Моделирование волочения круглых профилей через вращаемую волоку

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.

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 V_A в точке A , (рис. 1). Её составляющие:

V_QA = ^R_A = 2nnR_A, V_B a = V_b^.

^A

Здесь ω – угловая скорость вращения волоки; R_A – расстояние от точки А до оси волочения; n – число оборотов волоки в минуту; V _В – скорость волочения; V _{θ A} – компонента полной скорости в тангенциальном направлении; V _{В A} – компонент полной скорости в направлении оси волочения; F_k – площадь поперечного сечения изделия на выходе из канала волоки; F_A – площадь поперечного сечения, проходящая через точку А в очаге деформации.

Положение полного вектора скорости V_A определяется углом β на рис. 1.

P = arctg -^^A .

VBA

В направлении, противоположном направлении VA действуют касательные напряжения трения τA, проекции которого на ось волочения и плоскость сечения А-А равны TaCosP и Та5шР соответственно. Значение τA определяется по закону Кулона – Амонтона ta = fPAsina, где f — коэффициент трения; PA -нормальное давление в рабочем канале волоки; α – 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 МТР, который передается заготовке в очаге деформации.

Таким образом, протягиваемый профиль после выхода из волоки нагружается, помимо усилия волочения Р _В, 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 ω = 1 рад/сек. Коэффициент вытяжки λ=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 1мм/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 β = 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 Vθ в продольном направлении (плоскость YZ) 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 τRZ и σК 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 τRZ и σК. 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.

Load Prediction

75000 70000 65000 60000 55000 50000

О 45000 О 40000 45 35000 o 30000 1-1 25000 N 20000

10000 5000 0

-5000

-10000

Time (sec)

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

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

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

Рис. 6. Распределение касательных напряжений R 9 , 9 Z, 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 тR9 , т9Z, тRZ. При волочении в неподвижную волоку компоненты тензора напряжений тR9, т9Z , тRZ на протянутом участке равны нулю. При волочении в вращаемую волоку максимальные значения этих напряжений расположены в периферийных слоях под поверхностью готового профиля. Касательные напряжения т9Z и тRZ 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 тR9 значительно меньше чем т9 z и т rZ .

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

°1 = "^ J2^j? + 6(ТД9 + T9Z + TZR) , 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 τ _RZ 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.