CC BY
29
Таблица 4
Критический размер трещины у деталей из различных сталей _рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-15_
Название детали Марка стали Формула Ирвина LC, мм
Балка рукояти 09Г2С L =f 8060 Y с У 1,12*320*1,77 ) (12,7)2 161,3
08ГДНФЛ L = f 9600 Ï L У 1,12*320*1,77 ) (15,13)2 229,0
Двуногая стойка 09Г2С Lc -{ 5600 Ï c У1,12*420*1,77 ) (6,72)2 45,2
08ГДНФЛ L =f 6400 ï c У1,12*420*1,77 ) (7,68)2 59,0
Стрела 09Г2С L = f 2800 Т У1,12*180*1,77 ) (7,84)2 61,52
08ГДНФЛ L = f 3200 ï У1,12*180*1,77 ) (8,96)2 80,35
Подкос 09Г2С Lc =f 3500 Ï c У 1,12*380*1,77 ) (4,64)2 21,5
08ГДНФЛ L =f 4000 T С У 1,12*380*1,77 ) (5,3)2 28,1
оборудования показывает, что морально показатели по сравнению с модифициро-устаревшая сталь 09Г2С (создана в начале ванной сложнолегированной сталью 50-х гг. прошлого века) имеет более низкие 08ГДНФЛ.
Статья поступила 08.09.2015 г.
Библиографический список
1. Макаров А.П. Развитие усталостных трещин в 3. Партон В.З. Механика разрушения: От теории к металлоконструкциях экскаваторов // Вестник практике. М.: Наука, 1990. 240 с.
ИрГТУ. 2011. № 11. С. 105-109. 4. Проектирование металлических конструкций:
2. Макаров А.П., Красноштанов С.Ю. Обеспечение учеб. пособие для вузов / В.В. Бирголев, И.И. Кош-запасными частями оборудования горных предприя- кин, И.И. Крылов, А.В. Сильверстов. М.: Стройиздат, тий: сб. науч. тр. / ИрГТУ. 2006. С. 122-124. 1990. 432 с.
УДК 621.982.5
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ПРАВКИ МАЛОЖЕСТКИХ ПОДКРЕПЛЕННЫХ РЕБРАМИ ДЕТАЛЕЙ РАСКАТКОЙ РОЛИКАМИ
© А.А. Макарук1, Н.В. Минаев2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлена раскатка роликами как эффективный способ формообразования и правки маложестких подкрепленных деталей, изготавливаемых из малопластичных алюминиевых сплавов. Показаны: методика определения технологических параметров процесса с учетом требуемых к получению/устранению компонентов деформации,
1Макарук Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, тел.: 89526106495, e-mail: [email protected]
Makaruk Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technology and Equipment of Machine-Building Industries, tel.: 89526106495, e-mail: [email protected]
2Минаев Николай Владимирович, научный сотрудник, тел.: 89642150149, e-mail: [email protected] Minaev Nikolai, Researcher, tel.: 89642150149, e-mail: [email protected]
рассчитанных на основе результатов измерения на координатно-измерительной машине, а также разработанный и внедренный в производство переносной раскатной инструмент для реализации процесса. Ключевые слова: раскатка роликами; правка; формообразование; подкрепленные маложесткие детали; крутка; двухосный изгиб.
IMPROVING EFFICIENCY OF LOW-RIGID RIBBED PARTS FORMING AND STRAIGHTENING BY ROLLING A.A. Makaruk, N.V. Minaev
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Rolling is shown as an effective method of forming and straightening of low-rigid ribbed parts made of aluminum alloys with low ductility. The paper discusses the methods determining the technological parameters of the process with regard to the deformation components required to obtain/eliminate and calculated on the basis of measurements performed by a coordinate measuring machines. It also describes developed and introduced in the production portable rolling tools for process implementation.
Keywords: rolling; straightening; forming; low-rigid ribbed parts; twist; biaxial bending.
Введение
Детали силового каркаса летательных аппаратов типа лонжеронов, рам, нервюр, поясов и т.п., изготавливаемые из термически упрочненных плит и профилей алюминиевых сплавов, имеют сложную несимметричную форму поперечных сечений (рис. 1). Толщина некоторых участков полотна составляет 2,2 мм, что с учетом большой длины позволяет назвать такие детали маложесткими. Наличие повышающих жесткость продольных и поперечных ребер, которые могут быть непараллельными (так называемые «малкованные» ребра, выходящие на аэродинамический обвод самолета), способствует образованию карманов на деталях. Под действием технологических остаточных напряжений после фрезерования на таких деталях, как правило, возникает коробление, которое выражается в двухосном изгибе, закручивании и изменении размеров.
Применение традиционных методов правки (гибка на прессе, обработка дробью) не всегда позволяет добиться требуемого результата, прежде всего, в связи с низкой точностью, большими габаритными
размерами и сложной формой подкрепленных ребрами деталей. Вместе с этим при изготовлении на Иркутском авиационном заводе - филиале ПАО «Корпорация «Ир-кут» к деталям предъявляются высокие требования по точности (допустимые отклонения формы составляют всего ±0,15 мм).
Ограничивающим фактором также служит использование в процессе изготовления малопластичного алюминиевого сплава 1933Т, так как в процессе гибки тонкостенных деталей из этого материала возможно образование трещин.
Способ формообразования и правки раскаткой роликами
Технологические возможности процесса могут быть существенно расширены за счет применения методов локального пластического деформирования, к которым относится раскатка роликами [1]. В позапрошлом веке аналогичный метод применялся в авиа-, автомобилестроении и малоразмерном судостроении, приспособление для его реализации называется «Английским колесом». В состав данной конструкции входит рама с закрепленными на
Рис. 1. Детали силового каркаса ЛА
ней двумя роликами, один из которых -опорный - имеет возможность перемещения для регулировки зазора. Устройство предназначено для обработки требуемых участков листовых деталей с целью получения криволинейной поверхности за счет уменьшения толщины заготовки в зоне раскатки. Процесс - трудоемкий и требует высокого мастерства исполнителей.
В настоящее время устройства для локальной раскатки роликами, подкрепленные ребрами деталей, являются переносными. Схема такого процесса показана на рис. 2.
В производстве данный процесс довольно эффективно применяется при формообразовании и правке подкрепленных ребрами деталей типа панелей, где требу-
ется получение деформации одноосного изгиба. При обработке таких деталей достаточно раскатывать только ребра, для определения режимов обработки - пользоваться схемой расчета асимметричных деталей и в качестве инструмента использовать, соответственно, только раскатники для ребер.
При раскатке роликами деталей с несимметричными поперечными сечениями (см. рис. 3) определение режимов обработки необходимо производить по схеме расчета тонкостенных стержней [2], учитывающей одновременное образование целого комплекса деформаций, возникающего в процессе обработки: изгиба в двух плоскостях и закручивания при приложении вне-центровых продольных сил.
Рис. 2. Схема обработки при раскатке роликами
Рис. 3. Деформации при раскатке роликами
Методика определения технологических параметров процесса
При определении требуемых к получению (устранению) стрел прогибов производится измерение отклонений детали в контрольных точках, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях изгиба с заданным шагом. Контроль угла закручивания при измерении для определенного участка детали осуществляется с помощью координат контрольных точек, расположенных в его крайних поперечных сечениях на расстоянии I. Для примера на рис. 4 показаны результаты измерения на координатно-измерительной машине отклонений детали типа «обод» для определения изгиба в плоскости ХОУ (отклонения от теоретического контура). Аналогичным
образом измеряются отклонения детали в плоскости 2ОУ (отклонения от плоскостности).
На основе протокола измерения ко-ординатно-измерительной машины определяются обрабатываемые раскаткой роликами участки детали. Для полученного участка (рис. 5) определяются средние отклонения контрольных точек с координатами в требуемых плоскостях, расположенных в трех поперечных сечениях:
Л; ср = (Ац+Аа + - + А1п)/М; (1) В{ ср = (Вц + Ва + - + Вы)/М; (2) где / - номер поперечного сечения участка детали; N - количество контрольных точек в /-ом поперечном сечении с координатами в требуемой плоскости изгиба.
Рис. 4. Результаты измерения отклонений детали типа «обод»
в плоскости ХОУ
Рис. 5. Отклонения участка детали
По средним отклонениям определяются устраняемые стрелы прогиба в двух плоскостях участка детали на базе a (рис. 6):
Гх = ¿2 ср-(А1 Ср+Лз ср)/2; (3)
¡г = В2 ср- (В1 ср + В3 р)/2 (4)
Устраняемый угол закручивания можно определить с помощью выражения (см. рис. 5):
18о(агсгд((В11 - В33)/0 -\ п \-атад((Вз1-В1з)/1)Г () При вычислении образующихся в процессе раскатки роликами продольных растягивающих сил, необходимых для получения требуемых форм обрабатываемых участков детали, наряду со стандартными геометрическими характеристиками поперечных сечений (моменты инерции и координаты центра тяжести), которые используются при определении кривизны в двух плоскостях, необходимы также крутильные характеристики поперечных сечений (сек-ториальный момент инерции и координаты
центра кручения) - при расчете угла закручивания (рис. 7).
Определение геометрических и крутильных характеристик поперечных сечений обрабатываемых деталей может выполняться с использованием опций программных продуктов, таких как Unigraphics и Lira Soft.
Совместным решением системы уравнений, учитывающей одновременное образование двухосного изгиба и закручивания при действии каждой из приложенных в поперечном сечении продольных сил, определяется комплекс необходимых растягивающих продольных сил и точек их приложения:
_ 8EJX
±Р± • Xi ± Р2 • Х2 ± ■■■ ± Рп • хп — — • fx;
а2
±P^Z1±P2^2±-±Pn^n —^•fo (6)
Pl^i + P2^2 + G]d
2(1-
chßl 2
+ Pn • ^n =
0,
а
f'
(h)
т ^___■ Г А2 ср (В2 ср)
/ Ai ср (В юр)
Азср (Вз ср)
Рис. 6. Определение стрелы прогиба участка детали
Рис. 7. Центры тяжести и кручения несимметричных поперечных сечений
где Р1, Р2,.. Рп - образующиеся в процессе раскатки роликами продольные растягивающие силы, действующие в поперечном сечении участка детали; х1,г1, х2,г2,... хп,гп - координаты точек приложения продольных сил; ш - секториальная площадь (удвоенная площадь сектора вгЛВ на рис.
7); Е - модуль упругости материала детали первого рода; С - модуль сдвига; ]х, ]г - осевые моменты инерции комплексного сечения детали; ]а - момент инерции на кручение поперечного сечения; а - база измерения стрелы прогиба; I - расстояние между поперечными сечениями; р - коэффициент пропорциональности, зависящий от механических свойств материала:
Р= ^,
здесь - секториальный момент инерции.
Инструментальное обеспечение разработанного способа
Для полноценной обработки подкрепленных ребрами деталей с целью получения (устранения) двухосного изгиба был разработан комплект переносного инструмента с возможностью раскатки как ребер, так и полотна (рис. 8). При этом учи-
тывались конструктивные особенности деталей: наличие продольно-поперечного оребрения и, как следствие, образование карманов с ограниченными размерами. Консольное расположение небольших роликов у раскатников (032 мм) позволяет производить обработку карманов относительно небольших размеров. Ролики раскатников выполнены сменными, что дает возможность их замены на ролики с другими профилями обрабатывающей поверхности (цилиндрической, конической или параболической формы), иными диаметрами и высотами. Рабочее усилие процесса раскатки на инструменте создается затяжкой силового болта при помощи динамометрического ключа. Перемещение инструмента относительно обрабатываемой детали осуществляется при вращении приводного ролика с помощью ключа-трещотки или обычного рожкового ключа.
Удельные (на единицу толщины) внутренние силы, действующие на деталь при раскатке роликами, определены опытным путем с помощью образцов в виде пластин, изготовленных из материалов обрабатываемых деталей. Измерение дефор-
б
Рис. 8. Инструмент для обработки ребер (а) и полотна (б) деталей
а
мации пластин производилось до и после обработки с изменением момента затяжки силового болта раскатника. На основе результатов измерений получены зависимости удельных внутренних сил, возникающих при раскатке, от момента затяжки силового болта, последовательно увеличиваемого при раскатке одного образца (последовательное нагружение) и зависимости, полученные при раскатке разных образцов (единовременное нагружение). С помощью данных зависимостей после расчета необходимого комплекса продольных растягивающих по формулам (6) определяются значения потребных моментов затяжки силовых болтов раскатников.
Выводы
На сегодняшний день правка раскаткой роликами - единственный метод, позволяющий устранять коробление в виде двухосного изгиба с закручиванием. С применением этого метода взамен прессовой обработки деталей из малопластичных сплавов типа 1933Т удалось добиться исключения потерь по браку до 50%. Внедрение разработанных методик расчета режимов обработки и инструмента позволили изготавливать детали, допустимые значения отклонений формы которых не превышают ±0,15 мм, снижение трудоемкости при этом составило 10-15%.
Полученные результаты легли в основу НИОКТР, запланированной на 20132015 гг. и направленной на создание совместно с ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» автоматизированной технологии формообразования и правки подкрепленных деталей раскаткой роликами. Работа предусматривает:
1. Создание специальной механизированной установки для формообразования и правки раскаткой роликами. Разрабатываемая установка позволит реализовать 2 схемы обработки:
- для легких деталей типа балок и
Библиогра
1. Пашков А.Е., Викулова С.В., Макарук А.А. Формообразование и правка маложестких деталей при помощи переносного инструмента // Высокие технологии в машиностроении: материалы Всерос.
профилей - с перемещением деталей по рольгангу стола относительно зафиксированного в требуемом положении рабочего органа с самозатягиванием при вращении роликов;
- для крупногабаритных деталей типа панелей - с перемещением рабочего органа, согласованным с вращением роликов, относительно неподвижной детали, например, размещенной на столе или в оснастке.
2. Разработку методики расчета и программного обеспечения для определения параметров процесса формообразования и правки раскаткой роликами на основе CAD модели и результатов измерения деформации детали на координатно-измерительной машине.
3. Отработку на конструктивно-подобных образцах и натурных деталях с последующим внедрением в производство автоматизированной технологии формообразования и правки подкрепленных деталей раскаткой роликами.
Выполнение перечисленных работ, по предварительным расчетам, позволит повысить производительность процесса правки в 1,5-2 раза.
Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.
Статья поступила 23.11.2015 г.
uiu список
научн.-техн. конф. с междунар. участием. Самара: СамГТУ, 2009. С. 156-159. 2. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1959. 574 с.
