CC BY
45
УДК 621.771.63-417.2
И. Е. Семенов, д-р техн. наук, проф., (495) 253-62-44, [email protected] (Россия, Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана),
С.Н. Рыженко, канд техн. наук, зам. начальника Управления научных исследований МГТУ им. Н.ЭБаумана, (495) 253-62-44, [email protected] (Россия, Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана),
С.В. Поворов, асп., (495) 253-62-44,
[email protected] (Россия, Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМОВКИ ПРОДОЛЬНЫХ КАНАЛОВ НА СТАНЕ С ЭЛАСТИЧНЫ1М И ЖЕСТКИМ ИНСТРУМЕНТАМИ
Рассмотрен процесс процесса формовки тонколистовой алюминиевой заготовки между жестким валом и валом с эластичной насадкой. Созданы конечноэлементные модели, описывающие процессы последовательной формовки продольных каналов в заготовке вращающимся эластичным инструментом и жестким инструментом для тонколистовых металлов. Получены картины полей перемещений, деформации и напряжений. Результаты (и сравнение их с экспериментальными данными) позволяют рекомендовать данную модель для расчета прооессов формовки.
Госбюджетная тема, выполняемая по заданию Рособразования по аналитической ведомственной целевой программе «Разитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 годы)», на 2009г. - «Разуаботка теории непрерывной знакопеременной формовки и сем оборудования для получения новым методом элементов плоских теплообменников»
Ключевые слова: полиуретан, перемещения, деформации и напряжения, коне чно-элементная модель.
В теплоэнергетике широкое применение находя теплообменные аппараты, в которых процесс передачи тепла осуществляется через тонкую гофрированную стенку. Детали таких теплообменников получают штамповкой, однако из-за больших габаритов теплообменных панелей и рави-того рельефа требуются прессы с большой энергоемкостью и дорогостояща оснастка к ним. Панели с продольными канаами можно делать на профилегибочных станах, последовательно формируя канаы по ширине заготовки. Ввиду большого количества каналов, а также технологических ограничений процесса гибки на подобном оборудовании (один кана полностью формируется за несколько проходов) потребуется стан, в котором количество клетей будет пропорционально (в разы) количеству формируемых канаов. Плоские панели, имеющие продольные каналы могут также быть получены на стане локаьной формовки, разработанном в МГТУ им.
Н.Э. Баумана [1]. Формовка всех канаов на данном стане происходит за один проход при перемещении стола с профилированной матрицей и заготовкой под ваком с эластичным покрытием, при предварительном прижиме вака к заготовке. Стоимость стана локаьной гибки формовки сравнима со стоимостью профилегибочного стана. Однако на нем нельзя осу-
ществить непрерывный процесс формовки. Непрерывную формовку можно осуществить, если вместо подвижного стола расположить вращающийся профилированный валок, как в клети профилегибочного стана. При этом формовка всех каналов по ширине заготовки будет осуществляться одновременно путем утонения заготовки, при этом ширина получаемой детаи равна ширине заготовки. В зависимости от глубины формовки может потребоваться несколько клетей для постепенного увеличения глубины канаов. Реаизациг процесса формовки продольных канаов на профилегибочном стане позволит значительно сократить необходимое количество клетей и длину лини по сравнению с традиционным процессом профилирования на таком стане, а также увеличит производительность по сравнению со станом локаьной формовки и позволит получать детаи большой длины.
Процессы гибки и формовки тонколистовой заготовки на ваковых машинах рассмотрены в работе [2]. На рис. 1 приведена схема процесса гибки-формовки тонколистовой заготовки на двухваковой машине с эластичным покрытием одного из валков [2].
Рис. 1. Гибка-формовка листовой заготовки на валках с эластичным покрытием
В данной схеме нижний валок является приводным, верхний валок с эластичной оболочкой - холостым. Формообразование заготовки происходит при прохождении ее между нижним фасонным валком и эластичной оболочкой верхнего валка при предварительном прижиме верхнего вика к заготовке. Особенностью данного процесса является то, что изначально пряма листова заготовка изгибается, принима форму цилиндрической обечайки, на поверхности которой образован кана.
Для получения плоских панелей с продольными канаами нами предлагается процесс формовки в двух последовательных калибрах (3 и 4 на рис. 2), так как в реаьном стане каибры 1 и 2 служат для загибки боковых кромок заготовки, а этот процесс хорошо исследован. В данной
схеме нижние в аки обоих калибров являются приводными, верхние - холостыми. Верхний ваок первого каибра имеет эластичную оболочку, поджатую с торцов металическими шайбами (рис. 2).
Оба вака калибра 2 жесткие. Профили нижних ваков каибров 1 и 2 совпадают. На поверхности верхнего вака второй клети имеются выступы радиусом 1,5 мм и высотой 2 мм (рис. 2). Благодаря применению двух последовательно расположенных каибров становится возможным регулировать натяжение листа между проходами. Нижние ваки обеих клетей имеют общий привод с передаточным отношением, равным единице. Растяжение полосы между клетями достигается путем увеличения диаметра приводного вака второй клети на 2...3 % относительно вака первой клети. Таким обраом, линейна скорость во второй клети будет выше чем в первой и силы трения будут создавать растягивающие напряжения.
Рис. 2. Схема последовательной формовки каналов
в калибра 3 и 4
Процесс деформирования заготовки происходит следующим образом. В начаьный момент времени ваки обеих клетей раведены на величину, равную толщине заготовки (0,8 мм), край заготовки заправлен в первую клеть. Из этого положения верхний ваок первой клети начинает опускаться на величину 4,5 мм, прижима заготовку к профилированному вау и деформируя ее. После чего нижние ваки обеих клетей приводятся в движение с заданной угловой скоростью, котора соответствует скорости прокатки 5 м/мин. При этом передний край заготовки удерживается от вертикального перемещения. После того как передний край заготовки заходит во вторую клеть, верхний ваок последней опускается на величину 2,03 мм, увеличива глубину канаа и обеспечива необходимый прижим заготовки к приводному ваку для создания в заготовке растягивающих напряжений.
Применение эластичного инструмента в первой клети необходимо для создания в заготовке относительно небольшой предварительной де-
формации, благодаря которой увеличивается предельно допустима деформация, получаема заготовкой в следующей клети [3]. В жестких вика второй клети происходит окончательное формирование канаов.
Для определения напряженно-деформированного состояния заготовки и эластичного инструмента, а также энергосиловых параметров процесса была раработана математическа модель с использованием специализированного программного комплекса Ansys/Ls-Dyna. Данный программный комплекс позволяет решать динамические задачи деформирования твердых тел методом конечных элементов с учетом нелинейных свойств материаов и контактным взаимодействием тел.
Так как все канаы формуются одновременно, то напряженно-деформированное состояние всех канаов, за исключением крайних правого и левого, будет одинаковым независимо от количества канаов. Кроме того, каждый кана имеет плоскость симметрии, расположенную перпендикулярно оси вака и проходящую через вершину канаа. Принима указанные выше допущения, становится возможным рассматривать при моделировании не всю заготовку, а только ту ее часть, в которой будет отформована половина (по ширине) одного канаа. Благодаря этому значительно сокращается рамерность задачи, т. е. количество ячеек и узловых точек расчетной сетки, и следовательно, уменьшается время ее решения на ЭВМ. Также в целях сокращения рамерности задачи было принято, что верхний ваок первой клети и профилированные ваки являются абсолютно жесткими телами, поэтому в модели отражена только их рабоча поверхность.
Поведение полиуретан°вой оболочки описываются энергетической моделью Муни-Ривлина, для которой были заданы следующие параметры: константы двухпараметрлческой модели Муни-Ривлина С10 =0.83, С01=2.5, плотность 3000 кг/м и коэффициент Пуассона 0,49. Листовая заготовка толщиной 0,8 мм выполнена из алюминиевого сплава АД-1 со следующими механическими свойствами: предел текучести 45 МПа, модуль упругости первого рода Е =1,0х105 МПа, модуль упрочнения Еу = 110 МПа, ко-
эффицлент Пуассона 0,3, плотность 2710 кг/м [1]. При описании контакта были приняты коэффициенты трения: между профилированными ваками и заготовкой ц = 0.1, между заготовкой и эластомером ц = 0.14, между эластомером и жестким валом ц = 0,14.
Теоретические исследования процесса локаьной формовки тонколистового метала проводили методом конечно-элементного моделирования с использованием программного комплекса ’’А^УБ” и рабиваи на три этапа:
1. Исследование процесса прокатки заготовки (листа) в клети с эластичным покрытием одного из ваков (3).
2. Исследование процесса прокатки листа в клети с двумя жесткими профилированными ваками (4) с учетом предварительного напряженного состояния заготовки после клети 3.
Геометрические модели деформирования листа в клетях 3 и 4 показаны на рис. 3.
На первом этапе для изучения процесса деформирования заготовки валом с эластичной оболочкой с учетом предварительных расчетов, в результате которых были подобраны адекватна конечно-элементна модель эластичной оболочки и коэффициенты Муни-Ривлина для полиуретана СКУ-ПФЛ, создана объемна математическа модель, представленная на рис. 4, а (геометрическая модель задачи покаана на рис. 3, а), при перемещении внутреннего жесткого ваа вниз по оси У на величину АНтах = 14,5 мм, соответствующую степени деформации оболочки по
толщине Вдлп=0,27
а
б
Рис. 3. Геометрические модели деформирования: а- клети 3 с эластичным покрытием одного из валков; б - клети 4 с жесткими профилированными валками; на рис. 1 - жесткий вал (сталь 30ХГСА), 2 - эластичная оболочка (полиуретан СКУ-ПФЛ),
3 - профилированный валок (сталь 45)
а б
Рис. 4. Конечно-элементная модель деформирования листовой заготовки эластичной оболочкой в полость профилированного валка:
эл
а - недеформированная, б - деформированная с вдоп=0,27
Математическая модель содержит следующие контактные пары: жесткий вал - эластичная оболочка; эластична оболочка - лист; лист -профилированный валок. Жесткий вал и профилированный валок были заданы элементами conta 52, эластичная оболочка - элементами hyper 58, лист - элементами shell 183, предназначенными для описания прочностных твердотельных элементов. Билинейное изотропное упрочнение пластически деформируемых элементов shell модели листа задавали зависимостью напряжения текучести от степени деформации as = f (в) алюминия. Кривую упрочнения аппроксимировали касательными к ней, тангенсы угла наклона касательных задавали соответствующими коэффициентами.
На рис. 5 показано распределение полей эквивалентных деформаций в листе пи деформировании тонколистовой на этапе деформиро-
вания валом с эластичной оболочкой пи в до =0,27.
Рис. 5. Распределение полей эквивалентных деформаций в листе еЭкв при деформировании эластичным рабочим инструментом
Из рис. 5 видно, что при деформировании листа толщиной 5 о = 1 мм эквивалентные деформации в листе максимальны в зоне контакта с радиусной частью выступа профилированного валка. Их величина составляет £доп =0,1.
На рис. 6 покаано распределение полей эквиваентных напряжений аЭкв в листе на этапе деформирования вшом с эластичной оболочкой при вэдлОп=0,27.
Fringe Levels 9.009е+01 _ a.iize+oi _| 7.214е+01 _L G.31 Ge + DI _ 5.418e+01 _ 4.521 e+01 3.623e+01 _ 2.725e+01 _ 1.828e+01 _
9.300e+00_l 3.229e 01 |
Рис. 6. Распределение полей эквивалентных нжряжений a^KE! в листе
Из рис. 6 видно, что эквивалентные напряжения в листе а^кв также максимальны в зоне контакта с радиусной частью выступа профилированного валка. Их значения составляют около 90 МПа, что выше предела текучести, который для аюмини АД-1 ^т = 50 МПа.
На рис. 7 показаны поля перемещений листа относительно плоскости выступа матрицы.
Fringe Levels
I
Рис. 7. Перемещения листа отноительно плоскости выступа профилированного валка
Из рис. 7 видно, что при деформировании валом с эластичной оболочкой лист отформован в полость матрицы по центру на максимльную глубину ^те0р =2,5 мм, что меньше требуемой глубины: формовки. Перемещения участка листа, контактирующего с плоскостью выступа профилированного вака, отсутствуют.
Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что напряжения, создаваемые на поверхности эластичной оболочки при s до =0,27, недостаточны: для формовки в листовой заготовке из аюминия марки АД-1 каналов требуемой глубины: Нт. Необходима дополнительна обработка заготовки жестким рабочим инструментом, в том числе для выравнивания поперечного сечения канаов по всей длине заготовки.
На втором этапе теоретических исследований изучаи процесс деформирования тонколистовой заготовки жестким профи лированным вшом при прохождении клети .№4. Исследоваи напряжежо-деформированное состояние предварительно отформованной на глубину канала 2,5 мм тонколистовой заготовки.
Для этого была создана объемная математическа конечноэлементна модель, по анаогии с моделью 3-й клети.
Математическа модель содержит следующие контактные пары1: верхний жесткий профилированный валок - предварительно деформированный лист; предварительно деформированный лист - нижний жесткий профилированный ваок. Оба жестких вака были заданы1 элементами con-ta 52, лист - элементами shell 183, преднаначенными для описания прочностных твердотельных элементов. Билинейное изотропное упрочнение пластически деформируемых элементов shell модели листа задаваи зависимостью напряжения текучести от степени деформации as = f (в) аю-миния [1].
При деформировании листа толщиной Sо=1 мм эквиваентные деформации в листе максимаьны1 в зоне контакта с радиусной частью вьы
ступа профилирован ого вака, их величина составляет s^ori=0,25 (рис. 8).
Fringe Levels 2.591 е-01 _
2.332е-01 2.073е-01 _U 1.814е-01 _
1.555е-01 _
1.296е-01 _
1.037е-01 _
7.775е~02_
5.1 83е~02 _
2.592е-02_И 5.868е-06_И
Рис. 8. Распределение полей эквивалентных деформаций в листе 8экв ри деформировании эластичным рабочим инструментом
Эквивалентные напряжения в листе с^Экв таюке максимальны в зоне контакта с радиусной частью выступа нижнего профилированного вика. Их значения составляют около 110 МПа (рис. 9).
Рис. 9. Распределение полей эквивалентных напряжений а^кв в листе
При деформировании валом с эластичной оболочкой лист отформован в полость матрицы по центру на максимаьную глубину ^те0р =5
мм (рис. 10). Перемещения участка листа, контактирующего с плоскостью выступа нижнего профилированного валка, отсутствуют.
Рис. 10. Перемещения листа относительно плоскости выступа
профилированного валка
Переход на данный метод и сочетание его с применением эластичного инструмента позволяет обойти недостатки как оборудования для ло-каьной формовки, так и многоваковых профилегибочных станов:
- так за счет одновременного формирования рельефа по всей ширине обрабатываемого листа и уменьшения количества операций, необходимых для получения рельефа, снижаются габариты: профилегибочного многовакового оборудования;
- происходит экономия материаа заготовки до 30 % из-за замены: метода гибки (когда профиль набирается путем уменьшения ширит: заготовки) на метод знакопеременной формовки (здесь рельеф формируется путем утонения материаа).
Благодаря наичию промежуточных каибрующих клетей выравнивается глубина канаов по ширине заготовки и увеличивается степень деформации заготовки, что позволяет обрабатывать листовые заготовки толщиной более 0,5 мм из тру дно деформируемых сплавов, т. е. увеличивать глубину кнаов, полученных в предыдущей клети с эластичным инструментом.
Библиографический список
1. Семенов И.Е. Современное оборудование для деформирования тонколистового метала эластичным рабочим инструментом // 50 лет кафедре оборудования и технологии прокатки. М: МГТУ им. Н.Э .Баумана, 1999. С.35-44.
2. Закиров И.М., Л:сов М.И. Гибка на ваках с эластичным покрытием. М.: Машиностроение, 1985.
3. Феофанова А.Е. Напряженное состояние листовых заготовок при совмещении формовки элементов сих одноосным растяжением // Вестник машиностроения. 2002. .№5. С. 67-69.
Semenov I.E., Rigenko S.N., Povorov S.V.
Process of forming thin sheet aluminium preparation between rigid shaft and shaft with an elastic nozzle is considered.
The is fmit-element models describing processes consecutive forming of longitudinal channels in preparation by the rotating elastic tool and the rigid tool for thin sheet of metals are created. Pictures of fields of movings, deformation and pressure are received. The received results (and their comparison with experimental data) allow to recommend the given model for calculation of processes формовки. Keywords: polyurethane, movings, deformations and pressure, is fmal-element model.
Получено 05.08.09
