Технология формообразования и правки маложестких деталей раскаткой роликами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.982.5

ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ПРАВКИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ РАСКАТКОЙ РОЛИКАМИ

© 2013 А.А. Макарук, Н.В. Минаев

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет

Поступила в редакцию 29.11.2013

Для расширения технологических возможностей формообразования и правки маложестких подкрепленных деталей представлена раскатка роликами как один из реализованных методов местного пластического деформирования. Показан разработанный инструмент для обработки ребер и полотна подкрепленных деталей раскаткой роликами. Разработана методика расчета технологических параметров процесса.

Ключевые слова: раскатка, полотно, ребро, крутка, изгиб

В связи с применением в конструкциях современных летательных аппаратов новых высокопрочных и малопластичных сплавов появилась необходимость создания технологии формообразования и правки деталей из данных материалов после механической обработки. К рассматриваемым деталям относятся лонжероны, балки, рамы, нервюры, шпангоуты и т.п. (см. рис. 1, вверху). В большинстве случаев их изготавливают фрезерованием из термически упрочненных плит и профилей. Типовые поперечные сечения таких деталей приведены на рис. 1 (внизу). Из рисунка видно, что эти детали, в общем случае, представляют собой тонкостенные балки с непараллельными ребрами (количество ребер в сечении может изменяться от двух до четырех). Серьёзной проблемой, снижающей эффективность технологического процесса изготовления таких деталей, является их коробление после фрезерования, обусловленное влиянием технологических остаточных напряжений. Это коробление выражается в двухосном изгибе и закручивании сечений (см. рис. 2).

Традиционные методы формообразования и правки подкреплённых деталей - гибка на прессах и обработка дробью - не всегда позволяют добиться требуемого результата, прежде всего, в связи с большими габаритными размерами, сложной формой и высокой жесткостью деталей. Технологические возможности процесса могут быть существенно расширены за счет применения методов локального пластического деформирования, к которым относится раскатка роликами [1]. Схема данного процесса показана на рис. 3.

Макарук Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент. E-mail: makaruk_aa@mail.ru Минаев Николай Владимирович, аспирант

Рис. 1. Типовые фрезерованные детали силового каркаса (вверху) и их поперечные сечения (внизу)

V" Ав 1_

Рис. 2. Отклонения подкрепленных деталей после механообработки

Совместные работы Иркутского авиационного завода - филиала ОАО «Корпорация «Иркут» и ФГБОУ ВПО «ИрГТУ», направленные на повышение эффективности процесса правки маложестких деталей, выполняются с 2010 г. При выполнении данных работ были

решены задачи, связанные с конструктивными особенностями и характером отклонений подкрепленных деталей. Во-первых, после раскатки участка детали с несимметричным поперечным сечением с целью получения (устранения) изгиба в одной плоскости в большинстве случаев требуется получение (устранение) изгиба и в перпендикулярной плоскости.

Рис. 3. Схема обработки при раскатке роликами

Во-вторых, обрабатываемые детали имеют продольно-поперечное оребрение с ограниченными размерами карманов, что не позволяет использовать для обработки таких деталей рас-катники, ролики которых расположены внутри

корпуса (такие раскатники применяются при правке панелей и профилей с простыми сечениями), и требует разработки инструмента с консольным расположением роликов (за пределами корпуса). Возможность устранения комплекса деформаций рассматриваемых деталей появилась после создания роликовых раскатников для обработки ребер и полотна (см. рис. 4). Рабочее усилие процесса раскатки в данном инструменте создается затяжкой силового болта при помощи динамометрического ключа.

Для определения технологических параметров процесса правки деталей была разработана методика расчета режимов обработки раскаткой роликами с целью получения (устранения) деформации двухосного изгиба с закручиванием. Данная методика использует основные положения теории тонкостенных стержней [2]. Расчет включает следующие основные этапы [3]:

- определение характеристик поперечных сечений обрабатываемых деталей;

- вычисление значения потребных растягивающих сил, действующих на деталь при раскатке;

- определение момента затяжки силового болта раскатника, необходимого для нахождения потребных сил.

Рис. 4. Разработанный инструмент для обработки ребер (вверху) и полотна (внизу) деталей раскаткой роликами

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

(секториальный момент инерции и координаты центра кручения) - при расчете угла закручивания (см. рис. 5).

коэффициент пропорциональности, зависящий от механических свойств материала:

Рис. 5. Центры тяжести и кручения несимметричных поперечных сечений

Определение геометрических и крутильных характеристик поперечных сечений обрабатываемых деталей может выполняться с использованием опций программных продуктов, таких как Unigraphics и Lira Soft. Заданные к получению (устранению) раскаткой роликами деформации (Afx, Afy, Дв) определяются на основе исходных (fxucx, fyucx, Оисх) и требуемых fxmp, fymp,

Jтр,

Afx = fxucx - fxmP ; Afy = fx - fv,

Ав=в-0

тр '

(1)

После расчета геометрических и крутильных характеристик поперечного сечения, а также устраняемых деформаций обрабатываемого участка детали совместным решением системы уравнений, учитывающей одновременное образование двухосного изгиба и закручивания при действии каждой из приложенных продольных сил, определяется комплекс необходимых растягивающих продольных сил и точек их приложения:

8Е/

±Р■ * ± Р2-х2 ±... ± Рп-хп = А/х;

а

±РГу ±Р^у2 ±...±Рп-уп = ^■ А/у;

а (2)

р ■ + Р2 ■ ю2 +... + Рп ■ ап =-

GJ,

2(1 - chpl /2)

где Рь Р2, ..., Рп - образующиеся в процессе раскатки роликами продольные растягивающие силы, действующие на участок поперечного сечения детали; х\у\, ху,..., хпуп, - координаты точек приложения продольных сил; ш - секториальная площадь (удвоенная площадь сектора ОЛВ на рис. 5), Е - модуль упругости материала детали первого рода; О - модуль сдвига; Jx, Зу - осевые моменты инерции комплексного сечения детали; Jd - момент инерции на кручение поперечного сечения; а - база измерения стрелы прогиба; I -расстояние между поперечными сечениями; в -

■ Ад;

e==J

здесь Jт - секториальный момент инерции.

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. Пластины обрабатывались роликами с измерением деформации в зависимости от 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 и зависимости, полученные при раскатке разных образцов.

Для автоматизированного расчета растягивающих сил и координат точек их приложения, потребных для получения (устранения) заданного формоизменения детали (изгиба в двух плоскостях и угла закручивания) был разработан программный модуль в среде Borland Delphi 8 (рис. 6а). Для расчета поперечное сечение разбивается относительно центральных осей на участки, обрабатываемые раскаткой роликами (см. рис. 6б). Исходными данными для расчета являются начальные и конечные координаты и сек-ториальные площади обрабатываемых участков сечения детали, а также модули сдвига и упругости, моменты инерции относительно осей X и Y, момент инерции на кручение, секториальный момент инерции. Для определения момента затяжки силового болта раскатника при обработке детали используем зависимости растягивающей силы от момента затяжки, полученные при раскатке образцов-пластин требуемого материала (см. рис. 7).

При анализе экспериментальных и расчетных зависимостей деформаций образцов от технологических параметров обработки выявлена хорошая сходимость, что позволяет применить разработанную методику для расчета параметров процесса правки раскаткой роликами. Результатом проведенных исследований является разработанная технологическая инструкция, устанавливающая требования к технологическому процессу и инструменту для формообразования и правки маложестких подкрепленных деталей раскаткой роликами после механической обработки. Инструкция введена в на ИАЗ, на ее основе разработаны и внедрены в производство типовые технологические процессы формообразования и правки раскаткой роликами

подкрепленных деталей типа «панель» и «балка». Разработанная технология прошла достаточную апробацию в условиях ИАЗ и может быть рекомендована для использования в производстве самолетов любых типов. Полученные результаты легли в основу, НИОКТР запланированной на 2013-2015 гг. и направленной на создание механизированной технологии формообразования и правки подкрепленных деталей раскаткой роликами. Работа предусматривает:

- создание специальной механизированной установки для формообразования и правки раскаткой роликами;

- 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;

- отработку на образцах и деталях и внедрение автоматизированной технологии формообразования и правки подкрепленных деталей раскаткой роликами.

Выполнение перечисленных работ позволит повысить производительность процесса правки в 1,5-2 раза.

Fomil

шшт

M акасимально возможное количество обрабатываемых участков: I

ИМодмль чпрчгосги, L i

72000000

Е^ГГЛ0-0»™32033

Момент инерции..

^0,00000278021 Момент

инерции на кручение, JcH I и'ииишии

0,00000000112

Устраняемый прогиб Fh: |0,00000869798 Устраняемый прогиб F^: 10.00000145721 Устраняемый

угол закручивания:

[1.00170987114

1 -й участок: X изменяется

Ш

изменяется

0G65

»изменяется

0,035

0,0665

0,002275

3-й участок: ,— X изменяется от

изменяется

ïp

»изменяется

0,07

|5-й участок:

s изменяется

Ш

изменяется

ст^

.07

»изменяется

0,07

до I

>2-й участок:!; 1 ,— X изменяется от г

г изменяется

07

»изменяется

Ж*

0022

4-й участок: |— X изменяется от г

г изменяется

в изменяется

■6-й участок:

Щ< и

s изменяется

ст^

г изменяется

ctR

07

л изменяется

□,□35

-0,07

■0,07

0,0022

■0,07

Результаты:

Р1-■ ,04999899999892 XI = 0,026 \И0,0675

Р2= 0 Х2= 0

Р3=0 Х3=0 У3=0

Р4= 0 Х4= 0

Р5= 0 Х5= 0 У5=0

'"=0 Х6=0 У6= о

Расчетный прогиб Рк: 8,22356726951206Е-6 - «четный прогиб Ру 1 457206213(1 !£ 4Е 3 Расчетный угол ЬакруЙдаания 1 : 0,01 1 526 6467857378 Остаточный- рогнб Рх 1,7441; 0487Э37Е-7 Остаточный прогиб Р :-3,7869030'6499315! 12 □ статочный угол закручивания и и .00118310467214262

б)

Рис. 6. Интерфейс программного модуля для расчета комплекса продольных сил и координат точек их приложения на основе требуемых деформаций (а) и разбиение поперечного сечения

детали на участки

-мл

696пчТ2 -895ячТ1 -Д16Т -19J3T2

-В95вчТ2 -В96пчТ1 -Д16Т

-ш$тг

6 9

Мом*ит затяжки. Нм

б)

Рис. 7. Графики зависимости сил внутреннего усилия от момента затяжки силового болта раскатника

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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Пашков, А.Е. Формообразование и правка маложестких деталей при помощи переносного инструмента / А.Е. Пашков, С.В. Викулова, АА. Макарук // Высокие технологии в машиностроении: мат. Все-росс. научн.-техн. конф. с межд. участием. - Самара: Изд-во СамГТУ, 2009. С. 156-159.

2. Власов, В.З. Тонкостенные упругие стержни. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. 574 с.

3. Макарук, А.А. Методика расчета технологических параметров процесса правки фрезерованных деталей каркаса раскаткой роликами // Вестник ИрГТУ. 2012. Вып. 9 (68). С. 46-50.

TECHNOLOGY OF SHAPING AND DRESSING THE LOW-RIGID DETAILS BY MEANS OF ROLLER BURNISHING

© 2013 A.A. Makaruk, N. V. Minaev National Research Irkutsk State Technical University

For extension the technological capabilities of shaping and dressing the low-rigid supported details expansion by roller burnishing as one of the realized methods of local plastic deformation is presented. The developed tool for processing of edges and sheets of the supported details by roller burnishing is shown. The method of calculation the technological parameters of process is developed.

Key words: rolling, sheet, edge, twist, bending

Alexander Makaruk, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. E-mail: makaruk_aa@mail.ru Nikolay Minaev, Post-graduate Student