Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее время в России наметилась устойчивая тенденция к применению все большего количества гнутых металлических профилей практически во всех отраслях народного хозяйства. За последние 10 лет увеличились не только объемы производства гнутых профилей, но и существенно расширился их сортамент. Согласно ГОСТ 14350-80 и проведенному литературному обзору более 50% профилей несут отбортованную часть.
Существует несколько альтернативных способов получения гнутых профилей с отбортовками, а именно: штамповка, гибка на прессах и протяжка в инструментальных фильерах. Однако использование этих способов изготовления затруднительно для получения профилей большой длины с узкими отбортовками. Еще более существенным ограничением этих технологий является получение профилей со сложной конфигурацией поперечного сечения. Кроме того, эти способы приводят к большим потерям металла, они малопроизводительны, себестоимость гнутых профилей оказывается достаточно высокой, что резко ограничивает применение указанных технологий в промышленной сфере.
Традиционное профилирование, использующее крупногабаритное оборудование и большое число переходов, оказывается мало эффективным в условиях меняющейся номенклатуры профилей и их мелкосерийного производства, получившего широкое распространение в последние годы.
Одним из прогрессивных методов производства профилей в роликах профилировочных станков является метод интенсивного деформирования (МИД). Его главной особенностью является одновременная формовка всех элементов профиля в закрытых калибрах, что позволяет существенно уменьшить число переходов, использовать компактное оборудование и тем самым снизить затраты на изготовление профилей, особенно в условиях мелкосерийного производства. Другой отличительной чертой указанного метода является значительное «ужесточение» режимов подгибки элементов профиля.
Однако применение данного метода для производства профилей с периферийными элементами жесткости типа отбортовок ограничивается вследствие ряда факторов: отсутствие классификаторов профилей и их дефектов, надежных математических моделей процесса формообразования, рекомендаций по разработке схем формообразования и проектированию технологической оснастки, недостаточная эффективность технологических решений по предотвращению дефектов и повышению качества профилей и др. Устранение указанных недостатков представляет собой актуальную научно-техническую проблему, требующую решения.
Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете на кафедре «Материаловедение и ОМД» в 2004 - 2009 гг. в соответствии с тематическим планом и по договорам № Д 10-195/20-УП от 20.10.06г. с ООО НИИ «МИТОМ» (г. Ульяновск), № Д 687 от 21.10.09г. с ОАО «Ульяновский НИАТ» (г. Ульяновск).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работой является разработка на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований научно обоснованной методики проектирования технологического процесса изготовления методом интенсивного деформирования гнутых профилей с отбортовками, обеспечивающей повышение качества продукции, снижение затрат на разработку и освоение технологии.
Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи.
Провести классификация профилей с отбортовками и их дефектов для ситематического исследования процессов формообразования и совершенствования технологии.
Разработать модель изменения толщины заготовки с учетом вида на-гружения заготовки на промежуточных переходах.
Разработать модель протяженности зоны плавного перехода для предотвращения переформовки заготовки и оптимизации углов подгибки полок во избежание возникновения дефектов неустойчивости пластического деформирования.
Исследовать влияние торцевого поджатия полки для определения зависимости относительного радиуса, изменения толщины заготовки и пружинения от величины поджатия.
Исследовать факторы, позволяющие снизить утонение угловых зон и уровень контактных напряжений.
Разработать методику разработки технологии производства профилей с отбортовками для повышения качества профилей, снижения на 5 - 7 % издержек на освоение технологии.
Внедрить результаты исследования и выработанные технические решения по совершенствованию технологии в производство.
Научную новизну имеют следующие результаты:
1. Классификатор профилей с отбортовками; 2. Классификатор дефектов профилей с отбортовками; 3. Математические модели угловой зоны для расчета параметров НДС и расчета ширины заготовки при различном нагружении на предварительных и окончательных переходах; 4. Математические модели процесса формообразования зоны плавного перехода; 5. Методика и алгоритм проектирования технологического оснащения для изготовления профилей с отбортовками; 6. Технологические решения по разработке технологического оснащения для изготовления профилей с отбортовками, на которые получены охранные документы патентного ведомства РФ.
Методы исследования:
1. Методы теории обработки металлов давлением; 2. Метод натурного эксперимента; 3. Геометрические методы измерения линейных и угловых величин; 4. Конечно-элементный анализ (средствами ANSYS); 5. Методы статистического анализа и полнофакторного эксперимента с использованием прикладных программ MathCAD2001 и EXCEL 2003.
Достоверность результатов обеспечена применением альтернативных методов исследования: теоретических, экспериментальных, метода конечных
элементов. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность применяемых теоретических моделей с точностью от 5 до 17 %, что представляется удовлетворительным для практических целей.
Практическая ценность работы состоит в разработке и практическом апробировании процедуры проектирования роликовой оснастки для изготовления МИД гнутых профилей с отбортовками, что позволяет сократить затраты на освоение технологии (до 9%) и повысить качество производимых профилей. Практическая ценность работы подтверждается промышленным внедрением технологии и оборудования на пяти предприятиях РФ с расчетным годовым экономическим эффектом более 545 тыс. руб.
Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию на:
1. XXXIX научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, 26 января - 1 февраля 2004 года; 2. Всероссийская заочная молодежная научно-техническая конференция «Молодежь Поволжья - науке будущего», Ульяновск, УлГТУ, 01 октября - 31 декабря 2004 года; 3. XL научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, 30 января - 5 февраля 2005 года; 4. Научно-технический семинар кафедры МиОМд «Новые тенденции в теории и практике профилирования листовых заготовок», Ульяновск, УлГТУ, 02 - 03 июня 2004 года; 5. Международная заочная молодежная научно-техническая конференция «Молодежь Поволжья - науке будущего», Ульяновск, УлГТУ, 01 октября - 31 декабря 2005 года; 6. Всероссийское Совещание материаловедов России, Ульяновск, УлГТУ, 11-15 сентября 2006 года; 7. XXXXI научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, УлГТУ, 29 января - 3 февраля 2006 года; 8. Всероссийского Совещания обработчиков давлением, Ульяновск, УлГТУ, 14-16 мая 2007 года; 9. ХХХХШ научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, УлГТУ, 29 января - 3 февраля 2009 года; 10. Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа, Ульяновск, УлГТУ, 12-14 мая 2009 года.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 научных работах, в том числе в патенте на полезную модель, а также трех статьях в рецензированных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения: основных результатов и выводов, списка литературы из 148 наименований, приложения и включает 150 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 25 таблиц.
