автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование и разработка методики расчета процесса профилирования ленты при локальном формоизменении

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

На правах рукописи

Типалин Сергей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ПРОФИЛИРОВАНИЯ ЛЕНТЫ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ФОРМОИЗМЕНЕНИИ

Специальность 05.03.05 - процессы и машины

обработки давление!.!

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена на кафедре "Кузовостроение и обработка давлением" Московского Государственного Технического Университета "МАМИ".

Научный руководитель - проф., д.т.н., заслуженный деятельнауки и

техники РФ,академик РАПК Матвеев А.Д.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Ковалев В.Г. к.т.н., профессор Шестаков Н.А.

Ведущее предприятие - АО "Москвич"

Защита диссертации состоится " декабря 1998 г. в "/¿т часов на заседании специализированного совета К063.49.03 при Московском Государственном Техническом Университете "МАМИ" по адресу: 105839, Москва, Б.Семеновская ул., д. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ'МАМИ"

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан ' /г ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совет; к.т.н., доцент

.Д.Максимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в различных отраслях промышленности находят все большее применение изделия в виде тонкостенных профилей различного сечения. Основными преимуществами таких изделий являются высокие прочность и жесткость при незначительном весе. Наиболее эффективным способом получения профильных изделий является многороликовое профилирование.

Преимуществами многороликового профилирования по сравнению с другими методами получения тонкостенных профилей являются высокая производительность, отсутствие необходимости нагрева металла, высокое качество изделий и возможность получения деталей из высокопрочных сплавов. Однако, недостаточная изученность процесса приводит к значительным энергетическим потерям, завышению мощности и занимаемых площадей под оборудование. Также в процессе профилирования имеет место бесполезная трата энергии на избыточное формоизменение, связанное с пластическим изгибом и последующим устранением искривления -спрямлением элементов контуров сечения. При этом на поверхностях контакта ленты с роликами развиваются значительные силы трения, усугубляемые тем обстоятельством, ч/о окружные скорости различны на соответс.г-вующих поверхностях роликов. Поэтому здесь вместе с энергетическими затратами на преодоление сил трения происходит снижение качества поверхности профиля. 15 результате потерь на избыточное, неуправляемое пластическое формоизменение и трение КПД современных многороликоных гибочных машин не превышает 10%.

Предлагаемый метод локализации области изгиба в процессе профилирования ленты на многороликовой гибочной машине во многом устраняет указанные недостатки традиционной технологии и делает необходимым внести коррективы в вопросы расчета силовых и деформационных параметров и конструирования инструмента и оборудования.

Цель работы - исследование процесса профилирования леггы (полосы) в условиях локального формоизменения, создание новой методики расчета технологических параметров и малогабаритной опытно-производственной профилегибочной машины.

Методика исследования. Теоретическое исследование базируется на численном решении системы уравнений теории пластического течения упрочняющегося по деформации изотропного несжимаемого металла. При вычислении накопленной деформации использован прямой и обратный переход от Эйлеровых координат к Лагранжевым.

В экспериментальном исследовании применены метод координатной сетки и метод определения накопленной деформации по способу Деля. Для оценки деформационных и силовых параметров процесса профилирования создана экспериментальная установка.

Научная новизна. Впервые исследован процесс локализованного формоизменения ленты, расчетная схема которого представляет совмещение изгиба и кручения, разработана методика расчета технологических параметров процесса профилирования в условиях локального формоизменения. Впервые получены экспериментальные данные о характере распределения деформации при выдавливании канавки катящимся индентором. Научной новизной обладают также экспериментальные данные о параметрах формоизменения внеконтактной части профилируемой полосы.

Практическую ценность имеют:

- научно обоснованная методика расчета технологических параметров профилирования ленты;

- рекомендации по ра^аботке формообразующего инструмента обеспечивающего снижение потерь на избыточное формоизменение и трение;

малогабаритная опытно-производственная профилегибочная машина.

Апробация работы . Результаты исследования доложены на Международной научно-технической конференции "100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа" Москва, МАМИ 1996 г., на Всероссийской молодежной научной конференции "Гагаринские чтения" Москва, МАТИ-РГТУ в 1996, 1997, 1998гг., на Международном научно-техническом симпозиуме Орел, ОрелГТУ в 1997г., а также на заседаниях кафедры "КиОД" МГТУ"МАМИ".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы . Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложений. Работа выполнена на

161 страницах--машинописного текста, содержит 66 рисунков, I таблицу, список литературы из 113 наименований. Общий объем работы 181 страница.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во_введешш_ обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, изложены особенности процесса профилирования. Раскрыто краткое содержание глав диссертации.

Впервой главе представлен анализ литературы, содержащей исследования методик расчетов силовых и деформационных параметров процесса профилирования. Отмечено, что процессам профилирования полосы посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных работ известных ученых: К.Н.Богоявленского, А.А.Бурыкина, Ш.Гелеи, В.М.Гребеника, ГЛ.Гуна, В.И.Давыдова, М.Е.Докторова, Б.Д.Жуковского, М.А.Лейченко, М.В.Маламуда, П.И.Полухина, Г.А.Смирнова-Аляева, И.С.Тришевского, А.П.Чекмарева, P.ü.Angel, G.Ditgcs, G.Mäkelt и др. По остались не раскрытыми многие явления, сопровождают. профилирование, а предлагамеые методики не всегда могут бп-.ь использованы для практических расчетов технологических параметров данного процесса. В большинстве решений не учитывается }>актический характер напряженно-деформировашю. о состояния материала. Скручивание полки, сопровождающее изгиб, оставлено без внимания. В расчетные зависимости обычно вводятся эмпирические поправочные коэффициенты, что затрудняет их использование. Локализованный изгиб полосы в области технологической канавки-концентратора не рассмотрен. Поскольку в процессе формоизменения полосы изгиб полки сопровождается скручиванием, проанализирована ' литература по изгибу и скручиванию.

Рассмотрены работы по изгибу B.C.Бондаря, О.Гофмана, В.И.Ершова, Б.П.Звороно, Н.Н.Малинина, А.Д.Матвеева, Е.Н.Мошнина, Н.Л.Попова, И.П.Реннс, Р.Хилла, Д.Цоя и других авторов.Наиболее изучен круговой изгиб листа из упрочняющегося и неупрочняющегося в процессе деформации материала под действием изгибающего момента. Влияние накопленной в исходном состоянии

листа деформации на параметры последующего изгиба не затрагивается.

Решение задачи о равномерном упругопластическом и пластическом скручивании стержня прямоугольного сечения из неупрочншощегося и упрочняющегося материала представлены в работах Н.И.Безухова, В.А.Колгадина, Р.М.Кулиева, Б.Курманбаева, Н.А.Матаеевой, А.Надаи, Л.И.Овсиенко, В.Я.Осадчий, К.А.Сариджанова, Б.О.Сен-Венана, Р.Хилла и других ученых. Неравномерное скручивание не исследовано.

На основании выполненного анализа в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Создать математическую модель процесса профилирования полосы (ленты) в швеллер, полагая, что в процессе формоизменения полосы одновременно имеют место неравномерные в продольном направлении локальный изгиб в области канавки и скручивание полок.

2. Оценить допустимость принятых в теоретическом исследовании упрощающих предпосылок сопоставлением расчетных и экспериментальных данных.

3. Экспериментально исследовать процесс выдавливания технологической канавки.

4. Разработать методику проектирования инструмента и техпроцесса многороликовой гибки полосы в условиях локализованного формоизменения.

5. Создать малогабаригаую опытно-производственную профилегибочную машину.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию профилирования полосы в условиях локализованного изгиба.

В рассматриваемом формоизменении имеют место одновременно изгиб в области технологической канавки заданной ширины и скручивание подгибаемых полок, причем кривизна изгиба и кручение являются функциями координаты, взятой вдоль канавки .

Принята цилиндрическая система координат р,9,г , в которой ось г - направлена вдоль канавки.

Принятые допущения: кривизна изгиба в рассматриваемом элементе, имеющем размер Л г в направлении оси г и в

рассматриваемое мгновение, постоянна по в, материальные плоскости р-в в процессе деформации остаются плоскими, скорость

деформации в направлении z равна нулю, изменение кривизны по этой координате не принимается во внимание, металл несжимаемый, изотропный, упрочняющийся но деформации,

ст= А(еа + £•)", ( I )

где с0 - деформация, воспринятая металлом в процессе выдавливания канавки.

Для цилиндрического, кругового изгиба листа компоненты вектора скорости движения материальной точки имеют вид :

. О а {?+(% „ (2)

а '2 ар

где а -угол изгиба, а = ^ = const, dl

рс - радиус геометрической поверхности, на которой —— - О .

Ф

Компоненты е0 и ср скорости деформации :

¿ -_¿ -SL\8l

SP~ e0 - ~ 2

2 a\p

л \

(3)

Радиус кривизны геометрической дуги, длина которой остается неизменной,

a at

волокно, занявшее положение этой дуга, имеет исходную длину i. Расстояние между рг! и внутренним радиусом г

у

prt-r = e=f(a) или г = --е (5)

Скорость движения внешнего вогнутого слоя листа

d г f . .de (6 i

о=~- = -—_a-e , где f = -j- . '

dl a1 dt

Преобразование равенства ( 2 ) с учетом выражения (6 ) дает: ¿■:=lí^e2+2aSU-e) = r(r + 2e) + 2raÍ . (?)

Ис а2 а{а ) к ' а

Связь между текущей координатой р и начальной = kS0 выгскаег из геометрического соотношения

i fe V (8)

(Г = 2 !■(/• + е) + г2 =2v—+ f—- el ' а \а )

тогда толщина листа

S=R-r = j2S0{r + e) + r2-г . (9)

В сечении плоскостью z-p имеют место три области :

- область удлинения волокон во время всего процесса реформации;

- область укорочения волокон;

- область знакопеременной деформации, в которой волокна переходят из зоны р<рс , где они укорачиваются, в зону р>рс , где подвергаются удлинению.

В текущих координатах границы знакопеременной облаете:

2г 1е+а^) + ^<р<р0(г + е) + г2 .

'2-г-у-иу ••>,■•• ( 10)

Время 1у, в течении которого волокно укорачивалось, определяется из уравнений

еляется из уравнении

а{её)/2+(е2а-ее)<>, + г(^0-е) = 0 , 0<[у<(

Интенсивности деформации

¿м .

(И)

(12)

численно вычисляется для каждой области.

Энергегаческое условие пластичности имеет вид:

2 г<р<рс,

ар - <хв = -

2

Тъ° '

(13)

(14)

Поскольку касательные напряжения отсутствуют, уравнение

равновесия имеет вид:

с!р р

= 0

(15)

Подстановка в формулу (15) выражений (13-14) и (1) дает:

•'р

4Р -лр

<)<?р 2 А

(17)

Численное интегрирование выражений (16) и (17) в выше указанных пределах дает распределение радиальных напряжений по толщине листа. Подстановка этого результата в (13) и (14) позволяет получить значение тангенциальных напряжений, возникающих при изгибе листа.

Окружная сила и изгибающий момент на едииицу длины канавки:

R

(18)

P = jcr„ dp , mu - \cr0{p - p4)dp

г r

где рц=г + 8/^ - координата центра тяжести сечения.

Б процессе расчета параметр С подлежит варьированию, чтобы обеспечить нулевое значение продольной силы (18).

При скручивании полосы относительно продольной оси z0 ее срединный слой превращается в винтовой, рис.1. Геометрию удобно отнести к этому слою. Какое-либо продольное волокно слоя длиной <', превращается в винтовое длиной (.. Вдоль каждого винтового волоки ведется отсчет координаты z рассматриваемой материальной точки Л. Поперечные волокна длиной b с начальной длиной Ь0, поворачиваясь относительно оси /0 , остаются прямыми и ортогональными винтовым волокнам. Вдоль каждого ведется отсчет координаты р, 0 <р<Ь, причем координате р отвечает начальная координата р0 .

При скручивании всей полосы на угол CtzQ поперечное волокно, пересекающее осевое волокно в точке z0, поворачивашея на угол О , относительно неподвижного волокна, z0 =0. Так кручение осевог о волокна,

dz0

Относительный поворот близких друг к другу поперечных волокон вокруг оси z0 на угол df2z0 , рис. 2, вызывает их скручивание на угол Ор, причем этот угол определяет и наклон продольного волокна z в рассматриваемой точке А,

lgQ^ = iQo£=(0 of1 = dzcosQp , np=arctg(o:0p. (20)

az0

Относительный поворот на угол di2z0 вызывает скручивание как волокна dza, так и волокна dz. Но скручивание волокна dz вызывает проекция

dO. - dQ:0cosf2p (2,;

вектора dOzQ на касательную к z (другая проекция, равная d£lz0sinQ , вызывает изгиб волокна). И кручение волокна z

2 ^ (22)

со, = = со?0 cos Dp .

Вместе с тем, кручение поперечного волокна в той же точке dn d(arctg aftfp) <цг0 ,

®Р= j =-V -f-r = ®2o со/П . (23)

dp dp 1 + mi^jr * p K '

Рис. 1. Схема скручивания тонкой полосы

Рис. 2. Схема поворота волокон полосы

Таким образом, кручение тг = тр . (24)

Длина малого продольного волокна изменяется согласно равенству (20); его деформация и скорость деформации

¿г0 сояПр у 10 Л

йсо,п <1 ((Ю,ас!0,п где скорость кручения а 0 = —31 = —н —— = —— (26)

Л (¡1\ (¿га ) (¿г0

скорость движения материальной точки в направлении поперечного

. йр

волокна р= —. и Л

Поскольку их кручения равны (24) между собой, скорости кручения

¿(ор Лу„0 , Шд-2и0Д<у(/>+ со гар)

¡^Г-^- (27)

Приращения окружных скоростей точек, взятых на расстоянии от срединного слоя, есть произведения (¡02у, АПру, и угловые

скорости волокон, отстоящих на расстояние у от срединной поверхности, равны произведениям ¿о,у и Ьру. Они имеют смысл

угловой скорости деформации точки, взятой на расстоянии у от срединного слоя Ъгр = ¿^ = согу = сору. (28)

Удлинение винтовых волокон под действием продольных растягивающих напряжений приводит к возникновению поперечных сжимающих напряжений стр. Но если угол наклона крайнего волокна

р=Ь, Пр = Оь< 45°, эти напряжения малы по сравнению с продольными и их воздействием на формоизменение полосы можно пренебречь. Тогда из трех нормальных напряжений только продольное не равно нулю, ег2 * 0, стр = 0, ст„ = 0. Следовательно

• _ ' -I-

~ £п - 2 '

(29)

Фо К 2 2

Начальные и текущие координаты связаны между собой,

<1р0={\ + <о1гар2)У^р, ^{\ + а>и)уЧ. (30)

Интенсивность скорости деформации при наличии равенства (30) имеет вид:

интеграл

с-- \ ¿Л,

взят численно.

Крутящий момент и продольная сила в рассматриваемом

сечении полосы,

н ь ь ь

М = 411ст.(1у(1рршОр + 4||сч{1уйрусохПг , (33)

0 0 0 0 Л 6

= 4 Я <У7(Ц^1рсохПр. (34)

Здесь напряжения

ст. 2 ст. / \п

аг = ~£г> сггр= + ' (35)

Если принять, что полоса относительно тонкая, / 60 < 0,05;

г^/эДл)<-, Пр{Ь)<0,67рад(П°), ф)< 0,24, 4

Л-Л(г>) < ¡0,12|, Л/Л^ >0,9, Л/> 0,95. В области Ь>р>5 угловая скорость деформации £ мала но сравнению со скоростью деформации

Тогда имеют место упрощения: р-= р0, Л= ¿\ = ¿' ; с.-к;

а, = а= Л(с0 + £•)'' = + /и( 1 + «го/^^ ■

(36)

Крутящий момент для полосы шириной 2Ь

- (37)

(| + ®

продольная сила

Р^2\А[ей + 1п{\ + а?2й(?)УЛ Л--. (38)

о V ^ (и-г^/г) 2

Так как при профилировании ленгы имеют место одновременно локализованный изгиб в области канавки и скручивание полки, то в решении дпе расчетные схемы связаны между собой , рис. 3.

Алгоритм решения. Исходные положения. В любом поперечном сечении на расстоянии г от начала координат угол Д0(г) скручивания полосы и угол локализованного в области канавки изгиба а(г), равны

А. = « • (40)

Рис. 3. Схема кручения совмещенная с изгибом

Момент, необходимый для окручивания полосы Мк{£), и момент локализованного изгиба Ми в том же сечении

Мк = Ми , причем Ми=^тц(1г (41)

Изгибающий момент на единицу размера, взятого вдоль г, естъ функция а (2.28) ; вместе с тем угол а есть функция г, которая является искомой.

Последовательность решения. При г-0, Мк = Ми - 0.

2

На малом расстоянии Лг = — от начала координат малые углы

т

АОго = А а , крутящий момент

АМ=АМ(АЛ) ,

А г„> (42)

изгибающий момент АМи=^~~> ти= ти(^а) • (43)

Вычисление АМК и АМи при первом заданном значении ЛОго = Аа и последующие итерации с варьированием этого значения, чтобы обеспечить равенство (/ШД = {АМ,Х с заданной точностью. } 1а втором шаге г = 2Аг , а= Аа] + Лаг = 0,п . Значение Ла2 подаежит варьированию, чюбы обеспечить равенство:

К(<Щ*) = 'К ), + + Аа2)Аг и т.д. (44)

Полненная таким образом зависимость г = /(«) представляет собой внеконтактный участок подгибки полки при профилировании ленты с предварительно выдавленными технологическими канавками.

После контакта подгибаемая полка изгибается по форме профилировочного ролика. Исходя из этого, возможно численным расчетом получить зависимость изменения угла подгибаемой полки швеллера на всем участке деформации.

Мощность деформации, развиваемая моментом Мк (41)

скручивания полки швеллера при угловой скорости ¿о[ ее поворота

Л' = 2Мка>1 . (45)

Угловая скорость поворота полки равна угловой скорости сос поворота образующей Ь конической поверхности ролика в плоскости, параллельной плоскости, содержащей оси роликовой пары. Окружная скорость конца образующей при ее вращении относительно точки, находящейся в вершине конической поверхности профилировочного ролика,

от - идзтрсоха , где ид= ¿>Л,

а) и Л, - скорость вращения ролика и его максимальный радиус.

Отсюда й) ио±=Ш^пРсо*а

ь Ь Ь

Численно решая систему уравнений теории течения, получаем распределения тангенциальных и радиальных напряжений по толщине изгибаемого листа для различной кривизны и предварительно накопленной деформации ед.

Уменьшение толщины материала в процессе выдавливания технологической канавки приводит к ослаблению данного сечения листа. В связи с этом встает вопрос об дальнейшем утонении этого сечения в процессе крутого пластического изгиба.

Получение данные расчетов показали, что с увеличением с0 и уменьшением показателя степени кривой упрочнения материала, относительное утонение листа при изгибе снижается. Кроме того предварительное упрочнение материала приведет к изменению величины изгибающего момента.

Приведены расчетные графики изменения относительного изгибающего момента от относительной кривизны для различных значений глубины канавки. Значение накопленной в листе деформации £0 , возникающей при выдавливании канавки на различную глубину, определялось экспериментально . Из графиков видно, что чем больше накопленная в листе деформация , тем меньше влияет относительная кривизна на изгибающий момент. Численно получены данные об изменении формы скручиваемой полки.

Анализ результатов расчетов позволяет сделать вывод, что ширина подгибаемой полки и толщина профилируемой ленты влияют на величину внеконтактной области деформации. При увеличении размеров полки швеллера величина внеконтактной зоны деформации возрастает. А при увеличении толщины Л 0 профилируемой заготовки происходит уменьшение внеконтактной зоны деформации.

Представлены кривые, отражающие влияние угла скручивания полки, ее ширины и толщины на крутящий момент. Увеличение этих геометрических параметров полки приводит к увеличению момента.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования процесса профилирования ленты с предварительно выдавленными технологическими канавками. Приведены методики и результаты экспериментов, отражающие зависимость крутящего момента на

ролике с индентором для выдавливания в леше технологической канавки различной глубины.

Для определения накопленной деформации и изменения свойств материала в зоне канавки использовался метод твердости Деля. Замеры твердости проводились на приборе 11МТ-3. В процессе испытания получено распределение микротвердости для различной относительной глубины канавки. По экспериментальным данным представлена зависимость осредпегагого по площади сечения значения твердости и интенсивности деформации в зоне канавки.

Экспериментальные данные подтвердили результаты расчета о слабом влиянии угла изгиба (кривизны) на изгибающий момент при изгибе предварительно упрочненного листа.

Для экспериментального определения деформации подгибаемой полки в процессе профилирования применен метод координатной сетки. По результатам эксперимента получены данные, отражающие изменение утла подгибаемой полки в продольном направлении на контактном и внеконгакпгом участках деформации.

Результаты экспериментов гю;иверди;ш принятое в теоретическом решении положение, что процесс формоизменения полосы во внеконтактной области представляет сочетание локализованного в канавке изгиба и скручивания полки при переменном продольном кручении

В четвертой главе рассмотрена технология профилирования ленты в условиях локализации формоизменения и произведен анализ энергетических потерь на трение заготовки с профилировочными роликами. Предложена новая конструкция инструмента для профилирования яешы с технологическими канавками, которая позволяет не только снизить потери на избыточное трение, но и является более прос той в изготовлении.

В работе представлена малогабаритная огхытно-произполственная многороликовая профилешбочная машина новой конструкции. Машина предназначена для экспериментальных исследований процесса профилирования и производства различных профилей из тонколистового металла, а также для использования в учебном процессе при проведении практических занятий и лабораторных работ.

Опытно-производственная профилегибочная машина включает в себя рабочую часть, привод, электродвигатель, основание.

При расчете кинематических параметров была принята схема, в которой вращение от вала электродвигателя передается на профилировочные ролики через клиноременную передачу, планетарный редуктор и цепную передачу. Передаточное отношение кинематической схемы 1=65.

Рабочая часть машины состоит из двух, боковин на которых смонтированы остальные ее детали и узлы. Процесс формоизменения ленты происходит в двенадцати клетях. Демонтаж любой из клетей производится независимо от соседних. Клеть представляет собой узел, состоящий из двух неподвижных осей, на которых с возможностью вращения на подшипниках установлены ролики, конструкция которых существенно снижает трение о профилируемый материал. Оси стянуты между собою винтами, регулирующими межосевое расстояние и давление профилировочных валков на ленту. В конструкции машины предусмотрены также узлы боковых роликов, осуществляющих при необходимости дополнительную подгибку элементов профиля. Для изменения натяжения цепей в конструкцию машины введены натяжные устройства.

При работе машины профилируемый материал в виде полосы подается в первую пару валков, которые захватывают его и выдавливают на нем в месте последующего изгиба канавки. Затем материал перемещается в формообразующие клети и производится его изгиб между роликами.

Машина компактна, имеет небольшую массу, может легко транспортироваться, проста в эксплуатации и обслуживании.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучение литературы о профилировании ленты (полосы) из тонколистового материала показало, что необходимо дальнейшее исследование процесса и совершенствование методов расчета деформационных и силовых параметров формоизменения, направленные на снижение энергозатрат и улучшение технологических и конструкционных показателей.

2. Впервые показано, что в процессе профилирования имеют место одновременно изгиб и скручивание подгибаемой полки.

3. Впервые выполнено решение задачи о профилировании ленты, в котором принята расчетная схема формоизменения изгибом, совмещенным с формоизменением скручиванием.

4. Создана математическая модеяь локализованного формоизменения ленты (полосы) и разработана программа расчега на ЭВМ.

5. Получены соотношения в аналитическом и численном виде, определяющие деформационные и силовые параметры процесса локализованного формоизменения ленты в области технологической канавки-концентратора.

6. Впервые экспериментально исследована картина распределения интенсивности деформации в тоне технологической канавки. Выявлен характер изменения снойсш материала и интенсивности деформации в этой зоне.

7. Получены новые зависимости относительного утонения материала при изгибе моментом от исходной накопленной деформации и относительной кривизны. Найдено, что чем больше исходная накопленная деформация, тем меньше утонение.

8. Установлено, что чем больше накопленная деформации, тем меньше влияет кривизна на изгибающий момент.

9. Процесс профилирования ленты с технологическими канавками позволяет существенно снизить потери на избыточное деформирование и трение, упростить конфигурацию и снизить стоимость инструмента.

10. Создана малогабаритная опытно-производственная профилегибочная машина новой конструкции, предназначенная для

дальнейших исследований, производства тонкостенных профилей и

использования в учебном процессе.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах :

1. Типалин С.А. Исследование процесса профилирования ленты на многороликовой гибочной машине.// XXII Гагаринские чтения / Тез. докл. молодежной научной конференции. 8-12 апреля 1996, М.:МГАТУ, 1996, ч.2. с. 17-18.

2. Матвеев А.Д., Шпунькин Н.Ф., Типалин С.А. Разработка новой конструкции опытно-производственной профилегибочной машины. // Международная научно-техническая конференция "100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа." / Тезисы докладов секции "Технология, оборудование и автоматизация заготовительного и механосборочного производства". 26-28 ноября 1996. Россия, Москва, с. 60 - 62.

3. Типалин С.А. Исследование многороликового профилирования ленты. // XXIII Гагаринские чтения / Тез. докл. молодежной научной конференции. Москва, 8-12 апреля 1997, М.:РГТУ-МАТИ, 1997, ч.2., с. 153 - 154.

4. Матвеев А. Д., Шпунькин Н.Ф., Типалин С.А. Мпогороликовое профилирование полосы. // Механика и технология п процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации / Тезисы докладов международного научно-технического симпозиума - Орел: ОрелГТУ, 1997., с. 20.

5. Матвеев А.Д., Шпунькин Н.Ф., Типалин С.А. Новая конструкция малогабаритной опытно-производственной профилегибочной машины. II Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации / Тезисы докладов международного научно-технического симпозиума -Орел: ОрелГТУ, 1997., с.21.

6. Типалин С.А., Полковников O.A. Исследование процесса выдавливания технологической канавки при профилировании. // "XXIII Гагаринские чтения" / Тез. докл. Всеросийской молодежной научной конференции. 8 -12 апреля 1998, М.: МГАТУ, ч.2. с. 106.

7. Матвеев А.Д., Шпунькин Н.Ф., Типалин С.А. Исследование пластического изгиба предварительно упрочненного листа// Международная конференция "Прогрессивные технологии обработай материалов / Тезисы докладов. 17-18 сентября 1998. Минск, с.57.

8. Матвеев А.Д., Шпунькин Н.Ф., Типалин С.А. Пластичесий изгиб листа из неоднородного металла. // Вопросы исследования прочности деталей машин. / Сборник научных трудов кафедры "Прикладная механика" под редакцией академика Холина H.H. Вы пуск 5. Москва, МГАПИ. 1998. с. 32-38.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

На правах рукописи Типалин Сергей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ПРОФИЛИРОВАНИЯ ЛЕНТЫ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ФОРМОИЗМЕНЕНИИ

Специальность 05.03.05 - процессы и машины

обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель,

проф., д.т.н., заслуженный

деятель науки и техники РФ,

академик РАПК Матвеев А.Д.

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ 9

1.1. Методики расчета технологических параметров процесса профилирования. % 9

1.2. Литература по пластическому изгибу листа. 34

1.3. Анализ работ, посвященных скручиванию стержня прямоугольного сечения. 41 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ И ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ. 49

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ЛЕНТЫ В УСЛОВИЯХ ЛОКАЛЬНОГО ИЗГИБА 51

2.1. Изгиб в области технологической канавки-концентратора. 51

2.2. Скручивание полосы при неизменной длине. 59

2.3. Неравномерные в продольном направлении локализованный изгиб и скручивание полки при формоизменении швеллера. 71

2.4. Мощность деформации при формоизменении

контура сечения профилируемой ленты. 75

2.5. Численное решение систем уравнений теории

течения. 77

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 100

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 105

3.1. Экспериментальные исследования процесса выдавливания технологической канавки. 105

3.2. Исследования процесса формообразования швелера. 125 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 132

РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА, . ТЕХПРОЦЕССА И СОЗДАНИЕ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ МАЛОГАБАРИТНОЙ ОПЫТНО - ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРОФИЛЕГИБОЧНОЙ МАШИНЫ

4.1. Особенности новой конструкции инструмента для профилирования ленты с технологическими канавками-концентраторами.

4.2. Новая конструкция малогабаритной опытно-производственной профилегибочной машины. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 150

ЛИТЕРАТУРА 152

133

133

137 149

ПРИЛОЖЕНИЯ

165

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в различных отраслях промышленности, таких, как автомобилестроение, строительство, авиационная промышленность, производство товаров народного потребления и других находят все большее применение изделия в виде тонкостенных профилей различного сечения. Основными преимуществами таких изделий являются высокие прочность и жесткость при незначительном весе. Процессы изготовления профилей позволяют рационально распределить металл по сечению и создать такие формы сечений, которые максимально соответствуют условиям их последующей эксплуатации. Наиболее эффективным способом получения профильных изделий является многороликовое профилирование. Сущность процесса профилирования заключается в последовательном изгибе полосового или ленточного материала при прохождении его между несколькими парами вращающихся в противоположных направлениях роликов, форма образующих которых переносится на листовой металл.

Основными преимуществами многороликового

профилирования по сравнению с другими методами получения тонкостенных профилей, являются высокая производительность, отсутствие необходимости нагрева металла и высокое качество изделий. По сравнению с гибкой полос в штампах профилирование выгодно отличается более высокой производительностью и возможностью получать изделия любой длины. Прессованые профили обычно дороже и не всегда доступны в серийном и мелкосерийном производстве.

Перечисленные преимущества способствуют широкому использованию изделий, полученных методом многороликового профилирования, однако недостаточная изученность процесса приводит к значительным энергетическим потерям, завышению мощности и занимаемых площадей под оборудование.

Отличительной чертой рассматриваемой в данной работе технологии является локализация очага пластической деформации при профилировании. Пластическое формоизменение ограничено и развивается только в предназначенной для этого области, что позволяет ввести упрощения в инструмент и технологию, значительно снизить энергетические потери. Толщина ленты здесь сокращена в определенной мере в предшествующей операции. Соответствующая клеть гибочной машины оснащена катящимися инденторами, оставляющими за собой дорожки-канавки заданной глубины.

Относительно использования при гибке-профилировании технологических канавок имеются традиционные рекомендации [ 26, 35, 94 ]. Но они связаны с необходимостью снизить пружинение, уменьшить внутренний радиус изгиба или обеспечить заданную точность положения области изгиба на контуре сечения профиля. Указаний о расчетах деформационных и силовых параметров выдавливания канавок и локализованного изгиба в литературе нет.

В традиционных способах гибки-профилирования ленты на многороликовых гибочных машинах и гибки листовых заготовок в штампах, положение областей изгиба и заданная в них кривизна формируются в момент смыкания рабочих поверхностей инструмента.

Рабочие поверхности роликов смыкаются в плоскости расположения их осей. Окончательное положение области изгиба на профиле и кривизна формируются только в момент, когда сечение

находится в этой плоскости. А ранее пластическому и упругопластическому изгибу подвержен почти весь контур сечения, в том числе и те его части, которые не подлежат искривлению. По мере продвижения сечения к плоскости расположения осей роликов имеет место увеличение кривизны в областях, где это задано. Необходимо и ее сокращение до полного спрямления там, где кривизна должна быть нулевой согласно заданной окончательной форме сечения. Таким образом, имеет место бесполезная трата энергии, связанная с пластическим изгибом и последующим устранением искривления -спрямлением элементов контуров сечения. При этом на поверхностях контакта ленты с роликами развиваются значительные силы трения, усугубляемые тем обстоятельством , что окружные скорости различны на соответствующих поверхностях роликов. Поэтому здесь помимо энергетических затрат на преодоление сил трения снижается и качество поверхности профиля.

В результате потерь на избыточное, неуправляемое пластическое формоизменение и трение, КПД многороликовых гибочных машин не привышает 10 % [ 26, 103 ].

Предлагаемый метод локализации области изгиба в процессе профилирования ленты на многороликовой гибочной машине во многом устраняет указанные недостатки традиционной технологии и делает необходимым внести коррективы в вопросы конструирования и расчета многороликовой гибочной машины.

Диссертация посвящена исследованию процесса профилирования ленты (полосы) в условиях локального положения области формоизменения, созданию новой технологии, методики расчета и разработке конструкции малогабаритной опытно-производственной профилегибочной машины.

В первой главе представлен анализ методик расчетов силовых и деформационных параметров процесса профилирования. Отмечено, что в большинстве методик не учитывается фактический характер напряженно-деформированного состояния материала. В связи с исследованием процесса профилирования ленты с технологическими канавками, возникла необходимость в анализе работ, посвященных изгибу и кручению листового материала, поскольку данный процесс можно свести к совместному использованию двух указанных выше расчетных схем. Исходя из степени изученности предмета, поставлены задачи исследования.

Во второй главе исследованы два одновременно протекающих при локальном профилировании процесса:

- локальный изгиб в области технологической канавки-концентратора ;

- скручивание полки профилируемого изделия, по кромке которой приложен неравномерно распределенный момент, вызывающий неравномерно распределенное кручение.

Поскольку данные процессы взаимосвязаны, предложено совместное решение с использованием двух указанных выше расчетных схем.

При решении задачи приняты обычные предпосылки о характере формоизменения листа. Материал листа несжимаем, однородный, изотропный, упрочняющийся по деформации, в области изгиба накоплена определенная деформация. Решение систем уравнений теории течения получено численно.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования процесса профилирования ленты с предварительно выдавленными технологическими канавками.

Приведены результаты исследования процесса выдавливания технологической канавки и данные об изменении свойств материала в деформируемой области. Подтверждены расчетные данные об изгибе

V» V

в ограниченной области, получившеи предварительное упрочнение, и скручивании полки.

В четвертой главе рассмотрены технология профилирования ленты в условиях локализации формоизменения и соответствующий инструмент. Предложена новая конструкция формоизменяющих роликов позволяющая снизить потери на трение и повысить качество поверхности выпускаемых изделий.

Представлена новая конструкция малогабаритной опытно-производственной многороликовой профилегибочной машины.

Работа выполнена на кафедре и в лаборатории "Кузовостроение и обработка давлением" МГТУ "МАМИ".

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПРОФИЛИРОВАНИЯ

Авторы ряда работ отмечают, что профилирование полосы (ленты) на многороликовых машинах является весьма сложным процессом и предлагают методы расчета технологических параметров по упрощенным схемам.

Так Меккельт [ 110 ] предлагает расчет по схеме, представленной на рис. 1.1. Лента вступает в контакт с роликами на расстоянии т от плоскости их осей, но ее формоизменение начинается в зоне, не контактирующей с инструментом. Контактную и неконтактную зоны он задает отрезками т и 1Х - т.

Согласно схеме действия сил, изгибающий момент

М1=а1Р1 , (1.1)

где Рх = 1

2

Внутренний изгибающий момент записан в предположении, что тангенциальные напряжения сгв = <тв. , а изгибу подвержены обе зоны, заданные отрезком 1Х,

10-2)

Поскольку М 5= Мшг,

/,52 (1.3)

Рср\~ аВ

2а1

Рис. 1.1. Схема приложения сил при профилировании [110]

Кроме этого, на валки действует сила обжатия профиля Р 2,

подлежащая экспериментальному определению.

Крутящий момент М приложенный к паре валков,

М кр=2(М ¿+МГ) , (1.4)

где М 4 - крутящий момент вращения одного валка,

необходимый для деформации заготовки;

М т - момент трения в подшипниках одного валка:

\

М^тР^ , (1.5)

Мг=М(Рср1+Рср2>Г2 , (1.6)

где г2 - радиус цапфы шпинделей валков,

¡л - коэффициент трения цапфы в подшипниках. Для определения мощности привода принята формула

, (1.7)

I

где ю - угловая скорость вращения валков,

I - КПД процесса.

А.П.Чекмарев и В.Б.Калужский [103] отмечают, что полученные ими экспериментальные данные о силе Рср1 значительно меньше

расчетных (1.3). По их мнению, это вызвано тем, что в формулу (1.2), введен предел прочности ав, вместо предела текучести <гТ. Если принять а0 = <тт,

МизГ=<*Т

1Х Б

(1.8)

Однако в расчете необходимо учитывать увеличение стт по мере упрочнения металла.

Б.Д.Жуковский в работе [28] принимает, что внеконтактная зона распространяется на все расстояние между соседними клетями. Он считает , что возникающие в кромках подгибаемых элементов деформации должны находиться в упругой области. Исходя из этого полагает, что относительное удлинение кромок не должно превышать 0,1%. Тогда длина L внеконтактной зоны отвечает соотношению:

где Ьг - длина кромки ленты при установившемся процессе профилирования.

Р.Т.Angel [104] также считает, что полоса деформируется на всем межклетьевом расстоянии. А максимальный угол подгибки полки равен

or< arcsin--- , О-10)

40,436 а

где а - ширина подгибаемой полки.

Однако, как показывает практика, очень часто длина внеконтактной зоны бывает значительно меньше межклетьевого расстояния.

Другой подход принадлежит В.И.Давыдову и М.П.Максакову [26]. Принимая упрощение, что подгибаемая кромка имеет вид прямой (рис. 1.2), и предполагая в ней наличие только упругой деформации, авторы выводят формулу для определения максимального угла подгибки

Рис. 1.2. Расчетная схема внеконтактной зоны [ 26 ]

амакс * 2агсш^едоп(2 + едоп) , О-11)

едоп- максимальное относительное удлинение кромки в упругом состоянии.

Протяженность внеконтактаой зоны Ь, по мнению авторов, можно найти только экспериментально.

Принятые упрощения о прямолинейности кромок вносят существенную погрешность при определении максимального угла подгибки даже при известной величине Ь.

Для расчета затраченной работы и мощности В.И.Давыдов [25, 26] так же, как и Меккельт, принимает, что тангенциальные напряжения равны пределу прочности ав, чтобы обеспечить

гарантируемую надбавку при определении крутящего момента.

При этом они считают работу, затраченную на подгибку полок профиля, равной работе изгиба прямого бруса единичной длины,

. (1.12)

где = <Р\+ <Р2+ Фъ+—+<Рп " суммарный угол подгибки отдельных элементов профиля.

Теоретическая мощность, необходимая для совершения работы изгиба профиля, без учета различных потерь,

_т 73биА^ 736£2 г _ /1114

N --—=ств-Уй, [ л.е.] (1.13)

т 60 75 в 18000 ^1

где и - скорость движения профиля.

Действительная мощность для формовки профиля вычисляется следующим образом:

= > [л.с.] (1.14)

д х 24,46 х 1 J

где х - коэффициент, показывающий соотношение между теоретической и действительной мощностью машины, необходимой для профилирования полосы. Он определяется экспериментально. Полная мощность профилегибочной машины с учетом потерь,

N п= N д+ N х , (1.15)

где N х - мощность, необходимая для совершения холостого хода. Подобного метода расчета энергосиловых параметров придерживается и Ш.Голен [ 21 ].

М.А.Лейченко [42], рассматривая упрощенную схему образования профиля (рис. 1.3 ), рассчитывает длину очага деформации по формуле

Ь = ф(в-Т). (1Л6)

Однако на практике форма и величина очага деформации значительно отличается от предложенной схемы.

О-Э^еБ [ 106 ] в результате экспериментальных исследований установил при помощи тензометрирования, что максимум продольной деформации кромки полки находится перед плоскостью осей валков. Причем продольные волокна испытывают не только осевую деформацию, но и изгибаются. За время формоизменения эти деформации меняют свое направление на противоположное. Это

Рис. 1.3. Схема деформации [ 42 ]

явление подтверждается исследованиями А.А.Бурыкина [17], И.С.Тришевского [97] и другими авторами.

Значительное число работ по процессу профилирования принадлежит К.Н.Богоявленскому [4-11 ].

Автор считает, что процесс деформации происходит почти полностью вне контакта с профилировочными роликами. Подгибаемая полка имеет искривление во внеконтаконой области, как в продольном, так и в поперечном направлениях относительно движения полосы (рис. 1.4 ). В зоне контакта полосьГс инструментом деформация полки осуществляется по форме рабочего инструмента.

Для определения длины деформированного участка Ь была предложена эмпирическая зависимость

где Ь и Б - ширина и толщина подгибаемой полки; лип- коэффициенты, получаемые из начальных условий на основании замеров.

Г.А.Смирнов-Аляев и Г.Я.Гун [ 83, 84 ] рассмотрели процесс формоизменения профиля с учетом чистого изгиба и линейного растяжения подгибаемых полок. Задавая закон изменения формы поперечного сечения, определили деформации, длину участка плавного перехода и работу формоизменения. Применительно к профилированию уголка была получена зависимость для определения длины внеконтактной зоны:

Ь = Ь{а-п)8 ,

(1.17)

§ = 2(т +1)

у

т 2т+2

(1.18)

р

Рис. 1.4. Изменение кривизны полки [5] Р - суммарная сила, действующая на полосу со стороны ролика;

у - угол, ограничивающий сектор контактной области; Ру и рх - радиусы изгиба по осям у и х.

где Ь - длина участка плавного перехода, Ь - ширина подгибаемой полки, Б - толщина металла, Я - радиус кривизны срединного слоя, - угол подгибки в данной паре роликов,

ш - показатель степени кривой упрочнения металла. Работа формоизменения:

фти2 + +

А

2т+ 3 (2т + 1)(т + 2)ь{к

3 2 (т + 2)(2т + 1)(2т + 3)

Ад)

(1.19)

где В - коэффициент кривой упрочнения.

В этих работах также показан способ определения крутящих моментов на валках и мощность привода.

Методики определения энергосиловых параметров в процессе профилирования приводят Маламуд М.В.[ 44 ], Бурыкин А.А.[ 17, 18 ], Полухин П.И. [ 71 ]. Как и в приведенных выше работах других авторов, они не учитывают фактический характер напряженно-деформированного состояния материала при профилировании. Во многие формулы необходимо вводить поправочные коэффициенты, получаемые экспериментально.

Методика расчета процессов профилирования на многороликовых машинах получила развитие в работах И.С.Тришевского [20, 74, 92-98].

По его мнению, почти все сортовые гнутые профили состоят из различных комбинаций элементов четырех основных типов [20, 74, 9698] (рис. 1.5), для получения которых могут быть