CC BY
3
Гусев Дмитрий Сергеевич, аспирант, dagiet04@gmail. com, Россия, Москва, Московский государственный технический университет «СТАНКИН»,
Рогулин Сергей Александрович, аспирант, serzh. rogulin2013@yandex. ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет «СТАНКИН»,
Пономарева Анна Сергеевна, студент, ponomaryovaanna11@icloud. com, Россия, Москва, Московский государственный технический университет «СТАНКИН»
JUSTIFICATION AND SELECTION OF TEMPERATURE RANGES FOR THE PLASTIC DEFORMATION TECHNOLOGY
OPTION
E.N. Sosenushkin, E.A. Yanovskaya, D.S. Gusev, S.A. Rogulin, A.S. Ponomareva
Modernization of mechanical engineering includes the development and use of new types of equipment, and forging and stamping production is no exception. With the advent of impactors - hammers of a horizontal layout with counter-movement of impact masses, new opportunities are opening up for the implementation of technological processes of hot die forging (DHF). However, a simple transfer of existing plastic deformation technologies to this type of equipment is impossible. It is necessary to select representative parts for loading equipment that has its own specifics, in contrast to vertical equipment, and develop GOSH processes taking into account these specifics.
Key words: stamping, temperature, resource saving, forging and stamping equipment.
Sosenushkin Evgeniy Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, sen@stankin. ru, Russia. Moscow, Moscow State Technical University «STANKIN»,
Yanovskaya Elena Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, elena_yanovskaya@bk. ru, Russia. Moscow, Moscow State Technical University «STANKIN»,
Gusev Dmitry Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia. Moscow, Moscow State Technical University «STANKIN»,
Rogulin Sergey Aleksandrovich, postgraduate, [email protected], Russia. Moscow, Moscow State Technical University «STANKIN»,
Ponomareva Anna Sergeevna, student, ponomaryovaanna11@icloud. com, Russia. Moscow, Moscow State Technical University «STANKIN»
УДК 621.774: 621.891.669
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-598-599
СИЛОВЫЕ И ТОЧНОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИ ГИБКЕ ТРУБ
П.А. Полшков, И.А. Бурлаков, П.А. Петров, А.А. Тарлавина
Показаны результаты исследований по гибке труб из нержавеющей стали 12Х18Н10Т на автоматическом оборудовании при замене металлического инструмента на оснастку, изготовленную из полилактида PLA, в диапазоне диаметров от 6 до 28 мм. Приведенные данные позволяют прогнозировать точностные параметры получаемых деталей по овальности, образующейся в очаге деформации, и по углу гибки.
Ключевые слова: гибка труб, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, диапазон диаметров, точностные параметры, овальность, угол гибки
Введение. Применяемые в машиностроении трубы часто имеют весьма сложную пространственную форму с большим количеством гибов с различными радиусами и углами [1]. Для ручного изготовления таких труб требуется высококвалифицированный персонал. Большое значение при автоматизированной гибке имеет высокое качество применяемого инструмента, который включает: передний и задний прижимы, формообразующий ролик, дорн с шариками и складкодержатель (рис. 1). Дорн может представлять собой простой цилиндр или может быть изготовлен в комплекте с одним или несколькими шариками. Выбор комплекта инструмента зависит от наружного диаметра трубы, толщины стенки трубы, материала и радиуса гибки трубы [2-3]. Изготовление комплекта инструмента имеет высокую трудоемкость [4]. Поэтому при выпуске небольших партий изделий и для опытных работ целесообразно ряд деталей инструмента (прижимы и ролик) изготавливать методом 3D-печати из полилактида PLA [5-9]. Целью настоящей работы являлось определить область применения полимерного инструмента и оценить стабильность размеров получаемых заготовок в зависимости от диаметров применяемых труб и углов гибки.
Методика выполнения работы. Исследование выполнено методом гибки нержавеющих труб диаметром от 6 до 28 мм с толщиной стенки 0,8 -1,0 мм и углами гибки 45, 90 и 135 градусов. Гибку трубных заготовок осуществляли на трубогибочном автомате (рис. 2).
Для гибки были применены заготовки длиной 300 мм с одним гибом. Радиус ролика равнялся трем диаметрам трубных заготовок. Для каждой точки среднее значение точностных параметров определялось как среднее значение по результатам измерений трех заготовок. Овальность AD рассчитывалась как разница максимального и минимального размеров в области очага максимальной деформации, измеряемых электронным штангенциркулем с
598
точностью 0,01 мкм. Для удобства сравнения овальность представлена на рисунках в относительном виде АБ/Б, где Б - диаметр трубы. Геометрические параметры изогнутой заготовки определяются электронной оптической системой с точностью до 0,1 мм и программой измерительной машины пересчитывались на углы. Моделирование процесса гибки труб выполняли с применением программного комплекса QForm 10.3.3.
1) исходной заготовкой является труба из нержавеющей стали 12Х18Н10Т;
2) при моделировании принимали, что формообразующий инструмент является абсолютно жестким телом и напряженное состояние в деформируемой заготовке не зависит от свойств материала инструмента;
3) материал выглаживателя - бронза БрАЖ10-10-4;
4) объем заготовки неизменный;
5) напряженное состояние трехмерное (3D расчет);
6) температура формообразования - 20 °С;
7) фактор трения - 0.3, трение по закону Леванова;
8) тепловые процессы не учитываются;
9) формообразование осуществляется на трубогибочном автомате со скоростью 1 об/мин.
Рис. 1. Типовая оправка для гибки полых труб 5:1- передний прижим; 2 - задний прижим; 3 - ролик;
4 - складкодержатель; 6 - дорн с шариками
I
Рис. 2. Автомат для гибки труб
В виду того, что толщина обрабатываемых труб составляет 0,8 мм, сетка конечных элементов была принудительно измельчена. Изготовление роликов осуществляли на FDM принтере Raise 3D Pro3 Plus.
Экспериментальная часть. В качестве материала для формообразующего инструмента, изготовленного методом 3D-печати с применением экструзионной технологии на принтере Raise 3D Pro3 Plus, был выбран полилак-тид PLA фирмы «ESUN». Физико-механические свойства материала представлены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства ПЛА
Плотность материала, г/см3 1,25
Температура (средняя) стеклования, °С 63,73
Температура термодеформации, °С (0,45 МПа) 52
Индекс текучести расплава, г/10 минут (190 °С/2,16 кг) 4
Предел прочности (на растяжение), МПа 65
Предел текучести, МПа 13
Прочность на изгиб, МПа 75
Модуль упругости при изгибе, МПа 2102
Относительное удлинение при разрыве, % 12
Режим изготовления формообразующего инструмента методом FFF/FDM на 3D принтере Raise3D Pro3 Plus приведен в табл. 2.
Как видно из рис. 3, с увеличением угла гибки наблюдается тенденция к увеличению овальности труб, которая более-менее стабильная для труб диаметром 6, 24 и 28 мм и с увеличением угла от 45 до 135 градусов возрастает примерно на 50%. Совсем иной характер повышения овальности у труб диаметром 12 и 18 мм. Если у трубы диаметром 12 мм она практически не изменяется, то у трубы диаметром 18 мм она возрастает более, чем в два раза.
Последние два случая могут быть объяснены более низким качеством полилактида, что свидетельствует о необходимости тщательного выбора поставщика полимера. Тем не менее, все образцы находятся в пределах допуска по овальности.
Таблица 2
Режимы изготовления формообразующего инструмента_
Параметр Значение
Температура сопла, °С 210
Температура рабочего стола, °С 70
Скорость заполнения, мм/с 80
Диаметр сопла, мм 0,4
Ширина линии, мм 0,4
Высота слоя, мм 0,2
Толщина стенки (оболочки), мм 6
Обдув 100%
Ретракт Да
Плотность заполнения, % 100
Тип заполнения Прямолинейная
Поддержки нет
Время изготовления, 82 ч 09 мин
Масса, г 661
0,12
0,1
' 0,08
о <
5 0,04 аз
А
О
0,02
24
6 ^ - " 28 12 /
р • -- 18 ___—1
45 90 135
Угол гибки, градусов
Рис. 3. Зависимость относительной овальности АО/Б от угла гибки для труб диаметром 6,12,18, 24 и 28 мм
Более сложный характер имеет нестабильность углов гибки заготовок за счет упругой деформации. Упругий возврат труб после гибки весьма нестабилен и основной вывод, который можно сделать: угловые отклонения практически не превышают 1 градуса и находятся в допустимых пределах.
т О и
га о.
х 01 X 5:
£ >-
а.
1,6
1,4
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0
* V ( \ 12
6 _ /__
. ---- Р Щ ^
28 / X/
» \ 18 ▼ у' ^^^^
а
45
90
135
Угол гибки, градусов Рис. 4. Зависимость иружинения от угла и диаметра изгибаемых труб
Наиболее нагруженными формообразующими деталями при гибке труб являются ролик и дорн. Для анализа напряжений, действующих на них в процессе гибки, было выполнено моделирование процесса (рисунок 5). Анализ действующих на инструмент сил (рисунок 6) на выделенном отрезке «а-б» показал, что максимальная сила составляет 0,23 МН, что соответствует давлению на формообразующий ролик 0,28 МПа (рисунок 7).
600
Рис. 5. Узел дорна с шариками на исследуемом отрезке «а-б»
Инструмент! СБОРКА С Д0РНС1М_с|иа - Сила, МН
к 10"-
I—'—I—'—I—1—I—'—I—1—I—1—I—1—Г
и—1—Г
~г
о.ю
0.00
■0.10
■0.20
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 ] 3,181 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Бремя, с
Рис. 6. Зависимость «сила на инструменте 1 - время» в процессе деформации
0 2 4 6 0 10 12 14 16
Расстояние мм
Рис. 7. Давление (МПа) на формообразующий ролик на отрезке «а-б» при максимальной деформирующей силе
(время деформации 4,5 сек)
С учетом значительных действующих на ролик сил был выполнен сравнительный анализ влияния коэффициента запаса прочности по напряжениям ролика на его деформацию (упругую), которая определяет точность формообразование гнутых труб, с применением программного комплекса Т^ЬЕХ Анализ. При этом решалась задача о статической прочности конструкции ролика. Сравнение было выполнено для роликов двух типов (рис. 8), изготовленных из полимера РЬЛ по вышеописанной технологии:
601
- стандартный ролик (1,а), геометрия которого разработана для инструмента из металла;
- ролик повышенной жесткости (1,б), усиленная геометрия дополнительными ребрами для изготовления инструмента из РЬЛ.
Б
Ролик 1, а Ролик 1, б
Рис. 8. Твердотельные модели и формообразующие ролики: 1, а - высокий ролик пониженной жесткости, 1, б - ролик повышенной жесткости. А - твердотельные модели, Б - ролики из полилактида PLA
При расчете в программе T- FLEX Анализ для каждого из роликов создавалась расчетная модель; геометрический образ ролика замещался его конечно-элементной сеткой, размерность которого и характеристики представлены в табл. 3.
Таблица 3
Параметры конечно-элементной модели__
Параметры ролик 1,а ролик 1,б
Качество сетки конечных элементов: размер сетки (относительный) 0,025 0,025
Тип конечного элемента криволинейный тетраэдр
Количество конечных элементов 78591 133502
Количество вершин 17265 28226
Тип нагрузки, приложенной к ролику, в каких точках прикладывалась нагрузка и какое её значение для каждого типа нагрузки: давление полное закрепление 28 МПа имитация закрепления по фланцу 28 МПа имитация закрепления по фланцу
Материал задан в программе TFlex при расчете ролика и имеет характеристики см.табл. 1
Результаты моделирования показаны на рис. 9. Из них следует, что изменение конструкции ролика при помощи усиления его дополнительными ребрами позволяют увеличить его коэффициент запаса прочности по напряжениям в 1,5-2 раза и, соответственно, повысить точность формообразуемых трубных заготовок.
Результаты моделирования показывают, что при одинаковом напряжении в 65 МПа, ролики 1,а и 1,б изготовленные из полимера РЬЛ имеют разные модули перемещения. Конструкция ролика 1,а имеет больший модуль перемещений составляющий 2,214 мм.
задача 1 [Прочность] к-т аапаса по эквивалентным напряжениям предельно допустимое напряжение:^ мпа масштаб перемещайте 2 00
иг. | ОВ
задача 1 [Прочность] Перемещения. модуль, мм Масштао перемещении 2 21
Ролик 1,б
контур ролика до нагружения
Рис. 9. Результаты решения задачи о статической прочности в системе Т-ГЬЕХ Анализ: а, в - коэффициент запаса прочности по эквивалентным напряжениям; б, г - перемещение (модуль) 1, а - высокий ролик пониженной жесткости, 1, б - ролик повышенной жесткости
Выводы:
1. Полученные образцы труб находятся в допустимых пределах по овальности и углам гибки. Следовательно, в качестве инструмента для гибки труб из нержавеющей стали диаметром от 6 до 28 мм на трубогибочном автомате может быть использован инструмент, изготовленный методом 3D-печати из полилактида PLA.
2. Установлено, что после гибки 3-4 первых заготовок наступает стабилизация относительной овальности, которая практически не изменяется и характер зависимостей практически одинаков для углов гибки от 45 до 135 градусов.
3. Найдено, что большое значение имеет коэффициент запаса прочности по напряжениям формообразующего инструмента. Рациональная конструкция ролика позволяет снизить овальность до двух раз.
4. С увеличением угла гибки заготовок всех диаметров от 6 до 24 мм относительная овальность стабилизируется и в диапазоне 90 - 135 градусов практически не изменяется. В первую очередь на овальность влияет диаметр изгибаемых труб. Так, например, овальность трубы диаметром 6 мм в 2 - 3 раза больше, чем овальность трубы диаметром 18 мм. Характер зависимостей для труб диаметром 6 и 24 мм практически совпадают. Общей для всех труб остается тенденция увеличения овальности с увеличением угла гибки, кроме трубы диаметром 12 мм, у которой овальность остается практически неизменной.
5.Несколько неожиданный характер имеет зависимости относительной овальности от диаметра труб -они практически эквидистантны для всех радиусов гибки и имеют минимальный экстремум для труб диаметром 12 -18 мм.
6. Вызванная пружинением заготовок нестабильность углов гибки в зависимости от угла и диаметра изгибаемых труб имеет сложный характер. Наибольшей стабильностью обладают трубы диаметром 24 мм (0,2 - 0,4 градуса), наименьшей - трубы диаметром 18 мм (1,4 - 0,15 градуса). Нестабильность угловых размеров трубных заготовок диаметром 6 и 12 мм примерно одинаковая и составляет 0,4 - 0,5 градуса.
Список литературы
1. Феоктистов С.И., Марьин Б.Н., Марьин С.Б., Колыхалов Д.Г. Теория и практика изготовления элементов трубопроводов летательных аппаратов: учебное пособие для вузов. Комсомольск-на-Амуре: Изд-во Комсомоль-ского-на-Амуре гос.техн.ун-та, 2013. 88 с.
2. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
3. ГОСТ 19277-73. Трубы стальные бесшовные для маслопроводов и топливопроводов. М., 1973.
4. Christopher Barnatt. 3D Printing: The Next Industrial Revolution // ExplainingTheFuture.com. 2016, 348 p.
5. Gebhardt A., Hötter J.-S. Rapid Tooling. In: Additive Manufacturing 3D Printing for Prototyping and Manufacturing. München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2016. P. 353-394. DOI: 10.3139/9781569905838.
6. Afonso D., Pires L., Alves de Sousa R., Torcato R. Direct rapid tooling for polymer processing using sheet metal tools, Procedia Manufacturing, 2017, Volume 13. P. 102-108. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.09.016.
7. Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Григоревский Б.В. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. 129 с.
8. Schuh G., Bergweiler G., Bickendorf Ph., Fiedler F., Colag C. Sheet Metal Forming Using Additively Manufactured Polymer Tools. // Procedia CIRP. 2020. 93. P. 20-25.
9. Бурлаков И.А., Полшков П.А., Петров П.А., Сапрыкин Б.Ю. Гибка труб с применением 3D-напечатанного инструмента // Аддитивные технологии. 2022. № 4. С. 32-34.
Полшков Павел Анатольевич, аспирант, начальник технологического бюро производственного комплекса «Салют» АО «ОДК», p.polshkov@uecrus. com, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Бурлаков Игорь Андреевич, д-р техн. наук, старший научный сотрудник, профессор, главный специалист УГТ производственного комплекса «Салют» АО «ОДК»,[email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, petrov_p@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Тарлавина Алина Александровна, магистрант, инженер-технолог производственного комплекса «Салют» АО «ОДК», a. [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
POWER AND PRECISION PARAMETERS FOR PIPE BENDING P.A. Polshkov, I.A. Burlakov, P.A. Petrov, A.A. Tarlavina
The results of studies on bending pipes made of stainless steel 12Х18Н10Т on automatic equipment when replacing metal tools with equipment made of PLA polylactide in the diameter range from 6 to 36 mm are shown. The data presented make it possible to predict the accuracy parameters of the resulting parts based on the ovality formed in the deformation zone and the bending angle.
Key words: pipe bending, stainless steel 12Х18Н10Т, diameter range, accuracy parameters, ovality, bending angle.
Polshkov Pavel Anatolyevich, postgraduate, head of the technological bureau of the salyut production complex of UEC JSC, p.polshkov@uecrus. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Burlakov Igor Andreevich, doctor of technical sciences, senior researcher, professor, chief specialist of the UGT of the Salyut production complex ofJSC UEC, i. burlakov@uecrus. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petrov_p@mail. ru, Russia, Moscow, Mosow Polytechnic University,
Tarlavina Alina Alexandrovna, postgraduate, process engineer of the production complex «Salute» of JSC «ODK», a. tarlavina@uecrus. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
