CC BY
11
Чистяков Михаил Константинович, студент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Михальченко Сергей Николаевич, аспирант, aspirant_tsu@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDY OF FORCES ON DEFORMING TOOLS DURING ISOTHERMAL PUSHING
M.K. Chistyakov, S.N. Mikhalchenko
A study was carried out to obtain holes by isothermal piercing of holes in titanium tees. The influence of the degrees of deformation on the magnitude of the forces on deforming tools is established.
Key words: piercing, force, research, isothermal deformation.
Chistyakov Mikhail Konstantinovich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Mikhalchenko Sergey Nikolaevich, postgraduate, aspirant_tsu@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.374
АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛА ПРИ ВЫДАВЛИВАНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОРПУСНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЛОШНЫХ ЗАГОТОВОК
В.Ю. Травин, Н.Д. Тутышкин, А.А. Рыбина
Приводится анализ распределения деформаций и структурных параметров материала при выдавливании цилиндрических корпусных изделий из сплошных заготовок. Для определения деформаций в меридиональных сечениях детали использовался метод делительной сетки. В связи с сильной нестационарностью процесса выдавливания для расчета деформаций и их приращений по этапам использовались фундаментальные соотношения через базисные компоненты делительной сетки как сопутствующей системы координат. Для расчета структурных параметров, - деформационной повреждаемости, величины зерна поликристаллических агрегатов и внутренней энергии упрочнения, - использовались определяющие соотношения, включающие параметры деформаций и наапряжений. Полученные результаты свидетельствуют о существенной неравномерности распределения деформаций и структурных параметров в донной части изделия.
Ключевые слова: деформации, делительная сетка, структурные параметры, поврежденность, величина зерна, внутренняя энергия упрочнения.
Распределение деформаций и структурных параметров материала при его обработке давлением (ОД) оказывает сильное влияние на эксплуатационные свойства готовых изделий [1-6]. Это влияние несомненно должно учитываться в технологии ОД (обоснованного выбора и расчета формоизменяющих и сопутствующих операций, режима обработки, прогнозирования механических и структурных характеристик обрабатываемых материалов). В системах точного машиностроения часто встречаются осесимметричные корпусные изделия, эксплуатирующиеся в жестких режимах,
испытывающие интенсивные нагрузки, высокие давления, большие скорости деформации, тепловые удары [1, 2, 4, 6]. Их эксплуатационные характеристики во многом определяются механическими и структурными свойствами материала, как в области стенок, так и донной части. При этом существенная роль при создании интенсивной технологии отводится процессам холодного выдавливания [7, 1].
Рассмотрим распределение деформаций и структурных параметров материала при обратном холодном выдавливании осесимметричной корпусной детали из малоуглеродистой низколегированной стали. Для определения поля деформаций в меридиональном сечении детали использовался метод делительной сетки [8-10]. Для получения качественной картины искаженной делительной сетки на один образец наносились только вертикальные, а на другой - горизонтальные риски. Искаженная делительная сетка в меридиональном сечении была получена наложением искаженных (первоначально вертикальных и горизонтальных) рисок (рис. 1).
В связи с использованием составных образцов возникает вопрос о соответствии деформации составного и целого образца. Установлено, что наличие разреза не оказывает заметного влияния на характер деформаций, если нормальное к плоскости соединения двух частей образца напряжение является сжимающим [11]. Наличие сжимающих напряжений устанавливалось по образованию отпечатка на сетке на противоположной части образца.
С целью получения более чёткой картины деформированной сетки использовался следующий способ изготовления составных образцов [12]. На отшлифованную до чистоты 1,25...0,32 поверхность разреза образца наносились с помощью специального прибор под универсальным микроскопом риски, образующие делительную сетку.
о.гв агв
77977^77^77
024 023 020
Рис. 1. Делительная сетка и распределение деформации Л и структурных параметров с В, Эп в срединном слое г = 0,5Ндн меридионального сечения детали «корпус» полученной обратным холодным выдавливанием
На специальном кронштейне вместо оптической головки микроскопа, укреплялась верхняя часть твердомера от прибора, что позволяло нанести делительную сетку и замерить ее параметры после деформации на значительной площади образца. Ширина и глубина рисок выбиралась в соотношении 4:7, в интервале 40...50 мкм и 6...10 мкм соответственно. Затем сечения составных частей образца подвергались травлению и
лужению припоем. Припой наносился таким образом, чтобы он заполнил риски и образовал на поверхности разреза тонкий слой. Затем составные части образца соединялись подготовленными поверхностями, прогревались и соединялись под небольшим давлением. После деформирования образец разделялся на составные части нагреванием до расплавления припоя и последующим его удалением с изучаемых поверхностей образца.
В связи с сильной нестационарностью процесса выдавливания и сложным нагружением деформируемого материала для расчёта деформаций и их приращений использовались соотношения через базисные векторы делительной сетки как сопутствующей системы координат X1 [13]. Ковариантные компоненты тензора приращения деформаций
=2 =2(э
соб у
(1)
где §1] - ковариантные компоненты метрического тензора; э,, э- -ковариантные векторы базиса сопутствующей системы координат X1; уу-угол между векторами э, и э- .
Измеряемые расстояния а1 между соседними узловыми точками делительной сетки и углы Уу. между рисками позволяют вычислить компоненты ёеу. Из дифференциальных зависимостей Э1 = Эг / ЭХ1, эю = Эго / ЭХ1, где эю-вектор базиса в начальный момент деформации, го и г -радиус-вектор узловых точек в начальный и текущий моменты деформации, устанавливаются соотношения векторов базиса через параметры делительной сетки
1^1 = Эг / ЭГЬ
э;о эх' / эх'
УгА
Ж;
а,■
. . , (2) \Уг1о\ ао
где и ёБю-приращения дуг координатного линий X1 в начальный и текущий моменты, роль которых выполняют малые размеры а1 и аю ячеек делительной сетки.
Зависимость (1) для компонент ёеу с учётом соотношений (2) принимает следующий вид:
Уе]=2 ?у
г
Уа Уа
Л
]
а,-
а
(3)
в частности, линейные компоненты (при 1 = ] ёец = §11 (ёа1 / а1).
Если на опытный образец наносить прямолинейные риски, т.е. выбирать сопутствующую систему координат в исходном состоянии декартовой, то справедливы следующие зависимости:
2
э'о
?]о
: 1,
У-о
2
а.а-
а,
оа]о
У], gii
а
а 2
где 5у-символ Кронекера.
Смешанные компоненты тензора приращения деформации
Уе.Ч =-У-
gii
1 а]Що
2 а'а ] о
(
соб у.
Уа, Уа ]
— + —- tgУi] Ау ]
а
а
(4)
Рассматривая нестационарный процесс деформирования, состоящим из нескольких п этапов, находим степень деформации
Л= £ АЛ £ = £ ^(Ц/ Ае ] • - Ае', Ае]),
к=1 к=1
где Ае'- =
1 а]а,о
2 а'а]о
(
соб у,
к=1 Аа1
а
а
- tgУi]АУ']
Аа1, Аа^ Ауу-приращения параметров делительной сетки на к-том этапе формоизменения.
Найденные траектории движения частиц обрабатываемого материала А, В, С, Э, Е, Б, О, К, Ь, М, К, Я определяются в начальный момент Ь=Ъо пересечением плоскостей г = -0,25гк, г = -0,5гк, г = -0,75гк и ъ = 0,25Ио, ъ = =0,5Ио, ъ = 0,75Ио, ъ = Ио. Накоп-
к
ленные деформации после к-того этапа Л к = X АЛ, в том числе к концу процесса фор-
к=1
п
моизменения Л = X АЛ. Найденное распределение деформаций Л(О) позволяет вы-к=1
числить поврежденность ш(О) и среднюю величину зерна Э(О), входящие в условие текучести. Оценка приращения поврежденности проводилась для степенной модели пластического разрыхления Ашк = (аЛа-1/Лпра)ДЛк, где степенной параметр в реализуемом температурно-скоростном интервале обработки а = =1,55...1,60. Поврежденность материала микродефектами после к-го этапа деформирования находилась численным интегрированием уравнения
к
ш=ш0 + X А^к.
к=1
Рис. 2. Траектории движения частиц материала в меридиональном сечении донной части детали при обратном холодном выдавливании
Средняя величина зерна и скрытая энергия наклепа вычислялись на основе численного интегрирования определяющих соотношений [1]
кк
В = Во + X АВк, эп = эп 0 + X Аэпк, к=1 к=1
где
АВк = -у(Л - Л о )р-1 Во ехр[- у(Л - Л о )р ]аЛ к,
АЭпк =т(эп и 12 (ва) ехр(-Л/Л пр )АЛ к. 429
Параметры стали в состоянии поставки Ло=о,о3, Юо=о,25, Бо=45 мкм, Эпо=75
ханических параметров выдавливания аппроксимируется следующей функцией [14]
Рассмотрим результаты решения. Деформации и структурные параметры неравномерно распределяются в донной части изделия (рис. 1). Наибольшую деформацию и поврежденность накапливают частицы материала, которые в заключительный момент обработки выходят на границу о.о-о. 1 пластической области или подходят к ее окрестности (точки Я, О, Б, К). В целом поврежденность микродефектами значительно меньше допускаемой величины ю**=о,6...о,7. Средняя величина зерна уменьшается до 1о...2о мкм. Скрытая энергия наклепа составляет в зонах интенсивной деформации 14оо...15оо МПа.
Высокие деформации и, соответственно, их скорости приводят к сильному эффекту тепловыделения в пластической области. Повышение температуры в зоне интенсивной деформации (Л>5,о), согласно зависимости температуры от степени деформации [15], составляет 3оо °С и более. Соответствующее снижение сопротивления деформации, согласно неизотермической кривой упрочнения, составляет до 15о МПа и более по сравнению с процессом деформирования в изотермических условиях. Эффект тепловыделения приводит, соответственно, к заметному уменьшению работы формоизменения и силовых характеристик процесса выдавливания. С другой стороны, с сильным повышением температуры контактной поверхности пуансона ухудшаются условия работы смазки.
Оценка достоверности прогнозируемых механических и структурных характеристик во многом зависит от степени соответствия рассчитанного поля деформаций их действительному распределению. Эксперименты с делительной сеткой подтвердили качественную картину поля деформаций. Экспериментальное определение нагрева контактной поверхности пуансонов обратного выдавливания подтверждают температурный эффект, связанный с тепловыделением.
1. Тутышкин Н.Д., Гвоздев А.Е., Трегубов В.И. и др. Комплексные задачи теории пластичности; под ред. Н.Д. Тутышкина, А.Е. Гвоздева. Тула: ТулГУ. 2оо1. 377 с.
2. Трегубов В.И., Травин В.Ю. Двойная технология изготовления осесиммет-ричных корпусов с высокими эксплуатационными характеристиками // Тезисы докладов XXVI и XXVII научн.-техн. конф. «Проектирование систем». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана - РАРАН, 2ооо. С. 138 - 139.
3. Тутышкин Н.Д., Трегубов В.И., Травин В.Ю. Усовершенствованная методика проектирования технологии изготовления корпусных изделий современных конструкций // Материалы международной научно-технической конференции «Проблемы проектирования и производства систем и комплексов». Проблемы специального машиностроения. Тула: Издательство ТулГУ, 2оо1. Вып. 4. Ч. 1. С. 443 - 446.
4. Кореньков В.М., Тутышкин Н.Д., Травин В.Ю. Актуальные вопросы проектирования артиллерийских гильз современных конструкций // Оборонная техника. М.: НТЦ «Информтехника», № 6-7, 2оо5. С. Ю8 - 11о.
5. Травин В.Ю. Учёт повреждённости материала при оценке прочности и долговечности элементов конструкций // Оборонная техника. М.: НТЦ «Информтехника», № 6-7, 2оо5. С. 123 - 126.
МПа, т=1,1 о, р=1,44, т = о,о8 . Диаграмма пластичности для реализуемых термоме-
(эп )
Список литературы
6. Макаровец Н.А., Кобылин Р.А., Травин В.Ю. Современные артиллерийские гильзы и особенности их конструктивно-технологической отработки // Боеприпасы и спецхимия. М.: ГосНИП «Расчёт». 2012. № 4. С. 183 - 188.
7. Кузнецов В.П., Ренне И.П., Рогожин В.Н. Холодное выдавливание полых цилиндрических изделий из малоуглеродистой стали. Тула: Приокск. книжн. изд-во, 1976. 72 с.
8. Ренне И.П. Теоретические основы экспериментальных методов исследования деформаций методом сеток в процессах обработки металлов давлением. Тула: Тульский политехнический институт, 1979. 96 с.
9. Дель Г. Д., Новиков Н.А. Метод делительных сеток. М.: Машиностроение, 1979. 144 с.
10. Воронцов В.К., Полухин П.И., Белевитин В.А. и др. Экспериментальные методы механики деформируемых твердых тел: Технологические задачи обработки давлением. М.: Металлургия, 1990. 479 с.
11. Ренне И.П. Исследование деформированного состояния методом координатной сетки при сложном нагружении // Прогрессивная технология холодно-штамповочного производства. ЛОНТОМАШ. М.-Л.: Машгиз, 1956. Кн. 40. С. 7-23.
12. А.с. 627377 СССР, М. Кл.2 G 01 N1/28. Способ изготовления образцов для экспериментального исследования пластического формоизменения / В.А. Береговой, В.Ф. Зимин, П.И. Татаринов, С.П. Яковлев, Н.Д. Тутышкин, В.Д. Кухарь (СССР). № 2464419/25-26; Заявлено 16.03.77; Опубл. 05.10.78. Бюлл. № 37. С. 152.
13. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1983. Т. 1. 528 с.
14. Тутышкин Н.Д. Прогнозирование структурных свойств обрабатываемых давлением изделий // Исследование в области теории, технологии и оборудования штампового производства: Мезвуз. сб. ст. Тула: Тульский политехнический институт, 1992. С. 20-26.
15. Губкин С. И. Пластическая деформация металлов // Физико-химическая теория пластичности. М.: Металлургиздат, 1961. Т. 2. 416 с.
Травин Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, главный конструктор направления, nikolai. tutyshkin@,mail.ru, Россия, Тула, АО «НПО «СПЛАВ» им. А.Н. Ганичева»,
Тутышкин Николай Дмитриевич, д-р техн. наук, профессор, nikolai. tutyshkin@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Рыбина Анастасия Александровна, инженер-конструктор 1-й категории, nikolai. tutyshkin@mail.ru, Россия, Тула, АО «НПО «СПЛАВ» им. А.Н. Ганичева»
ANALYSIS OF DEFORMATION DISTRIBUTION AND STRUCTURAL PARAMETERS OF MATERIAL DURING EXTRUSION OF CYLINDRICAL BODY ARTICLES FROM SOLID
BLANKS
V. Yu. Travin, N.D. Tutyshkin, A.A. Rybina
Analysis of distribution of deformations and structural parameters of material when extruding cylindrical body articles from solid zagotwok is given. To determine the deformations in the meridional sections of a part, the dividing grid method was used. Due to the strong non-steady state of the extrusion process, the fundamental ratios through the basic components of the dividing grid as a satellite coordinate system were used to calculate deformations and their increments by stages. To calculate the structural parameters - defor-
mation damage, the grain size of polycrystalline aggregates and the internal strengthening energy - the determining ratios were used, including the parameters of deformations and stresses. The obtained results indicate significant irregularity of deformation distribution and structural parameters in the bottom part of the article..
Key words: deformations, dividing grid, structural parameters, damage, grain size, internal strengthening energy.
Travin Vadim Yuryevich, candidate of technical sciences, chief designer of the direction, nikolai.tutyshkinamail.ru, Russia, Tula, AO «NPO «SPLAV» named aftee A.N. Gan-ichev»,
Tutyshkin Nikolay Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, nikolai. tutyshkina mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Rybina Anastasia Alexandrovna, design engineer of the 1st category, nikolai. tutyshkinamail.ru, Russia, Tula, AO «NPO «SPLAV» namedafieeAAN. Gan-chev»
УДК 621.77, 621.7.043
ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ВЫДАВЛИВАНИИ ПРУТКОВОЙ ЗАГОТОВКИ
В КВАДРАТНУЮ МАТРИЦУ
Д.И. Котов, М.К. Чистяков
Представлены результаты моделирования операции изотермического выдавливания прутковой заготовки в матрицу с квадратным профилем рабочего отверстия. Установлены значения величин критерия разрушения и значений деформаций в заготовке при выдавливании.
Ключевые слова: изотермическое обратное выдавливание, деформациии, разрушение, обработка давлением.
В статье рассмотрен процесс изотермического выдавливания прутковой заготовки в матрицу с квадратным профилем рабочего отверстия. Особенный интерес представляет оценка величин деформаций в заготовке и возможности разрушения материала заготовки в процессе деформирования. В связи с этим необходимо выполнение компьютерного моделированияя. Схема процесса приведена на рис. 1.
Заготовкой являлся пруток круглого сечения из сплава АМг5. Его диаметр равен 70 мм и высота 60 мм. Сечением матрицы являлся квадрат с длинной стороны 70 мм. Пуансон геометрически представляет собой призму. Ширина его сечения 60 мм. Расчёты выполнены в программе DEFORM. Установлено влияние скорости перемещения инструмента и радиус скругления кромок инструмента на деформации и критерий разрушения. На рис. 2 представлены схемы, позволяющие выявить влияние данных величин на величину критерия разрушения в изделии.
Из рис. 2 видно, что значения критерия разрушения в рассматриваемых случаях не превышают критическую величину. Максимальное значение критерия разрушения составляет 0,35 при скорости деформирования V = 50 мм/мин и радиусе R = 10 мм. Снижение скорости деформирования позволяет практически до нуля снизить величину критерия разрушения.
