В основе технологического процесса профилирования лежит калибровка валков. Формирование профиля за наименьшее количество проходов является одним из основных показателей рациональности калибровки. Кроме того, условия деформирования полосы существенно зависят от конструкции профилегибочного стана и его параметров: диаметра валков, межклетевых расстояний и др. Производство гнутых профилей малыми партиями по традиционной технологии с использованием крупногабаритных многоклетьевых станов затруднено из-за высокой стоимости оборудования, больших затрат на инструмент и значительных потерь времени на перевалку. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы, связанные с разработкой методики проектирования технологического процесса, позволяющей оптимизировать параметры инструмента и оборудования с целью снижения его массы и соответственно стоимости.

При формировании очага деформации в первой деформирующей клети относительное перемещение точек полосы происходит не в плоскостях параллельных осевой плоскости валков, а с некоторым отклонением в сторону, противоположную направлению профилирования. Вследствие этого необходимо сформулировать новые условия для определения предельных углов подгибки. Наши экспериментальные исследования показали, что могут существовать ограничения максимально допустимого угла подгибки, вызванные потерей устойчивости переднего конца полосы, или проскальзыванием полосы в валках подающей клети, что ведет к искажению профиля и невозможности осуществления процесса.

Рассмотрим процесс профилирования уголка в первой деформирующей клети от начала соприкосновения заготовки с валками до момента захвата полосы, т.е. прохождения переднего конца полосы через осевую плоскость клети (рис.1). Принято допущение, что силы трения инструмента о заготовку по направлению движения полосы до момента захвата ничтожно малы.

Предельный угол подгибки определяется из уравнения баланса работ подающих и деформирующих валков. Причем величина подающего усилия  ограничена двумя условиями:

а) она не может превышать сил трения в задающей клети

б) она не должна быть больше , которая определяется из условия потери устойчивости полосы (рис.2).

Рисунок 1. Схема для расчета подающего усилия валков

Рисунок 2. Схема для расчета устойчивости полосы

В результате проведенных исследований для частных случаев были построены соответствующие графики (рис. 3 и 4), иллюстрирующие влияние различных факторов на допустимый угол подгибки полосы.

Анализ графиков показал, что при малых диаметрах инструмента и межклетевых расстояниях максимально допустимый угол подгибки ограничен условием проскальзывания, а при их увеличении – условием устойчивости.

Также на основании исследования установлено, что при малых величинах ширины и толщины угол подгибки определяется из условия устойчивости переднего конца полосы. При больших величинах ширины и толщины угол подгибки определяется из условия отсутствия буксования полосы в валках.

Кроме определения максимально допустимого угла подгибки в первой деформирующей клети для проектирования калибровки необходимо определить допустимые углы в последующих клетях. На основании тех же условий сформулированы неравенства, при решении которых определяются углы подгибки. Для этого были построены соответствующие графики. Анализ графиков показал, что в этих клетях допустимый угол подгибки ограничен, в основном, условием проскальзывания.

Расчет энергосиловых параметров процесса профилирования представляет практический интерес, как при конструировании профилегибочного агрегата, так и при его эксплуатации. Усилие деформирования зависит от настройки калибра, ширины и толщины полосы, механических свойств, угла подгибки, диаметра валков и других факторов. В методике описанной выше усилие профилирования определялось без учета усилия калибровки профиля, и как показывает практический опыт, зачастую прокатка идет при зазорах больших, чем толщина металла и калибровки профиля не происходит.

Проведенные исследования показали, что величина усилия с уменьшением ширины полки возрастает и увеличение это более интенсивно при большей толщине металла (рис.5). Характер изменения усилия в зависимости от ширины полки профиля при разной толщине одинаков.

Анализ и сравнение теоретического и экспериментального исследования усилий деформирования полосы показал, что разница, в основном, не превосходит 10% и предлагаемый в работе метод теоретического определения усилий вполне приемлем для исследуемого диапазона размеров профилей.

Значительную долю в расходах на капитальные вложения в оборудование занимают расходы на инструмент. Цена инструмента напрямую зависит от его массы. Поэтому при проектировании профилегибочных станов встает вопрос о минимальной массе комплекта валков для прокатки того или иного профиля.

Масса комплекта валков для производства одного профиля пропорциональна величине:

где -диаметр валка,  -максимально допустимый угол подгибки полосы

Это значит, что определив наименьшее значение этого отношения при минимально конструктивно возможном межклетевом расстоянии, будет решена задача оптимизации параметров профилегибочного стана. Созданная методика позволила более рационально подойти к решению проблемы технологической подготовки профилегибочного производства. Разработанная методика определения параметров профилегибочного стана позволяет: оптимизировать количество рабочих клетей и диаметр валков с целью снижения массы профилегибочного стана, определить максимально допустимый угол подгибки в первой и каждой последующей клети профилегибочного стана, рассчитать усилие и работу деформирования, затраченные на получение профиля.

Математическая модель формообразования гнутых гофрированных профилей реализована в виде программного продукта – прикладной библиотеки для САПР-системы КОМПАС-3D v13.

Созданная прикладная библиотека предназначена для автоматизации расчёта и получения калибровок гнутых гофрированных профилей, что способствует ускорению освоения и внедрения в производство новых типов продукции.

Данный программный продукт позволяет значительно снизить время на математические вычисления и последующий процесс вычерчивания, путём задания геометрии желаемого профиля и в результате работы прикладной библиотеки получения готового чертежа калибровки профиля в системе КОМПАС-3D.

Математическая модель, лежащая в основе программы, включает в себя методику расчета калибровки, метод определения углов подгибки для каждого перехода, а также метод расчета массивов координат точек профиля для геометрической отрисовки и отображения результатов моделирования. Результатом работы программы является графическое отображение калибровки задаваемого профиля для каждого из переходов процесса профилирования.

Исходными данными для расчета являются:

—                 значения угла наклона гофров “α” на готовом профиле;

—                 значения радиуса закругления мест изгиба “r” на готовом профиле;

—                 значения длин прямолинейных участков гофрированного профиля.

Прикладная библиотека для КОМПАС-3D представляет собой модульную систему. Программа состоит из четырех подсистем, структурная схема программы представлена на рисунке 1. Блок- схема работы программы представлена на рисунке 2.

Рисунок 1. Структурная схема программы

Рисунок 2. Блок-схема работы программы

Подсистема для ввода исходных данных оборудования. Для получения результата работы разрабатываемой библиотеки в виде готового чертежа необходимо задать ширину исходной заготовки и параметры профилегибочного стана в соответствующем окне программы (рис.3). Для профилегибочного стана задаются следующие технологические параметры: ширина рулона, количество клетей, количество формующих роликовых пар для изготовления готового профиля на последней клети (по количеству гофров на готовом профиле).

Рисунок 3. Окно ввода данных оборудования

Также, наряду с задаваемыми вышеперечисленными параметрами, в данной подсистеме производятся по умолчанию расчеты возможных вариантов количества подгибок исходя из заданных параметров оборудования. Это является достоинством программы, так как предоставляется возможность сравнения и выбора в процессе работы сразу из нескольких вариантов технологического процесса производства профилей.

Подсистема для работы с данными из ГОСТа. Согласно ГОСТ 24045-94 сортамент профилей подразделяется на несколько типов по назначению: для настила покрытий (Н), для настила и стеновых ограждений (НС) и для стеновых ограждений (С).

В разработанной программе,  так же как и в приведённом ГОСТе сортамент профилей группируется по назначению (рис.4).

Рисунок 4. Окно выбора сортамента профилей

Подсистема для конструирования новых разновидностей профилей. В данной подсистеме пользователю предлагается набор готовых геометрических конфигураций профилей. Первым этапом конструирования в библиотеке является выбор типовой формы гофрированного профиля с нормализованными параметрами, взятыми из сортамента по ГОСТ 24045-94. Вторым этапом является предварительный просмотр с возможностью корректировки автоматически заданных начальных значений геометрических параметров, если стоит задача получить сильно отличающуюся конфигурацию от предлагаемой в ГОСТ (рис.5).

Рисунок 5. Окно редактирования геометрии профиля

Подсистема для работы с графическим отображением результата расчетов на основе взаимодействия с графическим ядром КОМПАС-3D. Любое графическое изображение строится из графических примитивов. Графические примитивы могут быть такие как точка, отрезок, ломаная, дуга, кривая и другие. В графическом ядре КОМПАС-3D реализованы все графические примитивы, которые можно получить вызовом специальных функций готовых интерфейсов.

В данной подсистеме реализована отрисовка конечной калибровки гнутых гофрированных профилей на чертеже КОМПАС-3D с использованием специально разработанных алгоритмов для каждой конфигурации профиля с учетом четности или нечётности количества гофров на готовом профиле, а так же с учетом технологического процесса (типа формовки).

Результатом работы программы является калибровка профиля для всех технологических переходов (рис.6).

Рисунок 6. Калибровка профиля

Оценка результатов работы программы производилась путем сравнения их с параметрами калибровок на действующих станах предприятия «Ижторгметалл».

В качестве экспериментальных данных примем известные данные о углах подгибки действующих калибровок гнутых гофрированных профилей Н10, Н20, С35, С44, Н60.

Теоретическими данными будем считать значения углов подгибки, полученные в результате работы разработанной программы. Для этого потребуется ввести в программу значения геометрических параметров для профилей Н10, Н20, С44, Н60, С35.

Сравнение теоретических и экспериментальных данных углов подгибки представим таблицах 1–6 и виде графиков на рисунках 7–12. Графики построены при помощи MS Exel для калибровок каждого типа профиля.

Таблица 1

Углы подгибки профиля Н10

Рисунок 7. Углы подгибки профиля Н10

 Таблица 2

Углы подгибки центральных гофр профиля Н20

Рисунок 8. Углы подгибки профиля Н20

Таблица 3

Углы подгибки кромок профиля Н20

 Таблица 4

Углы подгибки профиля С44

Рисунок 10. Углы подгибки профиля С44

 Таблица 5

Углы подгибки профиля Н60

  Таблица 6

Углы подгибки профиля С35

Рисунок 12. Углы подгибки профиля С35

Анализ графиков показывает хорошую сходимость для профилей Н20, С44, С35, что говорит об адекватности разработанной математической модели и работы созданной на ее основе программы.

Анализ производственных дефектов профилей Н10 и Н60 показал, что в зависимости от механических свойств заготовки периодически проявляются дефекты связанные с жестким режимом деформирования. Это объясняет существенные расхождения производственных и теоретических данных.