WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Перевалов Анатолий Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИБКИ С ОДНОВРЕМЕННОЙ ЗАКРУТКОЙ ДЛИННОМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ ПРЕССОВАННЫХ ПРОФИЛЕЙ

Специальность 05.07.02 – Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре 2012

Работа выполнена на кафедре “Технология самолетостроения” ФГБОУ ВПО “Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет”

Научный консультант: к.т.н., доцент Белых Сергей Викторович

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Марьин Борис Николаевич к.т.н.

Ханов Владимир Андреевич

Ведущая организация: ОАО “Иркутский научно-исследовательский институт авиационной технологии и организации производства” (ОАО “Иркутский НИАТ”, г. Иркутск)

Защита состоится « 25 » мая 2012 года в 16:00 на заседании диссертационного совета К 212.092.04 в ФГБОУ ВПО “Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет” по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО “КнАГТУ”

Автореферат разослан « 19 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 212.092.04 Д.Г. Колыхалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Детали, получаемые деформированием прессованных профилей, используются во многих элементах конструкции планера летательного аппарата. Объясняется это тем, что при относительно небольших размерах поперечного сечения, а следовательно, незначительной массе, профили обладают весьма высокой удельной сопротивляемостью к действию внешних нагрузок. К названным выше элементам силового каркаса относятся нормальные, усиленные и наклонные шпангоуты, полушпангоуты фюзеляжа, окантовки нервюр, стенки, стрингеры крыла и другие.

К деталям летательного аппарата, получаемым деформированием профилей, предъявляются высокие требования по точности. Например, отклонение по контуру обводообразующих деталей не должно превышать 0,2…0,5 мм, по углу закрутки – 1…2°, отклонение формы для диаметров свыше 1000 мм – не более мм.

Основными требованиями, предъявляемыми к технологическому процессу деформирования профилей, являются:

- высокая точность;

- высокая производительность, отсутствие доводочных работ, возможность автоматизации процесса;

- малая чувствительность к разбросу механических свойств и геометрических размеров сечения;

- относительно небольшая стоимость оснастки и оборудования для реализации процесса.

Комплексное улучшение качества изготовления деталей авиационной техники в современных условиях достигается за счет использования оборудования с ЧПУ и снижения влияния “человеческого” фактора на качество выпускаемой продукции. Для изготовления деталей малой кривизны из прессованных профилей наиболее перспективны роликовые станки. Ролики, особенно сборные, представляют собой универсальный инструмент. Изменяя их взаимное расположение, можно получать детали различной кривизны, а, изменяя набор деталей, из которых собирается ролик, прокатывать профили различных сечений. Применение станков под управлением ЧПУ исключает субъективный фактор при проведении технологического процесса гибки профилей. Эффективность применения станков с ЧПУ зависит от методов, применяемых при проектировании технологии производства деталей и методов разработки управляющих программ.

Автоматизация этапов технологической цепочки изготовления профилей методом гибки-прокатки в роликах с применением станков с ЧПУ сопряжена с рядом проблем. Значительное пружинение, возникающее после снятия нагрузки, снижает точность изготовления деталей и требует разработки математической модели процесса деформирования, которая будет учитывать геометрическую и физическую нелинейность. Разброс геометрических параметров профиля, обусловленный допуском на его изготовление, а также разброс механических характеристик сплава требуют для каждой партии заготовок новых испытаний и расчетов, что в условиях серийного производства весьма затратно.

Следует отметить, что детали, симметричные относительно плоскости изгиба, в конструкции ЛА встречаются нечасто. При изготовлении деталей из прессованных профилей, не симметричных относительно плоскости изгиба, методами гибки возникает закручивание профильной заготовки, что приводит к невозможности выдерживания точных геометрических размеров и требует дополнительных трудозатрат на доработку данных деталей.

Таким образом, актуальность работы заключается в разработке методик оценки угла закручивания профиля, не симметричного относительно плоскости изгиба, в процессе его деформирования и его компенсации путем упругопластического кручения заготовки в обратном направлении.

Цель работы. Повышение точности и качества изготовления длинномерных деталей летательного аппарата из прессованных профилей с сечением, не симметричным относительно плоскости изгиба, при автоматизированном изготовлении на роликовом оборудовании.

Научная новизна. В ходе работы были получены следующие новые результаты:

- разработана математическая модель деформирования профильных заготовок несимметричного сечения в роликах методом гибки-прокатки;

- разработана методика определения угла закручивания профильной заготовки, обеспечивающего изготовление детали из прессованных профилей несимметричного сечения гибкой в роликах без остаточного закручивания детали от действия внутренних изгибающих моментов.

Практическая значимость и внедрение результатов:

- разработан метод изготовления длинномерных деталей малой кривизны из прессованных профилей несимметричного сечения путем изгиба в роликовом профилегибочном станке с одновременным закручиванием;

- разработано техническое решение, позволяющее снизить вероятность потери устойчивости стенок профиля, предложен комплекс мероприятий по конструктивной доработке роликового профилегибочного станка ГМС-1, позволяющей осуществлять процесс изготовления деталей без потери устойчивости полок профиля.

Работа выполнялась на кафедре «Технология самолетостроения» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ». Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология самолетостроения» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» при проведении лекционных и лабораторно-практических занятий по дисциплинам «Технологии изготовления деталей самолета» и «Проектирование процессов и оснастки заготовительно-штамповочного производства» для студентов всех форм обучения, а также используются на ОАО «КнААПО» в рамках внедрения опытнопромышленного образца гибочно-малковочного станка ГМС-1 в производстве самолета SSJ-100 (акт об использовании результатов диссертационной работы в производстве в процессе выполнения НИОКРиТР «Отработка технологических процессов изготовления длинномерных деталей из прессованных профилей на гибочно-малковочном станке с ПУ ГМС-1»).

Достоверность результатов подтверждается натурными экспериментами и моделированием процессов изгиба в системе MSC MARC.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

International X-th Russia-Chinese Symposium. “Modern materials and technologies” – Khabarovsk, 2009;

40-я научно-техническая конференция студентов и аспирантов — Комсомольск-на-Амуре, 2010 г;

Вторая региональная научно техническая конференция студентов, магистров, аспирантов и молодых ученых Дальневосточного региона «Актуальные проблемы промышленных и информационных технологий» – Комсомольск-наАмуре, 2010 г;

Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы обработки материалов и заготовительных производств» - Комсомольск-на-Амуре 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатныx работ. В журналах рекомендуемого ВАК РФ перечня опубликовано 4 статьи, общим объемом 2 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, общих выводов и библиографического списка из 64 наименований.

Материалы работы изложены на 141 странице машинописного текста, иллюстрированы 63 рисунками и 3 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные положения диссертации, обоснована актуальность темы, поставлена цель работы.

В первой главе проведена оценка области применения прессованных профилей в конструкции планера ЛА. Рассмотрены основные технологические процессы изготовления деталей из прессованных профилей с указанием преимуществ и недостатков каждого процесса. Рассмотрены основные особенности гибки прессованных профилей несимметричного сечения относительно плоскости изгиба. Проведен обзор научных работ по теме исследования, сформулированы задачи исследования.

Установлено, что при изготовлении деталей из прессованных профилей гибкой после снятия внешней нагрузки наряду с пружинением будет иметь место закрутка (общий разворот сечения) вследствие изгиба в плоскости, перпендикулярной плоскости основного изгиба при несовпадении плоскости изгиба и главных осей инерции сечения (рис. 1).

Основы теоретического исследования пластического изгиба заложены в работах Р. Хилла, А. Надаи, И.П. Ренне, Г. Свифта, А.А. Ильюшина, Е.Н. Мошнина и других. Значительный вклад в изучение данного вопроса внесли Н.Н. Малинин, А.Д. Матвеев, М.И. Лысов, Д.Д. Ивлев, В.И. Одиноков, М.Н. Горбунов, В.И. Ершов, А.С. Чумадин, Е.А. Попов, М.В. Сторожев, С.И. Вдовин, А.Д. Томленов, Г.Д. Дель, И.М. Закиров, А.Г. Ершов и другие.

Рис. 1. Закручивание уголкового профиля при разгрузке после изгиба в роликах Исследования проблем изготовления деталей из прессованных профилей на роликовых станках по трех- и четырехвалковым схемам рассматривались многими учеными. Наиболее полная теоретическая база по расчету изготовления профильных деталей гибкой-прокаткой в роликах приведена в работах доктора технических наук, профессора М.И. Лысова. В частности, им был приведен метод определения параметров настройки при симметричном и ассимметричном расположении гибочных роликов для случая использования трехвалковой схемы нагружения. Рассмотрение процесса гибки-прокатки происходит только для симметричных относительно плоскости гиба профилей, что исключает необходимость учета деформаций в поперечном направлении и деформаций кручения.

Изгиб профиля несимметричного сечения моментом рассматривается в работах А.Г. Ершова. Автором отмечено явление закручивания профиля несимметричного сечения при изгибе в одной плоскости. Приведено определение напряженного состояния при изгибе профиля несимметричного сечения. Проведена оценка состояния равновесия и определение величины деформации искажения сечения профиля. Большое внимание уделено экспериментальным исследованиям процесса пластического изгиба профилей, методике проведения эксперимента, оборудованию и измерениям.

Так же приведена оценка совмещения простых процессов деформирования с точки зрения применения и перспективности. При этом процессы, совмещающие изгиб с закручиванием, отмечены как малоизученные и перспективные.

На основании проведенного анализа для достижения поставленной цели диссертации сформулированы задачи:

- разработки методики определения зависимости угла закручивания профильной заготовки от формы поперечного сечения и степени деформации детали;

- проведения численного моделирования и натурных экспериментов процесса изготовления длинномерных деталей летательного аппарата из прессованных профилей несимметричного сечения относительно плоскости изгиба с одновременным закручиванием;

- разработки алгоритма анализа облака точек, получаемого в процессе контроля формы готовой детали, на основе аппроксимации пространственной кривой дугами с заданным критерием точности;

- разработки комплекса мер по конструктивной доработке гибочномалковочного станка, позволяющей осуществлять процесс изготовления деталей без потери устойчивости полок профиля.

Во второй главе приведена схема конструкции гибочно-малковочного станка ГМС-1 (рис. 2) и дано описание принципов деформирования заготовки (рис. 3). Разработана математическая модель процесса деформирования профильной заготовки в роликовом устройстве станка. Приведена методика определения зависимости угла закручивания профильной заготовки от формы поперечного сечения и степени деформации детали и разработан алгоритм определения углов предварительного закручивания профиля.

3 Y X Z 1 – блок подающих роликов, 2 – блок формообразующих роликов, 3 – профиль, 4 – движение подачи профиля вдоль оси X, 5 – поворот блока подающих роликов вокруг оси Z (закручивание профиля), 6 – поворот блока формообразующих роликов вокруг оси Y Рис. 2. Принципиальная схема роликового гибочно-малковочного станка ГМС-Вращение подающих роликов станка, благодаря силам трения, вызывает перемещение заготовки в зоне деформации. Рассматриваемое сечение, перемещаясь от подающих к ближайшему изгибающему валку (участок АБ рис. 3), проходит зону нагружения. Кривизна в нем имеет знакопеременное значение (в соответствии с величиной изгибающего момента от внешних деформирующих сил) и достигает максимального значения в момент нахождения сечения под ближайшим изгибающим роликом. Созданное при этом напряженное состояние в волокнах деформированного элемента образует момент внутренних сил, уравновешиваемый моментом внешних сил при данной кривизне изгиба.

После выхода из-под верхнего нажимного ролика и при дальнейшем движении в направлении второго изгибающего валка заготовка проходит зону разгрузки (участок БВ рис. 3). Изменение в этой зоне положения рассматриваемого сечения сопровождается уменьшением момента внешних сил. Вследствие этого нарушается равновесие момента внутренних сил и происходит упругое восстановление металла (пружинение), в результате которого кривизна в сечении уменьшается до величины, при которой вновь восстанавливается равновесие указанных моментов. Когда рассматриваемое сечение достигнет линии контакта с опорным выходным валком, момент от внешних сил станет равным нулю и вследствие дальнейшего пружинения произойдет самоуравновешивание момента внутренних сил.

В А Б АБ – участок нагружения профиля; БВ – участок разгрузки профиля.

Рис. 3. Схема деформирования заготовки в роликах В соответствии с теоремой Ильюшина А.А. о разгрузке при пластической деформации процесс формообразования сопровождается упругим восстановлением металла после снятия активной нагрузки. Поэтому расчет положения изгибающих роликов станка будем производить для кривизны , большей по сравнению с заданной кривизной детали 0 на величину изменения вследствие пружинения, связь между которыми определяется выражением:

J K J уп n-п пл = + .

(1) 0 1- J ЕJ Эта корректировка должна предшествовать определению положения изгибающих роликов станка.

В общем случае задача сводится к построению линии упруго-пластического деформирования заготовки в роликовом механизме станка. Для решения поставленной задачи об определении параметров настройки станка, обеспечивающих получение требуемой кривизны детали, выделим зоны нагружения и разгрузки.

Для определения рабочего угла поворота платформы рассмотрим поведение заготовки в зоне нагружения. Действие отбрасываемой части заготовки на рассматриваемую заменяем жесткой заделкой. Действие на заготовку со стороны подающих роликов заменим перерезывающей следящей силой P и изгибающим моментом M. Теперь, если заменить поворот платформы с изгибающими роликами на поворот подающих роликов относительно центра платформы при фиксированном положении изгибающих роликов, мы получим расчетную схему деформирования заготовки в зоне нагружения (рис. 4).

y M A' P x' M A P O x Б – угол поворота формообразующих роликов; – угол смещения точки контакта при нагружении относительно точки контакта после выборки холостого хода.

Рис. 4. Схема деформирования заготовки в зоне нагружения Момент в произвольном сечении, когда сила Р имеет следящий закон перемещения и нормальна к нейтральному слою в точке своего приложения, в общем случае определяется следующим образом:

M = P(x - x )cos( - ) + P(y - y )sin( - ) - M, (2) i A i A i A i A i где xi, yi, xA, yA – положение нейтрального слоя произвольного сечения и сечения в точке приложения деформирующего усилия, соответствующие текущей итерации расчета.

Принимая единую линейно-степенную аппроксимацию - вида p E, при i i =, n p K, при i > соотношение между кривизной и изгибающим моментом запишем в следующем виде:

n 2 d y d y M = EJ + KJ. (3) i уп пл 2 dx dx Влиянием касательных напряжений ввиду их малости из-за значительной длины заготовки в зоне нагружения пренебрегаем.

Подставляя в уравнение (3) выражение для изгибающего момента (2) и дважды интегрируя, получим уравнение нейтрального слоя пластически изогнутого элемента при линейно-степенном законе упрочнения. В нашем случае эту операцию удобнее проводить численным интегрированием с использованием выражений:

i + j-1 j = + 2 (l - l ), i 1 j j-j= i cos( ) + cos( ) j-1 j x = x + (l - l ), (4) i 1 j j-j=1 i sin( ) + sin( ) j-1 j y = y + (l - l ), i 1 j j-j=1 где 1, x1, y1 – определяют граничные условия для выполнения условия неразрывности общей деформированной кривой.

Значения кривизн в каждой узловой точке деформированной заготовки определим по величине достигнутого в данном сечении НДС из выражения (3).

Значение угла поворота платформы () определим с использованием метода последовательных приближений, определяя значения Р и М из граничных условий:

C M = M (), изг изг , (5) b y + tg( ) x = - y A A A н 2 где Mизг () – усилие, определяющее получение требуемой кривизны, для случая монотонного простого нагружения определяется из (4);

C M – изгибающий момент в корневом сечении;

изг b2 – толщина горизонтальной полки;

y – положение нейтрального слоя при данной степени деформации.

н Для каждой итерации определения перерезывающей силы P и изгибающего момента M проводится дополнительный итерационный процесс для учета следящего закона перемещения силы Р. За условие сходимости принимаем:

k k-1 2 k k-1 (x - x ) + ( y - y ) = 0, A A A A k k k-1 k-где x, y, x, y – координаты концевой точки детали для текущей и предшеA A A A ствующей итераций соответственно.

Для определения граничных условий 1, x1, y1 в уравнениях (4) рассмотрим зону разгрузки (участок CD, рис. 3). Задача об определении геометрических параметров формы изгиба участка заготовки в зоне разгрузки сводится к рассмотрению упругого изгиба кривого стержня, первоначальная кривизна которого отличается от кривизны, создаваемой в сечении под внутренним формообразующим роликом, на величину, определяемую пружинением материала при данной степени пластической деформации.

Исходным уравнениям при исследовании деформации кривых стержней является выражение для потенциальной энергии. С учетом сдвиговых деформаций можно записать:

s 2 s k P M y изг U = ds + ds. (6) 2EJ 2GF 0 x Уравнение нейтрального слоя при изгибе первоначально криволинейного стержня имеет вид:

~ M P ( - )EJ ( - )= = sin( -) P =. (7) EJ EJ sin( ) Воспользовавшись теоремой Кастилиано, из уравнения (6) с учетом (7) получим выражение для нахождения прогиба :

kyP U P = = [ - sin( )cos( )] + [ + sin( )cos( )]. (8) ~ ~ P 2EJx 2GF Выражая положение точек контакта заготовки с изгибающими роликами через угол смещения , их координаты в глобальной системе координат определим из условия:

( ) = ( ), (9) Д1Дгде ( ) – прогиб, определяемый из выражения (8) в зависимости от текущего значения ;

( ) – прогиб, определяемый из геометрии роликового механизма в заД1Двисимости от текущего значения из выражения:

2 1 1. (10) () = R2 + - ) + R1(tg( ) + sin()) - sin() + - R1(cos() -1) + cos() Д1Д2 0 R2tg( 0 0 R2 0 Радиусы мнимых роликов R1 и R2, на которые “опирается” нейтральный слой, определяются следующим образом:

R1 = R + yн, R1 = R + b2 - yн вертикальная полка вертикальная полка – растягивается сжимается R2 = R + b2 - yн R2 = R + yн – Решая совместно уравнения (8) и (10), из выполнения условия (9) определим угол смещения . Тогда при известном значении граничные условия в (4) определятся следующим образом:

= , x = R (tg( ) + sin( )), 1 1 y = R (cos( ) -1).

1 По результатам расчета полный угол поворота платформы с изгибающими роликами от своего нейтрального положения, обеспечивающий получение в сечении заготовки, находящейся под внутренним изгибающим роликом, требуемой кривизны определится по формуле:

2 xA + yА 2 R + s = arccos + arccos.

b2 R + xА + - yн 2 В процессе гибки профилей, имеющих сечение, не симметричное относительно плоскости изгиба, наряду с пружинением после снятия внешней нагрузки будет иметь место закрутка (общий разворот сечения) вследствие изгиба в плос кости, перпендикулярной плоскости основного изгиба при несовпадении плоскости изгиба и главных осей инерции сечения. Зная размеры поперечного сечения и распределения напряжений в тангенциальном направлении z(r) по нему, находим момент внутренних сил в плоскости изгиба и плоскости, перпендикулярной плоскости основного изгиба и проходящей через центр тяжести сечения (11).

Момент определится как:

M = y dxdy.

изг,x z F При изгибе профиля моментом Mизг,x в плоскости yoz напряжения z приводят к изгибу профиля в плоскости, перпендикулярной плоскости изгиба. При этом:

* = -, z ост z z Mизг,x y * где = – напряжения (эквивалентные) идеально упругого материала z Jx Изгиб профиля в плоскости, перпендикулярной плоскости изгиба происходит при разгрузке профиля. Поэтому можно рассматривать эту задачу как задачу упругого изгиба предварительно изогнутого профиля моментами * * * * M = y dxdy, M = x dxdy. (11) изг,x z изг, y z F F Тогда угол закрутки определится следующим образом:

sin = arctg, (12) - cos * * M J - M J изг,x xy изг, y x где = arctg – угол между нейтральными линиями гибки и * * M J - M J изг,x y изг, y xy разгрузки;

* M J изг,x x = – величина изменения кривизны при разгрузке.

E(J cos - J sin) x xy Введем следующую гипотезу: для предотвращения закручивания профильной заготовки после снятия активной нагрузки при изгибе ее необходимо закрутить в обратном направлении на угол , который при условии чистого упругопластического кручения профиля создаст остаточное его закручивание, равное углу .

Пусть профильная заготовка упруго-пластически закручена на некоторый угол , тогда угол остаточного закручивания после снятия нагрузки можно определить следующим образом:

M ( ) кр = -. (13) GJ z Или, учитывая что толщина элементов профиля в несколько раз меньше их длины и применяя мембранную аналогию, можно записать зависимость (13) в следующем виде:

3M ( )l кр = -, (14) n G b i i i=где i – толщина элемента;

bi – длина элемента;

l – длина заготовки в зоне закручивания.

Значение крутящего момента M можно определить из следующего равенкр ства:

M = кр rdxdy.

F Задачу об определении распределения касательных напряжений по сечению профильной заготовки можно решить, используя метод упругих решений, когда упруго-пластическая задача сводится к решению последовательности упругих задач в результате применения процесса последовательных приближений.

Таким образом, последовательность расчета включает следующие операции:

1. Определение кривизны , необходимой для получения заданной кривизны 0 с учетом пружинения.

2. Определение изгибающих моментов внутренних сил в плоскости изгиба и плоскости перпендикулярной плоскости основного изгиба.

3. Определение угла закручивания профильной заготовки от действия внутренних изгибающих моментов.

4. Расчет угла закручивания профильной заготовки, обеспечивающего остаточный угол закручивания заготовки после снятия нагрузки равный углу закручивания профильной заготовки от действия внутренних изгибающих моментов.

В третьей главе приведены результаты испытания образцов на разрыв для определения механических характеристик материала заготовок. Дано описание испытаний образцов из профиля уголкового сечения на кручение. Рассмотрены результаты работы по отработке процесса изготовления деталей из прессованных профилей изгибом в роликах с одновременным кручением. Выявлена тенденция профильной заготовки к преждевременной потере устойчивости полок и приведены технические решения по предотвращению данного явления на основе численного моделирования процесса гибки с закруткой в MSC MARC.

Рис. 5. Образец на разрыв для исследования механических свойств профиля Испытания на растяжение профиля, с целью получения механических характеристик материала, проводились на машине INSTRON 3382. Данная машина предназначена для испытания механических свойств различных образцов материалов и изделий на разрыв, растяжение по ГОСТ 1497.

Из стенок и полок каждого профиля (материал профиля – Д-16АТ), предназначенного для натурных испытаний, было изготовлено по 4 образца (рис. 5). На испытательной машине произведен их разрыв с записью диаграммы усилиеудлинение (рис. 6), шаг измерений составляет 0,1 секунды, скорость деформирования 5мм/мин.

Рис. 6. Образец в губках разрывной машины и интерфейс программы Bluehill Lite при испытаниях образца на растяжение Для исследования процесса закрутки профиля, используемого при гибке с закручиванием, была создана экспериментальная установка, позволяющая определить соотношения между углами закручивания образца и остаточными углами закрутки. Задача измерения моментов не ставилась. Установка состоит из поворотного основания, смонтированного на жесткой раме. На верхней перекладине рамы расположен поворотный зажим, позволяющий фиксировать профиль при деформировании и разгружать по окончании процесса нагружения. Ось поворота профиля совпадает с точкой пересечения осей полок. Зажимы обеспечивают свободное перемещение концов профиля по вертикали для исключения возникновения растягивающих нагрузок.

Рис. 7. Образец для исследования остаточных углов закручивания Производилось закручивание образцов, используемых на установке для изгиба с закручиванием – равнополочный прессованный уголок 15х15х1,5мм (рис.

7). Зависимость погонного остаточного угла закручивания от погонного угла поворота сечения показана на рис. 8. Для каждого значения угла поворота эксперимент ставился 3 раза. Разница между измерениями крайне незначительная и лежит в пределах точности измерительной шкалы.

0,0,0,0,0,0,0,0,0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,Угол закручивания, град/мм Рис. 8. График зависимости погонного остаточного угла закручивания профиля от угла деформации профиля Процесс изгиба с закручиванием исследовался на установке, представленной на рис. 9.

1 – основание; 2 – направляющая; 3 – толкатель; 4 – фильера; 5 – поворотные сектора для наклона направляющей; 6 – планка для изменения угла гиба; 7 – формообразующие ролики;

8 – микрометрический винт регулировки зазора между формообразующими роликами Рис. 9. Экспериментальная установка для исследования изгиба профилей с одновременным закручиванием Установка состоит из стального основания 1, на котором смонтированы платформа с гибочными роликами 7 и поворотная планка 6 с направляющей 2.

Деформируемый профиль подается с помощью толкателя 3, передвигаемого посредством ходового винта по направляющей 2 в фильеру 4. Предварительная закрутка профиля осуществляется путем наклона направляющей 2 посредством секторного узла 5. Угол гиба (а следовательно и кривизна) профиля задается перемещением планки 6 в криволинейной прорези в основании 1. Ось вращения планки 6 проходит через точку касания роликов, ось вращения секторов 5 проходит по линии центров тяжести сечения профиля. Гибка профиля осуществляется Остаточный угол закручивания, град/мм парой роликов 7, один из которых – разрезной, неподвижный, а второй имеет возможность передвижения с целью регулировки зазора. Крепление подвижного ролика (на «ласточкин хвост») обеспечивает возможность устранения люфта. Регулировка зазора осуществляется механизмом 8, состоящим из микрометрического винта. Секторный механизм 5 и планка 6 имеют проградуированные угловые шкалы, обеспечивающие точность установки на необходимые углы с погрешностью ±0,5°. Ролики 7 установлены в подшипники скольжения с бронзовыми втулками.

При деформировании профиля на роликовом станке при больших углах предварительного закручивания происходила потеря устойчивости профиля. С целью подробного исследования процесса гибки с закручиванием было проведено численное моделирование в системе MSC MARC. Проведение численного моделирования позволило сократить количество натурных экспериментов.

Схема изгиба и все геометрические соотношения взяты идентичными экспериментальной установке для гибки профилей (рис. 9).

Моделирование рабочих элементов установки производилось непосредственно в системе MSC MARC. Фильера и ролики выполнены поверхностями.

Профиль разбит на конечные элементы (рис. 10), данная схема разбиения профиля на элементы была принята с целью сокращения вычислительных ресурсов.

Суммарное количество элементов для профиля 15x15x450 составило 13950.

Рис. 10. Модель рабочих элементов установки и конечно-элементная модель профиля в системе MSC MARC На рис. 11 представлена модель установки в начальном положении. Все элементы модели, за исключением профиля, недеформируемые. Коэффициент трения принят равным 0,1 с учетом смазки контактных поверхностей. Для всех поверхностей по отношению к профилю задано условие свободного касания. Подача профиля в ролики осуществляется силой, приложенной к торцевому сечению профиля по направлению к роликам. Свободный конец профиля имеет возможность беспрепятственного перемещения в случае потери устойчивости.

Кривая деформирования материала задана графически по результатам испытаний образцов на растяжение и последующей их аппроксимации линейностепенной функцией. Перемещения заданы так же графически. Полное время де формирования профиля составляет 10 секунд. Количество шагов выбирается системой самостоятельно (адаптивный шаг) и составляет в среднем 700 шагов при длине деформированного участка профиля 300 мм.

1 – профиль уголкового сечения 15x15x450; 2 – ролик разрезной;

3 – ролик прижимной; 4 – поддерживающий вал; 5 – фильера.

Рис. 11. Модель установки для гибки профилей в MSC MARC-MENTAT Моделирование процесса изгиба несимметричных прессованных профилей позволяет определить технологические параметры процесса, такие как предельные углы закручивания и изгиба профиля. Дальнейшая обработка результатов с целью получения радиусов кривизны и углов закручивания производится в системе MS Excel. Из системы MSC MARC экспортируются исходные координаты точек сетки, принадлежащих ребрам 1, 2 и 3 профиля (рис. 12) и их перемещения.

Данные заносятся в табличный процессор MS Excel.

1, 2, 3 – анализируемые ребра профиля; si – сечения профиля; RzOx – радиус кривизны профиля в плоскости ZOX; RzOy – радиус кривизны профиля в плоскости ZOY.

Рис. 12 Схема расположения контрольных ребер профиля Определение радиусов кривизны контура во всех расчетных точках можно произвести, заменяя радиусы кривизны расчетного контура радиусами окружностей, проходящих через каждые три точки этого контура.

Математическая модель этой операции реализуется зависимостями, получаемыми на основе решения системы уравнений окружности, проходящей через три точки:

2 2 2 - x ) + (Yc - y ) = (Xc - x ) + (Yc - y ), (Xc i i i-1 i- 2 2 2 (Xc - x ) + (Yc - y ) = (Xc - x ) + (Yc - y ).

i i i+1 i+Для трех последовательных точек контура i-1, i, i+1 эта система имеет единственное решение в виде:

2 2 2 2 2 2 2 (x - x )(y - y + x - x )+ (x - x )(x - x + y - y ) i-1 i i i+1 i i+1 i i+1 i i-1 i i-Xc =, 2[(x - x )(y - y ) - (x - x )(y - y )] i i+1 i-1 i i-1 i i i+xi2 - xi2 + yi2 - yi2 - 2Xc(yi-1 - yi ) -1 -Yc =, 2(xi-1 - xi ) R = (Xc + xi )2 + (Yc + yi )2, где xi, yi – координаты точек кривой, R – расчетный радиус кривизны в точках.

В связи с определением радиуса кривизны профиля проведением дуги окружности через проекции точек на плоскость XOY происходит увеличение погрешности определения радиуса кривизны с уменьшением радиуса кривизны, так как изгиб профиля происходит и в плоскости YOZ, а так же происходит закручивание профиля. Поэтому для корректного расчета кривизны профиля необходимо выполнять разворот профиля по началу или середине анализируемой дуги (рис. 13).

Рис. 13 – Окно табличного процессора MS Excel с данными расчета положения профиля до и после поворота сечений Разворот массива точек, принадлежащих ребрам детали, производится в начало отсчета системы координат началом анализируемого отрезка. Далее производится аппроксимация точек дугой окружности для определения радиуса кривизны профиля по приведенным выше зависимостям. После этого по аппроксимированным значениям определяются радиусы кривизны развернутого профиля и углы закрутки сечений.

Выбор анализируемого участка профиля можно вести, руководствуясь углом закручивания профиля. Расчет угла закручивания ведется по векторам 2-двух соседних сечений, для контроля угла закрутки применяется расчет дополнительно по вектору 2-3.

Разброс значений радиусов кривизны связан с особенностями конечно элементного анализа, т.е. дискретным представлением профиля.

0,0,0,0,-0,-0,50 100 150 200 250 300 350 400 41Длина образца, мм 1111б а в а – участок профиля в зоне нагружения; б – участок профиля деформированный при рабочем ходе станка; в – участок профиля деформированный в процессе выборки свободного хода роликов.

Рис. 14. Графики закрутки и радиуса кривизны по длине детали Участки а и б (рис. 14) показывают процесс выборки свободного хода установки и участок профиля, еще не вышедший из роликов. Данные участки не включались в анализ геометрии математической модели.

При превышении максимально допустимых углов закручивания и изгиба наблюдалась потеря устойчивости модели профиля при расчете в MSC MARC аналогично потери устойчивости профиля при натурном эксперименте (рис. 19).

zOx Радиус кривизны R, мм Угол закрутки, град/мм Рис. 15. Иллюстрация потери устойчивости модели профиля при конечно-элементном анализе в MSC MARC (цветовая эпюра эквивалентных деформаций) По результатам обработки данных более чем 40 численных моделей процесса и 20 натурных экспериментов получены зависимости радиуса кривизны в плоскости изгиба и угла закрутки профиля от угла гибки и зазора между гибочными роликами, а также предельные их значения (рис. 17-18). На рис. 16 приведены зависимости остаточного угла закручивания от угла предварительной закрутки профиля для постоянного угла гибки и постоянного зазора между гибочными роликами.

0 5 10 15 20 25 --Зазор 1,5 угол гиба Зазор 2 угол гиба Зазор 2,5 угол гиба -Зазор 3 угол гиба Зазор 2 угол гиба 2,Зазор 2 угол гиба 3,-Зазор 2 угол гиба Зазор 2 угол гиба 7,-Угол закручивания, градусы Рис. 16. Графики зависимости остаточного угла закручивания от угла предварительной закрутки профиля для постоянного угла гибки и постоянного зазора Остаточный угол закручивания, градусы 35 = 0 30 = 10 252000 = 20 = 30 1510Sпред 52,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,Угол гибки, градусы а) = 30 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,- = 20 Sпред - = 0 - = 10 --Угол гибки, мм б) а) Зависимость радиуса кривизны от угла гибки;

б) Зависимость угла закручивания от угла гибки;

– угол предварительного закручивания;

Sпред – огибающая технологических ограничений (потеря устойчивости профиля) Рис. 17. Графики зависимости радиуса кривизны в плоскости изгиба и угла закручивания профиля от угла гибки Радиус кривизны, мм Угол закручивания, градусы 98 = 30 877 = 20 6 = 10 6 = 0 55441,5 2 2,5 Зазор, 1/s а) = 30 = 20 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 - = 10 = 0 ---Зазор, 1/s б) а) Зависимость радиуса кривизны от зазора между гибочными роликами;

б) Зависимость радиуса кривизны от зазора между гибочными роликами.

– угол предварительного закручивания;

s – толщина стенки профиля Рис. 18. Графики зависимости радиуса кривизны в плоскости изгиба и угла закручивания профиля от зазора между гибочными роликами Радиус кривизны, мм Угол закручивания, градусы По результатам анализа экспериментальных данных было выявлено технологическое ограничение, связанное с потерей устойчивости профиля при предварительном закручивании сечений. Расчет деформирования в MSC MARC выявил большие напряжения в месте перегиба профиля через край ролика и как следствие закусывание профиля в ролике при увеличении угла закрутки. С целью уменьшения напряжений и более равномерного распределения очага деформаций был введен поддерживающий вал (позиция 4 на рис. 11). Иллюстрация процесса деформации для обоих случаев приведена на рис. 19. Данная мера позволила значительно расширить диапазон углов предварительной закрутки профиля.

а) без поддерживающего ролика; б) с поддерживающим роликом Рис. 19. Иллюстрация конечно-элементной модели нагружения профиля в MSC MARC (деформация при изгибе профиля с закручиванием) По результатам проведенной работы можно сделать заключение о возможности применения предварительного закручивания профильной заготовки с целью повышения точности готовой детали при условии предотвращения потери устойчивости профиля в зоне перегиба. Полученные в ходе исследования результаты применимы для широкой номенклатуры профильных заготовок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. В результате теоретического анализа процесса деформирования профилей была построена математическая модель, позволяющая произвести расчет напряженно-деформированного состояния как на этапе нагружения, так и при разгрузки и определить параметры настройки станка в зависимости от геометрических размеров заготовки и механических характеристик материала.

2. Разработана методика определения углов предварительного закручивания профильной заготовки, позволяющая предотвратить закручивание профиля от действия внутренних изгибающих моментов при изгибе.

3. На основании результатов экспериментов по чистому кручению профильной заготовки уголкового сечения построены зависимости остаточных углов закручивания от исходного.

4. Для приведенной схемы деформирования выявлен существенный недостаток, снижающий технологические возможности – преждевременная потеря устойчивости полок профиля.

5. На основании конечно-элементного моделирования в MSC MARC предложены технические решения по предотвращению преждевременной потери устойчивости полок профильной заготовки в процессе изгиба с одновременным закручиванием.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России 1. Перевалов, А.А. Особенности автоматизированного изготовления стрингеров летательного аппарата с использованием роликового оборудования оснащенного ЧПУ / А.В. Станкевич, С.В. Белых, А.В. Кривенок, А.А.Перевалов // Авиационная промышленность. – 2009. – №1 – С. 30-44.

2. Перевалов, А.А. Контроль геометрии и доработка программ для ЧПУ в целях повышения точности изготовления длинномерных деталей из профилей / А.В. Станкевич, С.В. Белых, А.В. Кривенок, А.А.Перевалов // Авиационная промышленность. – 2009. – №2 – С. 47-50.

3. Перевалов, А.А. Обработка результатов контроля на КИМ деталей летательных аппаратов с использованием аппроксимации контура дугами. / С.В. Белых, А.В. Кривенок, А.А.Перевалов // Авиационная промышленность. – 2011. – №4 – С. 8-12.

4. Перевалов, А.А. Моделирование процесса изгиба в роликах несимметричных прессованных профилей в системе MSC MARC / А.А.Перевалов // Ученые записки КнАГТУ. – 2011. – №4 – С. 71-77.

Другие публикации:

5. Перевалов, А.А. Аппроксимация геометрии контура дугами при контроле точности изготовления деталей летательных аппаратов / А.В. Станкевич, С.И.

Феоктистов, С.В. Белых, А.А. Кривенок, А.А. Перевалов // Ученые записки. - г.Комсомольск-на -Амуре: КнАГТУ, 2010. – С. 9-15.

6. Перевалов, А.А. Гибка несимметричных профилей с одновременной закруткой / А.А. Перевалов // Материалы докладов 40-й научно-технической конференции аспирантов и студентов. - г.Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2010. – С. 271-273.

Подписано в печать 2.04.2012.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Ризограф FR3950EP-.

Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,35. Тираж 100. Заказ 23657.

Отпечатано в полиграфической лаборатории Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.