CC BY
10
Pasynkova Nadezhda Stanislavovna, student, sulee@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.771
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ОБРАТНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ ПРУТКОВЫХ ЗАГОТОВОК
А. А. Пасынков, С.В. Недошивин, С.С. Абрамов
Приведены результаты исследований напряженного состояния заготовки при изотермическом обратном выдавливании цилиндрической прутковой заготовки в матрицу квадратного сечения. Установлено влияние степени деформации и геометрии рабочего инструмента на напряжения при выдавливании.
Ключевые слова: изотермическое выдавливание, матрица квадратного сечения, изотермическое деформирование, ползучесть.
Рассмотрим процесс обратного изотермического выдавливания цилиндрической прутковой заготовки в матрице квадратного поперечного сечения [1 - 3]. На рис. 1 представлена схема к исследованию процесса. Анализ напряженного состояния будем выполнять на основе результатов моделировования выдавливания прутковой заготовки при различных технологических параметрах в программном комплексе DEFORM. Предполагалось, что материалом заготовки являлись сплавы ВТ6 и АМг4. В процессе моделирования использовалась прутковая заготовка диаметром 35 мм. Оценивалось изменение ширины пуансона Ьпуанс = 27, 30, 33 мм.
Варьировались радиусы скругления пуансона гп=1, 3, 6 мм, радиус скруг-ления матрицы гм = 1, 3, 6, 10 мм. Изменялась скорость деформирования от 1 до 10 мм/с, коэффициент трения с 0,05 до 0,25.
Рис. 1. Схема обратного выдавливания прутковой заготовки в матрицу квадратного сечения
473
Для каждого варианта геометрии и технологических параметров выполнялись исследования по оценке напряженного состояния материала заготовки. Критерием его оценки служили максимальные нормальные напряжения [4 - 5]. На рис. 2 представлены схемы к оценке максимальных напряжений в изделии на конечный момент деформирования при холодном деформировании для г = 0,85, которая определялась как отношение ширины матрицы г = Ь^^ / Ьмэтр .
а б
Рис. 2. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии при холодном деформировании г = 0,75; а - АМг4; б - ВТ6
Из приведенных рисунков видно, что при холодном деформировании исследуемых сплавов в очаге деформации на границы с пуансоном растягивающие напряжения достигают критических величин, что может привести к нарушению сплошности материала. Как для алюминиевого, так и для титанового сплава растягивающие напряжения по величине превышают 1000 МПа. Сжимающие напряжения тоже достигают больших значений. Для сплава АМг4 они порядка 2000 МПа, для сплава ВТ6 более 3000 МПа. Очевидно, что деформирование детали в холодном состоянии не представляется возможным ввиду больших сил, соответственно нагрузок на инструмент и значительных растягивающих напряжений в изделии.
Ввиду сказанного ранее рассмотрим деформирование коробчатого изделия в изотермических условиях при температурах 450 °С (АМг4) и 900 °С (ВТ6). На рис. 3 представлены схемы к оценке максимальных напряжений в изделии в конечный момент деформирования для разных величин редукций для алюминиевого сплава.
474
а б в
Рис. 3. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии; а - г = 0,75; б - г = 0,85; в - г = 0,95
Из представленных схем видно, что реализация процесса выдавливания в изотермических условиях позволяет значительно улучшить напряженное состояние материала. Для разных значений редукции растягивающие напряжения уменьшились более чем в 3 раза, сжимающие -в 5 - 10 раз.
На рис. 4 представлены схемы к оценке максимальных напряжений в изделии в конечный момент деформирования для разных величин скоростей деформирования и радиусов скругления инструмента. Результаты приведены для сплава АМг4 как с рабочим пояском на пуансоне, так и без него для величины редукции г = 0,75. Анализируя полученные схемы можно отметить, что снижение скорости деформирования приводит к незначительному снижению растягивающих и сжимающих напряжений. Стоит отметить, что напряжения по величине отличаются незначительно, но наблюдается значительное снижение площади действия максимальных растягивающих и сжимающих напряжений. Изменение радиусов скругления инструмента приводит также к изменению напряжений. Увеличение радиуса скругления стенок матрицы при неизменном радиусе скругления кромок пуансона ведет к увеличению растягивающих напряжений. При одновременном увеличении данных радиусов наблюдается снижение растягивающих напряжений.
На рис. 5 представлены схемы к оценке максимальных напряжений в изделии в конечный момент деформирования для разных величин скоростей деформирования, трения и радиусов скругления инструмента. Результаты приведены для сплавов АМг4 и ВТ6 с рабочим пояском на пуансоне для величины редукции г = 0,85.
а
б
в
д
е
Рис. 4. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии r = 0,75 (АМг4): а —V = l0 мм/ с, rcT = З мм, гп = З мм ; б—V = l мм/ с
rcT = З мм, гп = З мм ; в —V = lO мм/с, rcT = б мм, гп = З мм
г —V = l мм/с, rcT = б мм, гп = З мм ; д — V = lO мм/с, rcT = б мм, гп = б мм ; е — V = l мм / с, rcT = б мм, гп = б мм
47б
г
а
350 256
-119 -213 -306
U
Stress - Max principal (МРа)
В
д
Stress - Max principal (МРа)
Stress - Max principal (МРа)
350 256
а
е
в
ж з
Рис. 5. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии r = 0,95:
а — V = 10 мм / с, rCT = 3 мм, гп = 3 мм, АМг4; б — V = 1 мм / с,
rCT = 3 мм, гп = 3 мм, АМг4; в — V = 10 мм / с, rCT = 3 мм, гп = 3 мм, ВТ6;
г - V = 1 мм / с, rCT = 3 мм, гп = 3 мм, ВТ6; д - V = 10 мм / с,
rCT = 6 мм, гп = 3 мм, АМг4; е — V = 1 мм / с, rCT = 6 мм, гп = 3 мм, АМг4;
ж — V = 10 мм / с, rCT = 6 мм, гп = 3 мм, ВТ6; з — V = 1 мм / с,
rCT = 6 мм, гп = 3 мм, ВТ6
в
г
Анализируя схемы, показанные на рис. 5, можно отметить, что снижение скорости деформирования приводит к незначительному, снижению растягивающих (порядка 2...5 %) и сжимающих напряжений (порядка 5...15 %). Стоит отметить, что со снижением скорости деформирования заметно сокращаются по площади зоны концентраций максимальных по значению напряжений, что положительно влияет на изделие. Увеличение радиуса скругления стенок матрицы при неизменном радиусе скругления кромок пуансона ведет к увеличению растягивающих напряжений.
На рис. 6 представлены схемы к оценке максимальных напряжений в изделии в конечный момент деформирования для разных величин скоростей деформирования и радиусов скругления инструмента (рис. 7). Результаты приведены для сплавов АМг4 и ВТ6 с рабочим пояском на пуансоне для величины редукции г = 0,95.
а б
Рис. 6. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии г = 0,95;
а — V = 10 мм / с, гСт = 6 мм, Гп = 3 мм, АМг4; б — V = 1 мм / с, ГСт = 6 мм, Гп = 3 мм, ВТ6
Анализируя полученные схемы, можно отметить, что снижение скорости деформирования при таких значительных величинах редукции не приводит к заметному изменению напряжений. При снижении скорости деформирования наблюдается изменение геометрии изделия в виде искривления вертикальных поверхностей, что нежелательно. В изделии наблюдаются зоны с критическими значениями растягивающих напряжений. Увеличение редукции с 0,75 до 0,95 ведет к росту сжимающих напряжений в 2 - 3 раза, растягивающих - в 2 раза.
На рис. 8 представлены схемы к оценке максимальных напряжений в изделии с учетом активного трения на матрице и сокращённой длины поверхности трения на матрице. Особенностью данных схем является то, что в рассматриваемых случаях схема с активным трением, т. е. матрица перемещалась в противоположную сторону относительно пуансона с разной скоростью, а также то, что матрица имела выемки на рабочей поверхности для снижения площади контактного трения.
478
Рис. 7. Схема инструмента с сокращённой длиной поверхности трения на матрице
а б
Рис. 8. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии с учетом активного трения на матрице (а) и сокращённой длины поверхности трения на матрице
г = 0,85, гст = 6 мм, гп = 6 мм , АМг4
По результатам моделирования можно сказать, что применение схем с активным трением и снижение контактной поверхности трения в целом положительно сказываются на напряженном состоянии - в изделии отсутствует сильная неравномерность напряжений, отсутствуют зоны с критическими растягивающими напряжениями.
По результатам исследований можно сделать выводы о том, что наибольшее влияние на уменьшение напряжений оказывает изменение температуры заготовки с обеспечением изотермических условий деформирования. Также на напряжение оказывает влияние изменение редукции и параметров трения. Полученные результаты могут быть полезны при назначении режимов выдавливания коробчатых изделий из цветных сплавов.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 20-08-00541.
479
Список литературы
1. Чудин В.Н., Пасынков А.А. Нестационарные процессы изотермической штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2018. №6. С. 23-28.
2. Черняев А.В., Чудин В.Н., Тесаков Д.М. Последовательно-совмещенная вытяжка заготовки при вязко-пластическом деформировании // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2019. № 1 (91). С. 3-7.
3. Ларин С.Н., Платонов В.И., Коротков В. А. Проектирование матрицы для вытяжки материалов, обладающих плоскостной анизотропией механических свойств // Цветные металлы. 2018. №7. С. 83-87.
4. Новые ресурсо- и энергосберегающие технологические процессы изготовления деталей методами обработки давлением / А.Э. Артес, Е.Н. Сосенушкин, В.В. Третьюхин, А.А. Окунькова, Т.В. Гуреева // Вестник машиностроения. 2013. №5. С.72-74.
5. 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.
Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Недошивин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Абрамов Сергей Сергеевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STRESS ANALYSIS WITH ISOTHERMAL REVERSE EXTRUSION BAR BARS A.A. Pasynkov, S.V. Nedoshivin, S.S. Abramov
The paper presents the results of studies of the stress state of the workpiece during isothermal reverse extrusion of a cylindrical bar stock into a square matrix. The influence of the degree of deformation and the geometry of the working tool on the stress during extrusion is established.
Key words: isothermal extrusion, square matrix, isothermal deformation, creep.
Pasynkov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Nedoshivin Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Abramov Sergey Sergeevich, student, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
