CC BY
9
УДК 621.983
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО РОТАЦИОННОГО ХОЛОДНОГО ОБЖАТИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ВЫСОКОТОЧНЫХ ЛАТУННЫХ ИЗДЕЛИЙ
С.М. Зыков
Рассмотрен процесс ротационного обжатия полуфабрикатов высокоточных латунных изделий на примере изготовления элементов типа «стакан» с фланцем и фигурной канавкой в донной части. На основе математического моделирования осесим-метричного холодного течения жесткопластических сред в условиях высокоскоростной деформации с использованием методов баланса мощностей, локальных вариаций и многошагового процесса принятия решения представлено решение задачи, связанной с прогнозированием силовых, кинематических, деформационных характеристик при реализации ротационного обжатия указанных элементов.
Ключевые слова: ротационное обжатие, баланс мощностей, осесимметрич-ное течение, жесткопластическая среда, метод локальных вариаций.
Совершенствование процессов изготовления изделий ответственного назначения в современных условиях активного развития производственных технологий и оборудования является перспективным направлением для повышения их эффективности, как функциональной, так и экономической. К числу таких изделий, в частности, относится высокоточный латунный элемент типа «стакан» (рис. 1) с фланцем и фигурной канавкой в донной части, технология производства которого до настоящего момента с целью формирования фланца подразумевает проведение операции резания, обеспечивающей существенный отход дорогостоящего металла, а также ухудшающей качество изготовления изделия за счет перерезывания волокон металла. Перспективный аналог указанной операции - высокоскоростное ротационное обжатие, которое позволит устранить указанные недостатки операции резания - увеличит коэффициент использования материала, улучшит структуру металла в донной части изделия, измельчая кристаллическое зерно и тем самым повышая механические свойства.
Ротационное обжатие как операция обработки металлов давлением изменяет форму заготовки (рис. 2), имеющей предварительно сформированную фигурную канавку, в соответствии с требуемыми очертаниями изделия (рис. 1) за счет периодического обжатия рабочими органами - бойками ротационно-обжимных или радиально-обжимных машин, которые совершают относительно оси полуфабриката возвратно-радиальное и вращательное движения. Реализуется большое число обжатий одновременно по всей зоне деформирования с относительно малой деформацией за одно обжатие несколькими бойками, расположенными в одной плоскости и сходящимися в радиальном направлении [1]. Большое количество ходов бойков/обжатий в единицу времени приводит к высокой производительности процесса деформирования.
Рис. 1. Высокоточное латунное изделие ответственного назначения типа «стакан» с фланцем и фигурной канавкой в донной части
Рис. 2. Исходная заготовка для изготовления ротационным обжатием высокоточного латунного изделия ответственного назначения типа «стакан» с фланцем и фигурной канавкой в донной части
При деформировании заготовки ротационным обжатием реализуется схема неравномерного всестороннего сжатия, при котором очаг деформации сосредотачивается в областях поковки, непосредственно располагающихся в зоне действия деформирующего инструмента.
Время от одного обжатия до другого составляет доли секунды, поэтому процесс ротационного обжатия является цикличным с чередованием циклов нагрузки за предел текучести и разгрузки до нуля.
Схема ротационного обжатия высокоточного латунного изделия ответственного назначения типа «стакан» с фланцем и фигурной канавкой в донной части представлена на рис. 3.
Процесс ротационного обжатия по схеме рис. 3 сводится к пластическому изменению формы заготовки путем перемещения частиц металла в донную часть полуфабриката для формирования фланца и фигурной канавки, а также в сторону его стенки и осуществляется следующим образом:
1) подается исходная заготовка (рис. 2) в полость рабочего инструмента. Аксиально перемещающиеся клинья 5 (рис. 3) выдвигаются и исходная заготовка подается в область отверстия раскрытых сегментов бойков 3. В этот момент исходная заготовка размещается в полости матрицы 2 с установкой на оправку 1 и фиксируется прижимом 6. При этом обеспечивается высокая точность размера по толщине дна;
2) реализуется врезной метод для местного редуцирования обжатием фигурной канавки в дне заготовки с одновременным формированием гнезда и фланца по чертежу. Бойки (сегменты инструмента) 3 постепенно сближаются за счёт аксиального перемещения клиньев 5, которые расположены между ползунами 4 и бойками 3. Производится обжатие исходной заготовки, приводящее к формированию требуемых механических свойств и геометрической формы;
3) полученное изделие удаляется из полости инструмента. Клинья 5 выдвигаются, бойки 3 расходятся, отводится прижим 6 и обжатый полуфабрикат удаляется из полости инструмента.
Рис. 3. Схема ротационного обжатия: 1 - оправка; 2 - матрица; 3 - боёк; 4 - ползун; 5 - клинья; 6 - прижим; 7 - гнездо полуфабриката;
8 - обжимаемая фигурная канавка
Оптимальная реализация ротационного обжатия в технологии изготовления высокоточных латунных изделий ответственного назначения типа «стакан» с фланцем и фигурной канавкой в донной части требует решения задачи, связанной с прогнозированием силовых, кинематических, деформационных характеристик процесса, которое в дальнейшем позволит обеспечивать реализацию эффективных режимов обработки.
Решение задачи ротационного обжатия получено на основе математического моделирования осесимметричного холодного течения жестко-пластических сред (табл. 1) в условиях высокоскоростной деформации.
1
При рассмотрении ротационного обжатия принимаются допущения: деформируемое тело несжимаемо, изотропно, жесткопластично, массовые силы малы по сравнению с силами, вызывающими пластическое течение.
Таблица 1
Базовые соотношения, описывающие осесимметричное холодное _течение жесткопластических сред_
Наименование Соотношение
Дифференциальные уравнения равновесия Эаг + Эт^ + аг - ае _ , Эг Эг г Этг, + тГ, + Эаг _, Эг г Эг где аг, т гг, ае, а г -компоненты напряжений, кг/м2; г, е, г - оси цилиндрической системы координат
Условие несжимаемости Эи и Эю — + - +—_ 0, Эг г Эг где и, ю - компоненты скоростей деформации (в радиальном и осевом направлении), м/с
Интенсивность скоростей деформации сдвига Н (ё г - ё е )2 + (ё е - ё г )2 + (ё г - е г )2 + 2 У 2 , где ¿г, е е, ег, уг2 - скорости деформаций, с-1
Компоненты скоростей деформации Эи и . Эю Эи Эю е г _ з ; е е _ ; е г _ л ; У г, _ л + Л Э г г Эг Эг Эг
Условие совместности ЭЧ , эЧ _ ЭЧ Эг2 Эг2 Эг • Эг
Компоненты деформаций г ЭЯг г _ Яг г ЭЯ, г _ЭЯг + ЭЯ г Эг ' 9 г ' 2 Эг ' гг Эг Эг
Условие текучести Мизеса (а г - ае )2 +(ае - а г )2 +(ае - а г )2 + 6т 2 _ 2а 2, где а ^ - предел текучести, кг/м2
На основе метода баланса мощностей получен функционал, составляющие которого полностью характеризуют состояние деформируемый среды в процессе ротационного обжатия:
\tHdV+]Ч \Г№+/\т5 [V ] Я +|оГ _ \ XV,(1)
V Я Як у Я*
где V - объем, м3; тя - предел текучести сдвига, кг/м2; Я - площадь поверхностного разрыва, м2; [V ] - результирующая скорость на поверхностях разрыва касательных составляющих скоростей перемещения дискретных элементов пластической области, м/с; / - коэффициент трения;
\ук ] - скорость скольжения металла по инструменту, м/с; 8к - площадь
г Эы доЛ 2 . 2 . и— + о— I + ы е + ог£„
" 2 контактной границы с инструментом, м2; а = р „
V Э/ Э/
скоростная функция; р - плотность деформируемого материала, кг/м3;
5 - площадь поверхности воздействия внешних сил, м2; X - вектор поверхностных сил; Уо - вектор скорости движения инструмента, м/с.
В выражении (1) в левой части первое слагаемое - пластическая компонента мощности, второе - компонента мощности, связанная с наличием поверхностей разрыва скоростей в объеме деформируемой среды, третье - компонента мощности сил трения на контактной границе с инструментом, четвертое - инерционная компонента мощности (затрачивается на изменение кинетической энергии). В правой части выражения мощность внешних сил.
Составленный функционал решается с применением метода локальных вариаций, заключающегося в определении действительного поля скоростей и, (в радиальном направлении) в каждой точке предварительно
дискретизированной области деформации на основании априорно заданного поля скоростей ы'г], исходя из граничных условий (мощность внешних
сил в расчете не участвует) [2]. Для этого выбирается достаточно малая величина шага, значительно меньшая начальной скорости деформирования, с которым далее в большую и меньшую стороны изменяются значения первоначально заданного поля скоростей. Это приводит к изменению значений мощности в ячейках, представляющих собой окружение для данной точки. В каждом приближении для каждой внутренней точки дискретной сетки вычисляется двенадцать значений функции. После разового проведения вышеописанной процедуры определяется скорректированное поле скоростей ыг] и соответствующее ему суммарное значение мощности деформации и д алее процесс перебора повторяется. Он заканчивается тогда, когда разница в значениях функционала на п-й и п-1-й итерациях становится не более априорно заданного малого числа, т. е. функционал перестает убывать.
В результате расчета определяются мощность сил пластической де-
№
формации Жпл, технологическая сила Р = —^, а также значение составляющей скорости перемещения ыг] вдоль оси г для всех узловых точек дискретного поля.
По полученным данным можно определить полную картину жестко-пластического течения, определив щ} - составляющую скорости перемещения по оси ъ , компоненты скоростей деформации ёг,ев,ег,уг2, а также интенсивности скоростей деформации сдвига Н. Для определения щ} необходимо воспользоваться условием несжимаемости.
Определенные значения скоростей деформации позволяют вычислить значение интенсивности скоростей деформации сдвига для узловых точек.
Известные значения составляющих скоростей перемещения могут быть использованы для приближенного определения деформационных характеристик.
Имея представление о кинематических и деформационных характеристиках напряженного состояния, можно определить поля напряжений на основе уравнений движения и связи между напряжениями и скоростями деформации.
Схема процесса ротационного обжатия характеризуется постоянным изменением механических свойств материала деформируемого полуфабриката и, соответственно, упрочнением материала, влияющим на величину технологической силы и на механические свойства обжатого полуфабриката. В связи с этим задача ротационного обжатия должна решаться пошагово - с учетом изменений напряженно-деформированного состояния деформируемой среды на протяжении всего времени протекания процесса. Количество шагов (этапов) определяется: величиной радиального перемещения бойков, механическими свойствами деформируемого материала и техническими характеристиками оборудования, с учетом соблюдения условия равенства объёмов в процессе деформирования.
Расчет диаметров и высот полуфабрикатов, получающихся в процессе ротационного обжатия за один оборот бойков, осуществляется с учетом осевой подачи б и равенства объемов металла до деформации (рис. 4):
У0 = 2 (^ЛБСВ - Клш Вгн Сгн Б + Улн Бн СГН Бн )
и после деформации У1 с учетом истечения металла в донную часть полуфабриката для формирования фланца и фигурной канавки, а также в сторону его стенки.
Рис. 4. Расчетная схема донной части исходной заготовки для реализации ротационного обжатия
Геометрия бойков определяется геометрией готового изделия (см.рис. 1).
Промежуточные степени деформации определяются по формуле
г- F-. - F e = ,
где Ft-1 - площадь поперечного сечения полуфабриката до обжатия; F - площадь поперечного сечения полуфабриката после обжатия.
Для решения задачи ротационного обжатия на основе вариационного подхода разработана программа в среде программирования «Delphi». В качестве исходных данных в программу вводятся: характеристики деформирующего инструмента, геометрия и механика исходной заготовки, коэффициент трения, параметры дискретизации деформируемой среды, параметры, обусловленные особенностями метода локальных вариаций, а также, исходя из граничных условий, задается кинематически возможное поле скоростей u[}.
Разработанная программа позволяет определять действительное поле скоростей ut], мощность пластической деформации, силу и удельную
силу деформирования. По результатам расчета вызываются процедуры для определения скорости перемещения по оси z, перемещений по осям г и z, деформаций по осям г, 0, z, интенсивности деформаций, напряжений, интенсивности напряжений.
В качестве примера рассмотрен этап (первый шаг из пяти) решения задачи ротационного обжатия, при котором требовалось получить латунное изделие, изображенное на рис. 5.
Рис. 5. Пример высокоточного латунного изделия ответственного назначения типа «стакан» с фланцем и фигурной канавкой
в донной части
Помимо геометрических размеров, представленных на рис. 5, основные исходные данные для указанного примера приведены в табл. 2.
364
Технология машиностроения
Основные исходные данные для решения задачи ротационного обжатия Таблица 2
Параметр Значение параметра
Предел текучести материала заготовки, МПа (Н/м2) 80
Плотность материала заготовки, кг/м3 8500
Скорость перемещения бойков, м/с 1,8
Шаг варьирования, м/с 0,001
Малое число, с которым сравнивается текущее значение мощности, Дж 10
Параметры, определяющие базу дискретной сетки, м 0,001
Коэффициент трения 0,1
Шаг, мм 0,38
На исследованном этапе ротационного обжатия при приведенных исходных данных с использованием разработанного программного обеспечения получены следующие результаты:
мощность сил пластической деформации Wp=3151,7 Вт;
сила деформирования P=1750,96 Н.
Аналогично могут быть проведены расчеты на любом другом шаге с учетом результатов, полученных на предыдущих этапах деформирования (с учетом упрочнения). После проведения расчета на последнем этапе выводятся поля скоростей перемещений по осям г и z, перемещений по осям г и z, деформаций по осям г, 0, z, интенсивности деформаций, напряжений, интенсивности напряжений.
Разработанное решение по прогнозированию силовых, кинематических, деформационных характеристик ротационного обжатия в дальнейшем можем быть использовано для обеспечения оптимальной реализации данной операции в технологии изготовления высокоточных латунных изделий ответственного назначения типа «стакан» с фланцем и фигурной канавкой в донной части.
Список литературы
1. Любвин В.И. Обработка металлов радиальным обжатием. М.: Машиностроение, 1975. 248 с.
2. Лялин В.М., Петров В.И., Журавлев Г.М. Основы технологии объемной и листовой полугорячей штамповки. Тула: Изд-во ТулГУ , 2002. 160 с.
Зыков Станислав Михайлович, инженер-исследователь, scormix@rambler.ru, Россия, Тула, АО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А. Г. Шипунова»
SOLUTION OF THE TASK OF HIGH-SPEED ROTATIONAL COLD COMPRESSION OF SEMIFINISHED PRODUCTS HIGH-PRECISE BRASS PRODUCTS
S.M. Zykov 365
The article describes the process of rotational compression of semifinished high-precision brass products by the example of production elements of the "glass " type with a flange and a chamfer groove in the bottom part. Solution is based on mathematical modeling of axisymmetric cold flow o f rigid plastic media in high-speed de formation conditions using power balance methods, local variations and multi-step decision making process. Solve of task is associated withof predicting power, kinematic and deformation characteristics during rotational compression o f these elements is presented.
Key words: rotational compression, power balance, axisymmetric flow, rigid plastic medium, method of local variations.
Zykov Stanislav Mikhailovich, research engineer, scormix aramhler. ru, Russia, Tula, JSC KBP named after Academician A. Shipunov
УДК 621.643; 621.771
ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ
А. А. Вайцель, А.В. Гаврюхина, Е.Р. Сиренко
Приведен обзор материалов и технологий изготовления металлических труб, используемых в системах водоснабжения и водоотведения. Перечислены основные достоинства и недостатки различных способов производства металлических труб методами обработки давлением и литьем.
Ключевые слова: трубы, изготовление, литье, обработка давлением, водоснабжение, водоотведение.
Системы водоснабжения и водоотведения применяются повсеместно, начиная от жилых помещений, заканчивая производственными зданиями. Одним из основных элементов водопроводной системы являются трубы, которые могут изготавливаться из большого разнообразия материалов с применением различных технологий производства.
В качестве материалов труб могут служить металлы и их сплавы, такие, как медь, легированные и нелегированные стали (с покрытиями и без), чугуны, а также неметаллические материалы, например, полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид, металлопластик, железобетон.
Несмотря на достоинства пластиковых труб (долговечность, отсутствие коррозии, малая масса, относительно низкая стоимость, удобство монтажа) такие трубы имеют ограничения по прочностным характеристикам, жесткости и температурному режиму эксплуатации. Поэтому широко применяются трубы из металлов и их сплавов. Наиболее часто применяются трубы из стали, чугуна и меди. В данной статье будут рассматриваться технологии получения стальных и чугунных цилиндрических изделий.
