CC BY
58
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.983
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОВЫХ РЕЖИМОВ ОПЕРАЦИИ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ДВУХСЛОЙНОГО МАТЕРИАЛА
М.В. Грязев, С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, Ю.В. Бессмертная
Изложены отдельные результаты экспериментальных исследований силовых режимов вытяжки с утонением стенки двухслойной стали. Выявлено удовлетворительное согласование результатов теоретических и экспериментальных исследований силовых режимов операции вытяжки с утонением стенки двухслойной стали. Максимальная величина расхождения теоретических и экспериментальных данных не превышает 10 %.
Ключевые слова: анизотропия, эксперимент, вытяжка, двухслойный материал, скорость деформации, деформация, напряжение, сила, пластичность.
В машиностроении на современном этапе находят широкое применение биметаллы, т.е. материалы, представляющие собой основной материал, который подвергается плакированию. В биметаллах плакирующий слой, как правило, выполняет основную функцию - предохраняет изделие от коррозии [1].
Материалы, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением, в частности, операций глубокой вытяжки одно- и многослойных материалов [1 - 5].
В работах [6, 7] выполнены теоретические исследования операции вытяжки с утонением стенки осесимметричных деталей. Материал заготовки принимается двухслойным из разных материалов с различными ме-
ханическими свойствами, обладающими цилиндрической анизотропией механических свойств. Отношение диаметра заготовки к толщине стенки менее 20 (рис. 1). Принимается, что процесс реализуется в условиях осе-симметричного напряженного и деформированного состояний. На контактных поверхностях трубы и инструмента задаются касательные напряжения по закону Кулона. Изменение направления скоростей течения материала на границе очага пластической деформации при входе в него и выходе из него учитывается изменением величины радиального напряжения по методу баланса мощностей. Реализуется приближенное решение этой задачи с привлечением уравнений равновесия, условия несжимаемости материала, условия текучести Мизеса-Хилла и уравнений связей между скоростями деформаций и компонентами тензора напряжений [8].
Рис. 1. Схема к расчету напряженного и деформированного состояния двухслойной заготовки
Приводятся основные соотношения и уравнения для решения поставленной задачи в случае решения по первому и последующим приближениям. В первом приближении принимается коэффициент жесткости т функция координаты р в каждой из пластических областей (внутреннем и внешнем слоях). Привлекая уравнения связи между напряжениями и скоростями деформации, интегрируются уравнения равновесия в каждом слое. Этим достигается разделение переменных по скоростям течения и напряжениям. Полученное решение в скоростях течения материала используется для уточнения вида коэффициента жесткости, как функция т = f (р, 0). Второе использование этих коэффициентов жесткости в уравнениях связи
между напряжениями и скоростями деформации и в уравнениях равновесия позволило получить уравнения с разделяющимися переменными. В дальнейшем дифференциальные уравнения для определения скоростей течения материала решаются методом коллокаций с использованием необходимых граничных условий на контуре. Подробный анализ напряженного и деформированного состояния заготовки при вытяжке с утонением стенки двухслойного материала изложен в работах [6, 7]. Приведенные в этих работах соотношения для определения осевого напряжения и величины накопленной повреждаемости материала стенки детали позволяют установить предельные возможности процесса вытяжки с утонением двухслойного материала.
C целью проверки возможностей оценки силовых режимов выполнены экспериментальные исследования вытяжки с утонением стенки двухслойной стали 12Х3ГНМФБА+08Х13, механические свойства основного и плакированного слоя которых приведены в работе [9].
Полуфабрикаты для экспериментов изготовлялись из листовых заготовок диаметром 100,0 мм и толщиной стенки 5д=4 мм вытяжкой с калибровкой стенки в матрицах с углом конусности 15 ° с последующим
низкотемпературным отжигом при температуре Т = 720° (время отжига составляло 1 час). Заготовки изготовлялись на токарном станке обточкой квадратных заготовок, предварительно полученных разрезкой из листа. Вытяжка осуществлялась на испытательной машине ГМС-50 в штампе в конических матрицах без прижима в штампе.
При вытяжке с утонением стенки для всех опытов были следующие параметры инструмента: радиус закругления кромки пуансона Яп = 5 мм; диаметр матрицы = 50мм; высота рабочего пояска матрицы Ьр = 3мм.
В процессе эксперимента изменялись угол конусности матрицы а и коэффициент утонения т5. Коэффициент утонения т5 варьировался в диапазоне 0,5...0,9 путем изменения диаметра пуансона. Вытяжка осуществлялась на конических матрицах с углом конусности 10, 20 и 30°. В качестве смазки применялся «Препарат коллоидно-графитовый водный ПСВ». Вытяжка осуществлялась на провал. Для каждой группы фиксированных параметров проводилось по шесть опытов. За основу брались среднеарифметические данные силы. При расшифровке диаграмм «сила-путь» определялась величина силы процесса на стационарной стадии деформирования. Экспериментальные исследования вытяжки с утонением стенки выполнены на испытательной машине ГМС -50 с записью индикаторных диаграмм «сила-путь».
Выполнено сопоставление теоретических и экспериментальных данных по силовым режимам процесса для исследуемых материалов. На рис. 2 представлены зависимости изменения относительных величин сил
вытяжки с утонением стенки Р = Р/[к(с11 + 5^)5^0 22 ] от коэффициента утонения т5 при фиксированных значениях угла конусности матрицы а. Здесь Оо 22 " условный предел текучести стали 12Х3ГНМФБА.
1.8
1.6
1Л
12
0.8
0.6
0.4
ч
V ну ч\
у
v>
• :
0.6
0.7
m г,
0.8
05
1.8
1.6
1.4
12
0.8
0.6
• \
N \ \
•ч
s ч\ к
•
0.7
m г,
0.8
05
а б
Рис. 2. Зависимости изменения P от ms : а - a = 10° ; б - a = 30°
(§oi = 1 мм; so = 4 мм)
Значками обозначены экспериментальные данные силы Рэксп = Рэксп /[р(^1 + 51)5100 22 ], сплошная линия соответствует результатам расчета Р по второму приближению решения задачи; штриховая линия - по первому приближению. Расчеты выполнены при т п = 2 т м = 0,1. Результаты экспериментальных и расчетных данных показывают, что относительные величины силы Р существенно зависят от коэффициента утонения т5. С его уменьшением величина Р растет. Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам процесса указывает на хорошее их согласование. Максимальная величина расхождения теоретических и экспериментальных данных не превышает 10%. Результаты теоретических расчетов дают завышенные значения силовых параметров вытяжки с утонением стенки двухслойного материала.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 13-08-97-519 р_центр_а.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. Т. 4. Листовая штамповка
/ Под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
2. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 331 с.
3. Яковлев С.С., Кухарь В. Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2012. 400 с.
4. Арышенский Ю.М., Гречников Ф.В. Теория и расчеты пластического формоизменения анизотропных материалов. М.: Металлургия, 1990. 304 с.
5. Гречников Ф.В. Деформирование анизотропных материалов М.: Машиностроение, 1998. 446 с.
6. Грязев М.В., Яковлев С.С., Ремнев К.С. Математическая модель операции вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов в конической матрице// Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 1. С. 66-76.
7. Грязев М.В., Яковлев С.С., Ремнев К.С. Напряженное состояние и силовые режимы вытяжки с утонением двухслойных анизотропных упрочняющихся материалов // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 3. С. 128-137.
8. 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.
9. Грязев М.В., Яковлев С.С., Пилипенко О.В. Механические свойства двухслойной стали // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 10. Часть 1. С. 20-27.
Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трегубов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»,
Бессмертная Юлия Вячеславовна, канд. техн. наук, ассистент, mpf-tula @rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL STUDIES OF POWER MODES DRAWING OPERATION WITH WALL THINNING PLYMATERIAL
M. V. Gryazev, S.S. Yakovlev, V.I. Tregubov, Y. V. Bessmertnaya
Presented some results of experimental studies of power modes drawing with wall thinning two-layer steel. Revealed satisfactory agreement of theoretical and experimental studies of power modes drawing operation with wall thinning two-layer steel. The maximum value of discrepancy between the theoretical and experimental data does not exceed 10%.
Key words: anisotropy experiment, extractor hood, double layer material, strain rate, strain, stress, strength, ductility.
Gryazev Michail Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, rector, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Tregubov Victor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler.ru. Russia, Tula, NPO «SPLAV»
Bessmertnaya Yuliya Vyaceslavovna, candidate of technical science, assistant, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК. 621.7, 539.3
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ «ИНДУКТОР - ЗАГОТОВКА»
В. Д. Кухарь, А.Е. Киреева
В работе представлены исследования силовых характеристик процесса обжима цилиндрической заготовки одновитковым индуктором.
Ключевые слова: индуктор, математическая модель, заготовка, обжим, пон-деромоторные силы.
На базе разработанной математической модели [1], которая позволяет описать электродинамические процессы в системе трехмерных тел, разделенных непроводящей средой, были проведены исследования обжима цилиндрической заготовки одновитковым индуктором, конструкция которого представлена на рис.1, а геометрические размеры витка индуктора приведены на рис. 2.
