CC BY
9
УДК 621.7.074
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-391-392
ШТАМПОВАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОНЦЕВЫХ УЧАСТКОВ БАЛОК В ВАГОНОСТРОЕНИИ
Е.Н. Сосенушкин, В.В. Белокопытов, Е.А. Яновская, А.С. Пономарева
С развитием инфраструктуры железнодорожного транспорта увеличилась потребность в подвижном составе, не исключением оказался и метрополитен. Одним из конструктивных элементов вагона является каркас, для построения которого применяются балки из гнутого швеллера. В статье приводится конструкция штампа для гибки концевых участков балок. Штамп снабжен комплектом сменных вставок, что позволило сократить количество штампов, используемых для разных типоразмеров балок. Дано описание конструкции и работы универсально-переналаживаемой штамповой оснастки. На основе анализа возможных перемещений точек наружной и внутренней образующих в результате гибки концевых участков балки рассчитана площадь контакта инструмента (пуансона) с заготовкой на конечной стадии гибки и определено удлинение полок изгибаемого участка в соответствии с изменением площади его поперечного сечения.
Ключевые слова: балка, гибка, штамп, полугорячая деформация.
Актуальность. В кузовных элементах вагонов железнодорожного подвижного состава [1, 2] для усиления каркаса используют балки, которые изготавливают из гнутого швеллера [3] с размерами hxt х s (h - ширина стенки; t - высота полок; s - толщина полок швеллера) по техническим условиям [4]. При производстве деталей вагонов, например, стоек ферм, верхней обвязки вагонов, хребтовых балок и др. применяют швеллеры из стали марки 09Г2Д [5] из группы конструкционных сталей для сварных конструкций, которая обладает повышенной коррозионной стойкостью против атмосферной коррозии.
Для стыкования балок их концевые элементы на заданной длине проходят этап обработки давлением для изменения размеров поперечного сечения. В качестве операций используют гибку и обрезку припуска [6]. Теоретический анализ операций листовой штамповки с оценками напряженно-деформированного состояние штампуемого металла проведен авторами работ [7-9].
Технологический процесс локального формоизменения, основанный на способе обработки концевых участков балки С-образного сечения [10] реализуется с помощью универсально-переналаживаемого штампа в условиях полугорячей деформации.
Конструкция штампа. Гибочный штамп (рис. 1) [11] для обработки концевых участков балки П-образного сечения путем уменьшения размера ее стенки по ширине, содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 плиты для монтажа деталей пакета, включающего секционный пуансон 3 и секционную матрицу 4, заключенную в обойму 5. Штамп снабжен узлом верхнего выталкивателя, выполненным в виде направляющей втулки 6, закрепленной посредством резьбового соединения 7 на верхней плите 1, пружины сжатия 8, расположенной на наружной поверхности направляющей втулки 6, связанного с ней выталкивателя 9 и размещенного в осевом отверстии направляющей втулки 6 винта 10 для ограничения хода выталкивателя 9. Секционный пуансон 3 состоит из средней секции 11 (рис. 1 а), на которой закреплен задний упор 12 (рис. 1 б) для ограничения длины обрабатываемого концевого участка балки, и сменных боковых секций 13 и 14, выполненных ступенчатыми и скрепленных со средней секцией посредством резьбового соединения 15 (см. рис. 1 б). Секционная матрица 4 выполнена в виде ответных пуансону сменных ступенчатых секций 16 и 17, имеющих рабочую часть с формой и размерами, соответствующими форме и размерам боковых секций 13 и 14 пуансона 3. Технологический зазор между сменными боковыми секциями 13 и 14 пуансона 3 и ответными ступенчатыми сменными секциями 16 и 17 матрицы 4 имеет постоянную по всей рабочей длине пуансона 3 и матрицы 4 величину, равную заданной толщине отогнутых полок балки, а выталкиватель 9 выполнен с возможностью прижатия стенки обрабатываемого концевого участка балки к верхней плоскости пуансона 3 с силой, препятствующей прогибу упомянутой горизонтальной стенки.
Обойма 5 через опору 18 соединена с верхней плитой 1 шпилькой 19. Для совмещения подвижных и неподвижных частей штамп снабжен направляющими элементами в виде направляющих колонок 20, закрепленных в нижней плите 2 и направляющих втулок 21, запрессованных в верхнюю плиту 1. Упомянутые направляющие элементы 20 и 21 в собранном виде представляют собой узлы скольжения, повышающие точность позиционирования рабочих деталей штампа.
Незадействованные сменные секции пуансона 3 и матрицы 4 (позиции с 22 по 35 см. рис. 1 а, б, в) устанавливаются пакетами на нижней плите 2 штампа с задней и левой сторон и закрепляются с помощью резьбовых соединений.
Этапы изменения размеров сечения заготовки. Технология пластической обработки концевых участков балок [12] с помощью штампа для гибки [11] осуществляются следующим образом.
Предварительно отрезанную необходимой длины заготовку в виде гнутого швеллера [4], с локально нагретым в индукторе до температур полугорячей штамповки (900°С с учетом потери тепла при
переносе к месту штамповки) концевым участком, ориентированным полками вниз, устанавливают на пуансон 3, который состоит из сменных секций 11, 13 и 14. Во время работы штампа (см. рис. 1) при перемещении его подвижных частей вниз сначала на горизонтальную стенку заготовки из швеллера, опускают выталкиватель 9, действующий локально на длине обрабатываемого концевого участка, во избежание смещения и в дальнейшем прогиба стенки заготовки. Далее, постепенно, по мере движения матрицы 4 вниз, прижимают секциями 16 и 17 матрицы 4 противоположные полки концевого участка заготовки к пуансону 3, имеющему по ширине размер, меньше размера исходного сечения балки на заданную величину, изменяя, тем самым, размер поперечного сечения концевого участка заготовки на заданной длине. Схема перемещения точек внешней и внутренней образующих балки в очаге деформации при изгибе полок на заданный радиус показана на рис. 2.
а
32
35 34 33
б
Рис. 1. Схема штампа для гибки концевых участков балки: а - главный вид (сечение Б-Б);
б - план низа (начало)
Рис. 1. Схема штампа для гибки концевых участков балки: а - главный вид (сечение Б-Б);
б - план низа; в - вид сбоку; г - план верха
Отмечено положение матрицы в начале гибки, в момент касания радиусного участка швеллера, и в конце гибки. При этом противоположные полки швеллера, не изменяя вертикального положения, смещаются в направлении продольной оси балки на величину технологического зазора, равного толщине полок. В гибочный штамп (см. рис. 1) для обработки концевых участков балок П-образного сечения, в нашем примере швеллера, заготовку, подают нагретым концом вперед и фиксируют длину обрабатываемого концевого участка по заднему упору 12 (см. рис. 1 б).
После включения пресса на рабочий ход выталкиватель 9 механизма верхнего выталкивания, прикрепленного к верхней плите 1 штампа, который связан с пружиной сжатия 8, опускают на стенку заготовки и на длине обрабатываемого концевого участка прижимают ее к верхней плоскости пуансона 3, состоящего из сменных секций 11, 13 и 14. По мере движения верхней плиты 1 штампа вниз пружина 8 сжимается, что ведет к увеличению силы, прижимающей выталкиватель 9, который при одновременном сжатии полок противоположно установленным секциями 16 и 17 матрицы 4 (см. рис. 1 а), препятствует прогибу стенки концевого участка заготовки, которая в свою очередь остается плоской. Обработку давлением концевого участка заготовки проводят на величину, равную толщине балки со стороны обеих
в
г
полок при двухсторонней обработке, как показано на рис. 3 а, или со стороны одной из полок при односторонней обработке - правосторонней (рис. 3 б) или левосторонней (рис. 3 в) нижних концевых участков балки.
в
Я
Ял
ь
а.
Положение матрицы С начале гибки
Л?
й?
Уй. -¿ат \
1 Г < У
1,
Б
Положение матрицы б конце гибки
Рис. 2. Схема перемещений материальных точек границ очага деформации: О, О - центры кривизны радиусных участков балки до и после гибки соответственно; Яп - радиус пуансона; - радиус внутренней образующей балки до гибки; - радиус наружной образующей балки до гибки; Я 'б - радиус внешней образующей балки после гибки; s - толщина полок и стенки балки; ¥11, ¥12 - площади поперечного сечения участков поперечного сечения до деформирования; ¥21, ¥22 - площади поперечного сечения участков после деформирования; ЛЬ - увеличение длины прямолинейного участка сечения балки после деформирования; 2 - сила прижима стенки балки; Р- сила гибки, развиваемая на матрице; 1 - 5; 1' — 5'- соответственно точки образующей наружного контура поперечного сечения до и после деформирования; 1" — 5"; 1"' — 5"' - соответственно точки образующей внутреннего контура поперечного сечения до и после
деформирования
При замене сменных секций пуансона 3 и матрицы 4 концевые участки балки могут быть обработаны на разную длину. В результате, наряду с получением необходимых формы и размеров концевого участка балки П-образного сечения, в нашем примере швеллера, обеспечивается плоскостность горизонтальной стенки балки на обрабатываемом концевом участке, что повышает качество изготовления балок, а технология не нуждается в дополнительной операции плоскостной калибровки горизонтальной стенки, что, в свою очередь, повышает производительность.
Для определения размеров локального очага деформации и учета изменения размеров изгибаемого участка балки необходимо оценить изменение площадей поперечного сечения в результате гибки. Площадь поперечного сечения швеллера до гибки складывается из двух слагаемых (см. рис.2)
^ = , (1) где площадь прямоугольного участка сечения, примыкающего к радиусному:
^11 = ИР±1 *х<1у = /0йб"йвн йх йу. (2)
Площадь радиусного участка
= ЦгЧг*р= I гаг!
(3)
о о
Площадь поперечного сечения балки после гибки концевого участка также складывается из двух слагаемых (см. рис. 2):
К, =Г21 +/722' (4)
где =бМ - площадь прямоугольного участка, примыкающего к радиусному и увеличивающегося на Д в связи с изменением размеров поперечного сечения балки после гибки.
£2
Щ-
.33
Б
*
I
1 Г
I
-Ж
а
а б в
Рис. 3. Варианты гибки концевых участков балок: а - двусторонняя гибка с симметричными концевыми участками балки; б - удлиненный участок двухсторонней гибки и гибка с одной (правой) стороны противоположного участка балки; в - удлиненный участок двухсторонней гибки и гибка с одной (левой) стороны противоположного участка балки
Площадь радиусного участка:
^ 2
= ^ гйгйф = J гйг ^ йф = —
'ф
(5)
гибки,
*22 Яп О
Принимая во внимание численные размеры сечения одного из типоразмеров балки до и после получаем следующие данные по площадям элементов поперечного сечения: Еп= 54 мм; ЕЪ=36л; ЕИ=6Д/; Е22=45п. Е:=54+36л; Е2=45л+6Д/. При допущении о неизменности толщины балки в процессе гибки, имеем линейное уравнение
Зп
для нахождения удлинения полок после гибки концевого участка: Е1=Е2. Отсюда А1 = 9--, а в размерных величинах Д/=4,29 мм.
Рассчитаем площадь контакта Ек инструмента (пуансона) по внутренней образующей концевого участка после деформирования:
^ = 1кИк = (3л + А1)кк = + 9^Ик = 1096,8 мм2.
Апробация в производственных условиях. Эффективность технологического процесса обработки давлением концевых участков балок и работоспособность штампа для гибочных работ подтверждаются штамповкой опытно-промышленной партии балок. Штамп для гибки, индуктор для нагрева заготовок и деталь-представитель одного из типоразмеров балки показаны на рис.4.
а б
Рис. 4. Универсально-переналаживаемый штамп (а, б)(начало)
в г
Рис. 4. Универсально-переналаживаемый штамп (а, б), индуктор (в) для нагрева заготовки и балка (г) с обработанными пластическим деформированием концевыми участками
Вывод. С помощью спроектированного и изготовленного штампа реализуют две функции: угол гибки полок балки не изменяется и остается 90° по отношению к стенке швеллера, изменяются только радиусы сопряжения полок швеллера со стенкой в сторону увеличения с 9 мм до 12 мм с одновременным уменьшением размеров стенки на величину удвоенной толщины полок изготавливаемой балки.
При смене секций деформирующего инструмента удается обработать большую номенклатуру балок, отличающихся как длиной, так и размерами поперечного сечения. При этом время переналадок на другой типоразмер балки существенно сокращается при одновременном увеличении производительности.
Посвящается 80-летию кафедры систем пластического деформирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».
Список литературы
1. Пигунов В.В. Конструкция, теория и расчет вагонов : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1 / В. В. Пи-гунов, А. В. Пигунов; М-во трансп. и коммуникаций Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. Гомель : БелГУТ, 2020. 303 с.
2. Вагоны. Под ред. Л.Д. Кузмича. Москва: Машиностроение, 1978. 376 с.
3. ГОСТ 8278-83 Швеллеры стальные гнутые равнополочные. Сортамент. Москва: Из-во стандартов, 1983. 16 с.
4. ГОСТ 11474-76 Профили стальные гнутые. Технические условия. Москва: Изд-во стандартов, 1978. 7 с.
5. ГОСТ 19281-2014 Прокат повышенной прочности. Общие технические условия. Москва: Стандартинформ, 2015 47 с.
6. Ильин Л.Н. Технология листовой штамповки: учебник для вузов/ Л.Н. Ильин, И.Е. Семенов. Москва: Дрофа, 2009. 475 с.
7. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве самолетов. Москва: Машиностроение, 1981. 224 с.
8. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Москва: Машиностроение, 1977. 423 с.
9. Мошнин Е.Н. Гибка, обтяжка и правка на прессах. Москва: Машгиз, 1959. 360 с.
10. Патент 2746190 Способ обработки концевых участков балки С-образного сечения. МПК B21K 1/76 (2006.01); B21D 7/022 (2006.01) Е.Н. Сосенушкин, В.В. Белокопытов, Е.А. Яновская, А.Е. Сосенушкин. Опубл. 08.04.2021. Бюл. №10.
11. Патент 2746193 Штамп для обработки концевых участков балки П-образного сечения/ B21J 13/02 (2006.01); B21D 37/00 (2006.01)/ Е.Н. Сосенушкин, В.В. Белокопытов, Е.А. Яновская, А.Е. Сосенушкин. Опубл. 08.04.2021. Бюл.№10.
12. Сосенушкин Е.Н., Белокопытов В.В., Яновская Е.А., Пономарева А.С. Математическая модель напряженного состояния и силовых параметров гибки концевых участков балок/ Сб. трудов Международной научно-практической конференции «Перспективные машиностроительные технологии (Advanced Engineering Technologies)AET 2022. СПб.: Политех Петра Великого, 2022. С. 311-318.
Сосенушкин Евгений Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, sen@stankin.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «Стан-кин»,
Белокопытов Владимир Владимирович, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, belok-vladimir@yandex.ru, Россия, Мытищи, АО «Метровагонмаш»,
Яновская Елена Александровна, канд. техн. наук, доцент, elena_yanovskaya@bk.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «Станкин»,
Пономарева Анна Сергеевна, студентка, ponomaryovaanna11@icloud.com, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «Станкин»
DIE TOOLING FOR PLASTIC DEFORMATION OF BEAMS END SECTIONS IN CAR BUILDING E.N. Sosenushkin, V.V. Belokopytov, E.A. Yanovskaya, A.S. Ponomareva
With the development of the railway transport infrastructure, the need for rolling stock has increased, and the subway was no exception. One of the structural elements of the car is a frame, for the construction of which beams from a bent channel are used. The article presents the design of a stamp for bending the end sections of beams. The stamp is supplied with a set of interchangeable inserts, which reduced the number of stamps used for different sizes of beams. The description of the design and operation of the universally adjustable die tooling is given. Based on the analysis of possible displacements of the points of the outer and inner generatrix of the end sections of the beam as a result of bending, the contact area of the tool (punch) with the workpiece at the final stage of bending was calculated and the elongation of the flanges of the bent section was determined in accordance with the change in its cross-sectional area.
Key words: beam, bending, stamp, semi-hot deformation.
Sosenushkin Evgeny Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, sen@stankin. ru, Russia, Moscow, Moscow State Technological University «Stankin»,
Belokopytov Vladimir Vladimirovich, candidate of technical sciences, lead design engineer, belok-vladimir@yandex.ru, Russian Federation, Moscow Region, Mytishchi, Metrovagonmash Joint Stock Company,
Yanovskaya Elena Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, elena_yanovskaya@bk.ru, Russian Federation, Moscow, Moscow State Technological University «Stankin»,
Ponomareva Anna Sergeevna, student, ponomaryovaannall @,icloud.com, Russia, Moscow, Moscow State Technological University «Stankin»
