CC BY
10
УДК 621.983
ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ОБЛАСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МНОГОПЕРЕХОДНОЙ ПОЛУГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ ВЫДАВЛИВАНИЕМ
В.М. Лялин, Р.А. Сидоров, С.М. Зыков
Предложен способ дискретизации области пластической деформации при исследовании осесимметричной операции многопереходной полугорячей штамповки выдавливанием с учетом изменения положения узловых точек дискретного поля в процессе деформирования.
Ключевые слова: дискретизация, полугорячая штамповка выдавливанием, осе-симметричное формоизменение, дискретное поле.
Полугорячая штамповка выдавливанием - осесимметричная операция обработки металлов давлением с предварительным нагревом исходной заготовки, позволяющая изготавливать детали, механические характеристики материала, форма, размеры и качество поверхности которых удовлетворяют жестким требованиям, предъявляемым к изделиям ответственного назначения. Операция реализуется как в один, так и в несколько переходов.
Для внедрения полугорячей штамповки выдавливанием в технологический процесс изготовления той или иной детали требуется первоначальное прогнозирование возможности ее реализации, что предполагает теоретическое исследование осесиммет-ричной операции, включающее математическое описание и последующее имитационное моделирование. Современные подходы, позволяющие анализировать осесиммет-ричные операции формоизменения в качестве первоначального шага решения поставленной задачи включают дискретизацию области пластической деформации (формирование дискретного поля), т.е. ее разделение на определенное количество дискретных элементов, для каждого из которых определяются свои характеристики, изменяющиеся в процессе деформирования (кинематические, деформационные). Количество элементов определяется необходимой точностью расчета.
В настоящее время многие из указанных подходов при анализе сложных операций, включающих несколько переходов деформирования, предполагают формирование дискретного поля единожды и его использование для проведения расчетов на каждом из переходов, что приводит к возникновению значительных погрешностей в результатах [1].
Разработан способ дискретизации области пластической деформации при исследовании многопереходной операции полугорячей штамповки выдавливанием, позволяющий учитывать изменение дискретного поля на операционных переходах. Рассмотрим его на примере двухпереходной полугорячей штамповки выдавливанием (рис. 1).
Суть предлагаемого способа дискретизации области пластической деформации состоит в следующем.
1) Перед теоретическим исследованием первого перехода операции полугорячей штамповки выдавливанием строится начальное расчетное поле, накладываемое на область пластической деформации на переходе в плоскости г02 (рис. 2), формируемое двумя семействами прямых строго ортогональных и сонаправленных с соответствующими осями координат:
г = а +I - Аг, Аг > 0, г = Ь + ] -Аг, Аг > 0, где а и Ь - произвольны; Аг и - размеры ячеек; 1, ] - количество узловых точек.
Рис. 1. Пример схемы двухпереходной полугорячей штамповки выдавливанием: а - первый переход; б - второй переход; 1 - пуансон; 2 - полуфабрикат первого перехода; 3 - матрица; 4 - заготовка; 5 - изделие; 6 - пуансон на втором переходе
Прямые пересекаются в точках и делят плоскость на одинаковые прямоугольные или квадратные ячейки со сторонами Дг и Дг [2] (рис. 2).
Рис. 2. Схема начального расчетного поля для анализа первого перехода полугорячей штамповки выдавливанием: 1 - пуансон; 2 - матрица;
3 - заготовка; Яп - радиус пуансона; Ям -радиус матрицы;
Уо - скорость перемещения инструмента
2) После определения силовых, деформационных и кинематических характеристик на первом переходе операции двухпереходной полугорячей штамповки выдавливанием с использованием полученных перемещений узловых точек в осевом (02) и радиальном (0г) направлениях строится экспериментальное дискретное поле.
3) По аналогичному принципу построения начального расчетного поля, приведенному в п.1, строится новое расчетное поле, накладываемое на область пластической деформации на втором переходе полугорячей штамповки выдавливанием.
4) Производится наложение нового расчетного поля на экспериментальное, причем те точки, которые не попали в область пластической деформации сразу отбрасываются (рис. 3).
Рис. 3. Пример схемы наложения расчетного дискретного поля на экспериментальное поле
5) Далее выбирается точка А в расчетном дискретном поле второго перехода полугорячей штамповки выдавливанием и определяются 4 ближайшие к ней точки из экспериментального поля. Из рис. 4, видно, что невозможно сразу определить все четыре точки, так как, вектора 1, 3, 4 определяются однозначно, а 2-й вектор может быть ложным (рис. 4). Поэтому, зная вектора 1, 3, 4, определяется направление второго.
Рис. 4. Схема определения четырех ближайших точек экспериментального дискретного поля к точке А в расчетном поле второго перехода полугорячей штамповки выдавливанием
6) Точки окончания векторов соединяют между собой так, чтобы получились отрезки 12, 34, 14, 32 (рис. 5).
Рис. 5. Точка А расчетного дискретного поля второго перехода полугорячей штамповки выдавливанием внутри ячейки 1234 экспериментального дискретного поля
376
7) Каждый из отрезков 14 и 23 делится на N1 равных частей (количество которых определяет точность расчета). Концы полученных таким образом частей отрезка 14 соединяют с аналогичными по расположению концами частей отрезка 23 (рис. 6). Подобные действия осуществляют и с отрезками 12 и 43, каждый из которых делят на N 2 равных частей.
Рис. 6. Ячейка 1234 экспериментального дискретного поля
8) Определяется точка А' получившейся плоскости (рис.6), ближайшая к известной точке А, путем построения двух семейств прямых у = £ (14_ 32)х + ¿(14-32) ,
У = к (12 _34) X + Ь (12 _ 34), определения координат точек пересечения данных прямых
и их сравнения с координатами точки А (рис. 7). Определяются отрезки п'1-т и п'2-ш, на пересечении которых расположена точка А'.
Рис. 7. Расчетная схема для определения ключевых параметров в точке А расчетного дискретного поля второго перехода полугорячей штамповки выдавливанием
9) Зная значение того или иного параметра (кинематического, деформационного) в точках 1, 2, 3, 4 можно определить его значение в точке А', а следовательно в точке А, принимая данные точки совпадающими. Например, значение скорости (V) в точке А:
V!
V 3 _ V 4
3
П 2
Ы2 1
+
V3. V2 :
V2 _ V1 1п2
N2 2
377
+
V1,
V 2' V = —
V п 2 А
N1 shag 3
+
V1,
где v1 , v2 — значения скоростей соответственно в точках n2 и n2; v1, v2, v3, v4 _ значения скоростей соответственно в точках 1, 2, 3, 4;
I
shag1 = -j^4, shag2 = lp shag3 = ^^; l34, l21 n2n2, 3n2, ln2, n2A -
длины отрезков.
10) Далее последовательность действий по п. 5...9 повторяется относительно следующей точки на расчетном поле второго перехода полугорячей штамповки выдавливанием.
Расчет заканчивается после рассмотрения всех узловых точек расчетного дискретного поля второго перехода полугорячей штамповки выдавливанием.
В случае, когда анализируемая операция реализуется в 3 и более переходов, повторяется последовательность действий по п. 2.. .10 (начиная с 3 перехода).
Предложенный способ дискретизации позволяет повысить корректность результатов теоретического исследования многопереходной полугорячей штамповки выдавливанием, а также может быть использован при исследовании других осесиммет-ричных операций обработки металлов давлением, реализуемых в несколько переходов.
Список литературы
1. Сидоров Д. А. Методы дискретизации в задачах математического моделирования систем. Электротехнические и информационные комплексы и системы [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-diskretizatsii-v-zadachah-matematicheskogo-modelirovaniya-sistem/viewer (дата обращения: 10.02.2020).
2. Лялин В.М., Петров В.И., Журавлев Г.М. Основы технологии объемной и листовой полугорячей штамповки. Тула: ТулГУ, 2002. 160 с.
Лялин Виктор Михайлович, д-р техн. наук, профессор, sidom98amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сидоров Роман Александрович, студент, sidom98@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зыков Станислав Михайлович, ведущий инженер-исследователь, sidom98amail.ru, Россия, Тула, АО «КБП»
DISCRETIZA TION OF THE AREA OF PLASTIC DEFORMA TION IN THE STUDY OF MULTI-PASS SEMI-HOT STAMPING BY EXTRUSION
V.M. Lyalin, R.A. Sidorov, S.M. Zykov
A method for sampling the area of plastic deformation in the study of the axisymmet-ric operation of multi-pass semi-hot stamping by extrusion, taking into account the change in the position of the nodal points of the discrete field during deformation, is proposed.
Key words: sampling, semi-hot stamping by extrusion, axisymmetric shaping, discrete field.
Lyalin Viktor Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, sidom98a mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sidorov Roman Alexandrovich, student, sidom98a mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zykov Stanislav Michaylovich, leading research engineer, sidom98@mail. ru, Russia, Tula, «JSC KBP»
УДК 620.18:621.791.07
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЯМОШОВНОЙ ЭЛЕКТРОСВАРНОЙ ТРУБЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАЛЛОНОВ УГЛЕКИСЛОТНЫХ ОГНЕТУШИТЕЛЕЙ
Г.Д. Петрушин, Г.В. Маркова, А.Г. Петрушина, С.А. Федулов
Предложено использовать прямошовную сварную трубу из низкоуглеродистой стали 20, полученную из листового проката стыковой сваркой кромок полосы при высокочастотном нагреве, в качестве материала трубных заготовок для изготовления баллонов для хранения углекислоты в огнетушителях. В результате проведенной инженерно-технической экспертизы установлено, что трансформация микроструктуры стали в зоне термического влияния сварного соединения соответствует изменению температурного поля от нагретых кромок полосы при индукционной сварке трубной заготовки. Результаты механических испытаний свидетельствуют о равнопрочности основного металла и сварного соединения, которое подвергалось высокотемпературному нагреву и пластической деформации обжатием трубной заготовки при изготовлении баллона.
Ключевые слова: баллон, микроструктура, сварное соединение, микротвердость, зона термического влияния, пластическая деформация.
Баллоны- корпуса углекислотных огнетушителей относятся к ответственным конструкциям. Технические требования, основные параметры и методы испытаний для таких конструкций регламентируются действующим на территории РФ Техническим регламентом таможенного союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (ТР ТС 032/2013).
Для изготовления баллонов огнетушителей, работающих под давлением до 250 кгс/см2, используется в основном бесшовная горячедеформированная труба нужного диаметра и толщины стенок в соответствии с ГОСТ 8732-78 [1]. Технология изготовления баллона включает в себя закатку разогретых концов трубной заготовки формообразующим инструментом. При таком способе изготовления баллонов следует принимать во внимание значительную разностенность бесшовной трубы, возникающую при ее раскатке из полой заготовки, а именно, толщина стенки с одной стороны трубы может превышать номинальную вплоть до значения максимального плюсового допуска (до + 12,5 %), а с противоположной стороны - быть меньше номинальной вплоть до максимального значения минусового допуска (до -15 %) [1]. Вследствие этого при закатке такой трубы возникают технологические сложности, связанные с неуравновешенностью масс вращающегося разогретого конца трубной заготовки, что приводит к нестабильности технологического процесса закатки, а также повышенному износу деформирующего инструмента. Помимо этого баллоны из такой трубы получаются переутяжеленными за счет наличия избыточного металла на стенке с плюсовым допуском, тогда как гарантированное обеспечение прочности баллона рассчитывается при минимальной толщине стенки, которая на 15 % меньше номинальной.
На предприятии ООО «Производственный комплекс «РИФ» для изготовления баллонов, работающих под давлением до 250 кгс/см2, предназначенных для хранения углекислоты в огнетушителях, используется прямошовная сварная труба, полученная из листового проката стыковой сваркой кромок полосы [2]. Для получения продольного шва применяется высокочастотная сварка, для которой не требуются
