Формообразование сложнопрофильных деталей на автоматизированных профилегибочных машинах относится к операциям объемного совмещенного пластического формообразования. Заготовка подвергается существенным изменениям своей первоначальной формы (прямолинейной, реже — криволинейной) и испытывает значительные деформации и смещения сечений. Формообразованием на профилегибочных машинах в авиастроении изготовляются листовые и профильные заготовки. Процесс занимает одно из ведущих мест по трудоемкости в изготовлении самолета или другого изделия авиационной техники. Трудоемкость изготовления гнутых профилей составляет 25 — 27 % от общего объема. К формообразуемым деталям относят стрингеры, шпангоуты, пояса нервюр и лонжеронов.
Профилегибочные машины с ручным управлением получили широкое распространение в начале пятидесятых годов прошлого века в связи с началом выпуска цельнометаллических фюзеляжей самолетов. За счет ее использования в технологии изготовления сложнопрофильных деталей удалось предотвратить потерю устойчивости плоской формы профиля при формообразовании, повысить точность изготовления деталей из авиационных сплавов.
В последние тридцать лет исследовались вопросы теории процессов формообразования сложнопрофильных деталей методами гибки, поставлены и во многом решены задачи силового и координатного управления формообразованием. Так же разработана система автоматизированного проектирования и расчета технологических параметров процесса гибки с растяжением, проводились исследования процессов гибки с растяжением с применением дифференциального нагрева и устройства доводки внешнего слоя профиля с помощью раскатывающего ролика.
Однако вопросы автоматического управления формообразованием при гибке с растяжением, обеспечения универсальности и слабой зависимости от входных возмущающих факторов и параметров до сих пор были проработаны совершенно недостаточно. Существующее в производстве оборудование в основном реализует способ управления формообразованием по усилиям (давлению в полостях гидроцилиндров).
Автоматизированные профилегибочные машины, оснащенные датчиками линейных и угловых перемещений, получили возможность осуществления формообразования по перемещениям, а также по скоростям перемещений. В числе выпущенных и выпускаемых машин необходимо выделить ПГР-6, ПГР-7, ПГР-6А, ПГР-6АД. Последние две оснащены УЧПУ 2Р32М. Внедрение профилегибочных машин с числовым программным управлением, таких, как ПГР-6АД, при программировании методом обучения позволяет неограниченное число раз воспроизводить эмпирически подобранную программу перемещения рабочих органов по координатам.
При исследовании вопросов формообразования сложнопрофильных деталей на оборудовании гибки с растяжением учитывался опыт современного машиностроения, а также исследования в области пластического деформирования профильных заготовок из авиационных сплавов методами гибки. Необходимо отметить значительное число изобретений, посвященных схемным и конструктивным решениям оборудования гибки с растяжением.. Существует большое количество информационных материалов по близким аналогам процесса формообразования на гибочных машинах. К ним можно отнести публикации по металлорежущему, сварочному оборудованию, средствам автоматизации процессов производства, по другим близким тематикам.
Областью настоящего исследования является достаточно узкая специализация — формообразование на профилегибочных машинах.
Основными отличительными чертами рассматриваемых процессов формообразования являются приложение растягивающих усилий, выводящих материал заготовки в зону пластических деформаций, и использование шаблона или пуансона, задающих требуемый контур. Гибка с растяжением с опорой на пуансон позволяет значительно уменьшить пружинение детали, возникающее вследствие неравномерности изгибных нормальных напряжений по сечениям, а также повышать точность изготовления детали в поперечном сечении за счет предотвращения потери устойчивости плоской формы (закручивания, малковки, серповидности).
Особенности летательных аппаратов определяют конструкционные и обусловленные ими взаимнопротиворечивые требования к материалам. Как правило выбор материала в сторону улучшения конструкционных свойств приводит к возможному ухудшению показателей технологичности. В авиастроении применяются материалы с низким удельным весом и достаточной прочностью — алюминиевые, магниевые, титановые сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
Число деталей из профилей может достигать десятков тысяч, общая их длина — до 30 км, размеры деталей от 25 до 1000 мм, масса может меняться от 0,01 до 25 кг. К числу технологических параметров относят пластичность, обрабатываемость резанием, свариваемость.
Среди причин и доминирующих факторов, влияющих на возникновение погрешности детали, связанных с заготовкой, можно выделить вариации размерно-механических параметров. К размерным параметрам относятся изменения размеров поперечных сечений по длине, толщины полки и другие, а также их различия в партии.
Изменение свойств материала заготовки связано со способом изготовления профиля (гибкой из листа на штампах, фрезерованием), а также термообработкой (отжигом, закалкой на воздухе или селитровой ванне). Для авиационных сплавов, упрочняемых термообработкой, в частности Д16Т, происходят значительные изменения механических свойств во времени, поэтому для этих сплавов разрешена гибка с растяжением в свежезакаленном состоянии только в течение первых двух часов. В соответствии с технологией, применяемой в авиационной промышленности, детали изготовляют обязательно партиями.
Формообразование заготовок производится при различной температуре в зависимости от требований технологического процесса. Применяется операция дополнительного нагрева заготовки до температуры 420 С0, при которой имеют место высокие пластические свойства заготовки, уменьшающие момент внутренних нагрузок.
Погрешности установки имеют как случайные, так и систематические составляющие. К ним, в частности, относятся погрешности установки по высоте, в горизонтальной плоскости, углы перекоса и наклона.
Применение смазки может оказывать различное влияние на точность и надежность процесса формообразования. Смазка при ориентации «полка внутрь» уменьшает остаточные деформации пружинения, для ориентации «полка наружу» — наоборот, может увеличить остаточные деформации.
К факторам технологической наследственности, которые в разное время и в разных условиях могут оказывать влияние на выходные параметры, относятся вариации механических свойств поверхностного слоя (в зависимости от способа предварительного формообразования), шероховатость поверхности, наличие смазки, технологических отверстий на концах профиля и другие.
Анализ причин погрешностей формообразования, связанных с обтяжным пуансоном, в свою очередь, проводится с учетом погрешностей изготовления его контура и базовых отверстий пуансона, случайным и систематическим смещением его сегментов друг относительно друга.
Также к влияющим факторам относится температура пуансона, что особенно важно при предварительном нагреве заготовки. Совершенно очевидно влияние износа контура пуансона и налипания на него посторонних частиц на точность формообразования.
Жесткость материала обтяжного пуансона, стыков соединения его сегментов также может влиять на изменение выходных параметров детали, причем в ряде случаев малая жесткость пуансона, особенно на его концах, приводит к уменьшению погрешностей формообразования.
В свою очередь погрешности установки оказывают различное влияние на возникновение погрешностей формообразования. Например, самоустанавливаемость в плоскости гибки пуансона для формообразования по усилиям практически не влияет на изменение остаточных деформаций. Наоборот, при управлении по перемещениям остаточные деформации увеличиваются для самоустанавливающихся пуансонов.
Погрешности установки разделяются на линейные, угловые, в плоскости и из плоскости гибки, комбинированные.
Различные причины, связанные с исполнительными устройствами оборудования гибки с растяжением, также влияют на снижение точности и надежности формообразования. Вполне очевидно влияние температуры узлов, а также температуры рабочей жидкости. Геометрические параметры, износ подшипников, кулачков патронов, вылет зажимных патронов, деформации узлов оказывают влияние на точность в зависимости от конкретных условий и способа управления формообразованием по перемещениям, усилиям, скоростям и моментам.
К погрешности настройки кинематической схемы могут быть отнесены погрешности задания расстояния между центрами качания крыльев, диапазон рабочих перемещений зажимных патронов и другие.
Влияние условий формообразования также во многом задает априорную неопределенность реализации процесса. Температура внешней среды влияет на точность формообразования опосредовано, через температуру заготовки, пуансона, углов и рабочей жидкости.
Трение между заготовкой и пуансоном и их взаимная ориентация изменяют напряженно-деформированное состояние контактирующего слоя профиля, положение нейтрального слоя и, следовательно, необходимое усилие растяжения. Закрепление профиля предотвращает перетягивание одного гидроцилиндра другим, уменьшает деформации пуансона и снижает влияние нежелательных динамических режимов.
Программно-математическое обеспечение УЧПУ, система автоматизированного проектирования, система активного контроля точностью обработки партии деталей также оказывают влияние на выходные параметры процесса формообразования через параметры силового нагружения. Однако это влияние имеет ряд специфических особенностей, связанных с заданием количества опорных точек в управляющей программе, погрешностями задания управляющих параметров в УП, погрешности интерполяции и др.
Функционирование системы контроля в целом повышает точность формообразования, однако погрешности измерения, неоптимальное формирование корректирующих приращений и погрешности отработки управляющих параметров уменьшают потенциальные возможности системы контроля.
Одним из слабых мест технологии гибки на профилегибочных машинах является необходимость регулировки гидроаппаратуры, например, электрогидроусилителей, требующая высокой квалификации обслуживающего персонала.
Последовательность приложения нагрузок вида "изгиб — растяжение", "растяжение — изгиб", "растяжение — изгиб — растяжение" может иметь различные результаты по увеличению или уменьшению погрешностей формообразования в зависимости от угла гибки, условий формообразования и других факторов. В частности, последовательность "изгиб — растяжение" позволяет достичь наибольшей точности на малых углах гибки. Выбор и задание регулируемых направляющих параметров (момента, скорости, перемещения, силы) в зависимости от входных факторов может оказывать влияние различной степени на вариации выходных параметров.
Условие освобождения профиля, ориентированного "полкой внутрь", могут привести к растяжению профиля или боковому изгибу. Рекомендуется освобождать профиль из пуансона ударами по торцу детали в осевом направлении. Прикатка доводочным устройством внешнего слоя профиля может привести к различным результатам в зависимости от числа проходов и усилия прижима ролика.
При формообразовании могут иметь место кратковременные нестационарные и динамические процессы, они приводят к возникновению отклонений от нормального режима, или даже к аварийной ситуации. В основном эти явления возникают при отладке управляющей программы. При воспроизведении отлаженной программы вероятность их возникновения достаточно низка.
Вывод: На основе выполненных исследований произведен анализ управления формообразованием сложнопрофильных деталей на автоматизированных профилегибочных машинах.
Литература:
- Гибка с растяжением // Энциклопедия по машиностроению XXL. URL: http://mash-xxl.info/info/292689/ (дата обращения: 5.06.2017).
