CC BY
50
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
351 p.
5. Physico-mathematical theory of material processing technology and mechanical engineering / Ed. F.V. Novikov and A.V. Yakimova. In the ten volumes. - T. 1. «Mechanics of Materials Cutting». - Odessa: OSPU, 2002. - 580 p.
6. Andilahay O.O. Mathe model viznachennya energoemnosti abrazivnoi' obrobki that drain ii zmen-shennya / O.O. Andilahay, I.V. Gershikov // News NTU «HPI». Zbirnik naukovyi Pracuj. Seriya: mathe modelyuvannya in tehnitsi that tehnologiyah. - H.: NTU «HPI». - 2012. - № 54 (960). -Р. 3-13.
7. The quality of the surface with diamond-abrasive machining / E.V. Ryzhov, A.A. Sagarda, V.B. Ilitsky, I.H. Chepovetsky. - K.: Science dumka, 1979. - 244 p.
Рецензент: А.А. Ищенко
д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 10.07.2013
УДК 621.73
Кухарь В.В.1, Суглобов Р.В.2, Каргин Б.С.3, Николенко Р.С.4, Мкртчян Е.А.5
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ОСАДКЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ КОНИЧЕСКИМИ ПЛИТАМИ
В статье приведены результаты моделирования процесса осадки заготовки коническими плитами методом конечных элементов. Определено напряжённо-деформированное состояние заготовки в зависимости от величины угла у основания конуса конических плит.
Ключевые слова: моделирование, заготовка, конусная плита, напряжённо-деформированное состояние.
Кухарь В.В., Суглобов Р.В., Каргин Б.С., Николенко Р.С., Мкртчян Е.А. Моделю-вання напружено-деформованого стану при осаджуванш цилтдричноИ заготовки кошчними плитами. У статт1 наведено результати моделювання процесу осаджування заготовки конусними плитами методом сюнчених елемент!в. Визна-чено напружено-деформований стан заготовки залежно в1д величини кута бтя ос-нови конуса котчних плит.
Ключовi слова: моделювання, заготовка, конусна плита, напружено-деформований стан.
V. V. Kuhar, R. V. Suglobov, B.S. Kargin, R.S. Nikolenko, E.A. Mkrtchan. Modeling of stress-strain state during upsetting of cylindrical billet by conical plates. The simulation of the process of forging upsetting of billets by the finite elements method is describes in the article. The stress-strain state of workpiece in depended from the range of angle near of the base of conical plates was determinate.
Keywords: The simulation, workpiece, conical plates, stress-strain state.
Постановка проблемы. В настоящее время разработано достаточно много способов предварительного профилирования заготовок перед последующей штамповкой или завершаю-
1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 ст. преп., ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
3 канд. техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
4 магистр, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
5 ассистент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
щими кузнечными операциями, предназначенных для минимизации объёма металла, удаляемого с облоем, или оптимизации формы заготовки. К одним из достаточно перспективных способов можно отнести процесс профилирования заготовок осадкой профильными плитами [1].
Анализ последних исследований и публикаций. Геометрия плит может быть различной: вогнутой или сферической формы [2-4], с отверстием [2, 3, 5], конической формы [6], выпуклой продолговатой [3, 7, 8]. Рассматривая и выбирая различную конфигурацию плит для предварительного профилирования заготовок перед штамповкой необходимо уделять внимание напряжённо-деформированному состоянию (НДС) металла в ходе процесса деформации, чтобы предупредить возникновение трещин и разрывов и выход из строя рабочего инструмента, исключить появление внутренних дефектов. Так в исследованиях [9] установлено влияние операции осадки плитами различной конфигурации на закрытие осевых дефектов слитков, а в работе [10] начаты исследования по моделированию НДС при осадке заготовок профильными выпуклыми плитами с эксцентриситетом нагрузки. Осадка заготовок коническими плитами может быть использована в качестве промежуточной операции при производстве поковок круглых в плане как в технологиях ковки, так и в процессах штамповки. Известно использование осадки коническими плитами в методах определения коэффициента контактного трения, когда в зависимости от угла конусности плит регулируют формоизменение боковой поверхности заготовки [3]. Достаточно близкими к процессам деформации коническими плитами являются технологии прошивки с идентичной формой концевой части прошивней, соответствующие начальным стадиям процесса осадки заготовок коническими плитами [4]. Рассматриваемые операции [5] так же используют для интенсификации процессов накопления деформаций и проработки металла поковок ответственного назначения. Однако существующие исследования таких процессов не в полной мере отражают формоизменение заготовок, а характер изменения НДС в процессах осадки коническим инструментом изучен не достаточно. В свою очередь закономерности изменения НДС по ходу осадки коническими плитами необходимы для выбора оптимальных режимов деформирования, исключающих нарушение сплошности заготовок и оценки проработки материала для повышения качества кованых поковок.
Целью настоящей работы является исследование напряжённо-деформированного состояния металла заготовки и силовых режимов при осадке коническими плитами с различным углом при основании конуса а (рис. 1).
-1-
\ |
I
I
I
Рис. 1 - Моделирование процесса осадки цилиндрической заготовки коническими плитами
Изложение основного материала. Теоретически и практически установлено, что варьируя угол конусности осадочных плит достигают равномерной деформации заготовки без боч-кообразования и эффекта вогнутости боковой поверхности, на чём базируются известные методы определения угла трения и оценки эффективности технологических смазок [11, 12]. Несмотря на рациональность замены операции осадки плоскими плитами на осадку коническим инструментом перед последующей обработкой, рассмотренные приёмы не получили широкого распространения из-за недостаточной изученности формоизменения и НДС.
Исследование проводили, используя пакет конечно-элементного анализа QForm. Объек-
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2013р. Серiя: Техшчш науки Вип. 26
ISSN 2225-6733
том моделирования был процесс осадки цилиндрических заготовок (рис. 1) с начальным диаметром D0 = 25 мм и D0 =50 мм и высотой H0= 50 мм (отношение H0/D0= 1,0 и Hо /Do= 2,0). Для удобства отслеживания изменений интенсивностей деформаций st и средних напряжений аср на различных участках заготовки с ростом величины угла у
основания конуса а = 12,5°, 15°, 17,5°, в компьютерной твердотельной модели выделяли характерные точки-маркеры (см. рис. 1), в которых проводили идентификацию НДС:
- точка № 1 - на контактной поверхности по оси симметрии плит (в плоскости максимального локального обжатия);
- точка № 2 - в центральной части заготовки на пересечении оси симметрии плит с горизонтальной осью симметрии заготовки;
- точка № 3 - на середине высоты боковой поверхности (по горизонтальной оси симметрии осаженной заготовки);
- точка № 4 - место контакта образующей боковой поверхности с осадочной плитой. При этом асропределяли как «ср = (< + <2 + <3)/3 или <ср = (<а + ар + ав)/3, где
«1,<2,<3 - главные напряжения, МПа; оа,о р,ов - напряжения в цилиндрических
координатах, МПа.
Материал заготовок - Сталь 45. Температурные условия принимали изотермическими, при этом температура деформации для Стали 45 - 1100 °С. Процесс осадки поводили до относительной степени обжатия sh = (Ah / H0) х 100 % = 50 %, где Ah □ величина хода инструмента (абсолютное обжатие), мм. Коэффициент контактного трения при деформации, согласно рекомендациям источника [12], принимали f = 0,32.
В результате моделирования получены картины распределения средних напряжения аср
и интенсивностей деформации в заготовках при различных степенях деформации Sh после осадки плитами с разными углами а при основании конуса. В качестве примера в табл. 1 приведены результаты моделирования в виде распределения <Уср и st по объёму заготовки, осаженной до конечной величины Sh = 50%.
Таблица 1
Результаты моделирования осадки заготовки (Н0 = 50 мм, D0 = 50 мм, Н0/00 = 1,0) коническими плитами до в11 = 50 % (Материал - Сталь 45, при t = 1100 °С)
Угол конусности
Аа = 12,5е
Аа = 15 е
Аа = 17,5е
л н с о н
вц иа сиам
нр
ео тф
не К ч
я
<ц КсЗ
SSE
ея, а а <р и g О
н
Аналогичным образом представлены результаты моделирования распределения и ст по объёму заготовок с изменением угла а у основания конуса для Н0/00 = 2,0 (табл. 2).
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2013р. Сер1я: Техн1чн1 науки Вип. 26
ISSN 2225-6733
Таблица 2
Результаты моделирования осадки заготовки (Н0 = 50 мм, D0 = 25 мм, Ц/О0 = 2,0) коническими плитами до 8)1 = 50 % (Материал - Сталь 45, при I = 1100°С)_
Угол конусности
Za = 12,5е
Za = 15 е
Za = 17,5 е
W
Л
н о «
х а S о X
(D
н X
К
к
Ü S а о
-е
(D
<ц S
s Я
я g
(D
Л Л
U g
д
На основании полученных данных построены графики (рис. 2), которые показывают распределение НДС в выбранных для анализа точках заготовки.
2,5 2 1,5
ш \
0,5 0
______ - ---ч>
□-----
------ ск-------
12
14
а/
16
18
12
уточка *точка Сточка
1 при H/D=l
2 при H/D=2 при 4 H/D=l
14 16
Оточка 1 при Н/й=2 Сточка 2 при Н/й=1 * точка 3 при Н/й=1 Ю точка 3 при Н/й=2 »точка 4 при Н/0=2
а
18
-12 -17 -22 с-27
ь.-32
и
°-37 -42 -47
■ — • •*— . . „
О-----
X— ^ ' *
лг " * '
ir. ^ - - — —
+точка 1 при Н/й=1 -Н-точка 2 при Н/Р=2 ^ точка при 4 Н/й=1
1-точка 1 при Н/й=2 (■точка 3 при Н/0=1 ■ точка 4 при Н/й=2
б
Сточка 2 при Н/й=1 Сточка 3 при Н/Р=2
Рис. 2 - Зависимости распределения интенсивностей деформаций si (а) и средних напряжений аср (б) в процессе осадки цилиндрической заготовки коническими
плитами от угла конусности
Анализируя графики зависимостей распределения средних напряжений (сср) и интенсивностей деформаций (е) от угла конусности выпуклых плит можно отметить, что с увеличением угла а у основания плит при Ц/О0 = 2,0 в точке 1 происходит возрастание интенсивности деформации, а при Н0/О0 = 1,0 изменение интенсивности деформации незначительно. На боковых поверхностях деформируемой цилиндрической заготовки (точка 3) возрастание величины угла а конусности осадочных плит приводит к изменению средних напряжения с максимумом в центре кривой при отношении Н0/О0 =1 и минимумом в центре кривой при Ц/Оо = 2 (см. рис. 3). Интенсивность деформации в точке 2 при Н0/О0 = 1 с увеличением угла а уменьшается, но остаётся большей, чем при Н0/О0 = 2. В точке 4 изменение интенсивности деформаций при увеличении угла а для отношений Н0/О0 = 1 и Ц/О0 = 2 незначительное.
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
По результатам моделирования проведён анализ энергосиловых параметров деформирования цилиндрической заготовки и построены графики зависимости силы осадки (Р) от угла а у основания конуса осадочных плит при различной относительной степени деформации от (рис. 3).
0,07
0,06
га
| 0,05 о.*
0,04
0,03
Рис. 3 - Графики зависимости силы осадки (Р) при различных углах (а) у основания конуса осадочных плит от относительной степени деформации (sh) для заготовок с отношением H0/D0 = 1,0 (а) и H0/D0 = 2,0 (б)
Анализируя данные графики (рис. 3) можно отметить обратную зависимость силы осадки (Р) от угла а у основания конуса. Увеличение угла а приводит к понижению силы осадки независимо от отношения H0/D0. Очевидно, что максимальная сила деформирования наблюдается для заготовок с H0/D0 = 2 при осадке до относительной степени деформации sh = 50 % с углом у основания конуса а = 12,5°.
Выводы
Таким образом установлено, что с увеличением угла а у основания конуса интенсивность деформации локализируется в осевой зоне заготовки, а с увеличением соотношения H0/D0 наблюдается перенос акцента значений параметров НДС от осевой зоны к контактной поверхности. Это приводит к эффекту вогнутости бокового пофиля образующей осаженного полуфабриката. Показано, что увеличение угла конусности сопровождается равномерным распределением средних напряжений по всей периферии заготовки.
Список используемых источников:
1. Гринкевич В.А. Бесштамповое профилирование на прессах с повышением точности формоизменения на окончательных операциях / В.А. Гринкевич, В.В. Кухарь, К.К. Диамантопуло // Кузнечно-штамповочное пр-во. Обраб. материалов давлением. - 2010. - №5. - С. 19-23.
2. Тарновский И.Я. Свободная ковка на прессах / И.Я. Тарновский, В.Н. Трубин, М.Г. Злат-кин. - М.: Машиностроение, 1967. - 328 с.
3. Ковка слитков на прессах / Л.Н. Соколов [и др.]; под ред. Л.Н. Соколова. - К.: Техшка, 1984. - 127 с.
4. Володин И.М. Сравнительный анализ традиционных и новых технологических процессов изготовления поковок с развитым фланцем / И.М. Володин, С.А. Бирюков // Удосконалення процешв та обладнання обробки тиском в металургп i машинобудуванш: зб. наук. пр. -Краматорськ, 2006. - С. 284-287.
5. Алieв 1С. Вплив геометричних параметрiв заготовки на утворення утяжини при осадщ диска на плит з отвором / 1.С. Алieв, O.G. Марков, С.В. Янчук та ш. // Удосконалення процешв та обладнання обробки тиском в металурги i машинобудуванш: зб. наук. пр. - Краматорськ, 2007. - С. 188-191.
6. Алиев И.С. Влияние операции выворота поковки коническими плитами на распределение деформаций / И.С. Алиев, О.Е. Марков, Я.Г. Жбанков, С.А. Близнюк // Обработка материа-
■0-а=12,5 л
■Оа=15 ''Л
■А-а=17,5 ^^^ »» Г <» >
г'^ г
»» '
0
35
40
45
30
35 40
б
45
£h,%
а
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
лов давлением: сб. науч. тр. - Краматорск: ДГМА, 2010. - №3 (24). - С. 64-68.
7. Иванушкин П.Ф. Рациональные методы ковки толстых пластин / П.Ф. Иванушкин, Н.Т. Костюченко // Обработка металлов давлением: сб. науч. тр. - М.: Металлургия, 1969. -Вып. XVIII. - C. 178-183.
8. Пат. 44484 Украша, МПК(2009) В 21 К 1/00, В 21 J 5/00. Споаб штампування поковок пластин / В В. Кухар, В.А. Бурко, О.О. Лаврентк, А.В. Дубшша. - № 200902832; заявл. 26.03.2009; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 19. - 5 с.:ш.
9. Марков О.Е. Влияние операций осадки на закрытие осевых дефектов слитков / О.Е. Марков // Кузнечно-штамповочное пр-во. Обраб. материалов давлением. - 2012. - №6. - С. 20-25.
10. Кухарь В. В. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовок при профилировании выпуклыми плитами с эксцентриситетом нагрузки / В.В. Кухарь, Р.С. Николенко // Проблеми трибологп (Problems of Tribology). - 2012. - № 3. - С. 132-136.
11. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением / Н.П. Громов. - М.: Металлургия. 1967. - 340 с.
12. Грудев А.П. Трение и смазки при обработке металлов давлением: справочник / А.П. Грудев, Ю. В. Зильберг, В.Т. Тилик. - М.: Металлургия, 1982. - 312 с.
Bibliography:
1. V.A. Grinkevich. Dieless profiling by press with rise of exactness of form changing during the finished modes / V.A. Grinkevich, V.V. Kukhar', K.K. Diamantopulo // Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. Obrab. materialov davleniem. - 2010. - № 5. - P. 19-23. (Rus.)
2. I.Ya. Tarnovskij. Free Forging by Presses / I.Ya. Tarnovskij, V.N. Trubin, M.G. Zlatkin. - M.: Mashinostroenie, 1967. - 328 p. (Rus.)
3. Forging of ingots by presses / L.N. Sokolov [i dr.]; pod red. L.N. Sokolova. - K.: Tekhnika, 1984. -127 p. (Rus.)
4. I.M. Volodin. Comparable analyze of traditional and new technologic processes of producing of forging-parts with developed flange / I.M. Volodin, S.A. Birukov // Sovershenstvovanie protsessov i oborudovaniya obrabotki davleniem v metallurgii i mashinostroenii: sb. nauch. tr. - Kramatorsk, 2006. - P. 284-287. (Rus.)
5. I.S. Aliev. Infuence of geometrical parameters of the workpiece on the creating of heavier defect during upsetting of the disk on the plate with opening / I.S. Aliev, O.E. Markov, S.V. Yanchuk i dr. // sovershenstvovanie protsessov i oborudovaniya obrabotki davleniem v metallurgii i mashinostroenii: sb. nauch. tr. - Kramatorsk, 2007. - P. 188-191. (Ukr.)
6. I.S. Aliev. Influence of operation of seamy side forging by conical plates on the distribution of deformation / I.S. Aliev, O.E. Markov, Ya.G. Zhbankov, S.A. Bliznyuk // Obrabotka materialov davleniem: sb.nauch.tr. - Kramatorsk: DGMA, 2010. - №3 (24). - P. 64-68. (Rus.)
7. P.F. Ivanushkin. Rational methods of forging of thick plates / P.F. Ivanushkin, N.T. Kostyuchenko // Obrabotka metallov davleniem: sb. nauch. tr. - M.: Metallurgiya, 1969. - Vyp. XVIII. - P. 178-183. (Rus.)
8. Pat. 44484 Ukraine, MPK (2009) B 21 K 1/00, B 21 J 5/00. Method of die-forging of plates forging parts / V.V. Kukhar', V.A. Burko, O.O. Lavrentik, A.V. Dubinina. - № 200902832; zayav. 26.03.2009; opubl. 12.10. 2009, Byul. № 19. - 5 p.: il. (Ukr.)
9. O.E. Markov. Influence of forging upsetting mode of the closing of axe defect of ingots // Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. Obrab. materialov davleniem. - 2012. - №6. - P. 20-25. (Rus.)
10. V.V. Kukhar'. Researching of stress-deformed state of billets during profiling by convex plates with excentrical force attaching / V.V. Kukhar', R.S. Nikolenko // Problemi tribologii (Problems of Tribology). - 2012. - № 3. - P. 132-136. (Rus.)
11. N.P. Gromov. Theory of metal forming by pressure / N.P. Gromov. - M.: Metallurgiya. 1967. -340 p. (Rus.)
12. A.P. Grudev. Friction and lubricants in metal forming by pressure: reference book / A.P. Grudev, Yu.V. Zil'berg, V.T. Tilik. - M.: Metallurgiya, 1982. - 312 p. (Rus.)
Рецензент: В.В. Суглобов
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ» Статья поступила 28.01.2013
