Механизмы снижения усилий гибки труб при их раскатывании с большими натягами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.774

Козлов A.B., Шеркунов В.Г., Хилькевин Я.М.

МЕХАНИЗМЫ СНИЖЕНИЯ УСИЛИЙ ГИБКИ ТРУБ ПРИ ИХ РАСКАТЫВАНИИ С БОЛЬШИМИ НАТЯГАМИ

В ряде работ [1-3] нами было показано, что воздействие на изгибаемую трубу вращающимся деформирующим инструментом, например раскатником, может привести к существенному снижению изгибающих усилий, повышению качества получаемых изделий и расширению возможностей холодной гибки труб (рис. 1). Эю позволило предположить, что возможно разработать параметры новой технологии холодной гибки труб с дополнительным воздействием на изгибаемую трубу вращающимся раскатником, заведенным в трубу с большим натягом.

Мы считаем, что в явлении снижения усилий гибки при раскатывании труб возможно участие двух механизмов.

Рис. 1. Схема гибки труб с раскатыванием

Рис. 2. Деформация стенок трубы вращающимся шариковым раскатником

Теоретические обоснования этого способа холодной гибки были предварительными и весьма приблизительными [2, 4].

При раскатывании тонкостенной трубы с большими натягами возникает сложное пространственное напряженное состояние трубы далеко за пределами упругости в зоне контакта и облегания трубой деформирующего элемента.

С достаточной точностью это физическое явление может быть лишь численно смоделировано трехмерной моделью цилиндрической оболочки, находящейся в условиях контактной задачи в упругопластическом состоянии.

Но, к сожалению, и при численном моделировании вычленить главные теоретические механизмы явления достаточно затруднительно. Поэтому некоторые приближенные оценки с этой точки зрения могут быть полезны. Тонкая стенка трубы облегает поверхность шарика и принимает кривизну, примерно равную его радиусу (с учетом толщины стенки) как в продольном, так и в поперечном направлениях (рис. 2).

Так, например, для гибки с раскатыванием стальных водогазопроводных труб диаметром 100 мм с толщиной стенки 3-4 мм мы применяли шарики диаметром 30-40 мм.

Тогда из известной формулы 2у=2рстт/Е имеем толщину упругого слоя порадка 0,1 мм, что по сравнению с толщиной стенки величина пренебрежимо малая. Таким образом, можно прйэлиженно полагать, что в трубе наблюдаются пластические шарниры как в продольном (рис. 3), так ив окружном направлениях (рис. 4).

Изгибающий трубу момент раскладывается на пару сил, сжимающую в нижней части трубу и растягивающую в верхней ее части.

Поэтому есть смысл рассмотреть, как влияют на сопротивление растягивающей силы (или сжимающей, что эквивалентно) моменты, изгибающие растягиваемый элементе образованием пластических шарниров.

Из предварительных теоретических оценок выяс -няется, что и в случае, когда растягивающая сила и изгибающий момент лежат в одной плоскости (механизм 1), ив случае, когда эти сила и момент лежат в перпендикулярных плоскостях (механизм 2), величина растягивающей силы может быть как угодно мала.

Для уяснения первого механизма рассмотрим стержень шириной, равной единице, нагружаемый знакопеременным моментом М, так что средняя линия принимает кривизну ±1/р (рис. 5). Пусть относительная толщина стержня И/р достаточно велика, чтобы пренебречь толщиной упругого слоя (2у).

При приложении к стержню растягивающих сил К, как бы ни были малы эти силы, пластические шарниры

становятся асимметричными, а нейтральный слоисдви-гается на величину £ Нетрудно видеть, что !=К/2стт.

При изгибе только нейтральный слой не испытывает ни удлинения, ни укорочения, следовательно, средний слой стержня и в верхнем, и в нижнем положении, то есть при изгибе обоих знаков, испытывает удлинение, равное

М = - í, р

а за полный цикл знакопеременного изгиба удлинение составит

А/ 2А/' -

2/£

р

I л.

Р °т

мЪ'

N

т

м

Рис. 3. Образованнейластических шарниров при продольных циклических нагрузках

Рис. 4. Образованнейластическихшарниров при поперечных циклических нагрузках

знакопеременного изгиба

Рис. 6. Распределениенапряжений при раздаче раскатываемой трубы

Рассмотрим более подробно действие второго механизма. Как известно, пластические деформации пропорциональны и коллинеарны девиатору напряжений:

81= 1,5 К [о! -оср];

82=1,5 К[02 - оср];

8з=1,5 К[оз - оср],

где Зсср = С1 + с2 + сз.

В слое, где растягивающее окружное напряжение, равное пределу текучести (рис. 6), с1 = от, ас3 = 0, то

01=1,5 К[от - (02 + ст)/3];

02= 1,5 К[02 - (02 + от)/3].

Деформация продольного растяжения будет е2>0, если растягивающее напряжение с 2 > 0,5ст.

Если оба напряжения одного знака, то даже если одно достигло ст, второе, тем не менее, должно быть не меньше 0,5ст.

Если же в сжатом слое с 1=-ст,ас3=0, то

01=1,5 К[-От - (02 - ст)/3]; 02=1,5 К[02 - (02 - От)/3].

То есть е2 >0, даже если с2 = 0 (точнее, уже при с2> -0,5ст).

Таким образом, при окружном растяжении оболочки нужно продольно растягивать половинным предельным нагружением, тогда как при окружном сжатии осевая растягивается сама. Однако оказывается, что зоны пластического шарнира вообще не оказывают сопротивления осевым напряжениям, поскольку необходимо рассматривать совместное решение для растягиваемого и сжимаемого при изгибе слоев выделенного элемента. Сжимаемая половина ширины оболочки «тянет» вторую, растягиваемую Головину в продольном направлении. Тогда сопротивление заштрихованной части близко к нулю. Заметим, что даже если они друг друга «тянут» неравномерно, после поворота раскатки на угол л/п (где п - чшло шариков), сжимаемая и растягиваемая половины поменяются мес -тами (пластический шарнир другого знака). Так что в среднем все будет равномерно.

Таким образом, при гибке труб с раскатыванием имеет место суммарное действие обоих механизмов, что существенно снижают необходимые для удлинения наружной или укорочения внутренней стенок силы растяжения илисжатия соответственно.

Рис. 7. Внешний вид

Рис. 8. Роликовая вальцовка экспериментальной установки

Рис. 9. Роликовая раскатка с 3-мя деформирующими роликами

Для проверки описанных выше механизмов была произведена серия принципиальных экспериментов.

В частности, была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для проверки первого механизма.

Установка состоит из подвески 1, в которой жестко защемлен испытуемый образец 2 (рис. 7). Образец представляет собой свинцовую голосу длиной 300 мм, шириной 10 мм и толщиюй 1 мм. Предел прочности при растяжении 10-12 МПа (1-1,2 кг/мм2). Циклические знакопеременные нагрузки создавались специальной роликовой вальцовкой, перемещаемойвдоль полосы (рис. 7, 8).

В результате проведенных экспериментов получены следующие данные.

Измерением отмечено удлинение полосы в пределах 3-4 мм за один двойной ход вальцовки при рабочей нагрузке 3 кг. Эго составляет 0,3 кг на один миллиметр толщины, что значительно меньше исходной прочности. За один двойной ход вальцовки (4Д/) полоса удлинялась на 3-4 мм, поскольку при f=0,3 мм I составляло 200 мм, а р - 20 мм. В целом до разрыва суммарное удлинение полосы составило 70-80 мм.

Испытаниям подверглись также образцы из лис -товой меди и алюминия. В целом удлинение медной полосы сечением 5^2 мм составило 1-2 мм на двойной ход вальцовки при рабочей нагрузке 19-20 кг. Значительно медленнее происходило удлинение полосы из алюминия размером поперечного сечения 5^1 мм. Оно составило 0,1-0,2 мм на двойной ход инструмента при растягивающей нагрузке 9,5 кг.

Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о существовании закономерности необратимого пластического сжатия или растяжения элемента вдоль действия сил произвольного направления и величины при циклическом знакопеременном изгибе тонкостенного упругопластического элемента, с образованием пластических шарниров, во много раз меньшей величины силы, при которой должна начаться пластическая деформация данного элемента, в отсутствие циклического изгиба.

Предположительно этот же механизм отвечает и за раздачу раскатываемых трубы или кольца от действия растягивающих окружных реакций. При небольшом числе шариков или роликов растягивающие кольцо силы малы, во много раз меньше, чем необхо-

ІС

Рис. 10. Деформирующая головкадля продольного изгибаполосы ---------------------------------------Вестник МГТУ им. Г. И. Но сова. 2009. № 4.

Мизг,

кНм

Рис. 11. График зависимости изгибающего момента от натяга

димая в статике сила текучести или разрыва. Однако с каждым оборотом раскатки (рис. 9) диаметр и длина окружности трубы и кольца неуклонно увеличиваются. В экспериментах раскатывалось тонкостенное алюминиевое кольцо диаметром 70 мм с толщиной стенки 1 мм, шириной 20 мм. Начальный натяг составил 2,5 мм. Удлинение кольца составило 6 мм за 10 оборотов раскатки.

Подобные знакопеременные циклические нагруз-ки в продольном и поперечном сечениях испытывает и изгибаемая труба, раскатываемая инструментом с небольшим числом деформирующих элементов.

Для проверки действия второго механизма была изготовлена деформирующая головка, состоящая из двух пар выпуклых и вогнутых роликов (рис. 10).

При перемещении головки вдоль растягиваемой полосы происходит ее знакопеременный изгиб в поперечном сечении. В частности, в эксперименте ис-пользовалась свинцовая полоса длиной 200 мм и с размерами поперечного сечения 20*1,5 мм.

Удлинение при осевой силе 5 кг составило 2-3 мм за один рабочий ход деформирующей головки.

Теоретические и экспериментальные исследования холодной гибки с раскатыванием позволили установить, что реальное снижение изгибающих усилий обеспечивается в 2,5-3,5 раза по сравнению с холодной гибкой без дополнительного воздействия на изгибаемую трубу (рис. 11).

Тем самым подтверждены основные механизмы значительного снижения изгибающего момента при гибке с воздействием на трубу вращающегося раскат-ника, заведенного в нее с большим натягом.

Список литературы

1. Козлов А.В., Хилькевич Я.М. Оценка натягов и усилий при гибке труб с раскатыванием // Вестник ЮУрГУ. 2004. № 5 (34). С. 125-132.

2. Пат. 818707 РоссийскаяФедерация, МКИ В 21 D 9/14. Способ гибки труб / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич. № 2713945/25; за-явл. 17.0б.79; опубл. 07.04.81, Бюл. № 13. 3 с.

3. Козлов А.В., Шеркунов В.Г., Хилькевич Я.М. Опыт гибки тонкостенных труб в холодном оосгоянии // Технология машиностроения. 2008. № 10. С. 21-22.

4. Козлов А.В., Шеркунов В.Г., Хилькевич Я.М. Напряженное состояние в трубе при ее гибке с раскатыванием n парами близко расположенных деформирующих элементов // Вестник машиностроения. 2009. № 8. С. 67-70.

List of literature

1. Kozlov AV., Sherkunov V.G., Khilkevich Ya.M. Tightness and efforts estimation during pipe bending with flaring / Vestnik of SuSU. 2004. № 5 (34). P. 125-132.

2. Pat 81 8707 RF, MKI B 21 D 9/14. The method of tube folding / Lakirev S.G., Khilkevich Y.M. № 27 1 3945/25; 17.06.79; published 07.04.81, Bul. № 13. 3 p.

3. Kozlov A.V., Sherkunov V.G., Khilkevich Ya.M. Bending experi-

ence of cold thin-walled tubes / Tekhnologiya mashinostroeniya. 2008. № 10. P. 21-22.

4. Kozlov A.V., Sherkunov V.G., Khilkevich Ya.M. Stress condition in

a tube at its rolling by N pairs of nearby deforming elements /

Vestnik mashinostroeniya. 2009. № 8. P. 67-70.