Совершенствование технологии производства полузакрытых профилей в роликах методом интенсивного деформирования

Изготовление полузакрытых гнутых профилей в роликах профилировочных станков обладает определенными преимуществами перед процессами прессования, гибки в штампах, кромкогибочных машинах, среди которых относительно высокая производительность, безотходность, возможность получения длинномерных многоэлементных деталей из заготовок с покрытием и т. д.

В условиях меняющейся конъюнктуры и постоянного совершенствования конструкций профилей традиционное профилирование не является эффективным в связи с его ориентацией на серийный характер производства (из-за громоздкого оборудования, большого количества оснастки, больших временных потерь на переналадку). Например, крупногабаритное оборудование и, соответственно, большое количество технологического оснащения, снижающее мобильность производства и требующее значительного первоначального капитала, сдерживает инвестиции небольших компаний в эту сферу.

В настоящее время наиболее перспективным направлением изготовления гнутых профилей является профилирование методом интенсивного деформирования (МИД). Технология МИД широко востребована отечественным промышленным рынком. Разработчики технологии МИД в г. Ульяновске ежегодно поставляют на рынок до 40 автоматических линий и до 200 технологий производства профилей типовой номенклатуры (и до 40 технологий производства полузакрытых профилей).

Однако применение данного метода для производства полузакрытых профилей ограничивается вследствие ряда факторов: отсутствие классификации полузакрытых профилей и их дефектов, надежных математических моделей процесса формообразования, рекомендаций по проектированию схем формообразования и технологической оснастки, недостаточная эффективность технических решений по предотвращению дефектов и повышению качества профилей, отсутствие классификации профилировочного оборудования и рекомендаций по его применению и др. Указанные недостатки требуют значительных затрат на отработку технологии и технические решения, связанные с увеличением числа переходов формообразования.

Работа посвящена выработке технических решений, направленных на снижение затрат и повышение качества полузакрытых профилей, изготавливаемых в роликах МИД, на основе теоретических и экспериментальных исследований, что подтверждает актуальность выбранной темы.

Цель работы: Повышение эффективности разработки и реализации процессов формообразования гнутых полузакрытых профилей в роликах методом интенсивного деформирования.

Объектом исследования являлись процессы формообразования гнутых профилей МИД в роликах и средства их реализации. Предметом исследования было совершенствование технологии производства МИД в роликах тонкостенных полузакрытых профилей из стальных заготовок с цинковым или комбинированным покрытием, а также профилировочного и вспомогательного оборудования.

Методологической и теоретической основой для разработки служили работы отечественных и зарубежных исследователей в предметной области: И. П. Ренне, Р. Хилла, Е. А. Попова, В, И. Давыдова, Г. Я. Гуна, В. В. Соколовского, К. Н. Богоявленского, В. В. Колмогорова, Ю. М. Арышенского, В. И. Ершова, Ф. В. Гречникова, А. Д. Матвеева, М. Е. Докторова и И. С. Тришевского, В. А. Осадчего, Г. В. Проскурякова, С. И. Вдовина, С. Ф. Березовского, И.М. Колгано-ва, В. И. Филимонова, X. Судзуки и М. Киути, Д. Кокадо и Е. Онода и других.

Информационной базой работы служили монографии, учебники, справочники, описания патентов, информационные ресурсы Интернет и публикации в отечественных и зарубежных журналах.

Лично автором и с его участием разработаны: классификатор полузакрытых профилей (100%), классификатор дефектов полузакрытых профилей (100%), классификатор профилировочных станков (30%) — математические модели угловой зоны для расчета параметров НДС и расчета ширины заготовки при различном нагружении на предварительных и окончательных переходах (40%) — математические модели процессов формообразования рифтов (40%), зоны плавного перехода (30%) и устойчивости формообразования (40%) — методика и алгоритм проектирования технологического оснащения для изготовления полузакрытых профилей, в том числе на основе проведенных соискателем экспериментальных исследований выработаны рекомендации по расположению многоэлементных профилей в валках, предложены варианты оптимизации схем формообразования и технические решения, направленные на повышение качества полузакрытых профилей: обеспечение размерной точности сечения и предотвращение дефектовтехнические решения по разработке профилировочного 5 станка, пневматического пресса, правильного устройства, устройства для испытания покрытия на отслоение, механизм прижима устройства для испытания покрытия на отслоение, на которые получены охранные документы патентного ведомства РФ (доля участия соискателя — 30 — 35%).

Соискателем лично разработано технологическое оснащение, проведен авторский надзор за его изготовлением, проведены экспериментальные исследования, изготовлены образцы и партии кондиционных профилей по интенсивным схемам формообразованиявнедрены при непосредственном участии соискателя на ряде предприятий технологическое оборудование и технологии интенсивного формообразования полузакрытых профилей «под ключ» (г. Липецк, Москва, Нижний Новгород и др.). Творческий вклад автора в опубликованных работах приведен в заключении Ульяновского государственного технического университета (организации, где выполнена работа).

Научная новизна работы заключается в разработке классификаторов полузакрытых профилей, их дефектов и профилировочного оборудования, а также математических моделей угловой зоны, формовки рифтов в донной части, протяженности зоны плавного перехода, устойчивости формообразования профиля. Технические решения по совершенствованию основного и вспомогательного оборудования защищены тремя патентами на полезную модель и одной заявкой на изобретение.

Достоверность результатов обеспечена применением альтернативных методов исследования: теоретических, экспериментальных, метода конечных элементов. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность применяемых теоретических моделей с точностью от 2 до 26%, что представляется удовлетворительным для практических целей.

Практическая ценность работы состоит в разработке и практическом апробировании процедуры проектирования роликовой оснастки для изготовления МИД гнутых полузакрытых профилей, что позволяет сократить затраты на освоение технологии и повысить качество производимых профилей. Практическая ценность работы подтверждается промышленным внедрением технологии и оборудования на ряде предприятий РФ (в четырех отраслях) с подтвержденным суммарным годовым экономическим эффектом более 1450 тыс. рублей.

Основные результаты диссертации опубликованы в 28 печатных работах, в том числе 3 патентах на полезную модель, 1 заявке на изобретение, а также 9 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Результаты работы докладывались на ряде вузовских, региональных и всероссийских конференций (гг. Ростов-на-Дону, Пенза, Тула, Ульяновск), а также на заседаниях кафедры «Материаловедение и ОМД» УлГТУ.

Работа включает 158 рисунков, 44 таблицы и 166 источников литературы.

Научные работы соискателя были удостоены дипломов (2005 г. и 2006 г.) и грамоты (2006 г) Министерства образования и науки по результатам конкурсов на лучшую научную работу.

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете на кафедре «Материаловедение и ОМД» в соответствии с тематическим планом кафедры и по договору Д10−195/20-УП от 20.10.2006 на создание научно-технической продукции «Интенсификация формообразования заготовок» с ООО НИЦ «МИТОМ» (г. Ульяновск), также по планам предприятий, специализирующихся в профилировании, по месту работы соискателя.

Работа состоит из четырех разделов, списка источников информации и приложения, включающего акты внедрения.

В первом разделе рассмотрены вопросы применения полузакрытых профилей в различных отраслях, проведен технико-экономический анализ различных способов изготовления полузакрытых профилей, рассмотрено применяемое оборудование и используемые материалы. Здесь же проанализированы дефекты полузакрытых профилей, а также технологические и теоретические работы, выделен круг задач, подлежащих решению в рамках данной работы.

Второй раздел посвящен разработке математических моделей процессов формообразования полузакрытых профилей.

В третьем разделе дано описание экспериментальных исследований для верификации разработанных математических моделей.

Четвертый раздел описывает новую проектную процедуру создания технологии производства полузакрытых профилей с использованием результатов проведенных исследований. Здесь же рассматриваются вопросы совершенствования оборудования и внедрения результатов выполненной работы.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю и коллегам за оказанную помощь и поддержку в процессе подготовки работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

: ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Анализ применения полузакрытых профилей показал, что эффективность их применения на 10 — 30% выше по сравнению с применением фасонных профилей. Из известных методов изготовления гнутых полузакрытых профилей в условиях мелкосерийного производства предпочтительным является МИД. Анализ работ по теме позволил выявить проблемы, определить наиболее применимые материалы, оборудование и номенклатуру профилей для исследования, сформулировать задачи работы.

2. Разработанные классификаторы полузакрытых профилей, их дефектов и профилировочных станков позволили систематично исследовать и совершенствовать технологию и оборудование с обеспечением высокой эффективности.

3. Модель изменения толщины заготовки и экспериментальные исследования несимметричных полузакрытых профилей показали, что при растяжении имеет место утонение порядка 5%, а при подсадке — утолщение до 4%. Теоретические значения отличаются от экспериментальных не более чем на 6%.

4. Модель расчета напряжений в угловой зоне показала, что при радиусах изгиба (r/so < 1) напряжения в упрочняемом материале превышают более чем на 20% соответствующие напряжения в неупрочняемом металле. Эксперимен-, тально показано суммарное утонение заготовки до 12% при неравномерном характере изменения толщины по переходам. Расхождение теоретических и экспериментальных данных лежит в пределах 21%.

5. Решение задачи о подсадке полки показывает, что распределение касательных напряжений имеет вид двугорбой кривой, причем, при торцевом поджатой на уровне 0,7 as внутренний контур зоны изгиба имеет склонность к складкообразованию. Экспериментальное изучение микротвердости по сечению профилей показало ее увеличение для угловых зон от 12 до 22%, а по теоретическому прогнозу оно должно было бы достигать 15%, что позволяет считать теоретическую модель пригодной для практических расчетов. Моделирование подсадки в среде Ansys позволило определить зависимости относительного радиуса, утонения и пружинения от величины подсадки, выявить рекомендуемые области подсадки. Разгрузка наружного контура зоны изгиба при подсадке дает возможность получать радиусы гиба меньше допустимых.

6. Разработанная модель формовки множественных рифтов/гофр в донной части профиля позволяет определить допустимое количество рифтов, формуемых за один переход. Уровень рассогласования теории и эксперимента не превышает 16%. Экспериментально показано, что формовка рифтов повышает склонность полок с элементами жесткости к потере устойчивости, однако равномерная формовка рифта по переходам или натяг кромки позволяют получать качественный профиль без существенного изменения схемы формообразования аналогичного профиля с гладким дном.

7. Полученное вариационным методом решение задачи о протяженности ЗПП позволяет определять углы «ослабления» при формовке профилей с широким дном, а также предельные углы подгибки. Расхождение теоретических и экспериментальных данных по исследуемому массиву профилей девяти типоразмеров лежит в пределах 16. .26%.

8. Экспериментальное изучение прогибов дна широких полузакрытых профилей показывает уменьшение по сравнению со швеллерами в 1,5 раза протяженности 31 111 и увеличение на 40% глубины прогиба, обусловленные наличием элементов жесткости, что подлежит учету при проектировании процесса.

9. Сформулированные условия отсутствия потери устойчивости и регрессионная модель, полученная в полно-факторном эксперименте 23, позволяют определять предельные углы подгибки, приводящие к кромковой волнистости:

10. Новый алгоритм разработки технологии производства полузакрытых профилей, учитывающий принцип преемственности, расположение профиля в валках, выбор базового элемента, оси профилирования, позволяет оптимизировать схему формообразования, сократить число переходов и увеличить срок службы формующих роликов. Выработанные принципы проектирования технологического оснащения позволяют облегчить процесс отладки технологии, уменьшить трудоемкость, затраты на изготовление оснастки и повысить качество профилей с сокращением на 15.20% затрат на освоение технологии.

11. Разработанное с участием автора оборудование (профилегибочный стан, правильное устройство, отрезной пневматический пресс), используемое в автоматических линиях, защищено тремя патентами и внедрено на ряде промышленных предприятий РФ.

12. Разработанные и внедренные с участием автора технологии производства полузакрытых профилей (более 30) действуют на российских предприятиях четырех отраслей промышленности. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 1450,0 тыс. руб. и подтвержден актами технического внедрения.