В современном промышленном производстве гибка труб является одним из ключевых технологических процессов, используемых в машиностроении, строительстве, автомобильной промышленности и других отраслях. Гибка — одна из наиболее распространенных операций металлообработки и это пластическая деформация металлов вокруг линейной оси, называемой осью изгиба, с незначительным изменением площади поверхности или без нее. Трубогибочные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) позволяют добиться высокой точности и повторяемости операций, что особенно важно при изготовлении сложных конфигураций труб.
Существует множество методов холодной гибки, включая гибку при вращательном вытягивании, гибку при сжатии, изгибку в пустую, изгибку под давлением, изгибку при прокатке и т. д. Проблема, с которой сталкиваются изготовители, заключается в том, что из-за повышенных требований заказчика к сложным изогнутым деталям и жестких допусков не всегда удаётся с первой попытки изготовить изогнутую деталь требуемой конфигурации, т. к. возникают такие дефекты как нежелательная деформация, неточность углов изгиба, утолщение или истончение стенок, трещины и т. д. Все это находится в тесной взаимосвязи с выбором методов гибки, конструкций оснастки, точностью установки матрицы, настройкой станка, рядом параметров процесса гибки, а также свойствами материала заготовки [1].
Проявление упругих свойств металлов после снятия внешних нагрузок искажает форму, приданную изделию в процессе деформирования; кривизна и угол изгиба деталей уменьшаются. Теоретические основы этого явления сформулированы А. А. Ильюшиным в его теореме о разгрузке.
При расчетах предполагается, что радиусы нейтрального слоя до и после разгрузки ( ρ и ρ 1 ) совпадают со средним радиусом заготовки. При больших относительных радиусах изгиба вместо ρ и ρ 1 выбирают внутренний радиус, по которому изготовляется оснастка для гибки. Величина упругой деформации возрастает с увеличением относительного радиуса, так как при этом увеличивается ширина зоны упругих деформаций в срединной части заготовки.
В соответствии с [2], в наиболее удобном для практического пользования виде угол пружинения определяется уравнениями:
— из условия линейной схемы напряженного состояния с учетом упрочнения
— то же, но без учета упрочнения
— из условия объемного напряженного состояния
На рисунке 1 показаны графики зависимости угла пружинения от угла изгиба для сплава Д16М, построенные по указанным уравнениям [3,4]. Как следует из графиков, количественные показатели упругой деформации существенно зависят от принятой схемы напряженного состояния и от того, учитывается или не учитывается упрочнение металла.
Вместе с тем, количественные расчеты параметров упругой деформации по приведенным уравнениям, как и по другим уравнениям, встречающимся в литературе, могут считаться лишь ориентировочными. Помимо учтенных в расчетах параметров на величину упругой деформации оказывает влияние конструкция оснастки, так как на пружинение в очаге деформаций накладывается пружинение прилегающих зон заготовки.
Рис. 1. Зависимость угла пружинения от угла изгиба, материал — сплав Д16М: 1 — линейный пластический изгиб без упрочнения; 2 — линейный пластический изгиб с упрочнением; 3 — объемный пластический изгиб с упрочнением
В связи с разбросом физико-механических свойств материала в состоянии поставки, величина пружинения может быть разной, даже для однотипных заготовок, взятых из разных партий, даже если материал был поставлен по одному и тому же ГОСТу. Из накопленной производственной статистики известно, что не являются детерминированными физико-механические свойства заготовок и внутри одной партии.
Для обеспечения заданной конфигурации согнутой детали, и выдерживания необходимых параметров по толщинам и длине детали, программирование перемещений исполнительных механизмов в станках с ЧПУ должно производиться с учётом пружинения заготовки и жёсткости станка. В этих условиях для каждой партии заготовок должна составляться своя программа, рассчитанная на основании двух пробных гибов, выполненных на данном станке на отрезке трубы, взятой из данной партии заготовок. Два пробных гиба позволяют определить упругую характеристику системы заготовка-станок, с помощью которой производится расчёт программы перемещений для гибочного шаблона и механизма продольной подачи, а также уточнение длины заготовки. Однако такой подход при производстве мелкосерийных изделий, особенно из дорогостоящих материалов, приводит к повышению итоговой стоимости продукции.
Для решения данной проблемы разработан программно-аппаратный комплекс (ПАК) на базе промышленного станка ТГСП-25, в котором: формализована и сохранена, в виде библиотеки базы данных, производственная статистика выполнения гибочных операций за период с 2014 по 2025 годы; применена система оценки поведения трубной заготовки в ходе гибки, с использованием новых значимых параметров — скорости гибки
V
, модуля упругости материала
E
, предела текучести материала
Δθ = f (V, E, σy, R, t, θ) , (1)
где V — скорость гибки трубной заготовки;
Е — модуль упругости материала*,
σy — предел текучести;
R — радиус гибки**,
t — толщина стенки заготовки;
θ — требуемый угол гиба.
На основе проведённого исследования с помощью ПАК, выявлены зависимости скорости изгибания трубы V от итоговой поправки на пружинение Δθ и предложен метод управления автокомпесацией рассогласования параметров гиба, позволяющий достигать необходимого и достаточного угла поворота гибочного узла в трубогибочном станке с ЧПУ, до разгрузки детали, в основе которого лежит оценка и учёт системой ЧПУ изменения размера щели золотника электрогидравлического преобразователя следящего гидропривода управления движением гибочного узла в его неразрывной связи с изменением нагрузки в очаге деформации с наложенной на неё нагрузкой прилегающих зон трубной заготовки.
В отличие от уже имеющегося в современных станках режима автокомпенсации, предназначенного для учёта пружинения материала, предложенный метод позволяет полностью исключить из технологического процесса операцию рихтовки детали и контроля конфигурации детали в кондукторе формы методом последовательных улучшений. Поскольку после каждого воздействия на деталь гибочным узлом металл частично «распрямляется», создавая противодавление, которое определяется измерительной системой ПАК, а программное обеспечение контроллера предусматривает этот эффект, задавая углы гибки и скорость движения гибочного узла с корректировкой на упругость. Это позволяет повысить точность и качество гибки, минимизировать количество брака и сократить время на настройку станка.
Таким образом, новый метод, реализованный в ПАК, лишён недостатков, присущих имеющимся системам автокомпенсации, в которых, для получения нужного результата, настройка оборудования осуществляется с учётом компенсации пружинения, заданием большего угла гиба, корректировкой положения инструмента, изменением скорости и характера приложения усилия, или пробной гибкой с последующей корректировкой параметров в ручную оператором-наладчиком, при этом в процессе отладки образуется определённое количество испорченных деталей, что приводит к перерасходу дорогостоящего материала.
Предложенный метод определяет исходное состояние системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД) исходя из допущения, что заданный угол на станке по умолчанию всегда не равен фактическому углу готовой детали из-за пружинения материала и параметры:
Е
— модуль упругости материала,
Кроме того, обычной практикой является то, что в поставляемом со станком программном обеспечении обычно имеется модуль моделирования, позволяющий провести виртуальную гибку (эмулятор) и спрогнозировать возможные дефекты, а также рассчитать необходимые корректировки технологического процесса. По сути, работа этих модулей построена на использовании метода конечных элементов, который сам по себе является вычислительным экспериментом. В режиме автокомпенсации необходим учет более сложного взаимодействия множества перечисленных факторов. В связи с чем, на основе проведённых исследований с применением описанного ПАК возможна модернизация трубогибочных станков с ЧПУ, в которых будет использованы:
– адаптивные алгоритмы, корректирующие компенсацию по текущим измерениям;
– базы данных с типовыми значениями компенсации для разных материалов и режимов гибки;
– системы обратной связи (датчики перемещения, угловые энкодеры), повышающие точность учёта пружинения.
Это откроет более широкие возможности для совершенствования технологических процессов гибки труб на трубогибочных станках с ЧПУ.
Литература:
- Гальперин, А. И. Машины и оборудование для гнутья труб / А. И. Гальперин. — М.: Машиностроение, 1967. — 179с. — Текст: непосредственный.
- Жданов И. А. Технологическое обеспечение качества гибки трубопроводов авиационных двигателей с применением комбинированного нагружения: дис. канд. техн. наук: 05.07.02. / Жданов И. А.; НАУ им.Н. Е. Жуковского. — Харьков, 2013. — 173 с. — Текст: непосредственный.
- Гальперин, А. И. Гнутье труб / А. И. Гальперин. — М.: Машиностроение, 1969. — 387 с. — Текст: непосредственный.
- Дмитриев, Б. С. Трубогибочные работы / Б. С. Дмитриев. — М.: Машгиз, 1953. — 237 с. — Текст: непосредственный.
