Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1. Применение гнутых тонкостенных профилей в конструкциях летательных аппаратов 14
1.2. Качественные характеристики профилей, изготовляемых различными технологиями и обоснование выбора изготовления методом стесненного изгиба в валковых парах 19
1.3. Гибочно-прокатное оборудование 30
1.4. Анализ работ по теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов формообразования гнутых тонкостенных профилей в роликовых парах 37
1.5. Анализ дефектов и причины их возникновения при формообразовании гнутых тонкостенных профилей по интенсивным режимам в валковых парах 55
1.6. Постановка задач исследований процесса изготовления тонкостенных профилей методом стесненного изгиба с предотвращением потери устойчивости краевыми элементами и пути их решения 64
1.7. Выводы 65
2. Теоретические исследования 66
2.1. Исходные допущения при разработке моделей очагов деформации краевых подгибаемых элементов 66
2.2. Моделирование процесса формообразования плоского подгибаемого элемента в очаге деформации предварительного перехода 68
2.3. Критерий устойчивости плоской полки с продольными остаточными деформациями, полученными в процессе профилирования на переходах предварительного формообразования 73
2.4. Оценка амплитуды кромковой волнистости при подгибке полок тонкостенных профилей на закритические углы 77
2.5. Модель очага деформации многоэлементной подгибаемой полки тонкостенного профиля 80
2.6. Модель очага деформации криволинейного подгибаемого элемента и условие устойчивости последнего после отформовки 83
2.7. Амплитуда периодических изломов криволинейных полок при их подгибке на запредельные углы 94
2.8. Оценка значений прогибов симметричных профилей и крутки асимметричных профилей от накопленных в процессе формообразования продольных остаточных деформаций 97
2.9. Моделирование процесса формообразования профиля на окончательных переходах и формирование критерия устойчивости периферийных сжимаемых элементов 101
2.10. Выводы 119
3. Экспериментальные исследования 120
3.1. Геометрические параметры очагов деформации краевых подгибаемых элементов и в зависимости от ширины элементов, геометрии поперечного сечения профилей, схем формообразования, механических свойств заготовок и межклетьевого расстояния 120
3.2. Оценка уровня продольных остаточных деформаций в краевых элементах профилей прямым и косвенным методами 129
3.3. Исследование зависимости предельных углов подгибки краевых элементов тонкостенных профилей на предварительных переходах от геометрических параметров элементов, межклетьевого расстояния и механических свойств заготовок 133
3.4. Исследование процесса формообразования минимальных внутренних зон сгиба силами торцевого сжатия на окончательных переходах без потери устойчивости краевыми элементами тонкостенных профилей 138
3.5. Выводы 140
4. Разработка и внедрение технологии и оборудования 141
4.1. Разработка технологических схем формообразования профилей, используемых в конструкциях летательных аппаратов 141
4.2. Разработка оснащения для изготовления специальных тонкостенных профилей сложной формы поперечного сечения 170
4.3. Изготовление профилей с заданной продольной кривизной и предотвращением потери устойчивости элементами профилей обращенными внутрь кривизны 178
4.4. Оптимизация параметров гибочно-прокатного оборудования для изготовления тонкостенных широкополочных профилей с отсутствием потери устойчивости краевых элементов 180
4.5. Изготовление инструмента и требования к нему 195
4.6. Внедрение оборудования и технологии изготовления тонкостенных профилей 198
4.7. Технико-экономические показатели применения гнутых из листа профилей 208
4.8. Выводы 212
Заключение: общие выводы 213
Список использованных источников
- Качественные характеристики профилей, изготовляемых различными технологиями и обоснование выбора изготовления методом стесненного изгиба в валковых парах
- Моделирование процесса формообразования плоского подгибаемого элемента в очаге деформации предварительного перехода
- Оценка уровня продольных остаточных деформаций в краевых элементах профилей прямым и косвенным методами
- Изготовление профилей с заданной продольной кривизной и предотвращением потери устойчивости элементами профилей обращенными внутрь кривизны
Введение к работе
Авиа- и ракетостроение всегда были и остаются отраслями самой передовой науки, техники и технологии, где постоянно ведется поиск новых материалов, прогрессивных технологических процессов и наиболее совершенного оборудования для их реализации.
В связи с повышающимися требованиями к конструкциям летательных
аппаратов (ЛА) в части прочности, жесткости и ресурса значительно возросла
потребность в производстве узлов и деталей, изготовленных из листовых
материалов, особенно плакированных, обладающих повышенными
коррозионными свойствами. Отличительной особенностью листовой
штамповки является ее высокая производительность, рациональное
использование исходного материала, широкие возможности механизации и
автоматизации технологических процессов, достаточно хорошая точность
воспроизведения размеров деталей, возможность изготовления жестких деталей
при небольшой их массе. Тонкостенные профили из традиционных
алюминиевых сплавов и высокопрочных авиационных материалов обычно
изготавливают в заготовительно-штамповочном производстве штамповкой в
прессах. Однако производство штамповкой тонкостенных профилей из
высокопрочных сплавов с малыми относительными радиусами зон сгиба
затруднено из-за малой стойкости калибра матрицы, низкого качества и
больших допусков на толщину. Известные способы изготовления профилей в
штампах на кривошипных прессах, в штампах на специальных гибочных
прессах, кромкогибочных устройствах и протяжкой являются
малопроизводительными, приводят к большим потерям металла. Процесс получения профилей со сложной конфигурацией поперечного сечения весьма затруднителен, узкий диапазон по длине, ширине и толщине исходных заготовок и высокая себестоимость гнутых профилей, полученных штамповкой, гибкой на прессах или протяжкой, резко ограничивает области их применения. Профилирование по традиционным схемам в авиационном производстве не используется из-за малой жесткости профилей, значительных габаритных размеров профилегибочных станов, большого количества роликовых пар и соответственно длительной переналадки.
Необходимость повышения летно-технических характеристик ЛА приводит к использованию в элементах конструкции высокопрочных материалов, обладающих, как правило, малой пластичностью.
Промышленностью освоены профили, гнутые из алюминиевых, титановых и других высокопрочных материалов, имеющие в зоне сгиба внутренние радиусы равные, как правило, трем - пяти толщинам исходной заготовки. Они из-за нерационального соотношения размеров по своим прочностным и жесткостным характеристикам заметно уступают прессованным. Для того чтобы характеристики профилей, гнутых из листа, соответствовали бы характеристикам прессованных и горячекатаных, необходимо их изготавливать с минимальными радиусами и утолщением материала в зонах сгиба. При обычном пластическом изгибе листовых
заготовок это сделать не удается из-за опасности разрушения растянутых волокон по внешней поверхности и утонения материала в угловой зоне. Процесс формообразования профилей из листовых труднодеформируемых материалов часто ведут с нагревом заготовок, что повышает трудоемкость и себестоимость, цикл изготовления и металлоемкость технологического оснащения. Коэффициент использования металла обычно не превышает 0,6 -0,7, качество и точность - невысокие.
Устранить существующие недостатки гнутых профилей оказалось возможным при изготовлении их гибкой-прокаткой на специальных гибочно-прокатных станках методом стесненного изгиба. Характерной особенностью роликового инструмента является наличие уступа, который позволяет замкнуть рабочий контур с созданием в заготовке дополнительных сжимающих напряжений, компенсирующих растяжение наружных волокон угла гиба. Деформация осуществляется в условиях сжатия, что позволяет получать профили из высокопрочного листового материала, приближаясь к выгодной геометрии прессованного профиля в зонах сгиба. Оборудование для изготовления гнутых тонкостенных профилей менее сложно, чем прокатное или прессовое, его изготовление дешевле, а обслуживание - легче и проще. Капиталовложения и эксплуатационные расходы при организации производства гнутых профилей значительно меньше, чем при других видах обработки металлов давлением, и первоначальные затраты окупаются в короткий срок.
Однако дальнейшая интенсификация процессов формообразования тонкостенных профилей в роликовых парах ограничивается потерей устойчивости краевых элементов профилей.
Для гарантированного обеспечения качества тонкостенных профилей, в частности, недопущения гофрообразования периферийных участков профилей необходимо назначение расчетных схем и режимов формовки, требуемых параметров роликового инструмента и оборудования, что требует теоретического исследования механизмов возникновения потери устойчивости применительно к формообразованию в валковых парах.
Следовательно, актуальной задачей исследования в настоящей работе становится разработка моделей процессов формообразования краевых элементов профилей на предварительных и окончательных технологических переходах с исследованием факторов интенсификации и предельных возможностей процессов формовки в валках с позиции недопущения гофрообразования по кромкам, повышения качества изготовления катаной продукции и расширения технологических возможностей данного способа изготовления.
Объект исследования - гнутые незамкнутые тонкостенные профили используемые в авиационных конструкциях в качестве подкрепляющих силовых элементов более сложных тонкостенных конструкций: Z- образные, корытообразные, швеллерные, уголковые и сложных поперечных сечений из листовых алюминиевых сплавов толщиной s = 0,4 - 2,0 мм с плакированным поверхностным слоем.
Цель диссертационной работы - разработка на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований научно обоснованных методов и алгоритмов проектирования технологического оснащения и выбора оптимальных параметров малогабаритных гибочно-прокатных станков для формообразования гнутых тонкостенных профилей методом стесненного изгиба с устранением потери устойчивости краевых элементов. Следовательно, основными направлениями исследования являются:
Исследование геометрических и деформационных параметров зон плавных переходов подгибаемых полок различной конфигурации поперечного сечения при интенсивных схемах формовки на переходах предварительного формообразования с формированием условия, определяющего предельные режимы подгибки полок по технологическим переходам и минимального числа технологических переходов для изготовления профилей без гофрообразования краевых участков.
Исследование влияния геометрических и силовых параметров в зонах передачи сжимающих торцевых усилий на окончательных переходах с выражением критерия устойчивости для краевых участков в целях определения предельных величин осадки кромок полок за проход с минимально достижимыми радиусами зон гиба.
Научной новизной в настоящей работе обладают следующие результаты:
Концептуальные математические модели формообразования плоских, многоэлементных и криволинейных в плане подгибаемых полок в очагах деформации предварительных переходов, позволяющие функционально определить геометрические характеристики очагов деформации, продольные деформаций растяжения в подгибаемых элементах, и сделать выбор оптимального межклетьевого расстояния при разработке номенклатурно-ориентированного оборудования для производства тонкостенных профилей с позиции предупреждения гофрообразования.
Критерии устойчивости тонкостенных краевых элементов плоского и криволинейного поперечных сечений с накопленными продольными деформациями, разработанные для определения предельных углов подгибки данных элементов за технологический переход при изготовлении прямолинейных профилей и профилей с заданной продольной кривизной.
Методика для нахождения минимально необходимого числа технологических переходов предварительного формообразования с целью получения бездефектных тонкостенных профилей и оптимального распределения углов подгибки плоских и криволинейных в поперечном сечении элементов по этим переходам.
Априорная модель устойчивости краевых элементов от торцевых сжимающих сил на окончательных переходах с формулировкой критерия, определяющего предельные величины осадки торцов полок за технологический переход и минимально достижимые радиусы зон сгиба при отсутствии гофрообразования периферийных участков профилей.
Метод косвенной экспериментальной оценки остаточных продольных деформаций растяжения в элементах отформованных профилей по величинам продольной кривизны симметричных профилей и угла крутки асимметричных профилей.
Моделирование зоны свободного формоизменения и уголковой зоны для автоматизированного расчета энергосиловых параметров формообразования тонкостенных профилей интенсивным деформированием на предварительных переходах (необходимых крутящих моментов и мощности на валах станка).
Диссертационная работа состоит из четырех разделов:
В первом разделе рассмотрены вопросы применения профилей в изделиях отрасли. Проведен анализ теоретических и технологических работ, посвященных производству тонкостенных профилей в валковых парах. Здесь же рассмотрены технологические проблемы, возникающие при попытке интенсификации процесса изготовления тонкостенных профилей в роликах методом стесненного изгиба. В выводе выделен ряд задач, подлежащих решению.
Во втором разделе разработаны модели процесса деформирования краевых подгибаемых элементов различной поперечной конфигурации на переходах предварительного формообразования и критерий устойчивости последних, позволяющий определить предельные значения углов подгибки на каждом технологическом переходе. При режимах формообразования, превышающих предельные, определены значения амплитуды кромковой волнистости для плоских элементов и амплитуды периодических изломов для криволинейных в плане полок. Найдены величины продольных прогибов для симметричных профилей и крутки асимметричных профилей от накопленных в процессе профилирования продольных остаточных деформаций. Рассмотрена модель устойчивости периферийных элементов профиля при формообразовании на окончательных переходах. На базе теоретических исследований разработаны алгоритмы, необходимые для автоматизированной разработки технологии изготовления профилей (назначении углов подгибки за проход для профилей с плоскими в плане подгибаемыми полками и углов подгибки по переходам для профилей с криволинейными полками), вычисления амплитудных значений волнистости кромок или периодических изломов для прямолинейных профилей и поводок для профилей не подвергающихся правке.
В третьем разделе приведена программа экспериментальных исследований по определению предельных возможностей процесса изготовления тонкостенных профилей на переходах предварительного и окончательного формообразования и сопоставления экспериментальных данных с теоретическими результатами. Верификация теоретических зависимостей производится как прямыми, так и косвенными методами в постановочных экспериментах и при помощи методики математического планирования эксперимента по специально разработанной программе для автоматизированного расчета.
Четвертый раздел посвящен определению основных технологических параметров процесса на основе теоретических и экспериментальных исследований. Рассмотрены вопросы проектирования технологического оснащения, в частности, автоматизированного расчета углов подгибки по предварительным переходам элементов и расчета ширины заготовки для зетобразных и корытообразных профилей с отбортовками и без них из условия устойчивости краевых криволинейных в плане элементов. Применительно к тонкостенным профилям сложной конфигурации приводятся конструкции вспомогательной оснастки для воздействия на очаг деформации краевых подгибаемых участков профиля - проводковые устройства качения (роликовые) и скольжения, позволяющие интенсифицировать процесс формообразования на предварительных переходах. На примере изготовления профиля швеллерного сечения определено минимальное количество требуемых технологических переходов для формообразования без возникновения гофрообразования полок. Предложены рекомендации по выбору оптимальных параметров основных частей гибочно-прокатного оборудования: длины валов и межосевого расстояния рабочих клетей станка для определенной номенклатуры профилей; межклетьевых расстояний для направляющего устройства с клетью направленной потери устойчивости. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований по оптимизации параметров оборудования и энергосиловых параметров процесса формообразования создан алгоритм для автоматизированного проектирования гибочно-прокатного оборудования под конкретный сортамент тонколистовых профилей.
Далее рассмотрены технические условия на профили, подлежащие
изготовлению, а также требования к исходным материалам и методам контроля.
На основе оценки технологических параметров профилей к внедрению на
предприятии по расчетному числу предварительных и окончательных
переходов, межклетьевого расстояния и других характеристик назначения
оборудования был признан подходящим станок ГПС-500М6. Станки для
предприятий-заказчиков были изготовлены на Ульяновском
станкостроительном заводе и подвержены автором приемочным испытаниям. В процессе отладки и опытной эксплуатации по предложению автора проведены мероприятия по совершенствованию оборудования, в частности, конструкции межклетьевых неприводных клетей, проводковых устройств, подающей клети и др. Проведенные исследования геометрических параметров поперечного сечения, продольной формы и структуры металла профилей выявили их соответствие требованиям нормативно-технической документации.
Результаты исследований внедрены на трех предприятиях РФ в виде сдачи "ключ" автоматизированных линий и реализованных на них технологий для изготовления тонкостенных профилей, в том числе, используемых в качестве стрингерного набора фюзеляжа самолета АН-70 (ЗАО "Авиакор-Лизинг" г. Самара) и профилей применяемых в строительстве. Здесь же производится расчет экономической эффективности от внедрения оборудования и технологии на предприятии ЗАО "Авиакор - Лизинг".
В разделе "Заключение: Общие выводы ", вследствие проведенных исследований и экспериментов, обосновывается научная новизна работы, и формулируются ее результаты.
В списке литературы внесено 159 первоисточников (в т.ч. на 4-х иностранных языках), из которых использовалась хотя бы одна строчка информации для написания настоящей работы.
В приложении имеются акты о внедрении технологии и оборудования на площадях промышленных предприятий-заказчиков.
Автору в настоящей работе принадлежат:
Математические модели очагов деформации краевых элементов
тонкостенных профилей на переходах предварительного формообразования в
зависимости от ширины и формы поперечного сечения элемента, угла
подгибки за проход и межклетьевого расстояния.
Алгоритм для автоматизированного расчета предельных углов подгибки за
проход для плоских полок и распределения углов подгибки по переходам для
криволинейных в плане полок на переходах предварительного
формообразования, полученные из критерия устойчивости периферийных
элементов с накопленными продольными деформациями, в зависимости от
ширины, толщины и формы поперечного сечения элемента, межклетьевого
расстояния, радиуса продольной кривизны профиля и механических
свойств профилируемой заготовки.
Алгоритм для автоматизированного расчета предельных величин осадки торцов полок за проход на переходах окончательного формообразования (собственно стесненный изгиб), полученный из критерия устойчивости краевых участков, являющихся зоной передачи торцевых усилий сжатия, в зависимости от ширины и толщины полки, радиуса уступа, величины аксиального натяга и предварительной заготовки, механических свойств заготовки.
Алгоритм для автоматизированного расчета минимального числа технологических переходов для бездефектного изготовления профилей, энергосиловых параметров профилирования (крутящего момента и мощности) в зависимости от геометрических параметров рассматриваемого профиля, межклетьевого расстояния и механических свойств заготовки.
Косвенные методы определения уровня продольных остаточных деформаций в элементах отформованных профилей - по величинам прогиба и крутки готовых неправленых профилей.
Результаты внедрения технологии и оборудования в опытное и серийное
производство.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю за ценные рекомендации, сотрудникам "Ульяновского НИАТ" и кафедры "Самолетостроение" института авиационных технологий и управления Ульяновского гостехуниверситета за оказанную помощь в процессе выполнения работы.
Основное содержание диссертации опубликовано в 19 научных работах, включая 2 заявки на патент (положительное решение ФИПС).
Качественные характеристики профилей, изготовляемых различными технологиями и обоснование выбора изготовления методом стесненного изгиба в валковых парах
Гибка в кромкогибочных устройствах (машинах).
Метод стесненного изгиба характерен тем, что в процессе гибки, прикладываются дополнительные усилия сжатия, перпендикулярные оси гибки (в тангенциальном направлении). В результате тангенциальных сжимающих усилий уменьшаются деформации растяжения наружной поверхности зоны сгиба, что позволяет гнуть листовой материал по радиусу, значительно меньшему допустимых при обычной гибке [42, 44, 45, 54, 106]. Кроме того, приложение достаточно больших тангенциальных усилий сжатия приводит к увеличению объема сжатой зоны, что приводит к смещению нейтрального слоя деформации в сторону наружного контура, а также к увеличению толщины материала в уголковой зоне. Существующие способы получения профилей из листовых материалов методом стесненного изгиба можно разделить по способу приложения сил тангенциального сжатия в очаг деформации.
Процесс изгиба в кромкогибочных машинах [12, 117, 118] сводится к осуществлению гибки концевой части листовой заготовки или получению детали с несколькими перегибами, где гибка производится со свободным перемещением материала перпендикулярно линии гиба. В этом случае схема гибки близка к чисто пластическому изгибу. Для получения деталей в кромкогибочных машинах в условиях стесненного изгиба, перемещение материала перпендикулярно линии гиба ограничивается за счет смещения оси вращения или непрерывного поджатия с помощью гидроцилиндра. Идентично гибке в штампах усилия тангенциального сжатия приложены по всей длине зоны сгиба. Получение профиля в кромкогибочных устройствах происходит в результате приложения к плоской заготовке одновременно изгибающего момента и сжимающей силы при формообразовании угла с малым относительным радиусом (рис. 1.1).
Для уменьшения длины траектории движения торца заготовки на заданную величину ЛІ, в кромкогибочных устройствах, предназначенных для осуществления стесненного изгиба, смещают ось вращения поворотной части устройства в верхнюю полуплоскость относительно боковых поверхностей подвижного и неподвижного корпусов на расстояние И. Сжимающая сила Pt обеспечивает заданную траекторию движения торца заготовки. Технологический процесс изготовления заключается в подгибке концевой части заготовки или же посредством выполнения нескольких перегибов с перемещением заготовки в направлении, перпендикулярном линии гиба [12].
Кромкогибочные устройства для реализации стесненного изгиба хорошо зарекомендовали себя при изготовлении профилей небольшой длины из малопластичных и композиционных материалов, применяемых авиастроении [117], но широкого распространения они не получили из-за отсутствия серийного изготовления и в связи с ограниченными технологическими возможностями. На кромкогибочных устройствах возможно лишь изготовление профилей простых поперечных сечений (уголковые, швеллерные и корытообразные без отбортовок профили небольшой длины с шириной полок и стенок, определяемых размерами прижимных планок). Для экспериментальных исследований кромкогибочные устройства очень удобны в связи с тем, что при одноугловой гибке они позволяют изменять угол гибки и усилие тангенциального поджатия, определяющие геометрию зоны сгиба, при этом не требуется изготовление специальной оснастки, как это имеет место при изготовлении профилей в штампах. Проведенные исследования и анализ полученных данных дают основание считать, что стесненный изгиб в кромкогибочных устройствах вполне пригоден для изготовления прямолинейных деталей типа гофров и профилей несложного сечения с открытым контуром, но для серийного изготовления деталей таким способом необходима более совершенная конструкция кромкогибочных машин с максимально возможной механизацией. Результаты исследований могут быть в известной степени распространены и на другие виды формообразования стесненным изгибом [117]. Операцию прямолинейной гибки листовых заготовок шириной до двух метров можно производить на специальных прессах и в кромкогибочных машинах
Гибка в штампах с приложением усилий тангенциального поджатия.
Совмещенный процесс гибки с тангенциальным сжатием в штампах позволяет создавать в закрытом штампе большие сжимающие усилия, приводящие не только к уменьшению деформаций растяжения на выпуклой стороне заготовок и тем самым обеспечить гибку по малому радиусу [54], но и создает утолщение в зоне сгиба [43,44,107].
Гибка в штампе гофра (рис. 1.2. а) осуществляется при непрерывном действии сжимающих усилий в процессе деформирования заготовки [61]. При изготовлении профилей плоская заготовка предварительно изгибается на большой радиус (г 5 s), а затем, при создании дополнительных сжимающих усилий, осуществляется изгиб с малым относительным радиусом (рис. 1.2.6) [61]. В последнем варианте процесс изгиба осуществляется за несколько переходов с последовательным уменьшением радиуса гибки. Причем, заготовка перед операцией нагревается до пластического состояния. Ей придается форма оболочки знакопеременной кривизны (изгиб по обратной схеме).
Способ обеспечивает в зависимости от свойств материала утолщение по зонам сгиба до 30 %. В других случаях заготовку сначала формуют с радиусом и утлом гиба больше заданного, затем производят ее разгибание при одновременном уменьшении радиуса. В результате, в зоне гибки возникают дополнительные тангенциальные усилия сжатия, и обеспечивается формообразование профиля с малыми радиусами. Или предварительно перед осадкой материала в штампе профилируют заготовку в роликах. Для осадки криволинейных поверхностей в матрице или пуансоне предусмотрен один уклон 1/1000, а длинномерный профиль изготовляют при шаговой подаче профилированной заготовки. Чем больше разность между шириной исходной полосы В3 и шириной развертки готового профиля, тем меньше радиус в зоне сгиба.
Чтобы исключить микротрещины, возникшие на внутренней поверхности зоны сгиба в плакированном слое вследствие действия знакопеременной нагрузки, предложено вести процесс в две стадии в штампе, пуансон и матрица которого составные, вставки пуансона и матрицы подпружинены, например, полиуретаном (см. рис. 1.2.6).
Усилия тангенциального сжатия создаются за счет распрямления в плоские элементы предварительной криволинейной заготовки и сжатия торцов заготовки уступами. Для этого ширина заготовки принимается больше разверстки готового профиля. Деформирующие усилия приложены равномерно по всей длине формуемой заготовки.
Моделирование процесса формообразования плоского подгибаемого элемента в очаге деформации предварительного перехода
Однако, в работе [34] нет аналитического определения предельных углов подгибки за проход (или по переходам), необходимых при проектировании валковой оснастки в условиях ограниченного числа переходов. К тому же общее. число переходов уже задано, что не гарантирует качество готовых профилей для разных bus.
В работе [18] рассмотрены условия потери устойчивости боковой стенки замкнутых профилей при их получении многопереходной подгибкой плоских элементов (с последующей продольной сваркой кромок), а также путем переформовки трубчатой заготовки в профиль требуемой конфигурации с обжатием по контуру. Сопоставлены известные формулы для определения критической силы (критического напряжения) потери устойчивости и внутреннего радиуса места изгиба, выведенные в различных предположениях относительно места приложения сжимающей силы. Построены графики зависимости минимального относительного радиуса от относительной ширины боковой стенки.
Конструкция агрегата обуславливает значительную трудность его перенастройки с одного профиля на другой и исключает возможность вертикальной регулировки профильных валков. С целью предотвращения технологических дефектов продукции, которые в других случаях могли бы быть исключены путем изменения настройки стана, разработан ряд технологических приемов. Рассмотрены приемы, обеспечивающие предотвращение волнообразование на кромках профиля и продольного прогиба по его длине, сохранение целостности покрытия или легконарушаемой поверхности профиля, предотвращения образования вмятин, царапин, отслоения покрытия (преимущественно во внутренней зоне места изгиба гофров) [119].
Авторы работы [28] в результате теоретического анализа уравнений равновесия элемента профиля, имеющего контакт только с одним валком, получили выражения, описывающие положение точки перегиба графика функции продольного изгиба такого элемента и связь между формой графика этой функции и силой давления металла на валок.
Рассмотрены особенности технологии изготовления профилей с многоэлементными отбортовками [41]. Сделаны рекомендации по уменьшению продольных деформаций в подгибаемых элементах и предупреждению волнистости кромок, по устранению переформовки мест изгиба и разноширинности элементов профилей, а также по оптимизации скоростного режима и уменьшению энергозатрат.
В работе [97] исследовано влияние гофрирования на повышение критических напряжений местной потери устойчивости тонкостенными элементами замкнутого сечения при продольном изгибе. Для рассматриваемого случая показаны возможность и особенности использования в инженерной практике методов расчета местной устойчивости пластинок с ребрами жесткости.
В работе [16] показано, что при исследовании процесса валковой формовки профилей высокой жесткости вариационными методами с использованием полей скоростей перемещений, задаваемых по объему очага деформации, вследствие большого числа упрощений и допущений, часто неправомерных (боковые элементы профилей считаются идеальными пластинами, не учитывается реальная форма очага деформации перед осевой плоскостью валков) и не обеспечивается необходимая точность расчета геометрии очага деформации, энергосиловых параметров формовки. Для решения этих задач применен метод конечных элементов, позволяющий учитывать все особенности геометрии заготовки и калибра. Предпринята попытка описания формы свободной поверхности заготовки перед осевой плоскостью валков при известных граничных условиях, заданных в координатах выделенной для рассмотрения области. Разработан алгоритм определения формы очага деформации с учетом растяжения каждого конечного элемента. Выполнены расчеты для двух задач с различными граничными условиями применительно к конкретному профилю. Сопоставление модели, построенной по результатам расчета, с реальным очагом деформации показало, что примененный алгоритм работоспособен и правильно отражает качественную сторону формовки гофров, но нуждается в уточнении. Получены зависимости для определения работы деформации, интенсивности деформаций и напряжений, величины растяжения.
В работе [50] рассмотрены закономерности волнообразования. Выделены три области значений ширины плоских боковых элементов, различающиеся по знаку разности остаточной и критической деформации. Определены условия расширения и сужения опасной области. Получено аналитическое выражение для определения показателя волнистости в зависимости от ширины плоского бокового элемента. Показана возможность уменьшения или устранения волнистости путем своевременной корректировки ширины профиля в приемлемую для потребителя сторону без изменения остальных размеров.
С использованием поляризационно-оптического метода в работе [51] экспериментально исследован процесс формообразования замкнутых профилей путем переформовки промежуточной трубчатой заготовки. Определены минимально возможные радиусы мест изгиба, при которых профиль формуется без потери устойчивости плоскими элементами и нарушений сплошности металла. Рекомендуются рациональные конструкции валков и технология, которые обеспечивают получение профилей высокого качества.
Авторы работы [102] усовершенствовали известный ранее способ предотвращения волнообразования при профилировании сортовых профилей применительно к гофрированным профилям с защитным покрытием. Рекомендуется предварительный изгиб крайних плоских элементов в поперечном сечении в пределах упругих деформаций в направлении, противоположном изгибу криволинейных элементов (мест изгиба), и их выпрямление в конце профилирования. Упругий изгиб целесообразно сочетать со сжатием. В результате сводится к минимуму деформация наружных слоев изгиба и утонение покрытия.
Аналогии решения задач устойчивости упругих и неупругих систем.
Существенное отличие неупругих систем (упругопластических) от упругих (в том числе геометрически нелинейных) состоит в том, что их поведение зависит от предыстории нагружения и деформирования. Дополнительные усложнения вносят эффекты разгрузки после деформирования в упругопластической стадии. Перечисленные особенности неупругих систем затрудняют анализ устойчивости даже в самом простом случае квазистатического нагружения потенциальными силами. На практике использую упрощенные подходы, например, трактуют упругопластическую систему как нелинейно-упругую с соответствующим выбором закона деформирования. Вообще, в этой области широко применяют различные подходящие к данной задачи определения и критерии устойчивости. Для упругопластических систем часто применяют обобщение простейшего понятия устойчивости по Эйлеру: состояние равновесия системы называют устойчивым, если она после статического приложения и последующего снятия силой возмущающей силы стремится вернуться в свое исходное состояние, оставаясь в его малой окрестности. Первые решения задачи устойчивости сжатого стержня за пределом пропорциональности (Энгессер, Ясинский, Карман) привели к установлению некоторой зависимости между критическим напряжением акр и гибкостью X. При этом применимость эйлеровской теории устойчивости определяется неравенством [15,23,88]: X ж-(ЕУа$) 5, где X = /л/у -гибкость стержня; ц - коэффициент приведения длины; - длина стержня; г = (J/F)0 5 - радиус сечения стержня. Для более коротких стержней состояние пластического тела, в отличии от состояния упругого тела, зависит не только от мгновенных значений нагрузок, но и от порядка их приложения.
Оценка уровня продольных остаточных деформаций в краевых элементах профилей прямым и косвенным методами
Таким образом, на более чем 50 типоразмерах профилей швеллерного сечения были апробированы теоретические результаты косвенного определения уровня остаточных деформаций растяжения в полках, при этом данные эксперимента неплохо согласуются с расчетными (разница не более 10 - 20 %) и имеют несколько заниженные значения. Последнее объясняется неполной разгрузкой остаточных напряжений в элементах профилей, поэтому данный метод исследований можно считать оценочным, а расчетные теоретические данные верхним пределом.
Оценку накопленной деформации в полках Z-образных профилей после формообразования на предварительных переходах производили на основе измерения углов скручивания готовых профилей (рис. 3.12). Профили 1 выкатывали из последнего валкового перехода 2 и замеряли угол крутки (р угломером З (ГОСТ5378-66) установленным на станине станка ГПС на расстоянии L от осевой плоскости валковой пары 2. Таким образом, угол крутки на одном погонном метре равен срмл - Р 1/L. Методы измерения отклонения формы по ГОСТ 26877-86.
Как и при сопоставлении экспериментальных и теоретических данных для прогибов, значения углов крутки, найденные опытным путем несколько меньше расчетных на 15 - 25 %. Большее отклонение наблюдается для тонкого материала (s = 0,4 мм). И в этом случае теоретический расчет углов скручивания дает верхние значения при полной разгрузке напряжений в криволинейных полках.
Исследование факторов, влияющих на возникновение и амплитуду кромковой волнистости на переходах предварительного формообразования.
Как было показано во второй главе, механизм возникновения волнистости полок напрямую связан с неравномерностью распределения продольных остаточных деформаций растяжения по ширине подгибаемых элементов, возникающих в процессе формообразования профиля (на предварительных переходах). Из-за сплошности металла подгибаемые полки в готовых профилях оказываются сжатыми и могут терять устойчивость как в межклетьевом промежутке, так и в очаге деформации правильного устройства (между окончательным переходом и рабочим элементом силового воздействия устройства для правки) см. рис. 2.1. При этом напряженно-деформированное состояние сжатых периферийных элементов в процессе устранения продольного прогиба правильным устройством аналогично как при пластическом изгибе профилей полкой внутрь [111]. Последнее характерно для симметричных профилей, в случае же несимметричных профилей неравномерное распределение продольных остаточных деформаций по сечению профиля приводит дисбалансу внутренних остаточных напряжений относительно центра тяжести профиля, следовательно, одновременно с прогибом (см. рис. 2.27.6) возникают поводки типа саблевидности и крутки (см. рис. 2.30.6). Идентично симметричным профилям, при попытке выправить вышеперечисленные дефекты непрямолинейности и неплоскостности профилей в продольном направлении, может произойти потеря устойчивости наиболее сжатых элементов поперечного сечения (причем как краевых, так и внутренних). Таким же образом возможна потеря устойчивости заготовки несимметричного сечения в межклетьевом промежутке, где роль правильного устройства выполняет последующая по ходу движения валковая пара.
В технологических переходах окончательного формообразования при осадке волнообразной заготовки в валковой паре окончательного формообразования с целью создания сжато-напряженного состояния в уголковых зонах, усилия тангенциального сжатия передаются в зону сгиба через краевые элементы, т.е. осуществляется торцевой подпор на заготовку со стороны элементов валков см. рис.2.33. Благодаря этому, периферийные элементы являются зоной передачи сжимающих усилий от валка к уголковой зоне, и поэтому могут терять устойчивость с возникновением волнистости при определенном уровне сжимающих нагрузок.
В связи с этим как возникновение, так и параметры уже имеющей место кромковой волнистости зависят от множества факторов, таких как: схема формообразования - угол подгибки за проход а; геометрические параметры полки - (b, s, радиус поперечной кривизны R); параметры оборудования - межклетьевое расстояние (А); ширина заготовки - Вз; механические свойства материала - (", as) , продольные поводки готового профиля - прогиб, саблевидность, крутка (соответственно соу, сох, р).(см. рис. 3.10 и рис. 3.12, рис. 3.14); настроенные параметры оборудования и др. Ь_ В- 1. со„,Т (Шу=0) ЗЩ Ц- 2. Ry(C0y)(COM=0) Е,Оц Рис. 3.14. Схема взаимосвязи в объекте исследований амплитуды краевой волнистости и продольной кривизны профиля
С целью определения степени влияния параметров профилирования при интенсивном деформировании на предварительных переходах была проведена серия экспериментов с использованием методики математического планирования [121, 142]. Наиболее значимыми параметрами при разработке технологии признаны - угол подгибки за проход, ширина и толщина элемента. Планирование и осуществление экспериментальных исследований для отыскания зависимости амплитуды волнистости от перечисленных факторов проводились на основе полного факторного эксперимента (ПФЭ) типа 23.
Модель процесса для прямолинейных профилей (не имеющих прогиба и саблевидности - 1 мм/м и крутки - 17м см. рис. 3.14 - вариант 1, вариант 2 исследовался в предыдущем подразделе) можно представить функцией отклика: y=f(b,s,a). (3.3) Уровни факторов и интервалы варьирования выбраны по результатам предварительных поисковых экспериментов и приведены в таблице 3.5. Схема замеров амплитуды и периода волнистости полок профиля и поперечное сечение исследуемого профиля изображены на рис. 3.15 (ап= 90).
Каждый опыт в плане факторного эксперимента ставился в нескольких повторностях, и число их в каждом варианте опыта одинаково (п = 3). Для каждой строки матрицы планирования определяем среднее арифметическое значение и построчные дисперсии воспроизводимости единичного результата: п п У и = 2 ь In; S2{yku) = 2 ь - уи )21{п -1) 9 (3.4) где п - число повторностей в определении уи; к - номер повторносте в каждой строке; и - номер строки в плане эксперимента.
Изготовление профилей с заданной продольной кривизной и предотвращением потери устойчивости элементами профилей обращенными внутрь кривизны
Нередко применяются детали из тонкостенных профилей с заданной продольной кривизной, в частности, детали типа шпангоутов с требуемым радиусом дуги как элемента силовой конструкции планера ЛА или корпуса судна, а также в автостроении (бамперы, балки бамперов, направляющие элементы) и строительстве (арочные перекрытия, направляющие).
Однако, попытка уменьшения радиуса продольной кривизны профиля ограничивается потерей устойчивости для тонкостенных заготовок или искажения формы поперечного сечения в результате воздействия усилий правки на определенные элементы готового профиля.
На примере изготовления профиля швеллерного сечения рассмотрим особенности совмещенного процесса профилирования с приданием готовому профилю заданной кривизны радиусом R, как правильным устройством [91, 93, 94] рис. 4.33.а, так и изменением положения нижних валов гибочно-прокатного станка (станки семейства ГПС производства ФГУП "Ульяновского НИАТ") рис. 4.33.6, в.
Потеря устойчивости сжатых элементов возникает как от остаточных продольных деформаций растяжения, накопленных в процессе профилирования (в очагах деформации), так и от напряжений сжатия, возникающих при гибке, когда данные элементы оказываются направленными вовнутрь кривизны профиля.
Варианты задания продольной кривизны профиля в гибочно прокатном станке: а - правильным устройством; б - смещением вниз промежуточной роликовой пары; в - смещением вверх окончательной роликовой пары; г, д- сечение изготовляемых профилей
Волнистость плоских в поперечном сечении (рис.4.33.г) или с относительно малой поперечной кривизной (Ri/b 1,5 — 2) с радиусом Rt (рисАЗЗ.д), и периодические изломы элементов с большой относительной поперечной кривизной (R t/b 1,5 - 2) возникают как в очаге правки правильного устройства (см. рис.4.33.а), так и в межклетьевых промежутках при задании продольной кривизны профиля в приводных валковых парах смещением по вертикали нижних валов гибочно-прокатного станка ± AY (см. рис. 4.33.6, в).
Критерий устойчивости, в котором принимается условие аддитивности накопленных в процессе профилирования продольных деформаций и деформаций сжатия от продольного изгиба профиля с заданным радиусом дуги центра тяжести сечения R [22, 23, 108], получен на основе выражения (2.72) для профиля швеллерного сечения с плоскими (см.рис.4.33.д) и криволинейным в плане полками (см. рисАЗЗ.г): 123-я3 -(c-sf -І +Є УЬ2]-1 +ЫЬ = 0, (4.39) где є, и Єизг - соответственно усредненные продольные остаточные деформации от формообразования в роликах (2.34) или (2.73), и усредненные продольные деформации от изгиба профиля полкой внутрь (см. подглаву 2.8., где заменим знак деформаций в выражении (2.82) рис. 2.28).
При известных входных параметрах критерий устойчивости дает значение предельных углов подгибки за проход. Функционально критерий возникновения волнистости или периодических изломов определен системой трансцендентных уравнений, решить которую аналитически сложно, поэтому, решая ее с использованием прикладных программ MathCAD2001i, найдем значения критических углов подгибки за проход (рис.4.34).
Разработанная программа расчета предельных углов подгибки за проход при заданных параметрах поперечного сечения профиля и продольной кривизны апробирована практически и показала хорошее совпадение с экспериментальными данными для профилей швеллерного сечения с шириной полок от 17,5 до 75 мм и толщиной заготовок из материалов Ст.08кп от 0,5 до 1,5 мм.
Предельные углы подгибки за проход при изготовлении профилей с продольной кривизной: а —в зависимости от ширины и толщины подгибаемого элемента; 6-е зависимости от ширины подгибаемого элемента и радиуса продольной кривизны профиля
Оптимизация параметров гибочно-прокатного оборудования для изготовления тонкостенных широкополочных профилей с отсутствием потери устойчивости краевых элементов Определение требуемого числа профилирующих клетей, межклетьевого расстояния и габаритных размеров гибочно-прокатного оборудования.
Конструкция гибочно-прокатных станков (станов) специального назначения для производства тонкостенных профилей в условиях холодного деформирования толщиной s 2,0 мм на определенный сортамент должна быть простой в изготовлении, мобильной, малогабаритной, малой металлоемкости и себестоимости. В целях оптимизации конструкции оборудования данного класса, рассчитанного для серийного производства профилей с большой тонкостенностью b/s 20, где b - ширина подгибаемых элементов, кроме стандартных расчетов на прочность и жесткость валов, клетей, станины (рамы), привода валов и других конструктивных элементов по известным методикам в зависимости от максимальной толщины профилируемой полосы, количества зон сгиба, углов подгибки за проход, механических свойств материала из всей номенклатуры профилей, необходимо определить минимально допустимое межклетьевое расстояние А.
Теоретические исследования [74, 76] показывают, что при распространении очага деформации рассматриваемого перехода до осевой плоскости валковой пары предыдущего перехода или при равенстве длины зоны плавного перехода межклетьевому расстоянию, увеличивается кривизна поверхности очага деформации актуального перехода, что приводит к увеличению продольных деформаций растяжения в подгибаемых полках. В результате потеря устойчивости краевых элементов, выражающаяся в виде их волнистости происходит при меньших углах подгибки за проход. Следовательно, потребуется большее число технологических переходов (количество клетей п) для возможности бездефектной подгибки тонкостенных полок до заданного чертежом угла а„, достигаемого на окончательном переходе. Последнее приводит к увеличению металлоемкости и себестоимости оборудования. Поэтому оптимизировать номенклатурно-ориентированные гибочно-прокатные машины следует по минимально допустимому межклетьевому расстоянию, минимальному количеству клетей и минимальной массе для конкретного сортамента профилей.
Для примера рассмотрим схему профилегибочного станка специального назначения (рис. 4.35. а), с валковой оснасткой для изготовления тонкостенного швеллера с плоскими подгибаемыми полками шириной Ъ и толщиной s (рис.4.35.б), состоящего из рамы 1 с установленными на ней клетями 2. На валах 3 установлены роликовые пары 4 (показаны нижние валки), приводимые во вращение при помощи привода 5.
