CC BY
44
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/
Том 8, №2 (2016) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol8-2
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/22TVN216.pdf
DOI: 10.15862/22TVN216 (http://dx.doi.org/10.15862/22TVN216)
Статья опубликована 04.04.2016.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Афанасьев А.Е., Каргин В.Р., Каргин Б.В. Компьютерный анализ процесса раздачи труб прессованием // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №2 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/22TVN216.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/22TVN216
УДК 621.774
Афанасьев Александр Евгеньевич
ФГАОУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева
(национальный исследовательский университет)», Россия, Самара1 Аспирант кафедры «Обработки металлов давлением» E-mail: alexander. afanasiev@alcoa. com
Каргин Владимир Родионович
ФГАОУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева
(национальный исследовательский университет)», Россия, Самара Профессор кафедры «Обработки металлов давлением»
Доктор технических наук E-mail: vrkargin@mail.ru РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=583344
Каргин Борис Владимирович
ФГАОУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева
(национальный исследовательский университет)», Россия, Самара Профессор кафедры «Обработки металлов давлением» Кандидат технических наук, доцент E-mail: kargin163@gmail.com РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=338154
Компьютерный анализ процесса раздачи труб прессованием
Аннотация. Проведено компьютерное моделирование раздачи труб горячим прессованием методом конечных элементов в программном комплексе DEFORM 2D. Получен график изменения усилия раздачи в зависимости от времени процесса. Авторами показана динамика изменения геометрии деформируемой трубы относительно конусного участка профилированной иглы. Описано распределение меридиональных и тангенциальных нормальных напряжений по объему очага пластической деформации. На основе полного факторного численного эксперимента установлено совместное влияние угла конуса бурта, радиуса скругления в зоне сопряжения конического и цилиндрического участков профилированной иглы, геометрии заготовки на усилие раздачи, приращение величины внутреннего диаметра трубы вследствие внеконтакной деформации, уменьшение стенки
1 443030, г. Самара, ул. Владимирская, дом 7, кв. 101 1
трубы, величину максимальных меридиональных напряжений и отклонения внутренней поверхности трубы от места сопряжения шейки и конуса иглы.
Ключевые слова: раздача трубы; геометрия инструмента; горячее прессование; наружные утолщения; бурильная труба; внеконтактная деформация; энегосиловые условия; напряженно-деформированное состояние
Введение
Трубы из высокопрочных алюминиевых сплавов, имеющих наружные утолщения на концах и плавный переход от них к основному телу трубы, находят широкое применение в бурильной технике [1]. Требуемая конфигурация бурильных труб получается при горячем прессовании за счет конструкции профилированной иглы, меняющей свое положение относительно канала матрицы [2-5].
Расчеты по раздаче трубы при осевом сжатии обычно ограничены конической формой инструмента [2-8], анализом деформации при раздаче в холодном состоянии [6-8], приближенным учетом изменения толщины стенки и размеров трубы при внеконтактной деформации [10-12], образованием при контакте заготовки с конусом и её сходе с конуса инструмента криволинейной формы образующей, которую трудно рассчитать теоретически
[7, 8].
Известно, что при раздаче трубы прессованием на профилированной игле место перехода конусного участка в цилиндрический целесообразно выполнить скругленным [11]. Поэтому разработка компьютерной модели раздачи трубы в горячем состоянии с учетом скруглений в местах сопряжения цилиндрических и конических участков профилированной иглы представляется актуальной практической задачей.
Постановка задачи
В настоящей работе проведено компьютерное моделирование процесса раздачи труб горячим прессованием с помощью метода конечных элементов в специализированном программном комплексе DEFORM-2D [13].
Числовой расчет раздачи трубы прессованием рассмотрен на примере трубы с размерами основного сечения 0260*220 мм и наружного утолщения 0280*220 мм из алюминиевого сплава Д16.
На рис. 1 показан компьютерная модель раздачи трубы прессованием. Внутренний диаметр трубы совпадает с диаметром шейки иглы 3 и равен 200 мм.
7
< /
в Щ I -а
J
3
Рисунок 1. Геометрическая модель для моделирования раздачи трубы 1 на конусе бурта 2,
иглы 3, толкателем 4 (рисунок авторов)
Наружный диаметр трубы совпадает с диаметром канала матрицы и равен 260 мм. Диаметр цилиндрического участка бурта иглы равен 220 мм. Температура нагрева трубы 440°С, профилированной иглы 3 и толкателя 4-400°С. Число конечных элементов в трубе -
1000, профилированной игле - 4000, толкателе - 100. На поверхности контакта трубы с профилированной иглой действуют касательные напряжения трения, определяемые по закону Зибеля. Коэффициент трения принят равным 0,2. Скорость перемещения толкателя 1мм/сек, коэффициент теплопередачи между трубой и инструментом 11 Квт (м2К). Материал инструмента сталь AISI-H-13 (4X5МФ1С). Угол конусного участка бурта 10°-30°. Геометрическая модель соответствует условиям осесимметричного нагружения.
Первые результаты компьютерного моделирования показали, что отсутствие радиусного перехода между конусным и цилиндрических участками бурта может привести к образованию поверхностного дефекта внутри трубы "зажим", рис. 2. При радиусе скругления й > 10мм такой дефект исчезает.
Рисунок 2. Образование внутри трубы при раздаче горячим прессованием дефекта "зажим"
(рисунок авторов)
На рис. 3 представлен график изменения усилия раздачи в зависимости от времени процесса. В начальной стадии процесса раздачи происходит упругое сжатие и деформация переднего торца трубы на конусном участке бурта иглы, что приводит к увеличению диаметра краевой части трубы и образованию зазора между внутренней поверхностью трубы и иглы, рис. 4а.
Рисунок 3. График изменения усилия раздачи прессованием в зависимости от времени
перемещения толкателя (рисунок авторов)
Анализ результатов
1 01 е+004 1(0.000., 1Д16*04) |
0 000 50.4 101 151 202 252
Т|те (зес)
Д
Рисунок 4. Положение деформируемой трубы относительно конусного участка профилированной иглы с а = 30°и радиусом скругления И = 50мм на различных стадиях
раздачи (рисунок авторов)
В этот момент усилие раздачи резко достигает первого экстремума. Далее происходит некоторое снижение усилия. Это объясняется тем, что при увеличении поперечных размеров краевой части трубы уменьшается усилие, необходимое для создания изгибающего момента, образующего первый участок свободного изгиба при внеконтактной деформации, а также и сила трения по шейке иглы, рис. 4б.
По мере увеличения объема очага деформации вновь отмечен более плавный рост усилия деформирования, рис. 4в, до момента достижения второго экстремума. При последующем перемещении трубы усилие несколько снижается. Наружный диаметр краевой части трубы начинает уменьшаться и спрямляться. При этом наблюдается некоторый рост усилия, рис. 4г. Далее наступает стадия установившегося процесса раздачи, рис. 4д.
В процессе раздачи в трубе возникают окружные Од и меридиональные о2 напряжения, неравномерно распределенные по объему очага деформации, рис.5. Знаки напряжений определяются положением рассматриваемого сечения в очаге деформации. В местах изгиба участков трубы, расположенных в области потери контакта трубы с шейкой иглы и в области сопряжения конусного и цилиндрических участков, исходя из распределения меридиональных напряжений наблюдаются зоны растяжения и сжатия по толщине стенки трубы. В области первого изгиба в наружных слоях меридиональные напряжения сжимающие, а в внутренних - растягивающие. В области второго изгиба знаки меридиональных напряжений по толщине стенки трубы меняются на противоположные. В области внеконтактной деформации меридиональные напряжения вновь меняют знак, уменьшаясь по величине, и создают изгибающий момент для спрямления изогнутых элементов трубы за счет смещения зон растяжения и сжатия относительно друг друга в меридиональном направлении. Окружные напряжения из сжимающих переходят в растягивающие, увеличиваясь от наружной поверхности к внутренней, что и приводит к потере контакта трубы с иглой. В зоне радиусного перехода сжимающие окружные напряжения достигают наибольших значений по абсолютной величине, а на наружной поверхности они растягивающие. По мере продвижения трубы в области внеконтактной деформации ад уменьшается постепенно до нулевых значений.
Рисунок 5. Распределение меридиональных о2 и окружных Од напряжений при раздаче труб
прессованием (рисунок авторов)
Труба в процессе раздачи на конусном участке прессовой иглы претерпевает определенную деформацию, обусловленную механизмом процесса [2-8]. Величина деформации, определяемая параметрами процесса раздачи, зависит, главным образом, от соотношения толщины стенки утолщения tут и толщины стенки основного сечения трубы переменного сечения *;осн £уТЛосН(*1), угла конусного участка а(5?2) и радиусного перехода на границе сопряжения конусного и цилиндрического участков Р(хз). Поэтому представляет известный интерес изучения совместного влияния этих факторов на усилие раздачи Р, приращение внутреннего диаметра трубы вследствие внеконтактной деформации ДД,
уменьшения толщины стенки утолщения (д~) • 100%, изменение наибольших и наименьших
меридиональных напряжений а2 тах (наружная поверхность) и а2 (внутренняя поверхность) в зоне сопряжения конусного и цилиндрического участков иглы, максимального отклонения внутренней трубы Д от места сопряжения шейки и конуса бурта иглы.
Исследование проводили по плану полного факторного эксперимента 23 [14]. Согласно априорной информации [2-8] приняты следующие интервалы варьирования факторов: Х1=1,2...1,8, Х2=10°...30°, хз=10...50 мм, табл. 1.
Таблица 1
Условия проведения и результаты численных экспериментов
Номер опыта tyT ^осн а град R мм P КН Д£ ~ мм Д^р ут tyT % Д мм Oz max МПа Oz rnín МПа
1 1,8 30 50 252 5,7 6,4 4,7 39 -79
2 1,2 30 50 150 5,5 5,8 4,8 40 -77
3 1,8 10 50 22 6,4 6,1 3,1 6 -14
4 1,2 10 50 14 5,2 5,4 3,1 6 -11
5 1,8 30 10 320 6,6 7,8 5,9 33 -76
6 1,2 30 10 183 7,5 5,0 5,4 34 -78
7 1,8 10 10 21 6,4 6,4 2,8 5 -14
8 1,2 10 10 16 5,8 5,4 3,1 6 -11
В результате обработки численных экспериментальных данных получены уравнения регрессии
P = 122,2+31,5xi +104x2 -12,7хз +28,2xix2-12,4x2x3-4xix3-4,6xix2x3, = 6,12+0,14x1 +0,20X2 -0,44X3-0,32X1X2-0,28X2X3+0,20X1X3,
(Д^ • 100) = 5,32+0,64x1 +0,21X2-0,11X3 +0,21X1X2-0,26X1X3-0,24X1 Х2 *э,
°zmax = 21,11-0,50X1 +15,34x2 +1,70X3 +4,6X1 Х2 Х3, azm¿n = -45-0,75x1-32,50x2 +0,75X1X2-0,5X1X3-0,5X1 Х2 X?, Д = 4,11+1,09x2 -0,19X3 +0,09X1X2-0,26X2X3-0,11X1 Х2 *э,
Хл -1,5 Хп -20 -30
гдех-. = —-, х2 = —-, х3 = —-.
1 0,3 ' 2 10 ' 3 20
Из анализа полученных уравнений видно, что главный параметр, влияющий на изменение усилия раздачи - это угол конусного участка иглы. С уменьшением угла а усилие раздачи существенно снижается. Увеличение радиуса скругления приводит к падению усилия раздачи, а параметра tyT/t0CH наоборот - росту усилия.
Приращение внутреннего диаметра трубы в зоне внеконтактной деформации АД тем больше, чем больше £уТА0сн и угол наклона образующей конусного участка а. Увеличивая радиус скругления можно существенно снизить величину приращения АД. Зная АД, нетрудно определить диаметр цилиндрического участка бурта, при котором после раздачи получится требуемый внутренний диаметр готовой трубы.
Утонение стенки трубы после раздачи изменяется в интервале (5,0-7,8%) и зависит главным образом от величины ?уТ/?0сн. Учет утонения стенки при расчете диаметра шейки иглы позволит получить требуемую толщину стенки утолщения готовой трубы.
На распределение меридиональных напряжений, действующих в поверхностных слоях в переходной зоне конусного и цилиндрического участков бурта, наиболее сильное влияние оказывает конусность бурта. При углах конусности 10° и 30° меридиональные напряжения отличаются друг от друга в 5-7 раз. Это объясняется тем, что с уменьшением а возрастает протяженность зоны деформирования и соответственно, длина иглы, при создании изгибающего момента.
Максимальное отклонение внутренней поверхности трубы А от места сопряжения шейки и конусного участка иглы изменяется в интервале 3,1 - 5,9 мм. Наибольший вклад в величину А вносит угол конуса бурта и совместное влияние угла конуса бурта и радиуса скругления. Для уменьшения А целесообразно в месте сопряжения шейки иглы и конуса выполнить радиусный переход.
Заключение
Компьютерное моделирование позволило провести анализ силовых и деформационных параметров процесса раздачи при горячем прессовании трубы с наружными утолщениями на концах с учетом радиусного перехода на коническом и цилиндрическом участках профилированной иглы.
Установлен характер изменения усилия раздачи прессованием и особенности формоизменения в зависимости от перемещения деформируемой трубы по профилированной игле.
Получены математические модели, связывающие усилие раздачи, приращение внутреннего диаметра и изменение толщины стенки трубы в зоне внеконтактной деформации в зависимости от основных факторов процесса: геометрии трубы, угла конусного участка иглы и радиуса скругления, плавно соединяющего конический и цилиндрический участки бурта иглы. Из уравнений следует, что увеличение радиуса скругления приводит к заметному уменьшению приращения внутреннего диаметра трубы, чем больше толщина стенки трубы тем значительнее ее утонение, а с снижением угла конуса бурта существенно уменьшает усилие раздачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Файн, Г.М. Состояние и перспективы производства и применение труб нефтепромыслового сортамента из алюминиевых сплавов [Текст] / Г.М. Файн, Е.М. Макаров - Территория Нефтегаз, 2007, №5 - с. 66-71.
2. Ерманок, М.З., Каган А.С., Головинов М.Ф. Прессование труб из алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1976. 248 с.
3. Каган, Л.С., Ерманок М.З., Ерохов В.К. Прогрессивная технология прессования бурильных труб переменного сечения из алюминиевых сплавов. М.: Из-во ин-та "Цветметобработка". 1969. 48 с.
4. Каранашев, Р.А. Совершенствование процесса производства бурильных труб из алюминиевых сплавов. Автореферат дис. канд. тех. наук. 05.15.05. М.: 1993. 24 с.
5. Каган, Л.С. Разработка научных основ прессования с раздачей и технологии производства труб переменного сечения из алюминиевых сплавов. Автореферат дис. канд. тех. наук. 05.15.05. М.: Вилс, 1992. 36 с.
6. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
7. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение. 1977. 278 с.
8. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубич И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд. МВТУ им. Н.Э. Баумана. 2003. 408 с.
9. Непершин, Р.И. Раздача тонкостенной трубы криволинейным жестким пуансоном // Вестник МГТУ Станкин. 2009, №4, с. 54-60.
10. Подкустов В.П., Шевакин И.Ф. Интенсификация процессов производства труб. М.: Изд-во ВЗМИ, 1972, с. 193-202.
11. Каранашев, Р.А. Определение внутреннего диаметра при прессовании бурильных труб с наружным утолщением // Технология легких сплавов, 1991, №8, с. 18-20.
12. Каган Л.С., Головинов М.Ф., Кокоуров В.Н., Ерохов В.К. Расчет инструмента для прессования труб переменного сечения // Технология легких сплавов, 1973, №6, с. 98-99.
13. Каргин В.Р., Быков А.П., Каргин Б.В., Ерисов Я.А. Моделирование процессов обработки металлов давлением в программе DEFORM-2D. Самара. Изд-во МИР, 2011. 170 с.
14. Адлер Ю.П., Марков Е.В., Граковский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука. 1976. 278 с.
Afanasyev Aleksandr Evgenyevich
Samara State Aerospace University, Russia, Samara E-mail: alexander. afanasiev@alcoa. com
Kargin Vladimir Rodionovih
Samara State Aerospace University, Russia, Samara E-mail: vrkargin@mail.ru
Kargin Boris Vladimirovich
Samara State Aerospace University, Russia, Samara E-mail: kargin163@gmail.com
Computer analysis of distribution tubes pressing
Abstract. Computer modeling of distribution of pipes by hot pressing by method of final elements in the program DEFORM 2D complex is carried out. The schedule of change of effort of distribution depending on process time is received. Authors have shown dynamics of change of geometry of a deformable pipe of rather conical site of the pro-thinned-out needle. Distribution of meridional and tangential normal tension on the volume of the center of plastic deformation is described. On the basis of complete factorial numerical experiment joint influence of a corner of a cone of a projection, rounding off radius in a zone of interface of conic and cylindrical sites of the pro-thinned-out needle is established, to preparation geometry on effort of distribution, an increment of size of internal diameter of a pipe owing to out of contact deformation, reduction of a wall of a pipe, size of the maximum meridional tension and a deviation of an internal surface of a pipe from the place of interface of a neck and a cone of a needle.
Keywords: distribution of pipes; tool geometry; hot pressing; exterior bulges; drill pipe; out of contact deformation; energy power conditions; the intense deformed state
REFERENCES
1. Fain, G.M. State and prospects of production and application of pipes of an oil-field range from aluminum alloys. Territoriya Neftegaz, 2007, No5. P 66-71.
2. Ermanok, M.Z., Kagan A.S., Golovinov M.F. Pressing of pipes from aluminum alloys. Moscow, Metallurgiya, 1976. P. 248.
3. Kagan, L.S., Ermanok M.Z., Erokhov V.K. Progressive technology of pressing of boring pipes of variable section from aluminum alloys. Pub. "Tsvetmetobrabotka". 1969. P. 48.
4. Karanashev, R.A. Improvement of process of production of boring pipes of aluminum alloys. Abstract of the thesis. 05.15.05. 1993. P. 24.
5. Kagan, L.S. Development of scientific bases of pressing with distribution and production technologies of pipes of variable section from aluminum alloys. Abstract of the thesis. 05.15.05.Vils, 1992. P. 36.
6. Averkiev, Yu.A., Averkiev A.Yu. Technology of cold stamping. Moscow, Mashinostroenie, 1989. P. 304.
7. Popov, E.A. Bases of the theory of sheet stamping. Moscow, Mashinostroenie. 1977. P. 278.
8. Popov, E.A., Kovalev V.G., Shubich I.N. Technology and automation of sheet stamping. MVTU name N.E. Baumana. 2003. P. 408.
9. Nepershin, R.I. Distribution of a thin-walled pipe curvilinear rigid punch. Vestnik MGTU Stankin. 2009, No4, P. 54-60.
10. Podkustov, V.P., Shevakin I.F. Intensification of processes of production of pipes. Pub. VZMI, 1972, P. 193-202.
11. Karanashev, R.A. Determination of internal diameter when pressing boring pipes with an external thickening. Moscow, Technology of easy alloys, 1991, No8, P. 18-20.
12. Kagan, L.S., Golovinov M.F., Kokourov V.N., Erokhov V.K. Calculation of the tool for pressing of pipes of variable section. Moscow, Technology of easy alloys, 1973, No6, P. 98-99.
13. Kargin, V.R., Bykov A.P., Kargin B.V., Erisov Ya.A. Modeling of processing of metals pressure in the DEFORM-2D program. Samara. Pub. MIR, 2011. P. 170.
14. Adler, Yu.P., Markov E.V., Grakovskii Yu.V. Planning of experiment by search of optimum conditions. Pub. Moscow, Science. 1976. P. 278.
