CC BY
30
Хейн Вин Зо
«МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского
к.т.н., (докторант) кафедры Технология Производства Летательных Аппаратов «ТПЛА»
Hein Win Zaw
«MATI» - Russian State Technological University named after K.E. Tsiolkovsky.
Doctoral researcher of the Department of Aircraft Production Technology
E-Mail: taryar4ever@gmail .com
05.07.02 Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов
Теоретические и экспериментальные исследования процесса раскатки концевых участков длинномерных трубчатых заготовок1
Theoretical and experimental studies of the rolling-off process of end portions of long
tubular billets
Аннотация: В настоящее время к конструкциям самолетов и других изделий машиностроения предъявляются все более высокие эксплуатационные требования, а с другой стороны стоит задача снижения себестоимости продукции. Поэтому специалисты, работающие в этих областях, ведут работы по созданию новых материалов, по повышению технологичности конструкций, созданию новых технологических процессов, оснастки и оборудования.
Важной частью любой машины являются трубопроводные системы. Трубопроводы работают в условиях сложного нагружения. Они испытывают действия высоких давлений, пульсирующей нагрузки и гидравлических ударов. Поэтому к ним предъявляются высокие требования по механическим свойствам материала, качеству внешней и внутренней поверхностей, сохранению формы сечения, а также максимальному утонению стенок трубы.
При изготовлении трубопроводов используются различные технологические операции: раздача, обжим, гибка и др. Наибольшее распространение при изготовлении различных соединительных элементов нашел процесс раздачи (и развальцовки) концевых участков труб. В связи с применением высокопрочных и молопластичных материалов, эти традиционные технологии не позволяют получить качественные детали, а также имеют низкую экономическую эффективность. Поэтому исследования в этом направлении являются актуальными.
Abstract: Today to the aircraft structure, and other engineering products makes more and more high maintenance requirements, and on the other hand the task of reducing production costs. Therefore, professionals who work in these areas, and developing a new materials to improve the manufacturability of designs, creating new processes, tooling and equipment.
An important part of any car are the piping systems. Pipelines operate under complex loading. They experience a high pressure, pulsating load and water hammer. Therefore, it's high demands on the mechanical properties of the material, the quality of the external and internal surfaces, preserving shape of the section, and the maximum thinning of the pipe wall. In the manufacture of pipes, various manufacturing operations: distribution, crimping, bending, etc. The
1 Работа выполнена в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского
most common during manufacture - tion of various connectors found the process of distribution (and expanding) pipe end parts. In connection with the use of high-strength and moloplastichnyh materials, these traditional technologies do not provide quality parts, and have a low economic efficiency. Therefore, research in this field are relevant.
Ключевые слова: Теоретические и экспериментальные исследования процесса раскатки.
Keywords: Theoretical and experimental studies of the rolling-off process.
***
При изготовлении ряда трубчатых деталей (рис. 1) применение процесса раскатки для получения раструбов на концевых участках более предпочтительно (чем, например, применение раздачи, развальцовки и др.) с точки зрения достижения больших степеней формоизменения в результате повышения пластических свойств материала заготовки под действием сжимающих напряжений.
Рис. 1. Детали, получаемые раскаткой
В данной статье рассматривается теоретическое и экспериментальное моделирование процесса раскатки концевых участков длинномерных трубчатых заготовок.
Процесс деформирования заключается в следующем. Исходную трубчатую заготовку 1 (рис. 2) помещают в зазор между оправкой 2 и давильным роликом 3. Под действием усилия P стенка заготовки сжимается, а вращающаяся оправка 2 обеспечивает бесцентровое вращение заготовки l. По мере утонения стенки заготовки в очаге деформации 4 диаметр заготовки увеличивается.
Для разработки математической модели процесса деформирования используем метод баланса работ, заключающийся в равенстве работ внешних и внутренних сил (без учета сил контактного трения). Работа внешних сил равна:
Aвнеш Ар+АМ, (1)
где Ар - работа, связанная с утонением стенки под действием силы Р; Ам - работа, связанная с вращением заготовки моментом М.
Подставив в уравнение (1) соответствующие силы п перемещения за один оборот детали, получим:
Авнеш = PA + MP , (2)
где A s - величина утонения стенки заготовки за один оборот детали; р - угол поворота оправки за один оборот детали.
Рис. 2. Схема процесса раскатки: 1 - заготовка; 2 - приводная оправка;
3 - давильная оправка; 4 - очаг деформации
Работа внутренних сил равна:
Аут =Я/(*ЛЛ') , (3)
V
где а5 - напряжение текучести; - интенсивность деформаций; V - объем
продеформированного металла.
Для одного оборота детали уравнение 4 запишется в виде (через средние подынтегральные величины):
Анут = °8 2Я , (4)
где Дег. - приращение интенсивности деформации за один оборот детали; I - длина очага деформации; Я, э - текущие значения радиуса и толщины стенки в очаге деформации. Приравняв работу внешних и внутренних сил, получим
РД + Ыф = <г5Де, 2жЯ1э . (5)
Рис. 3. Схема перспективного процесса раскатки труб с подпором кромки заготовки: 1 - ведущая оправка; 2 - ведомая давильная оправка; 3 - деформируемая заготовка
Выражение (5) содержит два неизвестных параметра Р и М. Пренебрегая внеконтактной деформацией на коническом участке, определим усилие Р со стороны давильного ролика (рис. 3) в предположении его пропорциональности проекции площади контакта:
Р = оЕ, (6)
где Е - проекция площади контакта, расположенная перпендикулярно действию радиального усилия Р.
Известно, что определение площади контакта давильного инструмента с заготовкой зависит от действия многих факторов и представляет собой сложную задачу, поэтому найдем площадь приближенно.
Если принять, что размеры вращающейся оправки Гоп и давильного ролика Гр (рис. 3) соизмеримы друг с другом, т.е. Гоп ~ Гр, а радиус вращающейся заготовки Я значительно больше, то проекцию ширины зоны контакта И можно определить по формуле
к =
Разницу размеров Гоп и Гр можно учесть через их среднее значение Гср=(Гоп + Гр)/2 Тогда:
И =
У
Гр-[Гр-у! . (8>
В результате получим:
р = 0^1. (9)
Величину крутящего момента найдем из уравнения (5):
, , Дег 2лЯ1э - оэИ1Дэ
Ы = ——г-----------------------------------------------э-- . (10)
ф
Тангенциальное усилие Рв (рис. 3) определим по зависимости:
рв=Ы. (11)
Г
оп
Таким образом, определены основные выражения для расчета силовых параметров процесса.
Для создания компьютерной модели с графическим отражением динамической схемы процесса раскатки была разработана кинематическая модель процесса и определена общая последовательность расчета.
В начале задают исходные данные: геометрические параметры заготовки Яо, эо, длину очага деформации I, требуемый радиус получаемой детали Як, радиусы оправки Гоп и давильного ролика Гр, скорость вращения оправки п, время обработки tо, свойства материала в виде коэффициентов линейной аппроксимации кривой упрочнения ото и П.
Затем в указанной последовательности определяют: конечные деформации - окружные ев, меридиональные ем (экспериментально) и деформации по толщине еп
еп = -ев е т ’
конечную толщину детали эк на радиус Як:
эк = эоехр( еп);
число оборотов оправки Ыоп и детали Ыд за время обработки ^:
N = П\ оп 60
ДТ = 2N0 Гоп .
п ^ + По’.
утонение стенки заготовки за один оборот детали:
д = Эо - •
N
приращение деформаций и времени обработки на один оборот детали:
Де = 1п|
Де =-Деп ’
Л 60
Д =— п
Г
V оп J
накопленные деформации и время обработки:
е,. = е + Дее
г г
изменение напряжения текучести:
е =-е ,
п г з
е п = - е „ / 1,1’
t — t + Д;
о=о + Пе;
э то г>
текущий радиус получаемой детали Я и толщину стенки э:
П = По ехр( ев ) ,
^ ^ - Д ; объем материала в очаге деформации
V = 2лЯэ!;
работу внутренних сил за один оборот детали
Авнут =о ДеУ;
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
>
>
необходимое усилие давильного ролика:
Р = (25)
где Кі - коэффициент запаса, Кі = 1,3+1,5; работу внешней силы Р за один оборот заготовки:
АР = Р&; (26)
работу внешнего момента Ам за один оборот заготовки:
Ам = Анут ~ АР ; (27)
величину момента М на оправке:
М = Ам, (28)
Ф
2лК
где ф = -г
оп
тангенциальное усилие:
необходимую мощность на оправке:
Г
оп
А
где К2 - коэффициент запаса, К2 = 1,5 ^2,0.
Ж = ^2—, (30)
Расчет по формулам (16)-(30) повторяется до тех пор, пока значение текущего радиуса Я не достигает своей предельной величины время обработки 1 - соответственно значения №
, а число оборотов детали - Ыд.
Компьютерная модель процесса, составленная на языке Си++, помимо приведенной расчетной части, содержит статическую и динамическую схемы деформирования, меню ввода исходных данных, подпрограммы вывода числовой и графической информации, банк данных по основным механическим свойствам материала заготовок и головную программу управления.
В процессе расчета выводится графическая информация о силовых параметрах процесса и геометрии получаемой детали. Предельные возможности деформирования оцениваются по результатам экспериментальных работ в области раскатки труб и прокатки листового материала.
Предлагаемая модель процесса раскатки концевого участка трубчатой заготовки была экспериментально проверена при раскатке стальных водопроводных труб из стали Ст.З диаметром 60 и 42,5 мм с толщиной стенки 3,5 мм и труб из алюминиевого сплава АМгбМ диаметром 50 мм с толщиной стенки 2,25 мм.
Длина зоны обработки составляла 30-50 мм, число оборотов оправки в минуту - 250. В таблице 1 приведены результаты экспериментов и теоретических расчетов при раскатке концевых участков труб.
Таблица 1
Результаты экспериментов и теоретических расчетов при раскатке
концевых участков труб
Материал заготовки Размеры, мм Относительное усилие деформирования', Н/мм Время обработки, с Диаметр получаемого раструба, мм
Ст.З 60x3,5 1180/920 20 90
Ст.З 60x3,5 1280/1100 13 100
Ст.З 60x3,5 960/762 30 90
Ст.З 42,5x3,5 1026/1103 10 100
Ст.З 42,5x3,5 624/458 60 85
АМгбМ 50x2,25 1000/1010 4 80
АМгбМ 50x2,25 711/854 5 60
АМгбМ 50x2,25 510/590 12 52
АМгбМ 50x2,25 592/652 9 54
Погрешность расчета деформирующего усилия (или времени обработки) не превышала 20-30 %. Время компьютерного расчета любого варианта процесса раскатки составляет 10-15 с.
Выводы
Применение моделирования формообразующих операций позволяет значительно сократить материальные и трудовые затраты при разработке новых технологических процессов, если разработанная модель отражает реальные закономерности процесса деформирования и все расчеты с использованием математической модели процесса полностью автоматизированы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чумадин А.С., Бурштейн Н.М., Архипов В.Н. Ротационно-давильный станок НИКПОС-1. Патент РФ №2093290, 1997-2с.
2. Бондаренко М.В., Хейн Вин Зо. Исследование возможностей раздачи и раскатки труб. Тезисы доклада на международной студенческой конференции ХХХ1 «Гагаринские чтения». -М.: МАТИ, 2006 -126с.
3. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение. 1977. - 432 с.
REFERENCE
1. Chumadin AS, Burstein N., V. Arkhipov Rotary-forming machine NIKPOS-1. RF Patent № 2093290, 1997-p2;
2. Bondarenko, MV, Hein Zaw Win. Feasibility study of distribution and rolling tubes. Proceedings of the International Student Conference XXXI "Gagarin readings." -M.: Mati, 2006.-p126;
3. Storozhev MV, Popov EA Theory of metal forming. Mashinostroenie. 1977. -p 432.
Рецензент: Гагарина. Л. Г., Заведующая кафедрой“Информатика и программное обеспечение вычислительных систем” Национального исследовательского университета МИЭТ, доктор технических наук, профессор.
