Научная статья на тему 'Изотермическое выдавливание ребер жесткости на плитах в режиме кратковременной ползучести'

Изотермическое выдавливание ребер жесткости на плитах в режиме кратковременной ползучести Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
166
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЫДАВЛИВАНИЕ / РЕБРО ЖЕСТКОСТИ / ВЯЗКОСТЬ / ДАВЛЕНИЕ / ТЕМПЕРАТУРА / КРАТКОВРЕМЕННАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ / ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ / EXTRUSION / RIB / VISCOSITY / PRESSURE / TEMPERATURE / SHORT-TERM CREEP / DEFECTIVENESS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Перепелкин Алексей Алексеевич, Пасынков Андрей Александрович, Яковлев Борис Сергеевич

Приведена математическая модель операции изотермического выдавливания ребер жесткости на плитах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы и повреждаемость материала при горячем выдавливании ребер жесткости на плитах из алюминиевых и титановых сплавов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Перепелкин Алексей Алексеевич, Пасынков Андрей Александрович, Яковлев Борис Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INSULATED EXTRUSION RIBS AT THE PLA TE TO BRIEFLY CREEP

A mathematical model of isothermal extrusion operations stiffeners on plates of high-strength materials in a shortmode creep. The influence of process parameters on power modes and material damage during hot extrusion of stiffeners on plates of aluminum and titanium alloys.

Текст научной работы на тему «Изотермическое выдавливание ребер жесткости на плитах в режиме кратковременной ползучести»

УДК 621.983; 539.374

ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ РЕБЕР ЖЕСТКОСТИ НА ПЛИТАХ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ

А.А. Перепелкин, А.А. Пасынков, Б.С. Яковлев

Приведена математическая модель операции изотермического выдавливания ребер жесткости на плитах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы и повреждаемость материала при горячем выдавливании ребер жесткости на плитах из алюминиевых и титановых сплавов.

Ключевые слова: выдавливание, ребро жесткости, вязкость, давление, температура, кратковременная ползучесть, повреждаемость.

В авиационно-космических летательных аппаратах применяют оребренные конструкции: крылья, корпуса отсеков, перегородки и др. Оребрения повышают жесткость изделий, что во многом решает задачи их прочности. Технология производства таких узлов связана с механическим резанием, что приводит к большему расходу материалов и высокой трудоемкости производства. Более эффективную технологию можно организовать на базе обработки давлением путем горячего выдавливания оребрений на плитах. Высокопрочные титановые, алюминиевые и алюминиеволитиевые сплавы для этих панелей требуют при таком варианте технологии нагрева в оснастке, т.е. изотермического режима штамповки. В процессе деформирования существенна зависимость давления, степени формоизменения, качества изделий от скорости операции. Обрабатываемый материал проявляет вязкие свойства. При этом пластические деформации и связанное с ними упрочнение могут вообще отсутствовать, а деформирование осуществляется в условиях ползучести материала под нагрузкой.

Ниже приведена математическая модель операции изотермического выдавливания ребер жесткости на плитах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести, а также выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы и повреждаемость материала при горячем выдавливании ребер жесткости на плитах из алюминиевых и титановых сплавов. Условие текучести принимается в форме Мизеса. Схема деформаций считается плоской.

Схема операции выдавливания, кинематически возможное разрывное поле скоростей и его годограф приведены на рис. 1. Поле состоит из жестких блоков 1, 2, 3, 4. Оснастка обозначена как блок 0. Блоки разделены линиями разрыва скоростей и перемещаются со скоростями, указанными на рис. 1. Деформации имеют место только на линиях разрыва, в том числе на границах трения. Поле кинематически допустимо при условии

а бій а бш(Р + у)

Ь бій у Бт(Р-а)’

Ь

а, в, у, а, Ь, И - тригонометри-

где а = агєі^—, у = аг^

« « - (а + о)С£Р

ческие и геометрические параметры поля скоростей.

//// ©///У/с//

ъ

а

а

б

Рис. 1. Схема выдавливания, поле скоростей (а) и годограф (б)

Силовые, деформационные и кинематические параметры рассчитываются на основе верхнеграничной экстремальной теоремы пластичности на базе разрывных полей скоростей перемещений с привлечением кинетики повреждаемости деформируемого материала. Энергетическое неравенство для данного разрывного поля имеет вид [2]

Здесь д - внешнее давление; ае - эквивалентные напряжения на соответствующих линиях разрыва скоростей; ттр - касательное напряжение на контактных границах трения; Ур, Ук - соответственно скорости перемещения

деформирующего инструмента на линиях разрыва и на границах трения; а, 1р, 1к - соответственно размер инструмента, длины линий разрыва скоростей и границ трения.

Установим кинематические соотношения для данного поля скоростей. Разрывы касательных к линиям разрыва скоростей запишем, исходя из годографа, в виде

У У У0біп в , У а Уд вшв ;

Ур = У12 =——Т.----------г; У23 = Т^^-------------7;

^ біп(р - а) Ь Біпф + у)

где У0 - скорость перемещения штампа.

144

Эквивалентные деформации и скорости деформаций на линиях разрыва будем определять как

2 Vp 2 Vpt

(Ъ) V=-^ —; (%) p = (^) р*

Здесь

______p

е;Р ^ ^

lp lp

a b , a + b

l12 = _--, l23 = _— , l24 =_— -

sin a sin у sin e

длины линий разрыва скоростей; t - время деформирования; Vp - разрывы

касательных скоростей.

Технологические данные показывают, что горячее прессование панелей реализуется при медленном деформировании в условиях нелинейновязкого течения материала. В этой связи уравнение состояния деформируемого материала принимаем в виде функции [3]

, = 4° е' °ео У

(1 - «г ’

где ае и £,е - эквивалентные напряжения и скорости деформаций на линиях разрыва скоростей; « - повреждаемость деформируемого материала заготовки; A, n, m - константы материала.

На контактной границе трения эквивалентные деформации и скорости деформаций определим осредненно:

/„ ) = 2 in h0 . /е ) = (sе)к

(ее )к = ^/3 h ’ )к = t ’

где ho = h + Ah - начальная толщина заготовки; h - конечная ее толщина; Ah - ход штампа.

Касательные напряжения трения запишем в виде

ттр = ц(ае )к,

где ц - коэффициент трения.

Давление штамповки зависит от времени (длительности) операции и повреждаемости материала заготовки. Степень формоизменения при этом задана.

Произведем оценку критических режимов штамповки в зависимости от состояния повреждаемости деформируемого материала. В зависимости от материалов и температуры деформирования повреждаемость может быть определена в соответствии с энергетической или деформационной теориями прочности [3]. По первой из них используется уравнение

d« = аеееЛ,

Апр

где 0 < ю < 1 - повреждаемость в соответствии с временем 0 < ? < ?кр; ?кр -критическое время полной повреждаемости.

По деформационной теории прочности повреждаемость материала определяется зависимостью

8 *

Ю =

(ве) пр

Здесь (ве)пр и Апр - предельные величины эквивалентной деформации и

удельная работа разрушения материала при заданной температуре [3].

В точках пересечения линий разрыва (в точках А, В, С на рис. 1, а) повреждаемость накапливается наибольшим образом. Эти точки - места вероятного разрушения или образования утяжин. По условию прочности здесь должны быть

юА = ю12 + ю23 + ю30 < 1; юВ = ю23 + ю24 < 1;

ЮС =Ю12 +Ю24 < 1.

Из приведенных выше зависимостей следует, что в первом случае повреждаемость определяется степенью формообразования и временем, а во втором она от времени не зависит.

Расчеты выполнены для прессования оребренных панелей из алюминиевого сплава АМг6 при 450 °С и титанового сплава ВТ6С при 930 °С, механические характеристики которых приведены в таблице [3]. Размеры панели: а = 25 мм, Ь=10 мм, Н=30 мм; I^ = 1тр = 15 мм, АН = 5мм.

Механические характеристики исследуемых материалов

Материал т ,°с <Je0, МПа А, МПа сп т п А .пр ’ МПа Є е пр

Алюминиевый сплав АМг6 450 ± 2 26,8 2,6712 • 10-3 0,81 3,81 6,2 -

Титановый сплав ВТ6С 930 ± 2 38,0 7,8914 • 10-4 0,50 2,03 - 0,693

На рис. 2 представлены графические зависимости относительного давления д = д / а*0 от скорости перемещения инструмента V при фиксированных значениях коэффициента трения ц на контактных поверхностях инструмента и заготовки.

\ \ АМгб \ ВТ6С

0,001 0,005 о,ою V. мм/с.

Рис. 2. Зависимости изменения д от V (ц = 0,1)

ВТбС \

\ \ АМгб

0,1 0,2 0,3 М-

Рис. 3. Зависимости изменения

д от ц (V = 0,01мм/с)

Анализ графических зависимостей показывает, что при горячем выдавливании ребер на плитах относительное давление существенно падает при увеличении длительности операции, т.е. при уменьшении скорости штамповки. Так, с уменьшением скорости перемещения инструмента V от

0,015 до 0,001 мм/с относительное давление выдавливания падает в 2 раза для алюминиевого сплава АМг6 и в 3,8 раза для титанового сплава ВТ6С.

На величины давления при горячем выдавливании ребер оказывают влияние условия трения на контактных границах инструмента и заготовки. Результаты исследования влияния коэффициента трения ц на величину относительного давления представлены на рис. 3. Показано, что при уменьшении трения наблюдается снижение давления. Так, снижение коэффициента трения ц от 0,4 до 0,1 приводит к уменьшению относительного давления деформирования сплавов АМг6 и ВТ6С на 10.. .15 %.

Выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров выдавливания оребрений на повреждаемость материала. На рис. 4 представлены графические зависимости повреждаемости ю от скорости перемещения инструмента V при выдавливании ребер из алюминиевого сплава АМг6. Величины повреждаемости определялись на линиях разрыва скоростей «12», «23», и «24», а также на линии границы трения «30». Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,001 до 0,015 мм/с повреждаемость сплава АМг6 возрастает в 5 - 7 раз. Максимальные значения повреждаемости наблюдаются на линии разрыва «23».

Результаты расчета повреждаемости титанового сплава ВТ6С в зависимости от степени деформации г (г = АИ / приведены на рис. 5. Установлено, что при увеличении г от 0,1 до 0,4 повреждаемость сплава ВТ6С возрастает в 5 - 6 раз. Наиболее опасной в плане накопления повреждаемости также является линия разрыва скорости «23».

со

0,4

0,3

0,2

ОД

0,0 0,001

Є ю / ^24 \

\ Ш12 \

\

'Ч\ ^30

0,005

0,010 17 мм!С

Рис. 4. Зависимости изменения ю от V для сплава АМг6 (Ц = 0,1)

ОД

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0,2

0,3

Рис. 5. Зависимости изменения ю от е для сплава ВТ6С

(V = 0,01мм/с)

Таким образом, показано, что вариантом изготовления оребренных конструкций является технология изотермической штамповки при малых скоростях и выдержке под давлением. При этом реализуется режим ползучести, снижаются повреждаемость материала заготовки и удельная сила операции. Данная технология выдавливания оребрений позволяет повысить качество изделий при значительном сокращении трудоемкости производства.

Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и грантов РФФИ № 14-0831225 мол_а и № 14-08-00066 а.

Список литературы

1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.

2. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С. С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.

3. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов /

В.А. Голенков [и др.]. / под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.

Перепелкин Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Яковлев Борис Сергеевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

148

INSULATED EXTRUSION RIBS AT THE PLA TE TO BRIEFLY CREEP A.A. Perepelkin, A.A.Pasynkov, B.S. Yakovlev

A mathematical model of isothermal extrusion operations stiffeners on plates of high-strength materials in a short- mode creep. The influence of process parameters on power modes and material damage during hot extrusion of stiffeners on plates of aluminum and titanium alloys.

Key words: extrusion, rib , viscosity , pressure , temperature, short-term creep, defectiveness .

Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yakovlev Boris Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 539.374; 621.983

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА В КОНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ

Яковлев С.С., Пасынков А.А., Платонов В.И.

Выявлены закономерности влияния технологических параметров, анизотропии механических свойств на предельные возможности деформирования, связанные с максимальной величиной растягивающих напряжений на выходе из очага деформации и накоплением микроповреждений, на первой операции изотермической комбинированной вытяжки анизотропного материала в конической матрице в режиме кратковременной ползучести.

Ключевые слова: комбинированная вытяжка, анизотропия, температура, коническая матрица, пуансон, разрушение, вязкость, деформация, ползучесть, напряжение.

Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных труднодеформируемых материалов, обработка которых осуществляется в условиях медленного горячего формоизменения в режиме вязкого течения материала. В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли осесимметричные изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами глубокой вытяжки: вытяжкой без утонения и с утонением стенки, комби-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.