автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование процесса получения гнутых профилей способом обкатки по Пуансону

45 ОД

2 7

На правах рукописи

ХАРДИН МИХАИЛ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ СПОСОБОМ ОБКАТКИ ПО ПУАНСОНУ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины

обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара -1997

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева

Научный руководитель Официальные оппоненты

- доктор технических наук профессор АРЫШЕНСКИЙ Ю.М.

• доктор технических наук профессор ЕРШОВ В.И.

• кандидат технических наук профессор КОМАРОВ А.Д.

Ведущее предприятие

- АО "Авиакор", г. Самара

Защита состоится "_" _ 1997 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 063.87.05 в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени С.П.Королева по адресу: 443086 Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета. Автореферат разослан "¿8" О^мх 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Попов И. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в конструкциях различных машин, в частности летательных аппаратов, находят широкое применение высокопрочные и высокомодульные материалы. Это прежде всего относится к силовому набору конструкций, состоящему из различных профилей и панелей. Изготовление профилей из подобных материалов прессованием затруднено, а в ряде случаев - невозможно.

Такие изделия можно получать гибкой из листа. Однако, обычная гибка моментом не позволяет осуществлять изгиб на малые радиусы из-за низкой пластичности материалов. Для изготовления изделий с малыми радиусами, обеспечивающих повышение жесткости конструкций, необходимо использование схем гибки с дополнительными сжимающими усилиями. Наибольшее распространение среди подобных схем получил стесненный изгиб. В большинстве известных способов стесненного изгиба приложение тангенциальной сжимающей нагрузки производится в торец полки заготовки. При этом наибольшее утолщение наблюдается не в угловой зоне, а распределяется по полке профиля, что является нежелательным. В связи с этим необходимо приложение сжимающих нагрузок в непосредственной близости от зоны гиба.

Для осуществления этого был предложен способ гибки с локализацией очага деформации и технологическая схема его реализации - гибка проглаживанием. Недостатком гибки проглаживанием является наличие значительного контактного трения, что приводит к низкому качеству поверхности получаемых профилей. Данная работа посвящена разработке новой схемы стесненного изгиба с локализацией очага деформации, обеспечивающей улучшение качественных показателей профилей, чем и определяется ее актуальность.

Цель работы. Разработка нового способа и оснастки для изготовления профилей в условиях стесненного изгиба.

Научная новизна. Исследован механизм формообразования при различных условиях осуществления процесса, определена схема, обеспечивающая хорошее качество изделий. Определено напряженно-деформированное состояние при стесненном изгибе анизотропной заготовки, найдены технологические параметры, в том числе предельные возможности процесса.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью исходных предположений и гипотез; строгой

математической постановкой задачи; близостью результатов расчета с данными экспериментов.

Практическая ценность. Разработан новый способ стесненного изгиба, который позволяет получать профили из различных конструкционных, в том числе труднодеформируемых, материалов с соотношением г/Б< 1... 1,5 и утолщением по биссектрисе угла изгиба до 10...30%. Разработаны рекомендации по проектированию технологической оснастки и определению допустимых соотношений геометрии получаемых изделий. Спроектировано и изготовлено устройство для гибки профилей, на котором получены опытные партии профилей из различных материалов. Определена область рационального использования процесса.

Публикации и апробация работы. Основное содержание работы изложено в 12 печатных работах, в том числе в процессе работы получено 2 авторских свидетельства. Сделаны доклады на 8 научно-технических конференциях и семинарах. Техническая апробация способа произведена на АО "АВИАКОР", где получены опытные партии профилей.

Объем работы. Диссертация изложена на 170 страницах и состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы в количестве 91 наименования и приложения. В работе имеется 64 рисунка и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы - разработки нового технологического процесса изготовления профилей из листа гибкой обкаткой по пуансону в условиях стесненного изгиба. Дана краткая аннотация работы.

В первой главе дана общая характеристика работы и приведены наиболее часто встречающиеся обозначения.

Во второй главе рассмотрены основные тенденции развития технологии изготовления профилей, описаны недостатки изделий, полученных прессованием и традиционными способами гибки и выделен способ устранения этих недостатков - приложение при гибке дополнительных внешних нагрузок.

Наиболее широко известной схемой дополнительного нагружения является стесненный изгиб, предложенный Г.В. Проскуряковым. Он заключается в приложении к заготовке дополнительных тангенциальных усилий сжатия, что позволяет

уменьшить радиус гиба и ликвидировать утонение в угловой зоне за счет уменьшения деформаций растяжения наружного волокна.

Далее рассмотрены технолочические способы реализации стесненного изгиба: гибка в штампах, гибка - волочение, гибка -прокатка и гибка в кромкогибочных машинах. Анализ этих процессов показывает, что наиболее перспективным является приложение тангенциальных и радиальных нагрузок в непосредственной близости от угловой зоны профиля. Разработанный с учетом этого на кафедре обработки металлов давлением Самарского государственного азрокосмического университета способ гибки с локализацией очага пластической деформации и технологическая схема его реализации -гибка проглаживанием существенно повышают предельные возможности процесса изготовления профилей. Однако требуется усовершенствование способа гибки с локализацией очага деформации с целью повышения качества получаемых изделий.

Здесь же проанализированы теоретические и технологические работы отечественных авторов, посвященные изгибу со сжатием а также учету анизотропии: В.И.Ершова, Г.В.Проскурякова, Ю.М.Арышенского, И.И.Калужского, А.В.Скрипачева,

В.И.Филимонова и др. Показано, что при создании математической модели, описывающей новый способ стесненного изгиба, необходимо учитывать наличие сдвиговых деформаций, анизотропию и упрочнение листового материала. В конце главы сформулированы задачи работы.

В третьей главе рассмотрена новая технологическая схема и устройство для осуществления стесненного изгиба, разработанная на кафедре обработки металлов давлением Самарского государственного аэрокосмического университета при участии автора - гибка обкаткой по пуансону (рис. 1). Схема обеспечивает уменьшение контактного трения и повышение качества получаемых профилей. Устройство состоит из матрицы и пуансона. В матрице расположены несколько пар деформирующих роликов, которые обкатывают волну избыточного металла, образованную предварительной гибкой. Волна избыточного металла под действием тангенциальных напряжений распределяется по толщине угловой зоны профиля, ее проскальзывание из очага деформации предотвращено.

Предварительные эксперименты, проведенные на роликах с радиусной калибровкой обжимных участков показали, что в результате приложения нагрузки на боковые поверхности волны избыточного металла, в заготовке возникают нежелательные знакопеременные напряжения а также появляются царапины и надиры

на готовом изделии. Устранение этих недостатков обеспечивает параболлическая калибровка роликов, которая и была принята в качестве основной. Для математичег^го описания образующей обжимного участка предложена формула вида:

где и - коэффициент, определяющий точку перехода полки

ИЗдел1м в волну избыточного металла; т. масштабный коэффициент; С - обжатие за переход.

При больших степенях деформации наблюдалось затекание металла между роликами. Для устранения этого явления было предложено устройство для гибки профилей обкаткой по пуансону цельным роликом (рис.2).

Разработано также устройство для предварительной гибки заготовок на том же технологическом оборудовании, на котором осуществляется и окончательная гибка.

Устройство предварительной гибки может быть размещено непосредственно перед роликовым узлом гибки обкаткой по пуансону. Пуансон при этом состоит из двух участков:

1) предварительной гибки со сменным выступом, размеры которого соотвествуют необходимой волне избыточного металла;

2) окончательной гибки с рабочей гранью, определяющей внутреннюю поверхность готового изделия.

Постадийная деформация позволяет получать длинномерные профили из листовой заготовки даже при ограниченном ходе пуансона.

Четвертая глава посвящена анализ}' напряжеьно-деформирорванного состояния процесса гибки обкаткой по пуанссну. При решении задачи были приняты следующие допущения:

1. Плоско-деформированное состояние ( о^О ).

2. Упрочнение учитывается степенной Аппроксимацией

где ci© и ei& - интенсивности напряжений и деформаций в тангенциальном направлении;

Ке и п - коэффициенты степенной аппроксимации.

3. Материал листа ортотропный.

4. Границы очага деформации описыраются парабсшшческими кривыми.

(1)

(2)

5. Во всем очаге деформации действуют сжимающие тангенциальные напряжения.

Наличие значительных сдвиговых деформаций не позволило применить традиционные в листовой штамповке методы решения. В связи с этим был использован приближенный аналитический способ решения - метод малого параметра.

Метод заключается в отыскании искомого решения вблизи известного путем введения некоторого возмущающего фактора ( малого параметра). В качестве известного невозмущенного решения в данном случае использовали процесс гибки широкой полосы моментом с приложением дополнительного тангенциального сжатия, выводящего нейтральный слой на наружную поверхность заготовки. Искомые функции напряжений и деформаций раскладывали в ряды по малому параметру 5.

/1=0

яв = ±3"а^ =4°'(3) «=о 00

л=0

Возмущение производили по параметру 61 на I этапе процесса и по 5г на II этапе. Параметры 81 и 82 учитывали отклонение границ очага . деформации в реальном процессе от принятых в нулевом приближении круговых.

Решение нулевого приближения является единым для I и П этапа.

оМ—ЪеЪ 1п£

г Т \ (4)

где еес - средняя тангенциальная деформация в нулевом приближении;

К© - приведенный коэффициент аппроксимации;

риг- текущий и внутренний радиусы соответственно.

Решение первого приближения в обоих случаях проводили методом разделения переменных ( методом Фурье). В результате суммирования получены искомые функции напряжений. Так напряжения на I этапе:

Гибка обкаткой по пуансону

Рис. 1.

Устройство для гибки обкаткой по пуансону цельным роликом

Рис. 2.

= -2Ка\епвс In— + cos 20^cos^V3 ln^j - Ssit^/3 ln^J

r / 2p

cos

трв = ^5т20соз^л/31п^

(5)

где К« - коэффициент учитывающий анизотропию;

¿Бм - утолщение по биссектрисе угла изгиба.

Эпюры напряжений представлены на рис. 3.

Характер распределения деформаций найден из геометрии заготовки, оценена величина сдвиговых деформаций.

Далее определены основные технологические параметры процесса: контактное давление на наружной поверхности заготовки, усилие обкатки, минимальный радиус изгиба и угол пружинения изделия.

Контактное давление Р, действующее на наружной поверхности заготовки найдено с использованием уравнения Лапласа:

(6)

^о Кр ^е

где Яр и Яо - радиусы кривизны заготовки в радиальном и тангенциальном направлениях; Бо - толщина заготовки.

С учетом полученных ранее выражений контактное давление запишется как

{ - Т 2Я

cos

л/Зш—) - V3smi а/31п —

R+a1M_cos2© 2 ^

где R - наружный радиус.

Величина контактного давления использована для определения продольного тянущего усилия процесса.

Минимальный радиус гиба зависит от свойств материала и

утолщения в угловой зоне:

(7)

где г = ~;

ц/ш - относительное сужение.

Для определения упругой отдачи материала использовали теорему о разгрузке А.А.Ильюшина. Итоговое выражение получено в виде

24Рср{\ -1г2) + ^соз20. С,} Ла =--^-2--2--?-}-а (9)

где рф - срединный радиус; С=1п Я/г;

С2=80г-80К-ЗС+84КС-39КС+13,5КС-ЗКС+0,68аС-0,15КС+0,01баС Ун, У21 - коэффищ!енты Пуассона; те - предел текучести материала на сдвиг; Е1 - модуль упругости.

По сравнению с гибкой моментом пружинение уменьшается в 1,52 раза.

В пятой главе рассмотрены экспериментальные исследования, направленные на подтверждение разработанной математической модели и определение возможностей процесса гибки обкаткой по пуансону.

На лабораторной экспериментальной установке, смонтированной на базе фрезерного станка были получены опытные партии профилей из алюминиевых, титановых сплавов и нержавеющей стали. Из алюминиевых сплавов ( Д16АМ и АМГ2М ) получены профили с хорошим качеством поверхности и утолщением по биссектрисе угла изгиба до 30-35%, минимальный внутренний радиус составлял 0,5-0,7 толщины материала.

При гибке прфилей из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и из титанового сплава ОТ 4-1 были получены незначительные утолщения угловой зоны ( 3-8% ), в 1,5-1,7 раза по сравнению с обычной гибкой уменьшился предельный радиус гиба и пружинение. Однако для производства профилей из подобных материалов требуется

Распределение напряжений на I этапе

а - распределение напряжений по толщине; б - распределение напряжений по наружной поверхности.

Рис. 3.

специальное технологическое оборудование, обладающее более высокой жесткостью.

Определение деформации по толщине заготовки в нескольких последовательных переходах показало совпадение реальных значений с полученными ранее теоретическими с точностью до 10-15%.

Для определения силовых параметров процесса была создана специальная оснастка, в которой размещается один деформирующий ролик. Определение усилия проводилось по отпечаткам на подложках. На материалы подложек получены тарировочные зависимости: диаметр отпечатка - усилие. Определены продольная и нормальная составляющие усилия гибки обкаткой по пуансону. Теоретические значения продольного усилия отличаются от экспериментальных на 10-12%.

Исследования гибки профилей при деформациях, близких к предельным позволили определить параметры профилей из различных материалов, изготовление которых гибкой обкаткой по пуансону было бы наиболее рациональным ( рис. 4 ). Определяющими параметрами здесь являются внутренний радиус угловой зоны и утолщение по биссектрисе угла изгиба. При радиусах меньше минимального, определяемого с достаточной точностью формулой ( 8 ) и при превышении некоторого максимального для данного материала утолщения на внутренней поверхности угловой зоны могут образововаться трещины. Максимальное утолщение определяется экспериментально. В случае невозможности этого для приближенного определения утолщения может быть использована формула:

Л5а/Доп= 0,45^/1 - цхгци 1п—-— (10)

1 -уш

где Ц12,1X21 - коэффициенты поперечной анизотропии.

В шестой главе описаны возможности процесса гибки обкаткой по пуансону, рассмотрен сортамент профилей, которые могут быть получены данным способом ( рис. 5 ). Отмечено, что наиболее рационально использование процесса:

1. При производстве профилей повышенной жесткости из алюминиевых сплавов. Увеличение жесткости осуществляется за счет получения в угловой зоне утолщения, достигающего 25-30%.

2. При изготовлении профилей из труднодеформируемых сплавов, в случае, когда традиционные способы гибки не могут обеспечить заданный внутренний радиус.

Рассмотрена также методика расчета размеров заготовки и основных соотношений геометрии профиля с утолщением угловой

Предельные параметры изготавливаемых профилей

г

1.5 1.2

ч<А 0,6 0.3

0.1 0,2 а

о.з ^

0.06 0,12 0.1N 6

а - алюминиевые сплавы (1- АМгбМ, 2 - АМг2М, 3 - Д16АМ) б - титановые сплавы (1 - ВТ-20, 2 - ОТ4-1) в отожженном состоянии.

Рис. 4.

Возможности процесса изготовления профилей Уголок Швеллер Зетовые Корыто

1

¿Л

а=45-И35°, £=(0,54-3,0) мм, г=(0,5-г2) мм Рис. 5.

о

зоны. Приведена методика проектирования инструмента предварительной и окончательной гибки для производства заданного профиля.

В заключении описаны примерные технологические маршруты изготовления профилей из алюминиевых сплавов а также основные виды брака и способы их устранения.

Перспективным направлением развития гибки обкаткой по пуансону является разработка автоматизированной системы проектирования технологической оснастки а также расширение номенклатуры получаемых профилей, в том числе из композиционных материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Настоящая работа является законченной научно-исследовательской работой по решению важной народнохозяйственной задачи: повышение жесткости и ресурса профилей.

В процессе теоретического и экспериментального исследований выполнено и установлено следующее:

1. Разработан способ изготовления профилей обкаткой по пуансону, обеспечивающий повышение качества поверхности и уменьшение разнотолщинности полок изделий.

2. Проведены предварительные исследования, на основании которых выбрана форма деформирующего инструмента.

3. Теоретический анализ процесса, выполненный методом возмущений позволил получить замкнутое решение двухмерной задачи с учетом сдвиговых деформаций, анизотропии и упрочнения материала.

4. В результате анализа найдены поля напряжений и деформаций, позволяющие судить о характере формоизменения материала при гибке обкаткой по пуансону.

5. Определены основные технологические параметры гибки обкаткой по пуансону: усилие процесса, минимальный радиус изгиба и пружинение. По сравнению с гибкой моментом, для традиционных при изготовлении профилей материалов, наблюдается снижение минимального внутреннего радиуса в 2,0...2,5 раза, пружинения в 1,5...2,0 раза.

6. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность выбранной математической модели процесса. Расхождение между теотетическими и экспериментальными значениями не превышает 10-12%.

7. Эксперименты, проведенные на различных материалах показали возможность получения профилей повышенной жесткости из различных, в том числе и труднодеформируемых материалов. Так для профилей из сплавов Д16М и АМг2М наблюдались утолщения по биссектрисе угла изгиба до 35% при внутренних радиусах угловой зоны (0,5...0,7)So.

8. На основании теоретических и экспериментальных исследований предложены методики расчета рационального соотношения радиусов и утолщения угловой зоны профиля а также параметров технологического инструмента.

9. Разработаны примерные технологические схемы изготовления профилей из алюминиевых сплавов гибкой обкаткой по пуансону. Приведены возможные виды брака и способы их устранения.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. A.c. № 1814946. СССР. МКИ В21 Д5/00. Способ изготовления V-образных изделий/В.Ю.Ненашев, Ю.М.Арышенский, М.В.Хардин и др.( СССР ) № 4816343/27. Заявлено 17.04.90. Опубл. 15.05.93, Б.И. № 18.-2с.

2. A.c. № 1780895. СССР. МКИ В21 Д5/00. Устройство для гибки профилей /Ненашев В.Ю., Арышенский Ю.М., Хардин М.В. и др. (СССР ) № 4946484/27. Заявлено 17.06.91. Опубл. 15.12.92, Б.И. № 46.-4с.

3. Ненашев В.Ю., Матвеев А.Ю., Хардин М.В. и др. Разработка и апробирование роликового узла для гибки тонкостенных профилей // Оборудование, технология и организация цехов по производству профильной продукции и ТНП : Тез. докл. науч.-техн. конф. - Пенза, 1991.-с. 19-20.

4. Хардин М.В., Коновалов Г.В., Гусев И.В. Штамп для секционной гибки длинномерных профилей из труднодеформируемых и композиционных материалов II Прогрессивные технологические процессы, оборудование и оснастка в холодноштамповочном производстве: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Пенза, 1992. - с. 98 - 99.

5. Ненашев В.Ю., Арышенский Ю.М., Хардин М.В. Конструкция роликового узла для формовки профилей из тонких малопластичных материалов // Прогрессивные технологические процессы, оборудование и оснастка в холодноштамповочном производстве: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Пенза, 1992. - с. 84 - 86.

6. Арышенский Ю.М., Хардин В.Б., Хардин М.В. и др. Особенности получения профильных полуфабрикатов методом стесненного изгиба с локализацией очага деформации // Наукоемкие технологии и

проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока: Тез. докл. междунар. науч.-техн. симпозиума.- Комсомольск-на-Амуре, 1994. - с. 34-36.

7. Ненашев В.Ю., Арышенский Ю.М., Хардин М.В. и др. Малогабаритный универсальный инструмент и технологический процесс для получения из листа гнутых прямолинейных и криволинейных профилей и панелей повышенной жесткости // Прогрессивные технологические процессы, оборудование и оснастка в холодноштамповочном производстве: Тез. докл. науч.-техн. конф. -Пенза, 1994. - с. 44 - 45.

8. Хардин М.В., Арышенский Ю.М., Ненашев В.Ю. Усовершенствование конструкции роликового узла для изготовления профилей в условиях стесненного изгиба // Прогрессивные технологические процессы, оборудование и оснастка в холодноштамповочном производстве: Тез. докл. науч.-техн. конф. -Пенза, 1994.-с. 47-49.

9. Ненашев В.Ю., Хардин М.В., Хардин В.Б. и др. Способ изготовления профилей повышенной жесткости // Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Иркутск, 1996. - с. 49-51.

10. Арышенский Ю.М., Ненашев В.Ю., Хардин М.В. и др. Изготовление профилей стесненным изгибом из высокопрочных и композиционных материалов // Технология легких сплавов. - 1996. - №

3. - с. 50-52.