В. Р. Картин, Е. В. Шокова, Б. В. Каргин
Самарский государственный аэрокосмический университет
Проведено теоретическое исследование процесса безоправочного волочения тонкостенных труб с противонатяжением. Приведена полная система уравнений, позволяющая найти с помощью ЭВМ поля напряжений и деформаций, необходимые для рационального выбора параметров волочения и инструмента.
К основным выходным параметрам безоправочного волочения тонкостенных труб относят толщину стенки готовой трубы, усилие волочения, определяющее предельные возможности процесса, контактное напряжение, влияющее на стойкость инструмента и усилие противонатяжения, направление которого противоположно направлению волочения [1-3]. Научно обоснованный расчет указанных параметров - сложная и до конца не решенная задача, которую можно решить только на основе комплексного учета всех геометрических, технологических и конструкционных параметров процесса, в том числе анизотропии механических свойств заготовки и реального профиля канала волоки, состоящей из конического и калибрующего участков, плавно соединенных между собой радиусным участком.
Для решения поставленной задачи сделаны следующие допущения: деформация тонкостенной трубы принимается как симметричная и безмоментная; напряженное состояние плоское, меридиональное а, и окружное (jg - главные напряжения; заготовка считается трансверсально изотропной, механические свойства в поперечном сечении одинаковы, но отличны от свойств в продольном направлении; упрочнение материала изотропное и определяется в виде квадратичного полинома; на поверхности контакта трубной заготовки с волокой действуют касательные напряжения, определяемые по закону Кулона. Напряженно-деформированное состояние трубы на коническом участке волоки описывается следующей системой уравнений:
Рис. 1. Напряженное состояние i-го кольцевого элемента тонкостенной трубы
Рис. 2. Экспериментальная проверка теоретической модели
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Из сопоставления кривых на рис. 3 видно, что противонатяжение заметно увеличивает значения меридиональных деформаций е,. Длина готовой трубы при волочении с про-тивонатяжением получается большей, чем при волочении без противонатяжения. Противонатяжение в начале очага пластической деформации существенно уменьшает утолщение стенки трубы по сравнению с обычным волочением, а затем к выходу из очага деформации способствует утонению стенки трубы. Изменение толщины стенки трубы в зависимости от величины противонатяжения составляет значительную величину - до 15 % от исходной толщины стенки. Регулируя величину противонатяжения на входе в волоку, возможно изменять утолщение стенки трубы и на выходе из волоки получать толщину стенки, равную толщине исходной заготовки.
Из сопоставления кривых на рис. 4 видно, что противонатяжение резко снижает давление металла на стенки волоки, соответственно уменьшает внешнее трение при волочении, и вследствие этого повышается стойкость волоки. Это связано с тем, что при приложении к протягиваемой трубе двух про-противоположно направленных растягивающих сил в ней еще до входа в волоку возникают упругие деформации. Поэтому для осуществления пластической деформации металла трубы в канале волоки необходимо приложить небольшое давление волоки. При обычном волочении экстремум контактного давления наблюдается на выходе трубы из канала волоки, при противонатяжении а1яр = 100 МПа экстремум смещается к входу в рабочий канал волоки. Меридиональное напряжение по длине канала волоки возрастает на величину напряжения противонатяжения.
Таким образом, предложенная математическая модель позволяет установить общие закономерности формирования напряженно деформированного состояния волочения тонкостенных труб с противонатяжением.
Результаты проведенных исследований использовались при разработке технологии производства труб повышенной точности для автомобилестроения, профильных труб и труб малых размеров.
1. Перлин И. Л., Ерманок М. 3. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. -448 с.
2. Савин Г. А. Волочение труб. М.: Металлургия, 1993. - 336 с.
3. Ерманок М. 3., Ватрушин Л. С. Волочение легких сплавов. М.: ВИЛС, 1996. -216 с.
4. Бахвалов Н. С. Численные методы. М.: Наука, 1975.-122 с.
5. Гречников Ф. В. Деформирование анизотропных материалов. М.: 1998. - 488 с.
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.