Формообразование в роликах профилегибочных станков тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, доктор наук Филимонов Сергей Вячеславович

• Филимонов Сергей Вячеславович
• доктор наук
• 2017

Оглавление диссертации доктор наук Филимонов Сергей Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Применение тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости в отраслях народного хозяйства и за рубежом

1.2. Применяемые материалы заготовок для производства гнутых профилей с элементами жёсткости

1.3. Существующие технологии производства гнутых профилей

1.4. Анализ схем формообразования профилей с элементами жёсткости в роликах, дефекты профилей и требования к готовой профильной продукции

1.5. Теоретические и экспериментальные исследования процессов формообразования в роликах гнутых профилей с элементами жёсткости

1.6. Профилегибочное и вспомогательное оборудование, технологическое оснащение линий профилирования

1.7. Анализ номенклатуры гнутых профилей фирм-разработчиков конструкций и технологий

Выводы по главе

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В РОЛИКАХ ПРОФИЛЕЙ

С ЭЛЕМЕНТАМИ ЖЁСТКОСТИ

2.1. Общие замечания и основные допущения

2.2. Классификация гнутых профилей с элементами жёсткости

2.3. Расположение сечения профиля в валках последней клети

2.4. Число переходов при интенсивном деформировании

2.5. Оптимизация углов подгибки полок с элементами жёсткости

2.6. Схемы формообразования гнутых профилей и режим формовки элементов профиля

2.7. Модель угловой зоны при интенсивном деформировании

2.8. Поведение заготовки в межклетьевом пространстве и преемственность технологии

2.9. Устойчивость деформирования элементов профиля

2.10. Силовые параметры профилирования и контактные напряжения

2.11. Модели износа формующих валков

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИНТЕНСИВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

ПРОФИЛЕЙ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЖЁСТКОСТИ

3.1. Методы, оборудование, оснащение и исследуемые профили

3.2. Число переходов при формообразовании профилей с ЭЖ

3.3. Изменение толщины заготовки при формообразовании

3.4. Влияние ширины заготовки на напряжения и деформации угловой зоны, изменение её толщины, радиус изгиба и пружинение

3.5. Упрочнение профилей с ЭЖ при формообразовании

3.6. Длина ЗПП профилей с ЭЖ и переформовка заготовки

3.7. Эффект влияния ширины дна и преемственность технологии производства профилей с элементами жёсткости

3.8. Предотвращение потери устойчивости и других дефектов

3.9. Износ формующих валков и сохранность покрытия профилей с ЭЖ.... 248 Выводы по главе

4. РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ

4.1. Оборудование для производства гнутых профилей

4.2. Классификация профилегибочных станков и основные концепции их разработки, изготовления и использования

4.3. Приближённая процедура расчёта при проектировании станков

4.4. Конструкции и особенности изготовления и приёмки профилегибоч-

ного оборудования ООО «Спецтехнология»

4.5. Сведения о патентовании технических устройств, применявшихся при

выполнении диссертационной работы

Выводы по главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ПРОФИЛЕЙ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЖЁСТКОСТИ

5.1. Этапы проектирования технологии для производства профиля

5.2. Технологичность конструкции и изготовления гнутых

многоэлементных профилей и преемственность технологии

5.3. Выбор способа формообразования и принципа формовки

5.4. Сечение профиля в чистовом калибре и скоростной режим

5.5. Технологические схемы формообразования при МИД

5.6. Уточнение выбора профилегибочного оборудования

5.7. Технологическое оснащение производства гнутых профилей

и запатентованные устройства автора для формообразования

5.8. Базирование формующих валков и замыкание калибров

5.9. Проектирование и конструкции формующих валков

5.10. Изготовление формующей и отрезной оснастки

5.11. Отработка оснастки, технологии, режимов формообразования, корректировка конструкторской документации

5.12. Обобщённая методика (алгоритм) разработки технологии

производства профилей с элементами жёсткости

Выводы по главе

6. ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ПРОФИЛЕЙ С ЭЛЕМЕНТАМИ

ЖЁСТКОСТИ

6.1. Внедрение технологий интенсивного формообразования гнутых профилей с элементами жёсткости, профилегибочного и вспомогательного оборудования для их реализации, использование результатов работы

6.2. Характеристики изготовляемых профилей

6.3. Технико-экономические показатели технологий производства профилей с элементами жёсткости

6.4. Перспективы развития результатов работы

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ (Акты внедрения )

ГВЛ ГОСТ ЗПП КЭЖ ЛСТК МИ МИД МКЭ НДС НСД НСН ОМД ОСТ ПВЖ СИ ТП ТПП ТУ ТЭП ЭЖ

СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ

гипсо-волокнистый лист

государственный стандарт

зона плавного перехода

краевой элемент жёсткости

легкие стальные тонкостенные конструкции

место изгиба

метод интенсивного деформирования метод конечных элементов напряжённо-деформированное состояние нейтральный слой деформаций нейтральный слой напряжений обработка металлов давлением отраслевой стандарт

профиль высокой жёсткости (с поперечными рифтами)

стеснённый изгиб

традиционное профилирование

технологическая подготовка производства

технические условия

технико-экономические показатели

элемент жёсткости

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формообразование в роликах профилегибочных станков тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Повышение сложности создаваемых в последние годы видов продукции затрагивает отрасли и производства со значительным потреблением металлопродукции, включая гнутые профили проката. Рост объёмов производства и расширение номенклатуры применяемых гнутых профилей можно видеть в энергетике, транспортном, промышленном и сельскохозяйственном машиностроении, производстве мебели и особенно в дорожном, промышленном и гражданском строительстве. Традиционные материалы вытесняются материалами с цинковым и органическим покрытием, усложняются конфигурации сечений гнутых профилей вследствие введения в них элементов жёсткости (ЭЖ).

В то же время, снижение транспортных издержек связано с децентрализацией производства гнутых профилей в странах с обширными территориями. Минимизация складской инфраструктуры и оборотных средств потребителей и производителей гнутых профилей приводит к частой смене объектов производства и уменьшению партий поставляемых профилей из-за перехода к современным JIT-технологиям (Just-In-Time = точно в срок). Описанная ситуация выдвигает настоятельную задачу создания инвестиционно привлекательных эффективных технологий производства многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости, промышленного оборудования для их реализации и их широкое внедрение в производство, в том числе с целью импортозамещения, что подчёркивает актуальность темы исследований.

Степень разработанности. Существовавшие в 2000-х годах технологии изготовления гнутых профилей в роликах не отвечали требованиям вышеуказанных изменений. Созданный в 1970-е годы Г.В. Проскуряковым стеснённый изгиб (СИ) имел ограниченные технологические возможности, а традиционное профилирование (ТП) требовало больших капитальных вложений на громоздкое оборудование и технологическое оснащение, которое не окупалось при производстве небольших партий профилей. Обозначенным тенденциям в сфере профилирования в

наибольшей степени соответствовал созданный в 2000-е годы метод интенсивного деформирования (МИД), прочно занявший к настоящему времени свою нишу в мелкосерийном производстве. Для реализации этого метода производства гнутых многоэлементных профилей с элементами жёсткости можно использовать компактное оборудование (с окупаемым в короткие сроки технологическим оснащением), требующее незначительный инвестиционный капитал для создания новых производств. Кандидатская диссертация автора (2003 год) была посвящена разработке технологии производства гнутых профилей преимущественно с гладкими подгибаемыми полками (без ЭЖ), подверженными кромковой волнистости.

Наличие элементов жёсткости приводит к значительному усложнению сечения профиля и технологии его производства. Возникают вопросы минимизации числа переходов, формовки «глухих» угловых зон, оптимизации углов подгибки несущих полок, переформовки заготовки, обеспечения параметров точности сечения, нарушения покрытия, износа оснастки при формовке заготовок без покрытия (особенно горячекатаных), предотвращения дефектов, вызванных асимметрией конструкции профиля и наличием ЭЖ и т.д.

В начале работы широкому внедрению в промышленность этого метода формообразования профилей препятствовали: 1) отсутствие компактного промышленного оборудования; 2) отсутствие надёжных математических моделей процессов формообразования профилей с ЭЖ; 3) отсутствие рекомендаций по проектированию схем формообразования и технологической оснастки; 4) недостаточная эффективность технических решений, направленных на повышение качества таких профилей; 5) высокий уровень затрат отработки технологии.

Объектом исследования был выбран процесс производства гнутых профилей, базирующийся на методе интенсивного деформирования (МИД), который позволяет минимизировать количество и размеры технологического оснащения, а также габариты и энергопотребление применяемого оборудования.

В качестве предмета исследования выбрано формообразование в роликах многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости (ЭЖ) из низкоуглеродистых сталей.

Целевой функцией, на которую направлена работа, является повышение качества и расширение номенклатуры сложных гнутых профилей с элементами жесткости (ЭЖ) и вытекающая из этого минимизация складской инфраструктуры и оборотных средств потребителя, что особо актуально в условиях многономенклатурного производства с небольшими партиями запуска и для мелкосерийного производства.

Цель работы: Разработка и освоение экономически эффективных технологий мелкосерийного производства в роликах тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости, создание основы для широкого внедрения импортозамещающих технологий и промышленного оборудования для их реализации.

Для достижения указанной цели работы ставятся следующие задачи:

• разработать классификаторы профилей с ЭЖ, дефектов профилей (возникающих при отработке технологии), профилировочного оборудования и условий замыкания валковых калибров;

• разработать математические модели формообразования профилей с ЭЖ, охватывающие число переходов, оптимизацию углов подгибки, НДС угловых зон, длину зоны плавного перехода, контактные напряжения в очаге пластической деформации и износ формующей оснастки;

• провести экспериментальные исследования формовки профилей с ЭЖ, включающие исследование числа переходов, параметров зон изгиба заготовок, протяжённости зон плавного перехода и износа оснастки с целью верификации разработанных математических моделей, а также исследование качества изготавливаемых профилей;

• создать на основе проведённых исследований новую методику разработки технологии и новые конструкции инструмента для изготовления профилей с ЭЖ, а также выработать рекомендации, направленные на снижение затрат на освоение технологии и повышение качества профилей с ЭЖ;

• выработать и запатентовать технические решения по созданию технологического оборудования для реализации технологии интенсивного деформирования, изготовить и отладить его для промышленной эксплуатации;

• разработать схемы формообразования профилей с ЭЖ, инструмент, провести отладку технологии и внедрить разработанные технологии и оборудование в производство на российских предприятиях.

Научная новизна работы заключается в 1) в разработке математических моделей процесса формообразования профилей с ЭЖ на профилегибочных станках, включающих формализованное описание необходимого числа переходов, формовки угловой зоны, длины зоны плавного перехода, контактных напряжений; 2) в разработке оптимизированных схем формообразования и запатентованных технических решениях, реализующих эти схемы; 3) в новой методике разработки технологий для производства сложных профилей с элементами жёсткости, обобщающей результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке математического и методического обеспечения для технологических процессов формообразования сложных профилей с ЭЖ методом интенсивного деформирования (моделей числа переходов, оптимизации углов подгибки, формовки угловой зоны, длины зоны плавного перехода, контактных напряжений и износа оснастки, обеспечения точности сечения профилей с элементами жёсткости), а также в классификации указанных профилей, их дефектов, профилегибочных станков и замыканий валковых калибров.

Практическая значимость работы состоит в разработке и практическом применении рекомендаций и новой методики (алгоритма с сопутствующими математическими моделями) создания более 250 импортозамещающих технологий для производства тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости, их схемах формообразованиях и конструкциях формующей оснастки, профилегибочном и вспомогательном оборудовании, внедрённых на 80 промышленных предприятиях семи отраслей с расчётным годовым экономическим эффектом более 40 млн. руб.

Методологическая база исследований. Методологической базой для проведения исследований послужили работы отечественных и зарубежных исследователей в предметной области: Ю.М. Арышенского, С.Ф. Березовского, К.Н. Богоявленского, С.И. Вдовина, Ф.В. Гречникова, Г.Я. Гуна, Г.С. Гунна, В.И. Давыдова, М.Е. Докторова, В.И. Ершова, И.М. Колганова, В.В. Колмогорова, А. Д. Матвеева, В.А. Осадчего, Е.А. Попова, Г.В. Проскурякова, И.П. Ренне, В.В. Соколовского, И.С. Тришевского, Р. Хилла, В.И. Филимонова, Н.Г. Шемшуровой, Х. Судзуки и М. Киути, Д. Кокадо и Е. Онода, Г.Т. Халмоса и других.

Методы исследования: 1) аналитические и численные методы механики сплошной среды и теории ОМД (инженерный и вариационный методы, метод баланса работ, метод конечных элементов); 2) методы статистического анализа; 3) методы измерений геометрических параметров и физических характеристик гнутых профилей (линейных и угловых размеров, микротвёрдости); 4) программные средства МКЭ для моделирования формообразования (модуль LS-Dyna ANSYS, предназначенный для решения нелинейных задач структурного анализа).

Положения, выносимые на защиту:

• классификаторы профилей с ЭЖ, дефектов профилей (возникающих при отработке технологии), профилировочного оборудования и условий замыкания валковых калибров;

• математические модели формообразования профилей с ЭЖ, охватывающие число переходов, оптимизацию углов подгибки, НДС угловых зон, длину зоны плавного перехода, контактные напряжения в очаге пластической деформации и износ формующей оснастки;

• результаты экспериментальных исследований формовки профилей с ЭЖ, включающие исследование числа переходов, параметров зон изгиба заготовок, протяжённости зон плавного перехода и износа оснастки, качества изготавливаемых профилей;

• методика разработки технологии и новые конструкции инструмента для изготовления профилей с ЭЖ, технологические рекомендации, направленные на снижение затрат освоения технологии и повышение качества профилей с ЭЖ;

• технические решения по созданию технологического оборудования для реализации технологии интенсивного деформирования и результаты его отладки для промышленной эксплуатации;

• схемы формообразования профилей с ЭЖ, конструкции инструмента, результаты внедрения технологии и оборудования в промышленное производство.

Достоверность результатов обеспечена за счёт применения альтернативных методов исследования (теоретических, экспериментальных и метода конечных элементов), современных средств моделирования и статистической обработки данных, результатами внедрения. Экспериментальные исследования и результаты внедрения в достаточной степени подтверждают достоверность применяемых теоретических моделей.

Апробация основных результатов работы осуществлена на 16 международных, всероссийских и вузовских конференциях: 1) 3-я международная конференция «Автомобиль и техносфера», 17-18 июня 2003 года, г. Казань; 2) Всероссийское совещание обработчиков давлением «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке материалов», 14-16 мая 2007 года, г. Ульяновск; 3) 41-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 20 января - 3 февраля 2007 года, г. Ульяновск; 4) 44-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 1 - 7 февраля 2010 года, г. Ульяновск; 5) 45-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 24 - 29 января 2010 года, г. Ульяновск; 6) II Международная молодежная научная конференция «Гражданская авиация: 21 век», 23 - 24 апреля 2010 года, г. Ульяновск; 7) Научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии в машиностроении», 14 - 15 мая 2010 года, г. Ишимбай; 8) VIII Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века», 12-14 сентября 2010 года, г. Пенза; 9) Третья Международная научно-техническая конференция «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения», 12-14 сентября 2010 года, г. Брянск; 10) Международная научно-практическая конференция «Научно-технический прогресс в металлургии», 11 ноября 2011 года, г. Караган-

да; 11) Всероссийская научно-практическая конференция «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве», 11 - 12 марта 2011 года, г. Орск; 12) 46-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 23-28 января 2012 года, г. Ульяновск; 13) Восьмая Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», 1-2 июля 2013 года, г. Ульяновск; 14) 48-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 27 января - 1 февраля 2014 года, г. Ульяновск; 15) 49-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», 26 - 31 января 2015 года, г. Ульяновск; 16) Девятая Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», 1 - 2 октября 2015 года, г. Ульяновск.

Технологии и оборудование ООО «Спецтехнология» были отмечены дипломами 12 международных и российских выставок: 1) Российская выставка «Строительство. Отделочные материалы. Дизайн-2005», Саратов, 2005 г., 20-23 апреля; 2) 10-я Международная выставка «Волгастройэкспо-2005», Казань, 2005 г., 26-29 апреля (сертификат 12/367); 3) 19-я Международная выставка «Строительство. Осень-2006», г. Самара, 2006, 26-29 сентября; 4) 14-я Международная строительная выставка «Быстровозводимые и мобильные здания», Москва, 2006 г.; 5) Выставка «Современный город», г. Белгород, 2006 г., 9-11 августа; 6) Строительная выставка «Строительный комплекс Большого Урала», Екатирин-бург, 2007, 16-18 октября; 7) Международная выставка «МЕТАЬВшМ-2007», Москва, 2007; 8) 16-я, 17-я, 18-я Международная выставка «Стройтех», Москва, 2008, 2009 и 2010 год соответственно; 11) 19-я Международная выставка «Капитальное строительство», Москва, 2011; 12) Выставка «СТИМэкспо», Ростов-на-Дону, 2011, 16-19 марта (за активное продвижение продукции на Юге России).

Творческое участие автора в публикациях указано в заключении Организации (где выполнялась работа); участие в расчётах и внедрении оборудования указано в разделе 4.5 работы, участие в технологических разработках и их внедрении - в трёх актах внедрения (с указанием использованных работ автора).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в более чем 160 печатных работах (70 - основных, включающих 3 монографии, 22 патента и 45 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК). Общий объём публикаций - более 100 условно печатных листов; доля соискателя - 35-40%.

Работа выполнена в Самарском национальном исследовательском университете имени академика С.П. Королёва, на кафедре обработки металлов давлением и в ООО «Спецтехнология» (г. Ульяновск).

Структура и объём работы. Основной текст диссертации изложен на 387 страницах машинописного текста. Работа включает перечень сокращений, введение, 6 глав, заключение, список литературы из 416 наименований (в том числе 161 работа автора), 254 рисунка, 68 таблиц. Работа содержит приложения (3 сводных акта внедрения).

Введение обосновывает актуальность, новизну и практическую ценность.

Первая глава охватывает вопросы применения профилей с элементами жёсткости в отраслях промышленности, используемых материалов, существующих технологий, дефектов и требований к профилям, теоретического анализа процессов других авторов, численных методов в задачах формообразования, отечественного и зарубежного профилировочного оборудования, а также номенклатуры применяемых в мире профилей с ЭЖ (около 70 типоразмеров). Здесь же определены задачи, подлежащие решению в рамках данной работы.

Вторая глава представляет разработку математических моделей числа переходов, оптимизации углов подгибки, параметров зон изгиба (НДС, изменение толщины, пружинение и др.), длины ЗПП, предельных возможностей формообразования, расчётных зависимостей силовых параметров, контактных напряжений и износа формующей оснастки для производства профилей с ЭЖ.

Третья глава содержит описание экспериментальных исследований для верификации разработанных математических моделей. Она включает методы и оснащение, номенклатуру из 60 исследуемых профилей, сравнительные данные по числу переходов для 44 профилей, изменению толщины по 11 профилям, упрочнению по 9 профилям, длине ЗПП для 14 профилей в сопоставлении с их схемами

формообразования. Рассмотрены также вопросы преемственности технологии, износа оснастки по 13 профилям, обеспечения устойчивости деформирования и качества профилей.

Четвёртая глава даёт описание классификации, расчёта, разработки, изготовления, приёмки и эксплуатации запатентованного оборудования.

Пятая глава описывает этапы разработки технологий МИД, схемы формообразования, проектирование оснастки и её отладку, новый алгоритм (с расчётными зависимостями) создания технологии производства профилей с ЭЖ.

Шестая глава отражает внедрение оборудования и технологий, качество профилей, технико-экономическую эффективность и перспективы работы.

В работе разграничено понятие "ролики" и "валки" (под последними в работе подразумеваются формующие горизонтальные ролики), а термином "ролики" обозначают ролики направляющих и правильных устройств, а также ролики меж-клетьевых проводок. Этим устраняется некоторое наследие традиционного профилирования, где часто предусматривали чередование горизонтальных и вертикальных или наклонных роликов. В методе интенсивного деформирования (МИД) используются преимущественно горизонтальные ролики ("валки"), а применение вертикальных или наклонных роликов (в межклетьевых проводках) следует рассматривать как технологический паллиатив.

Автор выражает признательность научному консультанту профессору Греч-никову Ф.В., сотрудникам ООО «Спецтехнология» (в особенности Лапшину В.И.), коллегам и соавторам за помощь в процессе выполнения работы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Применение тонкостенных многоэлементных гнутых профилей с элементами жёсткости в отраслях народного хозяйства и за рубежом

История применения гнутых профилей за рубежом и в отечественной промышленности практически начинается с 30-х годов 20 века, поскольку к этому времени в США появились первые профилегибочные станы, а в СССР только в 1937 г. был введён в строй непрерывный тонколистовой стан 1680 на заводе «За-порожсталь» [1, 2]. В Японии профилирование стало применяться лишь с 1960 года, однако за последующие 25 лет она обогнала многие страны по уровню технологии производства гнутых профилей и их применению [3].

К концу 20 века в отечественной промышленности сложились научные школы в области профилирования В.И. Давыдова [4], И.С. Тришевского («Укр-НИИМет») [5, 6], К.Н. Богоявленского (Ленинградский политехнический институт) [7, 8], В.И. Ершова (МАТИ) [9], Ю.М. Арышенского и Ф.В. Гречникова [10], а также работали подразделения в ряде научно-исследовательских институтов, на Горьковском автомобильном заводе [4], Магнитогорском металлургическом комбинате [11] и других. Работа исследователей являлась важным фактором расширения номенклатуры применяемых гнутых профилей [12].

В авиационной промышленности Г.В. Проскуряковым в 1970-е годы был создан метод стеснённого изгиба (СИ) [13], отличный от традиционного профилирования (ТП) и получивший впоследствии широкое развитие в авиастроении.

В начале 21 века был предложен метод интенсивного деформирования (МИД) [14] для мелкосерийного изготовления гнутых профилей, позволивший создать технологии производства более 2000 новых типоразмеров профилей.

Тенденции последнего десятилетия в технологии и применении гнутых профилей в промышленности склоняются в сторону тонкостенных многоэлементных профилей с различными элементами жёсткости [15], изготавливаемых различными методами профилирования. В России при серийном изготовлении хо-

лодногнутых профилей 110 основных производителей используют ТП [6, 16], а при мелкосерийном изготовлении более 300 производителей предпочитают МИД [14, 17]. СИ применяется практически лишь в авиастроении [18].

На Рисунке 1. 1 представлены основные конструкции на базе гнутых профилей с элементами жёсткости по отраслям.

Применение гнутых профилей с элементами жёсткости

Каркасы лесов и опалубки

Ограждения кровли, перила Фахверки Сайдинги

Панели отделки и доборные элементы

Подвесные потолки

Каркасы ГВЛ и утеплителей

обрамления дверей и дверных проёмов

палатки, склады,

Торговые стеллажи, столы

системы

Металлические заборы и ограждения Теплицы и хранилища с/ х продукции

Транспорт и

дорожное строительство

Железнодорожный и автомобильный транспорт

■ Стойки и раскосы

■ Элементы отделки купе (полки, столы, двери, карнизы)

■ Рамы сидений и багажников

■ Стеклопдъёмники

■ Пороги, бамперы и молдинги

■ Декоративные элементы автомобилей, вагонов, тракторов и комбайнов

Воздушный и водный транспорт

■ Палубные надстройки, стойки палуб

■ Каркасы сидений, кроватей,

■ Ограждения и трапы

■ Декоративные элементы

■ Элементы такелажного оборудования

■ Элементы заборов, ангаров

Рисунок 1.1. Применение гнутых профилей с ЭЖ в различных отраслях Более 30 % гнутых профилей применяется в строительстве и производстве мебели, до 40 % - в машиностроении и энергетике, более 20% - в транспортном и дорожном строительстве, а также в других отраслях [19]. Применяемые профили в подавляющем большинстве случаев несут те или иные элементы жёсткости.

Подходы к классификации элементов жёсткости гнутых профилей приведены в ряде работ автора [20 - 22] и обсуждаются в последующих разделах работы.

Строительная индустрия и торговля. По действовавшим до 2000 года ГОСТам к настоящему времени изготовляется лишь небольшая номенклатура строительных профилей, что связано с её существенным пересмотром за последние 15 лет. Созданная в 2002 году Национальная ассоциация производителей стальных гнутых профилей (НАПСГП) объединяла первоначально 15 предприятий, выпускавших холодногнутые профили для строительства по 28 техническим условиям [16]. Из этих 15 предприятий можно отметить ЗАО «Аркада» (г. Смоленск), ООО «Венталл» (г. Обнинск), ГК «Стройпромет», ООО «Ингус» (г. Ижевск), ЗАО «Стальинвест» (г. Москва), ЗАО «Стальные конструкции -2» (г. Рязань) [16]. В эти же и последующие годы появились компании - производители гнутых профилей с ЭЖ: ЗАО «Ranilla Taldom» (г. Москва, дилер одноименной финской фирмы), ООО «Караджа-Ро» (г. Москва, дилер фирмы «Lindab AB»), компания «Roof Expert» (г. Москва, дилер одноименной шведской фирмы), фирма «Руф Интер» (г. Москва, дилер шведской фирмы KAMI), промышленная компания «Металл Профиль» (г. Москва), ООО «Евролайн Вест» (г. Санкт-Петербург, дилер фирмы Weckman), фирма «Московский центр кровли», АО «Маяк» (г. Самара) [23], производящие профильную продукцию широкой номенклатуры: про-тивоветренные уголки, воронки, коньки крыш, подоконники, сточные желоба, а также элементы соединений, детали герметизации, снегозащиты и т.п. [14, 23]. Указанные виды профилей (Рисунок 1.2) изготавливают преимущественно по европейским, американским и канадским стандартам, в основном из рулонных материалов с покрытием [24].

ОАО «Челябинский завод профилированного стального настила» (АО «ЧЗПСН») выпускает профили повышенной жёсткости и профили для арочных покрытий, настилов и стен толщиной от 0,8 до 1,2 мм, размером сечения до 330х136 мм (Рисунок 1.2,а) [25]. АО «Маяк» (г. Самара) производит швеллеры и уголки с ЭЖ, зетобразные и специальные профили, а также подвесные реечные потолки, сайдинг и металлочерепицу (Рисунок 1.2,б). Группа компаний «Строй-

промет» (г. Сходня) производит (преимущественно на станках фирмы «ККЦОБОК») 7 видов сайдингов с покрытием шириной от 216 до 502 мм и толщиной 0,5 мм, а также софиты, стеновые панели, водосточные желоба и ПВЖ с толщиной стенок от 0,8 до 1,2 мм (Рисунок 1.2,в) [26]. Фирма «Стальинвест» (г. Москва) изготавливает сайдинги, доборные элементы, водосточные системы и профили обрешетки кровли толщиной от 0,5 до 1,0 мм и высотой до 40 мм (Рисунок 1.2,г) в соответствии с утвержденными ТУ [27]. ООО «ЛМЗ-металлоцентр» (г. Лысьва Пермской обл.) производит профили фахверка и перегородок с продольными элементами жесткости (Рисунок 1.2,д). Толщина стенок профилей - от 0,55 до 0,7 мм, высота - до 50 мм [28, 29]. Разнообразием отличается номенклатура профилей ЗАО «Аркада» (г. Смоленск), включающая в соответствии с ТУ [30] стоечные, дверные, армирующие и декоративные профили (Рисунок 1.2,е).

и I___I О^И С_3 в;

д)

1^3131_Ши

с_гии

Рисунок 1.2. Профили с ЭЖ различных компаний в России: а) - ОАО «ЧЗПСН»; б) - АО «Маяк»; в) - ГК «Стройпромет»; г) - ЗАО «Стальинвест»; д) - ООО «ЛМЗ-металлоцентр»; е) - ЗАО «Аркада»

ЗАО «АЛАР-2» (г. Москва) изготавливает профили толщиной 0,6...2,0 мм с размерами поперечного сечения до 250*50 мм по согласованным ТУ [31, 32]. Аналогичную номенклатуру профилей выпускают ООО «ИНГУС» (г. Ижевск) по ТУ [33] и ООО «ВЕНТАЛЛ» (г. Обнинск) по ТУ [34, 35] с номенклатурой С- образных профилей с ЭЖ и профилей повышенной жесткости, насчитывающей 33 и 26 типоразмеров соответственно.

На Рисунке 1.3. представлены профили для различных строительных конструкций, преимущественно из материалов с покрытием [24, 36].

Рисунок 1.3. Гнутые профили с ЭЖ в конструкциях: а - облицовка здания сайдин-гом; б - конструкция межэтажного перекрытия с перфорированными профилями; в - сборно-разборный стеллаж; г - каркасная теплица из гнутых профилей

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Филимонов Сергей Вячеславович, 2017 год

Ь - х

■(х + п)

-1

(2.91)

V п )

где М, Ь и х определяются зависимостями (2.53), (2.80) и (2.89) соответственно, а значение п находят из приближённого равенства Р(Ь/3) « 3,5Р0 (из анализа результатов моделирования в ЬБ-Оупа).

Зависимость (2.91) и входящие в неё соотношения полностью определяют распределение действующих погонных сил на подгибаемой полке, которые с помощью прикладной программы Ма11ЬСЛО2001Рго можно представить в графическом виде. С увеличением толщины заготовки погонная сила имеет тенденцию к

Ь

х

росту (Рисунок 2.42,а), как и следовало ожидать. На графике Рисунка 2.42,6 кривые распределения пересекаются в точке, отстоящей от угловой зоны примерно на одну треть, что соответствует результатам моделирования в среде LS-Dyna, где также видно, что с увеличением суммарного угла подгибки сила локализуется вблизи зоны изгиба. Этот результат важен для локализации участков интенсивно-

Рисунок 2.42. Распределение погонной силы по ширине полки (а£ = аТ0):

а - на втором переходе: 1, 2, 3, 4 - £ = 1, 2, 3 и 4 мм соответственно; б - на различных переходах: 1, 2, 3, 4 - а= 10, 20, 40 и 90° соответственно Определённый интерес представляет задача о точке приложения равнодействующей силы к полке, несущей краевые элементы жёсткости, которую можно свести к задаче подгибки гладкой полки, если редуцировать полку с КЭЖ к полке с эквивалентной толщиной стенки (Рисунок 2.43,а) [336]. Тогда координату г*

точки приложения равнодействующей силы можно найти по формуле:

ь

|г ■ Р(г) ■ Ф

г* = ^-. (2.92)

|Р(г) ■ Ф

X

Графики, полученные среде Ма1ЬСАВ2001Рго и представляющие точки приложения результирующей силы (Рисунок 2.43,б), показывают смещение этих точек в сторону угловой зоны при увеличении угла подгибки. Этот результат отличается от данных работы [337], где ошибочно утверждается, что точка приложения результирующей силы должна находиться примерно на расстоянии (2Ь)/3

от угловой зоны, что противоречит соотношению силы и его плеча при изгибе моментом. Расчёт по формуле (2.92), показывает, что для полок шириной от 20 до 100 мм значение гк находится в пределах (0,25...0,35) от ширины полки с отсчётом от угловой зоны.

Рисунок 2.43. Приведение полки с КЭЖ к гладкой полке (а) и точки приложения равнодействующей силы к гладкой полке (б): 1, 2, 3, 4 - Ь = 40, 60, 80 и 100 мм соответственно Весьма важным является вопрос верификации полученных результатов на основе расчётных моделей и экспериментальных данных других авторов. Прямое измерение погонной силы методом штифтовых датчиков (другие методы отсутствуют) представляет собой достаточно затратную и сложную задачу, однако возможна косвенная проверка предлагаемой модели по интегральному показателю -силе распора [334, 338]. Этот параметр принимают в качестве основного силового фактора для прочностных расчётов профилегибочных станков, формующей валковой оснастки и определения потребной мощности профилирования [48].

Теоретическая модель силы распора И.С. Тришевского [337], приведенная к принятой символике, представляется следующей аналитической зависимостью:

рт 1п

г 2

С - х 2х

/ , \ сов а

1 ь х

V 2х

+

+ 3,52 10-4 • Е е

М 5 2,6

ь2 - 4х2 (С - 4х)С

сов а +

ь

2,6

С

2,6

(2.93)

где Е - модуль Юнга.

В той же работе [337] приведены экспериментальные данные по силам распора, возникавшим при изготовлении профилей с различной шириной полок b = 60, 80 и 100 мм. Ширина дна профиля C = 80 мм, а толщина заготовки s = 4 мм.

Чисто эмпирическая модель силы распора К.Н. Богоявленского [339] построена на статистической обработке массива экспериментальных данных, полученных при формовке профилей с толщиной стенки от 1 до 6 мм, с учётом упруго-пластического обжима заготовки:

„ 0,059-a0 42 • B0 30

рб =-- , (2.94)

где В - ширина заготовки (B »C + 2b); 8- относительный зазор в калибре.

В модели силы распора (2.94), не учитывающей упрочнение заготовки и угол подгибки, выполнен пересчёт размерности «тонна-сила» к ньютонам.

Предлагаемая модель силы распора, с учётом соотношения (2.88), представляется следующей зависимостью [338]:

b ( r_x\

РФ = 2-(1 + cosak)• P • exp--- dr. (2.95)

X V П J

Рисунок 2.44, построенный по расчётам (для низкоуглеродистых сталей) в среде MathCAD2001Pro, даёт представление о поведении графиков, отражающих зависимости (2.93) - (2.95), где также показаны экспериментальные значения сил распора, возникавших при формовке швеллерных профилей 80*bx4 мм (низкоуглеродистая сталь).

Известные модели И.С. Тришевского (2.93) и К.Н. Богоявленского (2.94) дают отклонения расчётных значений силы распора (для второго перехода) от экспериментальных результатов в (7...30)% и (2...11)% соответственно. Зависимости силы распора от суммарного угла подгибки в модели И.С. Тришевского (2.93) и в предлагаемой модели (2.95) указывают на общую тенденцию к снижению с увеличением суммарного угла подгибки.

Хотя расхождение модели К.Н. Богоявленского с экспериментальными данными для второго перехода не превышает 11%, однако характер изменения сил не согласуется с реальной картиной. Эти силы должны уменьшаться (из-за уменьше-

ния вертикальной составляющей по мере движения заготовки от перехода к переходу), хотя графики модели (2.94) отражают тенденцию к их увеличению. Возможно, это связано с упругим обжимом заготовки в 12% для устранения упругих деформаций клети при получении экспериментальных данных для построения модели (2.94). Отметим, что при использовании МИД зазор задаётся геометрическим замыканием валков по их посадочным цилиндрическим поверхностям на уровне буртов и кольцевых выемок в отличие от силового замыкания, который

применялся в работе [339].

21,0

19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5

9,0

7,5 6,0

10

20

30

ч\\ ч \ \ b = 60 мм - О b = 80 MM A b = 100 MM - О

-X N Ч * Рь -1-

о Д vx* - PT Рф - -" — 4—

л /р 9 У' ч \\-x-

3 \ * W 4

\ * t * §

\ » t i # t \\ > \

>\ 4\\

2 V У

40

50

60

70

80

90

а, град.

Рис. 2.44. Сравнительные графики сил распора в валках по моделям И.С. Тришевского (РТ), К.Н. Богоявленского (РБ) и по предлагаемой модели (РФ): 1, 2, 3 - b = 60, 80 и 100 мм соответственно (s = 4 мм). Маркерами отмечены экспериментальные значения для профиля 80*b*4 мм (6= 10°; a= 18°) [339] В работе [253] выполнены расчёты силы распора в первой клети (9 = 15°) при формовке профиля 60*60*3 мм из углеродистой стали на основе инфините-зимальных приращений и проведены экспериментальные замеры сил распора. Расчётное значение силы распора - 7,5 кН, а измеренное значение составило 10,17 кН, что дало ошибку 26%. Расчёт по предлагаемой модели (2.95) дал значение 11,21 кН, а ошибка составила около 10%, что ещё раз подтверждает достаточную корректность предложенной модели (2.95). К тому же расчёты по работе [253]

трудоёмки: они требуют разбиения заготовки на участки и суммирования сил. Силовые параметры профилирования зависят от ряда случайных факторов (колебания толщины заготовки, её механических свойств, параметров и технического состояния оборудования), а также метода профилирования и специфики его реализации (применение проводок, оправок-заполнителей и т.п.) [338]. Поэтому различие расчётных и экспериментальных данных в пределах 8 - 12% может считаться вполне приемлемым для силовых параметров [334, 336].

На Рисунке 2.45,а даны графики размера «мёртвой зоны» согласно зависимости (2.89), входящей в формулу силы распора (2.95), представленную графически на Рисунке 2.45,6.

2,0

4 \

3 ч у7

2 у

х = х/й

1,5

X 1,0

0,5

20

40

60

80

а, град.

100 а)

4

3

1 2

1,0

1,5

2,0 мм

2,5

3,0 б)

Рисунок 2.45. Размер «мёртвой зоны» (а): 1-4 - г/б = 1, 2, 3 и 4 соответственно; сила распора в валках (б): 1, 2, 3, 4 - 0 = 5, 10, 15 и 20° соответственно Контактные напряжения нижних роликов [340, 341] можно определять с использованием полученной зависимости (2.95), однако для этого требуется найти площадь элементарной контактной зоны. Первоначально найдём длину линии контакта на коническом участке нижнего валка [340]:

т(г,ак) = (Я + г • sinak)-уд, (2.96)

где Я0 - радиус кривизны базовой цилиндрической поверхности формующего валка; ук - полный угол обхвата валка заготовкой в к-ом переходе. Полный угол обхвата определяется таким образом [340]:

У , ак 0к /о т\

УА + , (2.97)

2 Р

где у- угол обхвата, определяемый из решения системы уравнений окружности и кромки заготовки в соответствии с Рисунком 2.46,а:

g =

4^6s ■ b -(а к -а к _i) • {sin а к - sin a k_i)

(2.98)

8b(ak - ak-1)+3s(sin аk - sin ak_1 )2 Рисунок 2.46,б представляет графическую зависимость полного угла обхвата для профиля с относительной эквивалентной шириной полки, равной 25.

Рисунок 2.46. Параметры в очаге деформации: 1, 2 - уровень кромки в текущем и предшествующем переходе; 3 - уровень базовой поверхности валка (а); и полный угол обхвата: 1, 2, 3 и 4 - 9 = 5, 10, 15 и 20° соответственно (б) Использование соотношений (2.97) и (2.98) позволяет найти длину линии контакта (2.96), а отношение погонной силы к длине этой линии даёт величину контактного напряжения на коническом участке нижнего валка [341]:

Р(г) _ Р(г) (2.99)

s k =

m(

t(r,ak) (Ro + b ■ sin ak)-gfi Рисунок 2.47 показывает зависимость контактных напряжений от толщины заготовки (а) и от радиуса базовой поверхности нижнего формующего валка (б) [341]. На обоих графиках видно, что более высокий уровень контактных напряжений наблюдается вблизи угловой зоны. Увеличение диаметров формующих валков позволяет снижать уровень контактных напряжений (см. Рисунок 2.47,б), хотя угол обхвата при этом уменьшается, что приводит к незначительному обратному эффекту. Хотя увеличение диаметра формующих валков, как известно [23,

120], положительно влияет на условия формовки, однако это не всегда целесооб-

Рисунок 2.47. Распределение контактных напряжений по ширине полки на втором переходе: 1, 2, 3, 4 - ^ = 1, 2, 3 и 4 мм соответственно (а);

1, 2, 3, 4 - Я0 = 75, 65, 55 и 45 мм соответственно (б) Часто увеличение диаметра формующих валков требует перехода к более дорогому крупногабаритному станку с высоким энергопотреблением, а для его переоснащения инструментом потребуются подъёмные механизмы. При этом стоимость валков неизбежно возрастёт, поскольку они будут изготавливаться из поковок, а не из круглого проката.

Контактные напряжения верхнего валка на участке его скругления можно получить из следующих соображений. Вертикальная составляющая силы от действия дна профиля замыкается на цилиндрическую поверхность верхнего валка, в то время как нормальная к поверхности полки сила подгибки со стороны нижнего валка даёт проекцию на биссектрису угла. Эта сила идёт на подгибку полки и приведение ЗПП в пластическое состояние, а уравновешивающая её сила ¥ф распределяется по скруглённому участку и представляется функцией [342]:

(_ -Л ь

Рф = соБ(ак / 2) • Бт

\ ь

• \Р(Т )ёт, (2.100)

V а к

где р- текущее значение угла, изменяющееся в пределах от 0 до ак.

В первом приближении размер контактной площадки заготовки и валка даётся произведением длин дуг тороидального участка верхнего валка. Длину дуги,

х

лежащей в плоскости, перпендикулярной оси профилирования, можно определить так: гв-ак. Длину дуги, лежащей в вертикальной плоскости, параллельной оси профилирования, можно выразить произведением (К0+Ь)угк (Я0 - базовый радиус формующего валка, угк - угол контакта, возникающий из-за «стеснения» заготовки и фланирования её кромки). Угол контакта угк можно определить как отношение суммы осреднённых вертикальных и горизонтальных смещений кромки в текущем переходе к к межклетьевому расстоянию станка Ьт [343]:

ъ _ к'" а- *'"( а -ы+а- ст( а (2101)

т

Отношение силы, определяемой формулой (2.82), к площади указанной тороидальной поверхности даёт распределение контактных напряжений на скруглённом участке верхнего валка [342]:

оф(Ф) _-^-, (2.102)

гв ак • (Я0 + Ь)угк У )

где угол ук определяется формулой (2.101).

Среднее значение напряжений на этом участке верхнего валка можно найти

осреднением напряжения по суммарному углу подгибки:

1 %

*фСр _ — ■ К(Ф)Ф. (2.103)

а к 0

Индексация переходов в левой части соотношений (2.102) и (2.103) условно опущена, а их графические зависимости (для второго перехода), построенные в среде Ма1;ЬСЛ02001Рго, представлены на Рисунке 2.48,а. Максимальные значения напряжений приходятся на биссектрису угла, а средние значения напряжений меньше их максимальных значений примерно в 1,5 раза меньше. Картина распределения напряжений подтверждается результатами моделирования в модуле ЬБ-Буиа (ЛКБУБ) формовки профиля с отбортовками толщиной 4 мм. В модели будущая угловая зона была промаркирована двенадцатью метками (через каждые 7° в зоне изгиба готового профиля), по которым отслеживали контактные напряже-

2 Модель разработана к.т.н. Илюшкиным М.В.

ния по переходам (Рисунок 2.48,6) [256]. Здесь видно, что пиковое значение контактного напряжения расположено по биссектрисе угла только в первом переходе.

Ф, град. aj Номер метки -^ ^

Рисунок 2.48. Распределение напряжений на скруглении верхнего ролика: 1, 2, 3, 4 - b = 20, 40, 60 и 80 мм соответственно (прямые линии - средние значения) (a); 1- 6 - номера переходов (моделирование в LS-Dyna) (б) На четырёх последующих переходах происходило смещение вершины графиков в сторону подгибаемой полки, что обусловлено, по-видимому, действием на заготовку сил со стороны конического участка нижних валков. На шестом переходе график напряжений смещён в сторону центра профиля. Это объясняется приложением торцового сжатия полки на последнем переходе для уменьшения пружинения. Сравнение графиков а) и б) на Рисунке 2.48 показывает, что моделирование в ANSIS (LS-Dyna) даёт более экзотичную картину распределения контактных напряжений, чем аналитическая модель (2.102).

2.11. Модели износа формующих валков

Полученные модели контактных напряжений можно использовать для решения технологических задач, связанных с износом формующих валков [215], определением гарантийного срока на них, а также для предотвращения ухудшения качества профиля из-за износа оснастки или избыточных напряжений [116].

Базовой моделью износа формующих валков в профилировании является модель Архарда (Archard) [252, 253]:

• ал •ал

д* но , (2.104)

где £ - объёмный износ в единицу времени; о - радиальный износ; т] - безразмерный коэффициент поверхностного износа; ок - контактное напряжение; НО -твёрдость поверхности инструмента; * - время эксплуатации формующего инструмента; А - площадь контактной поверхности инструмента.

Преобразование соотношения (2.104) приводит к следующей формуле:

о к • V, о ^ _ Т • —к—- • *

Н О . (2.105)

Уравнение (2.105) можно привести к виду, пригодному для подсчёта износа валка за время прокатки рулона. Для этого заменим время прокатки 1 на отношение длины ленты в рулоне Ьр к скорости профилирования У£ и введём коэффициент скольжения х^Уз/Уг (У8 - скорость скольжения), что позволяет представить зависимость (2.105) в следующем виде [116]:

Ок'Хк'^ р ЛП/-\

= Н . (2.106)

Деление обеих частей формулы (2.106) на длину рулона позволяет получить удельный износ валка (износ в расчёте на единичную длину профиля):

= (2.107)

¿р На

Малую величину удельного износа, имеющую размерность мкм/мм, принято умножать на 106, что доставляет определённые удобства для сравнения и оценки износа независимо от метража профилированного металла. Однако для использования уравнений (2.106) и (2.107) необходимо: 1) определить коэффициент скольжения; 2) найти длину ленты в рулоне; 3) выполнить пересчёт твёрдости поверхности валка от единиц ИЯС к МПа [340].

Коэффициент скольжения, представляющий собой относительную скорость скольжения, подразумевает предварительное вычисление скорости скольжения при профилировании, которая является разностью между скоростью движения профиля и линейной скоростью рассматриваемого участка рабочего конту-

ра валка. При заданной угловой скорости нижнего рабочего вала (Ов линейную скорость профиля можно найти из соотношения:

Г, = ю(Я0 + Нк), (2.108)

где Я0 - базовый радиус валка; Кк - расстояние от базовой поверхности формующего валка до центра тяжести сечения профиля в текущем переходе.

Линейную скорость V некоторой точки на конической поверхности валка можно определить по формуле:

V =ю(Я0 + г • вт ак).

(2.109)

где г - координата точки вдоль образующей конической поверхности валка. Тогда разность линейных скоростей профиля и выбранной точки, задаваемых формулами (2.108) и (2.109), будет представлять собой скорость скольжения V,:

(К - г • ^п а к) (2 110)

V, = V, - V = V,

Я0 + К

Коэффициент скольжения %к теперь легко получить с использованием зависимостей (2.109) и (2.110):

X к =

V, Кк - г • вт а к

Я0 + Кк

(2.111)

Для профиля коробчатого типа, например, координату центра тяжести сече-

ния Кк в соотношении (2.111) можно найти приближённо по формуле:

К

С • s/2 + Ь • вт ак С + 2Ь

(2.112)

Тогда коэффициент скольжения для к-го перехода с использованием зависимостей (2.111) и (2.112) можно представить в виде:

Х к

С • 5/2 + (Ь2 - 2Ь • г - С • фтак

Я0(С + 2Ь) + С • 5/2 + Ь2втак

(2.113)

где 5 - толщина заготовки; Ь - приведённая ширина полки; С - ширина дна. Аналогичные зависимости легко получить и для других видов профилей с ЭЖ.

На Рисунке 2.49,а представлены графики распределения скорости скольжения по ширине полки в соответствии с зависимостью (2.110) и определением центра тяжести сечения по формуле (2.112), показывающие нулевые значения на

уровне центра тяжести профиля. Графики изменения коэффициента скольжения, построенные по формуле (2.113), показывают, что значения коэффициента скольжения минимальны в точке приложения равнодействующей силы, а у зоны изгиба и кромки - максимальны (Рисунок 2.49,6) [341]. Однако на периферийном участке заготовки контактные напряжения незначительны, поэтому наибольший износ валков следует ожидать на участках валков, примыкающих к зонам изгиба.

К -2

>

-6

= Юм/мин Яд — 75 ММ Ъ — 100 мм

1/\ \ С Л' 40 мм = 4 мм

2/

3 4/

0,20

0,15

0,10

0,05

25

50 Г, ММ

75 100

Г» _ ^ II п 75 мм 80 мм = 4 мм ос = 18°

/ 44 Х3

^ 1 ч2

а)

о

25

50 г, мм -

75

100

б;

Рисунок 2.49. Распределение скорости и коэффициента скольжения

по ширине полки: 1, 2, 3, 4 - а = 20, 40, 60 и 90° соответственно (а);

1, 2, 3, 4 - Ь = 40, 60, 80 и 100 мм соответственно (6)

Длину ленты Ьр в рулоне можно описать спиралью Архимеда [317]:

р = а ф, (2.114)

где р - значение радиус-вектора; ф - значение угла поворота радиус-вектора; а -

параметр, представляющий собой отношение линейной и угловой скоростей при рассмотрении перемещения материальной точки по спирали с шагом 8/2 р.

Спрямление спирали (2.114) рулона с внутренним и внешним диаметром й и Б соответственно сводится к вычислению двух интегралов и образованию их разности, что приводит к следующей зависимости [341]:

' Б \

^Р =

8

4р

С \2

(в2 - й2)+ 1п

V 8 )

V й )

(2.115)

где ЬВ и Ьй -длина ленты в полном рулоне (при й = 0) и виртуальном рулоне диаметром й соответственно.

Для неплотной намотки введём коэффициент плотности намотки К:

К =

5 2^

(2.116)

5 + Д В-й'

где Д - радиальный зазор между витками; N - число витков рулона. Коэффициент (2.116) легко найти, подсчитав предварительно число витков в рулоне (три других параметра обычно приводятся в сертификате на поставку материала). При плотной намотке радиальный зазор Д = 0 и значение К = 1. При неплотной намотке формула (2.116) имеет следующий вид:

По сравнению с громоздкой зависимостью для вычисления длины ленты без учёта плотности намотки, приведенной в работе [253], предлагаемая формула (2.117) даёт более точные значения. Впрочем, отличие результатов расчёта в обоих подходах не превышает 2% (рулоны с ё = 580 мм и Б = 1850 мм при толщинах 0,7...3,0 мм). Сравнение результатов расчёта длины ленты в рулонах, поставляемых Новолипецким металлургическим комбинатом, по формуле (2.117) с показаниями счётчиков метража на профилировочных линиях ООО «Спецтехнология» показало, что их отличие не превышает 0,6%.

Твёрдость поверхности инструмента в единицах твёрдости (ИЯС) в уравнениях (2.106) и (2.107) должна быть представлена в МПа, преимущественно в аналитическом виде для автоматизации расчётов. Проведя интерполяцию калибровочной зависимости, приведенной в работе [253], в пакете МаШСАО получили следующую зависимость:

где Тк - твёрдость по Роквеллу.

Соотношение (2.118) можно использовать в расчётах износа валков.

Нижний валок. Полученные соотношения контактных напряжений (2.99), коэффициента скольжения (2.111), длины ленты в рулоне (2.117) и твёрдости валка (2.118) при подстановке в формулы (2.106) и (2.107) позволяют определить общий и удельный износ нижних формующих валков. В качестве примера, на Рисунке 2.50,а показано распределение удельного износа вдоль образующей кони-

(2.117)

Яа = 207,3 • ехр(0,0367й ) + 372,3 .

(2.118)

ческого участка нижнего валка второго перехода на основании зависимости (2.107) при жёстком режиме формовки профиля коробчатой формы (материал заготовки - сталь 3; межклетьевое расстояние, размеры валков, скорость профилирования равны соответствующим параметрам станков НПО «ИДМ») [23].

Наибольший удельный износ нижнего валка второго перехода (см. Рисунок 2.50,а) имеет место вблизи угловой зоны с его последующим снижением практически до нулевого значения к участку, где скорость скольжения близка к нулю (примерно уровень центра тяжести сечения профиля).

На Рисунке 2.50,б [340] представлены зависимости суммарного радиального износа нижнего валка третьего перехода при производстве 105 погонных метров швеллерных профилей из стальной ленты по технологии интенсивного деформирования в соответствии с зависимостью (2.106).

500

Рисунок 2.50. Распределение удельного износа по конической образующей нижнего валка второго перехода (а) и радиальный износ нижнего валка

третьего перехода (б): 1 - 4 - б = 1, 2, 3 и 4 мм соответственно Верхний валок. При использовании МИД конечные радиусы изгиба задаются инструментом с первых переходов. По сравнению с ТП, где радиусы плавно уменьшаются от перехода к переходу, в МИД контактные зоны достаточно малы. Поэтому на участках, формующих внутренний контур зон изгиба заготовки, создаётся высокий уровень напряжений и происходит их быстрый износ [342]. Однако контактное напряжение Офв формуле (2.102), пропорциональное 1/гв, уменьшается по мере износа. В этом случае суммарный износ уже не будет линейной

функцией от метража профилированного металла. Уравнение (2.106) можно представить в следующем виде [342]:

= - • К, (2.119)

'у

где Б/гу - удельный радиальный износ, который определяется зависимостью, аналогичной соотношению (2.106), где контактное напряжение задаётся уравнением (2.102); гу - переменный радиус скругления валка (гу > гв).

Величина суммарного износа, определяемая разностью начального и текущего износа по формуле (2.119), должна равняться смещению начального контура по биссектрисе угла, которое можно найти из геометрического рассмотрения (правая часть в уравнении (2.120)):

Б • К Б • К ( 1 - ^

_£_ 0

cos(a

(a / 2)

(Ъ - Гв), (2.120)

'у 'в V 2 )

где Ь0 - единичный выход проката в начальной стадии, где радиус скругления ещё не подвержен значительному износу.

Учитывая, что Ьр >>Ь0, из формулы (2.120) получаем квадратное уравнение относительно 'у, решение которого можно представить в виде:

гв 2

4 • B • L • cos(a / 2) 1 + . 1 + ■ ° ' У

(2.121)

' •( 1 - со8(а/ 2))

Подстановка значения гу из формулы (2.121) в уравнение (2.119) приводит к следующей зависимости для определения суммарного износа верхнего валка:

= , 2Ю0 , (2.122) 1 + 1 + 4^0 • со8(а / 2)

У гв (1 - со8(а / 2))

где ю0 определяется зависимостью, аналогичной соотношению (2.106), в котором контактное напряжение задаётся уравнением (2.102) при исходном радиусе скругления гв, выраженном в мкм. Она представляет собой как бы виртуальный удельный износ (при неизменной площади контакта инструмента и заготовки). Реальный удельный износ, учитывающий изменение радиуса скругления по мере уда-

ления материала рабочей поверхности, можно получить делением обеих частей уравнения (2.122) на длину заготовки и представить в виде [343]:

юг = 2ю , (2.123)

1 + 1 + 4ю0 • ео8( а / 2)

]1 гв (1 - ео8( а / 2))

Как и в предыдущем случае, для удобства работы с малыми величинами значение удельного износа принято умножать на 106. Суммарный износ, с учётом зависимости (2.106) тогда можно дать следующим соотношением [343]:

= , Г^\ , (2.124)

1 + 1 + 4Юо • ^ а / 2) "у гв (1 - ео8(а / 2))

На Рисунке 2.51 представлено распределение удельного (а) и суммарного (после прокатки 105 погонных метров) (б) износа на скруглении верхнего валка (ю = ю) на основании зависимостей (2.123) и (2.124) (материал заготовки - сталь 3; межклетьевое расстояние, размеры валков, скорость профилирования соответствуют тем же параметрам профилировочных станков НПО «ИДМ») [342, 343].

1200

|12 ъ|()

х 8

§ 4 и 2 2

4 \

3 „ \

2

1 А

Ь = 100 мм, а = 40°. \ С = 80 мм, 9 = 20° \ ----г-------,--------,___!

1000 800 2 600 400 200

20 40 60 80

4 4

\ N

ГN 4 2

Ь, ММ -^ 10 30 50 70 90

а) Ь, мм -^

Рисунок 2.51. Удельный (а) и суммарный (б) износ скруглённого участка верхнего валка: 1 - 4 - б = 1, 2, 3 и 4 мм соответственно Анализ зависимости (2.123) показывает, что с увеличением радиуса базовой поверхности формующего валка (см. также формулу (2.102)) радиальный износ верхнего валка уменьшается, а с увеличением размера полки удельный износ имеет тенденцию к стагнации. Это объясняется тем, что с увеличением ширины полки процесс профилирования напоминает скорее локальную формовку, где ширина полки практически не имеет значения. Этот эффект можно наблюдать при фор-

мовке профилей с элементами жёсткости, момент сопротивления которых достаточно велик, например, формовка профиля трека для шкафов-купе и профиля дверного обрамления (технологии разработаны в НПО «ИДМ») [50, 60, 72,123]. В Главе 3 приведены экспериментальные данные для оценки точности предлагаемых моделей износа.

Итак, разработанные модели, позволяющие определять контактные напряжения и прогнозировать износ формующих валков, имеют существенное значение для обеспечения качества профильной продукции и установления гарантийного срока предприятиями-разработчиками на комплекты валковой оснастки.

Выводы по главе 2

1. Разработанный конструктивно-технологический классификатор профилей с элементами жёсткости позволяет свести всё их многообразие к профилям трёх типов и упростить технологические расчёты.

2. Установленная процедура приведения профиля с ЭЖ к эквивалентной конфигурации и его расположения в чистовой клети даёт возможность уменьшить число переходов и предотвратить дефекты формы профиля.

3. Созданная модель числа переходов при интенсивном формообразовании, учитывающая «стеснение» профиля с ЭЖ, габариты его сечения и допуски изготовления, даёт ошибку в один переход по сравнению с опытными данными, а известные модели традиционного профилирования - в 1-3 перехода.

4. Предложенный алгоритм оптимизации углов подгибки профиля с ЭЖ даёт возможность определения углов подгибки полок, обеспечивающих равномерное распределение деформаций по переходам и отсутствие потери устойчивости подгибаемых полок.

5. Установленная последовательность разработки схем формообразования является более эффективной по сравнению с ранее существовавшими для изготовления гнутых профилей с элементами жёсткости.

6. Решение задачи изгиба заготовки с учётом линейного упрочнения при действии поперечных сил (сжатия или растяжения) позволило установить напряжённо-деформированное состояние в зоне изгиба, определить изменение толщины материала в зонах изгиба, ширину заготовки и пружинение.

7. Новая модель зоны плавного перехода, полученная с использованием вариационного метода и отличающаяся от известных моделей учётом в ней упрочнения, радиуса изгиба и ширины дна профиля с ЭЖ, позволяет решать вопросы о предельных углах подгибки и преемственности технологии производства профилей с сокращением на 9-15% затрат на освоение технологии.

8. Предложенные критерии потери устойчивости деформирования в виде индикаторной функции и установленные способы предотвращения связанных с неустойчивостью дефектов позволяют получать кондиционные многоэлементные профили с элементами жёсткости.

9. Расчётные зависимости распределения сил и контактных напряжений по по ширине подгибаемой полки с ошибкой, не превосходящей 11%, позволяют определять силу распора в валках и контактные напряжения, необходимые для расчётов параметров оборудования, износа формующих валков и предотвращения нарушения покрытия заготовки вследствие чрезмерных контактных напряжений или ухудшения качества профиля из-за износа валков.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРОФИЛЕЙ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЖЁСТКОСТИ

3.1. Методы, оборудование, оснащение и исследуемые профили

Основные факторы при формообразовании профилей с элементами жёсткости: форма и размеры сечения, схемы и режимы формообразования профиля, материал профиля. Параметры процесса: показатели качества профиля -отсутствие дефектов и соответствие требованиям к параметрам по чертежу.

Разработанные в Главе 2 модели подлежали экспериментальной проверке на предприятиях-разработчиках технологий профилирования ООО «Спецтехнология» и НПО «ИДМ» в периоды освоения технологий изготовления профилей с элементами жёсткости (ЭЖ). В необходимых случаях проводили расширенные исследования формовки ЭЖ определённого типа (при риске нарушения его формы или размеров) [106, 124, 197 296, 114, 315]. Прогиб донной части изучали при формовке широких профилей [299, 310, 344]. Утонение элементов профиля изучали на профилях, для которых требованиями заказчика накладывались ограничения на изменение толщины стенки [136, 294, 324]. Зоны изгиба исследовали в случаях возникновения риска разрушения заготовки или нарушения её геометрии [228, 203, 123, 345]. Изучение износа было связано с практической задачей формулировки гарантийного срока предприятия на технологическое оснащение [116, 254, 341, 343]. Такой подход к организации экспериментальных исследований обусловлен отчасти материальным обеспечением исследований, поскольку стоимость технологии на профиль одного типоразмера (включая расчётно-проектные работы, изготовление технологического оснащения и его отладку) составляет от 250 до 2300 тысяч рублей. Поэтому планирование экспериментальных работ обычно соотносится с периодом разработки технологии для производства профиля заданного типа с определёнными элементами жёсткости. В этом случае можно минимизировать затраты на исследования, выполняя лишь доработку оснастки или применяя элементы-вставки.

Задачи экспериментальных исследований состояли в верификации теоретических моделей, изучении особенностей и влияния режимов и схем формообразования профилей с элементами жёсткости на их качество, выработке рекомендаций для технологов.

Методы и основные направления экспериментальных исследований, соответствующие поставленным задачам работы, приведены в Таблице 3.1.

Таблица 3.1. Направления исследований и применяемые методы

Направления исследований Применяемые методы

1. Число переходов, длина ЗПП, влияние ширины дна профиля, изменение толщины заготовки, ширина заготовки Методы измерения линейных и угловых величин, статистические методы обработки данных

2. НДС зон изгиба, пружинение Метод измерения микротвёрдости, , угловых и линейных измерений

3. Силовые параметры, контактные напряжения, сохранность покрытия Метод конечных элементов, визуальный контроль при увеличении х10

4. Формообразование ЭЖ, предельные возможности, преемственность технологии Планируемый эксперимент, геометрические методы измерений, статистический анализ

5. Качество многоэлементных профилей с элементами жёсткости Методы измерения геометрических величин, статистические методы

Основное оборудование и оснащение для проведения экспериментальных работ, включая средства измерения и регистрации [23, 60], приведены в Таблице 3.2. Также использовали вспомогательное оборудование: дисковые ножницы для роспуска рулонов и подрезки заготовок в размер, рулонницы (разматывающие и наматывающие), перфорирующие устройства. При отработке технологии на автоматизированных линиях «под ключ» добавляются отрезные устройства с оснащением (штампами). Стандартная оснастка для профилирования обычно включает комплект формующих валков, комплект правильных роликов и, при необходимости, межклетьевые проводки.

Таблица 3.2. Оборудование, оснащение и приборы для исследований

Наименование Назначение

Станки профилировочные типа СПУ Профилирование заготовок

Экспериментальная оснастка (валки, проводки, ролики) Исследование схем формообразования, формовки ЭЖ

Наборы щупов № 2, № 4 (ГОСТ 882-75) Замер зазоров в роликах

Устройство индикаторное типа (ИЧТ - ГОСТ 577-68) Измерение прогибов профиля, выпучивания донной части

Штангенциркули ШЦ-1, ШЦ-III (ГОСТ 166-80) Измерение линейных параметров заготовок, оснастки

Наборы радиусных шаблонов № 1, № 3 (ГОСТ 4126-82) Замер радиуса кривизны заготовки и радиусов скругления роликов

Прибор МПБ-2 Измерение линейных размеров

Прибор ПМТ-3 Измерение микротвердости

Цифровой фотоаппарат Сапоп-700А Фотографирование оборудования, оснащения, образцов

Компьютер Репйиш-У, пакеты программ: Аи1;оСаё-10, Ма1ЪСаё2001Рго, программа МКЭ-моделирования ЬБ-Бупа (АШУБ), БХСБЬ-2007 (пакет «Регрессия»), МБ у1бю-2007 Выполнение проектирования, конечно-элементное моделирование, выполнение расчетов, статистическая обработка результатов, ведение базы данных, выполнение эскизов и рисунков

Применяемое профилегибочное оборудование соответствовало техническому заданию или спецификации заказчика технологии и оборудования. Станки СПУ различных моделей имели от 6 до 16 клетей [271]. Вновь изготовленные станки подвергались приёмочным испытаниям в соответствии с Таблицей 4.7 для выявления их пригодности для реализации профилирования заготовок.

Вспомогательные средства измерения, регистрации и другое оснащение по мере надобности приводятся по ходу описания экспериментальных работ.

Исследуемые в работе профили. Рисунок 3.1 представляет наиболее характерные профили для исследований с учётом задач работы и представительства видов элементов жёсткости [21, 22, 17]. Эти профили также были соотнесены с планами их освоения в НПО «ИДМ» и ООО "Спецтехнология" в предшествующие годы. Профили упорядочены в соответствии с классификатором Рисунка 2.1, а их размерные параметры и материалы указаны в Таблице 3.3.

Рисунок 3.1. Сокращённая номенклатура сечений профилей с ЭЖ для исследования, разработки технологии и внедрения

Таблица 3.3. Профили с ЭЖ для исследования и внедрения в производство

Номер профиля, размер сечения (мм), материал, покрытие Характеристика элементов жёсткости

1. 25,5x17,5x1 / 08пс (ОЦ) Угловые горизонтальные рифты

2. 90x50x20x1,2 / 08пс (ОЦ) Угловые горизонтальные ЭДТ

3. 75x20,3x6x1,0 / 08кп (ОЦ+ЛКП) Горизонтальные отбортовки

4. 122x82x1 / Ст 3кп (ОЦ) Горизонтальные отбортовки (в т.ч. несимметричные)

5. 170x83,6x1,2 / 08пс (ОЦ) Горизонтальные отбортовки (ступенчатые полки)

6. 129x44x1 / 08пс (ОЦ) Наклонные отбортовки вниз

7. 90x26x0,5(0,8) 08кп (ОЦ+ЛКП) Наклонные отбортовки вниз

8. 128x35x0,8 / 08кп (ОЦ) Горизонтальные отбортовки

9. 52x16x0,7 / 08пс (ОЦ) Наклонные отбортовки вверх

10. 47,5x11,7x0,7 / 08кп (ОЦ+УР-1) Наклонные отбортовки вверх

11. 60x40x1 / 08пс (ОЦ) Наклонные отбортовки вниз

12. 41x41x2,5(2) / 08пс (ОЦ) * Дуговые отбортовки вниз

13. 9x18x0,8 / 08кп (ОЦ+ЛКП) Дуговые отбортовки вверх

14. 85x55x0,85 / 08кп (ОЦ+ЛКП) ЭДТ, обращённые вверх

15. 136,9x41,9x6,5x0,7/08кп(ОЦ+ЛКП) Наклонные ЭДТ

16. 137x42x1,1 / 08кп (ОЦ+ЛКП) * Вертикальные отбортовки, трапециевидный рифт в дне

17. 145x45x15x (0,7) / 08кп (ОЦ) * Горизонтальные отбортовки, треугольный рифт в дне

18. 128x35x1,2/ 08кп (ОЦ) * Отбортовки вниз, множественные гофры в донной части

19. 55x7x0,7 / 08кп (ОЦ+ЛКП) * Концевые и срединные ЭДТ

20. 37x16x0,8 / 08кп (ОЦ+ЛКП) Горизонтальные ЭДТ, треугольный рифт в донной части

Номер профиля, размер сечения (мм), материал, покрытие Характеристика элементов жёсткости

21. 60x35x20x1,0 / 08кп (ОЦ) Наклонные отбортовки вниз, рифты на полках и множественные рифты в дне

22. 60x35x4x1,0 / 08кп (ОЦ) Дуговые отбортовки во внутрь, продольные рифты на полках

23. 100x50x1,5 / 08кп (ОЦ+ЛКП) * Дуговые отбортовки во внутрь, продольные полукруглые рифты на полках

24. 99x48x1,2 / 08пс (ОЦ) * Дуговые отбортовки во внутрь, продольные рифты на полках

25. 57,9x98,8x1 / 08кп (ОЦ+ЛКП) * ЭДТ вверх, продольные рифты на полках и в дне

26. 49x27x0,5 / 08пс (ОЦ) Наклонные отбортовки внутрь на участках сбега, угловые горизонтальные рифты

27. 70x21x21x0,5 / 08кп (ОЦ+ЛКП) Концевые подсечки, продольные рифты на полких и в дне

28. 74x10x1,0 / 08кп (ОЦ) Дуговые отбортовки, ЭДТ в дне

29. 328x110x0,8 / 08пс (ОЦ) Дуговые двойные отбортовки, широкий мелкий рифт в дне

30. 105x52x8x1,2 / 08пс (ОЦ) * Концевые ЭДТ вверх, рифты на полках

31. 110x77x1,5 / 08кп (ОЦ) * Полукруглые отбортовки, комбинированный рифт в дне

32. 80 x50x4x1,2 08кп (ОЦ+ЛКП)/08пс ОЦ * Отбортовки, продольные рифты на полках, срединный рифт

33. 35x27x1,5 / 08кп (ОЦ) * Прямая горизонтальная отбортовка

Номер профиля, размер сечения (мм), материал, покрытие Характеристика элементов жёсткости

34. 110x58x1,2/ 08пс (ОЦ) / 08пс (ОЦ+ЛКП) * Наклонные отбортовки

35. 15x18x0,4 / 08пс (ОЦ) Дуговая отбортовка

36. 14x20x8x0,6 / 08кп (ОЦ+ЛКП) Концевой ЭДТ

37. 35(30) x20x1,2 / 08пс (ОЦ) Наклонные отбортовки

38. 90x60x0,8 / 08кп (ОЦ+ЛКП) * Концевые ЭДТ

39. 38,8x24x1,5 / 08пс (ОЦ) * Концевой ЭДТ и полукруглая от-бортовка

40. 40,5x27,5x0,6 / 08кп (ОЦ) / Ст3 * Отбортовка и концевой ЭДТ

41. 37,5x10x4,5x0,8 / 08кп (ОЦ+ЛКП) * Концевой петельный элемент, наклонная отбортовка вверх

42. 41,5x28,5x12x1,0 (1,5) / 08кп (ОЦ) * Отбортовки вниз на квази-дуговых элементах