Экспериментальные исследования внеконтактной деформации при раскатке труб Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.7.04

Хейн Вин Зо

ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского»

Россия, Москва1

Докторант кафедры Технология Производства Летательных Аппаратов «ТПЛА»

Кандидат технических наук E-Mail: [email protected]

Экспериментальные исследования внеконтактной деформации при раскатке труб

Аннотация: При изготовлении трубопроводов используются различные

технологические операции: раздача, обжим, гибка и др. Наибольшее распространение при изготовлении различных соединительных элементов нашел процесс раздачи (и развальцовки) концевых участков труб.

В связи с применением высокопрочных и молопластичных материалов, эти традиционные технологии не позволяют получить качественные детали, а также имеют низкую экономическую эффективность. Поэтому исследования в этом направлении являются актуальными.

При изготовлении ряда трубчатых деталей, применение процесса раскатки для получения раструбов на концевых участках более предпочтительно (чем, например, применение раздачи, развальцовки и др.) с точки зрения достижения больших степеней формоизменения в результате повышения пластических свойств материала заготовки под действием сжимающих напряжений.

В данной статье рассмотрены экспериментальные результаты внеконтактной деформации при раскатке труб.

Ключевые слова: Целью проведенных исследований было установление величины внеконтатной деформации заготовки.

Идентификационный номер статьи в журнале 87ТУЫ114

121552 г.Москва, ул.Оршанская, д.3

Hein Win Zaw

«MATI - Russian State Technological University named after K.E. Tsiolkovsky»

Moscow, Russia E-Mail: [email protected]

Experimental studies of non-contact strain on rotary pipe expansion

Abstract: In the manufacture of pipes there were used various technological operations: distribution, crimping, bending, etc. The most widely used during manufacture of various connecting elements are expanding process (and crimping) process of pipe end parts.

In connection with the use of high-strength materials and less plastic, these traditional technologies do not allow to get quality parts, and also have low economic efficiency. Therefore, research in this field is relevant.

In the manufacture of a number of tubular parts, the application process rolling for sockets on the end portions more preferably (than, for example, the use of a hand, flaring, etc.) in terms of achieving high degrees of forming as a result of increase of the plastic properties of the work-piece material under the influence compressive stresses.

This article describes the experimental results of non-contact deformation during pipe expansion.

Keywords: The aim of the research was to determine the magnitude of deformation of the workpiece contact regime.

Identification number of article 87TVN114

***

Процесс деформирования заключается в следующем. Исходную трубчатую заготовку I (рис. 2) помещают в зазор между оправкой 2 и давильным роликом 3. Под действием усилия Р стенка заготовки сжимается, а вращающаяся оправка 2 обеспечивает бесцентровое вращение заготовки I. По мере утонения стенки заготовки в очаге деформации 4 диаметр заготовки увеличивается[ 1].

Рис. 1. Детали, получаемые раскаткой труб: а)-б) - с конусообразным раструбом;

в) - с цилиндрическим раструбом

Работа внешних сил равна:

Авнеш Ар+Ам (1)

где Ар- работа, связанная с утонением стенки под действием силы Р; Ам - работа, связанная с вращением заготовки моментом М.

Подставив в уравнение (1) соответствующие силы п перемещения за один оборот детали, получим:

Айш = РА+мр (2)

где А s - величина утонения стенки заготовки за один оборот детали; р - угол поворота оправки за один оборот детали.

Рис. 2. Схема процесса раскатки: 1 - заготовка; 2 - приводная оправка;

3 - давильная оправка; 4 - очаг деформации

Работа внутренних сил равна

Анут = , (3)

V

где а8 - напряжение текучести; е, - интенсивность деформаций; V - объем

продеформированного металла.

Для одного оборота детали уравнение запишется в следующем виде (через средние подынтегральные величины):

Анут =&8 Аег 2Ш (4)

где Де. - приращение интенсивности деформации за один оборот детали; I - длина очага деформации; Ш, 5 - текущие значения радиуса и толщины стенки в очаге деформации. Приравняв работу внешних и внутренних сил, получим:

РД + Ыф = авДе 2яШ5 (5)

Выражение (5) содержит два неизвестных параметра Р и М.

Рис. 3. Схема перспективного процесса раскатки труб с подпором кромки заготовки: 1 - ведущая оправка; 2 - ведомая давильная оправка; 3 - деформируемая заготовка

Пренебрегая внеконтактной деформацией на коническом участке, определим усилие Р со стороны давильного ролика (рис. 3) в предположении его пропорциональности проекции площади контакта:

P = vSF (6)

где F - проекция площади контакта, расположенная перпендикулярно действию радиального усилия Р.

Известно, что определение площади контакта давильного инструмента с заготовкой зависит от действия многих факторов и представляет собой сложную задачу, поэтому найдем площадь приближенно.

Если принять, что размеры вращающейся оправки Гоп и давильного ролика Гр (рис. 3) соизмеримы друг с другом, т.е. Гоп « Гр, а радиус вращающейся заготовки Я значительно больше, то проекция ширины зоны контакта И можно определить по формуле.

И = * ГР -[Гр-у) (7)

Разницу размеров Гоп и Гр можно учесть через их среднее значение Гср=(Гоп + Гр)/2, тогда

И =

г2 -[Гр -уї (8)

В результате получим:

р = а,Ы (9)

Величину крутящего момента найдем из уравнения (5):

, , с5 Дег 2жЯ15 - с5И1Д5

Ы = ——---------------------------------------------------5-- (10)

ф

Тангенциальное усилие Рв (рис. 3) определим по зависимости

Рв=Ы (11)

Г

оп

Таким образом, определены основные выражения для расчета силовых параметров процесса.

Для создания компьютерной модели с графическим отражением динамической схемы процесса раскатки была разработана кинематическая модель процесса и определена общая последовательность расчета.

В начале задают исходные данные: геометрические параметры заготовки Яо, 5о, длину очага деформации I, требуемый радиус получаемой детали Як, радиусы оправки Гоп и давильного ролика Гр, скорость вращения оправки п, время обработки о свойства материала в виде коэффициентов линейной аппроксимации кривой упрочнения ато и П.

Затем в указанной последовательности определяют: конечные деформации - окружные ев, меридиональные ем (экспериментально) и деформации по толщине еп:

£в =1п( К / $>); єт = о,1ев;

Єп = -Єв - Єш

(12)

конечную толщину детали 5к на радиус Як:

5К = 5оехр( е„)

число оборотов оправки Ыоп и детали Ыд за время обработки ^:

N. = П~±:

N —

60 2 Ыгг

0 оп .

утонение стенки заготовки за один оборот детали:

А? =

Ыд

приращение деформаций и времени обработки на один оборот детали:

Ае„ = 1п|

А^г =-А^и;

Л 60

Аґ = — п

{

V Гоп J

накопленные деформации и время обработки:

е = е + Де;

еп = -е; е = — е„ /1,1;

ґ — ґ + Аґ

изменение напряжения текучести:

с =с +Пе;

5 то П

текущий радиус получаемой детали Я и толщину стенки 5;

Я = Яоехр(ев);

5 = 5 - Д?;

объем материала в очаге деформации:

V = 2лЯ51;

работу внутренних сил за один оборот детали:

Авнут =с5 ДеУ;

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

>

>

>

необходимое усилие давильного ролика

Р = ;

где Кі - коэффициент запаса, Кі = 1,3+1,5; работу внешней силы Р за один оборот заготовки:

АР = РЛу;

работу внешнего момента Ам за один оборот заготовки: величину момента М на оправке:

(25)

А — А — А ■

Ам Авнут АР;

где (р = -

2лК

М = Ам; <Р

(26)

(27)

(28)

тангенциальное усилие:

Р = м .

Р а .

(29)

необходимую мощность на оправке:

Ж = К

где К2 - коэффициент запаса, К2 = 1,5 ^2,0.

(30)

Расчет по формулам (16)-(30) повторяется до тех пор, пока значение текущего радиуса Я не достигает своей предельной величины Як время обработки t - соответственно значения 1о , а число оборотов детали - ~Ыд.

Компьютерная модель процесса, составленная на языке Си++, помимо приведенной расчетной части, содержит статическую и динамическую схемы деформирования, меню ввода исходных данных, подпрограммы вывода числовой и графической информации, банк данных по основным механическим свойствам материала заготовок и головную программу управления.

Внеконтактную деформацию при раскатке труб чеи детали, показаны на рис. 2, определяли с помощью тензометрических датчиков с базой 5 мм, которые приклеивали на наружную и внутреннюю поверхности кольцевой заготовки согласно схемы, изображенной на рис. 4 [2,3 и 4]. Величина относительной деформации заготовки в зоне датчика замерялась автоматическим измерителем деформации АИД-4 (рис. 5). Целью проведенных исследований было установление величины внеконтатной деформации заготовки перед входными давильными оправками(рис. 5). В ряде случаев использовалась заготовка из полосы.

г

оп

г

оп

Рис. 4. Схема наклейки датчиков и перемещения заготовки при замере

внеконтактной деформации

Рис. 5. Общий вид измерителя деформаций АИД-4

Результаты экспериментов даны в табл. 1 при погонном деформирующем усилии 50-80 кг/мм.

Таблица 1

Относительная величина внеконтактной деформации при раскатке

№ п/п Марка материала Размеры заготовки, мм Относительная величина внеконтактной деформации, % Примечание

1 Д16Т 0 30х1,5 мм -0,1 внешняя поверхность

2 Д16Т 0 30х1,5 мм -0,06 внутренняя поверхность

3 АМгбМ 0 50х2,0 мм -0,18 внешняя поверхность

4 АМгбМ 0 50х2,0 мм -0,12 внутренняя поверхность

5 АМгбМ полоса 20х2,0 мм -0,10 со стороны ведущей оправки

Образцы исследуемых заготовок приведены на рис. 6.

Рис. 6. Образцы исследуемых заготовок на внеконтактную деформацию Вывод

Из приведенных результатов видно, что величина внеконтактной деформации заготовки на входе в геометрический очаг деформации значительна. При этом на входе, как показывают измерения, на внешних свободных поверхностях заготовки создаются сжимающие напряжения в пределах 0,5-0,9 от величины напряжения текучести материала заготовки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чумадин А.С., Бурштейн Н.М., Архипов В.Н. Ротационно-давильный станок НИКПОС-1. Патент РФ №2093290, 1997.

2. Целиков А.И., Гришков А.И. Теория прокатки. -М.: Металлургия, 1970. - 358 с.

3. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки. - М.: Металлургия, 1980. - 320 с.Хилл Р. Математическая теория пластичности. - М.: ГИТТЛ, 1956. - 407 с.

4. Полухин П.И., Гунн Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. -М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

5. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в

производстве самолетов. - М.: Машиностроение, 1981. - 224 с.

6. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 480 с.

7. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. -Л.: Машиностроение,

1971. -782 с.

8. Хейн Вин Зо. Теоретические исследования контактных давлений в очаге деформации при раскатке труб.интернет-журнал "Науковедение": электронное научно-техническое издание Выпуск 1 - 2014 (20) - январь - февраль, http://naukovedenie.ru/

9. Хейн Вин Зо. Расчеты напряженного состояния при рскатке труб.

Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии». Секция № 3.1, 2008г. стр.64.

10. Хейн Вин Зо. Экспериментальные исследования процесса раскатки труб // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. № 12, 2007, с. 11 -14.

Рецензент: Гагарина. Л. Г., Заведующая кафедрой “Информатика и программное обеспечение вычислительных систем” Национального исследовательского университета

МИЭТ, доктор технических наук, профессор.

REFERENCES

1.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Pillars AI, AI Grishkov. Theory rolling. -M.: Metallurgy, 1970. P - 358.

2. Pillars AI Nikitin GS, SE Rokotyan. Theory of longitudinal rolling. - Moscow: Metallurgy, 1980. - 320 s.Hill R. The mathematical theory of plasticity. - Moscow: GITTL, 1956. P - 407.

Poluhin PI, Gunn GJ, Galkin AM. Resistance to plastic deformation of metals and

alloys. Handbook. -M.: Metallurgy, 1983. P - 352.

Chumadin AS, NM Burstein, V. Arkhipov. Rotary spinning machine NIKPOS-1. RF patent number 2093290, 1997.

Gorbunov MN. Technology procurement and stamping operations in aircraft production. - M.: Mechanical Engineering, 1981. P - 224.

Popov EA, Kovalev VG Shubin, IN. Technology and automation stamping. -Moscow: Publishing House of the MSTU. NE Bauman, 2003. P - 480.

Romanovsky VP. Handbook of cold forming. -L.: Engineering, 1971. P -782.

Hein Win Zaw. Theoretical studies of the contact pressure in the deformation in rolling out trub.internet journal "Science of Science": electronic scientific and technical publication Issue 1 - 2014 (20) - January - February, http://naukovedenie.ru/

Hein Win Zaw. Calculations tension at rskatke pipes. All-Russian Scientific

Conference "New materials and technologies." Section № 3.1, 2008. P- 64.

Hein Win Zaw. Experimental studies of the process rolling tubes / / Forging and stamping production. Materials processing pressure. Number 12, 2007, P - 11