Деформированное состояние заготовки при протяжке бойками со скосом

УДК 621.7

Я.Г. Жбанков, канд. техн. наук,

ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

ЗАГОТОВКИ ПРИ ПРОТЯЖКЕ БОЙКАМИ СО СКОСОМ

Проведено физическое и математическое моделирование процесса протяжки цилиндрической заготовки бойками со скосом и плоскими бойками. Методом координатных сеток получены поля распределения сдвиговых деформаций по поперечному сечению заготовки по ходу ее обжатия. Проведено математическое моделирование процесса протяжки методом конечных элементов. Установлено влияние геометрии бойков на уровень сдвиговых деформаций в заготовке. Показана возможность ковки цилиндрического вала бойками со скосом экспериментальной протяжкой вала в лабораторных условиях. Даны рекомендации по режиму ковки.

Ключевые слова: протяжка, моделирование, метод конечных элементов, бойки, сдвиговая деформация, вал.

Экономический рост машиностроительного предприятия неразрывно связан с применением новых наукоемких технологий, обеспечивающих высокое качество изделий и минимальные затраты при этом.

Основной технологической операцией при ковке крупных поковок является протяжка, применяемая как основная формообразующая операция и операция для проработки структуры металла [1, 2].

Усовершенствование способов протяжки, конструкции инструмента, режима протяжки является основным ресурсом в повышении технико-экономических показателей процессов ковки. Множество работ посвящено исследованию новых способов ковки протяжкой [3-5], особое место среди этих способов занимают способы протяжки с дополнительными макросдвигами [6-8]. Обзору этих способов посвящены работы Тюрина В.А. Разработкой этих способов занимались Охрименко Я.М., Тюрин В.А., Най-забеков А.Б., Сегал В.М., Котелкин А.В. и др.

Тюрин В.А. отмечает высокую эффективность ковки с дополнительным сдвигом, которая заключается в повышении качества поковки, уменьшении анизотропии механических свойств, возможности уменьшения укова в поковке без уменьшения эксплуатационных характеристик изделия [8, 9].

Несмотря на существование данных способов ковки, рекомендации по выбору (назначению) параметров инструмента, описание их влияния на деформационные и как следствие механических характеристик изделий отсутствуют.

В связи с этим целесообразным является исследование деформационного режима ковки заготовки специальным инструментом.

К способам ковки специальным инструментом можно отнести про-

тяжку бойками со скосом, комбинированными и вырезными несимметричными бойками и т.д.

Исследование целесообразно начинать с наиболее простой схемы и далее проводя сравнение определить наиболее целесообразную для определенных условий производства.

Целью данной работы является изучение деформированного состояния заготовки при ковке бойками со скосом и определение влияния параметров инструмента на деформационные параметры процесса.

Проведены экспериментальные исследования процесса протяжки заготовки цилиндрической формы бойками, скошенными в плане. Для моделирования процесса протяжки были изготовлены специальные бойки со скосом (рис. 1), и плоские бойки. Скос бойков 10 и 20 градусов, ширина бойков 28 мм. Бойки крепились в специальном переналаживаемом штампе, который в свою очередь устанавливался в кривошипный пресс (рис. 2).

Заготовки получали прессованием, материал заготовок свинец. Деформирование свинца при комнатной температуре позволяет моделировать процесс горячего деформирования среднеуглеродистой стали. Диаметр заготовки 28 мм.

Проведена ковка заготовки протяжкой с круглого сечения диаметром 28 мм на круглое сечение диаметром 20 мм по схеме, которая заключается в определенной очередности обжатий, кантовок и подач, причем кантовки на заданный угол. Данная схема протяжки обеспечивает наилучшую проработку заготовки по сечению, т.е. сечение заготовки равномерно прорабатывается сдвигом. Протяжка проводилась бойками со скосом 20 градусов.

Фотографии переходов от сечения к сечению заготовок при протяжке приведены на рис. 3.

Форма сечения заготовки после первого обжатия показана на рис. 3 а, здесь заготовка имеет сечение по форме схожее с сечением после обжатия плоскими бойками. На рис. 3, б показано сечение заготовки после ее

Рис. 1. Общий вид бойков со скосом

Рис. 2. Общий вид штампа, установленного в пресс со скошенными бойками

кантовки на 90 градусов и обжатия, сечение заготовки имеет форму ромба. После первых двух проходов в сечении заготовки появляются две области больших сдвиговых деформаций. На рис. 3 в показано сечение заготовки после ее кантовки на 45 градусов и обжатия. Сечение заготовки принимает более сложную форму, имеющую очертания овала. На рис. 3 г, д показано сечение заготовки после ее кантовки на 90 и 45 градусов и обжатий. После последнего прохода заготовка имеет форму близкую к кругу (рис. 3 е). Дальнейшей ковкой заготовки по предложенной схеме, возможно, достичь более правильной формы заготовки.

где Рис. 3. Формы сечения заготовки при ковке протяжкой на различных

ее стадиях

С помощью метода координатных сеток проведено исследование деформированного состояния заготовок при протяжке скошенными бойками с различным углом скоса. Образцы изготавливались из свинца, сетка наносилась в поперечном сечении заготовки царапанием, шаг сетки 2 мм. Деформирование заготовок производилось в несколько этапов, обжатие со степенью деформации е = 18,5% и е = 29..33 %. После каждого обжатия производилось сканирование поперечной плоскости заготовки. Бойки при протяжке использовались со скосом 0, 10 и 20 градусов.

Обработка сетки производилась по методике, предложенной В.Л. Колмогоровым [10]. Измерение сетки производились в программе КОМПАС.

Одним из наиболее важных параметров для определения эффективности использования специального инструмента является уровень сдвиговых деформаций. Сдвиговые деформации в поперечной плоскости образца определяли по формуле:

Рис. 4. Схема образца с нанесенной координатной сеткой и искаженная ячейка сетки

Анализ полей распределения сдвиговой деформации по сечению заготовки позволяет сделать вывод о том, что при протяжке заготовки плоскими бойками с увеличением степени деформации уровень сдвиговых деформаций возрастает, так при деформировании заготовки на 18.5% наибольшие сдвиговые деформации достигают значения 0.15 при деформировании на 29% сдвиговые деформации возрастают до значению 0.3.

Увеличение угла скоса бойков до 20 градусов позволяет повысить уровень сдвиговых деформаций в заготовке. Так при обжатии заготовки на 18.5% бойками с углом 10 градусов сдвиговые деформации достигают 0.2, бойками с углом 20 градусов они достигают 0.3, что в 2 раза больше деформаций при протяжке бойками без скоса. При обжатии на 30% для бойков с углом 10 градусов сдвиговые деформации достигают 0.3, для бойков с углом скоса 20 градусов достигают 0.65.

Таким образом, видно, что чем больше угол скоса бойка, тем больший уровень сдвиговых деформаций в заготовке, однако увеличение угла скоса бойков непременно вызывает сложности в реализации процесса протяжки связанные с большими сдвигающими силами, что требует определенного решения.

Методом конечных элементов проведено моделирования протяжки цилиндрической заготовки бойками со скосом.

где а - угол искажения ячейки координатной сетки (рис. 4).

Таблица 1

Фотографии искаженных координатных сеток в поперечном сечении заготовки при протяжке бойками различной конфигурации и поля распределения сдвиговой деформации по сечению заготовки _(относительная подача равна единице)_

Угол скоса бойков 20 градусов

£ = 0%

е = 18.5%

е = 33.3%

Угол скоса бойков 10 градусов

£ = 0%

е = 18.5%

е = 29%

Угол скоса бойков 0 градусов

£ = 0%

е = 18.5%

е = 29%

Диаметр заготовки принимался равный диаметру заготовки используемой при физическом моделировании 28 мм, ширина бойков 28 мм. Относительная подача при моделировании принималась 1. Материал заготовки сталь 35, начальная температура заготовки 11000С, инструмента 200С. Коэффициент теплоотдачи 5 Вт/м20С. Коэффициент трения по закону пластического трения Зибеля 0.35, скорость движения бойка 10 мм/с. Угол скоса бойков 20 и 10 градусов. Результатами моделирования являются полученные искаженные координатные сетки на различных этапах деформирования заготовки (табл. 2).

Проведено сравнение координатных сеток полученных с помощью МКЭ и экспериментально. На основании визуального сравнения можно сделать вывод о том, что теоретическое решение подтверждается экспериментально, сетка имеет те же характерные искажения.

Таблица 2

Общий вид координатных сеток в поперечном сечении заготовки

при протяжке бойками различной конфигурации, полученные в МКЭ и экспериментально

_Угол скоса бойков 20 градусов_

н я

К Л

С

о «

О

8 = 0%

8 = 18.5%

8 = 33.3%

Угол скоса бойков 10 градусов

о

н я

К Л <и С

о «

О

8 = 0%

8 = 18.5%

8 = 29%

Проведено физическое и математическое моделирование процесса протяжки цилиндрической заготовки бойками со скосом и плоскими бойками, причем угол скоса бойков 10 и 20 градусов. Методом координатных сеток получены поля распределения сдвиговых деформаций по поперечному сечению заготовки по ходу ее обжатия. Установлено, что по ходу обжатия и с увеличением угла скоса бойков величина сдвиговых деформаций возрастает. Так при увеличении степени деформации от 18.5% до 33% величина наибольших сдвиговых деформаций сосредоточенных в центре заготовки возрастает от 0.3 до 0.65. Угол скоса бойков также имеет значительное влияние на величину сдвиговых деформаций. Так увеличение угла с 10 до 20 градусов величина сдвиговых деформаций и области ее наибольших значений возрастают практически в два раза.

Общий вид сеток полученных на основе моделирования процесса протяжки МКЭ полностью совпадает с экспериментальными данными, что позволяет о допустимости и высокой степени адекватности теоретического моделирования данных процессов.

Показана возможность ковки цилиндрического вала бойками со скосом экспериментальной протяжкой вала диаметром 20 мм из заготовки диаметром 28 мм, бойками со скосом 20 градусов. Даны рекомендации по режиму ковки.

Список литературы

1. Каргин С.Б. Теоретический анализ напряженнодефор-мированного состояния слитка при ковке на трехлепестковую заготовку // Обработка материалов давлением: сб. научн. трудов. Краматорск: ДГМА, 2011. № 1 (26). С. 17-21. ISNN2076-2151.

2. Марков О.С. Змша розмiрiв осьових дефекпв при осаджеш заготовок // Обробка матерiалiв тиском: зб. наук. праць. Краматорськ: ДДМА, 2011. № 4 (29). С. 103-110. ISNN 2076-2151.

3. Kun Chen Strain function analysis method for void closure in the forging process of the large-sized steel ingot / Kun Chen, Yitao Yang, Guangjie Shao, Kejia Liu //Computational Materials Science. 2012. №51. P. 72-77

4. Banaszek G. Theoretical and laboratory modelling of the closure of metallurgical defects during forming of a forging // Journal of Materials Processing Technology. 2006. №177. P. 238-242.

5. Park C.Y. A study of void crushing in large forgings II. Estimation of bonding efficiency by finite-element analysis // Journal of Materials Processing Technology. 1997. №72. P. 32-41.

6. Тюрин В.А. Разновидности процессов кузнечной протяжки // Кузнечно-штамповочное производство. 2009. №9. С. 5-9.

7. Найзабеков А.Б. Анализ формоизменения и закрытия внутреннего осевого дефекта заготовки // Известия вузов. Черная металлургия. 1995.

№ 2. С. 34-35.

8. Тюрин В.А. Дополнительные макросдвиги - технологические резервы ковки // Кузнечно-штамповочное производство. 1993. №12. С. 8-9.

9. Тюрин В.А. Удлиненные цилиндрические слитки для ковки поковок // Кузнечно-штамповочное производство, 2012, №2. С. 19-23.

10. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия. 1970. 229 с.

I.G. Zhbankov

DEFORMATION STATE OF BILLET DURING FORGING BY SPECIAL TOOLS WITH BEVEL

The physical and theoretical modeling of forging cylindrical billet by anvils with slant and plane anvils was made. The fields of shear deformations distribution in cross section of billet during forging process by the grid method were obtained. The mathematics modeling offorging process by finite element method was made. The influence of anvils geometry on shear deformations level was established. A possibility of shaft forging by the anvils with slant was shown by experiments in laboratory conditions. Recommendations of forging regime were made.

Key words: forging, modeling, finite element method, anvils, shear deformation, shaft.

Получено 20.07.12