CC BY
3
УДК 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-357-360
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПРОДОЛЬНЫХ РЕБЕР НА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКЕ
С.С. Яковлев
С помощью процессов пластического формоизменения возможно получение изделий с самым разным профилем поперечного сечения, включая цилиндрические сложнопрофильные изделия с ребрами на наружной поверхности. Такие ребра могут выполнять многие функции, включая увеличение тепловыделения, повышение жесткости. В данной работе описывается новый метод оребрения с помощью вытяжки с утонением и приводятся его особенности. Так как такой метод получения оболочек с ребрами является новым, то существует необходимость в его комплексном изучении, которое может охватывать исследование повреждаемости, усилия, напряжений и деформаций, температур, качества и формы изделия. В представленной работе приведены результаты исследования напряженного и деформированного состояния. Анализируются величины и распределение средних напряжений, интенсивности деформаций по оболочке при формировании продольных ребер. Делаются выводы о том, как влияет утонение на величины и распределение исследуемых характеристик. Ставятся цели и задачи на последующие исследования оребрения, связанные в первую очередь с оценкой качества изделия.
Ключевые слова: продольные ребра, напряженное и деформированное состояние, пластическое формоизменение, средние напряжения, компьютерное моделирование.
Существует широкая номенклатура цилиндрических изделий со сложным профилем поперечного сечения. Например, это детали с ребрами [1], рифлями [2], и пр. Ребра, в частности, могут использоваться в энергетической и машиностроительной отраслях, и выполняют функции теплообменников и элементов жесткости. При этом их получение является сложной задачей, так существуют методы их накатки, однако они малопроизводительны и требуется сложный инструмент. Поэтому был разработан новый метод оребрения с помощью вытяжки с утонением. Метод заключается в проталкивании заготовки через фасонную матрицу, что позволяет получать заданное число ребер требуемой формы и размеров.
Так как метод получения оболочек с ребрами является новым, то существует необходимость в его комплексном изучении, которое может охватывать исследование повреждаемости, усилия, напряжений и деформаций, температур, качества и формы изделия и много другого при разных начальных условиях включая разные величины трения, отличающиеся формы и размеры заготовок и инструментов и пр. [3-5]. В данной же работе проводится анализ средних напряжений и интенсивности деформаций, которые оцениваются для нескольких вариантов размеров ребер, их высоты.
Анализ напряженного состояния и деформированного проводился при формировании ребер разной высоты, которая составляла 1, 1,5, 1,7 и 2 мм. Толщина ребер была постоянной и равнялась 2 мм. При этом начальная толщина и другие размеры заготовок были одинаковыми. Что достигается за счет меньшего диаметра рабочего пояска фасонной матрицы по выступам, что увеличивает утонение стенки в местах выступов матрицы, при этом в местах впадин утонения не происходит.
Исследование выполнено при помощи компьютерной модели в программном комплексе QForm [6-10]. Вытяжка проводилась для стальной оболочки с дном, толщина стенки которой равна 3 мм, высота и наружный диаметр соответственно равны 30 и 36 мм. Так в результате вытяжки с переменным утонением происходит формирование оребрённых оболочек с высотой ребер h равной 1, 1,5, 1,7 и 2 мм, при этом толщина стенки в межреберном пространстве составляет соответственно 2, 1,5, 1,3 и 1 мм. Установлено, что процесс формирования ребер высотой 1, 1,5 и 1,7 мм происходит стабильно, однако при высоте ребер h=2 мм происходит потеря устойчивости заготовки.
Распределения средних напряжений в сечении очага деформации показаны на рис. 1 и интенсивности деформаций в сечении на выходе из очага деформации показаны на рис. 2.
Анализ средних напряжений показал, что в очаге деформации реализуются как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При этом сжимающие напряжения сосредоточены на наружной поверхности формируемых впадин оболочки, а растягивающие - в получаемых ребрах, при этом на внутренней поверхности оболочки, в тех местах, где формируются впадины средние напряжения близки к 0. Установлено, что с увеличением утонения не происходит изменения значения максимальных растягивающих напряжений, во всех случаях растягивающие максимальные напряжения составляют примерно 250 МПа. Сжимающие напряжения в зависимости от высоты ребер меняются, так чем меньше утонение, тем больше максимальная величина сжимающих напряжений. В данном случае при высоте ребер равной 1 мм наибольшие сжимающие напряжения составляют 600 МПа, а при высоте 1,7 мм - 250 МПа. Анализ растягивающих напряжений вдоль оси заготовки изменяется от 480 МПа (при высоте ребер 1 мм) до 550 МПа (при высоте ребер 1,7 мм).
Рис. 1. Средние напряжения в сечении очага деформации при формировании ребер высотой:
а - 1 мм, б -1,5мм, в -1,7мм
в
Рис. 2. Интенсивности деформаций в сечении при формировании ребер высотой:
а -1 мм; б -1,5 мм; в -1,7 мм
б
а
в
В зоне формируемых ребер интенсивность деформации находится в диапазоне 0,5...1. Установлено, что с увеличением утонения происходит увеличение величины максимальных деформаций. В данном случае при формировании ребер высотой 1 мм максимальные деформации составляют 1,3, при высоте ребер 1,7 мм - 1,8, что примерно на 25% больше.
Таким образом, при исследовании процесса получения оболочек с внешними рифлями установлено, что в очаге деформирования наблюдаются и растягивающие, и сжимающие напряжения, наибольшая величина растягивающих напряжений практически не меняется в зависимости от формируемой высоты ребер, при этом максимальная величина сжимающих напряжений уменьшается при увеличении формируемой высоты ребер. Максимальная величина деформаций увеличивается при увеличении высоты ребер. В дальнейшем необходимо провести исследования по распределению и величинам повреждаемости материала, вероятности образования дефектов и температур заготовки и инструмента.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20212, https://rscf.ru/project/22-29-20212/, и Правительства Тульской области.
Список литературы
1. Комплексное исследование рифления внутренней поверхности цилиндрической оболочки локальным пластическим деформированием / В. Д. Кухарь, В. А. Коротков, С. С. Яковлев, А. А. Шишкина // Вестник машиностроения. 2023. Т. 102. № 1. С. 62-64.
2. Кухарь В.Д., Яковлев С.С. Оценка напряженно-деформированного состояния при получении оболочек с наружными ребрами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 2. С. 602-604.
3. Константинов И. Л. Технология ковки и горячей объемной штамповки : учеб, пособие / И. Л. Константинов. М.: ИНФРА-М.: Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2014. 551 с.
4. Яковлев С. С. Ковка и штамповка. В 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / Под общ. ред. С. С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
5. Голенков В.А., Яковлев С.П., Головин С.А. и др. Теория обработки металлов давлением // Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
6. Пасынков А. А., Яковлев Б. С. Теоретические исследования процесса обжима цилиндрических заготовок в условиях вязкопластического течения материала // Заготовительные производства в машиностроении. 2022. Т. 20, № 5. С. 213-217.
7. Программа для моделирования процессов обработки металлов давлением. Версия VX 8.2. Учебный курс на примерах. Часть 3. Учебный курс на примерах. «КванторФорм», 2017. 196 с.
8. Сидельников С. Б. Элементы расчетов процессов обработки металлов давлением: учеб, пособие / С. Б. Сидельников, Н. Н. Довженко, И. С. Гоголь. Красноярск: ГАЦМиЗ, 1999. 108 с.
9. Рыбин Ю. И. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением / Ю.И. Рыбин, А.И. Рудской, А.М. Золотов. Л.: Наука, 2004. 644 с.
10. Пасынков А. А., Чекмазов Н. М., Матченко Н. М. Прямое выдавливание трубной заготовки в матрицу с плоской рабочей поверхностью // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 9. С. 343-347.
Яковлев Сергей Сергеевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Научный руководитель: Кухарь Владимир Денисович, докт. техн. наук, профессор, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INVESTIGATION OF THE STRESS AND DEFORMATION STATE IN OBTAINING LONGITUDINAL RIBS
S.S. Yakovlev
With the help of plastic forming processes, it is possible to obtain products with a wide variety of cross-sectional profiles, including cylindrical complex-shaped products with ribs on the outer surface. Such ribs can perform many functions, including increasing heat dissipation, increasing rigidity. This paper describes a new method of finning with thinning drawing. Its features are described. Since this method of obtaining shells with ribs is new, there is a need for its comprehensive study, which can cover the study of damage, force, stresses and strains, temperatures, quality and shape of the product. In the presented work, the results of the study of the stressed and deformed state are presented. The magnitudes and distribution of average stresses, intensity of deformations along the shell during the formation of longitudinal ribs are analyzed. Conclusions are drawn about how thinning affects the magnitude and distribution of the studied characteristics. Goals and objectives are set for subsequent studies offinning, primarily related to the assessment of the quality of the product.
Key words: longitudinal ribs, stressed and deformed state, plastic deformation, average stresses, computer simulation.
Yakovlev Sergey Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University,
Science advisor: Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.73.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-360-362
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ХОЛОДНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ
Д.И. Кондаков
Машиностроение является одной из самых важных отраслей промышленности и охватывает множество других секторов экономики. Наиболее распространенным материалом, используемом в промышленности и машиностроении является металл. Металлические детали при этом могут быть изготовлены с помощью различных способов штамповки, резки, электрохимической обработки, литья, сварки, иных металлургических операций. Однако одной из наиболее распространенных является именно обработка металлов давлением. Поэтому анализ операций, связанных с пластическим формоизменением металлических изделий является важной и актуальный на данный момент темой. В данной работе рассматривается влияние трения на максимальные значения интенсивности напряжений и интенсивности деформаций при получении изделия сложной формы методом выдавливания цилиндрической сплошной заготовки в фасонной матрице. Приводятся таблицы с наибольшими полученными исследуемыми данными, которые были получены с помощью компьютерного моделирования в специализированном программном обеспечении. Также в работе проиллюстрирована трехмерная модель детали, также полученная после моделирования методом конечных элементов.
Ключевые слова: холодная штамповка, машиностроение, компьютерное моделирование, объемная штамповка, технологическая сила.
Машиностроение - это обширная отрасль, которая занимается разработкой, производством и эксплуатацией механических устройств и машин. Машиностроение является одной из самых важных отраслей промышленности и охватывает множество других секторов экономики. В машиностроении используются различные компоненты и материалы. Одни из самых популярных материалов - это металлы, такие как сталь, алюминий, медь и титан. В некоторых случаях, для изготовления машин и компонентов используются неметаллические материалы, такие как стекловолокно, композиты и пластмассы. Однако большая часть машиностроительных деталей - металлические. В машиностроении детали могут быть изготовлены с помощью различных способов штамповки, резки, электрохимической обработки, литья, сварки, иных металлургических операций, других методов [1-4]. Обработка давлением, то есть ковка и штамповка занимают особое место в машиностроительной и иных производствах, так как имеет множество преимуществ относительно других методов получения изделий из цветных или черных металлов и их сплавов [5-6].
Одним из процессов, который имеет широкое распространение на различных металлообрабатывающих производствах является выдавливание. Оно может осуществляться и в горячем, и в холодном состоянии, при различных иных начальных условиях. Одним из таких условий является трение. Которое в свою очередь значительно влияет на разные условия протекания процессов пластического изменения формы. В данной работе рассматривается влияние трения на максимальные значения интенсивности напряжений и интенсивности деформаций при получении изделия сложной формы методом выдавливания цилиндрической сплошной заготовки в фасонной матрице. Работа выполнена при помощи программы QForm [7-10], в которой был замоделирован процесс, исследуемый в работе. Результатом моделирования послужило трехмерное изображение детали, приведенное на рис. 1.
Форма изделия соответствует требуемой, так что подобная технология позволяет получать задуманные детали. Далее при помощи моделирования получены значения максимальных интенсивностей деформаций (табл. 1) и напряжений (табл. 2) при разных коэффициентах трения и высотах рабочей кромки матрицы.
Установлено, что на величины максимальных интенсивностей напряжений не оказывает существенного влияния ни коэффициент трения, ни высота рабочей кромки, в данном случае все колебания не превышают нескольких процентов и являются погрешностями расчетов.
