Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОМЕНТА ВНЕШНИХ СИЛ ПРИ РАСКАТКЕ ТРУБ

Хейн Вин Зо 1
1 «МАТИ» – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского
Процессы локального деформирования (ротационная вытяжка, раскатка, ротационный обжим и другие) по сравнению с традиционными операциями обработки металлов давлением обладают рядом достоинств: меньшее деформирующее усилие, простота технологической оснастки, большие степени формоизменения заготовки. Большая трудоемкость работ на этапе технологической подготовки производства в самолетостроении связана в известной мере с тем, что при изготовлении деталей возможности пластического деформирования исходной заготовки всегда ограничены, поэтому и в теоретическом, и в практическом плане важное значение имеют методы обработки, которые увеличивают предельные деформации заготовки. Это ведет к уменьшению технологических операций и переходов, что в конечном итоге снижает трудоемкость изготовления деталей. Поэтому исследования в области локального деформирования являются актуальными. При раскатке элемент трубчатой заготовки помещают между двумя роликами, которые под действием усилия Р деформируют стенку заготовки, увеличивая ее диаметр. Известна раскатка заготовок, когда взамен наружного ролика используется вращающее кольцо, или матрица. В последнем случае исходная заготовка имеет первоначально меньший диаметр и раскатывается до внутреннего диаметра кольца (матрицы), что повышает точность изготовления детали. Процессы раскатки реализуются в условиях внешнего сжатия элементов заготовки в очаге деформации, однако во внутренних слоях заготовки могут возникать и растягивающие напряжения. Из теории прокатки известно, что растягивающие напряжения в срединных слоях заготовки могут достигать значительной величины, поэтому важны такие схемы и режимы обработки, которые бы приводили к снижению этих растягивающих напряжений.
результаты расчета и эксперимента по необходимому крутящему моменту М
1. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 480 с.
2. Листовая штамповка. Расчет технологических параметров. Справочник / В.И. Ершов, О.В. Попов, А.С. Чумадин и др. – М.: Изд-во МАИ, 1999. – 516 с.
3. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. – М.: Наука, 1996. – 420 с.
4. Чумадин А.С., Бурштейн Н.М., Архипов В.Н. Способ изменения диаметра концевого участка трубы. Патент РФ № 2104112, 1998.
5. Абибов А.Л., Бирюков Н.М., Бойцов В.В. и др. Технология самолетостроения. – М.: Машиностроение, 1970. – 499 с.
6. Листовая штамповка. Расчет технологических параметров. Справочник / В.И. Ершов, О.В. Попов, А.С. Чумадин и др. – М.: Изд-во МАИ, 1999. – 516 с.
7. Хейн Вин Зо Экспериментальные исследования процесса раскатки труб // Кузнечно-штамповочное производство // Обработка материалов давлением. – 2007. – № 12. – С. 11–14.

Процессы локального деформирования (ротационная вытяжка, раскатка, ротационный обжим и другие) по сравнению с традиционными операциями обработки металлов давлением обладают рядом достоинств: меньшее деформирующее усилие, простота технологической оснастки, большие степени формоизменения заготовки.

Большая трудоемкость работ на этапе технологической подготовки производства в самолетостроении связана в известной мере с тем, что при изготовлении деталей возможности пластического деформирования исходной заготовки всегда ограничены, поэтому и в теоретическом, и в практическом плане важное значение имеют методы обработки, которые увеличивают предельные деформации заготовки. Это ведет к уменьшению технологических операций и переходов, что в конечном итоге снижает трудоемкость изготовления деталей. Поэтому исследования в области локального деформирования являются актуальными.

При раскатке (рис. 1, а) элемент трубчатой заготовки помещают между двумя роликами, которые под действием усилия Р деформируют стенку заготовки, увеличивая ее диаметр. Известна раскатка заготовок, когда взамен наружного ролика используется вращающее кольцо, или матрица (рис. 1, б) [1, 2]. В последнем случае исходная заготовка имеет первоначально меньший диаметр и раскатывается до внутреннего диаметра кольца (матрицы), что повышает точность изготовления детали.

Процессы раскатки реализуются в условиях внешнего сжатия элементов заготовки в очаге деформации, однако во внутренних слоях заготовки могут возникать и растягивающие напряжения. Из теории прокатки известно, что растягивающие напряжения в срединных слоях заготовки могут достигать значительной величины, поэтому важны такие схемы и режимы обработки, которые бы приводили к снижению этих растягивающих напряжений.

Рассмотрим симметричный процесс раскатки с двумя ведущими оправками одинакового диаметра (рис. 2). Разобьем заготовку на две равные части и в силу симметрии рассмотрим только одну (верхнюю) часть.

pic_66.wmf аpic_67.wmf б

Рис. 1. Схема раскатки кольцевых заготовок: а – между двумя роликами; б – между кольцом и роликом (1 – ролики; 2 – заготовка; 3 – кольцо (матрица))

pic_68.wmf

Рис. 2. К определению крутящих моментов двух ведущих оправок

Деформирование осуществляется за счет вращения оправки. Момент внешних сил М, прикладываемый к ведущей оправке, создает в зонах прилипания 2 и 3 активную силу Т23, которая обеспечивает перемещение заготовки и работу деформации, а также силы пассивного трения в зоне отставания Т1 и в зоне опережения Т4, работы которых увеличивают величину внешнего момента М.

Относительно оси вращения верхней ведущей оправки равенство моментов указанных сил имеет вид

М = (Т23 + Т1 + Т4) Rp. (1)

Для двух ведущих оправок будем иметь

2М = 2(Т23 + Т1 + Т4) Rp,

где 2Т23 Rp – внешний момент, который обеспечивает работу деформации Адеф, т.е.

2 Т23 Rp = Адеф/φ,

где φ – угол поворота оправки за один оборот заготовки.

Таким образом, выражение (1) для двух ведущих оправок может быть переписано в виде

2М = Адеф/φ + 2(Т1 + Т4) Rp . (2)

В уравнении (1) силы трения в зоне отставания Т1 и в зоне опережения Т4 равны:

heyn01.wmf heyn02.wmf (3)

где τк1, τк4 – контактные касательные напряжения от действия сил контактного трения, рассчитываемые выражениями (1), (2) соответственно; Z – единичная ширина очага деформации (Z = 1); ρ – текущий радиус.

Аналитически расчет уравнений (3) с некоторой погрешностью может быть осуществлен через средние подынтегральные значения τк1, τк4, зная размеры контактных зон.

Рассмотрим процесс раскатки с двумя оправками разного диаметра, одна из которых (верхняя) – ведущая, а вторая (нижняя) – ведомая (рис. 3).

pic_69.wmf

Рис. 3. К определению крутящих моментов при одной ведущей оправке

Относительно оси вращения верхней ведущей оправки равенство моментов будет иметь вид (1), где Т23Rp – момент активной силы, необходимый для формообразования заготовки и вращения ведомой оправки, т.е.

Т23Rp = Адеф/φ + F23RР.

На ведомую (нижнюю) оправку со стороны заготовки действует активная сила F23 и силы пассивного трения F1 и F4, моменты которых уравновешиваются, т.е.

F23RQ = (F1 + F4) RQ (4)

или

F23 = (F1 + F4). (5)

pic_70.wmf

Рис. 4. Схема приспособления для определения крутящего момента

Таким образом, уравнение моментов для одной ведущей оправки (рис. 3) будет иметь вид

М = Адеф/φ + F23RР + (Т1 + Т4) Rp (6)

или

М = Адеф/φ + (Т1 + Т4 + F1 + F4) Rp. (7)

Момент внешних сил (крутящий момент) определялся с использованием специального приспособления, установленного на установке для раскатки, схема которого приведена на рис. 4, а внешний вид представлен на рис. 5.

Величина момента (рис. 4) определялась по известной формуле М = Рм Н в момент перемещения заготовки под заданной нагрузкой. Влияние сил трения в передачах установки (шкив, редуктор и т.д.) компенсировалось специальной установочной гирей.

Результаты экспериментов применительно к ведущей давильной оправке Ø 24 мм и ведомой – Ø 60 мм приведены в табл. 1.

pic_71.tif

Рис. 5. Общий вид приспособления для определения крутящего момента

Таблица 1

Момент внешних сил при раскатке

№ п/п

Заготовка, материал, размеры

Усилие со стороны давильной оправки, кг

Вес гирь Рм, кг

Плечо Н, м

Толщина в зоне контакта, мм

Момент, М, кгм

1

Полоса, АМг6М

20×1,95 мм

500

3,85

0,34

1,93

1,29

2

750

3,45

0,34

1,90

1,17

3

1000

6,0

0,34

1,80

2,04

4

Труба

Д16Т

Ø 30×10×1,5

500

3,2

0,34

1,45

1,09

5

1000

4,5

0,34

1,40

1,53

6

Полоса

Д16Т

20×0,95 мм

1000

4,4

0,34

0,93

1,50

7

1500

6,4

0,34

0,90

2,18

8

Труба

АМг6М

Ø 50×24×2,1

1000

4,8

0,34

2,05

1,63

9

1500

6,5

0,34

1,95

2,21

В табл. 2 приведено сопоставление результатов расчета и эксперимента по необходимому крутящему моменту М для деформирования плоских и трубных заготовок.

Таблица 2

Результаты расчета и эксперимента по необходимому крутящему моменту М

№ п/п

Заготовка, материал, размеры

Погонное усилие, Р/L, кг/мм

Длина очага, а = b, мм (экспер)

Длина очага, а = b, мм (расчет)

Толщина в зоне контакта, мм

Момент, М, кгм (экспер)

Момент, М, кгм (расчет)

1

Полоса, АМг6М

20×1,95 мм

25,0

1,0

0,6

1,93

1,29

1,15

2

37,5

1,5

0,9

1,90

1,17

2,0

3

50,0

2,0

1,6

1,80

2,04

3,4

4

Труба Д16Т

Ø 30×10×1,5

50,0

1,0

0,9

1,45

1,09

1,9

5

100,0

1,8

1,3

1,40

1,53

2,7

6

Полоса Д16Т

20×0,95 мм

50

1,0

0,6

0,93

1,50

2,4

7

75

1,5

0,9

0,90

2,18

3,7

8

Труба АМг6М

Ø 50×24×2,1

41,7

1,2

0,94

2,05

1,63

2,2

9

62,5

1,5

1,33

1,95

2,21

3,1

Вывод

Из таблицы видно, что расчетные значения крутящего момента отражают физические закономерности процесса, однако превышают экспериментальные значения примерно в 1,5–2,0 раза. Это связано с приближенной зависимостью, которую (по результатам экспериментов) можно уточнить, введя в нее корректирующий коэффициент К = 0,6–0,7. С другой стороны, повышенные расчетные значения крутящего момента удовлетворяют практическим требованиям, т.к. не требуется введение так называемого коэффициента запаса по моменту (мощности) при проектировании установок для раскатки труб.

Рецензенты:

Гагарина Л.Г., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета МИЭТ, г. Москва;

Лисов О.И., д.т.н., профессор кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета МИЭТ, г. Москва.

Работа поступила в редакцию 26.08.2014.


Библиографическая ссылка

Хейн Вин Зо ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОМЕНТА ВНЕШНИХ СИЛ ПРИ РАСКАТКЕ ТРУБ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-9. – С. 1959-1963;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35169 (дата обращения: 10.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074