CC BY
8
4. Алексеев А.В. Напряженное и деформированное состояние при горячей объемной штамповке сложнопрофильной детали // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 6. С. 374-376.
5. Ларин С.Н., Бессмертная Ю.В., Нуждин Г.А. Оценка сил при обжиме стальной трубной заготовки с выдавливанием // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 5. С. 64-67.
6. Ларин С.Н., Исаева А.Н., Яковлев С.С. Обжим с выдавливанием стальной трубной заготовки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 5. С. 114-118.
7. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. техн. ун-та - УПИ, 2001. 836 с.
8. Bogdanov S.B., Alekseev A.V., Gribachev Y.V. Comprehensive assessment of the production of a pipe billet with a flange by forging at various temperature conditions. 2021 J. Phys.: Conf. Ser. 2094 042060.
9. Ларин С.Н., Самсонов Н.А., Платонов В.И. Анализ формирования геометрии изделий при вытяжке квадратных заготовок на профильной матрице // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 3 (117). С. 3-6.
Каркач Леонид Витальевич, студент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STRESS AND DEFORMED STATE WHEN RECEIVING THE STEPPED PART
L.V. Karkach
The study of the influence of the punch shape on the stressed and deformed state during the formation of a stepped axisymmetric part by extrusion in the QForm program has been carried out. The assessment of the intensity of deformations, average stresses and stress intensity has been carried out.
Key words: stresses, deformations, stepped part, outer surface, average stresses.
Karkach Leonid Vitalevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.777.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-149-154
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА ЗАГОТОВКИ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОПЕРЕХОДНОЙ ПОЛУГОРЯЧЕЙ
ШТАМПОВКИ ВЫДАВЛИВАНИЕМ
Р.А. Сидоров
Представлен вариант расчета оптимальной температуры нагрева заготовок при реализации многопереходных операций полугорячей штамповки выдавливанием. Произведен расчет оптимальной температуры нагрева заготовки для двухпереходной полугорячей штамповки выдавливанием труб из стали 30ХН2МФА.
Ключевые слова: многопереходная штамповка, полугорячая штамповка выдавливанием, предварительный нагрев, температура фазовых превращений.
Полугорячая штамповка выдавливанием является операцией объемного формоизменения, позволяющей изготавливать детали, качество поверхности которых удовлетворяет жестким требованиям, предъявляемым к изделиям ответственного назначения [1]. Кроме этого, известно, что при создании высокой интенсивности деформации имеется возможность улучшения структуры деформируемого материала за счет эффекта «залечивания» макро- и микродефектов,
149
что положительно сказывается на общем качестве получаемых изделий и надежности их дальнейшего функционирования [2]. По сравнению с операциями механического резания, полугорячая штамповка выдавливанием обеспечивает минимизацию отхода материала.
При реализации операции полугорячей штамповки выдавливанием температура деформируемой заготовки должна постоянно находиться в интервале температур фазовых превращений. Это условие определяет возможность проведения существенного формоизменения заготовки без окалинообразования на поверхности изделия. При этом, реализация формоизменения в несколько переходов, существенно усложняет его соблюдение.
В связи с этим в работе представлен вариант расчета, позволяющего определять оптимальную температуру предварительного нагрева заготовки для полугорячей штамповки выдавливанием. Под оптимальной подразумевается температура, максимально приближенная к нижнему порогу области температур фазовых превращений, так как при более низкой температуре достигается лучшее качество поверхности, мелкозернистая структура и как следствие, большая прочность готового изделия.
Рассмотрим предлагаемый вариант расчета на примере двухпереходной полугорячей штамповки выдавливанием труб (рис. 1), в которой в качестве заготовки выступает пруток из стали 30ХН2МФА.
4
3
2 1
II
а) 6)
Рис. 1. Схема двухпереходной полугорячей штамповки выдавливанием труб: а - первый переход; б - второй переход; 1 - пуансон первого перехода;
2 - полуфабрикат первого перехода; 3 - матрица; 4- заготовка; 5 - труба;
6 - пуансон второго перехода
В соответствии с предлагаемым расчетом для определения оптимальной температуры предварительного нагрева заготовки необходимо выполнить следующие действия.
1.Выявить потери температуры заготовки при передаче ее из зоны нагрева в рабочее русло, где реализуется формоизменение;
Учет данного фактора необходим, поскольку температура заготовки в процессе ее передачи в рабочее русло снижается за счет теплообмена с окружающей средой.
Так как ключевым условием для реализации полугорячей штамповки выдавливанием является нахождение заготовки в области температур фазовых превращений, то предполагаемая температура предварительного нагрева выбирается из данной области. При этом стоит учитывать, что в ходе первого и последующего формоизменения заготовки температура образованных поверхностей изменяется за счет тепловыделения, возникаемого от совершенной работы и контактного трения. В связи с этим определение времени полного охлаждения заготовки на воздухе необходимо осуществлять, рассматривая ряд температур, входящих в область температур фазовых превращений.
2 3
Исходя из того, что температура фазовых превращений для стали 30ХН2МФА лежит в области 720-830 °С [3], то в качестве возможных температур заготовки выбраны 730, 750 и 780 °С. Необходимо вычислить количество теплоты выделяемой нагретой заготовкой (для каждого из выбранных значений температуры предварительного нагрева), в секунду (1), а также плотность теплового потока (2) [4]. Отношение данных величин определит время полного охлаждения заготовки на воздухе (4).
Q = стЛТ, (1)
q = ^аЛГ, (2)
^ = МИ, (3)
где Q - количество теплоты, МВт мой температуре заготовки, Дж/кг
X=2,
q
(4)
с; с - удельная теплоемкость материала при предполагаете ; т - масса заготовки, кг; ЛТ - разность температур заготовки и окружающей среды, °С ; q - плотность теплового потока, Вт; ^ - площадь поверх-
2
ности заготовки, м2; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м • °С; й - диаметр заготовки, м; И -высота заготовки, м; X - время, с.
В табл. 1 приведены исходные данные для расчета полного времени охлаждения заготовки из стали 30ХН2МФА при различных температурах нагрева. В табл. 2 представлены результаты проведенного расчета.
Исходные данные для расчета полного времени охлаждения заготовки
Таблица 1
из стали 30ХН21 МФА
Параметры с, Дж/кг • °С т, кг а, Вт/м2 й, м И, м
ЛТ, °С = 760 700 35 20 0,17 0,21
ЛТ, °С = 730 690 35 20 0,17 0,21
ЛТ, °С = 710 680 35 20 0,17 0,21
Таблица 2
Результаты расчета полного времени охлаждения заготовки из стали 30ХН2МФА
Параметры ^ м2 2, МВт • с q, Вт X, с
ЛТ, °С = 760 0,112 18,62 1702,4 10937
ЛТ, °С = 730 0,112 17,63 1635,2 10781
ЛТ, °С = 710 0,112 16,89 1590,4 10620
Зная время полного охлаждения заготовки на воздухе и время передачи ее из печи в первое и последующее рабочие русла (90 с), составляется пропорция (5), на основании которой определяются потери температуры:
ЛТ • X
-пнп = Т , (5)
X х
где X — время передачи заготовки в рабочее русло, с; X — время полного охлаждения заго-п.н.п
товки, с; Тх — потерянное количество градусов, °С .
В таблице 3 представлены результаты вычислений.
Потери температуры заготовки за 90 секунд при различных
Таблица 3
ЛТ, °С 760 730 710
Тх, °С 6,25 6,09 6,02
Результаты проведенного расчета показывают, что за время передачи заготовки в рабочее русло, где осуществляется формоизменение теряется от 6.02 до 6.25 °С . Для упрощения в дальнейшем примем потери температуры поверхностей заготовки при передаче между переходами равными 6 °С .
2. Определить оптимальную начальную температуру на первом переходе с учётом изменений температуры от совершаемой работы формоизменения, контактного трения, а также теплообмена между заготовкой и инструментом (пуансоном, матрицей).
Для этого в работе производится математическое моделирование анализируемой операции с помощью программного комплекса Deform 3D [5]. Данный программный комплекс учитывает выше описанные параметры, влияющие на изменение температуры деформируемой заготовки, благодаря заложенным в нём системам уравнений, по которым производится расчет.
С целью определения температуры, при которой заготовка будет находиться в интервале температур фазовых превращений на протяжении реализации всей операции, а также, чтобы ее начальная температура была максимально приближена к нижнему порогу интервала температур фазовых превращений, требуется проводить многократное математическое моделирование, варьируя начальной температурой заготовки, учитывая охлаждение при её передаче в рабочие русла переходов.
В случае анализируемой операции при многократном математическом моделировании первого перехода была подобрана оптимальная начальная температура заготовки - 724 °С . Данная температура является оптимальной так как в результате первого перехода минимальная температура поверхности заготовки достигает 727 °С (рис. 3), что при условии охлаждения заготовки при передаче с первого на второй переход на 6, выполняет ключевое условие нахождения заготовки в интервале температур фазовых превращений.
Учитывая, что при данной температуре поверхности (724 °С) заготовка за время ее передачи из печи нагрева в рабочее русло, где производится формоизменение (90с) потеряет 6 °С , температурой нагрева заготовки является 730 °С . На рис. 3 отображена диаграмма температур областей на поверхности заготовки после реализации первого перехода двухпереход-ной полугорячей штамповки выдавливанием труб.
Рис. 3. Диаграмма температур областей заготовки после реализации первого перехода
Исходя из рис. 3 определяются усредненные температуры поверхностей заготовки после первого перехода, зная которые, с учётом охлаждения заготовки в процессе её передачи с первого перехода на второй, определяются усредненные температуры поверхностей заготовки для математического моделирования второго перехода полугорячей штамповки выдавливанием. На рис. 4 отображены температуры поверхностей после установки заготовки в рабочее русло, где реализуется второй переход.
С учетом заданных температур поверхностей, производится математическое моделирование второго перехода. На рис. 5 представлена диаграмма температур областей на поверхности заготовки после второго перехода.
В результате проведенного анализа двухпереходной полугорячей штамповки выдавливание труб из стали 30ХН2МФА по представленному варианту расчета, выявлена оптимальная температура предварительного нагрева заготовки. Математическое моделирование анализируемой операции показывает, что на протяжении всего времени реализации операции, заготовка не выходит за пределы области температур фазовых превращений, что говорит о возможности реализации такой операции.
Рис. 4. Температура поверхностей заготовки после передачи ее в рабочее русло второго перехода
747
О
Рис. 5. Диаграмма температур областей заготовки после реализации второго перехода
Таким образом, представленный вариант расчета позволяет определять оптимальную температуру предварительного нагрева заготовки с учетом всех факторов влияющих как на охлаждение, так и на нагрев заготовки в ходе реализации многопереходных операций полугорячей штамповки выдавливанием.
Список литературы
1. Лялин В.М., Петров В.И., Журавлев Г.М. Основы технологии объемной и листовой полугорячей штамповки. 2002. 164 с.
2. Кузин В.Ф. Модель схватывания при сварке давлением // Исследование в области теории технологии и оборудования штамповочного производства. Тула, ТулГУ, 1993. С. 77-82.
153
3. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. ГОСТ 454371: межгосударственный стандарт Российской Федерации.: утвержден и введен в действие постановлением государственного комитета СССР по стандартам от 18.06.71 №1148.: взамен ГОСТ 1050-60.: дата введения 01.01.1973. М.: Стандартинформ, 2008. 40 с.
4. Крайнов А.Ю., Миньков Л.Л. Численные методы решения задач тепло- и массопе-реноса: учеб. пособие. Томск: STT, 2016. 92 с.
5. Паршин В.С., Карамышев А.П., Некрасов И.И., Пугин А.И., Федулов А.А. Практическое руководство к программному комплексу Deform 3D: УрФУ, 2010. 266 с.
Сидоров Роман Александрович, аспирант, sidrom98@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
OPTIMAL TEMPERATURE CALCULATION OPTION HEATING OF THE WORKPIECE DURING THE IMPLEMENTATION OF A MULTI - TRANSITION SEMI-HOT STAMPING BY EXTRUSION
R.A. Sidorov
A variant of calculating the optimal heating temperature of workpieces during the implementation of multi-transition operations of semi-hot stamping by extrusion is presented. The calculation of the optimal heating temperature of the workpiece for two-pass semi-hot stamping by extrusion ofpipes made of 30KHN2MFA steel has been carried out.
Key words: multi-pass stamping, semi-hot stamping by extrusion, preheating, temperature of phase transformations.
Sidorov Roman Alexandrovich, postgraduate, sidrom98@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9; 621.7.044.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-154-159
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ СПИРАЛЬНОГО ИНДУКТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ ANSYS
ИВ. Зверев
Проведена оценка прочности спиральных индукторов различных диаметров и сечений витков из трех материалов с использованием программы ANSYS. Для каждого случая определено максимальное давление, при котором элементы индуктора начинают переходить от упругих деформаций к пластическим. Во всех случаях расчета было обнаружено, что максимальные напряжения достигаются во втором или предпоследнем витке, расположенных либо сверху, либо снизу от закрепленных витков. Показано, что закрепление индуктора и учет трения с изоляцией позволяют увеличить максимальные напряжения в индукторе примерно в 1,33 раза, без повышения прочностных свойств его материала.
Ключевые слова: моделирование, индуктор, спираль, прочность, метод конечных элементов, нагрузки, упругое и пластическое деформирование.
Программный комплекс ANSYS широко используется для моделирования и проектирования различных изделий и конструкций. С помощью ANSYS, используя метод конечных элементов, можно выполнять расчеты напряжений и деформаций как в упругой, так и пластической областях [1-2].
Исследованиям математических моделей индукторов для обжима и изучением их напряженно-деформированного состояния при нагружении посвящен ряд работ, проводимых С.Ф. Головащенко [3], В.Д. Кухарем [4] и другими.
В работе [4] рассматривался пятивитковый индуктор из работы [3], верхний и нижний витки которого принимались жестко закрепленными и заделанными (фиксировались 2 слоя конечных элементов). Далее решалась упругая задача, колебания считались незатухающими.
154
