CC BY
24
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent,
mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, TulaState University,
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor,
mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, TulaState University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent,
mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, TulaState University
УДК 539.374; 621.983
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЧЕРЕЗ РАДИАЛЬНУЮ МАТРИЦУ В РЕЖИМЕ
ПОЛЗУЧЕСТИ
С.С. Яковлев, А. А. Пасынков, А. А. Перепелкин, В. А. Булычев
Изложены результаты теоретических исследований предельных возможностей деформирования на первой операции изотермической комбинированной вытяжки осесимметричных деталей из анизотропных высокопрочных материалов на радиальной матрице в режиме ползучести.
Ключевые слова: комбинированная вытяжка, анизотропия, температура, коническая матрица, пуансон, разрушение, вязкость, деформация, ползучесть, напряжение.
В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли цилиндрические изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами глубокой вытяжки: вытяжкой без утонения и с утонением стенки, комбинированной вытяжкой [1-4]. Надежность и эффективность технологических процессов глубокой вытяжки цилиндрических деталей обеспечивается правильным выбором параметров технологии и геометрии рабочего инструмента.
В работе [3] разработана математическая модель первой операции комбинированной вытяжки трансверсально-изотропного материала через радиальную матрицу в режиме ползучести. Процесс формоизменения на первой операции комбинированной вытяжки условно разделяется на четыре стадии. В очаге деформации имеется плоское напряженное (зона I) и
плоское деформированное (зона II) состояния заготовки [1]. При комбинированной вытяжке один и тот же материал находится в зоне I в условиях плоского напряженного состояния, а в зоне II - в условиях плоского деформированного состояния.
Рассмотрена первая операция изотермической комбинированной вытяжки трансверсально-изотропного материала с коэффициентом нормальной анизотропии R на радиальной матрице с радиусом закругления Ям и степенью деформации у = 1 -md\т^ (рис. 1),где md 1 = ^ - ко-
эффициент вытяжки; т^ = ,$1/So - коэффициент утонения; г и Я0 - радиус по срединной поверхности полуфабриката и начальный радиус заготовки; $1 и $0 - толщина полуфабриката и заготовки соответственно.
Рис. 1. Схема к теоретическому анализу третьей стадии комбинированной вытяжки через радиальную матрицу
Допускалось, что деформирование осуществляется в режиме ползучести. Предполагается существование потенциала скоростей деформации ползучести и справедливость ассоциированного закона течения [3]. В зависимости от температуры и вида материала его поведение может описываться уравнениями состояния энергетической
Й = в(ае/а*)п /(1 -°А) т; СО А = ае Й / АПр (1)
или кинетической теориями ползучести и повреждаемости
ХС = В(ае / а*)п /(1 - ОС)т; О = Xс / есепр. (2)
Здесь В , п, т - константы материала, зависящие от температуры
испытаний; есе - величины эквивалентной деформации при вязком течении материала; АПр, есепр - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная деформация при вязком течениях материала; О, и о А - повреждаемость материала при вязкой деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно; а* - произвольная величина напряжения.
В основу анализа положен метод расчета силовых параметров процесса, основанный на совместном решении приближенных дифференциальных уравнений равновесия и уравнений состояния с учетом сопряжений на границах участков, а также изменения направления течения мате-риала[4]. Получена система уравнений для определения меридиональных ар и окружных ад напряжений на каждом участке зоны плоского напряженного состояния II.
Приближенный анализ распределения напряжений в зоне II выполнен с упрощением его конфигурации путем замены дуги профиля матрицы в пределах этого участка хордой и рассмотрением течения в канале сечения с углом а:
а = 0,5arccos Ям + ^ ,
ЯМ + Яв
где яв - толщина заготовки при входе в зону утонения.
Течение материала реализуется в условиях плоской деформации; на контактных границах заготовки и инструмента реализуется закон трения Кулона
тМ =т М ак; т П =т П ак, где тм и тП - коэффициенты трения на контактных поверхностях матрицы и пуансона, ак - нормальные напряжения на контактных поверхностях матрицы и пуансона.
Изменение направления течения материала при входе и выходе из зоны II учитывалось путем коррекции величины радиального напряжения с учетом разрыва касательной составляющей скорости на границе очага деформации по методу баланса мощностей. На этапе формоизменения приращение времени деформирования определяется так: dt = dр /Ур .
При разработке технологических процессов изготовления полых цилиндрических деталей с толстым дном и тонкой стенкой комбинированной вытяжкой необходимо знать предельные возможности формоизменения заготовок.
Предельные возможности первой операции комбинированной вытяжки оценивались по максимальной величине осевого напряжения ах в стенке изделия на выходе из очага деформации, которая не должна превы-
51
шать определенной величины а х с учетом скоростного упрочнения (второе условие деформируемости)
3(2Я +1)
и допустимой величиной накопленных микроповреждений
t Хс Л
оСе = I %- <%, (4)
0 еепр
если справедлив деформационный критерий разрушения, и в виде
t а ХСЖ
оСА = <%. (5)
0 АСр
если справедлив энергетический критерий разрушения.
При назначении величин степеней деформации в процессах формоизменения в дальнейшем учитывались рекомендации по допустимой величине накопленных микроповреждений (степени использования запаса пластичности) В. Л. Колмогорова и А. А. Богатова, согласно которым для ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, и заготовок, подвергающихся после штамповки термической обработке (отжигу или закалке), допустимой величиной накопленных микроповреждений следует считать % =0,25, а только для неответственных деталей- % =0,65 [6,
7].
Предельные возможности деформирования на первой операции комбинированной вытяжки определялись на всем протяжении деформирования и устанавливались путем численных расчетов по этим неравенствам.
Предельные коэффициенты вытяжки исследовались в зависимости от относительного радиуса закругления матрицы Ям =2 ...10, скорости перемещения пуансона V), условий трения на рабочем инструменте
тп = (1.4)тм для алюминиевого АМг6 (Т = 450 °С) и титанового ВТ6 (
Т = 930 С )сплавов, поведение которого описывается энергетической и кинетической теориям и ползучести и повреждаемостисоответственно. Параметры уравнений состояний и разрушения этих материалов при данных температурах обработки приведены в работе [3].Процесс изотермической комбинированной вытяжки реализуется в условии ползучего течения материала, что обеспечивается величиной скорости перемещения пуансона V).
На рис. 2 представлены зависимости предельных коэффициентов утонения в зависимости от относительного радиуса закругления матрицы Ям и коэффициента вытяжки ш^1, а на рис. 3 -зависимости изменения
т$1пр от скорости перемещения пуансона ¥0и отношения тп/тМ для
алюминиевого сплава АМг6, поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости.
0.6
0.5
0.4
тБ\пр
0.3 0.2 0.1
2 3 4 5 6 7 8
----->
та 1 = 0,6 а
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
т8\Пр
0.3 0.2 0.1
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8
та\------>
км= 4 б
Рис. 2. Зависимости изменения т^р от Ям (а) и тЛ1 (б)
для алюминиевого сплава АМг6 (Т = 450 С; ¥0 = 0,004 мм/с; тп = 2тм = 0,2)
Здесь кривые 1, 2 и 3 соответствуют величинам коэффициентов утонения т$1пр, вычисленным по максимальной величине напряжения в
стенке детали на выходе из очага деформации (3), по допустимой величине накопленных микроповреждений (5) при% = 1 и % = 0,65 соответственно.
Положения кривых 1 - 3 определяют возможности деформирования заготовки в зависимости от технических требований на изделие. Положения кривых 1 и 2 указывают на возможность разрушения заготовки по условиям (3) и (5) соответственно в зависимости от того, какой теори-ейползучести и повреждаемости описывается поведение исследуемого материала.
0.002 0.003 0.004 ММ! С 0.005
--------V
= °,2
а
№пМм — ¥0 = 0,004 мм/с б
Рис. 3. Зависимости изменения т^р от ¥0 (а) и тп/тм (б) для алюминиевого сплава АМг6 (450 С)(Ям = 4; тл 1 = 0,6)
54
Анализ графиков и результатов расчета показывает, что предельные возможности формоизменения при изотермической комбинированной вытяжке ограничиваются первым условием деформирования.
Установлено, что с уменьшением относительного радиуса закругления матрицы Ям и коэффициента вытяжки тл 1 предельный коэффициент вытяжки т81пр увеличивается (см. рис. 2). Скорость перемещения пуансона ¥0 оказывает существенное влияние на предельные возможности деформирования. Увеличение скорости ¥0 от 0,002 до 0,005 мм/с приводит к росту т81пр более 40 % для исследуемого материала (см. рис. 3, а).
Установлено, что изменение условий трения на контактной поверхности матрицы оказывают существенное влияние на предельный коэффициенты утонения т81пр. С ростом коэффициента трения на пуансоне тп
(при фиксированном коэффициенте трения на матрице тм ) снижается предельное значение коэффициента утонения т81пр (см. рис. 3, б).
Результаты расчетов показывает, что предельные возможности формоизменения в режиме ползучего течения материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости (титановый сплав ВТ6), не зависят от скорости перемещения пуансона ¥0.
Характер влияния относительного радиуса закругления матрицы Ям , коэффициента вытяжки т^ 1 и условий трения на контактной поверхности рабочего инструмента (тп итМ) и заготовки аналогичен установленным выше закономерностям для алюминиевого сплава АМг6.
Приведенные выше соотношения могут быть использованы для оценки предельных возможностей формоизменения изотермической комбинированной вытяжки в радиальных матрицах осесимметричных деталей из анизотропных материалов в режиме ползучести.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ№ 14-08-00066 а.
Список литературы
1. Валиев С.А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1973. 176 с.
2. Яковлев С.С., Кухарь В.Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Маттти-ностроение, 2012. 400 с.
3. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
55
4. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
5. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 331 с.
6. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2001. 836 с.
7. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2002. 329 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., 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,
Перепелкин Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Булычев Владимир Александрович, канд. техн. наук, mpf-tula aramhler.ru, Россия, Тула, ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения»
LIMIT POSSIBILITIES OF DEFORMATION OF THE FIRST OPERATION OF THE COMBINED EXTRACT OF AXISYMMETRIC DETAILS FROM ANISOTROPIC MA TERIALS THROUGH THE RADIAL MA TRIXIN THE CREEP MODE
S.S. Yakovlev, A.A.Pasynkov, A.A. Perepelkin, V.A. Bulichev
Results of theoretical researches of limit opportunities of deformation on the first operation of the isothermal combined extract of axisymmetric details from anisotropic high-strength materials on a radial matrix in a creep mode are stated.
Key words: the combined extract, anisotropy, temperature, conic matrix, punch, destruction, viscosity, deformation, creep, tension.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor,
mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent,
mpf-tulci'arcimbler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent,
mpf-tHlaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bulichev Vladimir Aleksandrvich, candidate of technical sciences,
mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, OJP «Central Design Bureau of apparatus building»
