CC BY
64
УДК 621.778.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИИ КОМБИНИРОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ И ВОЛОЧЕНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ DEFORM-3D
Блондинская Е.Б., Шубин И.Г.
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия
Введение
В научной и практической деятельности значительное место занимает моделирование с применением численных методов для изучения сложных процессов, включающее математическое представление явлений с применением CAE-систем. Эффективность использования методов моделирования и решения инженерных задач значительно возрастают, если перед составлением модели выявлены и ранжированы важнейшие параметры.
При разработке технологических процессов на базе обширных исследований объём экспериментов становится настолько масштабным, что их реализация требует значительных затрат. В связи с этим развитие теории ОМД направлено на создание методов точного количественного описания технологических процессов, учитывающих большой объем факторов, т.е. адекватного решения громоздкой математической модели[1, 2].
При теоретических исследованиях процессов волочения проволоки использовался специализированный программный комплекс «DEFORM - 3D», в основу которого положен метод конечных элементов (МКЭ).
Суть предлагаемых решений заключается в снижении неравномерности пластического течения поверхностных слоев металла путем использования модуля поперечно-винтовой прокатки (ПВП).
Для сравнительного анализа напряженно-деформируемого состояния с целью выявления особенностей влияния технических параметров при волочении круглых изделий в монолитной волоке и в модуле ПВП выполнено моделирование. В программном комплексе DEFORM-2D было выполнено моделирование процесса волочения в монолитной волоки, а моделирование процесса ПВП было выполнено в DEFORM-3D.
Начальные условия
Передний конец заготовки заостряют перед волочением в монолитной волоке и модуле ПВП. Форма заготовки имеющей заострение не оказывает существенного влияния на усилие волочения, но позволяет сократить время моделирования, т.к. в начальный момент заготовка находится в контакте с волокой.[3] Были заданы одинаковые начальные условия модели для волочения и ПВП (см. таблицу). В качестве материала заготовки была выбрана пружинная сталь 60Г.
Начальные условия модели
Название константы Обозначение Значение
Плотность стали, кг/м3 Р 7810
Модуль Юнга, МПа E 206754
Коэффициент пуансона 0,3
Граничные условия
1) Для расчета использованы временные шаги по времени и решатель Ньютона-Рафсона.
2) Для решения задачи был выбран прямой решатель (Sparse).
3) Решаемая задача - осесимметричная (для волочения в монолитной волоке).
4) Радиальные перемещения точек продольной оси проволоки отсутствуют, что естественно для осесимметричной задачи. Волока неподвижна.
5) Скорость волочения через монолитную волоку - 1 м/ceK.
6) Валкам модуля ПВП задано вращение вокруг их осей - 6.3 рад/сек, а также вращение вокруг заготовки 5 рад/ceK. Скорость толкателя - 1 м/ceK.
Принятые допущения
1) модель материала заготовки - пластичная;
2) материал калиброванной стали изотропен и однороден;
3) материал волоки (валков) - абсолютно жесткий;
4) теплообменом между волокой и заготовкой пренебрегаем;
5) закон трения Амонтона - Кулона, постоянен в области контакта.
Результаты эксперимента и их обсуждение
В результате моделирования получили эпюры распределения полных напряжений в очаге деформации при волочении и ПВП (рис. 1).
Напряженное состояние заготовки при волочении в монолитной волоке (рис. 2) характеризуется преобладанием схемы с одним растягивающим (положительные напряжения на графиках) и двумя сжимающими напряжениями (отрицательные напряжения на графиках). Однако в центральных слоях при входе в рабочую зону волоки наблюдается рост осевых, радиальных и тангенциальных напряжений, что указывает на то, что в этом объекте схема всестороннего растяжения. На периферийных слоях в зоне контакта металла и волоки наблюдается схема всестороннего сжатия. Результаты моделирования подтверждают полученные ранее данные [3].
а б
Рис. 1. Полные напряжения в очаге деформации
с распределением по гистограмме: а- поперечно-винтовая прокатка, б- волочение
а б в
Рис. 2. Распределение осевых (а), окружных (б) и радиальных напряжений (в)
Анализ деформационного состояния заготовки после волочения в монолитной волоке и в модуле ПВП показывает, что наибольшие значения интенсивности деформаций достигаются на поверхности заготовки при ПВП, так как там происходит наибольшая деформация металла, связанная с вращением валков вокруг своей оси и вокруг оси заготовки (рис. 3).
Выявлены места возможного разрушения заготовки. Образование мест разрушения наиболее вероятно в центральных слоях заготовки, как наиболее нагруженных растяжением. По мере движения металла в канале и увеличения растягивающих напряжений это нагруже-ние передается ближайшим к центру слоям металла.
Для оценки распределения интенсивности деформаций был проведен анализ процессов волочения в монолитной волке и волочения в модуле ПВП. Из распределения интенсивно-стей деформаций (см. рис. 1) видно, что за один цикл в модуле ПВП достигаются большие значения, чем за один цикл в монолитной волоке. График наглядно показывает явный разброс напряжений при волочении в монолитных волоках. Распределение напряжений при ПВП более равномерное.
Э1ер 230 Зкева - ХУ (МРа) г - Г | Э1ер 230 Ищвв - У1 (МРа) Э1ер 215 БИ-евв -1 (МРа)
—^ | --д Ь - -
-589 ■ -2700 ■
-589 Мт -2700 Мт
у 611 Мах у 1900 Ма*
р! ЕЯ
а б в
Рис. 3. Распределение осевых (а), окружных (б) и радиальных напряжений (в) при ПВП
Полученные результаты позволяют дать рекомендации по совершенствованию процесса волочения при помощи модуля ПВП с целью уменьшения числа промежуточных этапов деформирования при увеличении обжатия на каждом из них. Кроме того, представляется возможным уменьшить усилие вытяжки. Основной же задачей является изучение напряжен-
но-деформированного состояния проволоки на всем маршруте волочения с учетом изменения ее механических характеристик. Это даст возможность оптимизировать процесс волочения, предложить конструкцию модуля ПВП и увеличить срок службы инструмента.
Список литературы
1. Арсеньев В.В. Состояние и перспективы развития производства метизов в России // Метиз. 2007. № 11. С. 13-19.
2. Стальная проволока: монография / Х.Н. Белалов, А.А. Клековкин, НА. Клековкина, Г.С. Гун, А.Г. Корчунов, М.А. Полякова. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. унта им. Г.И. Носова. 2011. 689 с.
3. Сергеев Ю.А., Колесникова С.Ю. Анализ моделирования процесса волочения круглых изделий конечно-элементарном комплексе DEFORM-2D // Материалы XVII междунар. науч.-практ. конф. «Современные техника и технологии». Секция 3: Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств. 2012.
References
1. Arsenev V.V. Status and development perspectives of a hardware production in Russia // Metiz. 2007. № 11. P. 13-19.
2. Steel wire: monograph / H.N. Belalov, A.A. Klekovkin, N.A. Klekovkina, G.S. Gun, A.G. Korchunov, MA. Polyakova. Magnitogorsk: Publishing house of Magnitogorsk state technical university named after G.I. Nosov. 2011. 689 p.
3. Sergeev Yu.A., Kolesnikova S.Yu. Analysis of modeling of round products drawing in finite and elementary DEFORM-2D complex// Materials of XVII international scientific and practice conference «The modern technic and technologies». Section 3: Technology, equipment and automatization of machinery production. 2012.
УДК 621.771
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВОЛОЧЕНИЯ ШЕСТИГРАННОГО ПРОФИЛЯ
Гун Г.С., Корчунов А.Г., Пивоварова К.Г.
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия
Калиброванный шестигранный прокат находит основное применение в машиностроении, в качестве заготовок при производстве различных деталей. Преимущества применения шестигранного профиля обусловлены более высоким коэффициентом использования металла (0,8...0,95) по сравнению с механической обработкой сортового проката (0,3...0,65).
Калиброванный шестигранный прокат используется в основном для изготовления точёного крепежа ответственного назначения, нестандартного крепежа, а также направляющих, фигурных валов и др. Применение крепежа, получаемого холодной штамповкой, в ответственных узлах таких, как рулевое управление, тормозные системы автомобилей, не допускается по причине наличия микротрещин и остаточных напряжений. Основными потребителями калиброванного шестигранного проката на сегодняшний день являются автомобильные заводы. Изготавливается продукция в бунтах и прутках из марок
