Моделирование кинематической схемы последовательной обтяжки оболочек двояковыпуклой формы на обтяжном прессе FEKD Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 669.715

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ОБТЯЖКИ ОБОЛОЧЕК ДВОЯКОВЫПУКЛОЙ ФОРМЫ НА ОБТЯЖНОМ ПРЕССЕ FEKD

© 2014 В.А. Михеев1, Ф.В. Гречников1, С.Г. Дементьев2, В.П. Самохвалов1, Д.В. Савин1, С.В. Сурудин1

1 Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет) 2 ЗАО "Авиастар - СП", г. Ульяновск

Поступила в редакцию 14.11.2013

Рассматриваемая кинематическая схема выявила новый способ формообразования обтяжкой. В новом способе выполняются последовательно два этапа формообразования на одном и том же обтяжном пуансоне и на одном и том же прессе с программным управлением типа FEKD при установке зажимов пресса для обтяжки прямолинейной листовой заготовки. Такая последовательность формообразующих операций, разделенных разгрузкой и разгибанием с разверткой поверхности оболочки относительно поверхности обтяжного пуансона, приводит к получению равномерного утонения стенки детали. Кинематическая схема последовательной обтяжки реализуется на прессе, оснащенном системой автоматизации на прессе типа FEKD за счет синхронного движения левого и правого балансиров с зажимами и стола пресса с установленным на нем обтяжным пуансоном. Ключевые слова: способ формообразования обтяжкой, пресс программного управления, кинематическая схема.

Наиболее распространенными из зарубежных обтяжных прессов на предприятиях нашей страны являются прессы FEKD, имеющие числовое программное управление ЧПУ по четырём координатам [1]. Программируемыми координатами на прессах FEKD являются: 1 - вертикальное перемещение стола пресса; 2, 3 - выдвижение штоков гидроцилиндров, соответственно левого и правого балансиров пресса с зажимами; 4 -наклон стола пресса в вертикальной плоскости.

Данные прессы предназначены для формообразования деталей обшивок одинарной и двойной кривизны со значительными продольными углами облегания обеих сторон обтяжного пуансона около 1800. Предложенная кинематическая схема процесса обтяжки на этих прессах осуществляется в следующей последовательности. Заготовка предварительно растягивается и обертывается вокруг обтяжного пуансона, а затем подвергается дополнительному растяжению с целью вывода всех ее элементов за предел текучести.

Михеев Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор. E-mail:[email protected] Гречников Федор Васильевич, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор. E-mail:[email protected] Дементьев Сергей Геннадьевич, генеральный директор. E-mail: [email protected]

Самохвалов Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор. E-mail: [email protected] Савин Дмитрий Валерьевич, инженер. E-mail:[email protected]

Сурудин Сергей Викторович, инженер, аспирант. E-mail: [email protected]

Схема пресса БЕКО, с помощью которого реализуются названные операции, приведена на рисунке 1, где показаны: каретки пресса, которые могут перемещаться по направляющим станины с помощью приводных винтовых пар 2; поворотная плита 3, на которой шарнирно закреплены "балансир" с зажимными устройствами 4 и цилиндр поворота балансира 5; рабочий стол 6 с двумя цилиндрами привода 7; обтяжной пуансон 8 и обтягиваемая листовая заготовка 9.

Аналитический метод построения управляющих программ основывается на результатах теоретической аппроксимации продольного формообразующего контура обтяжного пуансона, кривых перемещения краев листовой заготовки относительно формообразующего контура и на результатах расчета оптимальных технологических режимов, например, с использованием математической модели процесса формообразования обтяжкой оболочки двояковыпуклой формы. Последующий синтез результатов этих расчетов позволит получить оптимальную управляющую программу для ЧПУ пресса.

Первоначальным этапом в расчете движений исполнительных органов пресса БЕКО является определение исходных данных элементов пресса БЕКО, для которых будет произведен расчет, а именно перемещения балансиров с зажимами и стола пресса с обтяжным пуансоном. Так как обтяжной пуансон является прототипом детали, то геометрические параметры оболочки можно рассматривать так же как размеры пуансона (рис. 2).

Рис. 1. Различные положения элементов пресса БЕКО: а - исходное положение нижнего стола и балансира (листовая заготовка натянута и касается верхнего гребня пуансона в районе "полюса"); б - конечное положение нижнего стола и балансира (конец процесса обтяжки); в - установка зажимов при обтяжке деталей из прямоугольных заготовок; г - установка зажимов при обтяжке конических деталей

Рис. 2. Оболочка двойной кривизны двояковыпуклой формы

При этом радиусы главных кривизн линий контуров, пересекающихся в "полюсе" поверхности оболочки (точка О) соответственно равны: продольный по формообразующему контуру Я = 766 мм, а поперечный по второй кривизне Я2о = 9187, 6

мм. Прогиб поперечного контура оболочки в точке О равен у= 71 мм. Длина формообразующего контура обтяжного пуансона равна 2616 мм, а ширина листовой заготовки равна 2280 мм.

Геометрические параметры балансира и стола пресса БЕКО в исходном положении показаны на рис. 3, а именно: начальное положение штока гидроцилиндра поворота балансира 80, осей от центра вращения балансира до соответствующих элементов (центры радиусов закругления верхней губки и "клюва" 81 и 82, центры головки штока и поворота гидроцилиндра 83 и 84, упора для заправки листа в зажим 85, от оси 85 до радиуса закругления губок), а также угловые параметры соответствующих расстояний 83 и 84 от горизонтали, проходящей через центр вращения балансира Б10и Б20.

Геометрические параметры балансира и стола пресса БЕКО в текущем положении показаны на рис. 4, где изменяют значения положение 80, оси 83 и 84 и углы Б10 и Б20 на и Б2. Были получены необходимые кинематические соотношения между геометрическими параметрами балансира и стола пресса для трех положений листовой заготовки: лист лежит на нижней губке, лист огибает верхнюю губку и лист касается и

Рис. 4. Геометрические параметры балансира пресса БЕКО (текущее положение стола и балансира пресса в процессе обвертки обтяжного пуансона)

огибает "клюв" балансира. Данные соотношения приведены в [2], а для удобства и ускорения расчетов используем электронные таблицы Microsoft Excel (рис. 5). Расчеты были выполнены для пресса FEKD 550-1100 с длиной зажимных губок 3000 мм.

Наиболее важными из всех расчетных данных для начала процесса обтяжки являются исходная высота подъема стола ZH* и начальная позиция каретки балансира XH* при горизонтальном положении листовой заготовки после заправки ее в зажимы пресса и растяжении порядка 0,5% (см. рис. 3).

После определения начального положения балансира и стола пресса FEKD можно переходить к непосредственному расчету величин пе-

ремещений рабочих органов пресса в процессе обтяжки листовой заготовки по разрабатываемой кинематической схеме, которая предполагает определенную последовательность операций обтяжки, разделенных разгрузкой и разгибанием с разверткой тонколистовой оболочки. Первоначальным этапом в моделировании кинематической схемы последовательной обтяжки является подготовка геометрических моделей элементов, участвующих в процессе: заготовки, оболочки, обтяжного пуансона, а также основных элементов пресса FEKD, которые имеют непосредственное отношение к формуемой заготовке. Построение и сборка геометрических 3D моделей пресса FEKD и различное положение его элементов выполнялось в Solid Works.

Рис. 5. Вид окошек автоматизированного расчета Excel величины перемещений рабочих органов пресса FEKD

В предполагаемой кинематической схеме последовательной обтяжки выполняются друг за другом два этапа формообразования на одном и том же обтяжном пуансоне и на одном и том же прессе с программным управлением типа БЕКО при установке зажимов пресса для обтяжки прямолинейной листовой заготовки:

Одним из основных требований, предъявляемых к этому способу, является раздельное и последовательное осуществление этапов формообразования, разделенных разгрузкой без освобождения детали из зажимов пресса.

На рисунке 6 представлен первый этап формообразования - схема предварительной обтяжки после обвертки плоской листовой заготовки обтяжного пуансона по формообразующему контуру на полный угол охвата ак равным 900. На первом этапе листовая заготовка 1 закрепляется в неподвижных прямолинейных зажимных устройствах 4 и изгибается на полный угол охвата а обтяжного пуансона 2 за счет синхронизации движений балансиров и стола пресса типа БЕКО (рис. 6а). Затем выполняется обтяжка за счет подъема стола пресса 3 при неподвижных балансирах для получения геометрической формы участка оболочки в районе центрального поперечного сечения, проходящем через "полюс" детали в окрестности точки А, но желательно без избыточного деформирования плоского участка схода листовой заготовки с обтяжного пуансона (рис. 6б). На рис. 6в и 6г показаны два вида: штриховой линией - изгибание листовой заготовки с охватом обтяжного пуансона; сплошной линией - окончание предварительной обтяжки.

Избыточное деформирование при простой обтяжке деталей оболочек значительной двойной кривизны двояковыпуклой формы связано с тем, что формообразование в различных сечениях под углом б заканчивается не одновременно. При этом процесс формообразования в сечениях ближе к "полюсу" детали сопровождается избыточным деформированием плоского участка схода листовой заготовки с обтяжного пуансона согласно формуле:

еи = (е0 - ен)еХР (fаJп), ( 1 )

где еи - деформация на стадии избыточного деформирования плоского участка схода листовой заготовки с обтяжного пуансона под углом бк после получения двояковыпуклой формы в районе "полюса", соответствующей полному прогибу центрального поперечного сечения детали оболочки;

е0 -деформация после формообразования двояковыпуклой формы в районе "полюса" детали, соответствующей полному прогибу центрального поперечного сечения детали оболочки;

ен - деформация на стадии нестационарного формообразования двояковыпуклой формы в районе "полюса" детали, соответствующей неполному прогибу центрального поперечного сечения, до момента избыточного деформирования плоского участка схода листовой заготовки с обтяжного пуансона;

f - коэффициент внешнего трения; п- константа упрочнения материала листовой заготовки.

Это вполне достижимо на стадии нестационарного деформирования, несмотря на влияние

Рис. 6. Схема предварительной обтяжки после обвертки плоской листовой заготовки обтяжного пуансона по формообразующему контуру на полный угол охвата б равным 900

внешнего трения при обтяжке тонколистовой оболочки значительной двойной кривизны двояковыпуклой формы. Для оболочки значительной двойной кривизны двояковыпуклой формы при наличии плоского участка схода листовой заготовки с обтяжного пуансона и пресса типа БЕКО, имеющего прямолинейный ряд зажимных устройств согласно формуле (1) вероятнее всего избыточная деформация еи участка схода листовой заготовки с обтяжного пуансона в окрестности точки С несколько меньше или больше деформации формообразования е0 оболочки двояковыпуклой формы в районе "полюса" детали.

Для обеспечения предварительной обтяжки на полный угол а равный 900 зажимы балансиров 4 пресса сближаются по программе к столу 3 пресса без растяжениялистовой заготовки, которая деформируется при подъёме стола Зпресса за счёт гидроцилиндров 5. Полученная двояковыпуклая форма детали оболочки соответствует продольному и поперечному радиусам Я10 и Я20 главных кривизн линий контуров, проходящих через "полюс" в окрестности точки А и связанных соотношением через гауссову кривизну К0:

Я™ = 0

"20

Я

где К0 полностью определяется коэффициентами первой квадратичной формы поверхности второго порядка, а коэффициенты первой квадратичной формы поверхности определяет ее внутреннюю геометрию, т.е. при переходе от некоторой поверхности к другой поверхности путем только изгибания детали оболочки, при которой длины нанесенных на ней линий сохраняются, коэффициенты первой квадратичной формы поверхности и, следовательно, и гауссова кривизна остаются неизменными [6].

В способе предлагается разгрузить деталь оболочки после предварительной обтяжки и, не освобождая ее из зажимов пресса, осуществить ее разгибание на угол ар, например, равным 150 за счет синхронизации движений балансиров и стола пресса БЕКО по расчетной траектории. Гауссова кривизна при разгибании поверхности в свободном состоянии сохраняет свое значение, хотя главные кривизны в "полюсе" в окрестности точки А будут меняться. Это понятие играет важную роль в теории тонких оболочек.

На рис. 7а представлено свободное разгибание с разверткой поверхности оболочки после ее разгрузки за счёт синхронизации движений балансиров и стола пресса по соответствующей (2) программе с угла а равным 900 на угол а , на-

пример, равным 150. В результате получим, так называемую изометрическую форму поверхности оболочки по отношению к поверхности обтяжного пуансона с радиусами кривизны в "полюсе" в окрестности точки А соответственно Я'1о и Я'2о, связанных соотношением при постоянном значении самой гауссовой кривизны К0:

1

-^т;' О)

я т „ =

где, если Я1о при разгибании на угол ар увеличивается до Я'1о, то Я2о, наоборот, уменьшается до Я'2о, а поверхность оболочки отступает от поверхности пуансона в районе центрального сечения на величину/р, касаясь обтяжного пуансона только боковыми свободными участками в окрестности точки В.

На рис. 7б представлен второй этап формообразования - схема последующей обтяжки детали оболочки изометрической формы с угла разгиба а р. На рис. 7в и 7г показаны два вида: штриховой линией - разгибание с разверткой поверхности оболочки; сплошной линией - окончание последующей обтяжки.

В результате при последующей обтяжке детали оболочки с изометрической формой повер-

хности с угла бр обеспечивается растяжение боковых практически недеформируемых участков листовой заготовки, которые касаются поверхности обтяжного пуансона. В результате растяжения боковые свободные участки заготовки начинают прилегать к поверхности обтяжного пуансона. Данное растяжение сопровождается утонением этих участков, и создаются условия выравнивания толщины оболочки в поперечном направлении до момента неполного прилегания поверхности участка "полюса" оболочки к поверхности обтяжного пуансона.

На рис. 8а представлено свободное изгибание детали оболочки с окончательным охватом обтяжного пуансона после ее разгрузки до полного прилегания поверхности оболочки к поверхности обтяжного пуансона за счёт придания ей изначальной изометрической формы при постоянном значении самой гауссовой кривизны К0 и при обратной замене значений радиусов Я10 и Я20 главных кривизн контуров, проходящих через"по-люс" в окрестности точки А за счёт синхронизации движений балансиров и стола пресса по соответствующей программе с угла ар, примерно, равным 150 на угол а равным 900 с конечной фиксации геометрической формы детали оболоч-

Рис. 7. Схема свободного разгибания с разверткой поверхности оболочки после ее разгрузки и последующей обтяжки детали оболочки изометрической формы с угла разгиба

ки (рисунок 8б). На рис. 8в и 8г показаны два вида: штриховой линией - повторное изгибание листовой заготовки с охватом обтяжного пуансона; сплошной линией - окончание формообразования при последовательной обтяжке.

При этом избыточное деформирование других участков готовой детали оболочки, постепенно прилегаемых к поверхности обтяжного пуансона 2 будет отсутствовать. В результате поверхность оболочки будет соответствовать поверхности обтяжного пуансона, соответствующей изначальной изометрической форме с гауссовой кривизной в точке А, равной произведению Я10 и Я20 без локализации растяжения на свободном участке заготовки между пуансоном 2 и зажимными устройствами балансиров 3 пресса.

Деформация, которая обеспечивает получение двояковыпуклой формы детали оболочки в районе "полюса", соответствующей полному прогибу центрального поперечного сечения детали оболочки, равна:

(

е,о = 1п

Я,

Л

Я - /'

V ю у о у

(4)

где Я10 - продольный радиус главных кривизн линий контуров, проходящих через точкуО, а /0-

прогиб поверхности оболочки в центральном поперечном сечении, равный /о = Я2о (1 - со$3к), где Я20 - поперечный радиус главных кривизн линий контуров, проходящих через "полюс" в окрестности точки А, а ¡3 - поперечный угол охвата пуансона при формообразовании второй кривизны.

В результате разгибания радиус Я1о увеличивается до значения Я'1о, а радиус Я2о, наоборот, уменьшается до значения Я'2о при сохранении гауссовой кривизны К0, т.е. Я01 ■ Я02 = К0. "Полюс" оболочки1 в окрестности точки А приподнимается над поверхностью обтяжного пуансона 2 на величину /р. Эта величина определяется из формулы 5 при условии равенства значений деформаций е0 и еА:

е

(А) 3

1п

Ко+ГР

я:.

(5)

V 1о у

где Я'10 - продольный радиус кривизн линии контуров после разгибания детали, рав-

ный: Я:о = *"2о

я2о ■ я.

я2 о

•, гдеЯ',

поперечный радиус

кривизн линий контуров после разгиба, рав-

в) г)

Рис. 8. Схема свободного изгибания детали оболочки с окончательным охватом обтяжного пуансона после ее разгрузки до полного прилегания поверхности оболочки к поверхности обтяжного пуансона

Б2 (Я - / )

ный: К2о =-0-—, где В - ширина листа.

2/оЕ1оЯ2о

На втором этапе, при последующей обтяжке, выполняется растяжение боковых свободных участков оболочки в окрестности точки В, полученной в результате разгибания с разверткой, в новом изометрическом положении по отношению к поверхности обтяжного пуансона, то есть под углом бр При этом обеспечивается деформирование не участка в районе "полюса" оболочки в окрестности точки А, а боковых свободных участков в окрестности точки В, имеющих контакт с поверхностью обтяжного пуансона.

Этот процесс можно довести до равномерного деформирования всех участков поверхности детали в окрестностях точек А, В, и С, что приводит к получению детали оболочки минимальной разнотолщинности. Предложенный способ реализуется на прессе БЕКО, который имеет возможность перемещать зажимы, установленные на балансирах, для обтяжки под углом а или а р.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нефедова Т.И., Мацнев В.Н. Технология и оборудование для формообразования обшивок одинарной и двойной кривизны. Реферативная подборка по материалам зарубежной печати. М.: НИАТ, 1988. 28 с.

2. Программирование процесса формообразования обшивок на прессе / В.А. Михеев, М.И. Хасьянов, А.И. Деркачев // Куйб. Авиац. Ин-т. Куйбышев. Деп.в ЦНИИ цветмет экономики и информации 08.04.1986 г. , 1986. 8 с.

3. Филин А.П. Элементы теории оболочек // 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. 384 с.

4. Михеев В.А. Направленное изменение толщины заготовки при формообразовании обтяжкой обводооб-разующих оболочек двойной кривизны // Труды международной научно-техн. конф. "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" . Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2003. С. 192-198.

5. Оптимальные деформации при формообразовании оболочек двойной кривизны обтяжкой / Ф.В. Гречни-ков, В.А. Михеев, Д.В. Щуровский // Заготовительные производства в машиностроении. 2004. №7. С. 23-27.

6. Гондейвейзер А.Л. Теория тонких оболочек. М.: Наука, 1976. 512 с.

SIMULATION OF KINEMATICS SCHEME SERIAL OF SHELLS STRETCHFORMING DOUBLE-CONVEX FORM ON STRETCHFORMING PRESS FEKD

© 2014 V.A. Miheev1, F.V. Grechnikov1, S.G. Dementyev2, V.P. Samohvalov1, D.V. Savin1, S.V. Surudin1

1 Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University) 2 "Aviastar-SP", Ulyanovsk

Considered kinematic scheme identified a new method of stretchforming. In the new method are executed sequentially two stages shaping at the same stretch punch and on the same press with software control type FEKD when installing clips of the press for covering the straight-line sheet preparation. This sequence of forming operations, separated unloading and extension from scanning the surface of the shell on the surface of the stretch punch, leads to a uniform wall thinning details. Kinematic scheme consistent leather is implemented on the press, equipped with an automation system on the press type FEKD due to the simultaneous movement of the left and right balance weights with clips and press table with installed stretch punch. Key words: shapingstretch forming, press with software control, kinematic scheme.

Vladimir Miheev, Doctor of Technics, Professor. E-mail: [email protected]

Fyodor Grechnkov, member-correspondent of RAS, Doctor of

Technics, Professor: E-mail: [email protected]

Sergey Dementyev, General Manager.

E mail: d002a@aviastar sp.ru

Vladimir Samohvalov, Doctor of Technics, Professor.

E-mail: [email protected]

Dmitriy Savin, Engineer. E-mail: [email protected]

Sergey Surudin, Engineer, Graduate Student.

E-mail: [email protected]