CC BY
50
УДК. 621.7, 539.3
А.Н. Пасько, д-р тех. наук, доц., (4872) 35-18-32, tm@tsu.tula.ru, (Россия, Тула, ТулГУ),
О.А. Ткач, канд. тех. наук, доц., (4872) 35-18-32, tkachoa@mail.ru, (Россия, Тула, ТулГУ)
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОЙ КОВКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ БЕЗ ОПРАВКИ
Представлены результаты исследования ротационной ковки цилиндрической заготовки без оправки. Рассмотрены особенности напряженно-деформированного состояния металла. Проведена оценка влияния основных тeзнологичзских параметров на силовые и деформационные характеристики процесса.
Исследования проводились при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 08-08-99036-р_офи.
Ключевые слова: ротационная ковка, нaпряжeнно-дeфoямuрoванноз состояние, сила процесса, толщина стенки заготовки.
На бае метода конечных элементов пр°ведедо исследование процесса безоправочдой ротационной ковки полой цилиндрической заготовки, в результате которой внешний и внутренний диаметры заготовки уменьшаются [2].
Для исследования процесса была разработана модель, представляющая половин меридионального сечения осесимметричной заготовки. При использовании МКЭ данная модель разбивалась на рад связанных между собой структурных элементов, создающих в целом конечноэлементную сетку. Исследовался процесс ротационной ковки коротким бойком, т.е. такой вариант, который предусматривает поэтапное деформирование заготовки бойками, длина которых меньше длины обжимаемого участка заготовки (рис. 1).
При решении задачи на систему требоваось наожить ряд ограничений, отражающих картину течения материала в процессе деформирова-ни (рис. 1, а):
1. Элементы свободной границы AB могут перемещаться в радиальном направлениях внутрь и в осевом направлении вверх, так как он представляют собой внутреннюю стенку трубчатой заготовки.
2. Элементы отрезка АС могут свободно перемещаться в осевом и радиаьном направлении внутрь, ввиду того, что они представляют собой свободный конец трубчатой заготовки.
3. Граница CF представляет собой внешнюю стенку трубчатой заготовки, и перемещение элементов на ней обусловлено перемещением бойка.
4. Элементы отрезка BF неподвижны, так как BF место креплени заготовки.
а б в
Рис. 1. Положение элементов 3 и 4 в расчетной схеме ротационной ковки на оправке коротким бойком: а - первый этап нагружения; б - перемещение бойка; в - второй этап
нагружения; 1 - заготовка; 2 - боек
Исследовался процесс ротационной ковки заготовок из стаи РА50. Исходными данными для расчета послужили следующие геометрические параметры: диаметр заготовки 20 мм, длина заготовки 50 мм, толщина стенки 3 мм, угол конуса бойка 12 °. Механические свойства материаа: модуль Юнга Е = 200 ГПа, модуль упрочнения Н = 800 МПа, предел упругости а у = 300 МПа, коэффициент Пуассона V = 0,3.
Результаты исследования напряженного состояния процесса ротационной ковки коротким бойком представлены на рис. 2. Для оценки напряженного состояния были рассмотрены две области заготовки, выделенные элементами 3 и 4 (см. рис. 1).
Результаты исследования показаи, что картина напряженного состояния на каждом новом этапе нагружения, соответствующем одному удару бойка, в рассматриваемых элементах носит сложный характер. Осевые напряжения а 2 на внешней поверхности из зоны сжатия переходят в
зону растяжения и затем убывают до нуля (рис. 2, а), а на внутренней поверхности переходят из зоны растяжения в область сжатия (рис. 2, б). Только тангенциаьные напряжения ад всегда остаются в области сжатия.
а
С), МПа
200
100
0
-100
•200
•300
-400
\ “я
'V*. (У
/г -V - .. ■<**
\ \ V
1. \\ /в
ч\ /<7в!
• СТ
0 .40 1С 1-ый этап нагружения 0 150 2С разгрузка Ю 250 3( 2-ой этап нагружения 0 350 Шаг 40 разгрузка
б
Рис. 2. Компоненты напряжений: а - элемент 3; б - элемент 4; аг, аг, ае - осевое, радиальное, тангенциальное напряжения
Анализ напряженного состояния после обработки показывает, что на внешней стенке заготовки все компоненты остаточных напряжений сжимающие. Сжимающими остаются также осевые а2 и тангенциальные ае напряжения на внутренней стенке, а радиальные а г практически отсутствуют. Следует отметить, что осевое остаточное напряжение а2 на внутренней поверхности заготовки в 3 раа больше, чем на внешней.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что пошаговое нагружение заготовки приводит к существенной неоднородности напряженно-деформированного состояния по длине заготовки. Однако при реализации этой схемы деформирования энергоемкость процесса значительно ниже (рис. 3), а удлинение заготовки на 11 % больше, чем при ротационной ковке длинным бойком за один переход [1].
у 2
г
О 20 40 Шаг№ ЮО
Рис. 3. Сила процесса ротационной ковки:
1 - ковка длинным бойком, 2 -ковка коротким бойком
Результаты исследования показали, что пошаговая ковка коротким бойком характеризуется большей интенсивностью деформаций по длине обрабатываемого участка заготовки, чем ковка длинным бойком. При этом максимаьна интенсивность деформации наблюдается на начаьной стадии процесса.
Ротационна ковка полых цилиндрических заготовок без оправок приводит к увеличению толщины стенки заготовки. Толщины стенки заготовки после обжати определяются согласно рекомендациям [3], которые составлены на основе эксперименаьных исследований, где варьировались только степень обжатия и исходная толщина, стенки заготовки. Определить же влияние таки параметров, как трение и относительна длина калибрующего участка бойка, а также совокупное влияние всех рассматриваемых факторов в этом случае невозможно.
С целью более глубокого изучения влияния технологических параметров процесса безоправочной ротационной ковки на изменение толщины стенки трубчатой заготовки после обжатия было проведено исследование с использованием аппарата математической статистики и теории планирования многофакторного эксперимена на основе результатов численного эксперимента. Основными технологическими параметрами, влияние которых оцениваось, были приняты коэффициен трения, относительна длина каибрующего участка бойка, степень обжати, толщина, стенки заготовки до обжати. Математическа модель представлена уравнением регрессии:
у = 4,316 + 2,05^1 -0,26Х2 + 1,9083x3 + 0,90833х4 + 3,3417хх --0,43333x1Х3 -0,90833Х1Х4 -0,93333х2х3 +0,091667Х2Х4 +
+ 0,091667х3Х4 + 0,1556x2 +1,6556х2 -0,6694х2 -1,0694х^,
где y - толщина, стенки трубчатой заготовки после обжатия.
Анализ полученных результатов показал, 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 s = 0,1 на 30 % меньше, чем при степени обжатия s = 0,3 без учета трения (т.е. при д = 0).
Трение и относительна длина каибрующего участка бойка окаы-вают значительно меньшее влияние. Увеличение длины калибрующего участка бойка окаывает тем большее воздействие, чем выше коэффициент трения в зоне контакта заготовки и инструмента. Следует отметить, чго отношение диаметра заготовки к толщине стенки не окаывает существенного влияния на изменение толщины стенки в результате обработки. Сравнение результатов численного эксперимента с рекомендациями технической литературы [3] покаало их удовлетворительную сходимость. Так, максимаьные и минимаьные значения толщины стенки заготовки после обжатия по результатам численного эксперимента имеют отклонение от экспериментальных не более 12 % на всем диапаоне изменения геометрических рамеров заготовки и технологических параметров процесса. Это говорит о возможности применения математической модели для прогнозирования увеличения толщины стенки трубчатой заготовки в процессе ротационной ковки без оправки.
Библиографический список.
1. Гольттттев И.В. Ротационная ковка полых цилиндрических заготовок: дис. ...канд. техн. наук. Тула. 2008. 139 с.
2. Семенов Е.И. Ковка и объемна штамповка. М.: Высша школа, 1972. 352 с.
3. Ковка и объемна штамповка: справочник. В2 т. / под ред. М. В. Сторожева. 2-е изд., перерараб. М.: Машиностроение, 1968. Т. 2. 448 с.
A.N. Pasko, O.A. Tkach
Features of cylindrical blank rotary forging without workholder processes
Results of cylindrical blank rotary forging without workholder processes are presented. Features of the metal mode of deformation are considered. The influence of the basic technological parametres on power and deformation characteristics ofprocess appraised.
Получено 05.08.09
