Определение остаточных напряжений в стенке трубы после безоправочного волочения в программном комплексе "DEFORM"

Экспериментальный анализ распределения остаточных напряжений является долгой, трудоемкой и дорогостоящей процедурой, а результаты далеко не всегда однозначны. На практике производства металлоизделий более эффективным и сравнительно дешевым методом анализа является теоретический анализ, проводимый с целью прогнозирования наиболее вероятной схемы распределения остаточных напряжений в объеме изделия.

Современные пакеты прикладных программ МК-моделирования при упругопластической постановке задач дают возможность наблюдать возникновение остаточных напряжений при деформационной и тепловой обработке, а также изменение напряженного состояния в объеме металлоизделий при силовой и тепловой нагрузке. В программном комплексе DEFORM при упругой постановке задачи оценка упругой разгрузки может быть произведена в каждом элементе сетки (см. рис. 3.71), что дает возможность оценить распределение остаточных напряжений по всему объему тела.

Ниже приведен пример решения в программном комплексе DEFORM задачи волочения трубы и прутка с полной силовой и тепловой разгрузкой после волочения. На рис. 3.72 приведена трехмерная модель процесса.

Кривая нагружения упругопластического материала

Рис. 3.71. Кривая нагружения упругопластического материала

Трехмерная модель процесса безоправочного волочения

Рис. 3.72. Трехмерная модель процесса безоправочного волочения

Заготовкой являлась труба предготового размера из стали 12Х18Н10Т, которая протягивалась без оправки через волоку, после чего проводилось снятие нагрузки (удаление инструмента в DEFORM) и ее естественное охлаждение. После полной разгрузки (10—15 минут) происходит небольшая упругая деформация трубы (разгрузка), перераспределение температуры по сечению стенки трубы и остаточных напряжений. После остановки расчета исследовалось распределение остаточных напряжений (о°х„ o°vv. и o'L) в стенке трубы в зависимости от технологических параметров процесса: угла конусности рабочей зоны волоки, коэффициента трения, величины обжатия и скорости волочения.

При этом за стационарную фазу волочения принималась деформация участка, отстоящего от исходного сечения выхода из волоки на расстоянии не менее 5 диаметров трубы (прутка).

Материал трубы — упругопластический, материал инструмента — абсолютно жесткий. Сетка конечных элементов подбиралась так, чтобы было удобно фиксировать распределение напряжений — не менее 10 элементов по тол щи не стенки. Кривые упрочнения стали 12Х18Н10Т были взяты из имеющейся библиотеки материалов пакета DEFORM. Угол наклона образующей конической рабочей части волоки варьировался от 50 до 20 °. Контактное трение описывалось законом Кулона, а коэффициент трения принимался постоянным на всей контактной поверхности в течение всего процесса волочения и варьировался в пределах от 0,08 до 0,12. Скорость волочения также варьировалась в пределах от 0,2 до 1,0 м/с. Кроме того, рассматривалось влияние обжатия (конечная толщина стенки трубы варьировалась от 2 до 3 мм).

Ниже проиллюстрирован характер распределения остаточных напряжений в стенке труб после безоправочного волочения в зависимости от технологических параметров процесса.

Распределение радиальных (а), осевых (б) и тангенциальных (в) остаточных напряжений после безоправочного волочения трубы 16x4 мм с обжатием по диаметру е = 0,2 и после 10-минутной тепловой разгрузки на воздухе (20 °С) приведены на рис. 3.73. Волочение осуществлялось со скоростью 1 м/с при коэффициенте трения ц =0,08. При расчете угол наклона образующей конической рабочей части волоки варьировался: а =5; 10; 15; 20 °. На графиках S — радиальная координата по толщине стенки трубы. При этом 5=0 соответствует внутренней поверхности трубы.

Остаточные напряжения в холоднотянутых трубах 16x4 мм из стали 12Х18Н10Т после безоправочного волочения с обжатием по диаметру 20% показаны на рис. 3.74. Коэффициент трения изменялся от 0,08 до 0,12 и практически не повлиял на величину и распределение всех остаточных напряжений.

Влияние конечной толщины стенки трубы на величину и распределение остаточных напряжений в стенке трубы диаметром 16 мм при обжатии по диаметру 20 % показано на рис. 3.75.

Изменение скорости волочения в диапазоне от 0,2 до 1,0 м/с практически не повлияло на величину и распределение остаточных напряжений в стенке трубы 16x4 мм из стали 12X18Н1 ОТ после безоправочного волочения с обжатием е = 0,2 (см. рис. 3.76).

Поскольку наибольшее количество опытных данных по остаточным напряжениям касается холодного волочения прутков и прово локи, то в качестве тестовой задачи удобно рассмотреть случай волочения прутка. Волочение со скоростью 1 м/с выполнено через волоку с углом конусности рабочей части а = 6° при коэффициенте трения р = 0,08. Материал прутка — сталь 12Х18Н10Т. При расчете варьировалось обжатие ? = 21Пі/0/г/А , где — da и dk — соответственно диаметры прутка до и после волочения. Начальный диаметр во всех случаях остается неизменным dn = 10 мм. Результаты расчета в виде графиков распределения остаточных напряжений по радиусу сечения прутка после 15-минутной тепловой разгрузки представлены на рис. 3.77.

а», МПа

а

Рис. 3.73. Характер распределения остаточных напряжений в холоднотянутых трубах размером 16x4 мм после безоправочного волочения в зависимости от угла конусности рабочей зоны волоки а: а — радиальных; б — тангенциальных; в — продольных

S, мм

а,„ МПа

Характер распределения остаточных напряжений в холоднотянутых трубах размером 16x4 мм после безоправочного волочения в зависимости от коэффициента трения ц

Рис. 3.74. Характер распределения остаточных напряжений в холоднотянутых трубах размером 16x4 мм после безоправочного волочения в зависимости от коэффициента трения ц: а — радиальных;

б — тангенциальных; в — продольных

Характер распределения остаточных напряжений в холоднотянутых трубах размером 16x4 мм после безоправочного волочения в зависимости от конечной толщины стенки трубы 5

Рис. 3.75. Характер распределения остаточных напряжений в холоднотянутых трубах размером 16x4 мм после безоправочного волочения в зависимости от конечной толщины стенки трубы 5: а — радиальных; б — тангенциальных; в — продольных

Характер распределения остаточных напряжений в холоднотянутых трубах размером 16x4 мм после безоправочного волочения в зависимости от скорости волочения V

Рис. 3.76. Характер распределения остаточных напряжений в холоднотянутых трубах размером 16x4 мм после безоправочного волочения в зависимости от скорости волочения V: а — радиальных;

б — тангенциальных; в — продольных

Характер распределения остаточных напряжений в прутках диаметром 10 мм в зависимости от величины обжатия с

Рис. 3.77. Характер распределения остаточных напряжений в прутках диаметром 10 мм в зависимости от величины обжатия с: а — радиальных;

б — тангенциальных; в — продольных

Сопоставляя полученные расчетные данные с опытными, известными из литературы, можно отметить качественно подобные картины распределения по сечению холоднотянутых прутков. В заключение можно отметить удовлетворительное качество расчетов остаточных напряжений при упругопластическом решении задач волочения в конечно-элементной постановке.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >