УДК 621.771
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ концевого УЧАСТКА ЗАГОТОВКИ ПРИ ОХВАТЫВАЮЩЕМ ДЕФОРМИРОВАНИИ
[1], [2]
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, 3.
Представлен расчет упруго-нагруженного участка заготовки при охватывающем пластическом деформировании. В зависимости от степени относительного обжатия определены размеры геометрических элементов концевого участка заготовки.
Ил. 2. Табл.1. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: охватывающее деформирование; прочность; заготовка.
THE DIMENSIONING OF ENDING AREA OF A BLANK IN CONDITIONS OF ENCOMPASSING DEFORMATION.
N. Utilina, S. Zaides
National Research Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
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.
2 figures. 1 table. 3 sources.
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 Fk – усилие калибровки, D – диаметр упругонагруженной концевой части заготовки: D=DB – (0,05-0,01) (здесь DB - 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, σТ – 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 σ’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 Ak – площадь поперечного сечения заготовки после калибровки; σsk – среднее значение сопротивления деформации материала; α – полуугол конуса рабочей зоны матрицы; f – среднее значение коэффициента трения в очаге формоизменения; Dh, Dk – диаметр заготовки до и после калибровки.
Максимальное значение напряжения на участке приложения нагрузки (σmax) в значительной мере зависит от максимальной величины относительного обжатия (Qmax), 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 (σT= 900 МПа);
§ обрабатываемый материал заготовки – автоматная сталь АС14 ( = 280 МПа);
§ коэффициент трения в очаге деформации твердосплавной волоки – f=0,02;
§ угол рабочего конуса матрицы – 2α = 19º;
§ 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*
Степень относительного обжатия Q, % | Глубина канавки t, мм | Длина буртика к, мм | Ширина канавки п, мм | Диаметр отверстия d, мм | Глубина отверстия h, мм | Размер т, мм |
до 5 | 0,5...0,9 | 2..5 | 3...4 | 4...8 | 2...4 | 5...11 |
5-10 | 1,0...1,8 | 5.10 | 3...4 | 6...12 | 3...6 | 8...16 |
10-14 | 1,2...2,5 | 7...14 | 3...4 | 7,5...14,5 | 3,5...7,5 | 10...17 |
* 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).
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 поверхностное пластическое деформирование. Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2001. 309 с.
2. , Мавлютов материалов. М.: Наука, 1986. 560 с.
3. Зайдес тяговых усилий при калибровке стальных прутков // Механика деформируемых сред в технологических процессах: сб. науч. тр. ИрГТУ, 1997. С. 131-137.
[1] , студентка группы СП-06-1.
Utilina Nadezshda, the fifth year student of the National Research Irkutsk State Technical University.
[2] , д–р техн. наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, , е-mail: *****@***edu
Zaides Semen, a doctor of technical sciences, an associate professor of the Mechanical Engineering Technologies and Materials Department of the National Research Irkutsk State Technical University. E-mail: *****@***edu. Tel.: (8-3952)–40-51-47.
