Разработка технологии изготовления методом интенсивного деформирования гнутых профилей из листовых материалов с покрытием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Илюшкин, Максим Валерьевич

• Илюшкин, Максим Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Илюшкин, Максим Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Виды и характеристика покрытий листовых материалов

1.2. Испытания листовых материалов с покрытием

1.3. Область применения профилей с покрытием 22 0 1.4. Теоретические исследования процесса формообразования профилей из листового материала с покрытием

1.5. Экспериментальные исследования в области технологии формообразования профилей из листа

1.6. Возможности применения технологических смазок

1.7. Оборудование и технологическое оснащение для изготовления профилей

1.8. Постановка задач исследований 52 Выводы

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛА С

• ПОКРЫТИЕМ В ПРИЛОЖЕНИИ К ПРОЦЕССУ ПРОФИЛИРОВАНИЯ

2.1. Классификация видов воздействия на заготовку при профилировании

2.2. Исследуемые материалы и критерии оценки качества покрытия

2.3. Изгиб заготовки с покрытием

2.4. Моделирование контактных воздействий

2.5. Обжим заготовки с покрытием в роликах 71 Выводы

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 77 щ 3.1. Классификатор способов предотвращения нарушения покрытия

3.2. Основные допущения при теоретическом рассмотрении процесса

3.3. Моделирование контакта при профилировании

3.4. Напряженно-деформированное состояние материала с покрытием в контактной зоне при профилировании 93 Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 100 4.1. Программа и методика исследования

4.2. Анализ номенклатуры профилей, подверженных нарушению покрытия; характерные дефекты профилей и основные факторы нарушения покрытия

4.3. Определение геометрических параметров процесса

4.4. Определение предельных размеров полок профиля при гибке на 90°

4.5. Определение минимальных формующих радиусов на первом переходе

Выводы

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ

С ПОКРЫТИЕМ

5.1. Разработка технологических схем

5.2. Технологические особенности формовки профилей с элементами жесткости

5.3. Проектирование и изготовление технологической оснастки

5.4. Отладка процесса формообразования

5.5. Алгоритм разработки технологии изготовления профилей с покрытием

Выводы

6. ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ С ПОКРЫТИЕМ

6.1. Характеристики изготовляемых профилей с покрытием

6.2. Внедрение технологии на площадях заказчика 167 Выводы

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАБОТЫ

7.1. Экономическая эффективность работы ф 7.2. Перспективы развития работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии изготовления методом интенсивного деформирования гнутых профилей из листовых материалов с покрытием»

Настоящий "профильный бум", наблюдаемый в последнее десятилетие в различных областях производства и строительства, приводит к поиску новых технологических решений и применению новых материалов, обеспечивающих высокое качество изделий при минимальных издержках для их производства.

Широкое применение профилей в строительстве в качестве декоративных стеновых и кровельных панелей наружного исполнения, внутренних декоративных панелей, силовых несущих конструкций, предопределяет требования высоких защитно-декоративных свойств изделий, что достигается применением соответствующих покрытий.

В настоящее время широкое применение находят процессы непосредственного изготовления профилей из листового материала с уже нанесенным в промышленных условиях многослойным покрытием. Такое покрытие обладает высокими прочностными характеристиками, широкой цветовой гаммой и отличной коррозионостойкостью. Причем, изготовление профиля из такого материала более экономически оправдано, чем нанесение покрытия на уже готовый профиль.

Разработанный в ОАО "Ульяновский НИАТ" метод интенсивного деформирования (МИД) позволяет использовать преимущества, как ранее разработанного метода стесненного изгиба (СИ), так и традиционного профилирования. Интенсивные схемы формообразования позволяют уменьшить число технологических переходов, обеспечить удешевление оборудования, повысить его мобильность, компактность, экономичность, снизить затраты на занимаемые площади, уменьшить время переналадки и др.

Однако, интенсификация процесса приводит к дополнительным воздействиям на заготовку с покрытием при формовке изделия, что проявляется в виде образования дефекта нарушения покрытия на поверхности изделия, снижающий декоративные и защитные свойства покрытия профиля.

Выявление условий бездефектной формовки профилей из материала с покрытием, разработка соответствующих математических моделей, технологических приемом и алгоритмов создания соответствующей технологии представляет актуальную проблему в данной области.

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете в соответствии с тематическим планом и ОАО "Ульяновский НИАТ" в рамках хозяйственных договоров с промышленными предприятиями: ООО "ВАННБОК" (г. Санкт-Петербург), ОАО "ПЗТСК» (г. Первоуральск), ЗАО

АРС Профнастил" (г. Екатеринбург), ЗАО «Промышленная группа ИНСИ» (г. Челябинск) в 2001 - 2004 гг.

Цель диссертационной работы - разработка на базе проведенных экспериментальных и теоретических исследований технологии изготовления гнутых профилей с покрытием в роликах методом интенсивного деформирования.

Основываясь на поставленной цели, определены задачи исследований, основными из которых являются:

- выявление и классификация видов воздействий на поверхность заготовки при МИД с целью установления зон инструмента и профиля оказывающих наибольшее влияние на возникновение дефекта НП;

- исследование материалов с покрытием в условиях, сходных с условиями профилирования, для установления их предельных характеристик;

- разработка контактной модели взаимодействия инструмента и заготовки при профилировании с целью выявления зависимости силовых параметров от технологических режимов и геометрических характеристик профиля;

- определение предельных технологических параметров процесса и геометрических параметров заготовки, обеспечивающих отсутствие дефекта нарушения покрытия;

- проведение необходимых экспериментальных исследований для подтверждения теоретических расчетов;

- разработка технологических схем, конфигураций формующих роликов, дополнительных устройств и приспособлений, обеспечивающих получение профиля без дефекта нарушения покрытия; разработка алгоритма технологии изготовления профилей с покрытием;

- внедрение результатов исследования в производство.

Объект исследования - гнутые тонкостенные профили с покрытиями, используемые в строительных конструкциях: швеллеро- и С-образного типа с цинковым покрытием с толщиной подложки 0,5 - 2,5 мм и профили сложного сечения (в частности, с элементами жесткости) с полимерным покрытием при толщине подложки 0,5-1,5 мм.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработаны классификаторы видов воздействия на поверхность заготовки при МИД, дефектов нарушения покрытия, способов предотвращения нарушения покрытия.

2. Впервые проведена комплексная оценка свойств покрытия на предмет его стойкости к различным видам воздействия; определены допустимые значения деформации при изгибе и величины контактных сил для различных видов покрытий на листовых материалах.

3. Впервые разработаны новые модели контактного взаимодействия между инструментом и заготовкой при интенсивном формообразовании, в том числе при контакте с малой криволинейной поверхностью и при обжиме в цилиндрических роликах.

4. Разработана программа для расчета координат роликового калибра при проектировании оснастки для профилей различного поперечного сечения.

5. Новые технические решения по работе защищены 2 патентами на полезную модель. Также прошли формальную экспертизу 3 заявки на способы производства гнутых профилей с покрытием.

Диссертационная работа состоит из семи глав.

В первой главе рассмотрены различные виды покрытий на листовых материалах, предназначенных для последующего формоизменения, а также виды испытания таких материалов. Рассмотрены вопросы применения профилей с покрытием в различных отраслях. Проведен анализ теоретических и экспериментальных исследований в области формообразовании профилей из листовых материалов с покрытием. Обосновано применение МИД в серийном производстве при изготовлении профилей. Рассмотрено современное оборудование и технологическое оснащение, применяемое при профилировании. Отмечено, что в настоящее время недостаточно изучены вопросы изготовления профилей с покрытием МИД; выделен ряд задач, подлежащих решению.

Во второй главе классифицированы виды воздействия на заготовку при профилировании МИД. Введены критерии оценки качества покрытия по декоративным и защитным свойствам. Смоделированы воздействия на заготовку с покрытием и определены допустимые значения воздействия для наиболее распространенных видов материала с покрытием.

В третьей главе разработана модель контактного воздействия со стороны инструмента на заготовку с покрытием, исходя из технологических параметров процесса и геометрических параметров профиля. Определены предельные параметры процесса с использованием определенных ранее значений допустимых воздействий на заготовку с покрытием. Изучено напряженно-деформированное состояние материала с покрытием в контактной зоне при профилировании; определен подход к решению задач данного типа и получены значения относительного контактного давления при обжиме заготовки в роликах.

В четверной главе проведен статистический анализ наиболее востребованных рынком профилей на предмет установления типов профилей, наиболее подверженных дефекту НП и подлежащих рассмотрению. Для верификации теоретических зависимостей, а также для технологических расчетов экспериментально определены предельные размеры полок профиля при гибе на 90°, минимальные формующие радиусы роликов на первом переходе.

Пятая глава посвящена определению основных технологических параметров процесса на основе теоретических и экспериментальных исследований. Рассмотрены вопросы разработки технологических схем, выбора количества переходов и системы формовки уголковых зон профиля. Рассмотрены вопросы проектирования и изготовления технологической оснастки. Представлена программа для расчета роликового калибра при проектировании оснастки. Рассмотрены технологические особенности формовки профилей с элементами жесткости (с элементами двойной толщины, с рифтами и насечками, с замковыми элементами, с элементами, имеющими поперечную кривизну). На основе оценки технологических параметров профилей и требуемых характеристик оборудования (по расчетному числу переходов, габаритным размерам сечения профиля и ряду других характеристик) для производственного процесса был выбран станок модели ГПС. Рассмотрено применение различных устройств и приспособлений (смазочных устройств, межклетьевых проводок), позволяющих уменьшить вероятность возникновения НП. Рассмотрены варианты доработок калибров, позволяющих снизить контактные давления и предотвратить НП. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований представлен алгоритм разработки технологии изготовления профилей с покрытием МИД для рассматриваемых видов профилей и покрытий.

В шестой главе рассмотрены общие требования к гнутым профилям с покрытием и методы их контроля. Приведены характеристики профилей, предназначенных для внедрения, в том числе по качеству поверхности. Приведены результаты испытаний профилей с покрытием в агрессивных средах.

В седьмой главе рассмотрена экономическая эффективность данной работы по сравнению с получением профиля без покрытия с его последующей окраской. Указаны основные направления развития работы.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю за ценные рекомендации, сотрудникам кафедры "Материаловедение и ОМД" Ул-ГТУ" и "Ульяновского НИАТ" за оказанную помощь в процессе выполнения работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в 22 научных работах, включая 2 патента на полезную модель и 3 заявки на изобретения.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Илюшкин, Максим Валерьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Выполненные в работе исследования по применению метода интенсивного деформирования к производству гнутых профилей из материала с покрытием, а также полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработан и исследован классификатор видов воздействия на поверхность заготовки при МИД. Установлено, что наибольшее влияние на возникновение дефекта НП оказывают контакт заготовки и криволинейных зон ролика, а также воздействие деформации изгиба.

2. Определены значения допустимой деформации изгиба для 4-х видов материала с покрытием и допустимые значения контактных сил для полимерных покрытий. Определено, что наиболее стойкими являются:

- при воздействии деформации изгиба: из металлических покрытий -цинковые; из полимерных покрытий - полиуретановые и пластизолевые;

- при воздействии контактных сил - полиэфировые покрытия.

Определены значения минимальных радиусов гиба для наиболее распространенных видов материала с покрытием. Показано, что минимальная величина радиуса гиба находится в пределах: для полиэфировых покрытий - (1-2)S; для полиуретановых покрытий - (0-2)S; для пластизолиевых покрытий - (0-1,5)S. для цинковых покрытий - 0;

3. Разработанная модель контактного взаимодействия инструмента и заготовки позволила установить зависимость контактных сил от технологических параметров процесса и геометрических параметров профиля.

4. Определены предельные параметры процесса с использованием значений допустимых контактных сил для покрытий.

5. Экспериментально определены предельные режимы профилирования МИД при подгибке полки на 90° и установлены значения минимального формующего радиуса ролика на первом переходе для различных видов покрытия. Проведенные экспериментальные исследования согласуются с теоретической моделью в пределах 20-25 %.

6. Теоретические и экспериментальные исследования, разработанные технологические схемы, оптимальные конфигурации формующих роликов, дополнительных устройств и приспособлений позволили создать эффективный алгоритм проектирования технологии производства профилей с покрытием.

7. Результаты проведенных исследований и разработок внедрены на 4 предприятиях РФ (ООО "ВАННБОК", ОАО "ПЗТСК", ЗАО "ИНСИ", ООО ЛФ "АРС Профнастил"). Внедрены две профилегибочные автоматизированные линии и комплекты технологического оснащения на 53 типоразмера профилей. Годовой экономический эффект составляет 3900 тыс. руб. при снижении себестоимости изготовления на 20% по сравнению с базовым вариантом. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Илюшкин, Максим Валерьевич, 2005 год

1. Карякина М.И. Механизм защитного действия лакокрасочных покрытий // ЛКМ. 1991. - № 6. - С. 49 - 54.

2. Колотыркин Я.М. Металл и коррозия. -М.: Металлургия, 1985. 88 с.

3. Полякова К.К., Зельцер Ю.Г. Полимерные покрытия полосового проката. -М.: Металлургия, 1971. 120 с.

4. Steel cladding profiles: the ever changing scene. Carey F.B. "Scheet Metal Ind.", 1986, 63, № 8,466,468,470.

5. Effect of deformation on the damage to the coating of sheet steels / Gronostajski Jerzy, Ali Waleed, Ghattas Magdy Samuel // J / Mater. Process. Technol. 23, №3.-C.321 -332.

6. Coil coating with staands forming, deep drawing // Mod. Metals. 1989. - 45, № 7. - C. 96, 98,100.

7. Лакокрасочные покрытия в машиностроении. Справочник. Изд. 2-е, пере-раб. и доп. Под ред. канд. техн. наук М.М. Гольдберга. М.: Машиностроение, 1974.-576 с.

8. Карякина М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий. М.: Химия, 1988.-272 с.

9. Производство и рынок профнастила и металлочерепицы в России. Информационный обзор: Металл Информ. Май 1999 г.

10. Рте-painting of aluminium strip by coil coating / Brown David // Alum, ind-1988. 7, № 4. - C. 18-20.

11. Яковлев А.Д. Порошковые краски. Л.: Химия, 1987. - 216 с.

12. Покрытия из полиуретановых эластомеров. Forteile und Beschichtuugen aus

13. Polyurethan-Elastomeren//Techn. Rept-1993. -20, №5.

14. Санжаровский А.Т. Физико-механические свойства полимерных и лакокрасочных покрытий. М.: Химия, 1978. - 184 с.

15. Zemiere pretrattate nel settore dell'auto, balboni Pietro. "Trat. efinit", 1986, 26, № 7-9, 29-31.

16. Probleme de Tentretien des bardages en acier galvanise/ Bellens Gerard // Gal17