CC BY
44
УДК. 621.7, 539.3
А.Н. Пасько, д-р техн. наук, доц., (4872) 35-18-32, tm@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
О.А. Ткач, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-32, tkachoa@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОЙ КОВКИ
Рассматривается процесс многопереходной ротационной ковки. Представлены результаты исследования напряженного состояния заготовки. Проведена оценка изменения толщины стенки заготовки.
Ключевые слова: ротационная ковка, толщина стенки заготовки, многопереходный процесс.
Исследовался процесс ротационной ковки коротким бойком заготовок из стали РА50. Этот вариант обработки предусматривает поэтапное деформирование заготовки бойками, длина которых меньше длины обжимаемого участка заготовки. Исходными данными для расчета послужили следующие геометрические параметры: диаметр заготовки 20 мм, длина заготовки 50 мм, толщина стенки 3 мм, угол конуса бойка 12°.
Результаты исследования напряженного состояния процесса ротационной ковки коротким бойком (рис. 1) представлены на рис. 2 - 3. Для оценки напряженного состояния были рассмотрены две области заготовки, выделенные элементами 3 и 4.
Рис.1. Положение элементов 3 и 4 в расчетной схеме ротационной ковки без оправки коротким бойком
Механические свойства материала - модуль Юнга - E = 200 ГПа, модуль упрочнения - H = 800 МПа, предел упругости а у = 300 МПа, коэффициент Пуассона V = 0,3.
Результаты исследования напряженного состояния показали, что картина напряженного состояния на каждом новом этапе нагружения, соответствующему одному удару бойка, в рассматриваемых элементах носит сложный характер. Осевые напряжения на внешней поверхности из зоны сжатия переходят в зону растяжения и затем убывают до нуля (рис. 2), а на внутренней поверхности наоборот, т.е из зоны растяжения в область сжатия (рис.3). Только тангенциальные напряжения всегда остаются в области сжатия.
Анализ напряженного состояния после обработки показывает, что на внешней стенке заготовки все компоненты остаточных напряжений сжимающие. Сжимающими остаются также осевые и тангенциальные напряжения на внутренней стенке, а радиальные практически отсутствуют. Следует отметить, что осевое остаточное напряжение на внутренней поверхности заготовки почти в 3 раза больше, чем на внешней.
Рис. 2. Компоненты напряжений в элементе 3 при пошаговой ковке коротким бойком
(7, МПа
200
100
0
■100
-200
-300
-400
ГГ.. а:.....
/ г чг'-О'г
я Яе
^ 4 Ь \
>
г
0 50 100
1-ый этап нагружения
150
разгрузка
200 250 300
2-ой этап нагружения
350 Шаг 400 разгрузка
Рис. 3. Компоненты напряжений в элементе 4 при пошаговой ковке коротким бойком
Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что пошаговое нагружение заготовки приводит к существенной неоднородности напряженно-деформированного состояния по длине заготовки, однако при этом энергоемкость процесса ковки при пошаговом нагружении значительно ниже (рис. 3) и при этом удлинение заготовки на 11 % больше, чем при ротационной ковке длинным бойком, хотя при моделировании трение не учитывалось.
Шаг № Шаг №
а б
Рис. 3. Сила процесса ротационной ковки: а - ротационная ковка длинным бойком; б - ротационная ковка коротким бойком (аппроксимированный график)
На рис. 4 представлен график изменения интенсивности деформаций по длине обрабатываемого участка заготовки L для рассматриваемых схем нагружения.
2
/ 1
/
\\
І
1
О 5 10 15 20 25 30
1_ мм
Рис. 4. Интенсивность деформаций по длине обрабатываемого участка заготовки: 1-ротационная ковка длинным бойком;
2 - ротационная ковка коротким бойком (аппроксимированный график)
Результаты исследования показали, что пошаговая ковка коротким бойком характеризуется большей интенсивностью деформаций по длине обрабатываемого участка заготовки, чем ковка длинным бойком. При этом максимальное значение интенсивности деформаций при пошаговой ковке выше максимального значения интенсивности деформаций при ковке длинным бойком на 25 %. Следует отметить, что максимальная интенсивность деформации в процессе ротационной ковки коротким бойком наблюдается на начальной стадии процесса.
Важным при исследовании любой технологической операции является определение опасного сечения, т.е. место в котором заготовка разрушается с наибольшей вероятностью. Опасное сечение можно определить, сравнив диаграмму нагружения рассматриваемых элементов с диаграммой предельной пластичности материала заготовки. Анализируя результаты эксперимента, можно отметить, что при ковке коротким бойком материал заготовки не достигает предельной степени деформации. Однако наиболее вероятной областью разрушения материала является внутренняя и внешняя стенка заготовки в месте перегиба.
Ротационная ковка полых цилиндрических заготовок без оправок приводит к увеличению толщины стенки заготовки (рис. 5). Исследования показали, что с увеличением всех рассматриваемых технологических параметров ротационной ковки увеличивается толщина стенки заготовки после обжатия. Но наибольшее влияние на утолщение стенки оказывает степень обжатия. Так, толщина стенки трубчатой заготовки после проведения процесса при степени обжатия в = 0,1 на 30 % меньше, чем при степени обжатия в = 0,3 без учета трения (т.е. при ц = 0).
Трение и относительная длина калибрующего участка бойка оказывают значительно меньшее влияние. Результаты численного эксперимента показывают, что без учета трения (ц = 0) влияние Lц / D2 на изменение
толщины стенки сводится практически к нулю. Увеличение длины калибрующего участка бойка оказывает тем большее воздействие, чем выше коэффициент трения в зоне контакта заготовки и инструмента. Так, при
/
2
Рис.5. Схема процесса ротационной ковки без оправки: 1 - боек; 2 - заготовка
Ц = 0,1 увеличение отношения Ьц / D2 от 0,5 до 1,5 приводит к утолщению стенки заготовки на 5 %, в то время как при ц = 0,2 увеличение отношения Ьц /D2 от 0,5 до 1,5 приводит к утолщению стенки заготовки на 8 %.
Следует сразу отметить, что отношение диаметра заготовки к толщине стенки не оказывает существенного влияния на изменение толщины стенки в результате обработки. Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными [2] говорит о возможности применения разработанной математической модели для прогнозирования увеличения толщины стенки трубчатой заготовки в процессе ротационной ковки без оправки.
Список литературы
1. Голышев И.В. Ротационная ковка полых цилиндрических заготовок: дис. ... канд. техн. наук. Тула. 2008. 139 с.
2. Ковка и объемная штамповка: справочник: В 2 т. Т. 2. / под ред. М.В. Сторожева. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1968. 448 с.
A. Pasko, O. Tkach
Modeling of multitransition rotary forging process
The process of multitransition rotary forging are considered. The results of studying the stress state of the blank are presented. The evaluation of changes in wall thickness of the blank is considered.
Keywords: a rotational smithery, a thickness of a wall of preparation, multitransient
process.
Получено 04.08.10
