальным) (Р„) сжатием, гибка с созданием тангенциального, радиального и аксиального сжатия (Ра), гибка с созданием тангенциального и радиального сжатия и аксиального растяжения [12, 31].
Вследствие более значительного радиального удлинения волокон в сжатой зоне по сравнению с укорочением волокон в растянутой зоне (рис. 1.7) профили имеют локальное утолщение по зонам сгиба [46, 47, 64, 161, 169, 170]. Смещение при этом нейтрального слоя напряжений (НСН) и деформаций (НСД) к наружному контуру расширяет объем сжатой зоны и уменьшает объем растянутой зоны, снижает тангенциальные напряжения at и деформации с, в зоне растянутых волокон, что позволяет повысить предельные степени деформации [7, 10, 151, 169, 179] и вести гибку с радиусами, приближенными к критическим значениям, то есть меньшими толщины исходной заготовки [26,48, 57, 65, 75, 77, 168, 170, 173].
Создание дополнительных сжимающих усилий, уменьшающих минимально допустимый радиус гибки [11,21, 35], возможно на различных этапах деформирования заготовки: а) на всех этапах процесса гибки; б) на этапе окончательного формообразования, когда профилированная заготовка с радиу сами гибки r 5 s0 деформируется в профиль с внутренними радиусами по зонам сгиба меньше допустимого.
На практике возможно применение обоих вариантов. Несмотря на усложнение формующего инструмента при создании дополнительных сжимающих напряжений на каждом переходе формообразования профиля, его применяют в случаях труднодеформируемых материалов, так как в условиях, приближенных к объемному сжато-напряженному состоянию, заметно повышается пластичность материала, то есть схема деформирования становится «мягче» [184], заметно повышается его деформационная способность [36, 65, 80, 87, 92, 169, 209].
Метод стесненного изгиба позволяет: а) получить профили повышенной жесткости за счет малых радиусов и локальных утол щений материала по зонам сгиба; б) повысить коэффициент использования материала (КИМ,Км), так как возможно профи лирование плоских заготовок без припуска по ширине; в) снизить стоимость профилировочного оборудования за счет сокращения числа перехо дов до двух-четырех для широкой номенклатуры профилей, что одновременно экономит произ водственные площади, энергозатраты и уменьшает количество технологической оснастки; г) повысить точностные возможности процесса за счет создания наиболее благоприятных схем напряженно-деформированного состояния материала, практически исключающих пружине ние; д) снизить опасность образования поверхностных микротрещин, особенно при процессах гибки-вол оче ния; е) повысить коррозионную стойкость в 1,2...1,3 раза и соответственно увеличить ресурс ЛА; ж) снизить массу панельных конструкций и, как следствие, повысить технико эксплуатационные показатели изделий.
Возможности стесненного изгиба проверены для достаточно широкой номенклатуры авиационных материалов при гибке в кромко гибочных устройствах [183, 184], и штампах [65,66,67] в роликах на профилегибочных станках прокаткой [40, 42, 169, 209] и волочением [71, 77, 78, 100], однако эти возможности не до конца изучены и апробированы, особенно при деформировании перспективных низкопластичных материалов [101].
В кромкогибах гофры и профили получают из плоской заготовки с приложением изгибающего момента и сжимающей силы в процессе формообразования угла с малым относительным радиусом (рис. 1.8). Технологический процесс изготовления сводится к изгибу концевой части заготовки или получению деталей с несколькими перегибами материала в перпендикулярном линии гиба направлении. Приложение сжимающей силы Pt обеспечивает более короткую траекторию траектории перемещения торца заготовки, чем при обычной гибке (А/). При этом для осуществления стесненного изгиба ось вращения поворотной части устройства смещают в верхнюю полуплоскость на расстояние h [168].
Кромкогибочные устройства удобны в работе при изготовлении профилей и гофров небольшой длины, целесообразны для проведения экспериментальных исследований гибки новых, в том числе композиционных материалов небольших толщин на малые радиусы [183]. Они не получили широкого распространения в авиационном производстве из-за отсутствия их серийного изготовления и в связи с ограниченными технологическими возможностями.
Напряжения и деформации в зоне гиба при процессах формообразования профилен повышенной жесткости волочением-прокаткой
Освоение и внедрение технологических процессов изготовления профилей из листа стесненным изгибом вообще и при волочении в частности, в значительной мере тормозится из-за отсутствия научно обоснованных методик расчета технологических параметров как процесса, так и оснастки.
Теоретические исследования проводятся о учетом следующих допущений: материал заготовки в зоне пластических деформаций является несжимаемым и жестко-пластичным; в зоне сгиба принята схема плоской деформации (аксиальная деформация равна нулю), так как принято, что к заготовке прикладывается двухстороннее аксиальное усилие поджатия, исключающее вытяжку материала в продольном направлении; в процессе гибки наружное волокно только растягивается, а внутреннее - сжимается; при формообразовании уголковой зоны считается справедливой гипотеза ортогональных линий: продольные линии ширины листа и нормальные к ним остаются ортогональными и после деформации; ортогональная сетка продольных и поперечных линий совпадает с направлениями главных деформаций и напряжений и главных осей анизотропии в каждой точке деформированной области; геометрические места точек сопряжения прямолинейных и криволинейных участков деформированных волокон есть прямые линии; рассматривается схема простого нагружения.
Приведенные допущения не охватывают всей совокупности ограничений, присущих решению конкретных задач, проводимых в настоящей работе. О них будет особо оговариваться при рассмотрении поставленных задач.
При теоретических исследованиях процесса формообразования профилей гибкой-волочением интерес представляют параметры зоны сгиба, усилия волочения, длина зоны плавного перехода, определяющая оптимальную длину формообразующей части фильеры (межклетевого расстояния).
Формообразование профилей стесненным изгибом волочением-прокаткой практически представляет процессы волочения на основных формоизменяющих операциях и процессы прокатки на переходах, обеспечивающих развитие усилия волочения. Поэтому необходимо рассматривать напряженно-деформированное состояние материала в процессах волочения.
Как и в случаях классического волочения [219] заготовка, протягивается через калибр, ширина которого меньше ширины заготовки В„ при этом преобладает разноименная схема объемного напряженного состояния. Такая схема наблюдается на выходе из фильеры, а на ее входе основной будет схема трехосного сжатия. Следовательно, процесс деформирования плоской заготовки по любой из схем 1-1а, 1-2а, 1-36 и т.д. в профиль с 2-4-мя и более зонами сгиба с малыми относительными радиусами сопровождается, как правило, изменением величины, характера распределения и соотношения действующих тангенциальных а,, нормальных сг, и аксиальных танапряжений и соответствующих им деформаций є,, сп, Єа, что, прежде всего, будет определяться законом создания дополнительных сжимающих усилии согласно классификатору.
Рассматривая, например, наиболее обобщенную схему процесса формообразования 1-1 а, можно установить характер действующих в зоне гиба напряжений и деформаций и взаимосвязь между ними. Поскольку эта задача в процессах пластического изгиба в трехмерном пространстве является трудно разрешимой, принято, что напряжения в аксиальном направлении ба превышают предел текучести УТ материала не более, чем на 1...2%. Тогда можно принять деформации в аксиальном направлении а сравнительно малыми с деформациями et и еп и свести задачу к плоскому нагружению.
При одновременном действии изгибающего момента Миз и непрерывно скользящего сжимающего усилия Р, характер протекания деформации плоской заготовки в профиль с углом гиба р, будет иным, чем при обычной гибке [160]. В начальной стации процесса по всему сечению, как и в работе [160], будут действовать упругие деформации от максимально растянутых по наружному волокну до максимально сжатых по внутреннему. Однако наличие Pt приводит к одноименной схеме напряженного состояния в зоне у внутреннего волокна, где асж суммируются, и разноименной - у наружного волокна, где сжимающие напряжения
от Pt и растягивающие от Миз будут компенсировать друг друга, что приводит к смещению НСД и НСН в сторону наружного волокна. Интенсивность роста напряжений в сжатой зоне будет выше, чем в растянутей, и в определенный момент у внутреннего волокна зарождается очаг пластической деформации.
С увеличением угла гиба р (степени деформации в тангенциальном направлении) растут асж, а также сг от Миз. Опережающий рост асж в сжатой зоне приводит к распространению очага пластической деформации вглубь по сечению зоны сгиба, а наличие больших аРаст приводит к образованию очага пластической деформации по наружному волокну. Деформации упругими остаются по толщине листа только вблизи нейтрального слоя.
При дальнейшем повышении степени деформации (третья стадия), внутренняя и наружная зоны пластических деформаций, расширяясь в радиальном направлении, охватывают все сечение по толщине s0.
Большая интенсивность роста тсж в сжатой зоне приводит к более интенсивному росту деформаций удлинения в радиальном направлении, которые превышают по величине радиальные деформации укорочения в растянутой зоне, что приводит к локальному утолщению материала в зоне сгиба (As); rj-S/So- Создание локального утолщения определяется направлением, величиной, характером распределения и соотношением действующих Pt, Р„, Ра
При использовании, например, схемы 1-26 степень деформации можно увеличить за счет постоянно увеличивающихся усилий двухстороннего сжатия деформируемой заготовки в инструменте, но это может привести к их немонотонному характеру.
Условия трехосного сжатия (например, схема 1-За) при определенном соотношении Pt, Рп и Ра можно создать не только на входе заготовки в формующий инструмент, но и в течение всего процесса ее формоизменения, что позволит увеличить предельные степени деформации и уменьшить длину участка L плавного перехода заготовки из плоской в профиль заданной геометрии. При использовании схемы 1-36, когда сжимающие усилия увеличиваются в процессе формообразования угла с малым относительным радиусом, интенсивность роста по сечению зоны пластических деформаций также увеличивается. Регулируя величину Ра, можно уменьшить потребное усилие волочения Рв и добиться оптимального влияния аксиальных напряжений О а для обеспечения калибровки профиля.
В случаях использования схем 1-4а, П-46, И-4в и т.п., когда дополнительные усилия сжатия, на отдельных переходах формоизменения деформируемой заготовки сочетаются с приложением растягивающих усилий, что не предусматривается классификатором в работе [31], возможно создать технологические процессы одновременного деформирования с предельными степенями и правки профиля в одном формующем инструменте.
Геометрию зоны сгиба в условиях стесненного изгиба определяют [169]: внутренний re = rjs0 и наружный RK = R„/s0 относительные радиусы, утолщение материала по биссектрисе угла г] = s/s0, где so - исходная толщина листа; s - толщина после формообразования по биссектрисе угла; rH, RH - внутренний и наружный радиусы в зоне сгиба. Для их определения, выбрав декартову систему координат у, х с ее началом на срединной поверхности, воспользуемся уравнением, полученным из условия постоянства объема и уравнением, связывающим геометрические параметры зоны сгиба (рис. 2. 2)
Исследование процесса формообразования профилей в инструментальной фильере
С целью проверки полученных аналитических зависимостей протягивались через фильеру L = 90 мм (см. рис.2.6а, 2.7) заготовки из ВТ1, АМцЛМ, Д16М; 0Т4 по схемам приложения дополнительных непрерывно скользящих усилий сжатия с их увеличением в процессе образования угла с малым относительным радиусом (схема 1-16, рис.2.1). Фильера закреплялась на протяжном станке, скорость волочения Ve =6,65 м/мин. При экспериментах без нагрева использовалось в качестве смазки машинное масло, с нагревом - графитовая смазка марок ВО, В1.
Фильера была изготовлена для формообразования швеллерного профиля 1 (рис. 3.7), имела верхний 2 и нижний 3 сменные вкладыши, вставленные в прямоугольное окно цилиндрического корпуса рабочий контур вкладышей представлял сложную фасонную поверхность. Уступы 4 на фасонной поверхности нижнего вкладыша обеспечивали одновременно с процессом формообразования угла осадку полок 5. Вкладыши в корпусе удерживались двумя упорными кольцами.
Длина L = 90 мм выбрана для простоты расчета. При угле гиба (р =90 изгиб на один градус приходился на миллиметр длины. Теоретическая ширина швеллера равнялась 49 мм. В расчетах рабочего контура использовался угол р и размер а» от кромки полки до линии сгиба по наружному волокну (рис. 3.76), который определяется из условия равенства площадей АБВГ и АДЕЖГ по формуле: sin ф
Протягивание образцов из Д16АМ шириной В3= 50 мм привело к значительному удлинению и не позволило обеспечить набор материала в зоне сгиба. Произведя расширение заходной части нижнего вкладыша и создав кривизну поверхности верхнего вкладыша, удалось создать утолщение материала по зонам сгиба т]= 1,20-1,30, используя заготовки В3 = 52мм при s0= 2-3 мм.
При волочении образцов из ОТ4л2 В3 = 52 мм с разупрочнением зоны деформирования получены 77=1,3-1,4. Пружинения полок профиля практически не наблюдалось. Увеличение rj сопровождалось налипанием материала на инструмент.
Отработка технологии изготовления гнутых тонкостенных профилей сводится к установлению таких технологических взаимосвязей между оборудованием, инструментом, оснасткой и режимами процесса, при которых учитываются особенности напряженно-деформированного состояния материала в зонах гиба и обеспечивается бездефектность с необходимой точностью установленных геометрических параметров при высокой технико-экономической эффективности.
Чтобы изготовить кондиционный гнутый профиль высокой жесткости, необходимо добиться получения качественной зоны сгиба с утолщением материала по биссектрисе угла, близким к предельно-допустимым, высокой точности размеров по сечению и необходимой прямолинейности на заданной длине. Это во многом определяется выбранной схемой формообразования.
Разработанный классификатор (см. рис. 2.1) позволяет вести формообразование профилей волочением по 36-схемам протекания технологического процесса. Каждая из них вышеперечисленные факторы ставит в определенную зависимость и потребует конкретной схемы формообразования.
В оценке схем формообразования первостепенным является обеспечение бездефектности профилей по всем параметрам при наибольшей их жесткости. При одинаковых показателях качества профилей эффективность технологического процесса будет выше, если выбранные схемы формообразования можно обеспечить на существующем оборудовании., при меньшем числе переходов, о использованием более простых инструмента и оснастки, а при отсутствии таких возможностей, если обеспечивается простота их осуществления в металле,
Схема формообразования оказывает влияние на стойкость инструмента, производительность и себестоимость процесса. В зависимости от типа производства и состава производственной системы эффективными могут оказаться технологические процессы с использованием различных схем формообразования.
Если схема формообразования позволяет уменьшить число переходов, то получаем экономию в расходе материала на дорогостоящий инструмент, при этом упрощается оборудование и снижается его металлоемкость, проще настройка, уменьшается количество факторов, влияющих на качество профилей. При наличии возможности их реально осуществить, обязательно следует такие схемы использовать. Создание в схемах формообразования дополнительных сжимающих усилий на всех или отдельных переходах деформирования заготовки, как правило, повышает технико-экономические показатели технологического процесса.
Произвести всестороннюю оценку той или иной схемы формообразования гнутых профилей возможно только при тщательном их анализе и экспериментальной отработке.
Долгое время выбор схем формообразования профилей из листа производился интуитивно, без научно обоснованной методики их исследования, позволяющей сделать оценку оптимальности технологических параметров процесса [40, 55, 65, 68, 169, 170, 174, 182, 192]. В определенной степени приведенные недостатки решены в работах [77, 86].
С позиций экономичности наиболее целесообразны схемы формообразования профиля волочением за один переход о созданием непрерывно скользящего сжимающего усилия при образовании угла о малым относительным радиусом, что соответствует схеме 1-1 а классификатора, исследованной в предыдущей главе. Однако из-за большой величины возникающего трения потребные усилия волочения могут превысить величину, при которой неизбежен разрыв материала по сечению.
В процессах формообразования листовых заготовок в роликовых формующих устройствах возможно осуществить, практически, все схемы, представленные в. разработанном классификаторе. Поскольку эти процессы при волочении и прокатке имеют много общего, исследование схем формообразования в процессах волочения необходимо начать с оптимальной для процессов прокатки схемы [40, 55, 169].
Однако, учитывая, что волочение позволяет повысить степень деформации в тангенциальном и радиальном направлениях, уменьшить опасность закручивания заготовки, что имеет место при разных по высоте роликов линейных скоростях; тянущее усилие способствует поперечной потере устойчивости тонкой стенки и выравниванию напряжений по сечению профиля, наличие аксиальных растягивающих напряжений дает возможность обойтись без калибровки и повышает вероятность устранения пружиненім; значительно снижается влияние трения, оптимальными при волочении и прокатке будут для той же номенклатуры профилей разные схемы формообразования.
В ходе проводимых исследовании экспериментально отрабатывались, прежде всего, экономически целесообразные схемы, требующие наименьшего количества переходов. Для сравнения технологических параметров процесса были опробованы схемы формообразования, исследованные при прокатке в роликовом инструменте стесненным изгибом и при обычной гибке. При опробовании схем формообразования в четыре перехода, являющихся основными при обычной гибке корытообразных профилей из пластичных материалов (рис.3.8а,б), использовали трех-парнороликовую фильеру (см. рис. 3.6). Профилирование заготовок из материалов Д16АТВ, ВТ1, ОТ4-1, ОТ4 толщиной so= 0,5-1,0 мм вели в две операции. Сначала в трех парах роликов получали предварительный профиль с R = / 5 при ах=а2 = 15-20, как и у профиля окончательных размеров с точностью до 30-50 , затем на второй операции в одной паре роликов осуществляли стесненный изгиб (осаживание криволинейных поверхностей стенки и полок). При этом на первых валах фильеры были установлены ролики третьего перехода, а на третьих - калибрующие ролики для повышения точности размеров.
Оптимальная при прокатке схема (см. рис. 3.8в) опробовалась на станке модели 772 (см. рис. 3.2). Несмотря на некоторое перетягивание материала вследствие использования для получения профилированной заготовки роликов, рассчитанных на разную so схемы оказались приемлемыми при волочении и малопластичных материалов (ОТ4-1, ОТ4).
Казалось бы, что при гибке с г гтт,что является характерным для стесненного изгиба, число переходов должно возрасти [138, 152], но создание сжато-напряженного состояния меняет картину распределения напряжений и деформаций в очаге деформаций и число переходов возможно сократить. Это подтвердили исследования при формообразовании профилей из материалов марки Д16АТВ, АМгбП, 20Х13Н4Г9Н, ОТ4-1, ОТ4, Х15Н5Д2Т5о= 0,5-1,2 мм по схемам (рис. 3.9,3.10).
Безусловно, экономически целесообразными являются схемы рис. 3.9д: два перехода не только упрощают оснащенность процесса и экономят металл, но и значительно упрощают оборудование. Причем, качество профилей получено более высокое, чем по схемам формообразования в четыре перехода, за счет более надежного обеспечения симметричности протекания процесса.
По обоим вариантам заготовка сначала изгибалась на угол р = 90 - а ,то есть боковые стенки подгибались окончательно, что при качественном изготовлении роликов гарантировало симметричность гибки и на последующем переходе перетянуть материал было невозможно.
Предварительный профиль имел R 5. По схеме рис. 3.96 на втором переходе наблюдалось свертывание перед роликами верхних частей боковых стенок с созданием сложной криволинейной поверхности, при осаживании которой формовались полки [71, 72, 76]. Выпрямление нижнего криволинейного участка в роликах с замкнутым рабочим контуром обеспечивало раздачу «излишка» металла по углам и создание утолщения TJ, близкого к предельным.
Точностные характеристики профилей, изготовленных гибкон-волочением
На основании установленных предельных значений основного технологического параметра гнутых профилей утолщения rj можно сделать заключение о его оптимальной величине цопт, которая обязательно лежит в пределах J]e—TjH. Г) —Г]
Казалось бы, что можно за г\опт принять средние значения утолщений rj =——— и при использовании заготовок исходной толщины с учетом допуска s0±As все изготовленные профили будут иметь утолщения с центром их распределения rj и обязательно бездефектными. Но в данном случае не полностью будут использоваться возможности процесса. Вероятность изготовления профилей с утолщениями вблизи значений г/в составит всего в пределах 25%, что нельзя считать целесообразным.
Очевидно, за величину Т]тт следует принять такие значения, при которых не возникает опасность разрушения профиля по внутреннему волокну углов в случае формообразования заготовки с верхним пределом толщины заготовки, или ,У0 ±ЛУ. Практика показала, что даже в одном листе, особенно из новых авиационных материалов, колебания so доходят до 8-10%.
Экспериментально подтверждено, что для корытообразных профилей, изготовляемых в условиях холодной деформации, можно рекомендовать следующие значения Т]опт: для материалов типа Д16АТ- rjonm =1,28; 20Х13Н4Г9Н-77олт=1,22; Х15Н5Д2Т-!/„„= 1,20; OT4-l-/7onm=l,18; ОТ4-7 =1,12 Приведенные значения в последующем отрабатывались при освоении серийной технологии и могут использоваться при проектировании и расчете конструкций на прочность.
Учитывая допуск на толщину листового материала и возможную нестабильность so по длине заготовки, для корытообразных профилей с углами гиба = 65-80 можно установить утолщения, гарантирующие бездефектность для разных материалов в пределах: Д16АТ- 17=1,25-1,3; 20Х13Н4Г9Н-»7=1.20-1,25; Х15Н5Д2Т- 7=1,18-1,22; ОТ4-1 -7=1,15-1,20; ОТ4-7=1,12
Приведенные значения TJ обеспечиваются при ширине заготовки, которую можно принять за оптимальную и подобрать по номограмме (см. рис.3.23).
Выбранные оптимальные утолщения ijonm при правильно подобранных параметрах формующего инструмента обеспечивают для всех материалов относительные радиусы зоны сгиба гв - 0,5-1,2; RH 0,б-1,0 при холодной деформации и гв =0,5-1,0; RH 0,3-0,б - при формообразовании профилей с нагревом.
Для корытообразных профилей исследуемой геометрии при приведенных Взопт имеем к= Уд =1,045-1,06, несколько больше, чем при прокатке [40, 81], что объясняется дополни тельным расходом материала на аксиальную вытяжку и большие утолщения полки rjn . Значения к = 1,045-1,06 соответствуют наиболее полному при холодной деформации заполнению уголковой части профиля с локальным утолщением материала за счет уменьшения RH, стремящемуся к минимуму, при начале роста re, прошедшего границу remm. Следует указать, что большие значения к необходимо брать для менее пластичных материалов. Запас материала на формообразова ниє одной зоны сгиба профилей необходимо брать 1,2-1,25% от Вт для пластичных и 1,35-1,4% для низкопластичных металлов.
Волочением за два-три перехода возможно формовать профили высотой до 30-35 толщин исходного листа. За счет малых гв и RH возможно снижение ширины полок и принимать их Ъ= (8-12)5о, то есть меньше, чем при использовании профилей, выполненных обычной гибкой 6=(12-15)%
Бесступенчатое регулирование скорости волочения Ve в интервале 5,6-9,5 м/мин не приводило к изменению параметров зоны сгиба, а потому для производственных условий принята Ve =6,5-8,5 м/мин.
Для определения усилий, действующих при формообразовании тонкостенных профилей волочением в роликовых устройствах, использован тензометрический метод, заключающийся в записи результатов измерений на чувствительную бумагу осциллографом К2021 с помощью усилительной тензометрической станции 8АН47М.
При протягивании заготовок на протяжном станке 7Б56У через трехпозиционную роликовую фильеру (см. рис.3.6) общее тянущее усилие фиксировали по манометру станка. Для определения тянущих усилий на каждом переходе гибки ряд заготовок формовали пооперационно.
Для учета возникающих усилий трения протягивали отдельно профилированные заготовки через три пары роликов при одной и той же регулировке зазора «h» в рабочем контуре роликов.
Действующие радиальные усилия замеряли одновременно с помощью тензодатчиков, наклеенных на поверхности четырех вертикальных регулировочных болтов, через их деформации. Болты предварительно тарировались при действии на них растягивающей нагрузки. В головках болтов были сделаны отверстия для вывода концов тензодатчиков.
С использованием тех же роликов, той же ширины заготовок производили замер действующих радиальных усилий при формообразовании профилей гибкой-прокаткой в сочетании с волочением на модернизированном профилировочном станке модели 772М (см. рис. 3.2). Чтобы можно было в средней части болтов наклеить датчики сопротивления, изменили конструкцию хомута-серьги.
Формообразование корытообразного профиля в роликовой фильере не будет принципиально по условиям деформирования отличаться от процессов формообразования швеллерного профиля: увеличивается количество зон сгиба, значит, изменяется работа деформирования уголковой части; подгибка боковых стенок и фланцевых полок во многом будет обеспечиваться аналогичными силовыми факторами.
Поэтому усилие, потребное для формообразования угла возможно удвоить. Усилие деформации полки (2.24) упрощенно можно также удвоить, а разницу в параметрах bo и // профилей [//=(1,5-2,0) bo)] целесообразно учесть поправочным коэффициентом.
Сила трения качения торца не будет отличаться от описанной формулой (2.52) и мало зависит от угла ср и размеров сечения профиля. Изменение усилий, потребных на преодоление трения скольжения стенки и полок при зазорах h = sQ, соизмеримо мало. Тогда, общее усилие волочения для профилей с углами гиба р = п/ , когда оно будет наибольшим,
