автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Математическое моделирование и разработка процесса двухугловой гибки листовых заготовок с компенсацией пружения

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Семин Сергей Витальевич

УДК 621.981.1.001

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ДВУХУГЛОВОЙ ГИБКИ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК С КОМПЕНСАЦИЕЙ ПРУЖИНЕНИЯ

Специальность 05.03.05 «Процессы и машины обработки давлением»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 1999

Содержание

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1 Аналитический обзор....................................................................................8

1.1 Двухугловая гибка-штамповка листовых заготовок (штамповка П-образных изделий)........................................................,................................8

1.2 Теория технологического изгиба листа.....................................................12

1.3 Методы математического моделирования формоизменения листовых заготовок.......................................................................................................22

1.4 Выводы..........................................................................................................27

Глава 2 Теоретическое исследование упругопластического изгиба тонкого

листа..............................................................................................................28

2.1 Определение формы изогнутой оси листа................................................28

2.2 Исследование кинематики перемещения заготовки по кромкам матрицы

.......................................................................................................................39

2.3 Повреждение поверхности заготовки........................................................46

2.4 Оптимизация формы и размеров кромок матрицы..................................50

2.5 Выводы....................................................о.....................................................56

Глава 3 Разработка схемы двухугловой гибки с компенсацией пружинения.....58

3.1 Влияние формы и размеров кромок матрицы...........................................58

3.2 Управление свободным изгибом заготовки при двухугловой гибке.....63

3.3 Экспериментальное исследование двухугловой гибки по новой схеме 66

3.4 Выводы..........................................................................................................72

Глава 4 Математическое моделирование и методика проектирования

двухугловой гибки.......................................................................................74

4.1 Математическая модель свободного изгиба тонкого листа....................75

4.2 Расчет пружинения заготовок....................................................................85

4.3 Постановка и проведение вычислительных экспериментов...................89

4.4 Рекомендации к проектированию технологических процессов.............96

4.4.1 Технические требования к деталям........................................................96

4.4.2 Форма и размеры гибочного инструмента.............................................98

4.4.3 Назначение гибочных операций и переходов......................................100

4.5 Выводы........................................................................................................102

Общие выводы по работе........................................................................................104

Список использованных источников.....................................................................107

Приложение А.......................................................................................................... 114

Приложение Б..........................................................................................................116

Приложение В..........................................................................................................121

Введение

Актуальность. Гибка листовых заготовок широко распространена в штамповочном производстве. Преобладает одно- и двухугловая гибка на малый радиус, соизмеримый с толщиной материала. Изогнутые участки заготовки граничат с плоскими, угол между которыми изменяется в процессе гибки и последующего пружинения. Для компенсации последнего увеличивают углы гибки, что нередко связано с усложнением конструкции штампов и их удорожанием. В частности, при двухугловой гибке краев заготовки на 90° их дополнительно изгибают на несколько градусов в конце хода пуансона с помощью подвижных полуматриц, перемещаемых клиновыми и другими устройствами.

В данной работе показана возможность компенсации пружинения при двухугловой и некоторых других схемах гибки более простыми средствами. Предлагается использовать для этого начальную стадию формоизменения заготовок, когда они подвергаются свободному изгибу под действием кромок матрицы, будучи зажаты в центральной части пуансоном и прижимом. Изменяя традиционную форму кромок матрицы, можно вызвать распространение пластических деформаций свободного изгиба за пределы развертки радиусных частей детали. Тогда при дальнейшем протягивании заготовки в зазор между матрицей и пуансоном ее края поворачиваются на угол, превышающий 90°. Боковые стенки пуансона выполняют с соответствующим поднутрением.

Предлагаемая схема гибки листовых заготовок обеспечивает получение изделий П-образного сечения с параллельными стенками независимо от увеличения зазора между матрицей и пуансоном вследствие износа штампа. Рекомендуется с самого начала изготавливать штампы с завышенным зазором, чтобы исключить повреждение поверхности заготовки при протягивании в матрицу. Несмотря на некоторое уменьшение угла наматывания материала на кромки пуансона по причине завышенного зазора, возможно получение изделий с параллельными и даже со сходящимися стенками при условии достаточного распространения пластических деформаций на стадии свободного изгиба заготов-

ки.

Проектирование гибочного инструмента в соответствии с предлагаемым новшеством связано с математическим моделированием свободного изгиба и последующих стадий формоизменения заготовки, включая пружинение. При создании математической модели необходимо исходить из геометрической нелинейности задачи, поскольку условия равновесия записываются применительно к конечной, а не начальной форме листа. Область приложения нагрузки перемещается в процессе свободного изгиба как относительно заготовки, так и контактирующей с ней кромки матрицы. Нетривиальный характер перечисленных аспектов указывает на необходимость глубокой теоретической проработки и экспериментальной проверки математической модели.

Целью работы является создание новой технологии штамповки изделий П-образной и некоторых других форм, обеспечивающей компенсацию пружи-нения заготовок, повышение качества и точности гибки в штампах.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить теоретический анализ нелинейного упругопластического изгиба листа с учетом реальных ограничений, накладываемых штамповым инструментом.

2. Разработать математическую модель свободного изгиба листовой заготовки при штамповке П-образных изделий.

3. Разработать схему двухугловой гибки с эффективным использованием свободного изгиба заготовок для компенсации пружинения.

4. Разработать методику проектирования технологических процессов гиб-ки-штамповки заготовок по разработанной схеме, отвечающих повышенным требованиям к точности и качеству изделий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- исследован процесс немонотонного формоизменения листа при двухугловой гибке в штампе, включающий свободный упругопластический изгиб с

последующим наматыванием на пуансон, показано, что при соответствующей форме кромок матрицы результирующий угол поворота краев заготовки существенно превышает 90° и может достигать 150°;

- проанализирована кинематика перемещения краев заготовки по кромкам гибочной матрицы, дана нижняя и верхняя оценка скорости скольжения на основе допущений о форме участков свободного изгиба;

- получены теоретические и экспериментальные зависимости угла поворота краев заготовки от формы и размеров кромок гибочной матрицы;

- определена минимальная высота стенок П-образных изделий (от 5 до 15 толщин материала, в зависимости от радиуса пуансона), при которой возможна компенсация пружинения.

Новизна предложенных способа и устройства для П-образной гибки подтверждается полученными патентами РФ.

Автор защищает:

- математическую модель немонотонного процесса изгиба листа в матрице со скошенными кромками, либо в двухуровневой матрице;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований, позволившие установить влияние формы и размеров гибочной матрицы на углы поворота краев изгибаемых заготовок;

- методику проектирования технологических процессов гибки-штампов-ки листовых заготовок по новым схемам, обеспечивающих компенсацию пружинения материала и завышенного зазора между матрицей и пуансоном.

Достоверность результатов, полученных в ходе теоретических исследований, подтверждена тем, что относительное отклонение аналитического решения от численного не превышало 10%, а также экспериментальными данными, полученными в широком диапазоне режимов гибки.

Практическая ценность. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана методика проектирования технологических процессов, содержащая рекомендации в отношении формы и размеров штампового

инструмента, режимов гибки и технических требований к изделиям.

Новые технологические процессы гибки обеспечат повышение точности и качества изделий П-образной и некоторых других форм без дополнительных затрат.

Апробация работы. По содержанию диссертационной работы был выполнен ряд докладов и сообщений, в том числе: I и II международным научно-техническим конференциям "Проблемы пластичности в технологии", Орел, 1995 г.; Орел, 1998 г.; конференции "Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона", Воронеж, 1996 г.; международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии, связанные с обработкой металлов давлением", Владимир, 1996 г.; международному научно-техническому симпозиуму "Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации", Орел, 1997 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе получены 2 патента на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и фотографию, 5 таблиц. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего 86 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, а также 3 приложений.

Глава 1 Аналитический обзор

1.1 Двухугловая гибка-штамповка листовых заготовок (штамповка П-образных изделий)

Двухугловая гибка применяется для получения изделий П-образного сечения, которые составляют значительную часть номенклатуры листоштампо-вочного производства. Диапазон толщин изгибаемых заготовок достаточно велик, однако преобладают заготовки толщиной от 0,5 до 2 мм из малоуглеродистых сталей и сплавов на основе алюминия. Технические требования к деталям включают жесткие допуски на угловые размеры, отсутствие повреждений поверхности в виде царапин, рисок, задиров. Удовлетворение указанных требований затрудняется нестабильностью свойств и значений толщины заготовок.

Точность угловых размеров зависит от правильного учета компенсации пружинения заготовок при гибке. Наиболее радикальным средством является изгиб на углы, превышающие 90°, при помощи дополнительного перемещения гибочных инструментов в конце гибки, рисунок 1.1 [1]. Применение подобных схем имеет ограниченный характер из-за повышения стоимости и снижения работоспособности штампов. К числу достоинств данных схем нужно отнести возможность регулирования угла изгиба [2].

Более простые схемы с шарнирным соединением гибочных инструментов не позволяют регулировать величину угла гибки, поэтому точность угловых размеров зависит от стабильности свойств и толщины заготовок, рисунок 1.2 [3, 4, 5].

Разработан ряд схем П-образной гибки, в которых отсутствуют сложные шарнирные и клиновые механизмы перемещения инструментов, например [6], где узел подгибки выполнен в виде двух пар регулировочных упоров, вызывающих качание выталкивателя и пуансона в процессе протягивания заготовки в матрицу, при этом края заготовки поочередно изгибаются на углы, превышающие 90°.

Рисунок 1.2 - Гибка без повреждения поверхности заготовок

Значительное распространение получили штампы для П-образной гибки с одновременным упругим изгибом донной части изделия, выпрямление которой компенсирует пружинение и обеспечивает параллельность стенок [7, 8, 9]. Однако данная схема также исключает возможность компенсации нестабильного пружинения. Такой же недостаток отличает способ компенсации пружине-ния при гибке, используемый на Горьковском автомобильном заводе [10]. Он заключается в строгом дозировании давления прижима, при котором дно изделия доштамповывается в момент жесткого взаимодействия с пуансоном и прижимом. Определена зависимость оптимального усилия прижима от параметров заготовки и инструмента:

Р™=с{А{гп1И)к+в\

где А, В, С, к - коэффициенты, полученные экспериментальным путем; гп - радиус пуансона; к - толщина материала.

Практический опыт свидетельствует о том, что параллельность стенок изделий П-образного сечения можно обеспечить, протягивая заготовки в зазоры, меньшие толщины изгибаемого материала на 3-ь5% [8, И]. Для деталей, на внешней стороне которых не допускаются задиры и царапины, зазор следует брать на 0ч-0,03 мм больше толщины материала [12]. В этом случае рекомендуют создавать в местах заготовки, подлежащих изгибу поля остаточных напряжений, которые уменьшают или полностью исключают пружинение при гибке [13, 14]. Для этого обеспечивают вдавливание выступов штампового инструмента в местах изгиба на глубину 0,05-Ю,10 толщины заготовки при ширине очагов деформации 1,34-2,0 от протяженности внутреннего криволинейного участка заготовки [15].

Для повышения точности гибки применяют также калибровку радиусных участков деталей, при этом отношение радиусов пуансонов гибки и калибровки г = 1,25г обеспечивает наибольший эффект [16].

В производстве высокотехнологической продукции машиностроения детали П-образного сечения получают по схемам гибки, совмещенным с продольным растяжением или сжатием материала [17, 18, 19]. При этом наложение сжимающих напряжений позволяет также минимизировать величину радиуса гибки, что особенно важно при обработке малопластичных материалов [20]. В результате экспериментальных исследований [21] в зоне радиуса сопряжения вместо традиционного утонения получено утолщение материала до 8^-23%, при этом пружинение изгибаемых бортов уменьшается в несколько раз и при г0/к0< 3 не превышает 1% (г0 - внутренний радиус гиба, \ - исходная толщина листового материала). Стесненный изгиб позволяет уменьшить радиус гиба до значений г0 = /г0 и менее. Детали, полученные стесненным изгибом, обладают более высокими показателями надежности, ресурса, жесткости и точности.

При изготовлении деталей большой длины, служащих элементами продольной жесткости летательных аппаратов, применяют гибку-прокатку с волочением через ролики [22], гибку на машинах с поворотной балкой [23]. В работе [24] отмечается, что угол гибки заготовок в штампе зависит от величины захода пуансона в матрицу и от величины зазора. При гибке на машинах оператор задает угол гибки на пульте управления. Форма инструментов не влияет на угол гибки; повторяемость не зависит от колебаний толщины заготовки. На прессе используют инструменты с геометрическим замыканием, вследствие чего необходима одновременная замена пуансона и матрицы. Перемещение материала по кромке матрицы вызывает образование царапин и износ инструментов. В машинах угол гибки зависит не от геометрии инструмента, а от угла поворота гибочной балки.

При гибке крупногабаритных заготовок используют оборудование с ЧПУ [25, 26]. Система управления типа СЫС со встроенным компьютером позволяет реализовать процессы гибки П-образных и других деталей сложной формы с учетом пружинения материала. Другой вид автоматического управления гибкой

предусматривает установку датчиков, регистрирующих перемещение заготовки при активном пружинении и упругой разгрузке [27]. Результаты измерений служат исходными данными для корректировки управляющей программы. Тем самым достигаются требуемые размеры гнутых деталей. В работе [28] сообщается, что управление листогибочным прессом осуществляется по результатам измерения угла детали и длины отогнутого края. Достигается точность повторения размеров около 0,01 мм. Это означает, что при ширине детали 12 мм и толщине 1,5 мм угловой допуск составляет 0,1°. Большое влияние на точность угла имеет износ инструмента. Точность ширины отогнутого края составляет 0,4 мм. Помимо высокой точности, система управления обеспечивает быстрое перемещение пуансона - до 500 мм/с.

Анализ существующих схем П-образной гибки показывает, что компенсация пружинения связана с усложнением конструкции гибочных штампов и снижением их работоспособности, уменьшение или исключение пружинения требует применения уникального оборудования, которое практически не применяется за пределами высокотехнологичных производств. Не существует схем, обеспечивающих параллельность стенок П-образных изделий б�