automatyzacja gięcia i przecinania rurek ze stopów aluminium

4/2009
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
AUTOMATYZACJA GIĘCIA I PRZECINANIA
RUREK ZE STOPÓW ALUMINIUM
Piotr DOMANOWSKI, Ryszard WOCIANIEC
Gięcie ma na celu trwałe odkształcenie materiału pod
wpływem momentu zginającego bez naruszenia jego
spójności. W operacji tej zostaje zachowana prostoliniowość tworzących, a zmiana krzywizny kształtowanego
materiału zachodzi w płaszczyźnie gięcia. W wdrożonym
projekcie zastosowano zginanie przez owijanie rurki na
obracającej się rolce.
Na zaprojektowanym urządzeniu wytwarzane są dwa
typy rurek o różniących się cechach geometrycznych
przedstawionych na rys. 1. Zmiana promienia gięcia odbywa się poprzez wymianę rolki gnącej, kąt odcinania
zmieniany jest ręcznie do dwóch zderzaków, natomiast
kąt gięcia, długość odcinania oraz parametry odcinania
zmienia się programowo.
Rys. 1. Postać i układ wymiarów giętych rurek
Opracowanie technologii gięcia rurek zawierało wybór
cech materiałowych wytwarzanych rurek. W sposób doświadczalny przebadano rurki wykonane z różnych materiałów pod kątem jakości wyrobu. Przy zadanym promieniu gięcia należało dobrać cechę materiałową giętej rurki
w taki sposób, aby wyeliminować pęknięcia na zewnętrznej (rozciąganej) powierzchni elementów giętych.
Zjawisko pękania na rozciąganej powierzchni ogranicza gięcie na zimno i uzależnione jest od [1]:
 rodzaju i stanu materiału,
 położenia linii gięcia w stosunku do kierunku
walcowania,
 stanu powierzchni,
 parametrów technologicznych gięcia.
W przypadku gięcia na rolce jego cechą charakterystyczną jest zmiana krzywizny osi kształtowanego przedmiotu. Odkształcenia gięcia można przeprowadzać do
pewnej wartości naprężenia, po przekroczeniu której nastąpi uszkodzenie giętego przedmiotu. Zjawisko pękania
nastąpić może przy pewnej krytycznej wartości promienia
10
gięcia, dla której to zostanie naruszona spójność materiału. Wartość tego granicznego promienia gięcia w sposób istotny zależy od plastyczności materiału. Metale bardzo plastyczne, przy tych samych grubościach kształtowanych elementów, można zginać na znacznie mniejsze
promienie niż materiały twarde. Bardzo duże znaczenie
mają też różnego rodzaju wady powierzchniowe, jak: nierówności, naderwania i rysy. Ich wpływ jest szczególnie
znaczący, kiedy wady znajdują się po stronie działających
naprężeń rozciągających, przyspieszając pękanie materiału.
W czasie realizacji procesu gięcia następuje najczęściej zmiana kształtu przekroju poprzecznego elementu
giętego. Spowodowane jest to zwiększaniem się wymiarów poprzecznych warstw ściskanych oraz zmniejszaniem
się wymiarów warstw rozciąganych. Zmiany te są szczególnie duże przy gięciu elementów cienkościennych. Aby
zapobiec temu zjawisku, w giętym elemencie wywołuje się
dodatkowe duże naprężenia rozciągające, których zadaniem jest zmniejszenie wartości naprężeń w strefie ściskanej.
Podczas gięcia kształtowników o cienkiej ściance występujące naprężenia ściskające mogą być przyczyną fałdowania ścianek [2]. W tych przypadkach, żeby wyeliminować to zjawisko, należy zrealizować w materiale dodatkowe naprężenia rozciągające, które zredukują naprężenia ściskające, co w konsekwencji spowoduje przesunięcie warstwy neutralnej w kierunku krawędzi wewnętrznej
lub też poza nią. Ten sposób gięcia nosi nazwę gięcia
z rozciąganiem. W przypadku gięcia rur naprężenia
rozciągające, występujące po stronie zewnętrznej giętego
elementu, powodują pocienienie ścianki, a naprężenie ściskające, występujące po stronie wewnętrznej, jej zgrubienie oraz owalizację przekroju, której stopień zależy od
promienia gięcia, sposobu gięcia oraz stosunku grubości
ścianki do jej średnicy. Przeważnie, aby zmniejszyć do
minimum owalizację przekroju w czasie gięcia rur, stosuje
się rdzenie umieszczone w ich wnętrzu.
Po zakończonym gięciu i usunięciu obciążenia odkształcenia sprężyste powodują niezamierzoną zmianę
cech geometrycznych kształtowanego elementu. Zjawisko
zmiany kształtu po odciążeniu nazywa się sprężynowaniem lub powrotnym odkształceniem sprężystym. Z tego
też względu, w celu otrzymania żądanego kształtu, należy
części robocze narzędzi kształtujących odpowiednio skorygować. Sprężynowanie materiału zależy od następujących czynników [2]:
 własności mechanicznych giętego materiału,
 rodzaju materiału i jego umocnienia,
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU

stopnia odkształcenia określonego stosunkiem wewnętrznego
promienia
gięcia
do
grubości
materiału,
 kąta gięcia,
 kształtu wyrobu,
 sposobu gięcia,
 końcowej siły gięcia, tzw. siły dogniatania.
Ze względu na dużą liczbę czynników wpływających
w sposób istotny na kąt sprężynowania, teoretyczne
ustalenie jego wartości jest mało precyzyjne. Dokładne
wartości kąta sprężynowania należy ustalić w sposób doświadczalny. Dla gięcia z rozciąganiem sprężynowanie
materiału może praktycznie nie występować. Zmienność
wejściowych parametrów gięcia dla zapewnienia pożądanego rezultatu postanowiono skompensować poprzez postać konstrukcyjną giętarki, jak również zastosowanym
układem sterowania. Należy zaznaczyć, że układ sterowania w prezentowanej giętarce umożliwia zmianę parametrów gięcia nie w sposób automatyczny, lecz po ręcznej zmianie parametrów wprowadzanych z panelu sterowania. Tak pomyślany układ jest znacznie tańszy w wytwarzaniu, pozbawiony jest aktywnych składników kontroli
geometrii kształtowanego elementu. Poprawność takiego
postępowania została potwierdzona w czasie eksploatacji
giętarki. Przedstawiane urządzenie ma możliwość gięcia
z rozciąganiem.
Rys. 2. Rezultat gięcia dla znacznych naprężeń rozciągających
Wartość naprężeń rozciągających zmieniana jest zaworem redukcyjnym dociskającym szczękę, co zmienia
wartość siły tarcia w układzie mocującym rurkę. Jakość
4/2009
gięcia sprawdzana była przez pomiary: przewężenia, kąta
wygięcia oraz makroskopowo po zewnętrznej stronie wygięcia, gdzie ujawniają się efekty działania naprężeń rozciągających (rys. 2). Pokazano na nim wynik gięcia dla
różnych wartości naprężeń rozciągających. Pierwsza fotografia uwidacznia przewężenie przekroju i zmiany makroskopowe struktury na powierzchni rurki. Druga, pokazuje typowe, dla znacznych wartości naprężeń rozciągających, złamanie rurki.
AUTOMATYZACJA WYTWARZANIA
Na rys. 3 pokazano ogólny widok urządzenia, które
składa się z magazynu (1) półfabrykatu w postaci rurek
o długości 6 m, modułu wykonawczego (2), zasobnika na
elementy gotowe (3) oraz zasobnika na wióry i odpady
(4).
Na rys. 4 i 5 przedstawiono zespoły modułu wykonawczego.
Zespół podający rurkę do gięcia składa się
z uchwytów napędzanych siłownikami o krótkim skoku. Siłowniki wyposażone są w magnetyczne czujniki położenia
tłoka. Uchwyt (1), rys. 4, zamocowany jest na suporcie
napędzanym serwosilnikiem poprzez śrubę toczną. Zaciśnięta w nim rurka przemieszczana jest o zadaną wartość, następnie zostaje zaciśnięta w uchwycie (2) oraz
w uchwycie (3). Wówczas uchwyt (1) może być wycofany
do pozycji bazowej. Zasadą jest, że podczas wszystkich
operacji rurka jest zaciśnięta w jednym z uchwytów, co
zapewnia otrzymanie powtarzalnych wymiarów
długościowych. Uchwyt (2) zawiera jedną
szczękę stałą i drugą przesuwną zamontowaną
na prowadnicy tocznej. Zawiera siłownik
z oddzielną regulacją ciśnienia, co umożliwia
wywołanie zamierzonych oporów tarcia podczas
gięcia rurki, a tym samym wytworzenia naprężeń rozciągających w rurce. Naprężenia te
ograniczają owalizację przekroju i zapobiegają
zjawisku fałdowania. Wartość ciśnienia powietrza zasilającego dobierana jest doświadczalnie dla uzyskania pożądanej jakości wygięcia rurki. Wymagany skok
szczęki ruchomej z siłownikiem odpowiada długości łuku
wyginanej rurki.
Rys. 3. Ogólny widok automatycznego urządzenia do gięcia i odcinania rurek
11
4/2009
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
Rys. 4. Moduł wykonawczy automatycznego urządzenia do gięcia i odcinania rurek
Rys. 6. Moduł gnący urządzenia
Rys. 5. Moduł wykonawczy urządzenia do gięcia i przecinania rurek
Zespół zginający (rys. 4) składa się z wymiennej rolki
gnącej (4) oraz ramienia (5), na którym zamocowano na
prowadnicy uchwyt (3). Ramię wraz z rolką napędzane
jest za pomocą serwonapędu z przekładnią planetarną
redukcyjną o przełożeniu 1:100. Zastosowanie do napędu
serwosilnika umożliwia sterowanie kątem gięcia, jak również jego prędkością w funkcji kąta. Po gięciu plastycznym podczas fazy powrotnego odkształcenia sprężynującego możliwe jest takie sterowanie ramieniem, które
umożliwia uniknięcie kolizji przy ruchu powrotnym
uchwytu (3). Widok na zespół gnący i szczękę regulacji
naprężeń rozciągających ilustruje rys. 6. Rys. 7 pokazuje
wnętrze modułu wykonawczego z widocznym na pierwszym planie serwosilnikiem zamontowanym na przekładni
planetarnej. W głębi widoczna oś napędowa odpowiedzialna za wysuwanie rurki na zamierzoną długość.
12
Rys. 7. Widok urządzenia od strony napędów
Zespół odcinający (rys. 4) wyposażony jest we wrzeciono (6) z zamocowanym frezem piłkowym do cięcia
aluminium. Wrzeciono napędzane jest przez silnik asynchroniczny 3-fazowy i przekładnię pasową. Prędkość obrotowa silnika reguluje przetwornica częstotliwości. Wrzeciono wraz z silnikiem umieszczone jest na suporcie (7).
Zespół odcinający może być mocowany do płyty bazowej
urządzenia w dwóch położeniach ograniczonych zderzakami. W ten sposób można ręcznie nastawiać kąt odcinania rurki, który dla dwóch wdrożonych przypadków jest
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
różny. Napęd suportu (7) zrealizowano za pomocą serwonapędu i śruby tocznej. Podczas odcinania rurka jest
mocowana w uchwycie (8). Zastosowanie układu regulacji
prędkości skrawania i posuwu jednostki tnącej, a także
uchwytu mocującego rurki możliwie blisko miejsca cięcia,
wyeliminowało drgania i zapewnia wysoką jakość cięcia.
Zgodnie z założeniami zbędna jest dodatkowa obróbka
tak odciętej rurki. Odcięta rurka spada grawitacyjnie na
pochyłą rynnę i dalej do zasobnika gotowych elementów.
Rynna zawiera otwory umożliwiające oddzielenie wiórów
powstałych podczas cięcia.
Układ sterowania jest oddzielnym zespołem urządzenia. Został zrealizowany na elementach firmy Mitsubishi,
a w skład niego wchodzą (rys. 4 i 5): panel operatorski
(9), sterownik programowalny oraz 3 serwonapędy. Przyciski włączające obsługi umieszczone zostały na module
wykonawczym (10). Możliwe jest za ich pomocą uruchomienie urządzenia w cyklu automatycznym, krokowym
i serwisowym oraz obsługa stanów awaryjnych. Każda oś
4/2009
numeryczna wyposażona jest w łączniki drogowe służące
do bazowania oraz wyłączenia po przekroczeniu zakresu
ruchu. Układ sterowania obsługuje również wyspę zaworową, poprzez którą zasilane są wszystkie siłowniki.
Urządzenie do automatycznego gięcia i odcinania rurek wyposażone jest w osłony oddzielające części technologiczne od obsługi. Otwarcie osłon podczas pracy maszyny powoduje jej unieruchomienie.
Automatyzacja wytwarzania rurki dotyczy zagadnienia
operacji gięcia i przecinania, zamocowania rurki podczas
tych operacji oraz przemieszczania jej w urządzeniu od
magazynu półfabrykatów aż do zbiornika elementów gotowych. Kolejne etapy wytwarzania rurek przedstawia
diagram z rys. 8. Na kolejnych rysunkach opuszczono
niektóre fazy niewpływające na jego przebieg. Kilka z zamieszczonych faz odbywa się równocześnie, co ma
wpływ na zwiększenie wydajności.
Rurka wprowadzana jest z magazynu
półfabrykatów, rys. 3 (1), do wnętrza
modułu wykonawczego do twardego
zderzaka. Po ręcznym zainicjowaniu
pracy
urządzenia
zostaje
ona
przemieszczona na długość umożliwiającą wygięcie krótkiego ramienia rurki
i
odcięcie
minimalnego
naddatku
materiału, faza 1 z rys. 8. Po uchwyceniu
rurki szczęką zespołu zginającego
następuje obrót tego zespołu i wygięcie
rurki, faza 2 i 3. Następuje zwolnienie
szczęki zespołu zginającego i przesunięcie jej w położenie umożliwiające
przemieszczenie rurki do modułu odcinającego, faza 4. Rurka przemieszczona
do modułu odcinającego jest w niej
mocowana i odcinana, faza 5, 6 i 7. Po
wycofaniu modułu odcinającego rurka
wycofywana jest w położenie wyjściowe
dla umożliwienia obrotu modułu gnącego
do położenia umożliwiającego przechwycenie rurki do wyginania, faza 8 i 9.
Wysunięcie rurki o zadany skok zaczyna
kolejny cykl pracy. W czasie cyklu
wyginania rurka nigdy nie leży swobodnie
pomiędzy szczękami, zawsze jest
zamocowana minimalnie jedną z czterech
szczęk.
WNIOSKI
1.
Na opisanym urządzeniu osiągnięto
wymaganą wydajność 5000 rurek na
dobę.
Rys. 8. Kolejne fazy automatycznego gięcia i przecinania rurki
13
4/2009
2.
3.
Zastosowanie urządzenia sterowanego numerycznie
pozwala na eksperymentalne ustawienia parametrów
gięcia, zwłaszcza kąta sprężynowania.
Na jakość gięcia oprócz cech materiałowych rurki największy wpływ ma wartość naprężeń rozciągających
oraz prędkość kątowa gięcia. Urządzenie umożliwia
programową regulację tych parametrów.
LITERATURA
1.
Erbel S., Kuczyński K., Marciniak Z.: Obróbka plastyczna. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1981.
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
2.
Marciniak M., Skalski K.: Obróbka plastyczna
i spawalnictwo. Politechnika Warszawska, Warszawa
1979.
_____________________
Dr inż. Piotr Domanowski jest pracownikiem Katedry Inżynierii Produkcji, dr inż. Ryszard Wocianiec pracownikiem Katedry Podstaw Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki
Uniwersytetu
Technologiczno-Przyrodniczego
w Bydgoszczy, e-mail: [email protected] oraz
ryszard.wocianiec @utp.edu.pl
Z PRASY ZAGRANICZNEJ
SBORKA Nr 3 (104), 2009
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Technologiczne zapewnienie zestawu parametrów jakości warstwy wierzchniej i dokładności obróbki na
etapie technologicznego przygotowania produkcji.
Metodologia podejścia systemowego do projektowania montażu wysokotechnologicznych wyrobów.
Zapewnienie warunków niezawodnego zdejmowania
przeciętych gwintowych krzywek z zakręconych śrub
dwustronnych przy grupowym automatycznym montażu.
Ultradźwiękowe narzędzia do montażu i demontażu
połączeń gwintowych.
Badania eksploatacyjnych charakterystyk anareobowych klejów i hermetyków.
Rozwiązania problemów bezpiecznej eksploatacji maszyn tłokowych.
Modernizacja stanowiska do badania połączeń wielowypustowych wałów kardana.
Zapewnienie niezawodności pracy składanych, wieloostrzowych narzędzi z węglików spiekanych na
zautomatyzowanych obrabiarkach.
Słownik  poradnik o przekładniach zębatych – rosyjsko-angielsko-niemiecko-francuski. Cd.
SBORKA Nr 4 (105), 2009
1.
2.
3.
4.
5.
14
Projektowanie zespołów aparatury paliwowej silników
wysokoprężnych z uwzględnieniem cech technologii
automatycznego montażu.
Technologia wykonania i montażu półfabrykatów
tarcz ciernych z kombinowaną powierzchnią tarcia,
metodą zautomatyzowanego plazmowego natryskiwania.
Elastyczne modułowe technologie montażowe.
Prognozowanie zmian wskaźników jakości przy
wytwarzaniu części wyrobów wysokiej techniki.
Zalecenia dotyczące zapewnienia wymaganych parametrów konwekcjonowego lutowania.
6.
Systemowe tworzenie struktur i parametrów modeli
w zadaniach doskonalenia charakterystyk eksploatacyjnych lotniczych silników turbinowych.
7. Sterowanie dziedzicznością wskaźników jakości przy
regeneracji, obróbce, montażu i eksploatacji części
maszyn.
8. Badanie zmęczenia kontaktowego kół zębatych.
9. Stanowiskowy system wejściowej wibrodiagnostyki łożysk tocznych.
10. Zapewnienie diagnozowania operacji montażu połączeń śrubowych.
11. Wyprzedzająca ocena jakości i konkurencyjności
wyrobów przy elastycznym, automatycznym montażu.
12. Cieplny bilans wirnika.
SBORKA Nr 5 (106), 2009
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Jednolite podejście do budowy obliczeniowych modeli
wyrobu, jako systemu mechanicznego.
Efektywność zautomatyzowanego systemu montażu
elektrycznych silników krokowych w produkcji seryjnej.
Opracowanie algorytmu synchronizacji
współoddziaływania rolek w oporach wiertnic przy strukturalnie uporządkowanym montażu.
Połączenia stożkowe.
Wstępny wybór i optymalizacja niezawodności zautomatyzowanych urządzeń montażowych.
Wyznaczanie przekroju zaworu dla sterowania
prędkością dosuwu do wykonawczego zespołu urządzenia montażowego.
Wybrane aspekty laserowego lutowania układów
elektronicznych.
Wpływ pokryć aluminiowych na właściwości połączeń
spawanych przy spawaniu argonowym stali.
Montaż połączeń wciskanych metodą klejowo-cieplną.
ciąg dalszy na str. 26