CC BY
130
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 539.374:621.983
С.П. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Н. Драбик, асп., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
СИЛОВЫЕ РЕЖИМЫ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ КОНИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приведены результаты теоретических исследований напряженного состояния и силовых режимов операции ротационной вытяжки конических деталей из анизотропных материалов.
Ключевые слова: анизотропия, ротационная вытяжка, напряжение, сила, коническая деталь, пластичность.
При ротационном формообразовании в очаге деформации имеет место локальное приложение сил по сравнению с габаритными размерами исходной листовой заготовки. На ролик действуют силы и моменты в трех координатных плоскостях, поэтому при исследовании полей напряжений и деформаций ротационного формообразования возникают известные трудности. Из-за различного течения металла в зоне деформаций, имеющей криволинейную форму, процесс исследуется по участкам [1, 2].
Рассмотрим тонкую оболочку вращения, полученную ротационным формообразованием из листовой заготовки (рис. 1). По геометрическим признакам и условиям нагружения разделим оболочку на следующие зоны.
Следовательно, при исследовании напряженного и деформированного состояний каждого участка зоны пластической деформации рассматриваются как отдельные задачи, решения которых должны быть согласованы.
В качестве базового варианта ротационной вытяжки рассмотрим ротационную проекционную вытяжку, при которой участки 1 и 2 находятся в очаге пластической деформации.
37
Зона I пластически деформирована и испытывает упругие деформации, возникающие от реакций оправки и контурных усилий вдоль образующих оболочки. Зона II находится в состоянии пластической деформации. Эту зону можно разбить на отдельные участки (рис. 1).
На участке 1 , который можно назвать зоной обжатия, реализуется схема объемного напряженного и деформированного состояний заготовки.
На участке 2 происходит плоская деформация исходного материала. Участок 3 представляет фланец, находящийся в условии плоского напряженного состояния.
Основные уравнения и соотношения для теоретического анализа напряженного состояния заготовки из трансверсально-изотропного неуп-рочняющегося материала, примыкающей к радиусу закругления ролика (участок 2), при ротационной вытяжке конических деталей из анизотропного материала приведены в работе [3], а в работе [4] получены основные уравнения и соотношения для теоретического анализа напряженного состояния заготовки в зоне обжатия 1, а также выражения для определения силовых режимов ротационной вытяжки.
При ротационной вытяжке конических изделий на оправке составляющими силами формообразования Р являются: тангенциальная Рг, радиальная Р^ и осевая Р2 (рис. 2).
\
Оболочка Фланец
Рис. 2. Силы при ротационной вытяжке конических деталей на конусе
Рис. 1. Схема деления очага пластической деформации на участки
По найденным распределениям напряжений [3, 4] можно определить перечисленные выше компоненты полной силы.
Величину осевой силы Р1 предлагается вычислять следующим образом:
Ч ^ Ч ^
р=Л +Л \р2\&2+Л т/1 +Л т2 ^, С1)
где Р1 и р2 - удельные давления на ролик в области 1 и 2 соответственно;
dsz - площадь проекции элементарной контактной площади на плоскость с нормалью 1; Sl и S2 - площади контактных поверхностей в области 1 и 2 соответственно; т/1 и т/2 - величины касательных напряжений на контактных поверхностях.
За величину радиальной силы принимаем силу, действующую в сечении с минимальной толщиной Н и нормальную к оси 1:
Ч ^ Ч ^
РЯ = Л Р\^Я + Л |Р21+ Л т/1 + Л Т/2 , (2)
где dsR - площадь проекции элементарной контактной площади на плос-
кость с нормалью Я.
Под тангенциальной силой будем подразумевать величину силы, которая проецируется на направление, нормальное к плоскости ф = 0:
Рр Рр
р =Л Ст п^ф+\\ Т/р^ф , (3)
где Рр - граница раздела областей 1 и 2; ап - нормальное напряжение к поверхности раздела областей 1 и 2; т/р - величина касательного напряжения, действующего на поверхности раздела этих областей; dSф - площадь элементарной площадки раздела областей 1 и 2 на плоскость с нормалью ф .
Следует заметить, что при вычислении указанных выше интервалов необходимо учитывать направление действия касательного напряжения на контактной поверхности ролика к границе раздела областей 1 и 2.
Полученные соотношения и уравнения [3, 4] позволили определить напряженное состояние заготовки в зоне утонения, а также силовые режимы операции ротационной вытяжки конических деталей из трансверсаль-но-изотропного материала.
Графические зависимости распределения относительных величин
контактных напряжений р = р / т>Ура в зоне контакта ролика и заготовки для неупрочняющегося материала представлены на рис. 3 и 4. Расчеты выполнены при следующих исходных данных: 0 = 30°; Но = 3 мм; р1 = 1...4; р1 =Р1/ Но; т spа =45 МПа.
Рис. 3. Распределение контактных напряжений (Н0 = 3мм, Н1 = 1,5мм):
а - с = -0,5; р1 = 1; б - с = -0,5 ; р1 = 4; в - с = 0,5; р1 = 1; г - с = 0,5; р1 = 4
Из анализа графических зависимостей и результатов расчетов следует, что с увеличением степени утонения величина относительного контактного напряжения р в зоне утонения увеличивается в 1,5_______2 раза, с
увеличением угла охвата заготовки роликом ат величина относительного контактного напряжения в зоне изгиба также возрастает. Интенсивность роста величины р существенно зависит от относительного радиуса закругления ролика р1. С увеличением относительной величины р1 интенсивность роста относительного контактного напряжения р падает.
Из рис. 3, 4 также видно влияние характеристики анизотропии с в условиях плоского деформированного состояния заготовки (зона изгиба, угол а т) на относительную величину контактного напряжения р. Увеличение характеристики анизотропии с от -0,5 до 0,5 приводит к снижению относительной максимальной величины контактного напряжения р более чем в 1,5 раза.
Рис. 4. Распределение контактных напряжений (Н0 = 3мм, Н1 = 1мм):
а - с = -0,5; р1 = 1; б - с = -0,5 ; р1 = 4; в - с = 0,5; р1 = 1; г - с = 0,5 ; р1 = 4
Выполнены исследования силовых режимов операции ротационной вытяжки конических деталей. Расчеты выполнены при следующих исходных данных: угол наклона образующей конуса от оси г 0 = 25...450; начальная толщина заготовки Н0 =3 мм, диаметр ролика Бр = 100 мм, начальная координата движения ролика по сформировавшемуся очагу деформации гтіп=10 мм, конечная координата гтах =50 мм. Графические
зависимости изменения относительных величин радиальной Р^, осевой Рг и тангенциальной Рг составляющих сил от перемещения ролика при различной степени утонения и разных углах наклона образующей конуса 0 от оси г для неупрочняющегося материала представлены на рис. 5.
о,?? А «
0,25 0.2 . *аз * ОД 0.0? 0.0
Е
а
\
б
\
М' 03 №.25 0.1 0.1 * 0.1 0,0 Л 0.0
0.-1
Аа"
си:;
(11
0,1
о
в
а 1
РР«
0.1
7.
^1М51\
рг
—г
\гг
\ г
"1 1 1
Рис. 5. Графические зависимости изменения Р^, Р2, РТ от ^1т<х :
а - 0 = 30°; Но = 3 мм; Н1 = 1,5 мм; б - 0 = 30°; Н0 = 3 мм; Н1 = 1 мм; в - 0 = 25°; Но = 3 мм; Н1 = 1,5 мм; г - 0 = 45°; Н0 = 3 мм; Н = 1,5 мм
г
Здесь pr = pr расч /(Pусл ) ; Pz = Pz расч /(^усл ) ; Pt расч = Pt / Pусл - расчетные значения составляющих силы ротационной вытяжки; PуCл = Pmin =2500 Н - минимальное расчетное значение силы.
Из анализа рис. 5 видно, что тангенциальная составляющая силы имеет значения в 10 раз меньшие, чем величины других составляющих.
Все составляющие силы при ротационной вытяжке конических деталей плавно растут (на 60...70%) по мере перемещения ролика по образующей конуса. Анализ графиков и результатов расчета показал, что с увеличением степени деформации s = 1 - hi/h§ с 0,5 до 0,67 относительные
величины радиальных РR, осевых Pz и тангенциальных Pt составляющих сил интенсивно растут - на 80.110 % (в 2 раза). Расчеты также показали, что с ростом угла наклона образующей конуса 0 в пределах от 25 до 45° осевая составляющая силы Pz увеличивается в 3 раза, тангенциальная Pt также растет - примерно в 2 раза, радиальная составляющая РR, напротив, уменьшается, но не столь резко - примерно на 30 %.
Полученные результаты по силовым режимам операции ротационной вытяжки конических деталей качественно согласуются с экспериментальными данными, опубликованными в работах [1, 2].
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Список литературы
1. Баркая В.Ф., Рокотян С.Е., Рузанов Ф.И. Формоизменение листового металла. М.: Металлургия, 1976. 264 с.
2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983. 192 с.
3. Трегубов В.И., Драбик А.Н., Чарин А.В. Анализ напряженного и деформированного состояний вращающегося диска в упругопластической постановке // Изв. ТулГУ. Сер. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. 2007. Вып. 4. С. 188-198.
4. Яковлев С.С., Драбик А.Н. Подход к анализу операции ротационной вытяжки конических деталей из анизотропных материалов // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. 2009. Вып. 3. С. 131-136.
5. Yakovlev, A. Drabick, S. Yakovlev
The rotary drawing of cone-shaped details from anisotropic material process power circumstances
The results of theoretical investigations of stressed state and power circumstances of the rotary drawing of cone-shaped details from anisotropic material process are given.
Key words: anisotropy, rotation drawing, voltage, power, conical parts, plastic.
Получено 12.01.10
