CC BY
49
УДК 621.983; 539.374
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА НЕОДНОРОДНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ТОЛЩИНЕ ДЕТАЛИ ПРИ СОВМЕЩЕНИИ ОПЕРАЦИЙ ОБЖИМА, ОБЖИМА С УТОНЕНИЕМ И ВЫДАВЛИВАНИЯ
К.Х. Нгуен, О.Н. Митин
В работе установлены закономерности влияния технологических параметров на неоднородность распределения напряжений по толщине детали при совмещении операций обжима, обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок методом конечных элементов на основе программного комплекса QFORM 2Б-3В V. 7.
Ключевые слова: моделирование, выдавливание, совмещение операций, обжим с утонением, неоднородность, матрица, пуансон, сила, коэффициент обжима, коэффициент утонения, трубная заготовка, QFORM 2Б-3Б, напряжение, интенсивность напряжений, степень деформации.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям операции обжима тонкостенных заготовок посвящен целый ряд работ [1-6]. В этих работах принималось, что операция реализуется в условиях плоского напряженного состояния. Получены аналитические выражения для определения деформированного и напряженного состояний, силовых режимов и предельных возможностей операции обжима. В работах [7-12] выполнено моделирование совмещений операций обжима, обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок конической матрицей методом конечных элементов на основе программного комплекса QFORM 2D-3D v. 7 [13]. Выявлено влияние угла конусности матрицы, коэффициента трения, коэффициента обжима, утонения и коэффициента поперечного сечения выдавливания на силовые режимы операций совмещения.
Ниже показано влияние технологических параметров на неоднородность распределения напряжений по толщине детали при совмещении операций обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок. Данные параметры моделирования выбраны из работы [11].
Рассматривалось напряженное и деформированное состояния в характерных четырех точках Р0, Р1, Р2, соответствующие внутренней, поверхности утонения, контактной поверхности рабочего инструмента и трубной заготовки и Р3 - в зоне выдавливания. На рис. 1 представлена схема положений элементов в конечно-элементной сетке при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок.
Развитие пластической области в процессе нагрузки показано на рис. 2. Оно начинается при входе заготовки в зону обжима и затем распро-
страняется на весь конический участок по мере продвижения заготовки. После этого либо реализуется операция выдавливания (рис. 2, а) и либо возникает операция утонения стенки (рис. 2, б) в зависимости от технологических параметров.
Рис. 1. Положение элементов в конечно-элементной сетке при совмещении операций обжима, обжима утонения и выдавливания толстенных заготовок: 1 - элемент №1 (Р0); 2 - элемент №2 (Р\);
3 - элемент №3 (Р2); 4 - элемент №4 (Р3)
П
а б
Рис. 2. Развитие пластической области при деформировании заготовки: а - вариант 1; б - вариант 2
Распределение напряжений в пластической области на заключительной стадии процесса представлены на рис. 3. Из приведенных рисунков видно, что наибольшие значения напряжений сосредоточенны в эле-
ментах, прошедших через зону утонения и выдавливания.
Для оценки напряженно-деформированного состояния при совмещении операций обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок были рассмотрены области, выделенные элементами № 1, № 2, № 3 и № 4 на рис. 1.
Рис. 1. Распределение напряжений в пластической области при совмещении операций
Неоднородность распределения напряжений по толщине трубной заготовки. Для оценки неоднородности распределения напряжений по толщине заготовки дан коэффициент неоднородности величины средних напряжений ка:
где °тах , °тт ,
° ср
ко = (|°тах| |°тт|)/®ср , (1)
- соответственно абсолютная максимальная, мини-
мальная и средняя величины значений средних напряжений.
На рис. 4 представлены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений ка от угла конусности матрицы а в характерных точках очага пластической деформации Р0, Р1, Р2 и Р3. Анализ графических зависимостей на рис. 4 показывает, что с увеличением угла конусности матрицы а от 100 до 300 коэффициент неоднородности величины средних напряжений ка изменяется неоднородно по слоям. Во внутренней части трубной заготовки коэффициент неоднородности величины средних напряжений ка уменьшается на 30...39
%, а на поверхности утонения пуансона и заготовки коэффициент ка уменьшается даже на 60 %. И в элементе № 4 (Р3) в зоне выдавливания величина ка имеет сложный характер изменения; изменяется на 55...60 %.
328
На рис. 5 представлены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений ка от коэффициента трения /. Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента трения / от 0,1 до 0,2 коэффициент ка имеет сложный характер изменения: изменяется на 17...28 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации зона утонения. И в очаге пластической деформации зона выдавливания коэффициент ка изменяется на 12.24 % с ростом коэффициента трения / от 0,1 до 0,2 (рис. 5).
4.5 3,5 2,5 1,5 0.5
10
2
/ 3 1
V
15
20
25
а
Рис. 4. Зависимости изменения ка от а
(тоб = 0,9;р = 01;тут = 0,9;Е = 72,5%): кривая 1 - Р0; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2; кривая 4 - Р3
3 2
Г Г-
0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 м
Рис. 5. Зависимости изменения ка от /
(а = 10°; тоб = 0,9;т ут = 0,9;Е % = 72,5):
кривая 1 - Р0; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2; кривая 4 - Р3
Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений ка от коэффициента обжима тоб представлены на рис. 6. Анализ графических зависимостей показывает, что с
увеличением коэффициента обжима тоб от 0,7 до 0,9 коэффициент кс увеличивается на 45...60 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации в зоне утонения. И в зоне выдавливания коэффициент кс изменяется на 17.27 % с ростом коэффициента обжима тоб (рис. 6).
с
(а = 10 0; т = 0,1;т ут = 0,9;Е = 72,5 % ): кривая 1 - Р0; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2; кривая 4 - Р3
На рис. 7 приведены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений кс от коэффициента утонения тут. Установлено, что с увеличением коэффициента утонения тут от 0,8 до 1 коэффициент неоднородности величины средних напряжений кс возрастает на 30.60 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации. И в зоне выдавливания коэффициент неоднородности величины средних напряжений кс изменяется на
25.40% (рис. 7).
0.!
0.85
0.9
Ш
туж
Рис. 2. Зависимости изменения кс от тут
(а = 10°;т = 01;тоб = 0,9;Е = 72,5 %): кривая 1 - Р0; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2; кривая 4 - Р3
330
Графические зависимости коэффициента неоднородности распределения средних напряжений ка от величины степени деформации Е приведены на рис. 8. Анализ графических зависимостей на рис. 8 отметит, что с увеличением величины степени деформаций поперечного сечения выдавливания Е от 67,5 до 77,5 % коэффициент неоднородности ка изменяется неоднородно по слоям. В частности на зоне утонения коэффициент ка
уменьшается на 25...45 %; в зоне выдавливания это изменение реализуется на 60 %.
Рис. 8. Зависимости изменения ка от Е
(а = 100 ;М = 0Х'тоб = 0,9;тут = 0,9): кривая 1 - Р0; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2; кривая 4 - Р3
Рис. 3. Распределение интенсивности напряжений по сечению заготовки при совмещении операций обжима, обжима с утонением
и выдавливания
Распределение интенсивности напряжений в пластической области на заключительной стадии процесса представлены на рис. 9 (все значения интенсивностей напряжений выбраны в опыте с параметрами a = 10°; тоб = 0,9; т ут = 0,8; E = 72,5 % и m = 0,1.
Из анализа рис. 9 видно, что интенсивность напряжений тоже распределяется не однородно по слоям заготовки. Распределение интенсивности напряжений сосредоточится на зоне выдавливания и зоне утонения.
Неоднородность распределения интенсивности напряжений по толщине трубной заготовки. Неоднородность распределения интенсивности напряжений по толщине трубной заготовки öf оценивалась коэффициентом неоднородности интенсивности напряжений kö . И его значения
определяется по формуле:
köf = (öi max - öi min ) / öicp, (2)
где öf max, öf min, öf ср - соответственно максимальная, минимальная и
средняя величины интенсивности напряжений.
На рис. 10 представлены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений kö от коэффициента утонения тут . Анализ графических зависимостей показывает (рис. 10), что с увеличением коэффициента утонения тут от 0,8 до 1 характер изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений kö имеет сложный вид, и коэффициент kö изменяется на 24...32 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации для элементов № 1, № 2 и № 3. А для элемента № 4 коэффициент неоднородности интенсивности напряжений kö изменяется на 34 %.
Рис. 4. Зависимости изменения к0 от тут
(а = 100 ;тоб = 0,9;р = 01;Е = 72,5% ): кривая 1 - Р0 ; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2 ; кривая 4 - Р3
332
Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка от угла конусности матрицы а приведены на рис. Рис. . Установлено, что с увеличением угла конусности матрицы а от 10...300 коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка увеличивается на 4.15 % в зависимости от рассматриваемой
точки очага пластической деформации для элементов № 1, № 2 и № 3. И для элемента № 4 - на 52 % (рис. 11).
10
15
20
25
а
Рис. 11. Зависимости изменения ка от а
(тут = 0,9;тоб = 0,9;^ = 0,1;Е = 72,5 %): кривая 1 - Р0 ; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2 ; кривая 4 - Р3
На рис. 12 представлены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка от коэффициента утонения коэффициента трения т.
к
0.45
0.35
0.25
ОД 0,12 0.14 0,16 0,18 Рис. 5. Зависимости изменения ка от т
(а = 10°;тут = 0,9;тоб = 0,9;Е = 72,5 %):
кривая 1 - Р0 ; кривая 2 - Р1 ; кривая 3 - Р2 ; кривая 4 - Р3
333
Анализ графических зависимостей показывает, что с изменением коэффициента трения т от 0,1 до 0,2 коэффициент интенсивности напряжений изменяется неоднородно в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации (по каждому слою). Во внутренней части заготовки коэффициент ка увеличивается на 5 %, на поверхности утонения он увеличивается на 7 %, а на контактной поверхности заготовки и рабочего инструмента коэффициент ка уменьшается на 10 %, и в зоне выдавливания он изменяется на 10 %.
Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка от коэффициента обжима тоб приведены на рис. 13.
Рис. 13. Зависимости изменения ка от тоб
(а = 100;тут = 0,9= 0,1;Е = 72,5 %): кривая 1 - Р0 ; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2 ; кривая 4 - Р3
Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента обжима тоб от 0,7 до 0, 9 характер изменения коэффициен-
и 7 с/
та неоднородности интенсивности напряжений ка имеет сложный вид, и
коэффициент неоднородности интенсивности напряжений ка изменяется
на 17.32 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации для элементов № 1, № 2 и № 3. И для элемента № 4 - на 21 % (рис. 13).
На рис. 14 даны графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка от величины степени деформации Е .
Рис. 14. Зависимости изменения к0 от Е
(а = 100; шут = 09; т = 0,1;ш()б = 0,9): кривая 1 - Р0 ; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2 ; кривая 4 - Р3
Анализ графических зависимостей на рис. Рис. отметим, что характер изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка имеет сложный вид с увеличением величины степени деформаций поперечного сечения выдавливания Е от 67,5 до 77,5 %. И коэффициент ка
изменяется на 2.27 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации для элементов № 1, № 2, № 3 и для элемента № 4 - 55 %.
Выводы:
1. С помощью программного комплекса рБОЯМ 2Э-3Э методом конечных элементов может быть выполнено исследование неоднородности распределения напряжений по толщине детали при совмещении операции обжиме с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок.
2. Установлены закономерности влияния технологических параметров (угла конусности матрицы, коэффициента трения, коэффициента обжима, утонения и степени деформаций поперечного сечения выдавливания) на неоднородность распределения напряжений по толщине детали при операции совмещения обжиме с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок.
Список литературы
1. Аверкиев А.Ю. Формоизменение трубной заготовки при раздаче и обжиме // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №1. С. 6-9.
2. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: Учебн. для вузов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
3. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
4. Пилипенко О.В. Обжим и раздача трубных заготовок из анизотропных материалов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 150 с.
5. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. 6-е изд. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
6. Евсюков С. А. Влияние напряженного состояния на изменение длины образующей заготовки // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1996. № 2. С. 94 - 100.
7. Яковлев С.С., Нгуен К.Х. Исследование силовых режимов процесса обжима цилиндрических заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 4. С. 64-69.
8. Митин О.Н., Нуждин Г. А., Нгуен К.Х. Моделирование операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 5. С. 57-65.
9. Митин О.Н., Нуждин Г.А., Нгуен К.Х. Закономерности влияния технологических параметров на неоднородность распределения напряжений по толщине детали при обжиме толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 6. С. 46-53
10. Нгуен К.Х., Митин О.Н. Неоднородность распределения деформаций по толщине детали при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 10. Ч.1. С. 163-168.
12. Митин О.Н., Нуждин Г.А., Нгуен К.Х. Моделирование совмещения операций обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 11. С. !!
13. Биба Н.В., Стебунов С.А. «QForm 5.0 - программный инструмент для повышения эффективности производства в обработке металлов давлением». 2008.
Нгуен Куок Хуи, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
Митин Олег Николаевич, канд. техн. наук, докторант, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»
THE REGULARITY OF THE EFFECT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON THE INHOMOGENEITY OF THE STRESS DISTRIBUTION BY THICKNESS OF DETAILS AT COMBINING OPERATIONS OF THE SQUEEZING WITH THINNING
AND THE EXTRUSION
O.N. Mitin, Q.H. Nguyen
In this work, established the regularity of the effect of technological parameters on the inhomogeneity of the stress distribution by thickness of details at combining operations of the squeezing operation with thinning and the extrusion of thick-walled tube work-pieces using the finite element method on based software QFORM 2D -3D v. 7.
Key words: Simulation, the extrusion, the combining operations, the squeezing with thinning, inhomogeneity, Bottom Die, Top Die, force, the coefficient of squeezing, the coefficient of thinning, tube workpieces, QFORM 2D - 3D, stress, stress intensity, strain rate.
Nguyen Quoc Huy, postgraduete, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, doctoral, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, OPC "SPA "SPLA V" "
УДК. 621.7, 539.3
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ИНДУКТОРОВ ДЛЯ ОБЖИМА
ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК
В. Д. Кухарь, А.Е. Киреева, О.В. Сорвина
В данной статье проведен анализ существующих индукторов для обжима трубчатых заготовок импульсным магнитным полем. Выявлены основные достоинства и недостатки.
Ключевые слова: магнитно-импульсная обработка металлов давлением, раздача, индуктор, заготовка.
Индуктор является основным элементом любой магнитно-импульсной установки и предназначен для непосредственного преобразования предварительно накопленной электрической энергии в конденсаторной батарее в механическую работу деформации [1].
Проведем анализ существующих индукторов для обжима трубчатых заготовок.
В практике магнитно-импульсной обработки металлов на первых шагах экспериментального освоения метода наибольшее распространение получили одновитковые индукторы на "обжим" как наиболее простые в изготовлении, и обладающие достаточной эксплуатационной стойкостью, например индуктор, представленный на рис. 1.
Кольцо индуктора 3 изготавливается на токарном станке из материала необходимой прочности и электропроводности (медь, латунь, берил-лиевая бронза, сталь и др.), на котором по радиусу наносится разрез шири-
