Разработка процесса знакопеременной формовки гофрированного профиля на профилегибочном стане со стальными и эластичными бандажами валков

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Разработка процесса знакопеременной формовки гофрированного профиля на профилегибочном стане со стальными и эластичными бандажами валков

05.02.09-Технологии и машины обработки давлением

Поворов С.В.

Москва - 2010

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор

Семенов Иван Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Кузьменко Анатолий Григорьевич

кандидат технических наук,

Пунин Владимир Иванович

Ведущая организация - АХК «ВНИИМЕТМАШ» им. А. И. Целикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Гофрированные листы широко используют в теплоэнергетике в качестве ответственного элемента пластинчатых теплообменников. Теплообменные аппараты составляют наиболее многочисленную группу теплосилового оборудования, которое в настоящее время на российском рынке имеет высокий спрос. Сочетание высокой скорости теплообмена при малых габаритах делает этот тип теплообменников одним из наиболее перспективных и позволяет осуществлять теплообмен в диапазоне температур от -70°С до +200°С и давлении до 100 атм. Гофрированная панель большой площади (до нескольких десятков квадратных метров), которая разделяет теплоносители и через которую осуществляется процесс теплопередачи, является основной деталью таких теплообменников.

Высокая производительность профилегибочных станов позволяет получать панели большой длины, однако ширина получаемой панели меньше чем ширина исходной заготовки и зависит от количества каналов и их глубины. При этом необходимое количество профилирующих клетей пропорционально количеству получаемых каналов. Этим обусловлена большая протяженность профилегибочной линии, большая металлоемкость оборудования и сложность переналадки.

В связи с этим разработка новых технологических решений, направленных на снижение металлоемкости оборудования и повышение степени экономии металла заготовки при производстве гофрированных панелей является актуальной проблемой.

Цель работы - снижение металлоемкости оборудования и экономия металла заготовки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов получения гофрированного листа и выявить технологические решения позволяющие достигнуть поставленной цели.

2. Предложить физическую модель процесса и на ее основе разработать математическую модель знакопеременной формовки листовой заготовки на профилегибочном стане с металлическими и эластичными бандажами валков.

3. Провести расчеты по разработанным математическим моделям и определить напряженно деформированное состояние заготовки и инструмента и определить энергосиловые параметры процесса.

4. Экспериментально исследовать технологические возможности и энергосиловые параметры процесса знакопеременной формовки. Провести сравнение полученных экспериментальных и теоретических данных.

5. Разработать варианты конструктивного исполнения технологического оборудования на котором может быть реализован процесс знакопеременной формовки.

Научная новизна:

1. Предложена схема процесса знакопеременной формовки каналов в тонколистовой заготовке на профилегибочном стане с металлическими и эластичными бандажами валков.

2. Предложена физическая модель, на основе которой разработаны математические модели позволяющие рассчитывать технологические параметры процесса знакопеременной формовки продольных каналов в листовой заготовке на профилегибочном стане с металлическими и эластичными бандажами валков.

3. Предложен экспериментальный способ определения констант Муни-Ривлина на основе данных об испытаниях образца из гиперупругого материала на одноосное и плоско деформированное напряженное состояние. Определены константы Муни-Ривлина для полиуретана марки СКУ - 7Л.

Практическая значимость:

1. Разработана научно обоснованная методика расчета технологических параметров для получения продукции с заданными свойствами и для определения энергосиловых параметров процесса, необходимых для проектирования технологической оснастки и оборудования.

2. На основе разработанной методики рассчитаны конкретные значения количества формующих клетей глубины формовки в каждой клети для листовых заготовок из алюминия марки АД-1 толщиной 0,8мм и нержавеющей стали 08Х18Н9Т толщиной 0,5мм.

3. Предложены новые технические решения конструкции профилегибочного стана с металлическими и эластичными бандажами валков для производства гофрированных листов (патент RU № 2368446 С1 B21D 13/04 B21D5/06).

Достоверность результатов исследований подтверждается использованием современного оборудования, средств контроля технологических параметров и научно обоснованными методами расчета процесса.

Апробация основных результатов работы проводилась на всероссийских и международных конференциях и семинарах, в том числе: на 4-ой международной конференции молодых ученых и специалистов «Металлургия ХХ1 века» (Москва 2008г.), первой всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» (Москва 2008г), третьей всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» (Москва 2010г), на научном семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана 2010г.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 57 источников, содержит 142 страницы машинописного текста, 105 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении в краткой форме обоснована актуальность проблем и задач, решаемых в диссертационной работе.

В первой главе показаны конструктивные особенности некоторых типов гофрированных панелей которые являются ответственной деталью пластинчатых теплообменников. Рассмотрены существующие технологии производства гофрированных листов. Получение гофрированных панелей с продольными каналами возможно на многоклетьевых профилегибочных станах. Производительность такого оборудования высока и составляет от 10 до 200 тыс. тонн в год. Плоская листовая заготовка постепенно изгибается в требуемую форму, проходя через несколько пар профилированных роликов. При профилировании толщина исходной заготовки и ее площадь остаются практически неизменными. Форма поперечного сечения в процессе профилирования претерпевает постепенные изменения: высота сечения, как правило, увеличивается, длина исходной заготовки практически не изменяется. По этому ширина получаемой детали меньше ширины исходной заготовки, что накладывает ограничения на ширину получаемых панелей.

Получать плоские гофрированные панели можно на станах локальной формовки. Локализация очага деформации приводит к снижению силы деформирования и как следствие к снижению энергоемкости и металлоемкости оборудования. На этих станах гофрированная панель пластинчатого теплообменника может быть получена за один проход, как и в случае штамповки. Применение эластичных материалов в качестве рабочего инструмента повышает его универсальность, а так же позволяет упростить конструкцию штамповой оснастки и процедуру наладки оборудования.

Формирование канала при штамповке листовой заготовки происходит за счет утонения материала. Поэтому, максимальная глубина получаемого канала ограничена ресурсом пластичности материала. Как показывают исследования, утонение заготовки при штамповке неравномерно и максимальное утонение имеет место в вершине отштампованного канала, именно там и происходит разрушение материала при достижении предельной возможной степени деформации, в то время как участки заготовки, отстоящие от вершины канала, еще содержат ресурс пластичности. Технология знакопеременной формовки позволяет эффективно использовать ресурс пластичности заготовки за счет более равномерного распределения утонения по поперечному сечению получаемого канала.

По результатам обзора литературных источников были сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе для получения плоских гофрированных панелей с большим количеством продольных каналов предлагается процесс знакопеременной формовки в четырех последовательно расположенных клетях (рис. 1). На рисунке показана заготовка 1, валки первой клети имеют металлический 3 и эластичный 2 бандажи, во второй клети бандажи обоих валков, 4 и 5, металлические, в третьей клети, как и в первой, верхний валок имеет эластичный бандаж 6, нижний валок металлический бандаж 7, и в четвертой клети оба бандажа 8 и 9 металлические. Предложенный процесс сочетает в себе преимущества альтернативных методов производства, а именно: за счет реализации непрерывного процесса повышается производительность, за счет применения метода знакопеременной формовки увеличивается допустимая глубина формуемого канала и повышается степень экономии металла заготовки, за счет локализации очага пластической деформации снижаются значения деформирующих сил и как следствие габариты и металлоемкость оборудования.



Рис. 1. Схема последовательной формовки каналов в четырех калибрах

При формовке каналов в первых двух клетях утонение листовой заготовки, как будет показано ниже, происходит неравномерно. Утонение заготовки максимально у вершины формуемого канала и снижается до минимального значения у его основания. Что бы максимально использовать металл заготовки в третьем калибре реализуется процесс знакопеременной формовки, суть которого отражена на рис. 2.

Рис. 2. Схема деформирования заготовки при формовке каналов методом знакопеременной формовки

Для прогнозирования поведения заготовки в процессе деформирования по предложенной схеме, а также для конструирования оборудования и реализации технологического процесса необходимо проведение предварительных расчетов с целью определения напряженно-деформированного состояния заготовки и силовых параметров процесса.

Для проведения расчетов было решено использовать математическое моделирование с помощью программного обеспечения Ansys/Ls-Dyna, которое позволяет находить численные решения разнообразных задач механики сплошной среды с учетом нелинейных свойств материалов и контактным взаимодействием тел.

Для описания поведения металлической заготовки была выбрана модель упругопластического тела с линейным кинематическим упрочнением, которая учитывает эффект Баушингера. Для этой модели условие пластичности Мизеса записывается в следующем виде:

(1)

где - текущий радиус поверхности нагружения, - компоненты девиатора напряжений, - координаты центра новой поверхности текучести, - напряжение текучести.

Напряжения для материалов, имеющих упругопластические поведение, можно явно проинтегрировать по времени:

(2)

откуда производная по времени тензора напряжений Коши будет определяться с учетом вращения индивидуальной частицы как жесткого целого следующими уравнениями:

(3)

(4)

(5)

где - тензор завихренности, - тензор скоростей напряжений Яуманна, - компоненты вектора скорости, а - тензор скоростей деформаций:

(6)

Матрица , являющаяся тензором четвертого порядка, это матрица, зависящая от напряжений, и связывающая напряжения и деформации (в упругой области это матрица упругих констант).

В численной реализации вычисления напряжений по формуле (2) сначала вычисляется поворот напряжений от текущего момента времени к последующему моменту времени :

(7)

а потом добавляются инкрементальные скорости напряжений . Окончательно получается формула для вычисления напряжений:

(8)

где индекс обозначает среднее значение какой-нибудь величины между n-ным шагом и n+1-ым шагом.

Для описания поведения эластичного инструмента была выбрана модель Муни-Ривлина (9) для гиперупругого материала.

	(9)

Константы , , определяются механическими свойствами эластомера. Поскольку справочные данные о значениях этих констант для разных марок эластомеров отсутствуют, то была разработана методика их определения. Разработанная методика основана на вычислении констант Муни-Ривлина на основе диаграмм испытания образцов из эластомера на одноосное сжатие и плоско деформированное напряженное состояние. Для этого уравнение (9) было преобразовано к видам соответствующим указанным напряженно-деформированным состояниям.

При одноосном растяжении главные степени деформации будут иметь следующий вид:

- степень деформации в направлении оси образца. (10)

- степень деформации в направлении перпендикулярном оси образца (11)

Согласно условию несжимаемости получаем:

(12)

Согласно (10)-(12) для одноосного растяжения, первый и второй инварианты деформаций преобразуются к виду:

(13)

(14)

Подставляя значение главной степени деформации при одноосном растяжении в уравнение напряжений Коши, мы получим следующие напряжения в 1 и 2 направлениях:

(15)

(16)

Вычитая уравнение (16) из уравнения (15), мы получим главное истинное напряжение для одноосного растяжения:

(17)

Аналогично получается уравнение главных истинных напряжений для плоско деформированного состояния

(18)

Суммарное квадратичное отклонение определяется по формуле:

(19)

где: E - относительная ошибка, - экспериментальное значение напряжения, - значение напряжений Коши из выражений (17) и (18) (функция констант Муни-Ривлина), n - количество точек экспериментальных данных.

(20)

Система уравнений (20) является необходимым условием существования локального экстремума функции двух переменных. Решив систему уравнений, используя выражения (17), (18), получаем выражения для определения констант а₁₀ и а₀₁:

гофрированный лист формовка заготовка

(21)

(22)

В третьей главе представлены созданные математические модели, позволяющие теоретически рассчитать процесс непрерывной знакопеременной формовки продольных каналов в листовой заготовке на профилегибочном стане с использованием эластичного и жесткого инструмента и в результате получать полную информацию по напряженно-деформированному состоянию тонколистовой заготовки и инструмента, а так же о энергосиловых параметрах процесса. С использованием построенных математических моделей было проведено теоретическое исследование процесса знакопеременной формовки тонколистовой заготовки из алюминия АД-1 и нержавеющей стали 08Х18Н9Т в четырех клетях с использованием эластичного и жесткого инструмента.

На рис. 3 показан вид модели в начальном состоянии. Заготовка выполнена из листа алюминия АД-1 толщиной 0,8мм. Из рисунка видно, что длина заготовки в два раза превышает расстояние между первой и четвертой клетями (рис. 3а), это сделано для того чтобы рассмотреть установившийся процесс деформирования заготовки сразу во всех клетях.

На рис. 4а показаны поля распределения эквивалентных напряжений по Мизесу в заготовке при ее деформировании в первой клети. Результаты решения показывают, что максимальные эквивалентные напряжения сосредоточены на пятне контакта в зоне перехода между плоским и выпуклым участком.

В этом месте эквивалентные напряжения составляют порядка 57 МПа. Так же наибольшие напряжения наблюдаются на вершине выпуклой части заготовки и составляют 50 МПа.

а - общий вид

б - первый калибр

в - второй калибр

г - третий калибр

д - четвертый калибр

Рис. 3. Расчетная сетка в начальном состоянии

На рис. 4б представлены поля распределения толщин деформированной заготовки. Максимальное утонение заготовки происходит в месте перехода между плоской и выпуклой частями заготовки, где ее толщина составляет 0,75мм. У вершины формуемого канала толщина заготовки составляет 0,78 мм.

а б

Рис. 4. Результаты моделирования - первая клеть

На рис. 5а показаны поля эквивалентных напряжений в заготовке при ее деформировании во второй клети. На рисунке видно, что напряжения достигают наибольших значений в очаге деформации на плоской части заготовки и у вершины формуемого канала и составляют до 85МПа и 78МПа соответственно.

а б

Рис. 5. Результаты моделирования - вторая клеть

На рис. 5б показаны поля толщин заготовки при ее деформировании во второй клети. На рисунке видно, что максимальное утонение заготовки происходит у вершины формуемого канала и переходной зоне, там толщина заготовки составляет 0,68мм. Следует отметить, что зона утонения при вершине канала более протяженная, чем в зоне перехода от плоской части к выпуклой.

На рис. 6а показаны поля распределения эквивалентных напряжений в заготовке при ее деформировании в третьей клети, в которой происходит выворачивание. Как видно из рисунка распределение эквивалентных напряжений в очаге деформации довольно равномерно и составляет примерно 55 МПа. Что объясняется тем, что при выворачивание заготовки утонения практически не происходит, в отличие от предыдущих клетей в которых образование канала происходило за счет утонения заготовки.

На рис. 6б показаны поля толщины листовой заготовки при ее деформировании в третьей клети.



а б

Рис. 6. Результаты моделирования - третья клеть

При выворачивании, положение первой зоны максимальных деформаций не меняется, в то время как вторая зона, распложенная в середине отформованного канала после выворачивания соответствует трети вновь образованного канала. Минимальная толщина заготовки при прохождение третьей клети составляет 0,68 мм.

На рис. 7а показаны поля эквивалентных напряжений в заготовке при ее деформировании в четвертой клети, где происходит дополнительная формовка вывернутого ранее канала для увеличения его глубины. Из рисунка видно, что максимальные эквивалентные напряжения сосредоточены в зоне перехода от плоской части заготовки к выпуклой в очаге деформирования. В этой зоне значение напряжений составляет 115 МПа. В зоне формуемой выпуклости напряжения составляют 90МПа.

а б

Рис. 7. Результаты моделирования - четвертая клеть

На рис. 7б показаны поля толщины листовой заготовки при формовке в четвертой клети. Из рисунка видно, что тянущая сила, создаваемая в четвертой клети, способствует выпрямлению заготовки, которая получает кривизну в направление прокатки при деформировании в первой клети.

Так же были проведены расчеты для листовой заготовки толщиной 0,5мм из нержавеющей стали 08Х18Н9Т. По результатам которых было установлено, что деформирование заготовки и распределение максимальных утонений имеет подобный характер.

В четвертой главе проведены испытания образцов эластомера из полиуретана марки СКУ-7Л на одноосное напряженное состояние и плоско деформированное напряженное состояние. Полученные диаграммы деформирования образцов показаны на рис. 8

а - сжатие цилиндрического образца б - сжатие образца квадратного сечения

Рис. 8. Диаграммы деформирования образцов

На рис. 9 показана заготовка из алюминия АД-1. На рис. 10а показан вид заготовки прошедшей все стадии деформирования. Из отформованных заготовок были вырезаны образцы для измерений геометрических размеров полученных образцов.



Рис. 9. Заготовка

Измерения проводились путем фотосъемки образцов, увеличения и наложения координатной сетки (рис. 10б).

а б

Рис. 10. Вид деформированной заготовки

Результаты измерения (таблица 1) показывают, что при формовке в первой клети эластичным инструментом глубина получаемых каналов составляет величину 0,8мм, что сопоставимо с толщиной заготовки.

Таблица 1

	№ клети
	I	II	III	IV
	Теор.	Эксп.	Теор.	Эксп.	Теор.	Эксп.	Теор.	Эксп.
глубина формовки [мм]	0,7	0,8	2,0	2	3,2	3,5	7,5	7,5
толщина [мм]	в вершине	0,77	0,79	0,68	0,7	0,68	0,7	0,65	0,64
	в зоне перехода	0,75	0,76	0,68	0,7	0,68	0,7	0,6	0,6

Во второй клети глубина канала увеличивается до 2мм. В третьей клети при выворачивание глубина канала увеличивается до 3,5мм. В последней четвертой клети глубина формовки канала составляет 7,5мм.

Также в таблице 1 приведены значения величин полученные при математическом моделировании процесса. Сравнение данных полученных теоретическим и экспериментальным путем позволяет говорить о достаточно высокой точности разработанных математических моделей.

На рис. 11 показана заготовка из нержавеющей стали 08Х18Н10Т.

Рис. 11. Заготовка

На рис. 12а показан вид заготовки после ее прохождения через четыре клети. Из полученной заготовки были вырезаны образцы для измерения геометрических характеристик.

а б

Рис. 12. Вид деформированной заготовки

На рис. 12б показан полученный образец с наложенной координатной сеткой. Измерения полученных образцов проводились тем же методом, который применялся для заготовок из алюминия. Результаты измерения (таблица 2) показывают, что при формовке в первой клети эластичным инструментом глубина получаемых каналов составляет величину 0,05мм. Во второй клети глубина канала увеличивается до 2мм. В третьей клети при выворачивание глубина канала увеличивается до 2,5мм. В последней четвертой клети глубина формовки канала составляет 6,5мм.

Сравнивая значения геометрических размеров заготовки полученных методом моделирования и экспериментальным методом, видно, что отклонение

Таблица 2

	№ клети
	I	II	III	IV
	Теор.	Эксп.	Теор.	Эксп.	Теор.	Эксп.	Теор.	Эксп.
глубина формовки [мм]	0,1	0,08	2	2	3	2,5	6,5	6,5
толщина [мм]	в вершине	0,5	0,5	0,43	0,45	0,48	0,45	0,4	0,41
	в зоне перехода	0,5	0,5	0,45	0,45	0,45	0,45	0,39	0,41

теоретических данных для алюминиевой заготовки составляют среднее значение 8,5%, для заготовки из нержавеющей стали среднее значение 11.2%.Таким образом, точность разработанных математических моделей приемлема для практических расчетов.

В пятой главе предложены конструкции тепло приёмных (рис. 13б) и теплообменных (рис. 13а) панелей, которые входят в состав установок солнечных коллекторов. Разработана технологическая последовательность изготовления комплектующих деталей и сборки панелей.



а б

Рис. 13. Панели входящие в состав солнечного коллектора

Для производства гофрированных пластин для теплообменных и тепло приемных панелей разработана схема стана непрерывной знакопеременной формовки с эластичным и жестким рабочим инструментом (рис. 14).

Рис. 14. Схема стана

Устройство состоит из клетей с жесткими валками 1 и 2 (рис. 14), которые отгибают кромки листа на угол 90є. Клетей 3 и 5 с эластичным рабочим инструментом. Промежуточной клети 4, содержащей пару жестких валков для увеличения степени деформации заготовки. Клети 6, содержащей пару жестких калибрующих валков. Валки клети 6 приводятся во вращение двигателем 7 посредством цепной передачи 8, далее крутящий момент передается на предыдущие клети цепями 9, 10, 11, 12, 13. Все элементы установки установлены на раме 14. Во всех клетях положение верхнего валка устанавливают регулировочным винтом.

Разработанное оборудование защищено патентом Российской Федерации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников показал, что существующие технологии производства гофрированных панелей имеют как преимущества, так и недостатки, по этому для повышения конкурентоспособности продукции необходимо разрабатывать новые технологические решения которые позволят повысить эффективность экономии металла заготовки и снизить металлоемкость оборудования.

2. Расчеты, проведенные по разработанным, математическим моделям позволили установить что:

· для формовки профиля заданного сечения достаточно 4 клети,

· при формовке гофрированного листа из алюминия АД-1 толщиной 0,8мм силы не превышают 15,8 кН, для нержавеющей стали марки 08Х18Н9Т максимальные силы не превышают 25,2 кН.

3. В результате экспериментальных исследований установлено что разработанные математические модели адекватно отражают процесс и расхождение между теоретическими и экспериментальными данными по деформациям заготовки составляют 8,5%.

4. В результате реализации разработанного метода определения констант Муни-Ривлина установлено, что для полиуретана марки СКУ-7Л значения констант составляют: а₀₁ = 0,83, а₀₁ = 2,5.

5. Предложенная схема конструктивного исполнения технологического оборудования в соответствии с патентом № 2368446 С1 RU B21D 13/04 B21D5/06 реализована на практике на лабораторном стане и показала что она пригодна для изготовления гофрированных листов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В РАБОТАХ

1. Моделирование процесса локальной обработки тонколистового металла эластичным и жестким рабочим инструментом / С. В. Поворов [и др.] 4-ая международная конференция молодых специалистов // Металлургия ХХ1 века: сб. трудов. М., 2008. С. 271-278.

2. Моделирование процесса формовки на стане с эластичным и жестким инструментами / С. В. Поворов [и др.] // Всероссийский научно-практич. семинар // Влияние идей акад. А.И. Целикова на качество инженерного образования в МГТУ им. Н.Э. Баумана: Сб. трудов №032090645. М., 2009.

3. Моделирование процесса формовки продольных каналов на стане с эластичным и жестким инструментами / С. В. Поворов [и др.] // Сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции. Тула, 2010. С. 44-46.

4. Моделирование процессов последовательной формовки продольных каналов в листе на стане с эластичным и жестким инструментом. / С. В. Поворов [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. Кузнечно-щтамповочное производство. 2010. №6. С. 29-32.

5. Моделирование процесса формовки на профилегибочном стане с эластичным и жестким инструментами / С. В. Поворов [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2010. № 4. С. 86-97.

6. Стан для обработки металлического листа давлением. Патент на изобретение № 2368446 С1 RU B21D 13/04 B21D5/06 опубликовано 27.09.2009г. бюл. №27.

7. Гибкий производственный комплекс для деформирования и резки листового металла. Патент на изобретение № 2352422 С2 RU B21D22/00 опубликовано 20.04.2006г. бюл. №27.

Размещено на Allbest.ru

...