способ формообразования деталей и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ формообразования деталей из плоской или криволинейной заготовки, при котором определяют величину максимальной деформации _max, затем нагревают и нагружают в режиме ползучести, а скорости деформации меняют как при помощи нагрева, так и при помощи нагружения, при этом поверхность заготовки разбивают на зоны нагружения, отличающийся тем, что участок заготовки дополнительно разделяют на зоны нагрева и зоны охлаждения, причем зоны нагружения выбирают в зависимости от однородности механических свойств, зоны нагрева и зоны охлаждения выбирают в зависимости от однородности теплофизических свойств каждого данного участка заготовки, а максимальную величину деформации определяют в каждой зоне в зависимости от конфигурации детали в данной зоне, кроме того, определяют при заданной температуре допустимую деформацию _y, по величине которой определяют в границах каждой зоны нагружения допустимые перемещения точек нагружения, а по отношению определяют число этапов деформирования, затем заготовку нагревают до заданного распределения температур в каждой зоне и охлаждают до заданной температуры в случае перегрева, затем поэтапно деформируют заготовку, причем на каждом этапе скорость деформации изменяют в режиме ниже предела упругости, в конце каждого этапа в каждой зоне устанавливают величину усилия, пропорционального релаксации напряжения заготовки до заданной величины, при этом в конце последнего этапа величину усилия снижают до нуля, при этом в процессе релаксации напряжения сохраняют геометрические размеры, полученные на данном этапе деформации заготовки, после последнего этапа заготовку подвергают термообработке и искусственному старению с фиксацией полученных геометрических размеров, по которым контролируют полученную форму детали.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при температурной деформации скорость деформации _T изменяют пропорционально величине e^T, где e - основание натуральных логарифмов, - коэффициент, зависящий от свойств материала; T - температура нагрева.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нагружении скорость деформации изменяют пропорционально величине K^m. где - напряжение деформации, m - показатель степени, K - коэффициент пропорциональности.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при совокупном воздействии нагревания и нагружения скорость деформации изменяют пропорционально величине l^cIK^m.

5. Устройство для формообразования деталей, содержащее термокамеру, нагреватель, нагружающие штоки с узлами фиксации, установленные с возможностью перемещения в соответствии с деформацией заготовки, и приводные элементы, отличающееся тем, что устройство снабжено охладителями и дополнительными нагревателями, сферическими шарнирами, введенными в узлы фиксации, а также кожухом, при этом термокамера размещена в кожухе и выполнена многосекционной, в каждой секции размещены нагреватели и охладители, приводные элементы выполнены в виде гидроцилиндров с динамометрами, закрепленных на кожухе с возможностью поворота.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что гидроцилиндры штоков, контактирующих с заготовкой, закреплены шарнирно непосредственно на корпусе секций, а гидроцилиндры штоков, контактирующих с секциями, закреплены шарнирно на кожухе.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что секции термокамеры имеют заданную пространственно-плоскостную геометрическую форму, например форму трехгранной призмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке материалов давлением и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей из листов, профилей, монолитных и сварных панелей, образующих рабочую поверхность одинарной или двойной кривизны.

Известен способ формообразования деталей из плоской или криволинейной заготовки, при котором определяют величину максимальной деформации _max, затем нагревают и нагружают в режиме ползучести, а скорости деформации меняют как при помощи нагрева, так и при помощи нагружения, при этом поверхность заготовки разбивают на зоны нагружения, а также известно устройство для осуществления способа, содержащее термокамеру, нагреватель, нагружающие штоки с узлами фиксации, установленные с возможностью перемещения в соответствии с деформацией заготовки, и приводные элементы.

Однако при формообразовании по известному способу воздействие на фиксированные точки зон нагружения заготовки в течение процесса деформирования усилием не позволяет реализовать различные виды деформаций, необходимые для получения деталей сложных форм. Отклонение от заданной формы увеличивается так же за счет невозможности точно учесть пружинение из-за различия геометрических параметров и теплофизических свойств участков заготовки, т.е. оптимальный режим деформирования на отдельных участках не соблюдается, что снижает точность формообразования, качество детали и прочностные свойства.

Технической задачей изобретения является увеличение точности формообразования деталей из плоских заготовок со сложным рельефом поверхности, увеличение прочности и ресурса путем сохранения целостности микроструктуры при необратимых деформациях.

Для достижения поставленной задачи в способе формообразования деталей из плоской или криволинейной заготовки, при котором определяют величину максимальной деформации _max, затем нагревают и нагружают в режиме ползучести, а скорости деформации меняют как при помощи нагрева, так и при помощи нагружения, при этом поверхность заготовки разбивают на зоны нагружения, участки заготовки дополнительно разделяют на зоны нагружения и зоны охлаждения, причем зоны нагружения выбирают в зависимости от однородности механических свойств, зоны нагрева и зоны охлаждения в зависимости от однородности теплофизических свойств каждого данного участка заготовки, а максимальную величину деформации определяют в каждой зоне в зависимости от конфигурации детали в данной зоне.

Кроме того, определяют при заданной температуре допустимую деформацию _y, по величине которой определяют в границах каждой зоны нагружения допустимые перемещения точек нагружения, а по отношению _max/_y определяют число этапов деформирования. Затем заготовку нагревают до заданного распределения температур в каждой зоне и охлаждают до заданной температуры в случае перегрева. Даже поэтапно деформируют заготовку, причем на каждом этапе скорость деформации изменяют в режиме ниже предела упругости. В конце каждого этапа в каждой зоне устанавливают величину усилия, пропорционального релаксации напряжения заготовки до заданной величины, при этом в конце последнего этапа величину усилия снижают до нуля. В процессе релаксации напряжения сохраняют геометрические размеры, полученные на данном этапе деформации заготовки. После последнего этапа заготовку подвергают термообработке и искусственному старению с фиксацией полученных геометрических размеров, по которым контролируют полученную форму детали. При температурной деформации скорость деформации изменяют пропорционально величине e^т, где е основание натуральных логарифмов; коэффициент, зависящий от свойств материала; Т температура нагрева.

При нагружении скорость деформации изменяют пропорционально величине К ^m, где напряжение деформации; m показатель степени; К коэффициент пропорциональности. При совокупном воздействии нагревания и нагружения скорость деформации изменяют пропорционально величине e^тK^m.

Для достижения технической задачи устройство, содержащее термокамеру, нагреватель, нагружающие штоки с узлами фиксации, установленные с возможностью перемещения в соответствии с деформацией заготовки, и приводные элементы, снабжено охладителями и дополнительными нагревателями, сферическими шарнирами, введенными в узлы фиксации, а также кожухом, при этом термокамера размещена в кожухе и выполнена многосекционной, в каждой секции размещены нагреватели и охладители, приводные узлы выполнены в виде гидроцилиндров с динамометрами, закрепленными на кожухе с возможностью поворота. Гидроцилиндры штоков, контактирующих с заготовкой, закреплены шарнирно непосредственно на корпусе секций, а гидроцилиндры штоков, контактирующих с секциями, закреплены шарнирно на кожухе. Секции термокамеры имеют заданную пространственно-плоскостную геометрическую форму, например форму трехгранной призмы.

На фиг. 1 схематично изображена деталь типа монолитной панели двойной кривизны переменной толщины; на фиг. 2 сечение плоской заготовки из двух разнородных материалов; на фиг.3 поэтапное изменение контура детали; на фиг. 4 диаграмма зависимости - на фиг.5 режим нагрева; на фиг.6 этапы нагружения и релаксации в режиме нагрева; на фиг.7 устройство для осуществления способа в исходном состоянии; на фиг.8 то же, в рабочем состоянии; на фиг.9 устройство для осуществления больших прогибов; на фиг.10 секция трехгранной формы термокамеры.

Способ формообразования и термообработки детали заключается в следующем.

Плоскую или криволинейную заготовку разбивают на зоны деформирования. Размеры и конфигурация зон деформирования выбираются так, чтобы в пределах одной зоны изменение кривизны и жесткость детали не превышало заданного допустимого значения.

На фиг.1 показано пять зон деформирования А, В, С, D, E. Радиусы главных кривизн R_A, R_B, R_C, R_D, R_E в своих зонах изменяются незначительно. Пример сечения детали на фиг.2 содержит три зоны A, B и C. Жесткость детали в пределах каждой зоны постоянна.

Пример формообразования детали из заготовки, выполненной из алюминиевого сплава марки АК-4. Режим нагрева представлен на фиг.5. Заданный температурный режим нагрева по зонам обеспечивается тепловым потоком, исходящим от инфракрасных нагревателей. В каждой зоне задается различная плотность теплового потока, которая определяется таким образом, чтобы за время 0,5 ч температура заготовки в зонах достигла одновременно 195^оС. Если при нагреве наблюдается неравномерность плотности нагрева, то заготовку охлаждают, сглаживая эти неравномерности. Радиус кривизны готовой детали, который надо получить после формообразования, выбирают R 1100 мм.

Из анализа контура детали определяют необходимую максимальную деформацию крайнего волокна. В данном случае ее можно вычислить, используя известную формулу _max= , где Y толщина детали; R радиус кривизны; _max 0,8%

Реализуя кривую деформирования - (фиг.4) при температуре 195^оС, определяют участок, на котором зависимость между деформациями и напряжениями линейна, на этом участке выбирают значение максимально допустимой упругой деформации _e.

В случае _e 0,45% выбирают _e 0,4%

Количество этапов деформирования определяют из соотношения:

n 2 Процесс можно разбить на два этапа.

Зная кривизну изогнутой оси балки где М изгибающий момент; J момент инерции сечения, можно определить необходимые усилия, а также прогибы и углы поворота в каждой фиксированной точке для определенных расчетных радиусов кривизны каждого этапа деформирования. При выбранных соотношениях толщин заготовки, например для двух зон (фиг.2): h₁ 2 мм, h₂ 6 мм, изгибающий момент М₂ для второй зоны в 24 раза больше М₁.

После установления параметров воздействия на каждую зону заготовки начинают поэтапно деформировать заготовку. На каждом этапе деформацию ведут как при помощи нагрева, так и при помощи нагружения в режиме ползучести ниже предела упругости, что гарантирует от появления пластических деформаций. Для избежания при деформировании накопления остаточных напряжений усилия деформирования оптимизируют, для чего в каждой зоне устанавливают и изменяют скорость деформирования в соответствии с возникающими напряжениями. Так при температурной деформации скорость деформирования изменяют пропорционально величине e^т, а при нагружении скорость деформации изменяют пропорционально величине К ^m. При совокупном воздействии нагревания и нагружения скорость деформации e^Tk^m где e основание натурального логарифма; коэффициент, зависящий от свойств материала; Т температура нагрева; К коэффициент пропорциональности; напряжение деформации; m показатель степени.

При этих условиях в каждой зоне между усилиями деформирования напряжениями, возникающими в детали, и скоростью деформирования при данной температуре устанавливается взаимооднозначное соответствие. Следовательно, изменяя величину усилия или температуру в данной зоне, изменяют скорость деформирования.

В конце этапа в каждой зоне устанавливают величину усилия, которое релаксирует напряжения до минимальной величины (фиг.6). В данном примере время выдержки в нагруженном состоянии по кривой релаксации для данного материала при выбранной температуре 195^оС составляет 1,5 ч (фиг.5). В конце последнего этапа усилие снижают до нуля (фиг.6). В процессе релаксации сохраняют геометрические размеры, полученные на данном этапе деформации заготовки. После последнего этапа заготовку подвергают термообработке и искусственному старению путем охлаждения также с фиксацией полученных геометрических размеров, по которым судят о готовности заданного контура детали.

После окончания процесса охлаждения и снятия нагрузок проводят контроль полученной формы.

Устройство для формообразования деталей (фиг.7) содержит кожух 1, нагреватель 2, приводные элементы 3 с верхними и нижними штоками 4, связанными с узлами фиксации 5 заготовки 6. Термокамера 7 выполнена в виде многосекционного корпуса, секции 8 которого шарнирно соединены между собой и шарнирно закреплены на узлах фиксации 5, при этом нагреватели 2 размещены и закреплены на каждой секции 8. В каждую секцию введено устройство 9 охлаждения и размещены участки заготовки 6, являющиеся зонами нагревания и охлаждения, зоны нагружения ограничены узлами фиксации 5 заготовки. Узлы 5 снабжены сферическими шарнирами 10, через которые эти узлы соединены со штоками 4 приводов, выполненных в виде гидроцилиндров 3, закрепленных на раме термокамеры с возможностью поворота, при этом узлы фиксации 5 служат местом приложения сил нагружения с возможностью перемещения их в соответствии с деформацией заготовки 6.

Узел фиксации 5 снабжен накладкой 11, гидроцилиндры 3 содержат датчики перемещений 12, динамометры 13 прикреплены к кожуху 1 с возможностью поворота. В каждой секции 8 установлен датчик 14 температуры и относительных деформаций и узел 15 измерения перемещений. Последний состоит из сферического шарнира с накладкой, в котором закреплены штоки 16 датчиков 17 линейных перемещений, шарнирно закрепленных на стенке кожуха 1. По торцам термокамеры 7 установлены захваты 18 детали 6.

Выходы всех датчиков через нормирующие преобразователи 19 подключены к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 20 управляющего вычислительного устройства 21. К выходам последнего подключены электрогидравличес- кий коммутатор 22 и электрогидравлический преобразователь 23, напорная и сливная магистрали которого соединены с маслонасосным агрегатом 24. К другому выходу управляющего вычислительного устройства подключены тиристорные регуляторы 25 электрической мощности, соединенные с шинами 26, к которым подключены нагреватели 2, например инфракрасные излучатели.

На фиг. 7 условно показан только один тиристорный регулятор 25, один гидроцилиндр 3 и один узел 15 измерения перемещений, расположение других обозначено линиями.

Управляющее вычислительное устройство 21, кроме многоканального аналого-цифрового преобразователя 20, включает микроЭВМ 27, многоканальный цифроаналоговый преобразователь 28, устройство 29 вывода дискретных сигналов, элемент управления тиристорами 30.

Устройство для формообразования деталей работает следующим образом (фиг. 7 и 8).

Многосекционный корпус термокамеры 7 с помощью штоков 4 гидроцилиндров 3 устанавливают в начальное, например, горизонтальное положение и обеспечивают зазор между узлами фиксации 5 верхних и нижних штоков 4. Вводят заготовку 6 в зазор и зажимают с помощью штоков 4 гидроцилиндров 3. Устанавливают на заготовку узлы измерения перемещений 15 датчиков 17 линейных перемещений, датчики 14 температуры и относительных деформаций.

В управляющее вычислительное устройство 21 вводят данные о конечной форме детали, допустимых величинах напряжений, относительных деформациях, усилиях, перемещениях и температурах, а также о программе нагрева и деформирования детали, а также данные, характеризующие установку и необходимые для формирования управляющих воздействий: координаты точек фиксации детали и крепления гидроцилиндров на раме термокамеры, градуировочные характеристики датчиков, количество зон регулирования, их адреса и т.п.

По заданной программе нагрева управляющее вычислительное устройство 21 регулирует температуру нагрева заготовки 6 в заданных зонах, дозируя с помощью тиристорных регуляторов 25 электрическую мощность, подаваемую на инфракрасные нагреватели 2. При этом используется обратная связь по датчикам температуры 14.

При достижении заданного распределения температур в заготовке 6 управляющее вычислительное устройство 21 по заданной программе производит нагружение и деформирование штоками 4 гидроцилиндров 3.

Описанная конструкция устройства дает возможность пространственного нагружения и деформирования заготовки за счет объединения в одном узле фиксации через сферический шарнир нескольких штоков гидроцилиндров. В частности, при объединении в узле фиксации трех штоков гидроцилиндров можно управлять нормальной составляющей нагрузки и двумя касательными составляющими нагрузки на заготовку.

Контроль перемещения детали осуществляется датчиком 17 линейных перемещений. Объединение в одном узле измерения через сферический шарнир до трех штоков датчиков линейных перемещений позволяет измерять нормальную и две касательные составляющие перемещения заготовки. Эти данные через нормирующие преобразователи 19 и многоканальный аналого-цифровой преобразователь 20 поступают в микроЭВМ 27, который сравнивает положение детали с заданным по программе. При рассогласовании больше допустимого микроЭВМ 27 через многоканальный аналого-цифровой преобразователь 28 и устройство 29 вывода дискретных сигналов регулирует усилия и перемещения штоков 4 гидроцилиндров 3 с помощью электрогидравлического преобразователя 23, к которому поочередно через электрогидравлический коммутатор 22 подключаются гидроцилиндры 3. Затем с помощью устройства охлаждения 9 сформированная деталь охлаждается. При этом элементами фиксации удерживается полученная форма. Процесс формообразования заканчивается при достижении заданной формы детали (фиг.8).

Обеспечиваемая описанным устройством возможность независимого приложения сил и моментов в пространстве, включая силы растяжения-сжатия детали в срединной плоскости, позволяет производить деформирование деталей сложной конфигурации с большими прогибами.

Это расширяет диапазон достижимых конечных форм, а также и набор типов деталей, изготавливаемых по данной технологии. Контроль и регулирование прилагаемых усилий и перемещений позволяет адаптировать управление процессом формообразования к механическим свойствам каждой конкретной детали и оптимизировать режимы формообразования в каждой фиксированной точке, что повышает точность соответствия полученных деталей заданной форме, снижает брак. Кроме того, независимое регулирование нагрузок и температур в отдельных зонах, обеспечивающее необходимую форму детали, позволяет сократить производственные затраты, связанные с изготовлением оснастки для конкретной детали вместе с последующей наладкой.

В том случае, когда при формообразовании детали имеют место очень большие прогибы и перемещения заготовки, целесообразно применить модифицированное устройство для осуществления описанного способа.

В этом случае термокамера выполнена в виде многосекционного корпуса, причем некоторые секции корпуса снабжены приводами для перемещения в пространстве, на секциях корпуса рамы термокамеры установлены приводы со штоками для нагружения и деформирования непосредственно заготовки, на каждой секции установлены нагреватели и устройства охлаждения, а между собой секции соединены шарнирами.

На фиг. 9 изображено устройство для формообразования детали при больших прогибах заготовки.

Секции 31 корпуса термокамеры снабжены приводами 32. На секциях 31 закреплены локальные коротко-ходовые нагружающие устройства (привода) 33, которые осуществляют деформирование непосредственно заготовки 6 в своей зоне. На секциях 31 также закреплены нагреватели 2 и устройства 9 охлаждения. Привода 32 и 33 снабжены датчиками перемещений и динамометрами и подсоединены к системе управления процессом формообразования так же, как и приводные элементы 3 на фиг.7.

Процесс формообразования осуществляется согласно описанному способу, причем нагружение в каждой зоне производится локальными коротко-ходовыми приводами 33 в пределах их возможных перемещений, причем система управления 21 компенсирует недостаточность хода штоков локальных приводов 33 с помощью перемещения в пространстве секций 31 приводами 32, так что секции 31 располагаются эквидистантно относительно изогнутой поверхности заготовки 6. Такая конструкция устройства позволяет осуществлять формообразование деталей при весьма больших прогибах заготовки. Кроме того, упрощается передача нагрузок на деталь и облегчается работа приводов в горячей зоне, так как здесь используются только коротко-ходовые привода и направление действия сил этих локальных приводов незначительно изменяется в процессе формообразования детали.

Для формообразования деталей двоякой кривизны с большими прогибами секции 31 могут иметь треугольную или многоугольную форму в плане, образуя аппроксимирующие плоские элементы пространственной формы (сетки), в которой узлами служат шарниры, соединяющие секции.

На фиг.10 показано расположение секций 31 треугольной формы в плане для формообразования детали прямоугольной формы в плане. Секции 31 могут быть соединены между собой сферическими шарнирами 34. В самом общем случае для универсального устройства необходимо предусматривать максимально возможное количество шарниров 34 и приводов 32 для перемещения секций 31, причем в зависимости от класса формы деталей производится подсоединение необходимых шарниров 34 и приводов 32 для работы с конкретной деталью.