АНАЛИЗ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ РИФЛЕНИИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

The influence of the geometric parameters of the tool, as well as the coefficient of friction on the power characteristics of the cold pressure welding operation is considered.

Key words: pressure welding, geometric parameters, stresses, coefficient of friction, radius of rounding.

Vilimok Yaroslav Aleksandrovich, undergraduate student, vilimokya@yahoo.com, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.7.043 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-88-93

АНАЛИЗ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ РИФЛЕНИИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

С.С. Яковлев

Проведено компьютерное моделирование получения сетки рифлей на внутренней поверхности цилиндрической оболочки обработкой металлов с целью определения особенностей распределения интенсивностей напряжений и деформаций, возникающих в процессе формоизменения рабочим инструментом - оправками со спиральными клиновыми выступами с различной геометрической формой заходной части.

Ключевые слова: сетка рифлей, интенсивности деформаций, интенсивность напряжений, локальное деформирование.

В различных отраслях машиностроения широкое применение находят цилиндрические детали с рифлёной сетчатой поверхностью, которая регламентируется ГОСТ 21474-75 «Рифления прямые и сетчатые». Рифлёная поверхность требуется для увеличения сил сцепления, которые необходимы при повороте детали вручную. Для получения рифлёной поверхности используется способ накатки роликами. При этом шаг рифля не превышает 2 мм, глубина 1,4 мм, а ширина накатываемой поверхности 32 мм.

В ряде случаев необходимо в цилиндрической оболочке получать сетку рифлей со значительно большим шагом и площадью на всей внутренней поверхности с целью получения специальных эксплуатационных характеристик. При этом вместо способа накатки используют другие способы обработки металлов давлением. Получение сетки рифлей с большим шагом на внутренней поверхности цилиндрических заготовок или заготовок типа «стакан» является новым, сложным и малоизученным технологическим процессом. Поэтому исследование напряженного и деформированного состояния при формоизменении поможет лучше изучить формообразование сетки рифлей в зависимости от различных факторов, а также понять кинематику течения материала.

Известен способ получения сетки рифлей ромбовидной формы по способу [1], который отличается от других способов [2-3] меньшими энергетическими затратами. Это объясняется тем, что при редуцировании по способам [2-3] очаг деформации охватывает весь объём заготовки, тогда как по способу [1] только её локальны участки поверхности. Однако при формообразовании спиральных клиновых канавок с помощью рабочих оправок со спиральными клиновыми выступами вдоль образующей цилиндрической оболочки возникают сжимающие напряжения. При использовании некоторых типов рабочих оправок (рис. 1) может возникнуть потеря устойчивости (рис. 2, а) стенки оболочки, что является недопустимым и приводит к браку в готовом изделии [4-6]. В связи с чем исследование напряженно-деформированного состояния позволит определить критическую величину интенсивности напряжений и установить режимы формообразования спиральных клиновых канавок без потери устойчивости заготовки. В данной работе рассмотрено влияние различных типов заходной части рабочей

88

оправки и величины зазоров между поверхностью заготовки и рабочей оправки на величину интенсивности напряжений и интенсивности деформаций с целью определения оптимальной геометрической формы заходной части рабочей оправки, которая может быть рекомендована для получения сетки рифлей на внутренней поверхности цилиндрической оболочки.

На рис. 1 приведены три типа заходной части клиновых выступов на поверхности рабочей оправки. При этом спиральные клиновые выступы внедрялись во внутреннюю поверхность цилиндрической заготовки на фиксированную глубину, при этом высота клинового выступа всегда была больше глубины внедрения в материал заготовки. Поэтому формообразование осуществлялось локальным деформированием материала заготовки.

а б в

Рис. 1. Трехмерные модели заходной части рабочих оправок: а — I тип, б — II тип, в — III тип

Приведенные на рис. 1 рабочие оправки были использованы при компьютерном моделировании в программе DeForm, с целью определения нагрузки (рис. 2), интенсивности напряжения (рис. 3) и интенсивности деформаций (рис. 4). Использовалась цилиндрическая заготовка из стали 10 диаметром наружным 117 мм и толщиной стенки 3,55 мм, при этом внедрение выступа рабочей оправки осуществлялось на глубину 1,6 мм с различной величиной зазора от 0,15, 0,3 мм, 0,5 мм и переменным от 0,15 до 0,50 мм [4-6].

800 г 600 го 400 200 0

723

и

I510 451

II

600

610

190 180 224

И ■ ■ 1

310

Тип I

Тип II

170 151

Тип III

Z = 0,15 мм

Z = 0,3 мм

Z = 0,5 мм

Конусная рабочая поверхность

Рис. 2. Максимальное значение нагрузки

Как установлено в предыдущих исследованиях [4-6], при использовании рабочих оправок типа I с плоской торцевой поверхностью заходной части при различных зазорах наблюдается значительный наплыв материала, а также возникновение поперечной потери устойчивости стенки цилиндрической оболочки в торцевой части. При этом возникает максимальное значение нагрузки формоизменения (рис. 2) по сравнения с нагрузками для оправок типа II и III (рис. 2). Аналогичная картина наблюдается при использовании рабочих оправок типа II с клиновой и III стреловидной формами заходной части при зазоре равном 0,15 мм и переменном.

89

I тип - Z=0,15 мм а

I тип - Z=0,5 мм в

II тип - Z=0,15 мм д

II тип - Z=0,5 мм

Ii/'

III тип - Z=0,15 мм и

III тип - Z=0,5 мм л

I тип - Z=0,3 мм б

I тип - Z-переменный (конуснаярабочая поверхность) г

II тип - Z=0,3 мм

II тип - Z-переменный (конуснаярабочая поверхность) з

III тип - Z=0,3 мм к

III тип - Z-переменный (конуснаярабочая поверхность) м

Рис. 3. Распределение интенсивностей напряжений

Величина максимальной нагрузки существенно зависит от зазора Z, например, при увеличении зазора (тип I) с 0,15 до 0,3 мм сила уменьшается примерно на 42%, а при зазоре 0,5 мм сила уменьшается на 240%. Для рабочих оправок типа II и III максимальная нагрузка при зазоре Z=0,15 мм меньше, чем для оправки типа I на 19%. При этом влияние зазора Z для данных типов рабочих оправок наблюдается при изменении зазора в интервале от 0,15 до 0,3 мм дальнейшее увеличение зазора не влияет на силовые параметры.

Сравнение интенсивности напряжений для оправок типа I показало, что при увеличении зазора с 0,15 до 0,3 мм максимальная интенсивность напряжений падает на 16% (рис. 3, а, б), а с увеличением зазор до 0,5 мм падает на 12% (рис. 3, а, в). В процессе формоизменения максимальная интенсивность деформаций независимо от величины зазора примерно одинакова и наблюдается в зоне впадин рифлей (рис. 4, а, б, в,

г).

Проведенный анализ влияния геометрической формы заходной части выступов на изменение максимальной интенсивности напряжений для всех рассматриваемых типов рабочих оправок показал, что имеет место наибольшее значение интенсивности напряжений при зазоре 0,15 мм для рабочих оправок типа I и наименьшее значение для оправок типа III. При этом величина напряжений уменьшается на 11% (рис. 3, а, и).

Наименьшее значение максимальной интенсивности напряжений наблюдается при использовании рабочих оправок типа II и зазоре равном 0,3 мм (рис. 3, е). Следует отметить, что такая же величина интенсивности напряжений наблюдается при данном зазоре для оправок типа I, однако очаг деформации при этом примерно в 2 раза больше, поэтому и нагрузка формоизменения в этом случае больше, что уменьшает энергозатраты.

Для всех исследуемых типов отправок максимальное значение интенсивности деформаций примерно одинакова и не зависит от величины зазора.

I

ооооеи мп (л м»

I тип - 2=0,15 мм а

0 000120 | 0000254 10,3 м«

I тип - 2=0,5 мм в

I тип - 2=0,3 мм б

Ввгат - ЕАес11уе 1г

I

0000 I

0000321 Мл 724 Мак

I тип - 2-переменный (конуснаярабочая поверхность) г

Рис. 3. Распределение интенсивностей деформации (начало)

ESriri. Eltocbv« {miiAimj 0.00

II тип - Z=0,15 мм д

I

Q 0000324 Мл 5 За Мах

II тип - Z=0,5 мм

Ii/' t/MX

III тип - Z=0,15 мм и

Sir am - Ettecliwe (mm/mm) 900

II тип - Z=0,3 мм

0 0001» Mrt

II тип - Z-переменный (конусная рабочая поверхность)

Sfr»n - Efieetrv* (mnVmm)

III тип - Z=0,3 мм к

Slrain - EWeetavw (mnVmin) 9 00

.vvVVV\\\y?

III тип - Z=0,5 мм л

III тип - Z-переменный (конуснаярабочая поверхность)

м

Рис. 3. Распределение интенсивностей деформации (окончание)

92

з

Выводы:

1. Проведенное компьютерное моделирование позволило установить, что на нагрузку и величину интенсивности напряжений в очаге деформаций существенное влияние оказывает форма заходной части выступов рабочих оправок и величина зазоров. При этом рекомендуется использовать оправки типа II или III при зазорах 0,3 и 0,5 мм.

2. Величина интенсивности деформаций не зависит от типа оправки или зазора.

Работа выполнена в рамках гранта Правительства Тульской области в сфере

науки и техники № ДС/167.

Список литературы

1. Способ изготовления сетки рифлей на внутренней поверхности цилиндрической оболочки и устройство для его осуществления : Патент РФ №2654410, кл. В21К 21/06 / Иванов Ю.А., Коротков В.А., Кухарь В.Д., Ларин С.Н., Митин О.Н., Трегубов В.И., Яковлев С.С. // опубл. 17.05. 2018, бюл. №14.

2. Иванов Ю.А., Трегубов В.И. Экспериментальная отработка редуцирования заготовок рифленым пуансоном в коническую матрицу // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 1. С. 178-182.

3. Митин О.Н., Иванов Ю.А. Теоретические и экспериментальные исследования силовых режимов операций редуцирования профильным пуансоном трубных заготовок через коническую матрицу // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 6. С. 327-337.

4. Яковлев С.С. Анализ силовых режимов при рифлении внутренней поверхности оболочки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 7. С. 13-16.

5. Яковлев С.С., Коротков В.А. Анализ силовых режимов получения рифлей в цилиндрической оболочке // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 7. С. 23-26.

6. Яковлев С.С., Кухарь В.Д. Анализ силовых режимов при получении рифлей внутри цилиндрической оболочки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 7. С. 32-35.

Яковлев Сергей Сергеевич, аспирант, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF STRESS INTENSITY AND DEFORMATION DURING RIFLING

OF THE INNER SURFACE

S.S. Yakovlev

Computer simulation of the formation of a groove mesh on the inner surface of a cylindrical shell by metal processing has been carried out in order to determine the features of the distribution of stress and strain intensities arising in the process of shaping by a working tool - mandrels with spiral wedge protrusions with a different geometric shape of the lead-in part.

Key words: groove mesh, deformation intensity, stress intensity, local deformation.

Yakovlev Sergey Sergeevich, postgraduate, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University