СУДОСТРОЕНИЕ 6'1WV
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРОЦЕССА РОТАЦИОННО-ЛОКАЛЬНОЙ ГИБКИ
А. Н. Ситников, канд. техн. наук; В. В. Веселков, докт. техн. наук; О. С. Куклин, докт. техн. наук; Я. Г. Марголин, Ю. И. Платонов
(ГНЦ ЦНИИТС) удк 681.322:621.981.001.57
Многие виды современного гибочно-правильного оборудования имеют числовое программное управление (ЧПУ), что повышает производительность труда и позволяет заменить гибщиков высокой квалификации на операторов станков с ЧПУ [1]. Для автоматизации процесса гибки используют оборудование с ЧПУ, основанное на принципах локального формообразования и включающее систему бесшаблонного контроля формы детали, что дает возможность изготовлять детали сложных форм (двоякой кривизны). Наличие подсистемы контроля формы, входящей в состав системы ЧПУ, позволяет принимать решение о прекращении гибки при достижении требуемой формы детали или продолжении по новой управляющей программе.
В настоящее время в ЦНИИТС разрабатываются технология и оборудование для автоматизированной гибки металлопроката, основанные на принципах ротационно-локального деформирования. Многофункциональный гибочно-правильный станок МГПС-25 послужил прототипом многофункциональной гибочно-правильной машины (МГПМ), в кинематической схеме которой в отличие от МГПС-25 имеется подвижной портал для перемещения станины в процессе гибки относительно закрепленной в манипуляторах заготовки. Таким образом, возможен вывод нажимного ролика в любую точку поверхности обрабатываемой детали.
Напряженно-деформированное состояние детали, возникающее при ротацион-но-локальной гибке, достаточно сложно пред-
Рис. 1. «Твердотельная» компьютерная модель макета многофункциональной гибочно-правильной машины
сказать заранее. Поэтому для всестороннего исследования процесса проводились серии компьютерных и натурных экспериментов. Компьютерное моделирование процесса выполнялось методом конечных элементов (МКЭ). Проверка конструкторских решений и проведение натурных экспериментов осуществлялись на специальном действующем макете машины АГПМ-15М. С целью исследования кинематических схем макета была создана его «твердотельная» компьютерная модель в среде AutoCAD r14 (рис. 1).
Макет АГПМ-15М позволяет опробовать некоторые приемы, используемые в технологии гибки для станков типа МГПС, проверить конструктивные решения, заложенные в идею нового поколения машин, разработать систему управления с целью максимальной автоматизации процесса гибки. Компьютерное моделирование позволяет моделировать ситуации, которые сложно, а часто и невозможно, воспроизвести в реальных условиях, расширить область исследований, существенно снизить объем натурных экспериментов, выявить возможности оборудования, разработать научно обоснованную технологию гибки деталей различных форм на данном типе оборудования. В процессе натурных исследований возможно сопоставление результатов компьютерного моделирования с реальными экспериментами и внесение поправок в расчетные схемы компьютерных моделей (КМ).
В рамках исследований было проведено несколько экспериментов по сопоставлению результатов компьютерного моделирования и реального процесса гибки на макете АГПМ-15М.
Эксперимент 1 — сравнение результатов компьютерного моделирования процес-
а] 6) эо
Рис. 2. Параметры примененной технологической оснастки профиля верхнего (нажимного) ролика (а) и профиля нижнего (опорного) ролика (б)
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ
са гибки стальной и алюминиевой заготовок с результатами гибки на макете. В целях исключения необходимости учета габаритных характеристик для эксперимента были выбраны две металлические заготовки: из алюминиево-магниевого сплава (АМгЗ) и стали Ст2 размерами соответственно 0,7 х 1,0 х 0,004 и 0,7 х 0,9 х 0,004 м, модулем упругости 0,7 • 105 и 2,1 • 105 МПа, пределом текучести 150 и 300 МПа.
АМгЗ имеет более низкий предел текучести и модуль упругости, чем Ст2, и является наиболее пластичным из применяемых в судостроении металлов. Эти качества характеризуют нижнюю и верхнюю границы свойств материалов, которые будут подвергаться обработке рота-ционно-локальной гибкой. Пределы текучести были определены экспериментальным путем для закупленных партий заготовок. Исходная форма деталей — прямоугольная, результирующая — цилиндрическая, что позволило оценивать отклонения в сторону седловидности или парусовидности при принятой схеме и программе гибки. Для упрощения программы гибки, изготовления шаблона и анализа полученных результатов цилиндр имеет основание в виде окружности. Принятая схема гибки — верхний выпуклый ролик по нижнему вогнутому ролику. Параметры верхнего и нижнего роликов показаны на рис. 2. Маршруты прокатки — параллельные прямые с одинаковыми интервалами (рис. 3).
Из теории известно, что зона пластичности не превышает 1/3 межопорного расстояния при поперечном свободном изгибе [2, 3]. Интервалы между линиями прокатки выбраны равными межопорному расстоянию нижнего ролика с целью минимального взаимного влияния. Стрелка прогиба постоянная, что позволяет проследить изменение требуемых усилий гибки по поверхностям заготовок и проанализировать влияние краевого эффекта, анизотропии и т. п. Стрелка прогиба нижнего ролика была выбрана меньше максимально возможной во избежание раскатки и, следовательно, необходимости решения контактной задачи МКЭ [4, 5]. Чтобы исключить влияние упрочнения металла в результате гибки, диаграммы «усилие—прогиб» снимались до ротаци-
Рис. 3. Схема расположения линий прокатки и контрольных точек
онно-локального деформирования деталей в центре и на краю заготовок для анализа влияния краевого эффекта. Изменение остаточных стрелок прогиба после гибки и отклонений от шаблона позволило сравнить полученную форму детали с рассчитанной для корректировки КМ. Для анализа отклонения полученной формы от цилиндрической после гибки замерялась продольная погибь детали.
В расчетной части определялась результирующая напряженно-деформированного состояния деталей путем решения плоской неконтактной задачи с использованием МКЭ по расчетной схеме (рис. 4).
Рис. 4. Схема для расчета одного прохода
Диаграмма истинных напряжений для материала была выбрана в соответствии со степенной аппроксимацией [6]:
5 = От
\ЬТ У
где 5 — напряжение, МПа; От — предел текучести, МПа; 8 — деформация; Ет — деформация, соответствующая пределу текучести; п — показатель степени, зависящий от материала (выбирается по данным [6]).
Параметры аппроксимации для Ст2 и АМгЗ соответственно: 8т —
0,002 и 0,002; оТ — 300 и 150 МПа; п — 0,17 и 0,22.
Интервал изменения параметра 8 был принят от 0 до 0,6 (10 точек на интервал, начиная с 0,002). Численный эксперимент показал, что для получения общей стрелки прогиба w = 100 мм необходимо на каждом проходе осуществлять прокатку с постоянной стрелкой прогиба w = 1,9 мм.
Замеры усилия в зависимости от величины стрелки прогиба при постепенном ее возрастании до 1,9 мм и последующем снижении до остаточного прогиба проводились в точках I и II (см. рис. 3), на краю и в центре заготовки. Каждый лист подвергался прокатке верхним роликом по нижнему вдоль длинной стороны заготовки с постоянной стрелкой прогиба w = 1,9 мм. Номера линий соответствуют последовательности прокатки. Показания датчика усилий снимались в точках пересечений линий Р1, Р2...Р9 с линиями 1, 2...5. После гибки замерялись отклонения детали от шаблона по сечениям 1, 2...5, на линиях Р1...Р9 и на краях деталей; остаточная продольная погибь — по краям детали и на линии Р5 (по оси симметрии), стрелки прогиба — на краю детали на базах 140, 280, 560 мм и общая стрелка прогиба.
Расчетные и полученные экспериментальным путем диаграммы «усилие—прогиб» приведены на рис. 5. Форма диаграммы в результате расчета МКЭ как для стали, так и для АМг3 совпадает с теоретической формой диаграммы [2, 7]: присутствуют ярко выраженные участки линейно-упругой деформации и разгрузки нелинейной упругопластической деформации с упрочнением. Диаграммы для стали Ст2 (рис. 5, а) имеют форму, отличную от расчетной. На участках нагрузки в центре заготовки отсутствует ярко выраженный начальный линейно-упругий участок, а участки разгрузки на обеих диаграммах нелинейны; на краю заготовки имеются ярко выраженные участки линейно-упругий, уп-ругопластический и нелинейной разгрузки. Кроме того, диаграмма, снятая на краю заготовки, проходит ниже диаграммы, снятой в центре. Обе диаграммы имеют различную форму, что объясняется краевым эффектом, т. е. для деформации детали на краю требуется меньшее усилие, чем в центре, и здесь раньше наступает пластичность.
п
8
СУДОСТРОЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИИ
ф
1
/ 2 А- / / /
/ / / / / / / / / / / / I/ / / ' / / / / / / / У у
б)
ф
и и.Э 1 1.3 ... 1
мм
Рис. 5. Диаграммы «усилие-прогиб» для стали Ст2 (а) и сплава АМгЗ (б):
1, 2 — диаграммы по центру и на краю заготовки
У У
/ У У
у' У У У У
у У У У У
У У У /
/ !
На диаграмме, снятой для АМгЗ (рис. 5, б) на краю заготовки, присутствует только нагрузочная часть, близкая к линейной. Это можно объяснить меньшим, по сравнению со сталью, модулем упругости и, следовательно, меньшим начальным углом наклона кривой. АМг более подвержен упрочнению, чем сталь, поэтому наклон упругопластической части диаграммы больше, чем у стали. Оба эти фактора привели к общей форме диаграммы, близкой к линейной.
Распределение усилий по поверхности заготовок показано на рис. 6. Для деталей из Ст2 и АМгЗ усилие возрастает по мере удаления от краев заготовки и стабилизируется в средней части из-за наличия краевого эффекта. В результате гибки заготовок из АМгЗ и Ст2 были получены детали практически одной формы, что показало незначительную зависимость конечной формы детали от материала заготовки при выбранных стрелках прогиба, схеме гибки и толщине заготовок. Детали имеют форму, близкую к цилиндрической, с незначительной, около
2 мм, парусовидностью по краям. Однако результирующие формы обеих деталей имеют отклонения от расчетных в среднем на 35% в сторону н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.