CC BY
66
УДК 621.774.372
АНАЛИЗ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ КРУГЛЫХ
ИЗДЕЛИЙ
© 2012 В. Р. Каргин, Б. В. Каргин, С. Ю. Колесникова, Ю. А. Сергеев
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)
Приведены результаты компьютерного моделирования контактных напряжений при волочении круглых изделий в конические волоки с помощью метода конечных элементов (МКЭ) в специализированном программном комплексе DEFORM-2D.
Математическое моделирование, нормальное давление, касательное напряжение, рабочий угол волоки, коэффициент трения, коэффициент вытяжки.
Производительность процесса
волочения круглых изделий (прутков, проволоки) во многом зависит от стойкости деформирующего инструмента. С учётом характера разрушения повышение стойкости достигается: 1 -определением преобладающего вида разрушения; 2 - выделением участков вероятного разрушения; 3 - определением причин разрушения; 4 - разработкой мер повышения стойкости волок.
При волочении круглых изделий преобладающим видом разрушения инструмента является кольцевой износ, который начинается в месте входа заготовки в рабочую зону волоки. Кольцо износа имеет вид ступеньки, которая искажает первоначальную геометрию канала, резко ухудшает условия смазки [1-3]. По данным работы [4] поверхность участка кольцевого износа составляет 810% поверхности рабочей зоны. Основной причиной кольцевого износа является большой градиент контактных
напряжений в окрестности входа заготовки в рабочую зону [1-4].
Экспериментальные и теоретические исследования, посвящённые распределению напряжений вдоль контактной поверхности при волочении круглых изделий [2,5,6] показали, что на эпюрах распределения нормальных давлений отмечается наличие двух максимумов вблизи входа в очаг деформации и при
переходе в калибрующую часть волоки. В центре эпюр наблюдается некоторое снижение давлений. Существование седловин на эпюрах нормальных контактных напряжений впервые было обнаружено при волочении стальных прутков Павельски [6].
Практический интерес представляет дальнейшее изучение распределения не только нормальных, но и касательных напряжений на контактной поверхности при волочении круглых изделий с целью выявления их влияния на инструмент в зависимости от основных параметров процесса и геометрии волоки (рис. 1).
В настоящей работе проведено компьютерное моделирование процесса волочения круглого изделия с помощью метода конечных элементов (МКЭ) в специализированном программном комплексе БЕЕОКМ-2Б [7]. Числовой расчёт волочения заготовки022 мм из алюминиевого сплава системы А1-М§-Мп со скоростью 1мм/с в конические волоки из стали У8 проводили с параметрами: входная зона 36°, выходная зона 60°, калибрующий поясок 5 мм. В расчётах варьировали уг -лом обжимной зоны а (6°,9°,12°,15°), коэффициентом трения ц (0,06; 0,09; 0,12;
0,15) и коэффициентом вытяжки X (1,05; 1,15; 1,2; 1,35).
Для описания материала изделия принята модель упрочняющейся упругопластической среды. Механические свой-
ства материала заданы значениями модуля упругости Е=70 ГПа, коэффициента Пуассона у=0,33, предела текучести в зависимости от накопленной интенсивности пластических деформаций. Геометриче-
ская модель соответствует условиям осесимметричного нагружения. На поверхности контакта заготовки с волокой действуют касательные напряжения, определяемые по закону Кулона.
Для установления необходимого числа конечных элементов двухмерной упорядоченной сетки проведено компьютерное моделирование процесса волоче-
Рв. Н
ния круглого изделия с количеством конечных элементов К= =500,1000,1500 (рис. 2).
500 1000 1500 М, ПГГ
Рис. 2. Зависимость усилия волочения Рв от числа конечных элементов N
По результатам моделирования принято N=500, т.к. усилие волочения Рв в диапазоне 500-1500 элементов меняется в пределах 5%, что является незначительным отклонением для инженерных расчётов.
Решение задачи методом конечных элементов на этапе установившегося процесса позволило получить зависимость
усилия волочения Рв (рис.3), распределения нормальных сгк и касательных тк напряжений в зоне контакта заготовка - волока от угла обжимной зоны а (рис.4), коэффициента вытяжки X (рис.5) и коэффициента трения ц (рис.6). На рис. 3-5 £, -безразмерный параметр, характеризующий протяжённость обжимной зоны.
Рв, кН
Ре, кН
35
2и
о ■
1:35
П5
Ц
1,35
Рв.кН
50 45 40 35 30 25 IV
15 10 5 0
0.06
б
0Г09 0,12
в
0,15
Рис. 3. Зависимость усилия волочения Рв от угла обжимной зоны при 11=0,12; 1=1,2 (а), коэффициента вытяжки при 1=0,12; а=12° (б) и коэффициента трения при 1=1,2; а=12° (в)
а
°к * МПа Тк , МПа
Рис. 4. Эпюра распределения нормального давления етк и касательного напряжения тк на границе заготовка - волока в зависимости от рабочего угла волоки, /(=0,12; 1=1,2;
( -н*-1 а=6 а=12 “К” а=15 %)
(7К, МПа Тк ; МПа
о о,г о,4 о,б о,8 1 С
Рис. 5. Эпюра распределения нормального давления Ок и касательного напряжения Тк на границе заготовка - волока в зависимости от коэффициента вытяжки, а=12 “, /1=0,12;
Рис. 6. Эпюра распределения нормального давления (7К и касательного напряжения Тк на границе заготовка - волока в зависимости от коэффициента трения, а=12 , 1=1,2;
(~^ш /1=0,06; —^1 /.1=0,09; ♦ /1=0,12; /1=0,15)
Результаты расчётов при
компьютерном моделировании показывают, что распределение нормальных и касательных напряжений по длине обжимной зоны крайне неравномерное. Подтверждается наличие двух
экстремумов сгх в местах начала деформации в обжимной зоне волоки и при переходе обжимной зоны в калибрующий поясок. На этих участках резко меняются направления линий течения металла заготовки, возрастает угол их поворота, что и приводит к скачкообразному возрастанию нормального давления протягиваемого металла на рабочую поверхность волоки.
Положение области масимальных значений нормальных давлений сгк и величина седловин на эпюрах зависят в большей степени от коэффициента вытяжки и угла обжимной зоны волоки и в меньшей степени - от коэффициента трения.
Как видно из рис.4, при уменьшении угла обжимной зоны максимумы эпюры распределения нормальных давлений сдвигаются влево ко входу заготовки в канал волоки и вправо - к калибрующему пояску. При росте угла а нормальное давление уменьшается, особенно интенсивно при а=15°.
Усилие волочения при малых углах обжимной зоны волоки достигает максимальных значений, так как увеличивается контактная поверхность, что способствует повышению общего давления металла заготовки на волоку и усилия волочения (рис.3). При а=9° и а=12° усилие волочения минимально. При а=15° Рв вновь увеличивается в связи с ростом сдвиговых деформаций.
Как видно из рис.5, максимум нормального давления на входе в обжимную зону волоки наблюдается при Х= 1,05, а на выходе из обжимной зоны -при Х= 1,15. Чем больше коэффициент вытяжки, тем меньше в среднем давление металла заготовки на волоку. В связи с этим канал волоки подвергается износу в большей степени при малых X. Увеличение степени деформации при волочении приводит к упрочнению металла заготовки и, как следствие, к росту усилия волочения (рис.3).
Как видно из рис.6, коэффициент трения ц не оказывает существенного влияния на распределение нормальных и касательных напряжений. Вместе с тем, с увеличением ц можно наблюдать рост усилия волочения Рв (рис.3).
Касательные напряжения тк, обусловленные трением металла заготовки о поверхность инструмента, в
среднем убывают с увеличением угла обжимной зоны, коэффициентов вытяжки и трения (рис.4-6). На выходе из обжимной зоны волоки тк меняют направления действия касательных напряжений, что приводит к дополнительным нагрузкам канала волоки. Чем больше угол а, тем
равномернее распределение тк по длине обжимной зоны. При Х= 1,05 касательные напряжения максимальны в середине обжимной зоны, при других коэффициентах вытяжки тк максимально на входе и выходе из обжимной зоны.
Рис. 7. Внешний вид канала изношенной волоки
На рис. 7 при разрезе волоки после эксплуатации вдоль образующей отчётливо видны кольца износа на входе и выходе из обжимной зоны. Глубина выходного кольца износа меньше входного в два раза. Расположение колец
износа совпадает с экстремумами нормальных давлений в канале волоки, полученными в процессе моделирования, представленными на рис.8 в виде линий равного уровня.
Нормальное давление, МПа
А = 0.000
В = 90.4
С = 181
Е = 362
Р = 452
Є = 542
н = 633
1 = 723
Рис. 8. Линии равного уровня распределения нормального давления в рабочем канале волоки
В связи с изложенным для повышения стойкости волок
рекомендуется локальное упрочнение кольцевых зон на входе и выходе из обжимной зоны волоки, например, с помощью лазерной обработки,
азотирования.
Проведённые исследования позволяют сделать следущие выводы:
1. Характер распределения напряжений в зоне контакта заготовка-волока отличается значительной неравномерностью, что связано с резким изменением траектории течения металла при волочении.
2. Расположение зон максимальных значений контактных напряжений зависит от угла обжимной зоны волоки и коэффициента вытяжки, тогда как коэффициент трения не оказывает особого влияния на данные параметры.
3. Экспериментально подтверждено наличие не одного, а двух колец износа в канале волоки.
Библиографический список
1. Перлин, И. Л. Теория Волочения [Текст] / И. Л. Перлин, М. З. Ерманок. -М.: Металлургия, 1971. - 448 с.
2. Леванов, А. Н. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением [Текст] / А. Н. Леванов, В. Л. Колмогоров, С. П. Буркин. - М.: Металлургия, 1976. - 416 с.
3. Чертавских, А. К. Трение и технологическая смазка при обработке металлов давлением [Текст] / А. К. Чертавских, В. К. Белосевич. - М.: Металлургия, 1958. - 364 с.
4. Грошев, П. Ф. Исследования износа волок методом радиоактивных индикаторов [Текст] / П. Ф. Грошев // Цветные металлы. - 1961. - №3. - С 71-75.
5. Щукин, С. В. Исследование на базе конечных элементов напряжённо-деформированного состояния проволоки при волочении [Текст] / С. В. Щукин, Ю. И. Рыбин // Изв. вузов. Чёрная металлургия. - 1993. - №6. - С. 31-34.
6. Pawelski, O. - Archiv fur das Eisenhuttenwesen, 1967. - №12.- С.899-904.
7. Моделирование процессов обработки металлов давлением в программе DEFORM - 2D [Текст] / В. Р. Каргин, А. П. Быков, Б. В. Каргин и др. - Самара: Изд-во МИР, 2011. - 170 с.
ANALYSIS OF CONTACT STRESSES IN DRAWING ROUND PRODUCTS
© 2012 V. R. Kargin, B. V. Kargin, S. Y. Kolesnikov^ Y. A. Sergeev
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov
(National Research University)
In this work, the drawing of round products in conical dies was simulated by the finite element method (FEM) using special-purpose software DEFORM-2D to analyze contact stresses.
Mathematical modeling, normal pressure, shear stress, die working angle, friction coefficient, coefficient of extraction.
Информация об авторах
Каргин Владимир Родионович, доктор технических наук, профессор кафедры обработки металлов давлением, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет). E-mail: vrkargin@mail.ru. Область научных интересов: разработка процессов производства профилей и труб.
Каргин Борис Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет). E-mail: bkargin@mail.ru. Область научных интересов: технология прокатнопрессового производства.
Колесникова Светлана Юрьевна, магистрант, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет). E-mail: lana-kolesnikova@mail.ru. Область научных интересов: компьютерное моделирование процесса волочения круглых изделий.
Сергеев Юрий Александрович, магистрант, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет). E-mail: sergeev-yurok@mail.ru. Область научных интересов: компьютерное моделирование процесса волочения круглых изделий.
Kargin Vladimir Rodionovich, Sc.D., professor of the metal forming department, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). E-mail: vrkargin@mail.ru. Area of research: development of section and tubing production processes.
Kargin Boris Vladimirovich, candidate of science, lecturer of the metal forming department, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). E-mail: bkargin@mail.ru. Area of research: rolling and extrusion technology.
Kolesnikova Svetlana Yurievna, master student, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). E-mail: lana-kolesnikova@mail.ru. Area of research: computer simulation of the process of drawing round products.
Sergeev Yuri Alexandrovich, master student, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University). E-mail: sergeev-yurok@mail.ru. Area of research: computer simulation of the process of drawing round products.
