CC BY
3
Технологии и машины обработки давлением Voblikov Grigorii Alekseevich, student, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Scientific advisor: Platonov Valery Ivanovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-623-628
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ ОСАДКИ ЭЛЕМЕНТА ПРУТКОВОЙ ЗАГОТОВКИ
А.А. Пасынков, Ю.В. Бессмертная
В статье рассмотрена операция формирования цилиндрических утолщений на прутковой заготовке методами пластической деформации. В частности, операция высадки. Рассматриваемая операция характеризуется значительными степенями деформации, соответственно высокими силовыми нагрузками. Изделия или полуфабрикаты, получаемые данной операцией, характеризуются высокой прочностью. Материалом является сплав ВТ6. Поэтому деформирование должно реализовываться в горячих условиях, что даст уменьшение силовых нагрузок на инструмент, уменьшение растягивающих напряжений и улучшение деформационных характеристик материала изделия. Рассмотрены различные термические режимы деформирования. В статье исходя из анализа результатов исследований процесса высадки выполнено обоснование целесообразности применения изотермического режима штамповки и подбору скоростных режимов деформирования исходя из обеспечения оптимального напряженно-деформированного состояния и минимальных силовых параметров деформирования. В ходе анализа результатов установлены сочетания скоростей деформирования и термического режима штамповки, обеспечивающие как оптимальные силовые режимы деформирования, так качественные характеристики изделий.
Ключевые слова: высадка, моделирование, формоизменение, сила, напряжения, деформации.
В статье выполнено моделирование технологии горячей высадки прутковых заготовок из сплава ВТ6. При изготовлении утолщенных осесимметричных изделий технология горячей осадки обладает рядом преимуществ - это высокая производительность и возможность экономии материала заготовки. Операция характеризуется значительными степенями деформации, соответственно высокими силовыми нагрузками. В статье исходя из анализа результатов исследований процесса высадки выполнено обоснование целесообразности применения изотермического режима штамповки и подбор скоростных режимов деформирования исходя из обеспечения оптимального напряженно-деформированного состояния и минимальных силовых параметров деформирования. Исследование выполнено на основе CAE-моделирование операции в программе DEFORM.
В качестве заготовок использовались прутки из сплава ВТ6, диаметром 20...60 мм. На рис. 1 дана схема высадки. Свободная часть заготовки имеет высоту h = 2d. Влияние скорости деформирования исследовалось в интервале 1.500 мм/мин. Термический режим штамповки подбирался исходя из обеспечения режима кратковременной ползучести при деформировании. Таким образом, температура деформирования принималась равной 900°С, которая должна быть постоянной в процессе деформирования. Для целесообразности применения режима кратковременной ползучести были выполнены исследования процесса высадки и для режима деформирования с изменяющейся температурой заготовки. Исследовалось влияние теплообмена между инструментом и заготовкой. Ход инструмента рассматривался в интервале h = 0.. .0,9h). Коэффициент трения между инструментом и заготовкой принимался равным 0,3.
Для оценки изменения напряжений при деформировании прутка были выбраны три точки для контроля. На рис. 2 приведена схема высадки с выбранными точками для оценки.
На рис. 3 даны графики изменения величин средних напряжений в зависимости от хода пуансона, справедливых для режима изотермической штамповки. На рис. 4 даны графики изменения величин средних напряжений в зависимости от хода пуансона, справедливых для режима штамповки с начальной температурой 900°С, изменяющей в процессе высадки. Цифры 1,2,3 на графиках соответствуют точкам, приведённым на схеме процесса.
Ьо
Д
0. V
а, МП а
о -10 -20 -30 -40
Рис. 1. Схема высадки до (а) и после (б) совершения рабочего хода
Р 2
Р 5
Рис. 2. Схема процесса
а МПа
■Ь ]
-б / 0
1 2'* 3 ^
о -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
? п/1 —==я 6 /а 8
Ь
I7 27 .Г
а
а, МПа
2 0 4——О }
1 2 з7
Рис. 3. К оценке изменения средних напряжений от хода пуансона Ъ (= 20 мм; ц = 0,3):
а - V = 3мм/ мин; б - V = 15мм/ мин; в - V = 500мм/ мин
Стоит отметить, что в теле заготовки в основном преобладают сжимающие напряжения. Из трех рассматриваемых точек напряжения принимают положительные значения в точке 3 - на свободной наружной поверхности изделия. Судя по графикам, представленным на рис. 3-4 напряжения в точке 3 принимают положительные значения в интервале относительного хода пуансона Ъ =0,7...0,8 для изотермической штамповки и в интервале относительного хода пуансона Ъ =0,2.0,4 для режима штамповки с изменяющейся температурой. При относительном ходе пуансона, большем чем Ъ =0,8 наблю-
624
б
в
дается скачкообразный рост сжимающих напряжений. Увеличение скоростей деформирования приводит к росту растягивающих напряжений на 25.. .30% для изотермической штамповки и росту сжимающих в 3 раза. Для режима штамповки с изменяющейся температурой, наоборот, с ростом скоростей деформирования растягивающие напряжения снижаются на 70 %. Сжимающие напряжения снижаются на аналогичную величину.
а б
в
Рис. 4. К оценке изменения средних напряжений от хода пуансона Ъ
(Ц = 20 мм; ц = 0,3): а - V = 3мм/ мин; б - V = 15мм / мин; в - V = 500мм / мин
На рис. 5 представлены графики изменения сил высадки от хода пуансона для разных термоскоростных режимов деформирования. Цифра 1 на графиках соответствуют режиму изотермической штамповки. Цифра 2 - процессу с изменяющейся температурой заготовки.
Р,кН
9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 о
1 \ 2-
0,6
а
Р,кН
2500 2000 1500 1000 500 О
Р,кН
9000 80Ш 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 О
,
1
1
/
1
/ \
1
1_
ь
Рис. 5. К оценке изменения силы высадки от хода пуансона Ъ
(Ц = 20 мм; ц = 0,3): а - V = 3мм/ мин ; б - V = 15мм / мин ; в - V = 500мм / мин
б
в
Рост скорости перемещения пуансона приводит к росту сил штамповки в 3 раза для изотермической штамповки. Для режима формоизменения с изменяющейся температурой в интервале скоростей деформирования 3.50 мм/мин не наблюдается заметного изменения величины сил. В интервале скоростей деформирования 50.500 мм/мин происходит снижения сил высадки, что связано с разогревом материала заготовки в процессе деформирования. Режим изотермической штамповки при скоростях деформирования 3.50 мм/мин дает силы, меньшие в 7.9 раз по сравнению с режимом высадки в условиях меняющейся температуры.
На рис. 6-7 даны графики изменения величин повреждаемости в зависимости от хода пуансона для разных скоростей деформирования, справедливых для режима изотермической штамповки и для режима штамповки с начальной температурой 900°С изменяющей в процессе высадки. Цифры 1,2,3 на графиках соответствуют точкам на схеме процесса.
ГО
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД 0
1 2
0,2 0,4 0,6 0 а го }
0,2
0,1
05
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
1ч 2 ^ 3
_^
1 2,
б
Рис. 6. К оценке изменения повреждаемости от хода пуансона Ъ
(Д = 20 мм; ц = 0,3): а - V = 3мм/ мин; б - V = 15мм / мин; в - V = 500мм / мин
(0
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о
и 2 ч 3 ^
(0
1 2 3...
0,2 0,4 0,6 0,8
а
го
Рис. 7. К оценке изменения повреждаемости от хода пуансона Ъ
(Д = 20 мм; ц = 0,3): а - V = 3мм/ мин; б - V = 15мм / мин; в - V = 500мм / мин
в
б
в
Выявлено, что изменение скоростных режимов деформирования практически не влияет на величину повреждаемости материала заготовки как для режима изотермической штамповки, так и для режима штамповки с изменяющейся температурой. Стоит отметить, что штамповка в изотермических условиях позволяет добиться меньшей (на 30 %) повреждаемости материала.
Таким образом установлено, что обеспечение формоизменения материала в изотермических условиях в интервале скоростей деформирования 3.30 мм/мин позволяет добиться наименьших сил, меньшей неравномерности напряженного состояния и меньших величин повреждаемости материала заготовки.
Работа выполнена в рамках гранта РНФ 23-29-00470.
Список литературы
1. Яковлев С.С., Яковлев С.П., Чудин В.Н., Трегубов В.И., Черняев А.В. Изотермическое формоизменение из анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
2. Романов К.И. Механика горячего формоизменения металлов. М.: Машиностроение, 1993,
240 с.
3. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1968, 400 с.
4. Теория обработки металлов давлением / Голенкова В.А., Яковлев С.П. и др. / М. Машиностроение. 2009. 442 с.
5. Чудин В.Н., Пасынков А.А. Нестационарные процессы изотермической штамповки // Куз-нечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2018. №6. С. 23-28.
5. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.
6. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных спавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.
7. Larin S.N., Pasynkov A.A. Analysis of forming properties during the isothermal upsetting of cylindrical workpieces in the viscous-plasticity mode // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Volume 441, Issue 1, 2 November 2018.
8. Alves L.M., Afonso R.M., Silva C.M.A., Martins P.A.F. Boss forming of annular flanges in thin-walled tubes. Journal of Materials Processing Technology. 2017, Volume 250, December Pages 182-189
9. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. M., Металлургия, 1976. 488 с.
Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доцент, sulee@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бессмертная Юлия Вячеславовна, канд. техн. наук, доцент, bessmertny@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE PROCESS OF HOT PRECIPITATION OF THE ROD BLANK ELEMENT
A.A. Pasynkov, Yu.V. Bessmertnaya
The article considers the operation of forming cylindrical thickenings on a bar billet by plastic deformation methods. In particular, the landing operation. The operation under consideration is characterized by significant degrees of deformation, respectively, high power loads. The products or semi-finished products obtained by the operation are characterized by high strength. Their material is VT6 alloy. Therefore, deformation should be realized in hot conditions, which will reduce the force loads on the tool, reduce tensile stresses and improve the deformation characteristics of the product material. Various thermal modes of deformation are considered. In the article, based on the analysis of the results of studies of the process of disembarkation, the justification of the expediency of using an isothermal stamping mode and the selection of high-speed deformation modes based on ensuring the optimal stress-strain state and minimum force parameters of deformation is carried out. During the analysis of the results, combinations of deformation rates and the thermal regime of stamping were established, providing both optimal force modes of deformation and qualitative characteristics of products.
Key words: landing, modeling, shape change, force, stresses, deformations.
Pasynkov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, sulee@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bessmertnaya Yulia Vyacheslavovna, candidate of technical sciences, docent, bessmertny@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
