CC BY
7
8. Филин Д.С. Влияние технологических факторов на процесс изготовления тонкостенных глухих металлических элементов двухсторонним выдавливанием, Инновационные технологии и технические средства специального назначения: труды двенадцатой общерос. науч.-практ. конф. В 3 т. Т. 2. / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2020. С. 107 - 113.
Филин Дмитрий Сергеевич, канд, техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова,
Фоменко Иван Юрьевич, магистрант, van [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. ДФ Устинова,
Лукина Евгения Сергеевна, бакалавр, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им Д. Ф. Устинова
RATIONAL SIZE OF TOOLS AND HOLLOW WORK PIECE FOR LONGITUDINAL BIDIRECTIONAL EXTRUSION
D.S. Filin, I.Y. Fomenko, E.S. Lukina
The results of the analysis of the power mode of the combined operation of longitudinal double-sided extrusion based on the results of computer modeling are presented. The simulation plan is made taking into account the yariable nature of the coefficients of thinning in the lower, middle and upper cross section. The characteristic stages of the operation are revealed and the possibility of stable implementation of operations with the support of the wall of the hollow billet at the first stage of the operation is confirmed. The recommendations on the choice of rational tool sizes and hollow blanks for the operation have been adjusted.
Key words: cold stamping, combined extrusion; calculation of tool sizes.
Filin Dmitryi Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Baltic state technical University "VOENMEH" they. D. F. Ustinov,
Fomenko Ivan Yurievich, master's, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Baltic state technical University "VOENMEH" they D. F. Ustinov,
Lukina Evgeniaн Sergeevna, bachelor, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Baltic state technical University "VOENMEH" they D. F. Ustinov
УДК 621.774; 621.891.669
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-136-141
ЗАВИСИМОСТЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ ТРУБ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИБКИ ИНСТРУМЕНТОМ ИЗ ПОЛИЛАКТИДА PLA
И.А. Бурлаков, П.А. Полшков, П.А. Петров, М.В. Шаболин
Показаны результаты влияния технологических параметров и инструмента на геометрическую точность труб из нержавеющей стали 12Х18Н10Т при их гибке на автомате с применением гибочного инструмента из полилактида PLA. Приведены данные по гибке труб диаметром от 6 до 24 мм на углы 45, 90 и 135 градусов; даны результаты по изучению точности получаемых гнутых заготовок от величины их партии и конструкции применяемого инструмента.
Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, технологические параметры, полилак-тид PLA, гибка труб, точность, овальность, угол гибки, гибочные ролики.
Трубопроводы являются неотъемлемой частью современного машиностроения и, в первую очередь, ракето -и авиастроения. Так, например, в современных самолётах длина трубопроводов топливных, масляных, воздушных и других коммуникаций достигает нескольких километров [1]. Они относятся к ответственным конструкциям, от надежности которых зависит безопасность изделий. Высокие требования предъявляются по точности изготовления трубопроводов [2]. Допускаемая овальность должна находиться в пределах 3.. .10 % и зависит от длины детали и условий ее применения, наличие гофров в трубопроводах гидравлических систем, которые часто возникают в процессе операции гибки, вообще недопустимы. Утонение стенок в зоне гибки заготовок не должно превышать 15.20 % исходной толщины трубной заготовки. Значительный объем в трубопроводах составляют трубы из нержавеющей стали 12Х18Н10Т [3]. Для гибки труб обычно применяют инструмент, изготовленный из инструментальных сталей, что нередко приводит к образованию дефектов в виде царапин и вмятин.
Изготовление формообразующего инструмента (оснастки) - один из самых дорогостоящих этапов подготовки производственного процесса. Поэтому не случайно, быстрое производство инструмента (rapid tooling) появилось в самом начале развития аддитивного производства [4]. Быстрое инструментальное производство направленно на производство инструментов, инструментальных вставок, эталонов (калибров), штампов и пресс-форм [5].
К особенностям процесса быстрого изготовления инструмента относят [6]:
- время изготовления инструмента много меньше, чем при изготовлении традиционного инструмента; (как правило, в 5 раз);
- стоимость изготовления инструмента намного меньше, (примерно 5% от стоимости изготовления традиционного инструмента);
- срок службы инструмента значительно меньше, чем традиционного инструмента;
- поля допусков на размеры инструмента, изготавливаемого по технологии rapid tooling, шире в сравнении с полями допусков на размеры традиционного инструмента; качество поверхности инструмента характеризуется шероховатостью большего размера.
Быстрое изготовление инструмента позволяет ускорить подготовку производства при изготовлении индивидуальных заказов либо малых серий.
Известно, что для снижения себестоимости формообразующего инструмента, а также сокращения сроков его изготовления находит применение инструмент из полимерных материалов, полученный путём экструзионной аддитивной технологии [7-8].
Применение инструмента из полимерных материалов, в частности из полилактида PLA, позволяет существенно уменьшить вероятность образования упомянутых дефектов, что особенно важно при формообразовании заготовок из тонкостенных заготовок [9]. Выполненные исследования показали перспективность применения полимерного инструмента для формообразующих операций [10].
Последние две особенности быстрого изготовления инструмента требуют всесторонней проверки и дополнительных исследований в случае применения инструмента для выполнения операций обработки металлов давлением из-за отсутствия систематизированных данных.
Целью работы являлось определение зависимости геометрических параметров гнутых заготовок из нержавеющей стали диаметром от 6 до 24 мм в зависимости от угла гибки, диаметра труб при использовании инструмента из полилактида PLA.
В процессе исследования необходимо было оценить возможность применения полимерного инструмента для гибки труб диаметром от 6 до 24 мм, оценить точность угловых размеров и овальность для всего ряда трубных заготовок, оценить геометрическую стабильность инструмента в процессе гибки и определить влияние жесткости инструмента на точностные параметры изготавливаемых трубных заготовок.
Методика выполнения работы. Материалом исследования являлись бесшовные трубы диаметром от 6 до 24 мм и толщиной стенки 0,8 мм из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, химический состав которой (% (мас.): Fe - осн., Cr - 18, Ni - 10, Ti - 0,7), поставляемые по ГОСТ 9941.
Экспериментальные работы по гибке труб проводили на трубогибочном автомате. Контроль геометрических параметров (длина и угол гибки) труб осуществляли с помощью, автоматизированной оптической измерительной системы. Точность измерения линейных размеров составляла ± 0,1 мм, точность измерения угловых размеров - 0,01 градуса. Учитывая, что наиболее нагруженным гибочным инструментом на трубогибочном автомате является ролик, исследование было ограничено применением роликов, изготовленных из полилактида PLA. Радиус гибки ролика равнялся трем радиусам изгибаемой трубы. Овальность (отклонение от круглой формы) в зоне гибки согласно ГОСТ 494-2014 определялась как разность наибольшего и наименьшего значений диаметров AD деленная на диаметр трубы D, измеренных в одном поперечном сечении, перпендикулярном к оси трубы. Для измерения наибольшего и наименьшего значений диаметров применяли электронный штангенциркуль с ценой деления 0,01 мм. Для определения каждого точностного параметра использовали три заготовки и рассчитывали среднее значение овальности. Для определения стабильности точностных параметров, обеспечиваемых инструментом из полилактида PLA, для каждого радиуса гибки было применено по десяти заготовок диаметром 6 мм. Нестабильность углов гибки определялась как разница между максимальным и минимальным значениями угла трех изогнутых заготовок при одинаковых технологических параметрах. Обработку экспериментальных данных осуществляли с применением метода наименьших квадратов.
Экспериментальная часть. Твердотельные модели формообразующих роликов показаны на рис. 1. В качестве материала для изготовления ролика на основе более ранних исследований был выбран полилактид PLA наиболее популярной торговой марки ESUN.
Ролик из полилактида PLA, смонтированный на трубогибочном автомате показан на рис. 2. Конструкция роликов завесила от диаметра изгибаемых трубных заготовок.
Для определения стабильности работы полилактидного инструмента были испытаны на гибку заготовки по десять единиц в каждой партии на углы 45, 90 и 135 градусов (рис. 3). Из полученных данных видно, что после гибки 3 - 4 первых заготовок наступает стабилизация точностных параметров и далее овальность практически не изменяется.
Большое влияние на овальность гнутых труб оказывают геометрические параметры формообразующего инструмента, изготовленного из полилактида PLA (рис. 4). Чем меньше его жесткость, тем ниже точность формообразованных заготовок. Испытание двух роликов (рис. 1, а, б) различной кон-
струкции показало, что использование ролика меньшей высоты, позволившей существенно повысить его жесткость, дало возможность уменьшить овальность в полтора-два раза (таблица).
Б
Ролик 1, а Ролик 1, б
Рис. 1. Твердотельные модели и формообразующие ролики 1, а - высокий ролик пониженной жесткости, 1, б - ролик повышенной жесткости. А - твердотельные модели, Б - ролики
из полилактида PLA
Рис. 2. Ролик из полилактида PLA, установленный на трубогибочном автомате: а - ролик для гибки труб диаметром 6 мм; б - ролик для гибки труб диаметром 24 мм
0,11
|о,09
I 0,08
л
ё 0,07 х
В
° 0,05 0,04
123456789 10 Номер образца
Рис. 3. Изменение относительной овальности АО/О в процессе гибки 10 заготовок диаметром 6 мм.
45, 90 и 135 - углы гибки 138
0Д8 0,16
5 0,14 о"
6 0,12 1 0,1 5 0,08
т
1 0,06 | 0,04 0,02 0
45 90 135
Угол гибки,градусов
Рис. 4. Влияние геометрических параметров формообразующего инструмента на относительную овальность АО/О:1 - высокий ролик пониженной жесткости (рис. 1, а); 2 - ролик повышенной
жесткости (рис. 1, б)
Величина овальности гнутой трубы диаметром 6 мм в зависимости
от типа применяемого гибочного ролика
Инструмент Угол гибки, градусов
45 90 135
1,а 0,084 0,153 0,163
1,б 0,072 0,085 0,098
1 _-—-------
\ —
2
На относительную овальность в первую очередь влияет диаметр изгибаемых труб. Так, например, овальность трубы диаметром 6 мм в 2 - 3 раза больше, чем овальность трубы диаметром 18 мм (рис. 5). 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.
0,12
О
О
45 90 135
Угол гибки, градусов Рис. 5. Влияние угла гибки на относительную овальность АО/О
0,12
О
6 12 18 24
Диаметр трубы, мм
Рис. 6. Влияние диаметра изгибаемых труб на относительную овальность АО/О
Несколько неожиданный характер имеют зависимости относительной овальности от диаметра труб - они практически эквидистантны для всех радиусов гибки и имеют минимальный экстремум для труб диаметром 12 - 18 мм (рис. 6).
Упругая деформация заготовок характеризуется высокой нестабильностью и приводит к большому разбросу углов гибки в зависимости от угла и диаметра изгибаемых труб. 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 (рис. 7).
1,6
45 90 135
Угол гибки, градусов
Рис. 7. Зависимость нестабильности углов гибки от угла и диаметра изгибаемых труб
Выводы:
1. Показано, что применение роликов, изготовленных из полилактида PLA, позволяет получать гнутые трубные заготовки диаметром не менее 24 мм с требуемыми точностными параметрами.
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 жесткость 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 имеют 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. С.И. Феоктистов и др. Теория и практика изготовления элементов трубопроводов летательных аппаратов. - Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. 88 с.
2. Ю.А. Аверкиев, Технология холодной штамповки I Ю.А. Аверкиев, А.Ю. Аверкиев. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
3. ГОСТ 19277-2016. Трубы стальные бесшовные для маслопроводов и топливопроводов.
4. Christopher Barnatt. 3D Printing: The Next Industrial Revolution II ExplainingTheFuture.com. 2016, 348 p.
5. A. Gebhardt, J.-S. Hötter. Rapid Tooling. In: Additive Manufacturing 3D Printing for Prototyping and Manufacturing. München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2016. P. 353-394. https:IIdoi.orgI10.3139I9781569905838.
6. Günther Schuh, Georg Bergweiler, Philipp Bickendorf, Falko Fiedler, Can Colag. Sheet Metal Forming Using Additively Manufactured Polymer Tools. Procedia CIRP 93, 2020. P. 20-25.
7. Langstädtler, L., Intemann, A., Herrmann, M., Schenck, C., Pegel, H., & Kuhfuss, B. (2021). Rapid Tooling for Impulse Forming. Paper presented at ESAFORM 2021. 24th International Conference on Material Forming, Liège, Belgique. doi: 10.25518Iesaform21.2483.
8. D. Afonso, L. Pires, R. Alves de Sousa, R. Torcato, Direct rapid tooling for polymer processing using sheet metal tools, Procedia Manufacturing, Volume 13, 2017. P. 102-108. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.09.016.
9. Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Григоревский Б.В. М38. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. 129 с.
10. И.А.Бурлаков, П.А.Полшков, П.А. Петров, Б.Ю. Сапрыкин. Гибка труб с применением 3D-напечатанного инструмента. Аддитивные технологии № 4-2022.
Бурлаков Игорь Андреевич, главный специалист УГТ производственного комплекса «Салют» АО «ОДК», д-р техн. наук, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет, ул. Б. Семеновская,
Полшков Павел Анатольевич, аспирант, [email protected]. Россия, Москва, «Салют» АО
«ОДК»,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, petrov_p@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Шаболин Максим Владимирович, бакалавр, [email protected], Россия, Москва, «Салют» АО«ОДК»
DEPENDENCE OF THE GEOMETRIC ACCURACY OF PIPES ON THE TECHNOLOGICAL PARAMETERS
OF BENDING WITH A POLYLACTIDE TOOL
I.A. Burlakov, P.A. Polshkov, P.A. Petrov, M.V. Shabolin
The results of the influence of technological parameters and tools on the geometric accuracy ofpipes made of 12X18H10T stainless steel during their bending on an automatic machine using a bending tool made of polylactide PLA are shown. Data are given for bending pipes with a diameter of 6 to 24 mm at angles of 45, 90 and 135 degrees; the results of studying the accuracy of the obtained bent blanks on the size of their batch and the design of the tool used are given.
Key words: Additive technologies, 3D printing, LCD technology, technological parameters, PLA, pipe bending, accuracy, ovality, bending angle, bending rollers.
Burlakov Igor Andreevich, chief specialist of the UGT of the production complex "Sa-Lyut" of JSC "UEC", Doctor of Technical Sciences, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University, B.Semenovskaya str.,
Pavel Anatolyevich Polshkov, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, "Salyut" JSC
"UEC",
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petrov_p@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Shabolin Maxim Vladimirovich, bachelor, [email protected], Russia, Moscow, "Sa-lut" JSC
"UEC"
УДК 621.777.014
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-141-148
УТОЧНЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОЙ ФОРМЫ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОПЕРАЦИИ ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
Д.С. Филин, И.А. Соболев, Т.М. Абу Фадда
Приведены уточнённые рекомендации к выбору размеров инструмента для комбинированной операции продольно-поперечного выдавливания по результатам анализа компьютерного моделирования. По результатам анализа напряжённо-деформированного состояния заготовки скорректирована зависимость для расчёта средней степени деформации и условие сохранения сплошности заготовки.
Ключевые слова: холодная штамповка, комбинированное выдавливание, удельные нагрузки.
В технологических процессах изготовления различных полых изделий машиностроения начальный этап получение полых полуфабрикатов (стаканчиков) связан, как правило, с двумя подходами.
