Компьютерное моделирование безоправочного волочения тонкостенных труб через вращаемую волоку Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.774.37

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕЗОПРАВОЧНОГО ВОЛОЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ ЧЕРЕЗ ВРАЩАЕМУЮ ВОЛОКУ

© 2009 Я.А. Ерисов, В.Р. Каргин, Т.С. Пастушенко

Самарский государственный аэрокосмический университет

Поступила в редакцию 11.06.2008

Приведены результаты компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния в процессе безоправочного волочения тонкостенных труб с вращением волоки с помощью метода конечных элементов (МКЭ) в специализированном программном комплексе ANSYS/LS-DYNA. Ключевые слова: компьютерное моделирование, напряженно-деформированное состояние, процесс безоправочного волочения тонкостенных труб, метод конечных элементов

Тонкостенные трубы, изготавливаемые безоп-равочным волочением, обладают высоким качеством с точки зрения точности геометрических размеров, чистоты поверхности и механических свойств. Однако рост потребности в холоднотянутых трубах обуславливает необходимость совершенствования способов их производства.

В процессе безоправочного волочения значительная часть усилия уходит на преодоление внешнего трения трубной заготовки о рабочие стенки волоки. Уменьшить силы трения можно за счет приложения вращательного движения волоки в плоскости, перпендикулярной оси канала [1-4]. При таком движении контактная поверхность волоки перемещается относительно трубной заготовки по винтовой линии со скоростью в точке А VрА (рис. 1), её составляющие:

КкА = ®ГА = 2ппгА ,

УвА = Ув ^

F

А

где а - угловая скорость вращения волоки; rA - расстояние точки А от оси вращения; n - число оборотов волоки в минуту; V - скорость волочения; VA - скорость перемещения в направлении вращения;

VgA - скорость перемещения в направлении волочения;

FA - площадь поперечного сечения трубы, проходящей через точку А;

Fk - площадь поперечного сечения готовой трубы.

Ерисов Ярослав Александрович, студент. E-mail: [email protected].

Каргин Владимир Родионович, доктор технических наук, профессор. E-mail: [email protected]. Пастушенко Татьяна Сергеевна, ассистент. E-mail: [email protected].

Положение результирующего вектора скорости VpA определяется углом

ß = arctg

vokA

вА

В направлении, противоположном VрА действует напряжение трения т, проекции которого равны тАсо$Ри т^тД Значение тА определяется по закону Кулона:

тА = 1РА

где f - коэффициент трения;

pА - давление в канале волоки; а - угол конуса рабочей зоны волоки. При вращении волоки крутящим моментом Мд на контактной поверхности возникает реактивный момент трения Мт , который передается трубе в очаге пластической деформации (ОПД). Таким образом, протягиваемая труба нагружается помимо усилия волочения Pд крутящим моментом, равным моменту от сил трения.

Рассматриваемый способ волочения при бе-зоправочном волочении мало изучен. В частности, нет данных о напряженно деформированном состоянии. Это затрудняет его использование на производстве.

В настоящей работе проведено компьютерное моделирование безоправочного волочения тонкостенных труб через вращаемую волоку с помощью метода конечных элементов (МКЭ) в специализированном программном комплексе А^УБ^-ВТОА [5].

Для описания материала трубы принята модель упрочняющейся упруго-пластической среды - билинейная изотропная модель:

=°0,2 + Е'е1, где - напряжение течения; °0,2 - предел текучести; ег- - накопленная интенсивность деформаций;

Л

А-А

Рис. 1. Напряжения трения и скорости движения в канале вращающейся волоки

Е' - модуль упрочнения;

Е,_ 7в -70,2_

1п(1 + 5) + ((7в -Стод )) '

7в - предел прочности;

5 - относительное удлинение;

Е - модуль упругости.

Материал волоки сталь Х12МФ (Е = 210 ГПа, п = 0,3) моделировали жестким.

Для построения трехмерной упорядоченной сетки конечных элементов выбрали оболочечные элементы. Конечно-элементная сетка трубы была сгенерированна с использованием 1920 элементов (длина ребра элемента 1 мм), волоки -1936 элементов (0,5 мм) (рис. 2).

Компьютерное моделирование безоправоч-ного волочения тонкостенной трубы 010 мм из заготовки 013х1 мм из алюминиевого сплава Д16 (у02 = 320 МПа; ув = 450 МПа; Е = 72 ГПа; п = 0,34; д = 0,25) проводили в конические волоки с параметрами: угол конуса рабочей зоны - 12?; калибрующий поясок - 2,5 мм; радиус сопряже-

ния обжимной и калибрующей зон - 5 мм. В расчетах принято f = 0,09; Vв = 15 м/мин; п = 1500 об/мин. Устойчивость процесса волочения обеспечивалась при длине трубы не менее 50 мм.

На установившейся стадии волочения через неподвижную и вращаемую волоку получено распределение компонент напряжений и деформаций в продольном сечении ОПД, показанное на рис. 3 и 4.

Из анализа графиков (рис. 3, а) следует, что осевые растягивающие напряжения 7, как следовало ожидать, возрастают к выходу из ОПД. Вращение волоки приводит к их снижению на 28%. Контактное давление р распределено в канале волоки неравномерно и имеет два экстремума на входе и выходе из ОПД. Причем пик давления на выходе из ОПД в 2,8 раза больше, чем на входе в ОПД. Величина тангенциальных напряжений 7в по абсолютной величине при вращении волоки уменьшается, а р увеличивается.

Приложение вращательного движения к волоке приводит к увеличению радиальных дефор-

МИл щ

Í0

crth МГТа

-ш

■гм

-izo

-360

.Villa

-zd

.40

■во

-100

-120

/ / /у ..................J....../...

/ / ^¿х........

/У

\

\ \

ч ___. j—^v

/ \ N i Ч

\Ша

£0

-20

МПа

-15

■JO

'fifh

Mihi -10

■40

*B0

-130

Ш,

-140

! -%

^_Л /Г г * \ \ ч \ X. \

fíjf)

¡1.2

<U

S.6

0,8

i.'L

Рис. 3. Распределение компонент нормальных (а) и касательных (б) напряжений

в продольном сечении ОПД:

■ вращаемая волока;

неподвижная волока

маций ер на 20% (рис. 4, а), т.е. к более интенсивному утолщению стенки, что уменьшает длину протянутой трубы. При более высоких скоростях волочения с увеличением числа оборотов волоки толщина стенки растет менее интенсивно (рис. 5). Распределение тангенциальных ев и осевых е2 деформаций в продольном сечении ОПД вращаемой волоки отличается незначительно по сравнению с деформациями при волочении через неподвижную волоку.

В процессе волочения сдвиговые напряжения и деформации являются основным механизмом пластического формоизменения. Вращение волоки приводит к интенсификации сдвиговых напряжений и деформаций, что может оказать существенное влияние на формирование структуры и свойств готовых труб.

В поперечных сечениях ОПД по мере продвижения металла трубы вдоль канала вращаемой волоки касательные напряжения гв и угловые деформации у^ приводят к осевому закручиванию трубы. Их величина нарастает от входа

в ОПД, достигая своего максимального значения на выходе из ОПД. Установлено изменение схемы напряженного состояния с осесимметричной на объемную, что усложняет картину напряженно-деформированного состояния из-за наложения скручивающих сил и изменения условий на контактной поверхности "волока - заготовка".

Получена зависимость усилия волочения Рд от числа оборотов волоки п при различных скоростях волочения V (рис. 5). При более высоких скоростях волочения для заметного снижения усилия необходимо вращать волоку с большим числом оборотов, что объясняется схемой сил, действующих в точке А контактной поверхности вращающейся волоки (рис. 1). Уменьшение сил трения, действующих в направлении, обратном волочению, тем значительнее, чем больше угол Д

Применение волочения через вращаемую волоку целесообразно при изготовлении тонкостенных труб большого диаметра, при моделировании которых установлено заметное уменьшение усилия с ростом числа оборотов волоки (рис. 5).

0.2

С.05

ч

■0.05

-ы

-0.1 б

-o.ze -о.з

ft1S

OJW

о.оэ

ü

л

.............

............/../...........

7 /

. ..................... V

/у уС-*

Лл d.6

а

o.s

HL

V

0Д+

в»

MB ooi

Tfk -hol -0\02 ■ftß

-ft05

-п.вме -um

-0.0015

-um -n.flOis ■

-MOS -H.flMS

/ ^ ^ / / Ч i/

........\

0.4 C.f

'/U

Рис. 4. Распределение линейных (а) и угловых (б) деформаций в продольном сечении ОПД: -вращаемая волока; —--неподвижная волока

О 1DUU 200U ЗО&0 40U0

Рис. 5. Зависимость усилия волочения и толщины стенки от числа оборотов волоки:

*— - Ve = 7,5 м/мин; - Ve = 15 м/мин; ^ - Ve = 30 м/мин; -- - D/t = 10; - - - D/t = 20

Таким образом, результаты компьютерного моделирования наглядно показывают особенности влияния кручения волоки в плоскости, перпендикулярной оси волочения, на изменение напряженно-деформированного состояния при безоправочном волочении тонкостенных труб.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971, 448 с.

2. Савин Г.А. Волочение труб. - М.: Металлургия, 1993, 336 с.

3. Тарнавский А.П. Эффективность волочения с проти-вонатяжением. -М.: Металлургиздат, 1959, 152 с.

4. Шевченко А.А., Сизоненко Г.А., Рогов М.В. Об особенностях процесса волочения с вращением контактных поверхностей инструмент-заготовка/ Производство труб. - М.: Металлургия, 1971. Вып. №26. С. 108-114.

5. Дубинский С. Программный комплекс АМ8У8/Ь8-БУМЛ 8.0 / САПР и графика. 2004. №3. С. 34-38.

COMPUTER SIMULATION OF THIN-WALLED TUBE SINKING WITH ROTATIONAL MOVEMENT OF DRAWING DIE

© 2009 Ya.A. Erisov, V.R. Kargin, T.S. Pastushenko

Samara State Aerospace University

In this work, the cold sinking (plugless drawing) of thin-walled tubes with rotational movement of drawing die was simulated by finite element method (FEM) with the particularized bundled software ANSYS/LS-DYNA to determine mode of deformation and parameters of process.

Key words: computer simulation, stress and deformation, thin-walled tube sinking, final-element model.

Yaroslav Erisov, Student. E-mail: [email protected]. Vladimir Kargin, Doctor of Technics, Professor. E-mail: [email protected]. Tatyana Pastushenko, Assistant Lecturer. E-mail: [email protected].