Формовка угловых зон с высвобождением при профилировании Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.981

В. И. ФИЛИМОНОВ, В. В. ЛЕВЩАНОВ

ФОРМОВКА УГ ЛОВЫХ ЗОН С ВЫСВОБОЖДЕНИЕМ ПРИ ПРОФИЛИРОВАНИИ

Рассмотрены возможности применения метода конечных элементов при углубленном исследовании особенностей формообразования угловых элементов профиля в роликах, с торцевым поджатием и высвобождением прилегающих зон.

При производстве мелкосортных профилей высотой до 50 мм и толщиной стенки 0,8...2,5 мм в некоторых случаях заказчики технологии предъявляют особые требования к конфигурации угловых зон (например, радиус гиба - не более допустимого, отсутствие утонения металла по биссектрисе угла). Профили с такими угловыми зонами (в основном 2-типа), изготовленные по схемам стеснённого изгиба []], применяются, например, в качестве стрингеров летательных аппаратов ИЛ-114, ИЛ-103, ТУ-334, БЕ-200, АН-70, АН-140 [2].

По действующей технологии набор материала в угловой зоне осуществляется за счёт торцевого под-жатия или осадки криволинейного участка заготовки избыточной ширины в закрытом роликовом калибре, радиусы угловых зон которого соответствуют требованиям чертежа к радиусам кривизны зон сгиба. Соответствующее технологическое оснащение не допускает вариаций характеристик угловой зоны, в то время как высвобождение угловой зоны, преимущественно со стороны внутреннего контура, могло бы расширить возможности технологии в части изменения размерных параметров угловых зон и, в особенности, применяемых материалов. Например, комплект технологического оснащения для производства профиля из алюминиевого сплава оказывается непригодным для изготовления профиля таких же габаритных размеров и толщины стенки из титанового сплава.

Ниже, рассмотрены схемы подсадки и особенности формообразования в условиях торцевого сжатия угловых элементов профиля с высвобождением прилегающих зон в процессах профилирования ленты в роликах.

Высвобождение угловой зоны может быть односторонним или двусторонним (рис. 1), причём одностороннее высвобождение имеет место лишь при определённом условии — когда сила торцевого сжатия Т будет достаточной для посадки наружного контура заготовки на инструмент.

Однако выявление условия посадки наружного контура заготовки и сопутствующих распределений напряжений и деформаций в угловой зоне далеко от тривиального. Это связано со сложной зависимостью вида и параметров напряжённо-деформированного

В. И. Филимонов, В. В. Левщанов, 2005

1

а

Рис. 1. Схемы формовки угловой зоны: а - с двусторонним высвобождением; б - с высвобождением по внутреннему контуру и посадкой наружного контура;

1 - охватывающий ролик;

2 - охватываемый ролик;

3 - заготовка

состояния в заготовке от величины торцевого сжатия и ряда других условий [3, 4]. Например, при посадке наружного контура неопределёнными остаются граничные условия на нём.

При умозрительном анализе процесса деформирования можно предположить двоякое поведение заготовки на участках, примыкающих к зоне наиболее интенсивного деформирования: 1) тонкие заготовки будут терять устойчивость в форме локального выпучивания с тенденцией к складкообразованию: 2) более толстые заготовки будут односторонне выпучиваться с набором толщины на прямолинейных участках, примыкающих к зоне сгиба, что аналогично осадке призматического тела с ограничением по одной из боковых граней.

Известно, что заготовка может терять устойчивость при осадке, если наименьший линейный размер

Рис. 2. Изменение положения заготовки при деформировании: а - исходное положение; б - положение заготовки перед контактом; в - посадка

наружного контура заготовки

•

сечения отличается от её высоты более чем в три раза [5]. С другой стороны, в принятой схеме формовки профиля целесообразное значение относительного радиуса кривизны заготовки в переходе, где производят осадку, должно быть не более пяти её толщин [6]. Поэтому рассмотрим подсадку заготовки единичной толщины с изменением её относительного радиуса гиба (радиуса кривизны внутреннего контура) в осевой плоскости формующих валков с пяти до значения, определяемого величиной подсадки (вертикального перемещения недеформированной части заготовки) (рис. а) или условиями граничения наружного контура зоны сгиба инструментом (рис. 1, б).

Для изучения объектов с определёнными выше схемами использовали пакет Ansys 7.1 (модуль LS-dyna), основанный на конечно-элементном анализе процессов формообразования и приобретённый по лицензии Ульяновским государственным техническим университетом. В качестве препроцессора использовали программу Solid Works, а постпроцессор-нуго обработку результатов производили встроенными средствами программы.

Изменение конфигурации и положения моделируемого участка профиля (см. рис. 1, б), разбитого на конечные элементы, представлено на рис. 2.

Анализ перемещений узлов сетки конечных элементов показывает, что перед посадкой наружного контура перемещения материальных точек в угловой зоне вблизи биссектрисы угла наиболее интенсивны и имеют линейные траектории, а на примыкающих участках они претерпевают изгиб. Это хорошо согласуется с результатами более ранних исследований [4], где установлено, что при торцевом сжатии характер распределения касательных напряжений имеет вид двугорбой кривой с провалом на биссектрисе угла. Наличие деформаций сдвига существенно отдаляет данную схему деформирования от схемы чистого изгиба, где справедлива гипотеза плоских сечений.

Анализ напряжений вдоль биссектрисы угла с точкой отсчёта, лежащей на внутреннем контуре, показывает, что напряжения в окружном направлении на внутреннем и наружном контурах существенно отличаются по абсолютной величине (рис. 3). В классическом решении задачи чистого изгиба они должны были бы совпадать. Из рис. 3 следует также, что нейтральный слой напряжений (см. точку схождения графиков на рис. 3) мигрирует в сторону наружного конура в отличие от чистого изгиба, где нейтральный слой напряжений (НСН) смещается к внутреннему контуру на величину

ziS = ^-^-VFIT, (О

?

JLj

где г, R - радиус кривизны соответственно внутреннего и наружного контуров зоны сгиба.

В данном случае (43-й шаг нагружения) величина смещения НСН составляет 0,1S0 (S0 - толщина исходной заготовки). Значения напряжений в окружном направлении и положение НСН свидетельствуют о разгрузке наружного контура зоны сгиба, что позволяет производить гибку заготовки на меньшие радиусы, чем те, что традиционно приводятся в многочисленных справочниках по холодной штамповке. По рис. 3 можно также установить вид напряжённого состояния по значению фактора Лоде [5]:

2 • а 2 - а, - а3 , (2)

у ^

ст,-ст3

• -

где ст,, сг2. сг- - главные напряжения.

Подставив соответствующие значения напряжений с рис, 3 в формулу (2). получим, что практически во всех точках биссектрисы угла выполняется условие va я 0, то есть имеет место плоская деформация. Для принятой модели этот вывод вполне закономерен.

МПа

О

ст

-570

О

0,5

A/So

1

Рис. 3. Распределение главных напряжений по биссектрисе угла: 1 - радиальное;

2 - продольное; 3 - окружное

Рис. 4. Распределение окружных деформаций вдоль биссектрисы угла гиба: 1,4 — наружный и внутренний контур зоны сгиба соответственно; 2 - эпюра деформаций; 3 - биссектриса угла

Деформационные характеристики угловой зоны также соответствуют реальному процессу и результатам работы [4], где задача о пластическом изгибе с торцевым сжатием решена методом прямого интегрирования в ортогональной системе координат, связанной со срединной поверхностью заготовки. Уровень окружных деформаций на наружном контуре не превышает 10 %, а на внутреннем контуре составляет 25 % (рис. 4). Следовательно, наружный контур разгружается за счёт действия торцевых сил, внутренний нагружается дополнительно (при чистом изгибе окружная деформация наружного контура составляет около 20 % при той же геометрии угловой зоны). Анализ двух остальных деформаций (радиальной и продольной) показывает, что условие плоской деформации выполняется (продольная деформация в любой точке заготовки на биссектрисе угла не превышает 0,4 %). Условие несжимаемости [5]

2>i =о,

(3)

\—1

где £• - 1-я главная деформация, также выполняется.

Аналогичные закономерности деформирования наблюдаются и на других этапах нагружения до момента контакта заготовки с дугообразным участком инструмента. При последующем нагружении, после посадки наружного контура его окружные деформации находятся в стадии стагнации. Дальнейшее деформирование сопровождается набором толщины в

зоне, примыкающей к биссектрисе угла, и на свободных полках. В реальном процессе деформирования набора толщины на полках не наблюдается по двум причинам: 1) в большинстве случаев внутренний радиус зоны сгиба задаётся инструментом по его номинальному значению с чертежа, так что зоны высвобождения отсутствуют и движение материала при существенном избытке ширины заготовки происходит в осевом направлении (условие плоской деформации не выполняется); 2) при наличии зон высвобождения ширину заготовки выбирают такой, чтобы утолщения полок или потери устойчивости не происходило.

Уменьшение продольной деформации возможно за счёт переднего поджатия, что существенно усложняет технологию и на практике применяется редко, хотя и позволяет получить существенное утолщение в угловой зоне (до 20 - 30 %). Обычно заказчик заявляет желаемое утолщение в зоне сгиба до 5 - 10 %, что достижимо за счёт выбора ширины заготовки по обеим схемам рис. 1, как это показали исследования процессов в среде Апяу.ч 7.1 по схемам полного высвобождения наружного контура (см. рис. 1,а), а также со округлением инструмента под наружный контур на радиусы двойной и тройной толщины заготовки.

Применение средств Атуэ 7.1 позволяет проводить анализ процессов формообразования без излишних затрат на проведение теоретических исследований и экспериментальных работ с существенной экономией людских, материальных и энергетических ресурсов и обеспечением достаточной надёжности конечных результатов.

Выводы:

1. Высвобождение угловых зон за счёт конструкции формующего инструмента позволяет расширить возможности технологии профилирования в части изменения конфигураций угловых зон изготавливаемого профиля.

2. Торцевое сжатие даёт возможность разгрузить наружный контур зоны сгиба по деформациям в 2,0 -2,5 раза, что обеспечивает получение радиусов гиба меньше допустимых при наличии утолщения, повышающего несущую способность профиля.

3. Использование конечно-элементного анализа для исследования процессов формообразования позволяет совершенствовать технологию профилирования в роликах с экономией ресурсов и обеспечением высокой точности расчётов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Нуждов, А. В. Опыт промышленного изготовления листовых профилей и деталей из них / А. В. Нуждов, Г. В. Проскуряков, В. И. Филимонов и др. // Авиационная промышленность. -

1990.- № 1.- С. 3-4.

2. Колганов, И. М. Изготовление методом интенсивного деформирования профилей из листа и их внедрение в авиастроении / И. М. Колганов, В. А. Марковцев, В. И. Филимонов и др. // Авиационная промышленность. - 2001. - № 4. - С. 21-23.

3. Филимонов, В. И. Использование гипотезы ортогональности в одной задаче стеснённого изгиба / В. И. Филимонов. - Ульяновск, 1984. - 19с.-Ден. в ВИНИТИ 16.04.84, № 2366 - 84.

4. Филимонов, В. И. Касательные напряжения при стеснённом изгибе / В. И. Филимонов, В. А. Марковцев, С. В. Филимонов // Вестник УлГТУ. -2000.-№4.-С. 30-35.

5. Филимонов, В. И. Теория обработки металлов давлением. Курс лекций / В. И. Филимонов. - Ульяновск: УлГТУ, 2004.-208 с.

Филимонов Вячеслав Иванович, кандидат технических наук, и. о. профессора кафедры «Материаловедение и ОМД» Ульяновского государственного технического университета. Имеет более 100 публикаций по проблеме потери устойчивости и разработки технологий предельного профилирования.

Левщаиов Владимир Викторович, аспирант, занимается исследованием формообразования профилей с использование.м метода конечных элементов в программной среде /\nsys 7.1.