Научная статья на тему 'Моделирование процесса штамповки корня «Острякового» рельса'

Моделирование процесса штамповки корня «Острякового» рельса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
246
60
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
напряжения / деформации / сила / штамповка / головка / подошва / шейка / напруги / деформації / сила / штампування / головка / підошва / шийка / stress / strain / force / punching / head / foot / neck

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Каргин Б. С., Мкртчян Е. А.

В статье рассмотрено моделирование процесса штамповки корня «острякового» рельса, дан анализ течения металла, напряженно деформированного и температурного состояния процесса.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Каргин Б. С., Мкртчян Е. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Simulation of the forming root "Ostryakov" rail

In the article the simulation of forming root "Ostryakov" rail, the analysis of metal flow, stress and temperature state of the process.

Текст научной работы на тему «Моделирование процесса штамповки корня «Острякового» рельса»

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

УДК 621.73.001.57

Каргин Б.С.1 Мкртчян Е.А.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ КОРНЯ «ОСТРЯКОВОГО»

РЕЛЬСА

В статье рассмотрено моделирование процесса штамповки корня «острякового» рельса, дан анализ течения металла, напряженно деформированного и температурного состояния процесса.

Ключевые слова: напряжения, деформации, сила, штамповка, головка, подошва, шейка

Каргін Б. С., Мкртчян Є.А. Моделювання процесу штампування кореня «Остря-кової» рейки. У статті розглянуто моделювання процесу штампування кореня «Острякова» рейки, дано аналіз перебігу металу, напружено деформованого і температурного стану процесу.

Ключові слова: напруги, деформації, сила, штампування, головка, підошва, шийка.

B.S .Kargin, E.A. Mkrtchyan. Simulation of the forming root "Ostryakov" rail. In the

article the simulation offorming root "Ostryakov" rail, the analysis of metal flow, stress and temperature state of the process.

Key words: stress, strain, force, punching, head, foot, neck.

Постановка проблемы. Деталь «остряк» является основной деталью стрелочного перевода и служит для стыковки острякового рельса и железнодорожного (рис. 1). К ней предъявляется высокие прочностные требования, т.к. условия эксплуатации связаны с перевозкой пассажиров и грузов. Данная поковка относится к поковкам, удлинённым в плане, штампуемый материал сталь М73. В настоящее время поковка «остряк» изготавливается по следующей технологии [1]: нагрев концевой части острякового рельса длиной 670 мм. в камерной печи до температуры 1100 °С, затем происходит штамповка за два перехода на прессе силой 100 МН с последующей обрезкой облоя. Задержка между переходами составляет 10с.

Рис. 1- Рельс остряковый ОР50 с выпресованным корнем

1 канд. техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 аспирант, ассистент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

90

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

Штампы подогреваются до температуры 250°С, в качестве смазки применяется маслографитовая смазка ( 40% графита + 60% масла). Материал штампов - сталь 5ХНМ в состоянии поставки без термообработки. Стойкость штампов составляет 40-50 штамповок.

Анализ последних исследований и публикаций. Исследования процессов штамповки на гидравлических прессах показывают, что для получение изделий с тонким полотном необходимо приложить удельное усилие, в 30-40 раз превосходящее напряжение текучести материала при температуре обработке [2]. При этом резко снижается стойкость штампов и экономичность штампованных изделий.

В работе [3] представлены результаты компьютерного моделирования технологии штамповки П - образных изделий, удлиненных в плане с помощью конечно элементной системы DEFORM. Показаны распределения напряжений и интенсивности деформации в поковке.

Попытки решить вопрос повышения стойкости штампов при изготовлении поковки «остряк» были изложены в работе [4], где сообщается о предложении заменить заводскую маслографитовою ТС . Были испытаны 3 состава бездымных воднографитовых смазок с содержанием: 1) графита 10-12%; 2) графита 10-12% и 20% сульфидноспиртовой барды; 3) графита 10%, триполифосфата натрия 2%, триэтаноламина 0,2%, этноса 3%, сульфидно-спиртовой барды -10%. После изготовления 25 поковок штампы были сняты для изучения их состояния. Анализ показал, что при использовании ТС-2 и ТС-3 на нижней половинке штампа имеется налипание зольных остатков с частичками металла. При использовании ТС-1 наблюдается залипание поковок в верхнем штампе. В то же время дым, копоть, горение смазки полностью отсутствуют. На повышение стойкости штампов применение указанных ТС существенно не повлияло.

Недостатком существующей технологии производства поковки «остряк» является низкая стойкость штампов, низкая производительность и большая трудоёмкость процесса.

Цель работы. Целью работы является анализ напряженно деформированного и температурного состояния при штамповке поковки «остряк» для выработки мероприятий, повышающих стойкость штампов при их изготовления.

Изложение основного материала. В работе проводили анализ компьютерного моделирование процесса штамповки корня «острякового» рельса с выявлением формоизменения, температурного и напряженного состояния поковки.

1. Математическая модель и условия конечно-элементного моделирования. Компьютерное моделирование процесса штамповки корня острякового рельса проводили с использованием метода конечных элементов в программном комплексе Qform.

Исходными данными для моделирования являлись: действующая технология штамповки, параметры процесса, постоянные величины, конфигурация заготовки и ручья штампов, характеристики оборудования, данные о материале заготовки, штампа и смазки.

Ввиду сложной геометрической формы детали задачу решали в пространственной постановке. Конфигурация заготовки и ручья штампов были спроектированы в виде трехмерных твердотелых моделей в системе автоматизаций проектных работ SolidWorks 2010.

Свойства, материал заготовки были взяты из справочников. В основу выбора характеристик положена температура штамповки и скорость деформирования [5,6], сопротивление деформации стали М73 в интервале температур штамповки составляет: при t=12000C ав=55 МПа, t=11000C ав=80 МПа, t=1000°C ав=110 МПа, t=9000C ав=130 МПа

2. Штамповка первого перехода. Параметры первого перехода: начальная температура заготовки - 1100°С, время охлаждения заготовки на воздухе - 15с. и в инструменте - 10с. , температура окружающей среды - 20°С, температура штампов - 250°С, другие параметры задавали в соответствии с техническими инструкции на выпрессовку корня остряка ОР50, 1988г. инв. N 252.

Для исследования перемещения металла в процессе деформации заготовка была разбита координатной сеткой по 10 линий в каждом направлении. На рисунке 2-а представлена деформированная сетка в конце первого перехода в направлении XOZ. Анализ деформированной сетки показал, что наибольшая деформация приходится на шейку рельса, в частности в 7 слое сетки координат YOZ видна наибольшая деформация по высоте. Степень деформации шейки по высоте в этом участке более 50% ( рисунок 2-б).

Распределение температур первого перехода представлено на рисунке 3-а. Как видно из рисунка, наибольшая температура составила 1090°С. Наименьшая же температура составила

91

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

920°С на участке в зоне шейке рельса. Также следует отметить, что наиболее холодными деформированными частями рельса являются подошва и шейка, температура здесь на 50-70°С градусов ниже, чем в головке и на переходном участке.

В

Рис. 2 - Контур штамповки: а - первого перехода с нанесенной координатной сеткой в координатах XOZ; б- первого перехода с нанесенной координатной сеткой в 7 слое в направлении YOZ; в- второго перехода с нанесенной координатной сеткой в координатах XOZ

92

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

3. Штамповка второго перехода. Параметры второго перехода: начальной температурой заготовки является конечная температура первого перехода, с учётом времени охлаждения на воздухе - 10с. и в инструменте - 10с. , температура штампов - 250°С другие параметры задавали соответствии с техническими инструкции на выпрессовку корня остряка ОР50, 1988г. инв. N 252.

На рисунке 2-в представлен деформированный концевой участок острякового рельса с нанесенной координатной сеткой. Координатная сетка шейки рельса показывает, что на данном участке по оси Z наблюдается наибольшее сгущение сетки, а по оси Х наибольшие её растяжения. Это свидетельствует об интенсивном боковом течении металла от центра к периферии. Торцевая часть имеет не плоскую форму, а вытянутую в зоне шейке, что также свидетельствует об интенсивном течении метала в этой зоне по сравнению с головкой и подошвой «острякового» рельса. По техническим требованиям на изготовления поковки, торцевая часть может иметь произвольную форму на длине до 70 мм.

Распределение температур второго перехода представлено на рисунке 3-б. Как видно из рисунка наибольшая температура составила - 1050°С. Наименьшая же температура составила -817°С. Также видно, что температура подошвы рельса и прилегающая к ней часть шейки в среднем на 100°С ниже головки.

Необходимое усилие для деформирования данной поковки, по результатом моделирования, составило 38 МН. Удельное усилие в области шейки рельса превышает напряжение

6

Рис. 3 - Распределение температурного поля: а) - в конце первого перехода; б) - в конце второго перехода

93

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

текучести материала рельса при температуре обработке в 16 раз. Материалом для штампов, удовлетворяющим этим требованиям, является ДИ-42 (5Х2ГСВМ), прочностные характеристики которой выше базовой (5ХНМ) в полтора раза, что повысит стойкость штамповой оснастки в 3-5 раз по сравнению с базовым вариантом.

Распределение напряжений второго перехода представлены на рисунке 4. Напряжения, возникающие в данной поковке при деформации сжимающие, и растягивающиеся. Максимальные значения растягивающих напряжений достигает значения 713 МПа. Растягивающие напряжения в основном сконцентрированы в зоне шейки рельса, что подтверждается значительными растяжениями координатной сетки в этой зоне. Такая неоднородность и концентрация напряжений подтверждается практикой. На Керченском стрелочном заводе при штамповке поковки «остряк» авторы анализировали причины вывода штампов из строя и установили, что именно в этой зоне шейки корня возникают значительные разгарные трещины . Настоящие теоретические исследования позволили подтвердить тот факт, что использование штампов из стали 5ХНМ в сыром состоянии (без термообработки) не целесообразно.

Рис. 4 - Распределение напряжений в конце второго перехода. Вид сверху

Выводы

1. Установлено, что интенсивность течения метала по объему поковки неоднородна, максимальное течение наблюдается в зоне шейки корня «острякового» рельса.

2. Показано, что наибольшие напряжения наблюдаются также в зоне шейки рельса и достигают значения 713 МПа. Распределение температур неравномерно по всему сечению: в подошве рельса наблюдается снижение температуры на 100°С по сравнению с шейкой и головкой, что приводит к изменению значения сопротивления деформации по сечению поковки.

3. Результаты моделирования дают основание предположить, что для штампового инструмента необходимо применять сталь с более высокими показателями прочности, например сталь ДИ-42 (5Х2ГСВМ).

Список используемых источников:

1. Симон А.А. Современные стрелочные переводы. - М.: Транспорт, 1977. -510 с.

2. Белов А.Ф. Объемная штамповка на гидравлических пресах/ А.Ф. Белов, Б.В. Розанов, В.П. Линц - М.: Машиностроение, 1971.- 215 с.

3. Маковецкий А.В. Анализ напряженно-деформированного состояния поковок из титановых сплавов при горячей штамповки/ А. В. Маковецкий, В.В. Маковецкий // Вісник донбаської державної машинобудівної академії: Зб. наук. праць. -Краматорськ: ДДМА, 2007. - № 2Е(10). -

С. 121-128.

94

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2011 р. Серія: Технічні науки Вип. 22

4. Каргин Б.С. Исследование эффективности технологических смазок при штамповке поковок «остряк» / Б.С. Каргин и др.// -ХІІІ региональная научно-техническая конференция: сб. тезисов докладов в 2 т. Мариуполь: ПГТУ, 2006-С.335.

5. Зуев М.И. Пластичность стали при высоких температурах/ М.И. Зуев, В.С. Култыгин, М.И. Винограл, А.В. Остапенко, М.А. Любинская и М.Я. Дзугутов - М.: Металлургиздат,1954. 457 с.

6. Банкетов А.Н. Кузнечно-штамповочное оборудование/ А.Н. Банкетов и др.-М.: Машиностроение, 1970.- 602 с.

Рецензент: В. И. Капланов д-р техн. наук, проф., ПГТУ

Статья поступила 26.11.2010

95

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.