CC BY
5
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.77; 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-111-116
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАГОТОВКИ ПРИ ОБРАТНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ
С.Н. Ларин, В.И. Платонов, М.В. Ларина
В трубопроводных системах есть определённая номенклатура изделий, представляющих собой цилиндрические корпуса с изменяющейся толщиной стенки относительной их высоты. Методы получения таких элементов сводятся в основном к механической обработке трубных заготовок. Однако при этом возникают издержки, связанные с потерями металла. Обработка давлением труб под изготовление полуфабрикатов таких деталей должна обеспечить повышение коэффициента использования материала и в некоторой степени производительности. Методы холодного пластического деформирования, в частности, процессы выдавливания позволяют обеспечить получение всевозможных изделий и заготовок для их изготовления позволяют обеспечить значительно повышение степеней деформации вследствие всестороннего неравномерного сжатия. Кроме того, выдавливание обеспечивает у получаемых изделий значительное увеличение прочности. На базе результатов моделирование выполнена оценка повреждаемости материала заготовки, максимальных значений деформаций в заготовке при разных параметрах процесса деформирования стальной заготовки коническим пуансоном. Выявлены критические режимы деформирования. акцент в работе сделан на установлении рациональные режимов деформирования, позволяющих получить детали без потери устойчивости с минимальными энергопотерями.
Ключевые слова: обратное выдавливание, холодное деформирование, сила.
В работах [1,2] выполнено исследование процесса выдавливания трубы коническим пуансоном. Особенностью этого процесса являлась свободная зона заготовки под деформирующим инструментом. При такой схеме возможно образования наплыва под пуансоном при выходе из интервала допустимых параметров геометрии. Ввиду этого мониторинг напряженно-деформированного состояния заготовки при разных параметрах позволит уточнить допустимый интервал степеней деформаций, геометрических параметров инструмента и условий трения.
На рис. 1 дана схема процесса. Для анализа процесса были выбраны трубы диаметрами 90 мм с толщинами стенки 9 мм соответственно. Материал заготовок углеродистая сталь 10. Температура заготовки 20°С. Угол конусности матрицы 11... 20°. Степени деформации
Do - D
пуанс =0,65...0,85. Коэффициент трения 0,05...0,15. Радиус скруления
r = -
2t
рабочей кромки пуансона 1. На рис. 2 представлены схемы, полученные по результатам моделирования.
Для оценки влияния параметров технологии на напряжения были выбраны две точки в объеме заготовки (т. 1 и т. 3), расположение которых показано на рис. 2. На рис. 3 дана зависимость изменения средних нормальных напряжений для разных углов конусности пуансона от относительной величины хода пуансона.
Как видно из рис. 3 для всех углов конусности а зависимость изменения напряжений во времени процесса показывает идентичный характер. Заметное отличие в величинах напряжений наблюдается в конечный момент деформирования. С ростом а величины напряжений увеличиваются. Но стоит отметить что все напряжения на конечном этапе деформирования являются сжимающими.
^пуаис
]
И |
. с
Рис. 1. Схема операции
Рис. 2. Схема выбора точек для локальной оценки напряжений
<5,МПа
о_
ь
-100 -200 -300 -400 -500
Рис. 3. График изменения средних нормальных напряжений от относительной величины хода пуансона (т.1, г = 0,85, ц = 0,15; Я = 1 мм): 1 - а = 11°; 2 - а = 12°; 3 - а = 13°; 4 - а = 14°; 5 - а = 15°; 6 - а = 16°; 7 - а = 17°; 8 - а = 20°
На рис. 4 даны графики изменения средних нормальных напряжений от относительной величины хода при разных величинах редукции. На рис. 5 представлены графики изменения величины критерия разрушения в течении времени процесса выдавливания.
Выявлено, что для разных зон заготовки характер изменения напряжений во времени деформирования разный. Для точки, расположенной под пуансоном (т1) напряжённое состояние более равномерное. Напряжения начинают меняется в конечный момент времени деформирования. Для точки, расположенной в очаге деформации напряженное состояние неравномерное. Напряжения меняются по синусоиде. Увеличение степени деформации приводит к росту сжимающих напряжений на 30% и растягивающих на 50%.
112
cj, МП а
о -100 -гоо ■зоо -100 ■500
о,МПа
) о 2 Jó 6 0
/ Л\
2 з' V
\
а,МПа
150 100 50 О -50 -100
И /2
г\ V / /
sZ—""ч
'V7 0 2 0 4 0 6 0 8 h
т1
т3
г = 0,85
а, МП а
100 во о
-50 -100 -150
Л / Л
ДА ¿Л
2\ Vo 4 \ 0 6 \ о 8
V \ \
Ч 1 2
т3
г = 0,65
Рис. 4. График изменения напряжений от относительной величины хода пуансона ( ц = 0,15; Я = 1 мм): 1 - а = 11°; 2 - а = 14°; 3 - а = 17°
СО
0,016 0,014 0,012 0,01 0,003 0,006 0,004 0,002 0
/ /
!//
2.
у
СО
0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0
Г \ \
/ 1 ч3
/
/
/
J
0,2
0,4 0,6
т1
0,8 h
0,2 0,4
т3
0,6 0,8 fo
ю
0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 О
0 0,2 0,4 0,6 0,8
И
г = 0,85
СО
0,02 0,015 0,01 0,005
о
/ \
/ < X
-
/ //
/ У 1 2 3
т1
0,2 0,4
т3
0,6 0,8 Ц
r = 0,65
Рис. 5. График изменения критерия разрушения от относительной величины хода пуансона ( ц = 0,15 ; R = 1 мм): 1 - а = 11°; 2 - а = 14°; 3 - а = 17°
Установлено, что критерий разрушения материала заготовки растет с увеличением угла конусности пуансона на 50 % для зон заготовки под деформирующими инструментом и на 10 % для очага деформации. Увеличение степени деформации способствует снижению критерия разрушения заготовки.
На рис. 6 даны схемы, иллюстрирующие изменения положения контрольной точки при разных углах конусности. Как видно из данных схем при контактном трении ц = 0,15 в стенке
заготовки под пуансоном начинает формироваться заметное утолщение при а = 15° . На рис. 7 представлены данным соответствующие схемам графики изменения средних нормальных напряжений от относительной величины хода пуансона.
■
I
а = 12°
а = 13°
а = 14°
I
V.
а = 15° а = 16° а = 17°
Рис. 6. Эскизы к оценке изменения положения контрольной точки при разных углах конусности (ц = 0,15 ; г = 0,65; Я = 1 мм)
а,МПа
о -100 -200 -300 -400 -500
а. МП а
о
-50 -100 -150 -200 -250
) 0 2 ^Г тГТ—о 6 / 0 44
/ /
1 2''
а = 14°
) 0 6 /о 8 \\
Iх 2 '
а = 16°
а, МП а
о
-100 -200 -300 -400 -500
а = 15е а,МПаг
50 0 -50 -100 -150 -200 -250
а = 17°
) 0 2 -ТГ Г / 0 6 /о Л\
V V
\
) 0 2 0 4 / 0 6 /0 8 \\
V 2'
) 0 8 \\
1/ 2 /
а = 20°
Рис. 7. График изменения средних нормальных напряжений от относительной величины хода пуансона при разных углах конусности пуансона (г = 0,65; Я = 1 мм): 1 - ц = 0,15 ;
2 - ц = 0,05 114
Как было установлено ранее величинах максимальные значения напряжений наблюдаются в конечный момент деформирования. Сравнивая полученные эскизы с графическими зависимостями можно сказать, что при формировании утолщение в стенки заготовки под пуансоном на графиках изменения средних нормальных напряжений от относительной величины хода в конечный момент времени деформирования перед резким увеличением сжимающих напряжений происходит скачек растягивающих напряжений. С увеличением угла конусности данная закономерность усиливается.
Уменьшение кантатного трения позволяет минимизировать процесс утонения. На рис. 8 даны схемы к оценке изменения положения контрольной точки при разных углах конусности при контактном трении ц = 0,05 .
а = 14°
а = 15°
а = 16°
II II
а = 17°
Рис. 8. Эскизы к оценке изменения положения контрольной точки при разных углах конусности (ц = 0,05 ; г = 0,65; Я = 1 мм)
Сравнивая полученные данные можно сказать, что ц = 0,05 крайним значением угла конусности, при котором не происходит формирование утолщения в стенке является а = 17° . На графиках при снижении кантатного трения разница с вариантом при котором ц = 0,15 выражается в значительно м снижении сжимающих напряжений под пуансоном. При а = 20° эта разница не существенна.
Таким образом исходя из результатов исследований напряженного стояния были установлены предельные значения геометрии пуансона при редукции г = 0,65 они составляют при ц = 0,05 а = 18° и при ц = 0,15 а = 15° . Таким образом выявлено наилучшее сочетание трения и углов конусности а = 12...15° , ц = 0,05...0,1 .
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 20-08-00401.
Список литературы
1. Пасынков А.А., Аккуратнова А.С. Оценка напряженно-деформированного состояния и возможностей формоизменения тонкостенной трубной заготовки из сплава ВТ14 при ее раздаче в изотермических условиях // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 9. С. 286-290.
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 отбортовки // 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.
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ларина Марина Викторовна, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVALUATION OF THE STRESS AND DEFORMATION PARAMETERS OF THE BLANKDURING BACKEXTRACTION OF STEEL PIPES
S.N. Larin, V.I. Platonov, M. V. Larina
In pipeline systems, there is a certain range of products, which are cylindrical bodies with varying wall thickness relative to their height. Methods for obtaining such elements are reduced mainly to the mechanical processing ofpipe blanks. However, there are costs associated with the loss of metal. The pressure treatment of pipes for the manufacture of semi-finished products of such parts should provide an increase in the material utilization rate and, to some extent, productivity. Methods of cold plastic deformation, in particular, extrusion processes, make it possible to obtain all kinds ofproducts and blanks for their manufacture, which can significantly increase the degree of deformation due to all-round uneven compression. In addition, extrusion provides a significant increase in strength in the resulting products. On the basis of the simulation results, an assessment was made of the damageability of the workpiece material, the maximum values of deformations in the workpiece for different parameters of the process of deformation ofa steel workpiece by a conical punch. Critical modes of deformation are revealed. The emphasis in the work is on establishing rational deformation modes that allow ob-tainingparts without loss of stability with minimal energy losses.
Key words: reverse extrusion, cold deformation, force.
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Larina Marina Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
