Определение размеров концевого участка заготовки при охватывающем деформировании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение размеров концевого участка заготовки при охватывающем деформировании

Н.С. Улитина, С.А. Зайдес

Представлен расчет упруго-нагруженного участка заготовки при охватывающем пластическом деформировании. В зависимости от степени относительного обжатия определены размеры геометрических элементов концевого участка заготовки.

Ключевые слова: охватывающее деформирование; прочность; заготовка.

Authors of the article present the computation of elastoloaded area of a blank in conditions of encompassing plastic deformation. Sizes of geometrical elements of the blank ending area are established in dependence of percent reduction.

Key words: encompassing deformation, durability, blank.

Одна из причин редкого использования в машиностроении охватывающих технологических процессов деформирования для изготовления заготовок и деталей машин связана с проблемой передачи тяговых усилий. Существующая на металлургических предприятиях технология производства холодного проката предусматривает безвозвратное повреждение конца прутка при воздействии усилия калибровки. При длине холоднотянутых профилей 6-8 м потери металла за счет удаления поврежденных концов составляют от 3 до 5 %. Калибровать относительно короткие заготовки путем захвата изделий рифлеными губками в условиях машиностроительных заводов экономически и технологически невыгодно.

Для закрепления заготовки в процессе калибровки и волочения разработано несколько вариантов конструктивного оформления тяговых устройств, при использовании которых необходимо подготовить определенную форму упруго-нагруженного участка [1]. В данной работе рассматриваются два варианта подготовки концов заготовки. На рис. 1,е показана схема передачи тягового усилия через прямоугольную осесимметричную канавку, а на рис. 2, е - передача усилия через три штифта, расположенных через 120° по окружности на конце заготовки.

Предлагаемые формы изготовления упругонагруженных участков заготовки, необходимых для протягивания изделий, значительно сокращают отходы металла, а в некоторых случаях полностью устраняют их. Наличие на поверхности заготовки геометрических полостей в виде канавок или отверстий в некоторых случаях могут оказаться даже полезными. Например, технологические углубления указанных видов можно использовать для размещения смазки, стопорных колец и т. д. Наши предложения будут весьма уместны, если предлагаемые геометрические изменения концов заготовок окажут влияние на изменение их прочности. В противном случае, невозможно будет осуществить технологический процесс калибровки, основанный на деформации растяжения участка приложения нагрузки.

Для обеспечения стабильности технологического процесса деформирования необходимо чтобы напряжение в упругодеформированной части прутка не превышало предела пропорциональности обрабатываемого материала:

(1)

Рис. 1. Влияние степени относительного обжатия (Q) на размеры осессиметричной канавки (а, б, с); расчетная схема нагруженного конца заготовки (е)

Рис. 2. Влияние степени относительного обжатия (Q) на размеры и расположение радиальных штифтов (а, б, с); расчетная схема нагруженного конца заготовки (е)

Элементы нагруженного конца заготовки испытывают разные виды деформаций: срез, растяжение, смятие, изгиб. Учитывая условие (1), размеры элементов n, t, k, m, h, d (рис. 1, 2) можно определить из условия прочности при сохранении идеальной упругости материала[2].

Так, глубина осесимметричной канавки t определяется из условия прочности на растяжение (см. рис. 1,е; участки 4-5) и из условия прочности на смятие t' (см. рис. 1,е; участки 2-4).

(2)

(3)

где F_k - усилие калибровки, D - диаметр упругонагруженной концевой части заготовки: D=D_B - (0,05-0,01) (здесь D_B - диаметр цилиндрической части волоки), К₁ - коэффициент запаса прочности, К₂ - коэффициент концентрации напряжений, К₃ - коэффициент, учитывающий деформацию смятия, - предел текучести материала заготовки.

Ширина канавки n определяется из условия прочности на срез буртика (выступа) оправки (см. рис. 1, е; участок 1-2)

(4)

где K₄ - коэффициент, учитывающий деформацию среза, у_Т - предел текучести материала оправки.

Ширина буртика заготовки К - из условия прочности на срез материала заготовки (см. рис. 1, е; участки 4-6)

(5)

Диаметр штифта и отверстия d определяется из условия прочности на срез, а глубина отверстия h - из условия прочности на смятие:

; (6)

, (7)

где у'_T - предел текучести материала штифта.

Если отверстие диаметром d расположить близко к концу заготовки, то возможен срез части ее материала. Минимальный размер m определяется:

(8)

После выбора размеров d и h проверяется прочность поперечного сечения заготовки на растяжение

(9)

Расчетное усилие калибровки определено по формуле Г. Закса, правомерность которой обсуждена в [3]:

(10)

где A_k - площадь поперечного сечения заготовки после калибровки; у_sk - среднее значение сопротивления деформации материала; б - полуугол конуса рабочей зоны матрицы; f - среднее значение коэффициента трения в очаге формоизменения; D_h , D_k - диаметр заготовки до и после калибровки.

Максимальное значение напряжения на участке приложения нагрузки (у_max) в значительной мере зависит от максимальной величины относительного обжатия (Q_max), допускаемого за один проход.

Предельно допустимая величина относительного обжатия определяется с учетом условий (1 и 10):

Расчет элементов k, t, m, n, d, h конца заготовки выполнен при следующих исходных данных:

§ материал оправки и штифта - сталь 75 (у_T= 900 МПа);

§ обрабатываемый материал заготовки - автоматная сталь АС14 ( = 280 МПа);

§ коэффициент трения в очаге деформации твердосплавной волоки - f=0,02;

§ угол рабочего конуса матрицы - 2б = 19є;

§ среднее значение сопротивления деформации стали АС14 в зависимости от степени обжатия определено в [3].

Осесимметричная канавка или радиальное отверстие на рабочем конце заготовки ограничивает величину максимального обжатия при калибровке. Надежность технологического процесса обеспечивается, если максимальное обжатие не будет превышать 13-14 %.

При увеличении степени обжатия резко возрастает глубина канавки t за счет напряжений смятия, но при этом ослабляется поперечное сечение заготовки и не обеспечивается условие прочности на растяжение. Предельные значения t в зависимости от степени обжатия представлены в таблице.

Ширина канавки n зависит от прочности буртика оправки, которая изготавливается обычно из высокопрочной закаленной стали. В диапазоне диаметров заготовок от 20 до 40 мм при обжатии 14 % максимальный размер n находится в интервале от 2 до 4 мм (см. рис. 1). При малых обжатиях (до 5 %) участок n изменяется от 0,5 до 1,5 мм. Использовать буртик оправки таких размеров конструктивно и технологически нецелесообразно. Рекомендуем принять размер n, равным 3...4 мм. С увеличением степени обжатия увеличивается длина буртика k (см. рис. 1 и таблицу), следовательно, канавка смещается от конца заготовки, что не всегда желательно.

Приблизить канавку к концу прутка можно за счет изготовления дополнительной канавки, которая увеличивает площадь смятия. Если необходимо уменьшить размер m, то следует увеличить количество штифтов. Размеры элементов d, h, m представлены в таблице и на рис. 2.

Предельные значения элементов t, k, n, d, h, m в зависимости от степени относительного обжатия заготовок диаметром 20-40 мм*

* Меньшие величины элементов t, k, n, d, h, m относятся к меньшим диаметрам заготовки, а большие - к большим.

Таблица позволяет ориентировочно оценить размеры элементов конца заготовки при охватывающем деформировании. По кривым на рис. 1 и 2 можно определить размеры элементов t, m, n, k, h, d для диаметров заготовки от 20 до 40 мм. Большую точность размеров можно получить, используя формулы (1-10). пластическое деформирование заготовка обжатие

Таким образом, в результате аналитического расчета установлены размеры элементов концевого участка, обеспечивающие передачу силового нагружения при напряжениях, исключающих упругопластическое искажение формы заготовки.

Библиографический список

1. Зайдес С.А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2001. 309 с.

2. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. 560 с.

3. Зайдес С.А. Расчет тяговых усилий при калибровке стальных прутков // Механика деформируемых сред в технологических процессах: сб. науч. тр. ИрГТУ, 1997. С. 131-137.

Размещено на Allbest.ru