CC BY
30
УДК 539.374; 621.983
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.И. Платонов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,
mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Н. Исаева, асп., (4872) 35-14-82,
mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОГО ПРОТЕКАНИЯ ОПЕРАЦИИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА В КЛИНОВОМ КАНАЛЕ В РЕЖИМЕ ПОЛЗУЧЕСТИ
Приведены результаты теоретических исследований условий устойчивого протекания операции изотермической вытяжки с утонением стенки анизотропного материала в клиновом канале в режиме ползучести.
Ключевые слова: анизотропия, клиновой канал, вытяжка с утонением, деформация, напряжение, разрушение, повреждаемость, скорость деформации, ползучесть, температура.
При разработке технологических процессов изготовления полых цилиндрических деталей с толстым дном и тонкой стенки вытяжкой с утонением стенки необходимо знать предельные возможности формоизменения заготовок. Материал заготовки, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала, технологическими режимами его получения, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при различных температурно-скоростных режимах деформирования [1-3].
Рассмотрено деформирование анизотропного материала в условиях ползучего течения материала [1, 4]. Упругими составляющими деформации пренебрегаем.
Уравнения состояния с учетом повреждаемости, описывающие поведение материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, записываются в виде
^ = B (а, / а, )и/(1 )m ; ^вЪ/Ар , (1)
а применительно к группе материалов, подчиняющихся кинетическим уравнениям ползучести и повреждаемости, так:
^e = B (ав / а* ) V(1 -юе )m ; ®е = £в/гепр , (2)
где B, n, m - константы материала, зависящие от температуры испытаний; ^ и ав - величины эквивалентной скорости деформации и напряже-
ния при вязком течении материала [1, 4]; A^p, zCenp - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная деформация при вязком течении материала; ю^ и юА - повреждаемость материала при ползучей деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно; Юa = dюA/dt; Юе = d&e/dt.
Величины удельной работы разрушения Апр и предельной эквивалентной деформации sепр определяются по выражениям
s = D ( ¿0 + b cos а + b2 cos в + b3 cos у);
enp
Anp = D' (b0+ b1 cos а + b2 cos в + ¿3 cos у ), где D, ¿0, ¿1, ¿2, ¿3 и D', ¿0, ¿1, ¿2, ¿3 - константы материала; а, в, у -углы ориентации первой главной оси напряжений а! относительно главных осей анизотропии x, y и z соответственно.
В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования поведение материала может описываться уравнениями состояния (1) или (2) соответственно.
Компоненты скоростей деформации будем определять в соответствии с ассоциированным законом течения
^ = Xf, (3)
где X - коэффициент пропорциональности; f (aj)- потенциал скоростей
деформации анизотропного тела при ползучем течении материала; aj - компоненты тензора напряжений.
Предельные возможности формоизменения в процессах обработки металлов давлением, протекающих при различных температурно-скоростных режимах деформирования, часто оцениваются на базе феноменологических моделей разрушения. В зависимости от условий эксплуатации или последующей обработки изготавливаемого изделия уровень повреждаемости не должен превышать величины х, т.е.
Юе ^Х. (4)
При назначении величин степеней деформации в процессах пластического формоизменения в дальнейшем учитывались рекомендации по степени использования запаса пластичности В.Л. Колмогорова и А.А. Бо-гатова, согласно которым для ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, и заготовок, подвергающихся после штамповки термической обработке (отжигу или закалке), допустимой величиной степени использования запаса пластичности следует считать х =0,25, а только для неответственных деталей допустимая степень использования
230
запаса пластичности может быть принята % =0,65 [6, 7].
В работе [8] разработана математическая модель изотермической вытяжки с утонением стенки цилиндрических тонкостенных заготовок из анизотропных материалов в клиновом канале с углом а в режиме ползучести (рис. 1). Упругими составляющими деформации пренебрегаем. Отношение диаметра заготовки к толщине Dз|so > 20. Принимаем, что течение материала реализуется в условиях плоской деформации.
Получены основные уравнения и соотношения для описания течения материала в клиновом канале с углом а при изменении толщины заготовки от So до Sl. На контактных границах заготовки и инструмента реализуется закон трения Кулона.
Меридиональные и окружные напряжения в очаге 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, а также с учетом изменения направления течения материала на входе и выходе из очага деформации (рис. 2).
Рис. 1. Схема к теоретическому анализу кинематики течения материала
Рис. 2. Схема к расчету напряженного состояния заготовки
Предельные возможности изотермической вытяжки с утонением стенки исследовались в зависимости от угла конусности матрицы а , скорости перемещения пуансона Vn, условий трения на контактных поверх-
ностях рабочего инструмента и материала заготовки, анизотропии механических свойств заготовки для ряда листовых материалов, поведение которых описывается кинетической и энергетической теориями ползучести и повреждаемости. Механические характеристики этих материалов при формоизменении в условиях вязкого течения материала приведены в работе [2]. Расчеты выполнены при постоянной скорости перемещения пуансона Уп в следующих диапазонах изменения указанных выше технологических параметров: а = 6...30°; ц^=0,05...0,1; =(1..А)р,м.
Графические зависимости изменения предельного коэффициента утонения тШр от угла конусности матрицы а, скорости перемещения пуансона Уп при вытяжке с утонением стенки алюминиевого сплава АМгб
(Т = 450°), поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости, представлены на рис. 3 и 4 соответственно.
0.35
0.30
т„
ъпр
0.25
0.20
\ \2
\l
12
18
градус
30
а-
Рис. 3. Зависимости изменения msnp от а для сплава АМгб (450 °С): кривая 1 - х = 1; кривая 2- % = 0,65 (Vn = 0,005 мм/с; |ым = 0,1; \ijj = 0,2)
0.40
0.35
0.30
>пр
0.25
0.20
2
1
0.001
0.003
мм/с
0.007
V„
Рис. 4. Зависимости изменения ттр от Уп для сплава АМгб (450 °С): кривая 1 -X = 1; кривая 2- % = 0,65 (а = 18°; = 0,1; = 0,2)
Анализ графических зависимостей и результатов расчета показывает, что при вытяжке с утонением высокопрочных материалов, поведение которых описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости, с увеличением угла конусности матрицы а и скорости перемещения пуансона Vn предельный коэффициент утонения msnp увеличивается, т.е.
ухудшаются условия утонения. Анализ графических зависимостей и результатов расчета показывает, что при вытяжке с утонением высокопрочных материалов, поведение которых описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости, с увеличением угла конусности матрицы а и скорости перемещения пуансона Vn предельный коэффициент утонения
msnp увеличивается, т.е. ухудшаются условия утонения.
Установлено, что изменение условий трения на контактной поверхности пуансона \ijj существенно влияет на предельный коэффициент утонения (fi^ = const). С ростом коэффициента трения на пуансоне снижается предельное значение коэффициента утонения msnp. Этот эффект
проявляется существеннее на малых углах конусности матрицы а .
Предельные возможности формоизменения вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости, в режиме ползучести не зависят от скорости перемещения пуансона Vn (таблица).
Предельные возможности формоизменения
(ш =од; ия =0'2)
Материал &епр = °>65 ®епр = °'25
Титановый сплав ВТ 14 (950°С) 0,348 0,507 0,773
Титановый сплав ВТ 14 (1000°С) 0,407 0,561 0,802
Титановый сплав ВТ6С (930°С) 0,475 0,619 0,833
Алюминиевый сплав АМгб (420°С) 0,507 0,645 0,846
Алюминиевый сплав 01419У (400°С) 0,679 0,778 0,909
Увеличение угла конусности матрицы а сопровождается уменьшением предельного коэффициента утонения ш8Пр (рис. 5).
Приведенные выше соотношения могут быть использованы для оценки предельных возможностей деформирования изотермической вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из анизотропных материалов в клиновом канале.
0.45
0.40
ъпр
0.35
0.30
1/ / / х
12 18 градус зо а->
Рис. 5. Зависимости изменения msnp от а для сплава ВТ6С (930 °С): кривая 1 - х = 1; кривая 2- % = 0,65 (Vn = 0,005 мм/с; |ым = 0,1; \ijj = 0,2)
Работа выполнена по государственным контрактам в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, грантам РФФИ.
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я.А. Соболев. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.
2. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, В.И. Трегубов, A.B. Черняев. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
3. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 331 с.
4. Малинин H.H. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.
5. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1968. 283 с.
6. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2001. 836 с.
7. Богатов A.A. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. 329 с.
8. Яковлев С.С., Овчинников А.Г., Платонов В.И., Ларина М.В. Математическая модель изотермической вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок из анизотропных материалов в клиновом канале в режиме ползучести // Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 8.
С. 219-228.
S. S. Yakovlev, V.I.Platonov, A.N.Isayev
FORECASTING OF CONDITIONS OF STEADY COURSE OF OPERATION OF THE ISOTHERMAL EXTRACT WITH UTONENY OF THE WALL OF THE ANISOTROPIC MATERIAL IN THE MAPLE CHANNEL IN THE CREEP MODE
Results of theoretical researches of conditions of steady course of operation of an isothermal extract with an utoneniye of a wall of an anisotropic material are given in the maple channel in a creep mode.
Key words: anisotropy, maple suited, an extract with an utoneniye, deformation, tension, destruction, damageability, speed of deformation, creep, temperature.
Получено 20.07.12
УДК. 621.7, 539.3
В.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., проректор, (4872) 35-18-32, Vladimir.D.Kuchar@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
О.А. Бойко, магистр., (4872) 35-18-32, Boyko-OA@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ ДЕТАЛИ «СТАКАН» С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ QForm 2D/3D
Проведено исследование формообразования детали «стакан» методом комбинированной вытяжки в конической матрице .
Ключевые слова: холодная листовая штамповка, деталь «стакан», комбинированная вытяжка.
В листовой штамповки одним из наиболее распространенных процессов является вытяжка полых изделий.
Подавляющее большинство цилиндрических полых изделий в настоящее время изготавливают с использованием различных процессов вытяжки: 1. Вытяжки без утонения; 2. Вытяжки с утонением (протяжки); 3. Комбинированной вытяжки.
Комбинированная вытяжка - процесс пластического формоизменения плоской или полой заготовки в полое изделие путем втягивания пуансоном в матрицу с одновременным существенным уменьшением ее периметра и принудительным утонением.
В данной работе рассмотрена комбинированная вытяжка детали типа «стакан» (рис.1) в коническую матрицу.
235
