Определение напряжения текучести стали 20 после холодного обжима толстостенных труб конической матрицей Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.983.7

В. А. КОНОВАЛОВ Д. В. ОБУХОВСКИЙ А. М. ПРОСКУРИН

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТЕКУЧЕСТИ СТАЛИ 20 ПОСЛЕ ХОЛОДНОГО ОБЖИМА ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ КОНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ_

Экспериментально определенны напряжения текучести стали 20 в различных зонах обжатых толстостенных трубных образцов. Обжим выполнен коническими матрицами с углами (на сторону) в 10°, 15°, 22°30' и коэффициентами обжима 1,25, 1,40, 1,55, 1,70. Деформирование осуществлялось в холодном состоянии. Значения напряжений получены расчетом через величины твердости, замеренные в единицах HRB. Данные могут использоваться для учета упрочнения при проектировании технологических процессов штамповки обжимом.

Ключевые слова: обжим, толстостенная труба, коническая матрица, напряжение текучести, коэффициент обжима.

Эксперименты по определению напряженного состояния в пластической области имеют существенное значение. Получаемые данные о напряжениях способствуют тому, чтобы рационально построить техпроцесс, выявить и устранить причины образования источников разрушения в деформируемых изделиях, найти остаточные напряжения. В процессе механических испытаний металла достигается возможность более надежно оценить характеристики сопротивления его пластическому деформированию. Знание напряжений после холодной пластической деформации, как результата упрочнения, позволяет проектировать конструкции минимальной массы. Имеет место быть и такой немаловажный стимул привлечения экспериментального метода для выявления напряжений, как невозможность для большинства сложных схем пластической деформации определить их аналитически, то есть с привлечением аппарата теории пластичности.

Приведенная выше аргументация обосновывает проведение соответствующих исследований и для случая холодного обжима в конической матрице толстостенных трубных заготовок.

Следует иметь в виду, что имеющиеся данные об изменении механических показателей холодноде-формированной стали 20, представленные кривыми упрочнения [1], могут быть применены и для обжима. Однако ряд обстоятельств требует уточнения показателей напряженного состояния в случае обжима толстостенных труб. Эти обстоятельства таковы.

Деформированный обжимом образец имеет три участка с различной интенсивностью деформации (рис. 1), а, следовательно, и различной величиной остаточных напряжений. Наибольшая деформация сосредоточена в зоне 3, где в связи с установившейся стадией процесса степень деформации на всем протяжении этого участка одинакова. А значит, и показатель напряженного состояния имеет неизменную

Рис. 1. Образец после обжима

величину, без особых сложностей устанавливаемую по кривым упрочнения. Иное положение для зон 2 и 1. Так, зона 2 отвечает неустановившемуся характеру пластического течения, когда по мере проталкивания в конус заготовки идет накапливание деформации. Вследствие этого материал данного участка деформируемого тела упрочняется в различной степени. А это затрудняет выявление здесь напряжения текучести от по кривым упрочнения из-за сложностей оценки степени деформации. Зона 1 при определенных соотношениях размеров матрицы (угол конуса а, коэффициент обжима Кобж) и заготовки (относительная толщина стенки S0/D) также пластически деформируется, что показано в работе [2]. И хотя здесь интенсивность деформации не столь велика, как в зонах 2 и 3, тем не менее она вызывает повышение уровня остаточных напряжений. Анали-

Рис. 2. Схема (а) и темплеты (б) после замеров твердости

I

й) £

—I

1

600 550

500 450 400 350

600 550

500 450 400 350

700 650 600 550 500 450

Яи/р--0,18 —^^^

$„Ф=0,15

а =22°30'

$>/0=0,21 /

2-.....

а =15"

.%/и 0,21 __ _ —1 1 —" I—-—"*!

- .%/о=о /

а =10'

1,25 1.40

1,55 1,70

К

0бж.

Рис. 3. Графики зависимости напряжения текучести от коэффициента обжима для зоны 1

тическая оценка степени деформации в зоне 1 затруднена, что, как и для зоны 2, исключает использование кривых упрочнения.

Немаловажно также то, что характерным показателем деформированного состояния при обжиме принят коэффициент обжима (Кобж=В/й), а на кривых упрочнения деформация представлена ее степенью е. При пользовании этими кривыми для обжима возникает необходимость устанавливать связь Коб и е. Несомненно для практических целей более удобно представление зависимости от от Коб

700 650 600 550 500 450

700

§ 650

о и 600

э-

& 550

Й

500

1 600

з 550

а, Г4» 500

£ 450

400

350

__

Л 5

а = 22"30'

1 ^с Щ/0=0.21

¡И—у

5в/О=0Л урнш

&/Р-0.21 уР=0,18

V

--------- ур=0./2

а =10° -■ 5„/Р =0.1

1.25 ¡,40

1.55 1.70

К

обж

Рис. 4. Графики зависимости напряжения текучести от коэффициента обжима для зоны 2

Руководствуясь указанными доводами, поставили задачу получить данные об изменении от стали 20 в зависимости от Кобж, Sí/D и а в каждой зоне обжатых в холодную толстостенных трубных заготовок. С учетом исходных размеров образцов ф = 38 мм, 50 от 3,8 до 8,0 мм) для нахождения от как наиболее подходящий использовали метод определения напряжений по величине твердости металла [3]. Замеры твердости выполнены на приборе ТК 2 в единицах ИЯБ.

Соответственно, напряжение текучести считали по формуле

о

оэ

б

а

00

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

Таблица 1

Результаты измерений твёрдости

........................№ заг. № точки НИВ

24 45 34 25 11 13 14 21 31 33 35 41 42 43 44

1 87 66,5 93,5 65 66,5 79 81,5 65,5 73 77 69 73,5 81,5 86 89

2 89 67,5 94 67,5 67 80,5 88,5 72 73 75 70 74 82 86 87

3 90 68,5 94 72 68 81 85 73 74 76 69,5 75,5 81 86 89

4 89 70 85 71 73,5 80,5 86,5 77,5 78 76 69 79 81,5 86 90

5 89 72 85 69,5 77 85,5 97,2 80,5 79 81,5 72,5 79,5 83,5 89 91

6 94 84 90 80 83 88 92 85,5 87 89 81 84 92 92 90,5

7 93 86 88 85,5 88 90 89,5 87 88,5 88,5 85 88 90 90 92,5

8 93,5 88 90,5 88,5 89 90,5 89,5 89 91 92 89 92 90,5 91 92,5

9 95 90 93 89,5 87 94,5 94,5 90,5 91 92 92 91 93 91 96

10 96 91 93 91,5 90 96 93,5 91 92,5 94 89,5 92 91,5 91 95,5

И 97 91,5 93 91 89 94,5 92,5 91,5 91 97,5 91 90,5 92,5 97 95,5

12 94 92,5 94,5 89,5 88,5 91,5 93,5 89 90,5 93 91 92,5 94 96 95,5

Продолжение табл. 1

заг. № точки няв

51 52 53 54 55 112 115 118 212 215 218 312 315 318 412

1 77 83 86 90 74 79,5 85 88 89 87,5 89 89 92 89 65

2 75 85,5 87 91,5 74,5 79,5 84,5 89 89 88 89 90,5 91 89,5 66

3 75 83,5 86 90 74,5 81 83 88 89,5 87 89,5 89 91 89 65

4 76 87,5 87,5 89 75 80 83 88,5 88,5 87,5 90,5 89 93 89 71

5 79 89 90 91 76 87 83 90 90 90 90 91,5 92 89 76

6 86,5 91 90 91,5 84 88,5 89 90,5 90,5 91,5 92 91,5 93 90,5 83,5

7 89 90 91 92 86 89 90 90,5 90,5 92 94 91 92 91,5 85,5

8 90 91,5 91,5 93 90 88,5 89 91 91 92 94 92 93 93 88

9 90,5 92 93,5 95 89 87 85 91 91 91,5 94,5 92 93,5 92 90

10 91 91 97,5 95 89 88 89 89 89 91 92 91 92,5 93 89

И 90 91 94 95,5 90 89 91 90 90 92,5 92,5 90,5 93,5 93 88,5

12 91,5 94 94 95,5 91,5 91 90 91 92 92,5 94 93 92,5 94 88,5

650

600

SSO 500

700 650

I 600

I

f 500

SJD 4U 8 ----

S„/D=0.12

Sg/^0.1

а = 22° 30'

Sl,/D=ü.]2 ____^

5=1 Г

S(l/D'0.21 Sn/D-0.18

Q || а

щ

Oh

700 650 600 550 500

S,J_D-0.21 S0/D=0-18 S,/D=0.12 _

i-:—; 1 / --V-

1 /__

Ц,/0=0./ а = 10"

1.25 1,40

1.55 1.70

Рис. 5. Графики зависимости напряжения текучести от коэффициента обжима для зоны 3

от = 2300/(130 — ИЯБ). (1)

Схема замеров твердости (рис. 2 а) отвечала установленным требованиям по обеспечению минимальных расстояний между точками внедрения индентора, а темплеты (рис. 2 б) имели толщину 5 мм, что существенно превышает обусловленное соотношение с глубиной лунок.

Готовили темплеты в следующем порядке. Из каждого деформированного образца их вырезали на фрезерном станке с припуском по толщине на шлифование. При этом обозначенная для измерений плоскость темплета соответствовала осевому сечению образца. Темплеты шлифовались на станке с обеспечением отклонения от параллельности опорной и измерительной поверхностей в пределах ±0,02 мм и шероховатости поверхности не выше Яа 0,63. Для устранения возможного наклепа от машинного шлифования с поверхности измерения удалялся шлифованием на наждачной бумаге слой в 0,1 мм.

Из каждого образца изготавливали по три темплета, что, согласно [3], определено как достаточное количество для обеспечения измерений с погрешностью в пределах допустимой.

Результаты замеров ИЯБ, отраженные в табл. 1, представляют средние значения по трем измерениям в каждой из 12 точек.

Найденные пересчетом по формуле ( 1 ) значения напряжения текучести для удобства пользователей представлены в виде графиков зависимости от от

Ко6. (рис. 3-5).

Анализ графиков выявил следующее:

— с увеличением Кобж, S0/D и а возрастают значения от Существеннее всего сказывается влияние Кобж, в меньшей степени S/D и а;

— максимальное приращение от от упрочнения в зоне 3 составляет до 200 % от его значения до деформации [4], что согласуется с данными из [1] для е>40 %.

Полученные в исследовании результаты предлагаются для использования при разработке технологических процессов штамповочного производства, в которых в качестве основной формоизменяющей операцией закладывается обжим толстостенной трубной заготовки с 0,10^0^<0,21 в конических матрицах с углами воронки (на сторону ) 10°, 15°, 22°30' и К<бж от 1,25 до 1,70.

Библиографический список

1. Третьяков, А. В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / А. В. Третьяков, В. И. Зю-зин. — М. : Металлургия, 1973. — 224 с.

2. Коновалов, В. А. Формоизменение и силовой режим при обжиме толстостенных трубных заготовок : моногр. / В. А. Коновалов. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 112 с.

3. Дель, Г. Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости / Г. Д. Дель. — М. : Машиностроение, 1971. — 200 с.

4. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин [и др.] : под общ. ред. В. Г. Сорокина. — М. : Машиностроение, 1989. — 640 с.

КОНОВАЛОВ Валерий Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение». ОБУХОВСКИЙ Дмитрий Владимирович, магистрант, группа ОДМ-611.

ПРОСКУРИН Антон Михайлович, магистрант, группа одм-611.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 11.03.2013 г. © В. А. Коновалов, Д. В. Обуховский, А. М. Проскурин

Книжная полка

Моделирование привода погружного насоса интеллектуальной скважины : моногр. / А. В. Федотов [и др.] ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 182 c. - ISBN 978-5-8149-1312-8.

Объектом исследования является привод на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и с частотным регулированием скорости вращения электродвигателя, используемый для погружного насоса нефтяной интеллектуальной скважины. Для выяснения особенностей режима работы электродвигателя погружного насоса совместно с частотно-регулируемым приводом (ЧРП) и влияния формы питающего напряжения на потери в двигателе и его нагрев проведены аналитические исследования в математической системе МАТЬАБ с применением пакета БшиЦпк.

о

оэ