CC BY
46
УДК 621.983; 539.374
ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ РЕБЕР ЖЕСТКОСТИ НА ПЛИТАХ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
А.А. Перепелкин, А.А. Пасынков, Б.С. Яковлев
Приведена математическая модель операции изотермического выдавливания ребер жесткости на плитах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы и повреждаемость материала при горячем выдавливании ребер жесткости на плитах из алюминиевых и титановых сплавов.
Ключевые слова: выдавливание, ребро жесткости, вязкость, давление, температура, кратковременная ползучесть, повреждаемость.
В авиационно-космических летательных аппаратах применяют оребренные конструкции: крылья, корпуса отсеков, перегородки и др. Оребрения повышают жесткость изделий, что во многом решает задачи их прочности. Технология производства таких узлов связана с механическим резанием, что приводит к большему расходу материалов и высокой трудоемкости производства. Более эффективную технологию можно организовать на базе обработки давлением путем горячего выдавливания оребрений на плитах. Высокопрочные титановые, алюминиевые и алюминиеволитиевые сплавы для этих панелей требуют при таком варианте технологии нагрева в оснастке, т.е. изотермического режима штамповки. В процессе деформирования существенна зависимость давления, степени формоизменения, качества изделий от скорости операции. Обрабатываемый материал проявляет вязкие свойства. При этом пластические деформации и связанное с ними упрочнение могут вообще отсутствовать, а деформирование осуществляется в условиях ползучести материала под нагрузкой.
Ниже приведена математическая модель операции изотермического выдавливания ребер жесткости на плитах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести, а также выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы и повреждаемость материала при горячем выдавливании ребер жесткости на плитах из алюминиевых и титановых сплавов. Условие текучести принимается в форме Мизеса. Схема деформаций считается плоской.
Схема операции выдавливания, кинематически возможное разрывное поле скоростей и его годограф приведены на рис. 1. Поле состоит из жестких блоков 1, 2, 3, 4. Оснастка обозначена как блок 0. Блоки разделены линиями разрыва скоростей и перемещаются со скоростями, указанными на рис. 1. Деформации имеют место только на линиях разрыва, в том числе на границах трения. Поле кинематически допустимо при условии
а бій а бш(Р + у)
Ь бій у Бт(Р-а)’
Ь
а, в, у, а, Ь, И - тригонометри-
где а = агєі^—, у = аг^
« « - (а + о)С£Р
ческие и геометрические параметры поля скоростей.
//// ©///У/с//
ъ
а
а
б
Рис. 1. Схема выдавливания, поле скоростей (а) и годограф (б)
Силовые, деформационные и кинематические параметры рассчитываются на основе верхнеграничной экстремальной теоремы пластичности на базе разрывных полей скоростей перемещений с привлечением кинетики повреждаемости деформируемого материала. Энергетическое неравенство для данного разрывного поля имеет вид [2]
Здесь д - внешнее давление; ае - эквивалентные напряжения на соответствующих линиях разрыва скоростей; ттр - касательное напряжение на контактных границах трения; Ур, Ук - соответственно скорости перемещения
деформирующего инструмента на линиях разрыва и на границах трения; а, 1р, 1к - соответственно размер инструмента, длины линий разрыва скоростей и границ трения.
Установим кинематические соотношения для данного поля скоростей. Разрывы касательных к линиям разрыва скоростей запишем, исходя из годографа, в виде
У У У0біп в , У а Уд вшв ;
Ур = У12 =——Т.----------г; У23 = Т^^-------------7;
^ біп(р - а) Ь Біпф + у)
где У0 - скорость перемещения штампа.
144
Эквивалентные деформации и скорости деформаций на линиях разрыва будем определять как
2 Vp 2 Vpt
(Ъ) V=-^ —; (%) p = (^) р*
Здесь
______p
е;Р ^ ^
lp lp
a b , a + b
l12 = _--, l23 = _— , l24 =_— -
sin a sin у sin e
длины линий разрыва скоростей; t - время деформирования; Vp - разрывы
касательных скоростей.
Технологические данные показывают, что горячее прессование панелей реализуется при медленном деформировании в условиях нелинейновязкого течения материала. В этой связи уравнение состояния деформируемого материала принимаем в виде функции [3]
, = 4° е' °ео У
(1 - «г ’
где ае и £,е - эквивалентные напряжения и скорости деформаций на линиях разрыва скоростей; « - повреждаемость деформируемого материала заготовки; A, n, m - константы материала.
На контактной границе трения эквивалентные деформации и скорости деформаций определим осредненно:
/„ ) = 2 in h0 . /е ) = (sе)к
(ее )к = ^/3 h ’ )к = t ’
где ho = h + Ah - начальная толщина заготовки; h - конечная ее толщина; Ah - ход штампа.
Касательные напряжения трения запишем в виде
ттр = ц(ае )к,
где ц - коэффициент трения.
Давление штамповки зависит от времени (длительности) операции и повреждаемости материала заготовки. Степень формоизменения при этом задана.
Произведем оценку критических режимов штамповки в зависимости от состояния повреждаемости деформируемого материала. В зависимости от материалов и температуры деформирования повреждаемость может быть определена в соответствии с энергетической или деформационной теориями прочности [3]. По первой из них используется уравнение
d« = аеееЛ,
Апр
где 0 < ю < 1 - повреждаемость в соответствии с временем 0 < ? < ?кр; ?кр -критическое время полной повреждаемости.
По деформационной теории прочности повреждаемость материала определяется зависимостью
8 *
Ю =
(ве) пр
Здесь (ве)пр и Апр - предельные величины эквивалентной деформации и
удельная работа разрушения материала при заданной температуре [3].
В точках пересечения линий разрыва (в точках А, В, С на рис. 1, а) повреждаемость накапливается наибольшим образом. Эти точки - места вероятного разрушения или образования утяжин. По условию прочности здесь должны быть
юА = ю12 + ю23 + ю30 < 1; юВ = ю23 + ю24 < 1;
ЮС =Ю12 +Ю24 < 1.
Из приведенных выше зависимостей следует, что в первом случае повреждаемость определяется степенью формообразования и временем, а во втором она от времени не зависит.
Расчеты выполнены для прессования оребренных панелей из алюминиевого сплава АМг6 при 450 °С и титанового сплава ВТ6С при 930 °С, механические характеристики которых приведены в таблице [3]. Размеры панели: а = 25 мм, Ь=10 мм, Н=30 мм; I^ = 1тр = 15 мм, АН = 5мм.
Механические характеристики исследуемых материалов
Материал т ,°с <Je0, МПа А, МПа сп т п А .пр ’ МПа Є е пр
Алюминиевый сплав АМг6 450 ± 2 26,8 2,6712 • 10-3 0,81 3,81 6,2 -
Титановый сплав ВТ6С 930 ± 2 38,0 7,8914 • 10-4 0,50 2,03 - 0,693
На рис. 2 представлены графические зависимости относительного давления д = д / а*0 от скорости перемещения инструмента V при фиксированных значениях коэффициента трения ц на контактных поверхностях инструмента и заготовки.
\ \ АМгб \ ВТ6С
0,001 0,005 о,ою V. мм/с.
Рис. 2. Зависимости изменения д от V (ц = 0,1)
ВТбС \
\ \ АМгб
0,1 0,2 0,3 М-
Рис. 3. Зависимости изменения
д от ц (V = 0,01мм/с)
Анализ графических зависимостей показывает, что при горячем выдавливании ребер на плитах относительное давление существенно падает при увеличении длительности операции, т.е. при уменьшении скорости штамповки. Так, с уменьшением скорости перемещения инструмента V от
0,015 до 0,001 мм/с относительное давление выдавливания падает в 2 раза для алюминиевого сплава АМг6 и в 3,8 раза для титанового сплава ВТ6С.
На величины давления при горячем выдавливании ребер оказывают влияние условия трения на контактных границах инструмента и заготовки. Результаты исследования влияния коэффициента трения ц на величину относительного давления представлены на рис. 3. Показано, что при уменьшении трения наблюдается снижение давления. Так, снижение коэффициента трения ц от 0,4 до 0,1 приводит к уменьшению относительного давления деформирования сплавов АМг6 и ВТ6С на 10.. .15 %.
Выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров выдавливания оребрений на повреждаемость материала. На рис. 4 представлены графические зависимости повреждаемости ю от скорости перемещения инструмента V при выдавливании ребер из алюминиевого сплава АМг6. Величины повреждаемости определялись на линиях разрыва скоростей «12», «23», и «24», а также на линии границы трения «30». Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,001 до 0,015 мм/с повреждаемость сплава АМг6 возрастает в 5 - 7 раз. Максимальные значения повреждаемости наблюдаются на линии разрыва «23».
Результаты расчета повреждаемости титанового сплава ВТ6С в зависимости от степени деформации г (г = АИ / приведены на рис. 5. Установлено, что при увеличении г от 0,1 до 0,4 повреждаемость сплава ВТ6С возрастает в 5 - 6 раз. Наиболее опасной в плане накопления повреждаемости также является линия разрыва скорости «23».
со
0,4
0,3
0,2
ОД
0,0 0,001
Є ю / ^24 \
\ Ш12 \
\
'Ч\ ^30
0,005
0,010 17 мм!С
Рис. 4. Зависимости изменения ю от V для сплава АМг6 (Ц = 0,1)
ОД
0,2
0,3
Рис. 5. Зависимости изменения ю от е для сплава ВТ6С
(V = 0,01мм/с)
Таким образом, показано, что вариантом изготовления оребренных конструкций является технология изотермической штамповки при малых скоростях и выдержке под давлением. При этом реализуется режим ползучести, снижаются повреждаемость материала заготовки и удельная сила операции. Данная технология выдавливания оребрений позволяет повысить качество изделий при значительном сокращении трудоемкости производства.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и грантов РФФИ № 14-0831225 мол_а и № 14-08-00066 а.
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.
2. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С. С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
3. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов /
В.А. Голенков [и др.]. / под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
Перепелкин Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Борис Сергеевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
148
INSULATED EXTRUSION RIBS AT THE PLA TE TO BRIEFLY CREEP A.A. Perepelkin, A.A.Pasynkov, B.S. Yakovlev
A mathematical model of isothermal extrusion operations stiffeners on plates of high-strength materials in a short- mode creep. The influence of process parameters on power modes and material damage during hot extrusion of stiffeners on plates of aluminum and titanium alloys.
Key words: extrusion, rib , viscosity , pressure , temperature, short-term creep, defectiveness .
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Yakovlev Boris Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.374; 621.983
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА В КОНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ
Яковлев С.С., Пасынков А.А., Платонов В.И.
Выявлены закономерности влияния технологических параметров, анизотропии механических свойств на предельные возможности деформирования, связанные с максимальной величиной растягивающих напряжений на выходе из очага деформации и накоплением микроповреждений, на первой операции изотермической комбинированной вытяжки анизотропного материала в конической матрице в режиме кратковременной ползучести.
Ключевые слова: комбинированная вытяжка, анизотропия, температура, коническая матрица, пуансон, разрушение, вязкость, деформация, ползучесть, напряжение.
Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных труднодеформируемых материалов, обработка которых осуществляется в условиях медленного горячего формоизменения в режиме вязкого течения материала. В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли осесимметричные изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами глубокой вытяжки: вытяжкой без утонения и с утонением стенки, комби-
