Получение гнутых профилей с заданной продольной кривизной путем управления характеристиками пластического шарнира в очаге деформации

Аннотация

В статье рассмотрены процессы формообразования гнутых профилей с заданной продольной кривизной. Исследованы теоретические основы формирования пластического шарнира в очаге деформации и управления его характеристиками.

Полный текст

Гнутые профили с заданной продольной кривизной находят широкое применение в автомобилестроении (бамперы автомобилей), дорожном строительстве (ограждения), металлургии (обручи-вставки для упаковки и транспортировки рулонного тонколистового проката) и других отраслях промышленности [1, 2]. До недавнего времени такие детали изготавливали штамповкой или профилированием с последующим приданием профилю продольной кривизны в штампе. Однако такие технологии требуют значительных затрат на технологическую подготовку производства и изготовление деталей. Более выгодными являются технологии производства гнутых профилей с заданной продольной кривизной в роликах. Классификация способов изготовления таких деталей приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Классификатор способов изготовления в роликах широкополочных листовых деталей с продольной кривизной Изготовление деталей в профилировочных машинах с одновременным формированием продольной кривизны (рисунок 1, блок 1) предусматривает формообразование сечения профиля при обеспечении условий направленного воздействия на очаг деформации для получения требуемой кривизны детали. Так, приложение вращающего момента со стороны правильного устройства к профилю, выходящему из последней пары формующих роликов станка (рисунок 1, блок 1.2), позволяет воздействовать на характеристики пластического шарнира в очаге деформации и получить требуемую кривизну детали. В физическом плане модель процесса представляет собой поток вязкопластической жидкости, проходящей через роликовый калибр и отвердевающей при выходе из него. Достижение пластического состояния во всех точках заготовки в плоскости, проходящей через оси валков, обеспечивается выбором развертки исходной заготовки несколько больше развертки калибра, величиной зазора в калибре, наличием аксиального поджатия. Достижение пластического состояния во всех точках калибра в плоскости, проходящей через оси валиков, обеспечивается превышением ширины развертки заготовки над шириной развертки формующего калибра, выбором схемы деформирования (осадки волнообразной заготовки на плоских участках) и соответствующей величиной зазора. Переход материала в пластическое состояние определяется условием текучести Мизеса: (1) где T – интенсивность касательных напряжений; τs – предел текучести при сдвиге. Рисунок 2. Схема осадки волнообразной заготовки в последней паре формующих роликов при стесненном изгибе При остановленных роликах материал в очаге деформаций рассматривается как твердое тело, а при движении, когда воздействие со стороны инструмента заставляет материал течь через калибр, – как вязкопластическая жидкость. Интенсивность касательных напряжений выражается через девиатор Sij в виде: . (2) Введем функцию F, характеризующую состояние материала в очаге деформаций [3]: . (3) Функция F отрицательная, если не достигнуто пластическое состояние (скорость деформаций при этом равна нулю). При достижении в очаге деформаций пластического состояния функция F становится равной нулю и при развитых пластических деформациях остается положительной. Предположим, что связь скоростей деформаций Vij с девиатором тензора напряжений можно выразить следующим образом: ; (4) где μ – коэффициент вязкости. Согласно формуле (1) материал считается несжимаемым. Возводя в квадрат и суммируя второе равенство (1), получим: , где Г – интенсивность скоростей деформаций. Откуда (5) Подставляя (3) во второе равенство (2), получим: . (6) Соотношение (6) справедливо только при отличных от нуля скоростях деформаций vij. Если же vij = 0, то происходит «отвердевание» материала с возможностью разрушения как твердого тела. Однако такая ситуация будет иметь место для той части заготовки, которая будет находиться за пределами станка, когда происходит разгрузка очага деформаций. Таким образом, в результате исследований разработана математическая модель очага деформаций при профилировании методом интенсивного деформирования. Установлены условия, при которых обеспечивается устойчивость прокатки и, как следствие, высокое качество изготовляемых профилей. По данной технологии, разработанной в ОАО «Ульяновский НИАТ», производят бамперы для автомобиля ВАЗ-06 (рисунок 3,а) [1] и стеклоподъемники автомобилей семейства УАЗ [2]. Выбором формы оси профилирования (рисунок 1, блок 1.2) профилю можно придать относительно небольшую кривизну на станках с нерегулируемыми по высоте нижними валами, поскольку изменение формы оси профилирования в данном случае осуществляется за счет выбора диаметров формующих роликов. Здесь существенным ограничением является скоростной режим процесса формообразования профиля. Регулируемые нижние валы профилировочного станка предоставляют более широкие возможности обеспечения кривизны изготавливаемой детали. Форму линии профилирования, как правило, изменяют лишь в вертикальной плоскости. В принципе, для придания профилю саблевидности можно изменять форму оси профилировании и в горизонтальной плоскости, однако весьма часто это приводит к неудовлетворительному качеству поверхности профиля и потере устойчивости его элементов. Более целесообразным является дифференцированный обжим донной части профиля по ширине его донной части. Изменением формы линии профилирования получают профиль дорожного ограждения с заданной относительно небольшой продольной кривизной (рисунок 3,б). Профиль дорожного ограждения с достаточно большой кривизной получают профилированием с последующей гибкой в трех-роликовых гибочных машинах (рисунок 2,блок 2). Широкополочные профили с продольной кривизной целесообразно изготовлять с дифференцированным (локальным) обжимом определенных участков заготовки (рисунок 2, блок 1.3). По такому способу изготовляют бампер автомобиля ВАЗ-07 (рисунок 3,в) [2]. Что касается производства деталей с большой кривизной или кольцевых деталей (рисунок 3,г), то профили открытого сечения с высотой до 60 мм могут изготавливаться по совмещенной схеме локальным обжимом в роликах последнего перехода профилировочного станка. Рисунок 3. Виды изготавливаемых деталей с продольной кривизной в роликах: а – бампер автомобиля ВАЗ-06; б – профиль дорожного ограждения; в – бампер автомобиля ВАЗ-07; г – кольцевая деталь типа «обруч упаковочный» Крупногабаритные детали после формообразования сечения требуют дополнительной операции деформирования на гибочно-раскатном станке (рисунок 2, блок 3). Это связано, в основном, с техническими вопросами отвода профиля и его разрезки на мерные длины, а также технологическими возможностями профилировочных станков (ограничения по высоте формуемого профиля).