ГИБКА-ПРОКАТКА ЛИСТОВЫХ И ПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Гибка прокаткой на валковых и роликовых станках по силовому воздействию на заготовку (рис.1 ) не отличается от гибки универсально-гибочным штампом. Процесс гибки прокаткой заключается в непрерывном изменении формы заготовки путем приложения к ней через вращающиеся валки (или ролики) изгибающего усилия, обеспечивающего требуемую пластическую деформацию. Иными словами, сущность процесса заключается в том, что профильная или листовая заготовка изгибается при последовательном ее перемещении, вызванном действием сил трения между вращающимися валками (роликами) и материалом (рис.1). Если пренебречь влиянием на схему НДС контактных напряжений на поверхности материала, соприкасающегося с валками, то при анализе данного состояния можно рассматривать этот процесс как схему простого изгиба.

Рис.1. Схема сил при гибке материала между тремя валками: а – с одним (верхним) приводным валком; б – с тремя приводными валками

Изготавливаемые детали: обшивочные детали (конические и цилиндрические), вафельные панели (с продольным и поперечным набором) профильные и трубчатые детали постоянной или переменной кривизны. Настоечные параметры – это межосевое расстояние H между верхним и нижними валками и межосевое расстояние а между нижними валками. Они могут меняться во времени.

Рис.2. Схемы расположения роликов (валков): а – на трехроликовом симметричном станке; б – на трехроликовом асимметричном станке; в– на четырехвалковых станках

Гибка прокаткой может быть осуществлена на станках, выполненных по трех- или четырехвалковой схеме (рис.2). В процессе гибки прокаткой тремя симметрично расположенными валками на входной и выходной зонах заготовки остаются прямолинейные концы (см. рис. 2,а ), длина которых равна расстоянию между точками касания заготовки со средним и крайними валками. Для уменьшения длины прямолинейных участков следует применять асимметричную схему расположения валков (рис.2,б ). В этом случае можно почти полностью изогнуть заготовку от кромки до кромки. Для подгибки кромок заготовку вставляют между валками так, чтобы край ее перекрывал задний нижний валок, и подъемом переднего нижнего валка подгибают первую кромку. Затем заготовку кантуют, вставляют между валками второй кромкой и подгибают ее. Обычно заготовки всей партии предварительно проходят операцию подгибки кромок, а затем подвергаются гибке по заданному радиусу. Станки, изготовленные по асимметричной схеме, должны обладать повышенной жесткостью, так как в процессе гибки на валках возникают усилия значительно большие, чем на станках, выполненных по симметричной схеме. Поэтому гибку листов большой толщины производят на станках с симметричным расположением валков.

Недостатки симметричной схемы: имеем концевые неотформованные участки, что вызывает дополнительную технологическую операцию – подгибку кромок); при изготовлении деталей большой кривизны сил трения не хватает для проталкивания заготовки, что вызывает проскальзывание заготовки (нужно создать большой изгибающий момент, а это вызывается большим перемещением H). Это вызывает необходимость реализации нескольких переходов для набора нужной остаточной кривизны деталей (например, при изготовлении деталей из титановых сплавов в холодном состоянии необходимо до 30 переходов на данном оборудовании).

Четырехвалковые машины (рис.2,в) сочетают в себе преимущества трех-валковых машин, выполненных по симметричной и асимметричной схемам. Они целесообразны для формообразования крупногабаритных тяжелых деталей, так как во время подгибки кромок отпадает необходимость кантовать заготовку.

Рис.3. Схемы валковых станков: а – трехвалковый станок с регулируемым положением верхнего и нижнего валков; б, в – трех- и четырехвалковые станки с регулируемым положением нижних валков; г – обшивки, обечайки и монолитные панели, изготавливаемые на валковых станках

Валковые машины имеют три рабочих вала, изменение взаимн­го расположения которых обеспечивает регулирование кривизны изгибаемых заготовок. На рис.3 показаны схемы работы валковых машин, возможные способы регулирования положения валов, а также типы обшивок и обечаек, которые можно изготовлять таким способом. По схеме, показанной на рис.3,а, работают станки, у которых верхний вал закреплен на подвижной верхней траверсе (показана пунктиром), перемещающейся от гидравлического привода. На таких станках могут прокатываться обшивки с небольшим углом изгиба (фюзеляжные, крыльевые); кривизна регулируется опусканием или подъемом верхнего вала, а конусность (изменение кривизны по длине) создается установкой верхнего вала под некоторым углом к нижним валам или установкой под некоторым углом друг к другу нижних валов. Заготовка укладывается на нижние валы в то время, когда верхняя траверса поднята; затем траверса опускается, между валами устанавливается нужный размер l ₁, соответствующий заданной кривизне обшивки, после чего валам сообщается вращение и начинается процесс прокатки. Заготовка перемещается силами трения, возникающими на ее поверхности при вращении валов. Если траверса через верхний вал сообщает заготовке давления Р, а на опорах возникают реакции Q и Q', то сила трения, втягивающая заготовку в зону деформаций, будет равна m (P+Q+Q'), где m - коэффициент трения. У станков, взаимное расположение валов которых изменяется опусканием нижних валов под некоторым углом вниз (рис.3,б), верхняя траверса отсутствует, и на таких станках можно изгибать обечайки с большими углами изгиба, вплоть до 360°. Заготовка укладывается на нижние валы, находящиеся в нижнем положении, затем они поднимаются, между валами устанавливается нужное расстояние l ₁, после чего начинается прокатка. Все три вала также являются приводными. По схеме а работают станки модели КГЛ (копировально-гибочные листовые), по схеме б - станки моделей ГЛС (гибочные листовые станки). Станок этого типа ГЛС-12 имеет четыре вала (рис.3,в), из которых два центральных (тянущие) - приводные, а боковые (гибочные) - неприводные. Станок комбинированный и может работать как гибочный пресс (верхняя траверса выполняет роль плунжера) и как прокатный валковый станок. Станки КГЛ имеют следующие технологические характеристи­ки: КТЛ-1 - наибольшая длина изгибаемых листов 3,5 м при s = =2,5 мм; КГЛ-2 = 5,0 м при s= 6мм; КГЛ-3 — 7,0 м при s= 12 мм; минимальные радиусы изгиба соответственно 20, 75 и 150 мм. На станке ГЛС-12 можно прокатывать обшивки или прессованные панели длиной до 12 м, а максимальное усилие, развиваемое верхней траверсой этого станка, составляет 2-10⁷Н.

По схеме на рис.3,в (если опустить нижний средний валок) можно производить гибку в передвижку (как на универсальных штампах по схеме свободной гибки).

Гибка прокаткой отличается от поперечного изгиба тем, что при симметричном положении валов напряженно-деформированное состояние заготовки слева и справа от центрального вала не одинаково; сечения заготовки на одном и том же расстоянии от плоскости симметрии имеют различную кривизну и напряжения. На рис.4,а показаны эпюры моментов, действующих в разных сечениях, заготовки и распределение кривизны по длине заготовки в промежутке между нижними опорами (валами). Весь этот промежуток можно разделить на две зоны: область I можно назвать зоной нагрузки, а область II - зоной разгрузки. В зоне I каждое сечение проходит последовательно стадии с изменением кривизны от нуля на правом валу до максимального значения ч срединной области. После прохождения данным сечением зоны контакта с верхним валом оно попадает в зону разгрузки, где кривизна начинает уменьшаться из-за упругих деформаций. Кривая, характеризующая положение оси заготовки в промежутке между валами, несимметрична.

Прокатка цилиндрических обшивок с постоянной кривизной есть простейший случай прокатки. Такие детали прокатываются при одном положении валов, которое устанавливается и уточняется в соответствии с фактически получающимся радиусом кривизны, ко­торый можно измерить шаблоном после выхода обшивки из рабо­чей зоны. Получающаяся кривизна постепенно доводится до требуемой опусканием верхнего вала, т.е. уменьшением размера l ₁, а прокатка повторяется при прямом или обратном вращении валов. Расстояние l₂ между нижними валами всегда предпочтительно выдерживать минимальным, так как это, хотя и требует повышенного усилия деформирования (за счет меньшего плеча), уменьшает длину прямолинейных участков по краям заготовки.

Несколько сложнее проводится прокатка обшивок переменной кривизны. Гибка таких деталей требует регулирования по ходу прокатки положения верхнего вала; необходимо поднимать траверсу при уменьшении и опускать ее при увеличении кривизны. На станках КГЛ-1 и КГЛ-2 имеются копировальные системы, и регулирование кривизны при прокатке может происходить автоматически. Копиры, служащие датчиками в системах слежения, отрабатываются обычно с учетом упругой деформации.

Наиболее сложным процесс прокатки становится при изготовлении конических обшивок и обечаек. Трудность заключается в том, что по длине таких обшивок кривизна переменна, а прямолинейные образующие идут по процентным линиям, то есть по линиям, которые проходят через точки, отделяющие относительно равные хорды по различным сечениям. Заготовка в этом случае имеет клиновидную форму, причем она должна быть заправлена под валы по процентной линии и выйти из-под валов с другой стороны тоже по процентной линии. Это обусловливает необходимость иметь различную скорость перемещения заготовки под валами.

Рис.4 Схема гибки на профилегибочных роликовых станках: а – станок И-620; б – ПГ-3; в – ПГ-4; г – станок с устройствами для нагрева заготовки током высокой частоты; 1 – верхний приводной ролик; 2 – нижний приводной ролик; 3 – гибочные ролики; 4 – направляющий ролик; 5 индуктор

Один из самых распространенных способов гибки профилей - прокатка на трех- или четырехроликовых станках (рис.4). Схемы работы этих станков аналогичны схемам работы трех- и четырехвалковых станков), но вместо валов здесь применяются ролики, сечение которых соответствует сечению изгибаемых профилей. На станке И-620 (рис.4,а ) профиль зажимается между двумя средними приводными роликами, при вращении которых он силами трения перемещается в рабочую зону, подвергаясь изгибу боковыми (неприводными) роликами. Кривизна детали зависит от расстояний l ₁и l₂ которые регулируются опусканием или подъемом боковых роликов под некоторым углом по отношению к оси станка. На этом станке можно изгибать профили сечением до 400 мм² при наименьшем радиусе 100...150 мм. Станок не оборудован устройствами для автоматического регулирования расстояния между осями роликов по ходу прокатки, поэтому гибка на нем изделий с переменной кривизной затруднительна. Станок ПГ-2М (рис.4, б) оборудован следящей гидравлической системой, при помощи которой гибочный ролик 3 поднимается или опускается по ходу прокатки в соответствии с профилем копира, чем и регулируется кривизна детали на выходе из рабочей зоны. Профиль копира обрабатывается с учетом упругих деформаций, что позволяет если не сразу получить точную кривизну, то по крайней мере, приблизить ее к необходимой и тем самым значительно уменьшает доводочные работы. Станок ПГ-2М более мощный, чем станок И-620, и на нем можно изгибать профили из алюминиевых сплавов с площадью сечения до 600…650 мм².

Станок ПГ-4 и аналогичный ему станок ПГ-3 (рис.4, в) предназначены для гибки прокаткой профилей шпангоутов с постоянной кривизной (круглых) с углом изгиба до 360°. Станки не оборудованы копировальной системой, все три нижних ролика станков имеют гидравлический привод, что облегчает регулирование относительного положения роликов и позволяет расположить гибочные ролики 3 асимметрично по отношению к приводным роликам 1 и 2. Все это упрощает подгибку концевых участков заготовки. Гибочные ролики станка ПГ-4 имеют самостоятельный.привод, вследствие чего можно легче осуществлять все варианты их взаимного распо­ложения при подгибке концевых участков. Усилие нижнего (при­водного) ролика 2 равно 2-10⁵Н, а гибочных роликов - 1,2- 10⁵ Н каждого, что позволяет изгибать не только профили из алюминиевых сплавов, по также и стальные шпангоуты.

Особый интерес представляет станок, подобный по схеме станку ПГ-2, но оснащенный устройствами для нагрева заготовки токами высокой частоты (ТВЧ) (рис.4,г). Эпюра внешних изгибающих моментов М_в в рабочей зоне такова, что при обычных условиях гибки, когда механические свойства по длине заготовки не изменяются, максимальная кривизна должна достигаться заготовкой в зоне контакта с ведущими роликами 1 и 2, т.е. там, где сила Q' имеет наибольшее плечо l. Однако вследствие местного резкого снижения напряжения текучести s _s от нагрева в зоне расположения индуктора 5 изгиб начинается именно там, где s _s имеет наименьшее значение. Моменты внешних сил в сечениях на расстояниях l и а от силы Q' обозначим М_в1 и М_ва соответственно. Очевидно, что , но в силу местного разупрочнения сопротивление металла деформированию в сечении а будет значительно меньше, чем в сечении l, поэтому эпюра кривизны 1 /R ₀имеет такой своеобразный вид по сравнению с обычным случаем гибки прокаткой.

Гибка с нагревом ТВЧ применяется для изготовления деталей из труб, но перспективна и для изготовления деталей из профилей, особенно в тех случаях, когда имеется опасность потери стенкой профиля устойчивости в сжатой зоне. Чтобы предотвратить потерю устойчивости заготовкой, нужно сосредоточить деформацию при гибке в узкой зоне по длине заготовки; это делается местным разупрочнением металла путем нагрева токами высокой частоты (см. распределение t и s _s по длине заготовки). Если длина зовы нагрева l _наг£2s (здесь s — толщина стенки заготовки), то складки не образуются. Для ограничения зоны нагрева смежные с индуктором участки заготовки искусственно охлаждаются водой.

Рис.5. Ролики для гибки профилей: а – таврового и уголкового сечения; б- труб; 1 – нижний ролик; 2 – втулка; 3 – гайка; 4 – боковые кольца верхнего ролика; 5 – прокладка; 6 - заготовка

Конструкция роликов должна соответствовать сечению профиля. На рис.5,а показано сечение роликов для гибки профилей таврового и уголкового сечений. Ролики собраны из отдельных элементов и в некотором диапазоне размеров являются универсальными. Комплект роликов рассчитан на гибку профилей с посадкой или растяжением стенки (нижний и верхний ролики можно менять местами). Заготовки профилей уголкового сечения можно изгибать одновременно по две, складывая их стенкой к стенке; в результате получается как бы профиль таврового сечения. Нижний ролик монолитный, а верхний собирается на втулке 2. Сменными элементами являются боковые кольца 4, у которых изменяется размер R, и прокладка 5, которая подбирается по размерам s и d в соответствии с размерами сечения профиля.

В связи снаблюдаемой тенденцией увеличения диаметров фюзеляжей и корпусов летательных аппаратов более удобными для гибки шпангоутов диаметром 6...10 м являются роликовые станки с горизонтальным расположением роликов.

Рис.6. Способы гибки монолитных панелей: а – гибка прокаткой; б – свободной гибки; в сечение монолитных панелей; г – положение нейтрального слоя; д – гибка обдувком дробью

Особым случаем, технически сложным, является гибка панелей, имеющих в сечении сложный профиль. Монолитные панели применяются на крыльях, на оперении, на цилиндрических и конических частях фюзеляжей, корпусов и отсеков топливных баков; в готовом виде панели имеют поверхность одинарной кривизны с линейными образующими вдоль процентных линий. Панели могут иметь только продольное оребрение - стрингеры, а также одновременно продольное и поперечное оребрения (вафельная конструкция) с разным взаимным расположением (рис.6, в). Гибка панелей производится или на валковых станках (рис.6,а), причем перед гибкой пространство между ребрами (стрингерами) заполняется пластическими массами, а поверх ребер накладывается лист дуралюмина, или на универсальных штампах за несколько ходов пресса с перемещением заготовки после каждого хода (рис.6,б). Вследствие резких перепадов толщин панелей радиусы их кривизны R ₀также переменны по сечению (рис.6, г).

Рис.7. Схема программного управления процессом гибки-прокатки: 1 – программный блок; 2 – привод нижних валков; 3 – гибочный ролик; 4 – гидроцилиндр; 5 – электрогидравлический золотник; 6 – заготовка; 7 – усилитель; 8 – датчик; 9 – сравнивающее устройство

Дальнейшее совершенствование копировально-гибочных листовых и профилегибочных машин происходит по линии увеличения их мощности и оснащения числовыми системами программного управления. Увеличение мощности этих машин позволяет проводить формообразование обшивок, в том числе обшивок из монолитных панелей, и гибку профилей большой длины, ширины и толщины, соответствующих современным размерам этих изделий, изготавливаемых металлургической промышленностью. Применение ЧСПУ позволяет повысить точность обшивок, сократить затраты труда на их формообразование. Одна из схем такого управления приведена на рис.7. Имеются аналитические зависимости между кривизной детали и углом упругого пружинения и параметрами настройки станка, т.е. ими дан закон перемещения верхней траверсы станка типа КГЛ. По данным о кривизне детали и величине упругого пружинения составляется программа выполнения процессов гибки-прокатки. Программа вводится в программный блок 1. Информация о действительной кривизне детали в процессе гибки получается датчиком 8 и передается на сравнивающее устройство 9. Сюда же подается информация о заданном значении радиуса кривизны детали. После сравнения заданного и действительного значений радиуса кривизны детали на усилитель 7 и обмотку электрогидравлического золотника 5 поступает сигнал на изменение положения гибочного ролика 3. Ролик перемещается вверх или вниз до тех пор, пока действительная кривизна заготовки станет соответствовать ее заданному значению.

При формообразовании листовых обшивочных деталей на трехвалковых листогибочных машинах с симметричным расположением валков остаются недогнутыми продольные кромки, ширина которых примерно равна половине расстояния между осями нижних валков. Недогнутые кромки обусловливают снижение общей точности формообразованной детали. Если фактические отклонения размеров детали, вызванные наличием недогнутых кромок, превышают допустимые отклонения, то плоские кромки следует догибать. Подгибка кромок может осуществляться с помощью различных способов и средств: 1) за счет перенастройки валков с симметричной на асимметричную схему (рис.8); 2) с помощью подкладного листа (рис.9); 3) методом гибки-впередвижку на кромкогибочном прессе (рис.6,б); 4) на стационарных и самоходных кромкогибочных машинах (рис.10).

Рис.8. К расчету минимальной ширины недогнутого участка при асимметричной схеме расположения гибочных валков	Рис.9. Схема подгибки кромок с помощью подкладочного листа
	Рис.10. Схемы подгибки кромок на специальных машинах: а – сопряженная; б – полусопряженная; в – несопряженная

Минимальная ширина участка недогнутого участка при асимметричной схеме вычисляется по формуле: где М – максимальный изгибающий момент заготовки; допускаемое усилие на боковом валке (паспортное значение).

Ограничивающими факторами являются: а) допустимое значение ; б) снижение точности формообразования при уменьшении из-за резко возрастающей чувствительности асимметричной схемы к точности настройки по параметру Н ₀; в) необходимость перекантовки листа для подгибки второй кромки.

Подгибка кромок с помощью подкладного листа производится при сохранении симметричной схемы настройки гибочной машины (рис.9). Для подкладного листа имеем где максимальный изгибающий момент, который выдерживает подкладной лист при упругом деформировании; ; длина прямолинейной образующей подкладного листа, d- толщина, условный предел текучести.

Подгибка кромок методом гибки-впередвижкуосуществляется на специальных кромкогибочных прессах. Минимальная ширина недогнутой кромки в этом случае будет примерно равна половине ширины матрицы. Расчет шага подачи заготовки из условий обеспечения точности получаемого контура по огранке и волнистости можно произвести по определенным формулам.

Подгибка кромок на стационарных и самоходных кромкогибочных машинахпо различным схемам (рис.10). Минимальная ширина недогнутых участков зависит от максимально допускаемых сил на гибочных роликах. Наилучшие результаты с этой точки зрения обеспечивают стационарные машины, работающие по сопряженной схеме. Однако их применение ограничено из-за необходимости выделения дополнительных производственных площадей.