Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса по волочению тонкостенных труб с вращением контактных поверхностей инструмент-заготовка 12
1.1 Кручение в процессах волочения труб 12
1.1.1 Безоправочное волочение и кручение тонкостенных труб 13
1.1.2 Волочение труб со спиральными ребрами 22
1.1.3 Волочение винтовых профильных труб 24
1.1.4 Волочение тонкостенных труб с внутренним спиральным рифлением...25
1.2 Энергосиловые условия при волочении с вращением контактных поверхностей инструмент-заготовка 32
1.3 Методы расчета напряженно-деформированного состояния при одновременном волочении и кручении тонкостенных труб 39
1.4. Выводы. Цель работы, задачи исследования 42
2 Разработка математической модели без оправ очного волочения тонкостенных труб через вращаемые волоки ...45
2.1 Основные допущения и гипотезы 45
2.2 Система уравнений для определения напряженно-деформированного состояния 46
2.3 Алгоритм вычислений полей напряжений и деформаций на ЭВМ 54
2.4 Выбор числа кольцевых элементов 60
2.5 Анализ результатов расчета на ЭВМ напряженно-деформированного состояния 61
2.6 Выводы 67
3 Исследование напряженно-деформированного состояния при кручении с растяжением тонкостенной трубы 69
3.1 Анализ напряженно-деформированного состояния тонкостенной трубы на выходе из канала волоки при безоправочном волочении с кручением 69
3.2 Пластическое закручивание тонкостенных труб при безоправочном волочении через две дистанционно расположенные волоки 78
3.3 Выводы 81
4 Экспериментальное и компьютерное исследование безоправочного волочения тонкостенных труб через вращаемые волоки 82
4.1 Определение анизотропии свойств тонкостенных трубных заготовок 82
4.2 Компьютерное моделирование безоправочного волочения тонкостенных труб через вращаемые волоки в программном комплексе ANSYS/LS-DYNA 84
4.3 Компьютерное моделирование безоправочного волочения тонкостенных труб через вращаемые волоки в программном комплексе DEFORM-3D 92
4.4 Проверка адекватности математической модели 99
4.5 Выводы 105
5 Исследование волочения тонкостенных труб с внутренним оребрением на короткой вращающейся оправке 106
5.1 Методика экспериментальных исследований 106
5.2 Исследование формирования внутреннего спирального оребрения в зависимости от технологических параметров волочения тонкостенных труб на короткой вращающейся оправке 108
5.3 Совершенствование процесса волочения тонкостенных труб с внутренним спиральным оребрением на вращающейся оправке 115
5.4 Расчеты давления при формировании спирального оребрения внутри труб 117
5.5 Определение напряженно-деформированного состояния при раздаче тонкостенных труб волочением 121
5.6 Апробация нового способа 125
5.7 Выводы 127
Основные результаты и выводы по работе 128
Библиографический список 130
- Энергосиловые условия при волочении с вращением контактных поверхностей инструмент-заготовка
- Система уравнений для определения напряженно-деформированного состояния
- Пластическое закручивание тонкостенных труб при безоправочном волочении через две дистанционно расположенные волоки
- Компьютерное моделирование безоправочного волочения тонкостенных труб через вращаемые волоки в программном комплексе ANSYS/LS-DYNA
Введение к работе
Актуальность и состояние проблемы. Уровень трубного производства в значительной степени определяет развитие большинства отраслей народного хозяйства. Быстро развивающиеся электроэнергетика, судостроение, авиастроение, атомная, космическая и холодильная техника требуют соответствующего развития производства труб.
Наряду с увеличением объема производства непрерывно повышается технический уровень трубного производства-техника и технология, производительность и степень использования.
Особенно важным является производство холоднотянутых тонкостенных труб. Эти трубы применяются во многих специальных областях народного хозяйства России в качестве трубопроводов и должны удовлетворять высоким требованиям по точности геометрических размеров и качеству изготовления.
Производство холоднотянутых труб осуществляется в трубоволочильных цехах металлургических заводов способами холодной прокатки и волочения. В этих условиях в последнее время внедряются новые технологические процессы, совершенствуются существующие, применяется новое волочильное оборудование, инструмент и новые методы волочения.
При производстве гладких тонкостенных труб в отечественной и зарубежной практике широкое применение нашло безоправочное волочение, при производстве тонкостенных труб с внутренним спиральным рифлением -волочение на оправках. Это объясняется малой трудоемкостью, высокой производительностью процесса и тем, что дает возможность получать тонкостенные трубы с точными размерами и высококачественной поверхностью.
Одним из перспективных, но еще недостаточно изученных является волочение в сочетании с кручением, что позволяет расширить сортамент
получаемых труб. В этом процессе кручение реализуется через вращение инструмента(волоки, оправки).
Промышленное использование процесса волочения тонкостенных труб вращаемым инструментом требует дополнительных тщательных исследований по установлению напряженно-деформированного состояния при вращении контактных поверхностей инструмент-заготовка.
Целью данной работы является исследование напряженно-деформированного состояния в процессе волочения тонкостенных труб вращающимся инструментом и разработка на этой основе научно-обоснованных методов расчета технологических параметров для его практической реализации.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать математическую модель безоправочного волочения тонкостенных труб во вращающихся волоках с учетом реальных свойств материала заготовки.
Выполнить на ЭВМ моделирование напряженно-деформированного состояния в процессе волочения и выявить особенности и закономерности формоизменения тонкостенных труб во вращающихся волоках.
Провести экспериментальные и численные исследования с применением САЕ-систем процесса безоправочного волочения тонкостенных труб во вращающихся волоках и проверить адекватность расчета технологических параметров по математической модели.
Разработать методику расчета технологических параметров при одновременном волочении и скручивании тонкостенной трубы вращающимся инструментом.
Разработать способ волочения тонкостенных труб с внутренним спиральным рифлением на короткой свободно-вращающейся оправке.
Создать методику расчета технологических параметров предлагаемого способа изготовления тонкостенных труб с внутренним
спиральным рифлением, основанного на операциях волочения и раздачи труб на короткой свободно-вращающейся оправке, обеспечивающего получение рифления требуемой высоты.
Достоверность научных результатов исследований подтверждена
строгой математической постановкой задач, применением аналитических
методов решения задач, современными методами проведения опытов и
обработки экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов
эксперимента, удовлетворительной сходимостью расчетных,
экспериментальных данных и результатов практики, соответствия результатов моделирования технологии изготовления и характеристикам готовых тонкостенных труб.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса безоправочного волочения труб во вращаемые волоки выполнены с использованием основных положений теории пластического деформирования анизотропных материалов и конечно-элементного моделирования в программных комплексах ANSYS/LS-DYNA и DEFORM-3D. Анализ напряженного состояния волочения труб с внутренним спиральным рифлением проведен методом совместного решения уравнений равновесия и пластичности.
Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях с применением методов математической статистики и математического планирования эксперимента на универсальной испытательной машине ЦДМУ-30.
Автор защищает математическую модель безоправочного волочения тонкостенных труб во вращаемые волоки с учетом нелинейного упрочнения и анизотропии свойств материала трубной заготовки; результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния при безоправочном волочении во вращаемые волоки; методики расчета технологических параметров при изготовлении тонкостенных труб с винтовой текстурой и внутренним спиральным рифлением.
Научная новизна состоит в установлении особенностей и закономерностей формоизменения тонкостенных труб в волоке и на выходе из нее при безоправочном волочении во вращаемые волоки; получении математических зависимостей для определения давления, обеспечивающего получение оребрения требуемой высоты и силовых условий при раздаче труб на короткой свободно - вращающейся оправке.
Практическая ценность работы. Разработаны методики расчета технологических параметров в процессах волочения тонкостенных труб с винтовой текстурой во вращаемые волоки и внутренним спиральным рифлением; способ изготовления труб с внутренним спиральным рифлением, основанный на операциях волочения и раздачи на короткой свободно-вращающейся оправке, позволяющий изготавливать такие трубы на волочильных станах линейного типа.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: IV Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008 г.) Решетневские чтения (Красноярск, 2007г.), Актуальные проблемы авиации и космонавтики (Красноярск, 2008г.), Туполевские чтения (Казань, 2006г., 2008 г.), Королевские чтения (Самара, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией четыре работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 128 наименований, содержит 142 страницы машинописного текста, 71 рисунок, 3 таблицы.
Автор выражает благодарность коллективу кафедры обработки металлов давлением за содействие в работе над диссертацией, а также научному руководителю, профессору кафедры, д.т.н. В.Р. Кар гину за ценные замечания
и практическую помощь в работе.
Энергосиловые условия при волочении с вращением контактных поверхностей инструмент-заготовка
Анализ энергосиловых условий процесса волочения с кручением описан в работах [42,57,62,65,71,72,73,77,81,83,110,115,120]. Это расширяет технические возможности его применения. В работе [120] представлены схемы волочения с приложением крутящего момента к протягиваемой заготовке, рис.21. Рисунок 21 - Схемы приложения крутящих моментов к протягиваемой заготовке: а - вращающаяся волока с одним реактивным моментам; б-вращающаяся волока с двумя реактивными моментами; в- активный момент приложен перед очагом деформации.
При вращении волоки на контактной поверхности инструмент -заготовка возникает момент трения Мт, который уравновешивается реактивным моментом Мр (рис. 21 а). Из приведенной эпюры моментов видно, что протягиваемая заготовка на участке после выхода из очага деформации нагружена, помимо тягового усилия Рв, крутящим моментом, равным моменту трения. Момент сил трения в этой схеме волочения является активным крутящим моментом, который передается трубной заготовке непосредственно в очаге деформации, достигая максимальной своей величины на выходе из очага деформации.
Согласно схеме на рис. 21 б, при вращении волоки момент трения, возникающий на контактной поверхности, уравновешивается двумя реактивными моментами Мр и Мр , один из которых приложен к заготовке перед очагом деформации, а второй - после выхода ее из очага деформации.
При волочении по схеме на рис.21 в, в крутящий момент Мк приложен к протягиваемой заготовке перед очагом деформации. Мк уравновешивается двумя реактивными моментами: моментом трения Мт, возникающим на контактной поверхности очага деформации, и моментом Мр, приложенным к заготовке на протянутом участке.
Как видно из эпюры моментов, заготовка перед очагом деформации нагружена моментом, имеющим максимальное значение, а на участке после очага деформации значение момента минимально. При Мк=Мт, Мр=0, т.е. протягиваемая заготовка после выхода из очага деформации нагружена только усилием волочения Рв, что является положительным фактором при волочении.
Исходя из таблицы 1, крутящий момент, прикладываемый к протягиваемой тонкостенной трубной заготовке, вызывая касательные напряжения кручения, изменяет не только соотношение между главными напряжениями, но и их ориентацию.
Касательные напряжения кручения на участке III снижают запас его прочности и тем самым ограничивают величину активных сил, прикладываемых к заготовке. Положительная роль касательных напряжений кручения на участке I состоит в том, что металл поступает в очаг деформации уже в напряженном состоянии. На рис.22 показана схема сил и скоростей движения на площадке А в канале вращающейся волоки с угловой скоростью со по схеме на рис.21 а). Каждая такая площадка одновременно двигается относительно протягиваемой заготовки прямолинейно в направлении, обратном поступательному движению металла, с осевой скоростью VBA, соответствующей скорости волочения VB и вращается в тангенциальном направлении со скоростью V9A -сорА, где со -угловая скорость вращения волоки; рА - расстояние элементарной площадки от оси вращения [83].
В точке А на металл заготовки действует элементарная сила N, и вызываемая ею по закону Кулона сила трения uN, действующая в направлении движения волоки относительно трубы, т.е. в направлении вектора у , где р, коэффициент трения.
При проектировании силы трения на ось канала и на плоскость, ей перпендикулярную, имеем: Npxosa и Npsina. По сравнению с невращающейся волокой осевые силы в каждой элементарной площадке уменьшаются на величину NA(l-cosa). Это уменьшение тем значительнее, чем больше угол а. С другой стороны, чем больше отношение окружной скорости точки А к скорости волочения, тем меньше силы трения, действующие в направлении, обратном волочению. Широкого практического применения этот способ, однако, не получил, так как при обычных скоростях волочения для заметного снижения тягового усилия, как отмечается в работе [87], пришлось бы вращать волоку с большой скоростью со = 1000-ЗОООоб/мин. Кроме того, протягиваемая заготовка после выхода из волоки нагружена помимо тянущего усилия, крутящим моментом, что ограничивает величину активных внешних сил и не позволяет увеличить разовую деформацию. Поэтому волочение во вращающейся волоке с рациональным числом оборотов используется в основном в промышленности для достижения равномерного в тангенциальном направлении износа волочильного канала [47,115].
Результаты эксперимента Закса и Линикуса показали, что при волочении латунной проволоки со скоростью волочения Увол=90мм/мин и скорость вращения волоки n = 15 об/мин. Усилие волочения через вращающиеся волоки составляет в зависимости от вытяжки 0,48-0,9 от усилия волочения через неподвижные волоки. Наибольшее снижение усилие наблюдалось при наибольших вытяжках и малых углах волоки. Значительно ускоряется износ волоки при волочении через вращаемые волоки. Суммарный расход энергии на вращение и волочение примерно на 10% больше, чем при обычном волочении. В экспериментах не удалось увеличить вытяжки по сравнению с обычным волочением.
В другом, более перспективном способе, крутящий момент при волочении создают путем приложения окружных усилий к заднему концу заготовки (рис.21,6) с таким расчетом, чтобы металл, находящийся в очаге пластической деформации не вращался относительно волоки [77,115].
Закс показал [57], что при одновременном действии на металл усилия волочения и усилия вращения волоки, результирующую силу трения можно разложить на две составляющие: Тх,обусловленную волочением и Ту, обусловленную вращением.
Система уравнений для определения напряженно-деформированного состояния
При безоправочном волочении тонкостенных труб через вращаемые волоки контактная поверхность волоки перемещается относительно трубной заготовки по винтовой линии со скоростью в точке A VPA (рис.24), ее составляющие: где со - угловая скорость вращения волоки; п - число оборотов волоки в минуту; VB- скорость волочения; V0KA- скорость перемещения в направлении вращения; VBA- скорость перемещения в направлении волочения; FA - площадь поперечного сечения трубы, проходящей через точку А; FK - площадь поперечного сечения готовой трубы. Положение результирующего вектора скорости VPA определяется углом При вращении волоки крутящим моментом МКрв на контактной поверхности возникает реактивный момент трения МТР, который передается трубе в очаге пластической деформации, достигая максимальной своей величины на выходе из канала вращаемой волоки. Таким образом, протягиваемая тонкостенная труба нагружена помимо усилия волочения Рв крутящим моментом, равным моменту трения сил, рис.25. Рассмотрим напряженно-деформированное состояние трубной заготовки на коническом участке обжимной зоны вращаемой волоки длиной 1кон, располагая начало координат в начале очага деформации, рис. 25. Бесконечно-малые приращения компонент деформации определяются по уравнениям логарифмических деформаций Людвига, записанных в дифференциальной форме: где 1 - текущее значение длины рассматриваемого конечного элемента; R - текущее значение радиуса срединного сечения рассматриваемого конечного элемента от оси волочения; t - текущее значение толщины стенки рассматриваемого конечного элемента. Бесконечно-малые приращения логарифмических деформаций в рассматриваемом кольцевом конечном элементе при движении в коническом сужающем канале волоки связаны между собой условием постоянства объема (условие несжимаемости):
Интенсивность бесконечно-малых приращений деформаций находится по формуле: где цг- коэффициент анизотропии трансверсально-анизотропного тела, определяемый экспериментально по методике, изложенной в работе [43]. Компоненты напряженного состояния в кольцевом конечном І-ТОМ элементе на рис.26 рассчитываются по известным компонентам деформированного состояния из физических уравнений теории пластичности, связывающих напряжений с бесконечно-малыми приращениями деформаций Леви -Лоде: Для плоского напряженного состояния аг=0 и трансверсально-изотропного материала р.у=п.г эта зависимость записывается следующими физическими уравнениями для главных напряжений: В качестве условия пластичности используется критерий текучести Губера -Мизеса: Интенсивность напряжений а, находится из закона изотропного упрочнения материала трубной заготовки, в зависимости от степени деформации є за переход при волочении, описанного уравнением: где А и п - коэффициенты аппроксимации кривой упрочнения, ато — предел текучести металла заготовки при входе во вращаемую волоку, Fo,F- площади поперечных сечений заготовки при входе в волоку и в очаг деформации соответственно. Кривая упрочнения строится по общепринятой методике.
После волочения с различными вытяжками трубные образцы испытываются на растяжение по ГОСТ 1497-84 с фиксированием механических свойств. Контактное напряжение Р в рабочем канале вращающейся волоки определяется из уравнения равновесия всех сил в направлении нормали к меридиану (уравнение Лапласа): где Rg - радиус кривизны меридионального сечения; R p- радиус сечения трубы с конической поверхностью, перпендикулярной дуге меридиана. На коническом участке обжимного канала волоки где a - полуугол конуса волоки. Дифференциальные уравнения равновесия элементов на коническом участке обжимной зоны вращающейся волоки в направлении касательной к меридиану с учетом изменения толщины стенки в процессе формоизменения имеет вид:: где f - коэффициент внешнего трения по нормальному давлению между трубой и волокой. При этом элементарные касательные силы трения в рабочем канале волоки направлены противоположно направлению скольжения металла заготовки относительно волоки. Напряженно-деформированное состояние при волочении тонкостенной трубы через радиусный участок обжимной зоны канала вращаемой волоки длиной 1р на рисунке 25 определяется следующим образом. Радиусный участок представляется в виде набора конических колец с текущим углом рабочего конуса осі и длиной рабочей части, равной текущей длине деформируемого элемента 1;. Поэтому напряженно-деформированное состояние рассматриваемого кольцевого элемента находится решением приведенной для конического участка системы уравнений с углом конуса: где RK — конечный наружный радиус готовой тонкостенной трубы; Rp -радиус кривизны радиусного участка обжимной зоны канала вращающейся волоки.
Такой подход при расчете напряженно-деформированного состояния полезен для изучения профиля образующей обжимной зоны канала волоки любой сложной формы (радиальной, сигмоидальной и т.п.). На калибрующем участке канала волоки принимается, что тонкостенная труба деформируется упруго согласно закону Гука. Контактное напряжение на границе волоки в конце радиусного участка при R = RK равно по контактному напряжению в начале калибрующего участка волоки и не изменяется по его длине. Дифференциальное уравнение равновесия на калибрующем участке канале волоки имеет вид: Крутящий момент от сил трения, прикладываемый к трубной заготовке при вращении волоки На выходе из канала вращаемой волоки рассчитывали усилие волочения и момент от сил трения
Пластическое закручивание тонкостенных труб при безоправочном волочении через две дистанционно расположенные волоки
При изготовлении тонкостенных труб с винтовым расположением волокон можно использовать безоправочное волочение через две дистанционно расположенные волоки.
Трубная заготовка в первой по ходу волочения волоке профилируется в эллипс, а во второй неподвижной волоке при осадке восстанавливается первоначальная форма заготовки в виде кольца, но меньшего диаметра, рис.37. Крутящий момент передается тонкостенной трубе через вращаемую профильную волоку.
Тонкостенная труба закручивается на участке между двумя дистанционно расположенными волоками при определенных условиях. Если момент сопротивления кручению W КР протянутой трубы больше момента сопротивления кручения поперечного сечения в профильной эллиптической
При решении этого неравенства находят размеры второй волоки с круглым отверстием. Предполагаем, что в процессе профилирования периметр не изменяться, т.е. периметр исходной заготовки равен периметру эллиптического сечения трубы в первой волоке по наружной поверхности
Проведен анализ напряженного состояния тонкостенной трубы на выходе из канала волоки при безоправочном волочении с кручением. Предложена методика определения технологических параметров при получении тонкостенных труб с винтовой текстурой в процессе безоправочного волочения с кручением с учетом упругой разгрузки и устойчивости поперечного сечения.
Установлено, что зависимость между усилием волочения и величиной крутящего момента подчиняется закону эллипса. Чем больше усилие волочения, тем меньший момент необходимо приложить к тонкостенной трубе, чтобы перевести ее в пластическое состояние. Это способствует уменьшению угла упругой раскрутки.
Определена зависимость для расчета коэффициента вытяжки в осадочной волоке, что исключает поворот заготовки в эллиптической волоке, при скручивании трубы волочением через две дистанционно расположенные. В теоретических расчетах (раздел 2) при безоправочном волочении тонкостенных труб через вращаемые волоки необходимо знать величину показателей анизотропии механических свойств трубных заготовок.
В трубной тонкостенной заготовке возможны три частных случая трансверсальной изотропии свойств, которые определяются напряжениями по отношению к осям, рис.39. Примем, что главная ось анизотропии 1 совпадает с осью волочения, а главные оси анизотропии 2 и 3 расположены в плоскости поперечного сечения тонкостенной трубной заготовки. Если симметрия свойств характеризуется семейством касательных плоскостей, то тонкостенная труба имеет цилиндрический вид анизотропии. Этому виду отвечает постоянство механических свойств в окружном и радиальном направлениях.
Трубы, имеющие продольную (ju = ju ;jUn = 0,5) или секущую плоскость симметрии ( ju = 0,5; ju = JU ) обычно характеризуются постоянством свойств в этих плоскостях. При волочении тонкостенных труб принят второй случай, когда свойства в плоскости поперечного сечения трубы одинаковы, но отличны от свойств в продольном направлении.
Для определения анизотропии механических свойств тонкостенной трубной заготовки использовали показатели, применяемые при исследовании анизотропии листовых материалов [43]. Образцы для механических испытаний на анизотропию свойств изготавливали из развертки трубы из сплавов Діб и меди МЗ, вырезанных под углами 0 и 90 к оси волочения. Считали, что деформация при правке образцов незначительна и на механические характеристики не оказывает заметного влияния. Для определения показателей анизотропии применяли стандартные испытания плоских образцов на растяжение по ГОСТ 1497-84 и формулу Здесь индекс показывает направление поперечного сечения испытываемого образца при действии растягивающей силы вдоль второго индекса.
Экспериментальные значения коэффициентов анизотропии, полученные на испытательной машине Testometric Z250ABG63726, даны в таблице е2 Ы to Здесь Є\ Є2 Єз-Деформация в направлении ширины, длины и толщины образца соответственно: Ъо Ъ t0 t -осредненные и конечные значения ширины и толщины образца соответственно по трем сечениям испытуемого образца. Пределы текучести в направлении главных осей анизотропии 2 и 3 Q- и (jT3 находим путем пересчета по известному значению предела текучести в направлении оси анизотропии 1 jn по формуле Для описания материала тонкостенной трубы из сплава Діб при компьютерном моделировании принята модель упрочняющейся упруго-пластической среды (рис.40)- билинейная изотропная модель (Bilinear Материал волоки сталь Х12МФ (модуль упругости Е = 210 ГПа, коэффициент Пуассона у= 0,3) моделировали жестким (Rigid Model). Для построения трехмерной упорядоченной сетки конечных элементов выбрали оболочечные элементы Thin Shell 163. Конечно-элементная сетка тонкостенной трубы была сгенерированна с использованием 1920 элементов (длина ребра элемента 1 мм), волоки - 1936 элементов (0,5 мм) (рис. 41). Компьютерное моделирование безоправочного волочения тонкостенной трубы 010 мм из заготовки 013x1 мм из алюминиевого сплава Діб (оо,2 = 320 МПа; ав = 450 МПа; Е = 72 ГПа; v = 0,34; 3 = 0,25) проводили в конические волоки с параметрами: угол конуса рабочей зоны - 12; калибрующий поясок — 2,5 мм; радиус сопряжения обжимной и калибрующей зон - 5 мм (рис.42). В расчетах принят коэффициент трения / = 0,09;скорость волочения Ve = 15 м/мин; число оборотов волоки п = 1500 об/мин. Устойчивость процесса безоправочного волочения обеспечивалась при длине трубы не менее 50 мм. На установившейся стадии безоправочного волочения через неподвижную и вращаемую волоки получено распределение компонент напряжений и деформаций в продольном сечении очага пластической деформации (ОПД), показанное на рис. 43 и 44.
Компьютерное моделирование безоправочного волочения тонкостенных труб через вращаемые волоки в программном комплексе ANSYS/LS-DYNA
Из анализа графиков (рис. 43, а) следует, что осевые растягивающие напряжения 7Z, как следовало ожидать, возрастают к выходу из ОПД. Вращение волоки приводит к их снижению на 28%. Контактное давление р распределено в канале волоки неравномерно и имеет два экстремума на входе и выходе из ОПД. Причем пик давления на выходе из ОПД в 2,8 раза больше, чем на входе в ОПД. Величина тангенциальных напряжений а по абсолютной величине при вращении волоки уменьшается, ар увеличивается.
Приложение вращательного движения к волоке приводит к увеличению радиальных деформаций ер на 20% (рис. 44, а), т.е. к более интенсивному утолщению стенки, что уменьшает длину протянутой трубы. При более высоких скоростях волочения с увеличением числа оборотов волоки толщина стенки растет менее интенсивно (рис. 45). Распределение тангенциальных е и осевых е2 деформаций в продольном сечении очага пластической деформации вращаемой волоки отличается незначительно по сравнению с деформациями при волочении через неподвижную волоку.
В процессе волочения сдвиговые напряжения и деформации являются основным механизмом пластического формоизменения. Вращение волоки приводит к интенсификации сдвиговых напряжений и деформаций, что может оказать существенное влияние на формирование структуры и свойств готовых труб.
В поперечных сечениях очага пластической деформации по мере продвижения металла трубы вдоль канала вращаемой волоки касательные напряжения Tgs и угловые деформации у приводят к осевому закручиванию трубы. Их величина нарастает от входа в очаг пластической деформации, достигая своего максимального значения на выходе из очага пластической деформации. Установлено изменение схемы напряженного состояния с осесимметричной на объемную, что усложняет картину напряженно-деформированного состояния из-за наложения скручивающих сил и изменения условий на контактной поверхности «инструмент- заготовка». На рис. 46 показано распределение интенсивности напряжений Q- ПО длине канала волоки. Из рисунка видно, что кривые а при волочении в неподвижную и вращаемую волоки с точностью 5% совпадают друг с другом. Это говорит о том, что энергия формоизменения трубы не зависит от схемы приложения внешних сил.
Получена зависимость усилия волочения Рв от числа оборотов волоки п при различных скоростях VB (рис.45). При более высоких скоростях волочения для заметного снижения усилия необходимо вращать волоку с большим числом оборотов, что объясняется схемой сил, действующих в точке А контактной поверхности вращающейся волоки (рис.24). Уменьшение сил трения, действующих в направлении, обратном волочению, тем значительнее, чем больше угол Р, рис.47.
Применение волочения через вращаемую волоку целесообразно при изготовлении тонкостенных труб большого диаметра, при моделировании которых установлено заметное уменьшение усилия с ростом числа оборотов волоки (рис.45).
Сравнение результатов компьютерного моделирования с результатами расчета математической модели показало, что программный комплекс ANSYS/LS-DYNA адекватно воспроизводит процесс безоправочного волочения с вращением волоки и может быть использован для определения напряженно-деформированного состояния трубы.
Таким образом, результаты компьютерного моделирования наглядно показывают особенности влияния кручения волоки в плоскости, перпендикулярной оси волочения, на изменение напряженно-деформированного состояния при безоправочном волочении тонкостенных труб: позволяют достаточно точно определять параметры без проведения дорогостоящих натурных экспериментов.
Числовой расчет в программном комплексе DEFORM-3D проводили по данным, приведенным в 4.2.Трехмерную упорядоченную сетку конечных элементов сгенерировали с использованием 3650 восьмиузловых элементов (brick mesh), что составило один конечный элемент по толщине стенки трубы (рис.48). Перемещение трубы в канале волоки на каждом шаге расчета равно 0,2 мм. Число шагов выбрано таким, чтобы процесс волочения был установившимся. На рис.49 приведены диаграммы изменения усилия волочения во времени, на которых имеются участки установившегося волочения, характеризуемые усилие волочения труб через вращаемые волоки меньше, чем в неподвижные волоки.
