CC BY
2
УДК 621.77; 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-382-385
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТИТАНОВОЙ ТРУБЫ ПРИ ГОРЯЧЕМ ВЫДАВЛИВАНИИ
И.С. Хрычев
Процессы деформирования трубных заготовок в условиях всестороннего сжатия характеризуются сложным напряженно-деформированным состоянием. Величины напряжений при деформировании прочных металлов и сплавов могут достигать значительных величин. Обеспечение процессов деформирования в горячих условиях позволяет значительно улучшить картину напряженно-деформированного состояния материала заготовок по сравнению с деформированием в холодных условиях. Стоит сказать, что при деформации в горячих условиях возникает зависимость как энергосиловых параметров, так и параметров напряженного состояния материала заготовок от скоростей деформирования. Поэтому в статье выполнена оценка максимальных растягивающих напряжений в стенке заготовки, возникающих в процессе деформирования в зависимости от скоростей деформирования для разных величин конусности инструмента. Получены графические зависимости к оценке напряжений. Установлены рациональные параметры деформирования.
Ключевые слова: прямое выдавливание, горячее формоизменение, растягивающие напряжения,
анализ.
В статье проанализированы параметры напряженного состояния пустотелых оболочек при реализации прямого их выдавливания через инструмент, обеспечивающий как изменение толщин заготовок, так и обеспечивающий изменение их радиальных размеров. При деформировании труб по предложенной схеме напряженно-деформированное состояние, как на входе в очаг деформации, так и на выходе из него, характеризуется значительной разницей между растягивающими и сжимающими напряжениями. При выдавливании с нагревом заготовок до температур рекристаллизации напряженно-деформированное состояние материала заготовок становится более равномерным. Кроме того, значительно снижаются величины напряжений. При горячей штамповке на силовые параметры и на напряженное состояния материала оказывают величины скоростей деформирования. В связи с этим в статье сделан акцент на анализ изменения максимальных растягивающих напряжений в стенке заготовки, возникающих в процессе деформирования в зависимости от скоростей деформирования для разных величин конусности инструмента.
На рис. 1 дана схема процесса прямого выдавливания. Размеры заготовки и инструмента в соответствии со схемой: Г0 = 40 мм; r = 35 мм; Н = 40 мм; АН = 25 мм; r2 = 32...38 мм; Г3 = 30...34 мм; а = 25...650; ß = 25...450; V0 = 1...60 мм/мин; ^ = 0,3.
Выполнено моделирование исследуемой операции с использованием комплекса DEFORM при различных комбинациях представленных ранее размерах и скоростях деформирования. Далее в статье будут представлены результаты в виде графиков изменения напряженного состояния заготовки на конечной стадии деформирования.
Рис. 1. Эскиз выдавливания трубы в конический инструмент: 1 - заготовка; 2 - матрица; 3 - пуансон; 4 - оправка
На рис. 2 показаны графики изменения максимальных величин напряжений (растягивающих), возникающих в стенке изделия при выдавливании в зависимости от относительного значения хода инструмента (И = Итек / Икон) для угла конусности матрицы а = 25° .
Технологии и машины обработки давлением
о, МП а
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
1 Ч2 3
<5, МП а
250 200 150 100 50 О
,1 4 2 Х3
И
Рис. 2. График изменения максимальных растягивающих напряжений в процессе выдавливания (а = 25°): 1 - Уд = 2 мм/мин; 2 -Уд = 20 мм/мин; 3 -Уд = 60 мм/мин; а - р = 25° ; б - р = 45°
б
а
Анализ изменения напряженно-деформированного состояния показывает, что максимальный уровень растягивающих напряжений в заготовке соответствует 0,6...0,8 относительного хода инструмента
Н . Изменение скорости с 2 до 20 мм/мин приводит к росту растягивающих напряжений в 4.7 раз.
На рис. 3 даны зависимости изменения максимальных растягивающих напряжений, возникающих в стенке изделия при выдавливании в зависимости от относительного значения хода инструмента для угла
конусности матрицы а = 65° .
Результаты, представленные на рис. 2 и 3 справедливы для степени деформации 73 = 0,9г^.
а б
Рис. 3. График изменения максимальных растягивающих напряжений в процессе выдавливания
(а = 65°): 1 - У0 = 2 мм/мин; 2 у = 20 мм/мин; 3 у = 60 мм/мин; а - р = 25°; б - р = 45°
На рис. 4 даны зависимости изменения максимальных растягивающих напряжений, возникающих в стенке изделия при выдавливании в зависимости от относительного значения хода инструмента для угла конусности матрицы а = 25° и степени деформации 73 = 0,85 Гц.
ст, МП а
350 300 250 200 150 100 50 О
"-2 чз
/1
ст. МП а
350 300 250 200 150 100 50 О
1 -2 ^З
О 0,2 0,4 0,6 0,8 $
а б
Рис. 3. График изменения максимальных растягивающих напряжений в процессе выдавливания (р = 25°): 1 - У) = 2 мм/мин; 2 -У0 = 20 мм/мин; 3 -У0 = 60 мм/мин; а - а = 25° ; б - а = 65°
Полученные расчетные графические зависимости изменения максимальных растягивающих напряжений в процессе прямого выдавливания показывают влияние различных технологических
параметров на их величину. Так, например, изменение угла конусности матрицы а с 25 до 65° меняет величину растягивающих напряжений на 25...35%, а изменение угла конусности на оправке Р с 25 до
45° ведет к росту напряжений на 15.25%. Учет изменения степени деформации заготовки при переходе от Г3 = 0,9ri к Г3 = 0,85ri ведет к увеличению напряженного состояния в заготовке на 10.15%.
Проведенные исследования с варьированием технологических параметров в заданных диапазонах позволяют сделать вывод о том, что наибольшее влияние на величину максимальных растягивающих напряжений в стенке заготовки оказывает скорость перемещения деформирующего инструмента. Применение технологии пластического деформирования с нагревом позволило сохранить уровень растягивающих напряжений в допустимом диапазоне для данного материала во всем диапазоне изменения технологических параметров.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант РФФИ № 20-08-00541.
Список литературы
1. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных сплавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.
2. Черняев А.В., Чарин А.В., Гладков В.А. Исследование силовых режимов радиального выдавливания внутренних утолщений на трубных заготовках // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 10. С. 440-445.
3. Теория обработки металлов давлением / Учебник для вузов / В.А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин, С.С. Яковлев, В.Д. Кухарь / Под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
4.Теория обработки металлов давлением / под ред. Голенкова В.А. и др. / М. Машиностроение. 2009. 442 с.
5. Чудин В.Н., Черняев А.В. К расчету процессов осесимметричного вязкопластического деформирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып.7. 2017. С. 42 - 47.
6. Перепелкин А.А., Черняев А.В., Чудин В.Н. Горячее выдавливание внутренних концевых утолщений на корпусах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып.1. С. 191 - 202.
7. Колмогоров В.Л. Механика обработки и металлов давлением. М. Металлургия. 1986. 688 с.
8. Shengfa Zhua, Xincun Zhuanga, Dongkai Xucd, Yin Zhua, Zhen Zhao Flange forming at an arbitrary tube location through upsetting with a controllable deformation zone // Journal of Materials Processing Technology. Volume 273, 2019, 116230.
9. Alves L.M., Afonso R.M., Silva C.M.A., Martins P.A.F.Joining tubes to sheets by boss forming and upsetting // Journal of Materials Processing Technology. Volume 252, 2018. P. 773-781.
10. Anees Al-Tamimia, Rooholamin Darvizeha, Keith Davey Experimental investigation into finite similitude for metal forming processes // Journal of Materials Processing Technology. Volume 262, 2018, P. 622637.
Хрычев Иван Сергеевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF CHANGES IN THE STRESS STATE OF A TITANIUM PIPE DURING HOT EXTRUSION
I.S. Khrychev
The processes of deformation ofpipe blanks under conditions of all-round compression are characterized by a complex stress-strain state. The stress values during deformation of strong metals and alloys can reach significant values. The provision of deformation processes in hot conditions makes it possible to significantly improve the picture of the stress-strain state of the workpiece material in comparison with deformation in cold conditions. It is worth saying that during deformation in hot conditions, both the energy-strength parameters and the parameters of the stress state of the workpiece material depend on the deformation rates. Therefore, the article evaluates the maximum tensile stresses in the wall of the workpiece that occur during deformation depending on the deformation rates for different values of the taper of the tool. Graphical dependences to the stress estimation are obtained. Rational parameters of deformation are established.
Key words: direct extrusion, hot shaping, tensile stresses, analysis.
Khrychev Ivan Sergeevich, student, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
