CC BY
9
Volodin Alexander Igorevich, candidate of technical sciences, docent, alex-wolodin@yandex. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Biktimirova Guzel Fanisovna, candidate of technical sciences, leading specialist, bgf76@mail.ru, Russia, Khimki, JSC «NPO Energomash»
УДК 621.7.043
АНАЛИЗ ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ВЫТЯЖКЕ-ОТБОРТОВКЕ
КОЛЬЦЕВОЙ ОБЕЧАЙКИ
Я.А. Вилимок
Проводится анализ течения металла при вытяжке-отбортовке кольцевой обечайки, рассматривается напряженно-деформированное состояние кольцевой заготовки.
Ключевые слова: обечайка, вытяжка, отбортовка, напряжение, напряженно-деформированное состояние.
К важнейшим факторам, влияющим на пластические свойства металлов и сплавов, относится схема напряженного состояния. Пластичность металлов тем больше, чем большую роль в схеме главных напряжений играют сжимающие напряжения. Переход к объемной схеме всестороннего неравномерного сжатия значительно облегчает условия деформации и создает возможность для деформирования таким металлам и сплавам, которые при деформации по другим схемам разрушаются.
В зависимости от условий нагружения заготовки в различных операциях схема напряженного состояния и знаки напряжений ор и ое в очаге деформации могут быть различными. В операциях вытяжки и отбортовки напряжения ор - растягивающие, а напряжения ое - сжимающие в операциях вытяжки, и растягивающие в операциях отбортовки. Таким образом, в операциях вытяжки схемы напряженного состояния разноименные, а в операциях отбортовки - одноименные.
Рассмотрим процесс, получения тороидальной формы кольцевой обейчайки как совместное протекание двух процессов вытяжки и отбортовки.
На рис. 1 представлена штамповая оснастка, а также схема вытяж-ки-отбортовки кольцевой обечайки с прижимами.
В начальной стадии деформирования пуансон 1, оказывая давление на срединную часть заготовки 2, сориентированной с помощью фиксатора 3, вызывает ее прогиб, так как усилия, действующие со стороны пуансона 1 и матрицы 4, смещены в радиальном направлении и образуют изгибающий момент. По мере перемещения пуансона 1 вниз, под действием удельной силы P заготовка начинает изменять свою форму, плотно прилегая,
371
с одной стороны к верхним радиусам матрицы 4, а с другой стороны - к центральной части радиуса пуансона 1. При дальнейшем перемещении пуансона 1 вниз, заготовка начинает втягиваться в матрицу 4, при этом Действие меридиональных растягивающих напряжений <тр приводит к тому, что во фланце в тангенциальном направлении возникают сжимающие напряжения <Тд. Для устранения возможного складкообразования используют прижим 5, который предупреждает начало образования складок. Сила Q\ должна быть достаточной для устранения складок. Однако, если Q\ будет завышенным, то перемещение наружного фланца может остановиться, а внутренний фланец либо оборвется, либо получит радиальные трещины.
Внутренний фланец при формовке будет перемещаться одновременно с наружным, но при этом он будет увеличиваться в размере и в нем возникнут тангенциальные силы растяжения. В этом случае фланец начинает либо утоняться, либо растрескиваться. При этом, казалось бы, прижим 6 с силой Q2 не нужен, но без этого прижима под действием растягивающих радиальных сил на радиусе матрицы 4 внутренний фланец займет наклонное, полувертикальное положение и легко будет втягиваться в матрицу 4, что приведет к кособоким обечайкам. Поэтому сила прижима Q2 должна быть достаточной, чтобы фланец занимал горизонтальное положение и не обрывался.
Деформация кольцевой заготовки начинается с приложения силы Р пуансона к средней линии заготовки, которая прижата к зеркалу матрицы прижимом. Затем заготовка начинает прогибаться под действием этой силы со скоростью V\. При этом в ней начинают возникать напряжения и деформации. Рассмотрим стадию формовки, когда практически вся оболочка находится в состоянии пластической деформации.
Рис. 1. Штамповал оснастка и схема еытяжки-отбортоеки
обечайки с прижимами
Деформируемую заготовку при формовке можно разделить на шесть характерных участков, называемых блоками (рис. 2). Рассмотрим в каждом блоке отдельно напряженное и деформируемое состояния, которые теоретически можно описать формулами, предложенными в книге Е.А. Попова [1].
Все эти блоки можно разбить на две группы: 1. Блоки с плосконапряженным и объемно-деформированным состояниями (внешний и внутренний фланцы обечайки); 2. Блоки, в которых добавляются изгибающие моменты, приводящие к дополнительным растягивающим и сжимающим напряжениям и деформациям.
Рис. 2. Напряженное и деформированное состояния в корпусе кольцевой обечайки
Блок 1 - наружный фланец в виде кольца. Напряженное состояние характеризуется растягивающими радиальными напряжениями ог, сжимающими тангенциальными о© и на него действует прижим, давление которого q = Q1IF1, где ^ - текущее значение площади кольца фланца. При таком распределении напряжений деформированное состояние будет аналогично напряженному, т.е. в этом кольце действует радиальная растягива-
ющая деформация ег, тангенциальная сжимающая - е®, при этом фланец неравномерно утолщается, что показано вектором деформации е2. На контактных поверхностях заготовки с прижимом и с матрицей действуют силы трения тк, которые увеличивают растягивающие радиальные напряжения.
Блок 2 - торообразный изгиб наружного фланца на радиусе матрицы. Напряженное состояние соответствуют картине действия напряжений в предыдущем блоке с добавлением изгибающих моментов М, при этом по отношению к нейтральной пунктирной линии по толщине оболочки появляются дополнительные растягивающие напряжения отмеченные знаком « + » в верхней части слоя оболочки и дополнительным сжимающим напряжением со знаком «-» в нижней ее части. При этом деформированное состояние также аналогично напряженному, за исключением е2, которое, в отличие от фланцевой деформации, приводит к утонению по толщине оболочки. При этом на радиусе матриц действует сила сопротивления от трения тк.
Блок 3 - изгиб оболочки при формировании торообразной фигуры обечайки. Напряженное состояние по-прежнему характеризуется радиальными растягивающими напряжениями ог и слабыми тангенциальными напряжениями о®, колеблющимися около нулевого значения в сторону сжатия или растяжения. В этой части оболочки также возникают изгибающие моменты М теперь уже с растяжение внизу и сжатием вверху по толщине, а на пуансоне действуют сила активная сила трения тк, снижающая радиальное напряжение растяжения ог. В этом случае деформированное состояние аналогично основным деформациям в блоке 2, за исключением дополнительных деформаций по толщине, которые меняются на противоположные и характеризуются сжатием в верхних слоях (-) и растяжением (+) в нижних.
Следующие блоки 4,5,6 по сравнению с тремя предыдущими характеризуются тем, что тангенциальное напряжения о® во всех трех блоках становятся растягивающими, а напряжение ог по-прежнему во всех 3-х блоках сохраняет свойство растяжения. Изгибающие моменты на радиусе пуансона и матриц сохраняют свои знаки, соответственно как во 2-ом и 3-ем блоке, хотя направление деформаций меняется. Оболочка на всех трех участках (4, 5, 6) претерпевает утонение с деформацией е2. Это утонение достигает своего максимума на 6-ом участке, который ближе к кромке внутреннего фланца, причем тангенциальное напряжение о® в обечайке возрастает до предельного значения. В блоках 4, 5 и 6 действуют силы трения тк, которые в блоке 5 и 6 являются силами сопротивления, а в блоке 5 выступают как силы активного трения, способствующие в большей степени снижению действия растягивающего напряжения ог.
Деформированное состояние на данном этапе можно оценить только по знакам растяжения или сжатия.
Учитывая, что наибольшее растягивающее напряжение при вытяжке достигается после полного охвата заготовкой кромки матрицы и, рассмотрев влияющие факторы, получим:
°ртах = <7, ( (+ + ^ + + (1)
Воспользовавшись формулой (1) для расчета <тртах можно получить значение потребной силы деформирования Ртах = лс1И5<Тртах.
(2)
При аналогичной последовательности решения рассматриваемой задачи с учетом контактного трения, изгибов на матрице и пуансоне и упрочнения получим формулу для определения максимальных растягивающих напряжений отбортовки:
4>ш
&ртах
<ГТ5 (Ттв
4Гп+25 4Гм+25
(1 + /ш). (3)
Формула для определения силы отбортовки имеет вид:
Ртах 7ГС?и5б7ртах5Ш(Х, (4)
где а - угол между касательной к срединной поверхности заготовки на границе очага пластической деформации и перпендикуляром к оси симметрии (угол охвата заготовкой скругленной кромки матрицы).
Используя формулы по определению параметра <тртах для операций вытяжи без утонения (1) и отбортовки (3) с учетом сил трения на кромке матрицы и на поверхностях фланца, возникающие от действия прижима, влияния изгибов припереходе из фланза на кромку матрицы и на поверхность пуансона, а также упрочнение металла, можно получить формулу расчета <тртах для операции вытяжка-отбортовка. Полученная формула имеет вид:
4>ш
&ртах ^в
7ГЙ5<7„ 2Гп + 5 4Гм + 25
(1 + /ж). (5)
Использование формулы (5) позволяет рассчитать потребную силу формовки стальной кольцевой обечайки.
^тах 7г(с?в "Ь & от) ртах > (6)
где с1в и с1от - соответственно средние диаметры вытяжной и отбортовоч-ной частей.
В ходе выполнения работы рассмотрены операции вытяжки и отбортовки при изготовлении кольцевых обечаек с торообразным профилем, оценено действие радиальных и тангенциальных напряжений, получены формулы для определения максимальных растягивающих напряжений операций вытяжки и отбортовки, а также формулы для определения потребной силы деформирования.
Список литературы
1. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки: учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1977. 278 с.
Вилимок Ярослав Александрович, магистрант, vilimokya@yahoo. com, Россия, Тула, Тульский Государственный Университет
ANALYSIS OF METAL FLOW DURING EXTRACTION AND FLANGING
OF THE RING SHELL
Y.A. Vilimok
The analysis of the metal flow during drawing and flanging of the ring shell is carried out the stress-strain state of the ring blank is considered.
Key words: shell, hood, flanging, stress, stress-strain state.
Vilimok Yaroslav Aleksandrovich, undergraduate, vilimokya@yahoo.com, Russia, Tula, Tula State University
