УДК 621.981
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАМКНУТОГО ПРОФИЛЯ СОЕДИНИТЕЛЯ ВОЗДУХОВОДОВ ПО ПОЛУЗАКРЫТОЙ СХЕМЕ ФОРМОВКИ
А.В. Филимонов, В.И. Филимонов
Разработана технология производства в валках профиля соединения воздуховодов, использующая полузакрытую схему формообразования. Приведены этапы разработки технологии, сопутствующие технологические расчёты и показатели точности изготовленного профиля.
Ключевые слова: профилирование, соединитель воздуховода, число переходов, зона плавного перехода, формующий валок.
В промышленных системах вентиляции широко применяют соединители воздуховодов, полученные поперечной резкой гнутого замкнутого профиля сложной конфигурации. Сам гнутый профиль целесообразно получать на профилировочном станке, так как его изготовление в штампах имеет низкую точность, малую производительность и высокую трудоёмкость [1]. К сечению профиля предъявляются повышенные требования по точности зазора между дном и параллельным ему элементом для обеспечения плотности соединения с помощью штампованных уголков.
Разрабатываемая технология базируется на методе интенсивного деформирования (МИД) [1], который отличается от традиционного профилирования применением модульного номенклатурно-ориентированного оборудования (вместо дорогого универсального), использованием особой схемы формообразования с меньшим числом переходов, применением формующих валков небольших размеров с замкнутым контуром, совмещением формообразования с правкой. Этапы создания технологии МИД предусматривают: 1) анализ технологичности конструкции профиля, 2) расположение его сечения в чистовой клети, 3) определение базового элемента и оси профилирования, 4) расчёт числа переходов, 5) разработку схемы формообразования, 6) выбор оборудования, 7) проектирование процесса и технологического оснащения, 8) изготовление оснащения и его отладку, 9) внедрение технологии в производство.
Освоение производства указанного профиля представляет собой далеко не тривиальную технологическую задачу. Это связано с возникновением различных дефектов при ошибках в схеме формообразования (дефекты неустойчивости формоизменения: излом полок, кромковая волнистость, переформовка или смятие элементов профиля; дефекты формы и размеров: скрутка или саблевидность и отклонение размеров сечения) [1].
Цель работы: разработка и внедрение технологии производства профиля «соединителя воздуховода» в ООО «НПТ» (г. Нижний Новгород).
Освоению подлежал замкнутый профиль соединителя воздуховода 20x27x8,5x0,7 мм (рис. 1). Предварительно был выбран профилировочный станок производства ООО «Спецтехнология» СПУ-400К12 с наращиваемыми модулями (четыре клети в одном модуле) [2]. Концепция освоения профиля базировалась на общей методике разработки технологии производства многоэлементных полузамкнутых и замкнутых профилей [1, 3]. Требования к профилю были следующими: 1) неуказанные предельные отклонения размеров - Н14, Ь14, 1Т14/2; 2) неуказанные внутренние радиусы - ±0,5 мм; 3) серповидность на длине 1 м, - не более 1,0 мм; 4) угол скручивания на длине 1 м, - не более 1°; 5) волнистость кромки - не более ±0,8 мм; 6) предельные отклонения углов - ±1°; 7) отклонения габаритных размеров сечения - не более +0,2 мм; 8) предельные отклонения зазора (вдоль дна профиля) —0,1 мм. Ниже дано описание этапов разработки технологии.
Рис. 1. Исходная конфигурация профиля 20*27x8,5*0,7мм
Анализ технологичности конструкции профиля обычно проводят по 34 признакам [4] на стадии технического задания на разработку технологии. Для некоторых видов профилей аналогичного типа по согласованию с заказчиком можно вводить продольный (конструктивный или технологический рифт) на гладкой вертикальной полке для предотвращения кромко-вой волнистости. Такой рифт, не входящий в противоречие с функциональным назначением профиля, улучшает условия формовки и предотвращает возникновение указанного дефекта [3]. В данном случае ширина полки небольшая, поэтому введение рифта не требуется, а по остальным показателям профиль был признан технологичным.
Расположение несимметричного профиля в чистовой клети обычно выполняют открытой частью вверх с наклоном донной части профиля на угол Да [3]
Да = 0^02*2, (1)
Ъ\ + ¿2
где а1, а2 - углы подгибки левой и правой несущих полок; Ъь Ь2- ширина левой и правой несущих полок соответственно.
Для данного профиля ширина одной несущей полки Ъ1 = 12 мм, а другой Ъ2 = 27 мм; углы подгибки а1 = 270°, а2 = 90°. Расчёт по формуле (1) даёт Да = 20,7°. Это означает, что дно профиля следует повернуть на 20° по
76
часовой стрелке, что позволит выполнить формовку «носка» профиля и уменьшить различие перемещений торцов для предотвращения скрутки или саблевидности профиля. «Раскрыв» профиля вверх позволяет оператору контролировать ход процесса и доставляет определённое удобство при отладке технологии. Расположение сечения профиля в чистовой клети предопределяет выбор «базового элемента» и «оси профилирования».
Базовый элемент (БЭ) и ось профилирования (ОП) в МИД связаны с физическим участком заготовки (прямолинейным элементом или зоной изгиба), который обычно контактирует с нижними участками валковой пары [3]. Это отличает МИД от традиционного профилирования, где эти два понятия соотносятся со скоростным режимом формовки и часто не связаны физически с телом заготовки. Например, в различных способах формовки труб ось профилирования располагают «по нижней точке», «по центру тяжести», «по единому уровню кромок» [5]. В двух последних случаях базовый элемент не имеет физического тела, хотя и представляется геометрически точкой и отрезком (соединяющим торцы заготовки) соответственно. Физически, различие в выборе базового элемента и оси профилирования заключается в том, относительно какой точки происходит поворот сечения профиля при формообразовании (рис. 2,а и 2,б). Если на рис. 2,а базовым элементом является зона изгиба, то на рис. 2,б - дно профиля. Этот неоднозначный выбор иногда диктуется условиями формовки закрытых угловых зон (односторонний доступ инструмента) и заданием радиусов изгиба на предварительных переходах, хотя в МИД радиусы изгиба чаще всего задают с первого перехода в отличие от традиционного профилирования [6], где радиус меняется монотонно по переходам. В целом, выбор базового элемента и оси профилирования может отражаться на скоростном режиме формовки (различие скоростей по высоте сечения) высоких профилей, а также выборе технологических баз при изготовлении формующих валков.
Рис. 2. Схема формообразования профиля: а - БЭ - угловая зона; б - БЭ - дно профиля
77
Расчёт числа переходов для многоэлементных профилей в МИД формализован и дается зависимостью (2) (хотя в традиционном профилировании это обусловлено традициями научных школ) [7]:
где Д - смещение кромки в вертикальной плоскости, содержащей оси рабочих валов клети последнего перехода, по отношению к соответствующим точкам плоской заготовки, мм; Ьм - межклетьевое расстояние профилировочного станка, мм; Ь - предельный угол «стеснения» заготовки, рад; Н, Ш - высота и ширина сечения профиля соответственно, мм; б - приведённая толщина профиля; к - квалитет сечения профиля; Т - допуск размера сечения для квалитета к, мм; о8, ов - пределы текучести и прочности материала заготовки, МПа; п - число зон изгиба профиля; - суммарный угол подгибки несущей полки, рад.; п - безразмерный форм-модификатор, учитывающий особенности технологии.
Ошибка расчёта по формуле (2) обычно не превышает 0,7 перехода [7]. Однако для несимметричного профиля расчёт выполняют по левой и правой сторонам профиля из-за различий перемещения кромок (ср. схемы а и б на рис. 2), что даёт различные значения числа переходов, из которых наибольшее объявляется искомым (здесь оно равно 12). В схеме а отношение смещений левого и правого торцов составляет 1,31, а в схеме б -1,15.
В традиционном профилировании вертикальная плоскость, содержащая ось профилирования, делит заготовку примерно пополам, что должно было бы обеспечивать равенство продольных деформаций кромок и, следовательно, отсутствие скрутки или саблевидности профиля. [3]. Схема а (рис. 2) данному условию вполне удовлетворяет, а схема б - нет, однако эта «технологическая асимметрия», связана с различной жёсткостью подгибаемых полок с левой и с правой сторон. Если подгибаемую полку с элементами жёсткости привести к «эквивалентной полке», то расчёт продольных деформаций (с учётом углов подгибки за переход), например, по формуле Чанга, даст приблизительно их одинаковые значения [8].
Разработку схемы формообразования начинают с расчёта ширины заготовки по средней линии с учётом нормированного приращения ширины [1, 3]. В среде трёхмерного моделирования по реперным точкам (торцы заготовки и будущие зон изгиба) создают трёхмерную модель и вычленяют сечения модели по переходам с корректировкой последовательности подгибки элементов, образуя линейную или розеточную схему формообразования. Корректировку углов подгибки, обеспечивающих равенство продольных деформаций кромок, ведут по итерационной процедуре
[1, 9].
Одновременно с назначением углов подгибки следует выполнять расчёт протяжённости зоны плавного перехода Ьк (к - номер перехода) [10]:
^ =
г~( г 2 + 3г ^
3л/3 — От о +---1
3 10 10
V
8 3 • С • 8 = +
г
2-0
к
•{°Т 0 +1-епр )-е пр
(3)
где Ь - ширина полки; где аТ0 - предел текучести материала заготовки; X -модуль линейного упрочнения, г, С - относительный радиус и относительная ширина дна профиля соответственно; 8 - толщина заготовки; епр -справочная величина предельной упругой деформации [10].
Это даёт возможность уточнить углы подгибки вк по критерию отсутствия переформовки заготовки на основе неравенства:
0к < гаМ(Ь{0)-Ь„,0) , (4)
где Ь(в) - функция, определяемая формулой (3); Ьм - межклетьевое расстояние профилировочного станка.
По готовой схеме формообразования выполнили окончательный выбор оборудования, уточнив число клетей, требуемую мощность, длину и диаметры валов, межосевое и межклетьевое расстояние станка.
Проектирование процесса и технологического оснащения, изготовление формующего инструмента и его отладку ведут согласно расчётным зависимостям и рекомендациям работ [1, 3]. На рис. 3 показаны формующие валки для изготовления профиля.
Рис. 3. Комплект валковой оснастки: 1 -12 - номера переходов
В таблице приведены данные по основным параметрам изготавливаемого профиля, соответствующие требованиям к профилю по чертежу. Размеры дна, полок и «носка» измеряли электронным штангенциркулем с разрешением 0,01 мм на длине 200 мм через каждые 20 мм, ширину зазора между дном и горизонтальной полкой - с помощью прибора МПБ-2 с 20-кратным увеличением. Замеры проводили десятикратно, обработку данных выполнили в БХСБЬ-2007.
Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 1 Параметры профиля 20*27*8,5*0,7мм и его образцы
Контролируемый параметр и его номинальное значение Среднее значение Стандартное отклонение для генеральной совокупности Доверительный интервал при уровне значимости 0,05 Предельные отклонения IT14/2 Образцы профиля для измерений
С = 20 мм 20,17 0,041 0,024 ±0,26
HR = 24 мм 24,16 0,056 0,033 ±0,31
HL = 27 мм 28,92 0,054 0,032 ±0,26
*Delta = 3,0 мм 2,93 0,040 0,024 (±0,15)
**h = 8,5 мм 8,48 0,027 0,016 (±0,18)
Примечания: С - ширина дна; HR - высота по правой полке; HL - высота по левой полке; Delta - зазор между дном и горизонтальной полкой (контролируемый и присоединительный размер); h - высота «носка» профиля. * Допуск по чертежу: -0,1 мм; **Допуск на радиус ±0,3 мм
Разработанная авторами методика проектирования технологии сложных гнутых профилей позволила создать и внедрить в промышленность линию производства «соединителя воздуховода» и сократить на 37 % затраты на отработку технологии.
Список литературы
1. Филимонов А.В., Филимонов С.В. Изготовление полузакрытых гнутых профилей в роликах методом интенсивного деформирования / под ред. проф. В.И. Филимонова. Ульяновск: УлГТУ, 2010. 206 с.
2. Филимонов С.В., Филимонов В.И., Филимонов А.В. Автоматизированные линии производства гнутых профилей // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 4. С. 39 - 44.
3. Филимонов С.В., Филимонов В.И. Интенсивное формообразование гнутых профилей. Ульяновск: УлГТУ, 2008. 444 с.
4. Технологичность конструкции и производства гнутых профилей / В.И. Филимонов, С.В. Филимонов, С. А. Карпов, И.В. Кокорина // Справочник. Инженерный журнал. 2015. № 8. С. 11 - 17.
5. Технология трубного производства / В.Н. Данченко, А.П. Коли-ков, Б.А. Романцев, С.В. Самусев. М.: Интермет инжиниринг, 2002. 640 с.
6. Влияние радиуса изгиба на длину зоны плавного перехода подгибаемой полки гнутого профиля / И.О. Лисин, В.И. Филимонов, С.В. Филимонов, С.А. Карпов // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. научн. тр. Магнитогорск: МаГТУ им. Г.И. Носова, 2014. Вып. 20. С. 40 - 49.
80
7. Расчёт числа технологических переходов при профилировании заготовки методом интенсивного деформирования / В.В. Лапин, В.И. Филимонов, В.И. Лапшин, С.В. Филимонов // Заготовительные производства в машиностроении. 2014. №2. С. 24 - 28.
8. Митукевич Р.В., Филимонов С.В., Филимонов В.И. Оптимизация углов подгибки полок профиля на основе модели Чанга // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: сборник научных трудов Девятой Всероссийской НПК (Ульяновск, 1 - 2 октября 2015 г.). Ульяновск: УлГТУ, 2015. С. 250 - 252.
9. Филимонов С.В., Филимонов А.В., Филимонов В.И. Модель зон плавного перехода при интенсивном формообразовании профиля из упрочняющегося материала // Производство проката. 2008. № 10. С. 26 - 32.
10. Лапин В.В., Филимонов С.В., Филимонов В.И. Предельное формообразование гнутых профилей на профилировочных станках // Вестник Концерна «ПВО «Алмаз-Антей». 2015. № 2. С. 41 - 48.
Филимонов Андрей Вячеславович, канд. техн. наук, гл. инж., philimo-nov_a@mail.ru, Россия, Бор, Новые промышленные технологии,
Филимонов Вячеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., fwiumz@mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет
MANUFACTURING OF CLOSED PROFILE FOR AIR DUCT CONNECTORS USING
SEMI-CLOSED FORMING DIAGRAM
A.V. Filimonov, V.I. Filimonov
There was developed a roll-forming technology of a profile for air duct connectors manufacturing on the basis of semi-closed forming diagram. There are described the technology development stages, concomitant technological calculations and accuracy specifications of the manufactured profile.
Key words: roll-forming, air duct connector, number of passes, forming zone length, forming roll.
Filimonov Andrey Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, chief engineer, philimonov_a@,mail. ru, Russia, Bor, New Industrial Technologies,
Filimonov Vyacheslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, fwiumz a mail.ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University