CC BY
79
УДК 621.983; 539.374
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСЛЕДУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ ПОЛЗУЧЕСТИ
С.С. Яковлев, В.Ю. Травин, А. А. Пасынков, В.И. Платонов
Приведены результаты теоретических исследований предельных возможностей деформирования на последующих операциях комбинированной вытяжки осесим-метричных деталей в условиях вязкого течения анизотропных высокопрочных материалов. Выявлено влияние технологических параметров на предельные возможности последующих операций комбинированной вытяжки осесимметричных деталей в режиме вязкого течения анизотропных материалов.
Ключевые слова: комбинированная вытяжка, анизотропия, температура, коническая матрица, пуансон, разрушение, вязкость, деформация, ползучесть, напряжение.
Комбинированная вытяжка является одной из наиболее распространенных операций листовой штамповки для изготовления осесимметрич-ных деталей с толстым дном и тонкой стенкой и может осуществляться при различных температурно-скоростных режимах деформирования. Последующие операции изотермической комбинированной вытяжки цилиндрических изделий обычно выполняются на конических матрицах по двум вариантам [1]: из полой заготовки с неутоненными стенками (заготовка получена вытяжкой без утонения); из полой заготовки с утоненными стенками (заготовка получена комбинированной вытяжкой, вытяжкой с утонением, ротационной вытяжкой).
При комбинированной вытяжке на последующих операциях, как на первой операции, очаг деформации характеризуется наличием двух зон: плоского напряженного (1а, 16) и плоского деформированного (II) состояний заготовки (рис. 1). Зона плоского напряженного состояния I в этом случае может быть разделена на два участка: участок 1а, граничащий со стенками исходной заготовки, в котором срединная поверхность заготовки в меридиональном сечении имеет радиус Яр, а заготовка не соприкасается
с поверхностями рабочего инструмента; участок 1б - заготовка соприкасается с конической поверхностью матрицы. Зона II (утонения) аналогична зоне II первой операции.
После предыдущих операций обычно производится термическая обработка полуфабриката, которая выравнивает механические свойства по высоте изделия, однако полностью не устраняет возникшую в результате пластической деформации цилиндрическую анизотропию его механических свойств. Поэтому предполагается, что механически свойства по высоте заготовки однородные.
Особенностью начала процесса комбинированной вытяжки по второму варианту является утонение донной части заготовки, имеющей первоначальную толщину ¿о, т.е. преодоление «донного барьера». Его влияние усиливается на последующих операциях в связи с увеличением разницы в толщине стенки и дна заготовки.
На последующих операциях комбинированной вытяжки наибольший интерес представляет момент совпадения центра закругления пуансона с верхней кромкой рабочего пояска матрицы, стационарная и конечная (утонения краевой части заготовки) стадии.
В работе [4] на основе приведенных выше соотношений разработана математическая модель изотермической последующей операции комбинированной вытяжки трансверсально-изотропного материала с коэффициентом анизотропии Я в режиме ползучести. Принималось, что на контактных границах заготовки и инструмента реализуется закон трения Кулона. Получены соотношения для определения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния заготовки на каждом участке очага пластической деформации и силовых режимов формоизменения. Меридиональные и окружные напряжения на участках очага деформации определяются путем численного решения приближенного уравнения равновесия совместно с тем или иным уравнением состояния в зависимости от того, какая теория ползучести описывает поведение материала - кинетическая или энергетическая, при граничных условиях, заданных в напряжениях. В отличие от известных решений этой задачи в работе анализируется процесс изотермической вытяжки анизотропной цилиндрической заготовки с изменением её толщины в процессе деформирования [3, 5].
Основные соотношения. Рассмотрено деформирование анизотропного материала в условиях вязкого течения. Упругими составляющими деформации пренебрегаем. Вводится потенциал скоростей деформации анизотропного тела при вязком течении. Компоненты скоростей деформации Ху определяются в соответствии с ассоциированным законом течения.
При вязком течении материала по аналогии с работами Р. Хилла и
Рис. 1. Схема последующей операции комбинированной вытяжки
Н.Н. Малинина введены понятия эквивалентного напряжения ое и эквивалентной скорости деформации Хе [2, 3].
Уравнения состояния с учетом повреждаемости, описывающие поведение материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, записываются в виде
ХС = в(*е1 °е0 )П /(1 - ©А )т ; ©А = ®еХ'е / <р , (1)
а применительно к группе материалов, подчиняющихся кинетическим уравнениям ползучести и повреждаемости, так:
Хе = в(ае /Ое0 )п /(1 - ©С )т ; ©С = ХС /гСепр , (2)
где В, п, т - константы материала, зависящие от температуры испытаний; АПр, £сепр - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная
деформация при вязком течении материала; ©ее, и ©А - повреждаемость
материала при вязкой деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно; оео - произвольно выбранная величина эквивалентного напряжения; ©А = й ©А / ; ©е = й ©е / ^ .
Предельные возможности формоизменения. Предельные возможности последующих операций комбинированной вытяжки оценивались по максимальной величине осевого напряжения ох в стенке детали на выходе из очага деформации, которая не должна превышать величины сопротивления материала деформированию в условиях плоского деформированного состояния с учетом скоростного упрочнения [6]
. * * о х£ о х; о х =
V
2( Я + 2)(й +1) Ое (3)
3(2 Я +1)
и допустимой величиной накопленных микроповреждений
* Хел
■>е
©е=, (4)
0 еепр
если справедлив деформационный критерий разрушения, и в виде
©А = (5)
о Апр
если справедлив энергетический критерий разрушения.
При назначении величин степеней деформации в процессах формоизменения в дальнейшем учитывались рекомендации по допустимой вели-
93
т.
0.8
0.6
0.4
втр 0.2
3
- \_2_ 1
0.05
0.1
0.15
0.2
ММ
0.3
чине накопленных микроповреждений (степени использования запаса пластичности) В. Л. Колмогорова и А. А. Богатова % =0,65 [7, 8].
Предельные возможности деформирования устанавливались путем численных расчетов по этим неравенствам в зависимости от угла конусности матрицы а =6...30 °, коэффициента вытяжки , скорости перемещения пуансона Уо, условий трения на рабочем инструменте |П = (1. 4) |М
для алюминиевого АМг6 (Т = 450° С) и титанового ВТ6С (Т = 930° С) сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теориями ползучести и повреждаемости соответственно. Параметры уравнений состояний и разрушения этих материалов при данных температурах обработки приведены в работе [6].
Операция изотермической комбинированной вытяжки реализуется в условиях вязкого течения материала, что обеспечивается величиной скорости перемещения пуансона У0. Графические зависимости изменения предельных коэффициентов утонения ш8!пр в зависимости от скорости перемещения пуансона У0 для алюминиевого сплава АМг6, поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости, представлены на рис. 2
(а = 18°; т П = 2|!м = 0,2; шл = 0,8).
Здесь кривые 1, 2 и 3 соответствуют величинам коэффициентов утонения ш8!Пр, вычисленным по максимальной величине напряжения в
стенке детали на выходе из очага деформации и по допустимой величине накопленных микроповреждений 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 (4) или (5) при %=1,0 соответственно в зависимости от того, какой теорией ползучести и повреждаемости описывается поведение исследуемого материала.
Анализ графиков и результатов расчета показывает, что скорость перемещения пуансона У0 оказывает существенное влияние на предельные возможности деформирования для алюминиевого сплава АМг6, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости. Уве-
Рис. 2. Зависимости изменения ш^ Пр от У0 для алюминиевого
сплава АМг6
Механика деформируемого твердого тела и теория ОМД личение скорости Уд от 0,05 до 0,3 мм/с приводит к росту ш8!Пр более 25 % (рис. 2).
На рис. 3 представлены зависимости изменения предельных коэффициентов утонения ш^ пр в зависимости от угла конусности матрицы а
и коэффициента вытяжки для алюминиевого сплава АМг6, поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости.
0.6
0.4
т.
зтр 0.2
\2_
0.8
0.6
0.4
т
згпр
0.2
3
/
____
12
18
а
градус
30
0.6
0.7
0.8
0.9
тсИ б
а
Рис. 3. Зависимости изменения ш^Пр от а и для алюминиевого сплава АМг6 (Уд = 0,1 мм/с; тп = 2тм = 0,2; ш^ = 0,8)
Анализ графиков и результатов расчета показывает, что предельные возможности формоизменения на последующих операциях изотермической комбинированной вытяжки цилиндрических деталей из алюминиевого АМг6 и титанового сплавов в исследуемом диапазоне изменения технологических параметров (ш^ = 0,8) ограничиваются вторым условием деформирования (допустимой величиной накопленных микроповреждений). Установлено, что с уменьшением коэффициента вытяжки предельный коэффициент утонения ш8!Пр увеличивается. Рост коэффициента трения
на пуансоне тП (при фиксированном коэффициенте трения на матрице тм = 0,1) снижает предельное значение коэффициента утонения ш^Пр по
первому критерию разрушения.
Результаты расчетов показывают, что предельные возможности формоизменения в режиме вязкого течения материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости (титановый сплав ВТ6С), не зависят от скорости перемещения пуансона У0.
Приведенные выше соотношения могут быть использованы для оценки предельных возможностей последующих операций изотермической комбинированной вытяжки 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.: Машиностроение, 2012. 400 с.
3. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.
4. Влияние технологических параметров на силовые режимы последующих операций изотермической вытяжки осесимметричных деталей из анизотропных материалов в режиме ползучести / С.С. Яковлев [и др.] // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 7. С. 29 - 38.
5. 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.
6. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
7. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет УГТУ, 2001. 836 с.
8. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ, 2002. 329 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., шpf-tula@,raшbler.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Травин Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, шpf-tula@,raшbler. т, Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»,
Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., шpf-tula@raшbler.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., шpf-tula@,raшbler.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет
96
LIMIT THE POSSIBILITY OF FUTURE OPERA TIONS INSULA TED COMBINED DRAWING ANISOTROPIC MATERIALS UNDER CREEP
S.S. Yakovlev, V.Y. Travin, A.A. Pasynkov, V.I. Platonov
The paper presents the results of theoretical investigations of limiting opportunities cart-deformation on the subsequent operations of the combined extracts in a rotationally symmetric parts of the viscous flow of anisotropic materials with high strength. The influence of process parameters on the limit-sti possible subsequent operations combined extracts rota-tionally symmetric parts in the mode of the viscous flow of anisotropic materials.
Key words: combined extract, anisotropy, temperature, horses-symmetric matrices, punch, destruction, strength, deformation, creep, stress.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Travin Vadim Yurievich, candidate of technical sciences, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, JSC «NPO «SPLAV»,
Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
