ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПОВРЕЖДАЕМОСТИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ ПРИ ОБРАТНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.77; 621.7.043

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-295-302

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПОВРЕЖДАЕМОСТИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ ПРИ ОБРАТНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ

С.Н. Ларин, В.И. Платонов, Н.М. Матченко, Г.А. Нуждин

При получении полых полуфабрикатов или деталей наибольшее распространение получили способы деформирования на основе операций вытяжки. Но данные процессы характеризуются высокими материалопотерями. Выдавливание трубных заготовок характеризуется высоким коэффициентом использования материала. Посредством выдавливания получают полые полуфабрикаты или детали с разной толщиной стенки по их высоте. При холодном выдавливании реализуется наиболее благоприятная при формоизменении схема напряженно-деформированного состояния - всестороннее сжатие, что позволяет осуществлять процесс при больших степенях деформации. Для процесса характерна повышенная энергоемкость. Ввиду этого на базе конечно-элементного моделирования выполнена оценка напряжений и деформаций. Для анализа процесса были выбраны трубы диаметром 90 мм и толщиной стенки 9 мм. Материал заготовок - конструкционная сталь 10. Приводятся зависимости влияния различных параметров на величины интенсивностей напряжений и повреждаемости в объеме полуфабрикатов. Установлены критические режимы деформирования.

Ключевые слова: обратное выдавливание, холодное деформирование, напряжения, деформации.

При получении полых полуфабрикатов или деталей наибольшее распространение получили способы деформирования на основе операций вытяжки. При этом получение плоской заготовки осуществляют с помощью операции вырубки из полосы или ленты. Коэффициент использования металла в этом случае низок из-за нерационального раскроя полосы или ленты, что существенно сказывается на себестоимости производства. С более высоким коэффициентом использования материала получают полые заготовки или детали с использованием способов холодного выдавливания в штампах различной конструкции. При холодном выдавливании реализуется наиболее благоприятная при формоизменении схема напряженно-деформированного состояния - всестороннее сжатие, что позволяет осуществлять процесс при больших степенях деформации. Однако при реализации таких условий формоизменения требуются повышенная энергоемкость прессового оборудования и стойкость деформирующего инструмента.

В работе выполнен анализ изменения напряженно-деформированного состояния деталей при выдавливании. Выполнен ряд опытов на базе компьютерного моделирования. Анализируя полученные результаты, построены графики влияния конусности, редукции, трения, геометрических характеристик инструмента на величины интенсивности напряжений и повреждаемости.

На рис. 1 показана схема операции, использованная при компьютерном моделировании.

Для анализа процесса была выбрана трубная заготовка диаметром 90 мм и толщиной стенки 9 мм. Материал заготовок конструкционная сталь 10. Температура деформирования 20°С. Угол конусности матрицы

Б - Б

14... 20°. Степени деформации г =-— =0,8...0,375. Коэффициент трения

г

0,05.0,15. Радиус скруления рабочей кромки пуансона 1.6 мм.

На рис. 2 показаны схемы исследуемого процесса на разных этапах операции, выбраны контрольные точки для определения параметров деформирования по очагу формообразования.

а ■

JJ \

А» Т

И,

D Е>

Рис. 1. Схема операции выдавливания

Ü

,Р 2 ,р 3 Р 4

Ti---1

Р2

Рис. 2. Схема процесса

Получены графики изменения величин повреждаемости в ходе проведения операции для разных значений степеней деформации и углов а = 11,14,17°, представленные на рис. 3-5.

Полученные результаты дают представление как о величинах повреждаемости материала заготовки, так и распределении ее величины по объему изделия. Установлено, что максимального уровня величина повреждаемости достигает в конце хода инструмента, а ее наибольшие значения расположены в области точки 3 (см. рис. 2). На начальных этапах операции повреждаемости максимальны в зоне, прилегающей к точке 1. Увеличение степени деформации при а = 11° приводит к росту Ю в 2,5 раза. Увеличение степени деформации при а = 14° приводит к росту Ю в 2 раза. Увеличение степени деформации при а = 17° приводит к росту Ю в 2 раза.

СО

0,02 0,015 0,01 0,005 0

2 3 4 /

/ / / /

/

/ / ' У

/г —

О 0,2 0,4 0,6

ш

0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 О

СО

0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 О

1 2

б

1 2 3 4 /

\ —

\ \ /

\ < У

0,2 0,4 0,6 0,8

0,2 0,4 0,6 0,8

Рис. 3. Графики изменения Ю от И для контрольных точек (а = 11°): а - г = 0,8; б - Г = 0,6; в - Г = 0,4

0)

0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 о

I 2, 3, 4.

V \\ X

\ \ \\ /

\ \ /

у\ \\ /

\

ч

0,2 0,4 0,6 0,8

а Ш

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 о

11

СО

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 о

2 3

\ У4

\

ч ч N4 /

X

\ / N Л

0,2 0,4 0,6 0,8 б

1 2. 3. 4

\ - \

\ IXх \

\ \ / \ \

У 4

о

0,2

0,4

0,6

0,8

Рис. 4. Графики изменения Ю от И для контрольных точек (а = 14°): а - г = 0,8; б - Г = 0,6; в - Г = 0,4

Получены графики изменения величин интенсивностей напряжений в ходе моделирования операции при разных значениях степеней деформации и углов а = 11,14,17°, показанные на рис. 6-8.

а

в

в

СО

0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0

1 2 3 4

\ \ 4 , \ У

\ - V N. N

\ А \ ч

У \ -К

А / У N ]\

/ / У ч

— / 4

0,2

0,4 0,6

а

СО

0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 О

0,8

СО

0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 О

г-

1 2 Зч 4.

\ N \ N \ ч— /

\ /

/ \ Ч V

___• 7~ ч

ЧУ

0,2

0,4

1 2 3 4Х /

ч \ ч \ г

\ \\ -Ч

ч ч \

\ Л \ ч /

ч/ \ ч . Ч

\ ч /

Ч

—" V/

0,6

0,3

0,2

0,4

0,6

0,8

Рис. 5. Графики изменения Ю от И для контрольных точек (а = 17°): а - г = 0,8; б - г = 0,6; в - г = 0,4

а С?,

МПа

600 500 400 300 200 100 0

О

0,4 б

Д .2 3 4

/ / р<

\ / /

\/ У\

к / А /

V 1

0,2

0,4 в

0,6

0,8

Рис. 6. Графики изменения стг-, МПа от И для контрольных точек (а = 11°): а - г = 0,8; б - г = 0,6; в - г = 0,4

298

б

в

а,

МПа

600 ъоо адо зоо 200 100 о

\

У" V

Л / А,

/ч /~\ \Л л А

/А А4 ■А«

V \ ьЛ

! Ч ч2 4—

0,2 0,4 0,6 0,8

а ст,

0,2 0,4 0,6 0,8 б

МПа

0,2 0,4 0,6 0,8 в

Рис. 7. Графики изменения стг-, МПа от И для контрольных точек (а = 14°): а - Г = 0,8; б - Г = 0,6; в - Г = 0,4

Установлено, что при меньших углах конусности пуансона наблюдается более равномерное поле напряжений. Для меньших углов конусности пуансона увеличение степеней деформации не влияет на величины интенсивностей напряжений ст^. Для больших углов конусности пуансона увеличение степеней деформации ведет к росту интенсивностей напряжений в среднем на 12 %.

СГ,

МПа

600 500 400

зоо 200 100 о

А ,2 /3 4

А -Ч / Н / \ ¿к.

/ и Л Ж

д /А /У ГУ / ^

// гл X ,

/ V

/

0,2

0,4 0,6

а <Т,

МПа

700 600 500 400 300 200 100 О

0,8

0,2 0,4 0,6 0,8 б

Рис. 8. Графики изменения ст^, МПа от И для контрольных точек

(а = 17°): а - Г = 0,8; б - Г = 0,6; в - Г = 0,4

299

в

Приводятся зависимости влияния различных параметров на величины интенсив-ностей напряжений и повреждаемости в объеме полуфабрикатов. Выявлено, что меньшие углы конусности инструмента позволяют добиться более равномерного напряжённого состояния, обеспечить минимальные величины повреждаемости даже при больших степенях деформаций. Рост угла конусности пуансона ведет к росту повреждаемости в 2,5 раза для меньших степеней деформации и в 1,5 раза для больших степеней деформации. Увеличение углов конусности инструмента с 11 до 17° вдет к росту интенсивностей напряжений на 5 %

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 20-08-00401.

Список литературы

1. Ларин С.Н., Платонов В.И., Нуждин Г.А. Силовые режимы обратного выдавливания стальной трубы // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2022. Вып. 2. С. 18 - 21.

2. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных сплавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.

3. Трегубов В.И., Ларин С.Н., Пасынков А.А., Нуждин Г.А. Оценка влияния геометрии инструмента на силовые параметры совмещенного процесса вытяжки и отбор-товки // Заготовительные производства в машиностроении. 2019. №4. С. 165-167.

4. Грязев М.В., Ларин С.Н., Черняев А.В. Предельные возможности формообразования при обжиме трубной заготовки в матрице конической формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 7. С. 3-8.

5. Jennifer Tennera, Kolja Andreasa, Adrian Radiusa, Marion Merklein Numerical and experimental inves-tigation of a dry drawing of aluminum alloys with conventional and coated tool surfaces, Procedia Engineering, Volume 207, 2017. P. 2245-2250.

6. Junsong Jin, Xinyun Wang Lei, Deng Jiancheng Luo A single-step hot stamping-forging process for the aluminum alloy shell with nonuniform thickness, Journal of Materials Processing Technology. Volume 228, 2016. P. 170-178.

7. Dongbin Wei, Liang Luo, Hideki Satoc ZhengyiJiang, Kenichi Manabec Simulations of hydro-mechanical deep drawing using Voronoi model and real microstructure model, Procedia Engineering. Volume 207, 2017. P. 1033-1038.

8. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1968.

283 с.

9. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.

10. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 423 с.

Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Матченко Николай Михайлович, д-р физ.-мат. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Нуждин Георгий Анатолиевич, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Москва, Орган по сертификации систем качества «Консерсиум»

ASSESSMENT OF THE STRESS STATE AND DAMAGE TO STEEL PIPES DURING

REVERSE EXTRUSION

S.N. Larin, V.I. Platonov, N.M. Matchenko, G.A. Nuzhdin

When obtaining hollow semi-finished products or parts, the most widely used methods of deformation based on drawing operations. But these processes are characterized by high material losses. The extrusion of tubular blanks is characterized by a high material utilization rate. Through this operation, hollow semi-finished products or parts with different wall thicknesses along their height are obtained. During cold extrusion, the most favorable scheme of the stress-strain state is realized in terms of shaping - all-round compression, which allows the process to be carried out at high degrees of deformation. The process is characterized by increased energy intensity. In view of this, on the basis offinite element modeling, an assessment of stresses and deformations was made. Pipes with a diameter of 90 mm and a wall thickness of 9 mm were selected for process analysis. The material of the blanks is carbon steel 10. Dependences of the influence of various parameters on the values of stress intensities and damage in the volume of semi-finished products are given. Critical deformation modes are established.

Key words: reverse extrusion, cold deformation, stresses, strains.

Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula'aram-bler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula'aram-bler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Matchenko Nikolay Mikhailovich, doctor of physical and mathematicalsciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Nuzhdin Georgiy Anatolievich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Moscow, Оrgan by quality system certification «Konsersium»