CC BY
21
УДК 629.73.002
НАПРАВЛЕНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ПРОФИЛЕЙ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
© 2018 Е.В. Маркова, А.М.Ф. Аль-Дарабсе, И.Г. Нуретдинов
Институт авиационных технологий и управления Ульяновского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 01.11.2018
В статье авторами рассматриваются направления интенсификации процесса изготовления тонкостенных профилей методом стесненного изгиба на основе деформирования листового материала на волочильно-прокатных установках типа ВПУ-120/5,5; ВПУ-120/7,5 и др. Формируются направления интенсификации формоизменяющих гибочных операций; рассматривается процесс интенсификации за счёт проведения оптимальных режимов термомеханической обработки в зависимости от механических свойств формуемого материала; устанавливаются математические зависимости процесса волочения тонкостенных профилей в роликовом формующем инструменте при создания аксиального сжатия по зонам сгиба; рекомендуются схемы и способы формообразования с предоставлением графоаналитических моделей. Ключевые слова: тонкостеныне профили, качество, летательыне аппараты.
Ужесточение требований ко всем критериям работоспособности подкрепляющего набора панельных конструкций летательных аппаратов (ЛА) при повышении их ресурса и снижении массы конструкций привели к необходимости применения более высокопрочных и менее технологичных низкопластичныхматериалов, замене прессованных профилей гнутолистовыми. Для повышения технологичности и качества тонкостенных профилей из листовых заготовок наиболее целесообразно использовать процессы волочения и сочетания волочения с прокаткой, используя метод стеснённого изгиба (СИ) и пути его интенсификации [1].
Стесненный изгиб, создающий в зоне сгиба условия деформирования близкие к объемному сжато-напряженному состоянию материала, сам по себе является средством интенсификации процесса гибки, как одного из наиболее распространенных из формоизменяющих операций. Получение за 3-4 перехода профилей весьма сложной формы сечения при 12-18 зонах сгиба вместо 10-14 переходов при традиционных методах гибки, делает стесненный изгиб экономически целесообразным даже при мелкосерийном производстве летательных аппаратов (рис. 1).
Для осуществления гибки в условиях сжато-напряженного состояния (СИ) потребовалась Маркова Елена Владимировна, кандидат экономических наук, доцент кафедры «Экономика, управление иинформатика». E-mail: [email protected] Амер Мохаммад Фархан Аль-Дарабсе, студент группы АСВдс-41 кафедры «Самолето- и вертолетостроение». E-mail: [email protected] Нуретдинов Ильдар Габбасович, кандидат экономических наук, доцент, заведующий кафедрой «Экономика, управление и информатика». E-mail: [email protected]
разработка и специального оборудования, и специальных средств технологического оснащения процесса [2]. Созданные гибочно-прокатные станки моделей от ГПС-200 до ГПС-300М6, волочиль-но-прокатные установки ВПУ-120/5,5, ВПУ-120/7,5 и разработанные в их развитие устройства для изготовления профилей посвоим конструктивным особенностям и принципу работы дополнительно интенсифицируют гибочные операции. Перечисленное оборудование позволяет изготовлять уголковые, швеллерные зетовые и корытообразные профили широкой номенклатуры с глубиной формовки от 8 до 50 мм, даже 75 мм, при использовании различных листовых материалов толщиной от 0,5 до 2,5 мм и схем формообразования в 3-5 переходов (рис. 2).
Интенсификацией уже стесненного изгиба являются гибки-волочния и сочетания волочения с прокаткой, при которых возможно улучшить микроструктуру поверхностного слоя и повысить точностные возможности, практически исключив пружинение за счет создания расчетных внутренних силовых факторов в зонах наибольших пластических деформаций. Это позволяет исключить доводочные работы, что непременно сопутствует гибке традиционными методами.
В установках, например, ВПУ-120/7,5 и ги-бочно-прокатном комплекс на базе волочильного стана ЦС-28 одновременно с профилированием листовой заготовки ведется правка изготовляемого профиля растяжением за счет приложения в очаге наибольших пластических деформаций усилия волочения-растяжения. Этим исключается применение специализированного оборудования для правки растяжением типа ПГР-7, ПГР-8 илиУППР-1.
V, V^v, VrV, ч-v,
1 переход
2 переход
3 переход 4 переход
1 переход
2 переход
WwVtl^tN^
Л переход
4 переход
5 переход
Рис. 1. Интенсификация процессов стесненного изгиба: а - сочетание процессов волочения и прокатки. Усилия подпора Pal' Pa2', усилия аксиального растяжения Pal' Pa2' при изготовлении профилей с продольной кривизной: б - изготовление профиля замкнутой формы сечения; в - изготовление профиля с 12-18 зонами сгиба
ПОЛйЧСННС
обличение
прокатка
прокатка
аояочеттие
волочение
3 Ш- -ад -Е43-
Рис. 2. Схемы и способы формообразования профилей из низкопластичных материалов при волочении в сочетании с прокаткой при холодной деформации стеснённым изгибом:
а, б - наиболее целесообразные варианты
Интенсификации формоизменяющих гибочных операций при изготовлении профилей из листовых заготовок служит создание в процессе профилирования осевого подпора в зоне наибольших пластических деформаций, что
создает не только тангенциальные и радиальные сжимающие напряжения, но и аксиальные, благодаря чему становится возможным увеличение степени деформаций на каждом переходе и сокращение их числа до трех-пяти, то есть в
2-3 раза по сравнению с традиционными методами гибки.
На созданном гибочно-прокатном оборудовании за счет интенсификации методов формообразования освоена технология свертывания листовой заготовки, как особого процесса гибки, из сталей и алюминиевых сплавов толщиной 0,8...1,5 мм для последующего изготовления сварных труб диаметром от 15 до 80 мм.
Сочетание методов стесненного изгиба и традиционного профилирования листовых заготовок - новый освоенный в процессе исследований путь интенсификации стесненного при изготовлении гнутых профилей сложной формы поперечного сечения с 12-18 зонами сгиба (см. рис. 1).
Интенсификацией процессов стесненного изгиба является проведение оптимальных режимов термомеханической обработки (ТМО), которая в зависимости от механических свойств материала может быть низкотемпературной (НТМО). Так, что за счет НТМО при изготовлении профилей из алюминиево-литиевых сплавов удалось повысить механические свойства (Бв'Б0,2') на 150-200 МПа, почти не снижая относительное удлинение й, % и даже повышая его.
Необходимо установить математические зависимости параметров процесса волочения тонкостенных профилей в роликовом формующем инструменте с созданием аксиального сжатия за счёт различных окружных скоростей на предварительном и окончательном переходах [2]. При этом возможно исключить потерю устойчивости за готовки, что характерно для процессов прокатки длинномерных тонкостенных профилей за счёт согласования величины допустимого аксиального сжатия Раи величины зазора И (Бк) в последующей роликовой паре.
Рассмотрим механизм взаимодействия Радвухстороннего сжатия профиля роликами на переходе предварительного формообразования (рис. 3).
Для выделенного элемента профиля йхусловие равновесия имеет вид:
- а^з - ЪрёХ^ + = О,
(1)
где 5 - толщина элемента;
- напряжение в направлении координаты X; р - нормальноедавлении со стороны роликов; а - уголнаклона зоны контакта с роликом к продольной оси;
[ - коэффициент трения скольжения. С учетом условия пластичности (1) получаем дифференциальное уравнение для вычисления р
(2)
где ^ - толщина исходной заготовки;
- величина зазора в роликах;
- предел текучести материала. Приведенное значение радиуса Я, вычисляется по формуле:
где и - радиусы верхнего и нижнего роликов соответственно.
Интегрирование уравнения (2) дает:
и
-
л/*«-1* С + ^ -"п
(3)
где С - постоянная интегрирования.
Граничные условия для входного сечения -нулевые, а для выходного должно выполняться соотношение — аа = 0. Принимая граничные условия, из формулы (3) получаем нормальное давление Рл на входе в ролики:
К + йЛУ1 = К (1 + (4)
Здесь 1 = I1—— ,
Для выходной зоны знак коэффициента трения скольжения, меняется на противоположный и определив постоянную интегрирования из граничного условия [4], получаем распределение нормального давление Р2 в выходной зоне:
Рис. 3. Схема взаимодействия инструмента и заготовки при создании аксиального сжатия: а - силовые факторы при обжатии заготовки по толщине; б - создание аксиального сжатия при волочении
(5)
где С - постоянная интегрирования.
Суммарное нормальное усилие Рп , действующее на заготовку, определится:
Ря = В3^Р2Ьдёх + £3 р! (л) ¿х (6)
где Вц - ширина заготовки:
;гЕ - протяженность зоны контакта заготовки и роликов, равная я ^.' 2/1;
- координата нейтрального сечения, определяемая из условия согласования значений Р1 (х) И Рп (VI для входной и выходной зон соответственно.
При наличии аксиального сжатия в условиях, близких к созданного в роликах проскальзывания, нейтральное сечение смещается в сторону входного сечения и тогда хв & жн.
В таком случае после проведения интегрирования нормальное усилие Рг в выражении (6) получит вид:
!
^^
(7)
С учетом ХЕ/П = \'2/1 <0,03, с точностью, достаточной для принятого рассмотрения, можно определить аксиальное усилие Ра:
К = (8)
Тогда интегральное условие проскальзывания примет вид:
Ра =
(9)
-д-Л
¡г^ДдЛ Г Ду? /Л-1 '
(10)
Следует заметить, что при Ящ > (прокатка) связь величины зазора в роликах с величиной Рс не зависит от Зэ и формы сечения заго-
товки. Но в случаях, когда > (волочение) и когда рассматривается разложение сил в сечения с координатой, близкой к ХЕ оба указанных фактора играют существенную роль. При этом надлежит рассмотреть задачу о действующих на заготовку со стороны роликов радиальных нагрузках [5].
Используя известные уравнения (8), описывающие поведение осесимметричных оболочек, получим выражение для нормального давления на заготовку со стороны роликов (рис. 4)
где Р - нормальное давление на /-омучастке заготовки (/ принимает значения, равные 1 и 2);
р. - угол наклона обжатой зоны по отношению к продольной оси;
Р} - радиус кривизны заготовки в трансвер-сальном сечении на /-ом участке заготовки.
Здесь
//
.
Суммарное усилие Рпи действующее на еди-
(12)
ницу длины заготовки, определится: р _ Л' + 'Ир я I — Г:'
гш р-1 '
Из формулы (9), с учетом (7) и (8) получим уравнение, позволяющее определить величину необходимого зазора в паре роликов предварительного формообразования, чтобы создать потребное аксиальное усилие при условии » 1,0
где г - переменная интегрирования.
Из выражений (11) и (12) после интегрирования с точностью до одного процента имеем:
Аксиальное усилие определится следующим: Рс = (Рщр1 + 2Р„2р2)/71. (14)
При выборе схемы формообразования следует учитывать связь р1 и р2 (см. рис. 4) через ширину заготовки [4]
р1 - 2 р2
В..
,
На основании (14), используя аналог выражения (9), Ра = (га. я0.53, получим для случая .г: .г.. условие проскальзывания:
Рис. 4. Схема обжатия заготовки на предварительном переходе при изготовлении корытообразного профиля
Рис. 5. Номограмма для определения настроечных параметров процесса гибки-волочения
Таким образом, из уравнения (15) видно, что условия проскальзывания зависят от схемы формообразования и ширины исходной заготовки.
Полученные уравнения (10) и (15) полностью определяют условия проскальзывания при незначительно отличающихся от в меньшую или в большую сторону, В случает > используем формулу (15), а при < формулу (10). Кроме того, формула (15) дает нижнюю границу аксиального давления определяемого выражением (10), из которого следует: если Яъ = то проскальзывание наступает при сг_ = 0, хотя в действительности оно имеет место при ^а(15).
Исходя из формулы (10) построена номограмма (рис. 5), позволяющая определить величину аксиального сжатия в зависимости от величины зазора в роликах.
Для построения использованы новые переменные:
.
Значит, требуемое аксиальное сжатие можно
обеспечить путем выбора схемы формообразования при данной ширине заготовки, или регулированием зазора в роликах.
Причем, при выборе схемы формообразования потребуется учитывать ряд конкурирующих факторов: получение благоприятного напряженно-реформированного состояния в роликах окончательного формообразования, создание условий для обеспечения требуемого усилия сжатия, выдерживание больших аксиальных усилий без потери продольной устойчивости деформируемой заготовки и т.п. Решить такую задачу невозможно без рассмотрения вопроса оптимизации схемы формообразования [6].
Полученные аналитические зависимости создания аксиального сжатия с учетом схемы формообразования и величины зазора в роликовом инструменте, дают возможность определить настроечные параметры оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аль-Дарабсе А.М. Ф., Маркова Е.В. Автоматизированный метод обучения студентов инженерных специальностей. // В сборнике: Технологическое развитие
современной науки: тенденции, проблемы и перспективы. Сборник статей Международной научно-практической конференции, Уфа, 2018. - С. 4-6.
2. Колганов И.М., Тюнькин A.B. Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки методом конечных элементов при формировании гнутоли-стового профиля стесненным изгибом // Авиационная промышленность. 2004. № 1. - С. 34-37.
3. Маркова Е.В., Морозов В.В. Методика оценки уровня конкурентоспособности продукции инновационного предпринимательства // Вестник
Самарского муниципального института управления, 2013. №1 (24).- С. 47-54.
4. Морозова Е.В. Моделирование деятельности инновационного образовательного комплекса. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. № 2(2). С. 306-310.
5. Морозова Е.В., Похвощев A.A. Организация инновационных образовательных комплексов: сущность и принципы. // Человек и труд,2009. № 4.- С. 45.
6. Морозова Е., Поварич И. Социальная защита в сфере труда // Человек и труд, 2005. № 8. - С. 20
DIRECTIONS OF INTENSIFICATION OF PROCESS OF MANUFACTURING OF SLENDER SECTIONS AND IMPROVEMENT OF THE QUALITY FLIGHT VEHICLES
© 2018 E.V. Markova, A.M.F. Al-Darabseh, I.G. Nuretdinov
The Institute of Aviation Technology and Management The Ulyanovsk State Technical University
In the article, the authors consider the directions of intensification of the process of manufacturing thin-walled profiles by the method of constrained bending based on the deformation of the sheet material on wire-rolling installations of the type VPU-120 / 5.5; VPU-120 / 7.5 and others. Forms directions of intensification of form-changing bending operations; the process of intensification is considered due to the optimal modes of thermo mechanical processing, depending on the mechanical properties of the material being molded; the mathematical dependences of the process of drawing thin-walled profiles in a roller forming tool are established when creating axial compression along the bend zones; Recommended schemes and methods of shaping with the provision of grapho-analytical models. Keywords: thin-walled profiles, quality, aircraft.
Elena Markova, Ph.D., Associate Professor of the Department of «Economics, Management and Informatics». E-mail: [email protected]
Amer Mohammad Farhan Al Darabseh, a Student of ASVDS-4 of the Department «Aircraft and Helicopter Construction». E-mail: [email protected] Ilda Nuretdinov, Ph.D., Associate Professor, Head of the Department of «Economics, Management and Informatics». E-mail: [email protected]
