CC BY
86
УДК 621.983; 539.374
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ ОБЖИМА С УТОНЕНИЕМ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК
О.Н. Митин, Г.А. Нуждин, К.Х. Нгуен
На базе метода конечных элементов выполнено компьютерное моделирование операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок на основе программного комплекса QFORM 2В-3Ву. 7. Приведены результаты теоретических исследований силовых режимов операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок. Показано влияние технологических параметров на силовые режимы операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок.
Ключевые слова: моделирование, обжим с утонением, матрица, пуансон, сила, коэффициент обжима, коэффициент утонения.
В различных отраслях машиностроения нашли широкое распространение различного рода трубопроводные системы. К важнейшим элементам таких конструкций относятся концентрические осесимметричные переходники, позволяющие осуществлять стыковку труб разного диаметра, изготавливаемые операциями обжима. К ним предъявляются повышенные требования по механическим характеристикам, размерной точности и качеству поверхности. Интенсификация операций обжима трубных заготовок может быть достигнута применением операции обжима с утонением, которая характеризуется одновременным изменением диаметра обжимаемой трубной заготовки и толщины стенки. Этот метод позволяет изготавливать концентрические осесимметричные переходники с повышенными точностными характеристиками, более упрочненной стенкой, достигать больших степеней деформации по сравнению с обжимом, что приводит к значительному сокращению числа операций технологического процесса. Благодаря переходникам трубопроводов становится надежным и прочным.
На рис. 1 представлены типовые детали, изготовленные операцией обжима с утонением стенки из толстостенных трубных заготовок.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям операции обжима тонкостенных заготовок посвящен целый ряд работ [1-6]. В этих работах принималось, что операция реализуется в условиях плоского напряженного состояния. Получены аналитические выражения для определения деформированного и напряженного состояний, силовых режимов и предельных возможностей операции обжима. В работе [7] выполнено моделирование операции обжима трубных заготовок конической матрицей методом конечных элементов. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок.
Ниже приведены результаты моделирования операции обжима с
утонением толстостенных трубных заготовок методом конечных элементов.
Рис. 1. Типовые детали, изготовленные операцией обжима с утонением стенки из толстостенных трубных заготовок
Для определения силовых режимов операции обжима с утонением стенки используется модель, которая представляет собой полую осесим-метричную заготовку в 3D. В связи с указанными факторами для моделирования выбран программный комплекс QFORM 2D-3Dv. 7[8], позволяющий моделировать процессы объемной и листовой штамповки с использованием 3D конечных элементов пирамидальной формы. Для создания геометрии деталей экспериментальных штампов и заготовок используем программный комплекс КОМПАС 3Dv. 13 и SOLIDWORKS 2010. На рис. 2 представлены модели заготовкии инструментов перед моделированием в среде программе QFORM 2D-3D.
Рис. 2. Модель ЗБрабочего инструмента перед моделированием: 1 - заготовка; 2 - пуансон; 3 - матрица; 4 - оправка; 5 - выталкиватель
Моделирование операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок из стали 10 (&Т = 200 МПа; ав = 340 МПа;
П = 750 МПа) выполнялось при следующих исходных данных: диаметр заготовки 80 х 74 мм в конической матрице с углом конусности матрицы а = 100; 200; 300, коэффициентом трения р = 0,1; 0,15; 0,2, коэффициент обжиматоб = 0,6; 0,7; 0,8и коэффициент утонения тут = 0,8; 0,9; 1в среде программы QFORM 2Б-3Бу. 7. В таблице представлены параметры моделирования операции обжима с утонением.
Параметры моделирования
Материал заготовки Сталь 10, COLD
Температура штамповки 200С
Реологические модели
а) Заготовка Пластическая
б) Детали штампов L6 HRC42
Число конечных элементов сетки заготовки, тыс. 400...800
Размер КЭ, мм 0,1...0,3
Скорость деформирования, мм/с 5
Шаг интегрирования, мм 0,03
Заготовка на этапах операции обжима с утонением стенки преставляет на рис. 3.
Рис. 3. Заготовканаэтапах операции обжима с утонением стенки
Зависимость изменения относительной величины технологической силы Р = Р/(п / sodCрO02) от относительной величины перемещения
И = И/з0 представлена на рис. 4.
Р
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0 2 4 5 7 й
Рис. 4. Зависимость изменения Р от И
(а = 200 ;тоб = 0,7 ;т ут = 1;^ = 0,1)
Анализ графической зависимости (рис. 4) показывает, что операция обжима с утонением толстостенных трубных заготовок может быть условно разделена на три стадии. На первой стадии операции обжима с утонением трубная заготовка обжимается на конической поверхности матрицы.
Относительная величина силы операции Р плавно увеличивается с ростом относительной величины перемещения. На второй стадии операции обжима с утонением трубных заготовок осуществляется формирование зоны
утонения. На этой стадии относительная величина силы операции Р резко увеличивается по мере формирования зоны утонения (с ростом относительной величины перемещения). На третьей стадии реализуется собственно операция обжима с утонением, а относительная величина силы Р остается постоянной величиной.
На рис. 5 и 6 представлены графические зависимости изменения относительной величины силы Р от величины относительного перемещения И при разных значениях коэффициента утонения и зависимость изменения относительной максимальной величины силы Ртах = тах (р) от величины коэффициента утонения тут. Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением величины коэффициента утонения тут от 0,8 до 1 относительная величина силы обжима с утонением стенки
Р и ее максимальное значение Ртах уменьшаются более чем на 40 % (на третьей стадии операции).
На рис. 7 и 8 представлены графические зависимости изменения относительной величины технологической силы Р и Рмах = тах(Р) от величины относительного перемещения И при изменении угла конусности матрицы аот10°...30°. Установлено, что интенсивность роста относительной величины силы Р увеличивается с увеличением угла конусности мат-
рицы а на первой стадии операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок (рис. 7). Выявлено существование рациональных углов
конусности матрицы а в диапазоне 12°...24°, соответствующих минимальной величине относительной силы Рмах (рис. 8) на третьей стадии операции обжима с утонением. р
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00
О 2 4 5 7 Ъ
Рис. 5. Зависимости изменения Р от И (а = 200; тоб = 0,7; ¡л = 0,1): кривая 1 - тут = 0,8; кривая 2 - т ут = 0,9; кривая 3 - тут = 1
1.18 1.11 1.04 0.97 0.90
0.8 0.84 0.В8 0.92 0.96 "«^т
Рис.6. ЗависимостьРмахоттут (а = 200;л = 0,1;тоб = 0,7)
г
1
0.3 0.6 0.4 0.2 о
О 3 6 8 11 И
Рис. 7. Зависимости изменения Р от И (тоб = 0,7;тут = 1;л = 0,1):
кривая 1 - а = 10°; кривая 2 - а = 200 ; кривая 3 - а = 30°
61
Рис. 8. Зависимость изменения Рмах от а
(тоб = 0,7; Шут = 1 и л = 0,1)
Графические зависимостиизменения относительной величины силы операции обжима с утонением стенки Р от относительной величины перемещения Н при разных значениях коэффициента трения и изменения максимальной относительной величины Рмах = тах(р) от величины коэффициента трения т приведены на рис. 9 и 10 соответственно.
р
1.0 0.8 0.5 0.3 0.0
__*
3 2
\
у--* \1
Рис. 9. Зависимости изменения РотН (тоб = 0,7; тут = 1; а = 200): кривая 1 - т = 0,1; кривая 2 - т = 0,15; кривая 3 - т = 0,2
Рис. 10. Зависимость изменения Рмах отт(тоб = 0,7; тут = 1; а = 200)
62
Анализ графических зависимостей, приведенных на рис. 9 и 10, показывает, что с увеличением величины коэффициента трения т
относительная величина силы Р увеличивается на всех этапах деформирования. Установлено, что с ростом величины коэффициента трения т
от 0,1 до 0,2 максимальная относительная величина силы Р^^^ увеличивается на 40%.
На рис. 11 и 12 представлены графические зависимости изменения относительной силы операции обжима с утонением стенки Р от относительной величины перемещения Н при разных значениях коэффициента обжима тоб и изменения максимальной относительной величины
Рмах = max(p) от величины коэффициента обжима тоб.
Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента обжима тоб относительная величина силы Р уменьшается на всех этапах деформирования, а также установлено, что с увеличением коэффициента обжима тоб от 0,6 до 0,8 относительная величина силы
уменьшается на 45% (рис. 11 и 12). р
104 0.78 0.52 0.26 О
0 2 4 7 9 й
Рис. 11. Зависимости изменения РотН (а = 200;тут = 1;т = 0,1): кривая 1 - тоб = 0,6; кривая 2 - тоб = 0,7 ; кривая 3 - тоб = 0,8
МП
1.2
1.1 0.9 0.3 0.7
0.60 0.64 0.68 0.72 0.76 «об
Рис. 12. Зависимость изменения Рмах оттоб (а = 200;тут = 1;т = 0,1)
Выводы:
1. Показано, что с помощью программного комплекса QFORM 2D-3D может быть выполнено исследование силовых режимов операции обжима с утонением стенки на каждом этапе деформирования.
2. Установлены закономерности влияния угла конусности матрицы, коэффициента трения, коэффициента обжима и утонения на силовые режимы операции обжима с утонением стенки тонкостенных трубных заготовок. Выявлены рациональные углы конусности матрицы, соответствующие минимальной величине относительной силы на третьей стадии операции обжима с утонением.
Список литературы
1. Аверкиев А.Ю. Формоизменение трубной заготовки при раздаче и обжиме // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №1. С. 6-9.
2. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: учеб. для вузов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
3. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
4. Пилипенко О.В. Обжим и раздача трубных заготовок из анизотропных материалов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 150 с.
5. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. 6-е изд. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
6. Евсюков С.А. Влияние напряженного состояния на изменение длины образующей заготовки // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1996. № 2.С. 94 - 100.
7. Яковлев С.С., Нгуен К.Х. Исследование силовых режимов процесса обжима цилиндрических заготовок // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 4. С. 64-69.
8. Биба Н.В., Стебунов С.А. QForm 5.0 - программный инструмент для повышения эффективности производства в обработке металлов давлением. 2008.
Митин Олег Николаевич, канд.техн. наук, докторант, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»,
Нуждин Георгий Анатолиевич, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Москва, Орган по сертификации систем качества «Консерсиум»,
Нгуен Куок Хуи, аспирант, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE SIMULATIONOF THE SQUEEZING OPERATION WITH THINNING OF THICK-WALLED TUBE WORKPIECES
O.N.Mitin,G.A. Nuzhdin, Q.H.Nguyen
In this paper, based on the finite element method executed simulation on computer of the squeezing operation with thinning of thick-walled tube workpieces on based software QFORM 2D - 3D. Bring the results of theoretical researches of modes of force of squeezing operation with thinning of thick-walled tube workpieces. Show the effect of technological parameters on modes of force of the squeezing operation with thinning of thick-walled tube workpieces.
Key words: Simulation, the squeezing with thinning, Bottom Die, Top Die, force, the coefficient of squeezing, the coefficient of thinning.
Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, doctoral, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, OPC "SPA "SPLAV",
Nuzhdin Georgiy Anatolievich, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Moscow, organ by quality system certification "Konsersium ",
Nguyen Quoc Huy, postgraduete, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 612.431.75
ОСОБЕННОСТИ ВЫГЛАЖИВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ СМАЗОК
В. А. Титов, И.Г. Лавренко, А. Д. Лавриненков, И.Г. Савчинский
Рассмотрено применение смазок на основе масла И20 с добавлением порошков пластичных металлов в процессах выглаживания титановых сплавов ВТ22 и ВТ23 с дополнительным ультразвуковым нагружением на инструмент. Установлено, что применение данных смазок расширяет технологические режимы обработки титановых сплавов за счет снижения адгезионной составляющей трения.
Ключевые слова: поверхностно-пластическая обработка, титановые сплавы, ультразвуковое выглаживание, металлосодержащие смазки, конечно-элементное моделирование.
В машиностроении титан и сплавы на его основе нашли широкое применение ввиду таких свойств, как малая плотность, высокая прочность, вибропрочность, коррозионная стойкость и др. Однако из-за малой теплопроводности и высоких адгезионных свойств механическая обработка титана в ряде случаев является затруднительной, а в процес-сах,характеризующихся повышенными силами трения, как, например, при алмазном выглаживании, зачастую невозможна без предварительной обработки детали. При алмазном выглаживании титановых сплавов между поверхностью инструмента и поверхностью детали формируются участки схватывания, результатом чего являются разрушение поверхности детали и
