CC BY
28
Теоретический анализ износа калибров в процессе прокатки круглых прутков
Дыя X., Сыгут М.
Thanks to the use of new technology, the metal pressure force on
the rolls in modified moulds in rolling of rounds has decreased, that
resulted in 10-20% reduction of work rolls wear-out. 30
Keywords: rounds, roll pass design, mathematical modeling, finite-element method. 31
References
20. Byon S. M., Kim S. I., Lee Y. A semi analytical model for predicting the wear contour in rod rolling process. J. Mat. Proc. Technology, vol. 191, 2007, pp. 306-309. 32.
21. Danchenko V., Dyja H., Lesik L., Mashkin L., Milenin A.: Technologia i modelowanie procesów walcowania w wykrojach. Politechnika Czqstochowska, Metalurgia, Cz^stochowa, 2002, no. 28.
22. Mróz S., Szota P., Stefanik A.: Numeryczne modelowanie zuzycia wykrojów podczas walcowania ksztattownika tebkowego HP 220. Archiwum 33. Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 30, no 3, 2010, pp. 160-168.
23. Chenot J.L., Fourment L., Coupez T., Ducloux R., Wey E.: Forging and Related Technology. Birmingham, 1998, p. 113. 34.
24. Hoff N.J. Approximate Analysis of Structures in the Presence of Moderately Large Steps Deformation. Quart, Appl. Mech., 1954, 2, p. 49.
25. Norton F.H. Creep of Steel at High Temperature. McGraw Hill, New York, 1929. 35.
26. Kocanda A. Okreslenie trwatosci narz^dzia w obróbce plastycznej metali. 36. Informatyka w technologii metali, praca zbiorowa. Ed. A. Pieli, F. Grosmana, J. Kusiaka, M. Pietrzyka, Gliwice 2003, pp. 148-188.
27. Archard J. F. Contact and rubbing of flat surfaces. Journal of Applied 37. Physics, vol. 24, no. 8, 1953, pp. 981 -988.
28. Gavrus A, Massoni E, Chenot J.L. An inverse analysis using a finite element model for identification of rheological parameters. Journal of Materials Pro- 38. cessing Technology, 1996, vol. 60, p. 447.
29. Lesik L., Dyja H., Mróz S.: Inter-stand deformation of strip during the rolling
process. The Chinese Society for Metals CSM 2001 Annual Meeting Proceedings, Beijing, 2001, pp. 350-354.
Sygut M.: Teoretyczno doswiadczalna analiza procesu walcowania w modyfikowanych wykrojach wydtuzajqcych. Praca doktorska, Czçstochowa, 2011.
Lesik L., Mróz S., Dyja H.: Wytwarzanie prçtôw okr^gtych w zawçzonym zakresie tolerancji wymiarowej. Materiaty Konferencyjne II Miçdzynarodowej Sesji Naukowej pt.: Nowe technologie i osi^gniçcia w metalurgii i inzynierii materiatowej, Seria: Metalurgia nr 19, Wydawnictwo Politechniki Czçstochowskiej, Czçstochowa, 2001, pp. 65-68. Dyja H., Mróz S., Sygut P., Sygut M. Technologia i modelowanie procesu walcowania pr^tów okrqgtych o zawçzonej tolerancji wymiarowej, Wydawnictwo Wydzialu Inzynierii Procesowej, Materiatowej i Fizyki Stosowanej Politechniki Czçstochowskiej, Seria: Monografie, no. 27, Czçstochowa, 2012.
Dyja H., Sygut M. Wptyw zastosowania wykrojów modyfikowanych na
parametry sitowe wyst^pujqce podczas walcowania pr^tów okrqgtych.
Hutnik-Wiadomoscihutnicze, 2012, no. 5, pp. 308-311.
Sygut M., Kawatek A., Dyja H. Ekonomiczny aspekt wykorzystania
wykrojów modyfikowanych podczas walcowania pr^tów okr^glych.
Materiaty Konferencyjne XVI Konferencji Innowacje w Zarzqdzaniu i
InzynieriiProdukcji, Zakopane 2013, pp. 677-686.
Celikov A. I., Grishkov A. I. Teorjaprokatki. Metallurgija, Moskva, 1970.
Mróz S. Proces walcowania pr^tów z wzdtuznym rozdzieleniem pasma.
Wydawnictwo Politechniki Czçstochowskiej, Seria MONOGRAFIE,
no. 138, Czçstochowa, 2008.
Szota P., Mróz S., Stefanik A., Dyja H. Numerical modelling of the working rolls wear during rods rolling process. Archives of Metallurgy and Materials, 2/2011(vol. 56,), pp. 495-501.
Szota P., Mróz S., Stefanik A.: Numeryczne modelowanie zuzycia ciqgadet podczas ciqgnienia drutu okrqgtego. Hutnik-Wiadomosci hutnicze, 2011, no. 1, pp. 138-141.
УДК 621.777
Розов Ю.Г.
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНАЯ МОДЕЛЬ ВОЛОЧЕНИЯ ТРУБЧАТОЙ ЗАГОТОВКИ НА ПРОФИЛЬНОЙ ОПРАВКЕ В КОНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ
Аннотация. Ствол стрелкового оружия требует особой тщательности при проектировании и изготовлении, в особенности при профилировании внутренней полости так называемого канала ствола. Изготовление стволов методами пластической деформации в настоящее время достаточно актуально. Однако традиционные аналитические методы анализа не позволяют получить точные расчеты основных параметров технологических процессов изготовления стволов. В данной работе представлены результаты компьютерного моделирования процесса формообразования внутренней поверхности ствольной заготовки полигонального профиля волочением в гладкой конической матрице с фиксацией (центрированием) заготовки по калибрующему пояску с помощью метода конечных элементов.
Ключевые слова: моделирование, волочение, трубчатая заготовка, профильная оправка, ствол, канал ствола, профиль,
Одной из важных задач механики деформируемого твердого тела является исследование напряженно-деформированного состояния материалов при формообразовании прецизионных трубчатых заготовок с заданным внутренним профилем.
Особое значение эти задачи приобретают в современном оружейном производстве, где в настоящее время широко используются методы пластического деформирования при изготовлении такой сложной и ответственной детали с повышенными эксплуатационными свойствами, как ствол стрелкового оружия.
Ствол стрелкового оружия - это самая важная и ответственная деталь, непосредственно в которой, за счет тепловой энергии от сгорания порохового заряда, определяются параметры внутренней баллистики: линейная и угловая скорость пули при ее движении в канале ствола, направление и начальная скорость пули в момент ее вылета из ствола. Поэтому ствол требует особой тщательности при проектировании и изготовлении.
Каналы стволов (внутренние полости стволов) по
своему строению примерно одинаковы и отличаются лишь патронником, количеством и формой нарезов, или дорожек (полигонов).
Полигональный профиль - это профиль, который в поперечном сечении ствола имеет форму одной из геометрических фигур. Наибольшее распространение получили стволы с шестиугольным профилем (рис. 1). В настоящее время применена в пистолете «Глок», пистолете-пулемете «Эльф» конструкции КБ СТ (Украина), пистолете-пулемете «Каштан» (Российская Федерация) и др.
Получить профиль ствола полигонального типа можно волочением через гладкую коническую матрицу ствольной заготовки на профильной подвижной оправке (рис. 2).
Задача определения тянущего усилия при волочении трубы на подвижной оправке решалась многими исследователями: в Германии - Е. Зибелем, А. Гелей, в СССР - П.Т. Емельяненко, Л.Е. Альшевским, С.И. Губкиным, И.Л. Перлиным [1-3 и др.].
струкций на ЭВМ.
Рис. 1. Схема полигонального профиля
Полученные результаты для определения напряжения волочения отличаются по форме из-за принятых при выводе допущений, в частности различий в учете сил трения и упрощений математического характера. Следует отметить, что принимаемые при анализе допущения в одних случаях не соответствуют статическим граничным условиям, в других - геометрическим условиям (принятые в качестве главных плоскости в действительности не являются таковыми). Кроме того, ввиду принятых в приведенных ра-ботах допущений, расчеты пригодны для определения энергосиловых параметров в первом приближении и, как правило, дают завышенные на 10-20% значения усилия и работы деформации [4].
Современные компьютерные методы моделирования позволяют с высокой точностью определять энергосиловые параметры, анализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) процесса и, самое главное, оценить точность изготовления профиля, то есть степень отклонения профиля детали от профиля оправки.
Целью работы является проведение анализа напряжённо-деформированного состояния заготовок при формообразовании внутренней поверхности ствола полигонального профиля волочением на подвижной оправке в гладкой конической матрице с фиксацией (центрированием) заготовки по калибрующему пояску с использованием методов численного моделирования.
Развитие методов численного решения краевых задач математической физики с использованием возможностей современной вычислительной техники вызвало бурный рост компьютерных методов моделирования и решения упомянутых выше задач без существенных упрощений и допущений. На сегодня именно они являются основным инструментом исследования процессов и операций обработки металлов давлением, оттеснив на второй план традиционные в недалеком прошлом «аналитические» методы. Последние из них сейчас чаще всего используются на предварительной стадии создания компьютерной модели и оценки некоторых ее параметров.
Метод конечных элементов (МКЭ) - основной метод современной вычислительной математики, лежащий в основе подавляющего большинства современных программных комплексов, предназначенных для выполнения расчетов инженерных кон-
Рис. 2. Схема процесса прессования-волочения через гладкую коническую матрицу: 1 - матрица; 2 - заготовка; 3 - оправка с профилем; 4 - задний упор; 5 - захват
МКЭ позволяет практически полностью автоматизировать расчет механических систем, хотя, как правило, требует выполнения значительно большего числа вычислительных операций по сравнению с классическими методами механики деформируемого твердого тела, но вполне преодолимых, благодаря современной персональной вычислительной технике, что способствует широкому внедрению МКЭ в практику инженер ных расчетов.
В данной работе эти задачи решались с помощью пакета прикладных программ ВЕРОЯМ-ЭВ, основанного на использовании метода конечных элементов (МКЭ) [5].
Были приняты следующие исходные данные:
• Материал заготовки - сталь 30ХН2МФА.
• Наружный диаметр заготовки - 16 мм.
• Внутренний диаметр - 9,02 мм.
• Площадь поперечного сечения оправки - 62, 91 мм2.
• Диаметр матрицы - 15 мм.
• Рабочий угол матрицы - 10 град.
• Степень деформации - 0,072.
При моделировании исходные механические свойства для стали 30ХН2МФА задавались следующими: модуль Юнга 2,1-10 МПа, коэффициент Пуассона 0,3, предел текучести а0 2=490 МПа.
Диаграмму истинных напряжений описывали, как функцию:
Г
а £ — ^ £
л
в 7, в, Т
где а£ - интенсивность напряжений; 8г- - интенсивность деформаций; 8 - скорость деформаций; Т - температура.
Конечно-элементная модель волочения трубчатой заготовки на профильной оправке...
Розов Ю.Г.
Трение учитывали на контактных поверхностях инструмента и задавали коэффициент трения ц=0,08. Деформирующий инструмент принимали абсолютно жёстким.
В результате моделирования была установлена возможность получения профильной поверхности на внутренней поверхности ствольной заготовки. За счет пластической деформации, вследствие обжатия по оправке с винтообразными полигональными дорожками, формируется внутренняя поверхность канала ствола, при незначительном относительном удлинении заготовки в осевом направлении.
Компьютерным моделированием были определены параметры напряжённо-деформированного состояния в очаге деформации, использование ресурса пластичности, конечная геометрия изделия, распределение удельных усилий на поверхности контакта заготовки с инструментом, а также зависимость усилия волочения от перемещения металла в матрице (волоке).
В результате проведенного анализа определены значения основных параметров и получены следующие диаграммы:
• распределение поврежденности в объёме деформированного металла;
• распределение интенсивности деформации £,-;
• распределение интенсивности напряжений сг-;
• распределение нормальных напряжений на контактных поверхностях заготовки с инструментом;
• распределение скорости деформации;
• зависимость усилия обжатия от перемещения пуансона;
• изменение максимального расстояния между плоскостью полигона оправки и поверхностью ствольного отверстия в процессе волочения.
Расчетная зависимость усилия волочения от перемещения матрицы показана на рис. 3, при этом максимальное значение усилия процесса составило 25.7 кН.
Формирование профиля в поперечных сечениях ствольной заготовки оценивалось по изменению расстояний между плоскостью дорожки на оправке и внутренней поверхностью заготовки.
Load Prediction
Z Load (tons-English) 2.67
2.26
1.85
1.44
1.03
0.616
-..................
/ _ „ (15.9,2.51) " / — Bottom Die
! \ \
/ | |
................... ,, i
0.000
3.34
10.0
13.4
16.7
Stroke (mm)
Рис. 3. Зависимость усилия обжатия от перемещения пуансона
На рис. 4, а показано исходное положение заготовки и оправки, когда расстояние между ними максимально (наибольшее расстояние в середине дорожки). По мере прохождения конического участка матрицы это расстояние уменьшается (рис. 4, б, в) ив заключении незаполненный зазор остается только у переднего конца, где находилась центрирующая проточка, а также у заднего конца, не прошедшего конический участок матрицы (рис. 4, г).
Рис. 4. Изменение максимального расстояния между плоскостью полигона оправки и
поверхностью ствольного отверстия в процессе волочения: а - внешний вид заготовки до обжатия; б - заготовка после обжатия на 1/3 длинны; в - заготовка после обжатия на 2/3 длинны; г - заготовка после полного обжатия
Следует отметить, что указные зазоры нисколько не влияют на качество полуфабриката ствола, так как в этих местах он подлежит механической обработке -у переднего конца для образования защитного от забоев углубления, а у заднего - для расточки под патронник.
Выводы
1. С целью повышения точности анализа процесса формообразования внутренней поверхности ствольной заготовки полигонального профиля волочением в гладкой конической матрице с фиксацией (центрированием) заготовки по калибрующему пояску проведено компьютерное моделирование процесса с помощью пакета прикладных программ БЕГОКМ-ЗБ, основанного на использовании метода конечных элементов.
2. Компьютерным моделированием определены параметры НДС в очаге деформации, использование ресурса пластичности, конечная геометрия изделия, распределение удельных усилий на поверхности контакта заготовки с инструментом, а также зависимость усилия волочения от перемещения металла в матрице (волоке).
Список литературы
1. Geleji A. Bildsame Formung der Vttalle in Rechnung und Versuch Akademie Verlag. Berlin, 1960. 754 s.
2. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. M.: Металлургиз-дат, 1961. т. III. 360 с.
3. ПерлинЛ.И., ЕрманокМ.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. 448 с.
4. Данченко В.Н., Гринкевич В.О., Головко О.М. Теория процессов обработки металлов давлением. Днепропетровск: Пороги, 2008. 369 с.
5. DEFORM™ 3D. Version 6.1 User's Manual Scientific Forming Technologies Corporation, 2008. 420 p.
Сведения об авторе
Розов Юрий Георгиевич - канд. техн. наук, доц., проректор по учебной работе Херсонского национального технического университета, Украина. Тел.: +38 (050) 494 55 66. E-mail: rozovu@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
FINITE ELEMENT MODEL OF THE TUBULAR BLANK DRAWING ON THE SHAPED MANDREL IN THE CONICAL MATRIX
Rozov Yuriy Georgievich - PhD (Eng.), associate professor, Vice Rector for Academic Affairs, Kherson National Technical University (KNTU), Ukraine. Phone: +38 (050) 494 55 66. E-mail: rozovu@mail.ru.
Abstract. The barrel of the small arms requires great care in the design and production, especially in the internal cavity shaping so called bore. The production of barrels by means of plastic deformation is currently important. However the traditional analytical methods of analysis fail to provide accurate calculations of the critical parameters of the barrel manufacturing processes. This paper presents the computer simulation results of the forming process of the polygonal profile blank inner surface by dragging in a smooth tapered matrix release (centering) of the blank by the caliber of the girdle, using the finite element method.
Keywords: simulation, dragging, tubular blank, shaped mandrel, barrel, bore, shape.
References
1. Geleji A. Bildsame Formung der Vttalle in Rechnung und Versuch Akademie Verlag. Berlin, 1960. 754 s.
2. Gubkin S.I. Plastic deformation of metals. Moscow: Metallurgizdat, 1961, vol. III, 360 p.
3. Perlin L.I., Perlin L.I., Ermanok M.Z. Theory drawing. Moscow: Metallurgy, 1971, 448 p.
4. Danchenko V.N., Grinkevich V.O., Golovko O.M. Theory of processes of metal working by pressure. Dnepropetrovsk: Porogy, 2008, 369 p.
5. DEFORM™ 3D. Version 6.1 User's Manual Scientific Forming Technologies Corporation, 2008. 420 p.
