Моделирование волочения круглых профилей через вращаемую волоку

УДК 621.778.011

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛОЧЕНИЯ КРУГЛЫХ ПРОФИЛЕЙ ЧЕРЕЗ ВРАЩАЕМУЮ ВОЛОКУ

© 2017 В.Р. Каргин, Б.В. Каргин, В.А. Разживин

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Статья поступила в редакцию 15.11.2017

Приведены результаты компьютерного моделирования процесса волочения круглых профилей из алюминиевого сплава 2024 через неподвижные и вращаемые волоки с помощью метода конечных элементов в программном комплексе БЕБОКМ-ЗБ. Рассмотрено напряжение трения и скорость движения заготовки в канале вращающейся волоки. Получены графики изменения усилия протягивания, распределения нормальных и касательных напряжений на границе контакта заготовка - волока, касательных напряжений, действующих в поперечных сечениях протянутого участка изделия. Дан анализ полученных результатов исследования методом сравнения. Ключевые слова: волочение, круглый профиль, вращение волоки, моделирование, напряженно-деформированное состояние, усилие, момент кручения.

ВВЕДЕНИЕ

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Круглые профили (прутки, проволока и т.д.) изготавливаемые волочением, обладают высоким качеством с точки зрения геометрических размеров, чистоты поверхности и уровня механических свойств. Однако рост потребности в холоднотянутых изделиях обуславливает необходимость усовершенствования способов их производства.

Одним из перспективных путей усовершенствования волочения круглых профилей является интенсификация процесса за счет использования системы внешних сил: усилия, приложенного к протягиваемой заготовке, и крутящего момента на волоке в плоскости, перпендикулярной оси волочения. Это позволяет создавать из круглой заготовки при вращении волоки винтовой профиль, снижать усилия протягивания, устранять овальность и продольную кривизну, улучшать механические свойства изделий [1-9]. Для реализации на производстве волочения с вращением волоки предложены устройства [10-12]. Процесс находится в стадии научных исследований.

Цель настоящей работы - установление влияния вращения волоки на характер распределения напряженно - деформированного состояния, контактных напряжений и изменения энергосиловых условий, при проскальзывании заготовки в канале инструмента.

Каргин Владимир Родионович, доктор технических наук, профессор кафедры обработки металлов давлением. E-mail: vrkargin@mail.ru.

Каргин Борис Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением. E-mail: kargin163@gmail.com

Разживин Василий Андреевич, студент института ракетно-космической техники. E-mail: vasia.razzhivin@yandex.ru

В процессе волочения в неподвижную волоку значительная часть усилия уходит на преодоление внешнего трения. Уменьшить силы трения можно за счёт приложения вращательного движения волоки [1]. При таком движении контактная поверхность рабочего канала волоки перемещается относительно круглой заготовки по винтовой линии со скоростью VA в точке А , (рис. 1). Её составляющие:

УвА = ыЯА = 2жпЯА, УВА = У/-±

Здесь ю - угловая скорость вращения волоки; RA- расстояние от точки А до оси волочения; п -число оборотов волоки в минуту; VВ - скорость волочения; VвA- компонента полной скорости в тангенциальном направлении; VВA - компонент полной скорости в направлении оси волочения; Fk- площадь поперечного сечения изделия на выходе из канала волоки; FA - площадь поперечного сечения, проходящая через точку А в очаге деформации.

Положение полного вектора скорости VA определяется углом р на рис. 1.

я , ^ р = агсЬд-.

Ува

В направлении, противоположном направлении VA действуют касательные напряжения трения тА, проекции которого на ось волочения и плоскость сечения А-А равны тАсоз¡3 и тАзтр соответственно. Значение тA определяется по закону Кулона - Амонтона

тА — /РАзта, где [ - коэффициент трения; РА -нормальное давление в рабочем канале волоки; а - угол конусности канала волоки.

При вращении волоки крутящим моментом МВР вокруг оси волочения контактной поверхно-

Рис. 1. Напряжение трения и скорость движения в канале вращающейся волоки

сти возникает реактивный момент трения Мрр, который передается заготовке в очаге деформации.

Таким образом, протягиваемый профиль после выхода из волоки нагружается, помимо усилия волочения РВ, крутящим моментом, равным моменту сил трения.

Проведено компьютерное моделирование волочения круглых профилей через неподвижную и вращаемые волоки с помощью метода конечных элементов в специализированном программном комплексе DEFORM - 3D [13].

При моделировании в качестве заготовок при волочении использовали круглый пруток диаметром 23 мм из упрочняемого алюминиевого сплава 2024 (аналог Д16), предел текучести данного материала составляет 270 МПа, а предел прочности равен 410 МПа. Количество конечных элементов пластической заготовки составляет 60 000 элементов. Пруток протягивали через коническую волоку диаметром 20 мм с углом конуса рабочего канала 12о и длиной калибрующего пояска 5 мм, представленную как абсолютно жесткое тело. Радиус сопряжения обжимной и калибрующих зон 15 мм. Угловая скорость при вращении волоки ю = 1 рад/сек. Коэффициент вытяжки Х=1,32, относительное обжатие за один проход составляет 24%. Интегральный показатель деформации равен 0,278. На контактной поверхности действует закон трения Кулона -Амонтона. Коэффициент трения f = 0,12. Скорость волочения 1 мм/сек. Число оборотов в минуту n = 9,55 об/мин. При заданном линейном перемещении переднего конца заготовки соотношение линейных перемещений в тангенциальном и осевом направлениях составило 10, а угол ß = 0,176. Создание трехмерных геометри-

ческих моделей круглой заготовки, инструмента и захвата осуществлено в программном продукте Solid Works.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Из анализа распределения тангенциальной компоненты скорости на рис. 2 видно, что крутящий момент, создаваемый вращаемой во-

Рис. 2. Распределение тангенциальной компоненты скорости Ув в продольном направлении (плоскость У^) при волочении с вращением волоки

локой не вызывает закручивания круглой заготовки перед входом в очаг деформации, а обеспечивает только её жесткий поворот с угловой скоростью волоки.

При комбинированном нагружении наблюдается полное проскальзывание (прокручивание) заготовки в рабочем канале волоки и отсутствие ее закручивания на протянутом участке изделия.

По характеру изменения усилий волочения в неподвижную и вращаемую волоки в зависимости от времени волочения (рис. 3) можно сделать вывод, что установившейся процесс деформации наблюдается при длине готового профиля не менее 150 мм. Усилие волочения через вращаемую волоку уменьшается в среднем на 32% по сравнению с волочением в неподвижную волоку.

Результаты расчетов при компьютерном моделировании показывают, что распределение

нормальных и касательных напряжений на контактной поверхности заготовка - волока крайне неравномерное (рис. 4 и рис. 5). Выявлено наличие двух экстремумов тЯ2 и стК в местах очага деформации при входе в обжимную зону волоки и при переходе обжимной зоны в калибрующий поясок. На этих участках резко меняется направление линии течения заготовки, возрастает угол их поворота, что и приводит к скачкообразному возрастанию тЯ2 и стК. Как видно из рис. 4 при волочении через вращаемую волоку величины касательных напряжений на 58% меньше, чем при волочении в неподвижную волоку. Как видно из рис.5 при волочении через вращаемую волоку при входе в очаг деформации нормальное давление существенно падает, а на выходе резко возрастает в сравнении с неподвижной волокой. Это иллюстрирует характер воздействия интенсивных касательных напряжений при вращении волоки.

as

чЗ й О

J

N

75000 70000 65000 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0

Load Prediction

ft

•Неповижная волока Вращаемая волока

-10000

-5000 M^^OOOOtN^^OOOOtN^^OOOOtN^^OOOOtN^^OOOO

(NfNfNfNfNmmmmm^^^^^^n

Time

c

Рис. 3. Графики изменения усилия без вращения и с вращением волоки

Неподвижная волока Вращаемая волока

С5 <Э <Э

ОО ON о"

Б181ап8е

Рис. 4. График изменения касательных напряжений хиг на границе контакта заготовки с рабочим инструментом

1200

1100

03 1000

Рн

900

<i> 800

£ 700

гл

600

си

— (X 500

'ёв 400

jd 300

О £ 200

100

Неподвижная волока •Вращаемая волока

^ £ ^ Л> ^ 4*V\b>

Distance

Рис. 5. График изменения нормального давления на границе контакта заготовки с неподвижной и вращаемой волоками

Рис. 6. Распределение касательных напряжений Rв, ZR в поперечном сечении протянутого участка прутка при волочении с вращением волоки

Из рис. 6 следует, что вращение волоки в плоскости, перпендикулярной оси волочения, приводит к появлению на протянутом участке в поперечных сечениях касательных напряжений тяе, твг , тиг. При волочении в неподвижную волоку компоненты тензора напряжений тяе , тт , тиг на протянутом участке равны нулю. При волочении в вращаемую волоку максимальные значения этих напряжений расположены в периферийных слоях под поверхностью готового профиля. Касательные напряжения твг и тш имеют противоположные знаки и с точностью до 5% равны по величине, и распределены по основ-

ной части поперечного сечения по линейному закону, а на поверхности изделия равны нулю. Величина компоненты тяе значительно меньше

чем твz и ^

Присутствие касательных напряжений на

протянутом участке заготовки приводит к росту величины интенсивности напряжений при волочении с вращением волоки,

ai = + 6№ + rez + 4R) >

превышающей величину интенсивности напряжений при волочении без вращения волоки на 29%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты моделирования волочения круглых профилей показали, что приведение волоки во вращательное движение в плоскости, перпендикулярной оси волочения, изменяет картину напряженно - деформированного состояния, как в очаге деформации, так и на протянутом участке изделия. Это приводит к снижению усилия протягивания на 32%, величины касательных напряжений trz на границе контакта заготовки с волокой на 58% и нормального давления при входе в очаг деформации на 37% относительно волочения в неподвижную волоку. Отмечено полное проскальзывание заготовки в рабочем канале волоки. При комбинированной схеме нагружения на протянутом участке действуют напряжения волочения и дополнительные касательные напряжения, что повышает интенсивность напряжений на 29% в сравнении с обычным волочением.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. 448 с.

2. Тарнавский А.П. Эффективность волочения с про-тивонатяжением. М.: Металлургия, 1959. 152 с.

3. Sadok Lucjan, Urbanski Stanislaw. Spannungen nnd Verfomungen beim Ziehen ou Rohren. Bander -Blecherohre. 1987. 28. № 7. P. 135 - 138.

4. Логинов Ю.Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния при волочении с вращением волоки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2014. № 6. С. 39 - 41.

5. Каргин В.Р. Процессы получения винтовых про-

филей и труб М.: Металлургия, 1994. 96 с.

6. Шевченко А.А., Сидоренко Г.А., Рогов М.В. Об особенностях процесса волочения с вращением контактных поверхностей инструмент-заготовка // Производство труб. М.: Металлургия 1971. Вып. 26. С. 108 - 114.

7. Kong L.X., Lin L., Hodgson P.D. Material properties under drawing and extrusion with cyclic torsion // Materials Science and Engineering. 2001. v.308.ISS 1 - 2. p. 209 - 215.

8. Харитонов В.А., Усанов М.Ю. Влияние кручения при волочении круглой проволоки в монолитной волоке // Моделирование и развитие процессов ОМД. 2015. №21. С.82-88.

9. Лошкарев О.Н., Маннабов Е.А. Анализ процесса волочения медной проволоки с использованием вращающейся волоки в среде DEFORM-3D // Научное исследование в области технических наук // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. №2. Саратов, 2017. С. 23-27.

10. А.С. 645719 ССР В21С3/00. Устройство для волочения с кручением круглых профилей / В.А. Зазим-ко, М.В. Бабасов, Г.А. Савин и др. Открытие. Изобретения. 1979. Бюл. №5, с.15

11. А.С. 130484 СССР МКИ 7с5 Устройство для скручивания некруглых профилей волочением / В. А. Колмогоров, Г.П. Моисеев, Ю.М. Шахнаев. Открытие. Изобретения. 1960. Бюл.№ 15, с.15

12. А.с. 372002 СССР, МКИ В21С 3/14 Устройство для волочения круглых профилей с кручением / Ар-кулис Г.Э., Матвеев Ю.М., Батист А.И., и др. // Открытия. Изобретения. 1973. Бюл. № 12, с.32.

13. Общее руководство по работе с инженерными программным комплексом DEFORM / И.М. Тау-пек, Е.Г. Кабулова, К.А. Положенцев и др. Старый Оскол: ООО ИПК «Кириллица», 2015 - 217 с.

14. Grechnikov F.V., Kargin B.V. Production Methods for Increasing Pipe Drawing Tool Life // Metallurgist. 2016. Vol. 60. Issue 5-6. Pp. 519-523.

SIMULATION OF DRAWING OF ROUND PROFILES THROUGH A ROTATING DIE

© 2017 V.R. Kargin, B.V. Kargin, V.A. Razzhivin

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev

This article presents the results of computer simulation of the stressed-deformed state in the process of drawing round profiles from aluminum alloy 2024 with the rotation of the dies using the finite element method in the specialized software complex DEFORM. During the drawing, the torque generated by the rotating die did not cause the workpiece to twist before entering the center of deformation. Full slippage of the workpiece in the working channel of the dredge, and loading of the stretched section of the article, in addition to the drawing voltage by additional shearing stresses acting in the plane of the cross section, was noted. Keywords: drawing, round profile, drawing rotation, modeling, stress-strain state, force, torsion moment.

Vladimir Kargin, Doctor of Technics, Professor at the Metal Forming Department. E-mail: kargin163@gmail.com Boris Kargin, Candidate of Technics, Associate Professor at the Metal Forming Department. E-mail: kargin163@gmail.com Vasiliy Razzhivin, Student of the Institute of Rocket and Space Technology. E-mail: vasia.razzhivin@yandex.ru