Экспериментальное моделирование методом делительных сеток штамповки остроконечных головных частей сердечников пуль Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539. 374

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ ДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТОК ШТАМПОВКИ ОСТРОКОНЕЧНЫХ ГОЛОВНЫХ ЧАСТЕЙ СЕРДЕЧНИКОВ ПУЛЬ

С.В. Недошивин, Г.В. Панфилов И. А. Гаврилин

Приведены сравнительные результаты поэтапных и конечных экспериментальных исследований методом делительных сеток процессов холодного пластического формообразования остроконечных головных частей сердечников пуль. Схематично получены изолинии распределения параметров напряженного и деформированного состояния в пластической области в зависимости от степени обжатия и угла конусности головной части.

Ключевые слова: стальные сердечники пуль, осесимметричное пластическое течение, экспериментальные исследования, метод делительных сеток.

Целью исследований являлось изучение влияния технологических и геометрических параметров процесса пластического формообразования остроконечных криволинейных участков на цилиндрической заготовке на характер течения материала, нарастание и распределение деформаций в пластической области, а следовательно, и на неравномерность механических свойств изделия в целом. Экспериментально выявленные в характерных сечениях деформируемой заготовки поля накопленных деформаций позволяют оценивать соответствующие распределения напряжений, работу, затрачиваемую на деформацию, степень использования запаса пластичности (ИЗП) материала и прогнозировать вероятность его разрушения.

Осесимметричный характер пластического течения материала при штамповке заостренных головных частей сердечников позволил провести в качестве модельных эксперименты по формообразованию остроконечных конических участков на мерных цилиндрических заготовках в глухих разъемных матрицах.

Среди разнообразных методик экспериментального исследования процессов пластического формоизменения в обработке металлов давлением, для которых характерны большие пластические деформации, наибольшее распространение получили методы, основанные на использовании информации об искажении делительных сеток, нанесенных в плоскости разъема составных образцов [1, 2]. В качестве исходной информации используются значения координат узловых точек делительной сетки.

Эксперименты проводились с помощью устройства (рис. 1), представляющего собой жесткий бандаж с коническим сквозным отверстием, куда помещаются две конические полуматрицы (для возможности извлечения полуфабриката после окончания процесса формообразования), образующие при смыкании профильную рабочую полость с криволинейным и цилиндрическим участками.

Для проведения эксперимента были изготовлены три комплекта полуматриц различной геометрии (рис. 2), а также полуцилиндрические образцы из алюминиевого сплава АМц, комплектуемые в цилиндр из двух штук диаметром около 15 мм.

Рис. 1. Экспериментальное штампующее устройство с разъемными полуматрицами

На плоскость разъема одного из полуцилиндров с использованием микроскопа и специальной оснастки острым индентором наносилась исходная прямоугольная делительная сетка с шагом 1 х 1,5 мм. Процесс формообразования завершался, когда выполнялось соотношение d/do»0,1. Измерение координат узловых точек исходной и искаженной делительных сеток после каждого этапа производилось на микроскопе.

Рис. 2. Полуматрицы с рабочими полостями, имеющими конический участок с различными углами конусности (слева направо):

25 = 450; 25 = 300; 25 = 150 157

Поскольку реализуемый комплекс экспериментальных исследований методом делительных сеток кинематики течения материала и выявления полей распределений количественных параметров напряженного и деформированного состояний предполагает достаточно большой объем опытных штамповок и вычислительных процедур необходимо выявить характер накапливаемых материалом при штамповке остроконечных конических участков деформаций. Это позволит обосновать метод, достаточный для обеспечения требуемой точности результатов. В случае если деформация окажется близкой к простой, достаточно в каждом опыте произвести замеры узловых точек первоначально неискаженной делительной сетки и координаты этих же узловых точек после полного завершения процесса формообразования. При этом дальнейшие расчеты производятся с использованием теории и соотношений конечных деформаций. В противном случае потребуется применение поэтапных методов и теории течения.

Для решения этого вопроса в соответствии с рекомендациями [1, 2] весь процесс штамповки острия поделен на четыре последовательных этапа, для каждого из которых определялись необходимые параметры деформированного и напряженного состояния. Внутри каждого этапа деформация принималась простой, а накопленное значение степени деформации сдвига определялось суммированием соответствующих значений по всем этапам. В этом случае компоненты тензора приращения деформации на каждом этапе могут быть выражены через частные производные координат узловых точек искаженной делительной сетки в конце этапа (эйлеровых координат) по координатам искаженной делительной сетки вначале этапа. Для определения степени использования запаса пластичности (ИЗП) можно использовать зависимость [3]

где Л - накопленное значение деформации сдвига; о - среднее напряжение; Т - интенсивность касательных напряжений; о/Т - показатель на-

Значение Лр (о/Т) определяется по диаграмме предельной пластичности. Следовательно, для определения степени ИЗП ф необходимо иметь зависимость Л (о/Т). В качестве такой зависимости при поэтапном

исследовании можно приближенно использовать дискретную, определяемую текущими значениями приращений АЛ на каждом этапе в каждой узловой точке и значениями показателя напряженного состояния о/Т в конце каждого этапа. На рис. 3 (как общей схеме) точками с координатами

(1)

пряженного состояния; Л'

а/Т и Л изображена последовательность этапов деформирования. Соединяя полученные точки плавной кривой и экстраполируя ее до пересечения с осью а/Т, получаем график функции Л (а/Т) и находим значение а/Т для соответствующей узловой точки.

АР 4

3

=5 2

гч

сч>, <, <

5

1,5

-1,0

0,5

0,5

Рис. 3. Схема к определению степени использования запаса пластичности: Лр (а/Т) - кривая предельной пластичности

стали У12А; Л (а/Т) - кривая, отображающая процесс

деформирования материальной точки в пластической области по этапам (история деформирования)

Приближенное значение интеграла (1) можно получить, вычисляя на каждом п-ном этапе значение Л (а/Т) и заменяя интегрирование суммированием по этапам:

АЛ'

N

Ф = 2 Ё 1

Т п п-1

п=1 Л р +Л р

(2)

где N - число этапов.

Результаты анализа деформированного и напряженного состояния на каждом этапе позволяют построить в плоскости нанесения сетки изолинии накопленной деформации сдвига Л и показателя напряженного состояния а/ Т, а также оценить степень использования запаса пластичности Ф .

Поэтапные экспериментальные исследования холодного пластического формообразования остроконечного конуса проводились с использованием комплекта полуматриц, имеющих угол конусности рабочей полости 25 = 300 (см. рис. 2). Образцы, полученные после деформирования исходной цилиндрической заготовки на каждом из четырех этапов, представлены на рис. 4.

Рис. 4. Искаженные делительные сетки по четырем этапам пластического формообразования конуса

в полуматрицах с углом 25 = 300

Из анализа информации, представленной на рис. 4 и 5, можно оценить характер распределения и динамику изменения параметров напряженного и деформированного состояний в процессе пластического формообразования остроконечных конических участков на цилиндрических заготовках.

Очевидно, что в радиальном направлении (горизонталь в плоскости рисунков) наибольшее значение накопленной деформации сдвига Л расположено в зонах, примыкающих к оси симметрии. Это объясняется тем, что в периферийных зонах формообразуемого конического острия, примыкающих к поверхности инструмента, на кинематику пластического течения деформируемого материала определенное влияние оказывает тормозящее контактное трение. Указанное трение имеет место, несмотря на то, что рабочие полости инструмента подвергались финишной обработке в диапазо-

не качества контактной поверхности Яа = 0,08 - 0,16, и при качественной

смазке зоны обработки обеспечивались технологически обоснованные условия благоприятной кинематики течения деформируемого материала.

Анализ распределения накопленной степени деформации сдвига в осевом направлении в пластической области позволил сделать неожидае-мый вывод о том, что максимальная величина накопленной степени деформации сдвига имеет место не в вершинке острия, а на определенном удалении от нее по оси симметрии. Эту особенность сложно обнаружить прочими модельными экспериментами. Для последующих расчетов и выводов будем относить значения указанных параметров напряженного и деформированного состояний.

4

Рис. 5. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния на этапах: слева - изолинии накопленной степени деформации сдвига Л; справа - изолинии показателя напряженного

состояния а/Т

Середины указанных представленными схемами изолиний микро-зон и будем называть опасными (в смысле наибольшей степени исчерпания запаса пластичности) точками, по параметрам в которых, в последствии будет производиться расчет количества формообразующих операций и рациональных размеров промежуточных полуфабрикатов.

Анализ результатов экспериментальных исследований также показывает, что координата (местоположение, расстояние) опасной точки от вершины острия увеличивается с повышением степени обжатия, в частном

случае при угле конусности рабочей полости инструмента 28 = 300.

Для установления характера деформаций и обоснованности применения в дальнейших расчетах теории течения (поэтапных экспериментальных исследований) или теории конечных деформаций, при которой используется экспериментальная информация только о координатах узловых точек первоначально неискаженной делительной сетки и информация о координатах узловых точек искаженной делительной сетки после завершения процесса пластического формообразования конического острия на цилиндрических образцах были произведены альтернативные расчеты (рис. 6).

Рис. 6. Схема распределения накопленной степени деформации сдвига (справа) и показателя напряженного состояния (слева) при расчетах по теории конечных деформаций

Из сопоставления результатов, приведенных на рис. 4, 5 и 6, следует, что экспериментальный анализ кинематики течения материала при холодном пластическом формообразовании остроконечных пластических участков на цилиндрических образцах (заготовках) показывает, что с достаточной для практических расчетов точностью можно принимать деформацию простой.

Список литературы

1. Ренне И.П. Теория конечных деформаций и экспериментальных методов исследования деформированного состояния: учебное пособие. Тула: ТПИ, 1985. 76 с.

2. Ренне И.П. Экспериментальные методы исследования пластического формоизменения в процессах обработки металлов давлением с помощью делительной сетки. Тула: ТПИ, 1970. 148 с.

3. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. Л.: Металлургия, 1970. 229 с.

Недошивин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Панфилов Геннадий Васильевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Гаврилин Иван Александрович, магистрант, gavrilinivan@yahoo. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

EXPERIMENTAL SIMULATION BY SEPARATING GRIDS STAMPING POINTED CORE

HEAD PART BULLETS

S. V. Nedoshivin, G. V. Panfilov, I.A. Gavrilin

Comparative results phased and final experimental studies by dividing grids of cold plastic forming processes gabled warheads core bullets. Schematically obtained contour parameter distribution of stress and strain state in the plastic range, depending on the degree of compression and the cone angle of the head.

Key words: steel cores bullets axisymmetric plastic flow, experimental studies, the method of dividing nets.

Nedoshivin Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, arc-hon8() a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University.

Gavrilin Ivan Aleksandrovich, postgraduete, [email protected],Russia, Tula, Tula State University