PL B1. POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL BUP 04/18. PIOTR KURP, Kielce, PL ZYGMUNT MUCHA, Warszawa, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. B21D 7/08 ( ) B21D 7/16 ( ) B21D 9/00 ( ) (54) Sposób i urządzenie do jednopłaszczyznowego gięcia profili cienkościennych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 11/18 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PIOTR KURP, Kielce, PL ZYGMUNT MUCHA, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Antoni Garstka PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób jednopłaszczyznowego gięcia profili cienkościennych i urządzenie do jednopłaszczyznowego gięcia profili cienkościennych o stałym przekroju, szczególnie ze stopów żarowytrzymałych typu Inconel oraz z żarowytrzymałych stali martenzytycznych. Profile wykonywane tą technologią stosowane są zwłaszcza w przemyśle lotniczym oraz kosmicznym jako elementy przepływowych silników turbośmigłowych i odrzutowych. W przepływowych silnikach lotniczych turbośmigłowych i odrzutowych oraz odrzutowych silnikach kosmicznych, wewnętrzne elementy takie jak przewody paliwowe czy dyfuzory spalin muszą być wykonane ze stopów żarowytrzymałych. Podyktowane jest to tym, że elementy te pracują w wysokich temperaturach, sięgających nawet 900 C, przy nominalnej temperaturze pracy rzędu ok C. Obecnie elementy takie wykonuje się poprzez obróbkę plastyczną na gotowo lub elementy są wstępnie formowane plastycznie jako półfabrykaty, a następnie są ze sobą łączone w operacji konwencjonalnego spawania. W elementach poddawanych obróbce plastycznej na zimno na skutek zgniotu dochodzi do umocnienia materiału. Zmiany strukturalne, spowodowane umocnieniem, wpływają na pogorszenie właściwości materiału. Natomiast, spoina w elementach ze szwem wpływa na rodzaj przepływu płynu w takim elemencie. Ze względu na występujące nierówności, może dochodzić do wytworzenia się ruchu turbulentnego płynu, który wywołuje występowanie drgań w układzie oraz niekorzystnie wpływa na sprawność działania całego układu. Znany jest ze zgłoszenia patentowego P sposób zaginania i doginania wzdłuż linii prostych przedmiotów metalowych takich jak płyty, pręty i powłoki o zerowej krzywiźnie Gaussa, wykonanych z materiałów kruchych lub o dużej twardości, polegający na termicznej obróbce materiału przez poddawanie wielokrotnemu, lokalnemu, dwufazowemu procesowi nagrzewania i schładzania materiału w obszarze wzdłuż przynajmniej jednej prostej. W pierwszej fazie materiał poddaje się nagrzewaniu strumieniem energii lasera wywołującej efekt cieplny, przy czym nagrzewanie prowadzi się wiązką o szerokości co najmniej równej grubości przedmiotu obejmującą symetrycznie linię gięcia. Następnie, w nagrzanym obszarze pasma modyfikuje się rozkład temperatury w drugiej fazie procesu, w którym materiał poddaje się sztucznemu schładzaniu strumieniem czynnika skierowanego na podgrzany uprzednio obszar materiału w wystarczającej odległości za wiązką ogrzewającą. Materiał schładza się w przybliżeniu do temperatury otoczenia ewentualnie niewiele wyższej oraz studzi się przedmiot do temperatury otoczenia i trwale kształtuje się zagięcie przedmiotu. Z opisu patentowego PL znany jest sposób i układ do kształtowania laserowego płyt lub blach według zadanego kształtu powierzchni rozwijalnej o tworzących równoległych. Sposób polega na tym, że dla kształtu kierownicy powierzchni zadanego w postaci funkcji y=f(x) w układzie współrzędnych 0XY tak przyjętym, że dla x=0 zachodzi f(x)=0 oraz df(x)/dx=0, przyjmuje się stałą wartość kąta zgięcia otrzymywanego dla każdego przejścia wiązki laserowej i wyznacza się odległości kolejnych ścieżek wiązki od początku przyjętego układu współrzędnych 0XY według zadanej zależności, a następnie oddziałuje się wiązką laserową na powierzchnię obrabianego przedmiotu i jednocześnie w sposób ciągły rejestruje się temperaturę zarówno powierzchni pod wiązką laserową, jak też powierzchni przedmiotu po przeciwnej stronie i na podstawie analizy temperatury wyznacza się czas kolejnego przejścia wiązki. Układ charakteryzuje się tym, że zawiera pirometr mierzący temperaturę przedmiotu obrabianego pod wiązką laserową, drugi pirometr mierzący temperaturę przedmiotu po stronie przeciwnej względem wiązki oraz miernik kąta zgięcia połączone ze sterownikiem procesu. Miernikiem kąta zgięcia jest triangulacyjny miernik odległości a sterownikiem procesu jest komputer PC. Z opisu zgłoszeniowego JP znany jest sposób i przyrząd do gięcia elementów, zwłaszcza arkuszy blach w połączonej operacji nagrzewania laserowego i oddziaływania siłą zewnętrzną. Wiązka lasera nagrzewa lokalnie obrabiany element do wysokiej temperatury. Następnie na element działa siła zewnętrzna pochodząca na przykład z prasy krawędziowej. Na skutek jednoczesnego podgrzewania laserem i oddziaływania siłą dochodzi do odkształcenia plastycznego elementu. Metoda jest szczególnie przydatna, gdy w grę wchodzi lokalne podgrzewanie elementu do wysokich temperatur. Z opisu patentowego PL znany jest sposób i urządzenie do indukcyjnego gięcia rur. W tym sposobie przy pomocy cewki indukcyjnej część odcinka rury nagrzewana jest na całym jej obwodzie, a następnie wyginana za pomocą ramienia gnącego. Ze względu na działające duże siły dochodzi do owalizacji łuku rury na całej długości. Stanowi to niedogodność, ponieważ aby osiągnąć pożądaną średnicę giętej rury należy zastosować dodatkową obróbkę obszaru łuku po gięciu.

3 PL B1 3 Rozwiązania wymienione powyżej dotyczą elementów rurowych wielkogabarytowych, tym samym nie można ich zastosować przy formowaniu elementów cienkościennych, szczególnie ze stopów żarowytrzymałych typu Inconel oraz z żarowytrzymałych stali martenzytycznych. Sposób jednopłaszczyznowego gięcia profili cienkościennych, w którym element zginany ogrzewa się skoncentrowanym strumieniem energii w strefie gięcia i prowadzi się go wzdłuż zadanej krzywizny ustalanej ramieniem gnącym, charakteryzuje się tym, że ogrzewanie prowadzi się, emitowanym przez obrotową głowicę laserową skoncentrowanym strumieniem energii według zadanej trajektorii, zależnej od zarysu poprzecznego giętego elementu, przy czym trajektoria ruchu głowicy wyznaczona jest w płaszczyźnie prostopadłej do promienia gięcia elementu. Urządzenie do jednopłaszczyznowego gięcia profili cienkościennych, wyposażone w generator skoncentrowanego strumienia energii oraz posiadające ramię gnące, charakteryzuje się tym, że do podstawy ma przymocowaną przestrzenną ramę główną z prowadnicami, z którymi współpracują suwliwie wsporniki przymocowane do platformy roboczej. Rama główna wyposażona jest w podnośnik, którym ustalane jest położenie platformy w płaszczyźnie pionowej. Platforma robocza wyposażona jest w siłownik popychający gięty element i posiada wzdłużne kanały prowadzące, z którymi współpracuje prowadnik tłoczyska siłownika. Siłownik zakończony jest uchwytem w postaci tulei, a w pobliżu końca platformy roboczej zainstalowana jest rolka reakcyjna o osi prostopadłej do kierunku ruchu tłoczyska siłownika oraz rolki prowadzące o osiach obrotu prostopadłych do kierunku ruchu siłownika. Osie rolek prowadzących oraz oś rolki reakcyjnej są do siebie prostopadłe. Do podstawy przymocowana jest druga przestrzenna rama, na której osadzone jest obrotowo, na trzpieniu, ramię gnące wyposażone w prowadnice, w których osadzony jest suwliwie uchwyt elementu giętego. Korzystnie, rolki prowadzące zainstalowane na platformie roboczej są wymienne, a ich kształt odpowiada profilowi giętego elementu. Korzystnie, rolka reakcyjna zainstalowana na platformie roboczej jest wymienna, a jej kształt odpowiada profilowi giętego elementu. Korzystnie, tłoczysko siłownika wyposażone jest w czujnik siły zainstalowany przed tuleją, w której instalowany jest gięty element. Wynalazek w porównaniu do konwencjonalnych metod wytwarzania obróbką plastyczną posiada dwie główne zalety. Po pierwsze na skutek podgrzewania elementu w płaszczyźnie gięcia elementu, materiał nie umacnia się, a mikrostruktura materiału elementu i tym samym właściwości mechaniczne pozostają niezmienione. Drugą korzystną zaletą jest to, że elementy mogą być wykonywane jako bezszwowe, tym samym podczas przepływu płynu w uformowanym elemencie nie będzie dochodziło do zaburzeń ruchu płynu na nierównościach grani spoiny. Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok urządzenia z boku, fig. 2 schemat zakresu ruchu głowicy laserowej, fig. 3 schemat kolejnych etapów gięcia profilu cienkościennego, fig. 4 widok z boku urządzenia w skrajnym dolnym położeniu platformy roboczej przy najmniejszym promieniu gięcia, fig. 5 widok z boku urządzenia w skrajnym górnym położeniu platformy roboczej przy największym promieniu gięcia, fig. 6 widok z góry urządzenia, a fig. 7 widok ramienia gnącego z przodu. Do podstawy 13 urządzenia przymocowana jest przestrzenna rama główna 10, na której zainstalowana jest platforma robocza 9 oraz przestrzenna rama 12, na której zainstalowane jest obrotowo ramię gnące 5. Rama główna 10 posiada cztery prowadnice, z którymi współpracują suwliwie wsporniki przymocowane do platformy roboczej 9 o zarysie prostopadłościanu. Rama główna 10 wyposażona jest w podnośnik 11, którym ustalane jest położenie platformy roboczej 9 w płaszczyźnie pionowej. Platforma robocza 9 wyposażona jest w siłownik 2 i posiada wzdłużne kanały prowadzące, z którymi współpracuje prowadnik 17 tłoczyska siłownika 2. Tłoczysko siłownika 2 zakończone jest uchwytem w postaci tulei 16. W pobliżu końca tłoczyska siłownika 2, przy tulei 16, zainstalowany jest czujnik siły 3 mierzący siłę nacisku tłoczyska na gięty element rurowy 1. W pobliżu końca platformy roboczej 9 zainstalowana jest rolka reakcyjna 7 o osi prostopadłej do kierunku ruchu tłoczyska siłownika 2 oraz rolki prowadzące 8 o osiach obrotu prostopadłych do kierunku ruchu tłoczyska siłownika 2, przy czym osie rolek prowadzących 8 oraz oś rolki reakcyjnej 7 są do siebie prostopadłe. Rolki prowadzące 8 utrzymują zadany kierunek ruchu giętego elementu a rolka reakcyjna 7 przeciwdziała sile zginającej. Ramię gnące 5 utworzone jest z prostokątnych, równoległych do siebie profili, zespolonych pod kątem prostym, tak że stanowią parę kątowników, przy czym wolne końce krótszych ramion połączone są poprzeczką, a wolne końce dłuższych ramion są osadzone obrotowo na trzpieniu wspornika ramy 12, który to trzpień stanowi oś obrotu ramienia gnącego 5. Na krótszych profilach ramienia gnącego 5 zainstalowane są prowadnice

4 4 PL B1 15, w których osadzony jest suwliwie uchwyt 14. Położenie uchwytu 14, na ramieniu gnącym 5, zależne jest od zadanego promienia gięcia R elementu rurowego 1 i jego usytuowania w tulei 16 na platformie roboczej 9. Uchwyt 14, tuleja 16, rolka reakcyjna 7 i rolki prowadzące 8 są wymienne i zależą od profilu giętego elementu. W pierwszym etapie gięcia ustalane jest przy pomocy podnośnika 11 położenie platformy roboczej 9 w płaszczyźnie pionowej. Położenie platformy roboczej 9 definiuje promień gięcia R, natomiast kąt gięcia zależny jest od długości wysuwu tłoczyska siłownika 2. Następnie, koniec cienkościennego elementu rurowego 1 o stałym przekroju, przeprowadza się pomiędzy rolkami prowadzącymi 8 i pod rolką reakcyjną 7. Koniec elementu rurowego 1 umieszcza się w tulei 16 zainstalowanej na końcu tłoczyska siłownika 2. Ustala się położenie uchwytu 14, zamontowanego na swobodnym ramieniu gnącym 5 w płaszczyźnie pionowej tak, aby oś uchwytu 14 odpowiadała osi tłoczyska siłownika 2, po czym drugi koniec elementu 1 mocuje się w uchwycie 14. Prowadzenie elementu 1 w płaszczyźnie gięcia zapewniają rolki prowadzące 8. Następnie, skoncentrowanym strumieniem energii, za pomocą obrotowej głowicy laserowej 6, nagrzewa się element gięty 1 na jego obwodzie, w płaszczyźnie gięcia 4, po wyznaczonej trajektorii 14 zależnej od profilu elementu 1. Podgrzanie elementu giętego 1 wywołuje zmianę jego właściwości plastycznych w płaszczyźnie gięcia 4. Jednocześnie w trakcie nagrzewania obwodowego wymusza się zmianę położenia elementu gnącego 1, za pomocą tłoczyska siłownika 2 poruszającego się w kierunku ramienia gnącego 5 z prędkością. Na skutek działania siły wywołanej ruchem tłoczyska siłownika 2 oraz zwiększeniu właściwości plastycznych w płaszczyźnie nagrzewania 4, dochodzi do deformacji plastycznej elementu 1 i tym samym do formowania profilu o zadanym promieniu gięcia R i kącie gięcia. Przeprowadzono proces gięcia elementu rurowego 1 o średnicy 20 mm i grubości ścianki 1 mm ze stali X5CrNi Za pomocą siłownika 11 ustalono platformę roboczą 9 na wysokości, która zdefiniowała promień gięcia R wynoszący 215 mm. Następnie, w tulei 16, zamocowanej na końcu tłoka siłownika 2, umieszczono element rurowy 1 przeprowadzając go pomiędzy rolkami prowadzącymi 8 i pod rolką reakcyjną 7. Wyregulowano położenie w płaszczyźnie pionowej uchwytu 14 w prowadnicach 15, tak aby znajdował się on w tej samej osi co tłoczysko siłownika 2. Drugi koniec elementu rurowego 1 zamocowano w uchwycie 14 ramienia gnącego 5. Tak zamocowaną rurę 1 nagrzewano głowicą laserową 6 po zadanej trajektorii 14 w osi gięcia 4. Parametry pracy lasera były następujące: moc P = 400 W, przeliczeniowa prędkość liniowa nagrzewania na obwodzie 1 = 4000 mm/min. Jednocześnie z nagrzewaniem przyłożono siłę pochodzącą od siłownika 2. Prędkość posuwu siłownika ustalono na = 20 mm/min. Przy maksymalnym dopuszczalnym wysuwie siłownika I = 200 mm dokonano gięcia elementu, którego kąt gięcia wynosił = 50. Zarejestrowana siła podczas procesu wyniosła F = 700 N. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób jednopłaszczyznowego gięcia profili cienkościennych, w którym element zginany ogrzewa się skoncentrowanym strumieniem energii w strefie gięcia i prowadzi się go wzdłuż zadanej krzywizny ustalanej ramieniem gnącym, znamienny tym, że ogrzewanie prowadzi się, emitowanym przez obrotową głowicę laserową (6) skoncentrowanym strumieniem energii według zadanej trajektorii, zależnej od zarysu poprzecznego giętego elementu (1), przy czym trajektoria ruchu głowicy wyznaczona jest w płaszczyźnie prostopadłej do promienia gięcia elementu. 2. Urządzenie do jednopłaszczyznowego gięcia profili cienkościennych, wyposażone w generator skoncentrowanego strumienia energii oraz posiadające ramię gnące, znamienne tym, że do podstawy (13) ma przymocowaną przestrzenną ramę główną (10) z prowadnicami, z którymi współpracują suwliwie wsporniki przymocowane do platformy roboczej (9), przy czym rama główna (10) wyposażona jest w podnośnik (11), którym ustalane jest położenie platformy (9) w płaszczyźnie pionowej, zaś platforma robocza (9) wyposażona jest w siłownik (2) i posiada wzdłużne kanały prowadzące, z którymi współpracuje prowadnik (17) tłoczyska siłownika (2) zakończonego uchwytem w postaci tulei (16), a w pobliżu końca platformy roboczej (9) zainstalowana jest rolka reakcyjna (7) o osi prostopadłej do kierunku ruchu tłoczyska siłownika (2) oraz rolki prowadzące (8) o osiach obrotu prostopadłych do kierunku ruchu siłow-

5 PL B1 5 nika (2), przy czym osie rolek prowadzących (8) oraz oś rolki reakcyjnej (7) są do siebie prostopadłe, a do podstawy (13) przymocowana jest druga przestrzenna rama (12), na której osadzone jest obrotowo, na trzpieniu, ramię gnące (5) wyposażone w prowadnice (15), w których osadzony jest suwliwie uchwyt (14) elementu giętego (1). 3. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że rolki prowadzące (8) zainstalowane na platformie roboczej (9) są wymienne, a ich kształt odpowiada profilowi giętego elementu (1). 4. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że rolka reakcyjna (7) zainstalowana na platformie roboczej (9) jest wymienna, a jej kształt odpowiada profilowi giętego elementu (1). 5. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że tłoczysko siłownika (2) wyposażone jest w czujnik siły (3), zainstalowany przed tuleją (16). Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)