CC BY
3
УДК 621.77; 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-367-371
К ОЦЕНКЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРЯМОГО ХОЛОДНОГО ВЫДАВЛИВАНИЕ
ТИТАНОВОЙ ТРУБЫ
Н.М. Чекмазов
Различного рода втулки или полуфабрикаты для них изготавливать возможно методами прямого, обратного и комбинированного выдавливания. При выдавливании трубных или прутковых заготовок в очаге деформации возникает всестороннее неравномерное сжатие. Процесс характеризуется высоким гидростатическим давлением и значительными силами деформирования. Нагрев заготовок позволяет значительно снизить силы и напряжения в очаге деформации. Однако нагрев заготовок накладывает определенные издержки на производительность. Ввиду этого возникает необходимость в оценки возможности осуществления холодного выдавливания заготовок из высокопрочных сплавов. В статье рассмотрен процесс выдавливания трубной заготовки из титанового сплава в холодном состоянии через инструмент с конической рабочей поверхностью. Выполнена оценка возможности деформирования с точки зрения допустимых значений напряжений и величин повреждаемости.
Ключевые слова: прямое выдавливание, холодная штамповка, сила, анализ, повреждаемость.
Оболочки, представляющие собой тонкостенные изделия с различными наружными диаметрами относительно вертикальной оси являются представителями распространённой группы изделий машиностроения. Такие оболочки могут иметь разную толщину стенки по высоте. Переход от одного диаметрального размера к другому представляет собой конический участок. Выдавливание трубного проката позволяет достичь как заданных геометрических характеристик изделия, так и высоких прочностных характеристик. Но при выдавливании в очаге деформации возникает всестороннее неравномерное сжатие. Процесс характеризуется высоким гидростатическим давлением и значительными силами деформирования. Процесс холодного выдавливания требует обоснования назначения технологических режимов для обеспечения рациональных энергосиловых характеристик. Ввиду этого выполнена оценка возможности деформирования с точки зрения допустимых значений напряжений и величин повреждаемости.
На рис. 1 дана схема процесса. Размеры заготовки и инструмента в соответствии со схемой: Г0 = 40 мм; r = 35 мм; Н = 40 мм; АН = 25 мм; r2 = 32...38 мм; r3 = 30...34 мм; а = 25...65°;
ß = 25...45°; V0 = 1...60 мм/мин; ц = 0,3.
Выполнено исследуемой операции моделирование с использованием комплекса DEFORM при различных комбинациях представленных ранее размерах и скоростях деформирования. Далее в статье будут представлены результаты в виде эскизов заготовки на конечной стадии деформирования.
Рис. 1. Эскиз выдавливания трубы в конический инструмент: 1 - заготовка; 2 - матрица; 3 - пуансон; 4 - оправка
На рис. 2 даны эскизы изделий, соответствующие окончанию процесса выдавливания, на которых представлена градация напряжений по толщине стенки.
367
На рис. 3 представлены графики изменения величин максимальных значений растягивающих напряжений для разных характеристик конусности инструмента для условий холодного деформирования.
Из рис. 2 виден характер изменения максимальных величин напряжений относительно вертикальной оси заготовки. Сжимающие напряжения преобладают в недеформированной части заготовки. В формируемой стенке и очаге деформации напряжения в основном растягивающие.
Увеличение угла конусности оправки приводит к росту сжимающих и растягивающих напряжений. Рост величины конусности матрицы также ведет к увеличению напряжений. Величины напряжений при деформировании в холодных условиях достигают следующих значений: растягивающих - 3000 МПа и сжимающих 1440 МПа. Величины растягивающих напряжений многократно превышают допустимые величины.
Stress - М» ргакфа! i MPal
Sire« - Ни pnnctpa' <MPa)
Stress - Man ргоорл! (MPa>
I
P = 25е
P = 35е
а
P = 45е
I
I
•429 -623
I
Stress - Ma* principal (MPa) 547
362 177 -8 27 -193 -378 -563
I
P = 25е
Stress - Man: principal (MPa) 973
P = 35е
1
I
I
Slress - Ma* principal (MPa) 1130
P = 45е
Рис. 2. Схемы для оценки средних напряжений по толщине стенки:
а - а = 25°; б - а = 45°; в - а = 65°
368
-736 -1120 -1440
1
I
в
На рис. 4 представлены графики изменения силы выдавливания в течении операции для разных характеристик конусности инструмента для условий холодного деформирования.
Анализ рис. 4 позволяет сказать, что изменение углов конусности инструмента приводит к изменению силовых режимов на 40...80 %. Причем для угла конусности матрицы а = 25° рост угла конусности оправки приводит к росту сил деформирования на 45 %. Для угла конусности матрицы а = 45° рост угла конусности оправки приводит вначале к росту сил на 55 %. Для угла конусности матрицы а = 65° рост угла конусности оправки приводит вначале к росту сил, а затем в интервале р = 40...45° к снижению сил деформирования.
л, МПа
шю 1600 1400 1ЛЮ 1000 НПО 600 ■юс ?оо
1 2 ^ 3 ч
а, МПа
а, МПа
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
1 2-,
Рис. 3 Графики изменения величин максимальных значений растягивающих напряжений в течении
процесса: а - а = 25° ; б - а = 45° ; в - а = 65° ; 1 - р = 25°; 2 - р = 35° ; 3 - р = 45°
Р,Н
Р,н
3000000 2500000 2000000 1500000 1000000 500000
о
0,2
ОА
0,6
0.3
Рис. 4 Графики изменения величин максимальных значений растягивающих напряжений в течении
процесса: а
а = 25°; б - а = 45°; в - а = 65°; 1 - р = 25°; 2 - р = 35°; 3 - р = 45°
б
а
в
б
а
в
В целом анализ процесса выдавливания трубной заготовки из титанового сплава позволяет сказать, что как значения силовых режимов, так и величины напряжений имеют высокие значения, превосходящие допустимые. Нагрев заготовок до температур горячей штамповки позволяет снизить силы штамповки более чем в 4 раза и значения растягивающих напряжений более чем в 10 раз. Несмотря на издержки, возникающие в процессе горячей штамповки применение нагрева при деформировании труб из титанового сплава оправдано.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант РФФИ № 20-08-00541.
Список литературы
1. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных сплавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.
2. Черняев А.В., Чарин А.В., Гладков В.А. Исследование силовых режимов радиального выдавливания внутренних утолщений на трубных заготовках // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 10. С. 440-445.
3. 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.
4.Теория обработки металлов давлением / под ред. Голенкова В.А. и др. М. Машиностроение. 2009. 442 с.
5. Чудин В.Н., Черняев А.В. К расчету процессов осесимметричного вязкопластического деформирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 7. 2017. С. 42 - 47.
6. Перепелкин А.А., Черняев А.В., Чудин В.Н. Горячее выдавливание внутренних концевых утолщений на корпусах / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып.1. С. 191 - 202.
7. Колмогоров В.Л. Механика обработки и металлов давлением. М.: Металлургия. 1986.
688 с.
8. Shengfa Zhua, Xincun Zhuanga, Dongkai Xucd, Yin Zhua, Zhen Zhao Flange forming at an arbitrary tube location through upsetting with a controllable deformation zone // Journal of Materials Processing Technology. Volume 273, 2019, 116230.
9. Alves L.M., Afonso R.M., Silva C.M.A., Martins P.A.F. Joining tubes to sheets by boss forming and upsetting // Journal of Materials Processing Technology. Volume 252, 2018. P. 773-781.
10. Anees Al-Tamimia, Rooholamin Darvizeha, Keith Davey Experimental investigation into finite similitude for metal forming processes // Journal of Materials Processing Technology. Volume 262, 2018. P. 622637.
Чекмазов Никита Михайлович, студент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DIRECT EXTRACTION OF TITANIUM PIPE IN A CONICAL TOOL N.M.C hekmazov
The paper presents the results of modeling the process of deformation of a pipe made of VT6 alloy, implemented at temperatures corresponding to hot deformation. In particular, the operation of direct extrusion is considered. The process is carried out by moving the workpiece through the matrix and the mandrel of a conical shape by means of the pressure of the pressure punch. Due to the geometry provided by the taper of the tool, the metal flows in a conical channel. In this case, the formed wall of the product is located at a certain distance relative to the walls of the workpiece along the vertical axis. The operation under study was simulated using the complex. based on finite element calculations for various combinations ofpreviously presented sizes and strain rates. In the work, the influence of the degree of deformation, defined as the difference in the cross sections of the workpiece at the entrance to the deformation zone and the exit from it, as well as the relative inner diameter of the formed wall and technological modes, on the formation of the extruded wall of the product was studied.
Key words: direct extrusion, hot deformation, geometry, research. Chekmazov Nikita Mikhailovich, student, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-371-374
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ
НАРУЖНОМ РИФЛЕНИИ
В.Д. Кухарь, С.С. Яковлев
Для удовлетворения нужд современной промышленности требуются различные по форме металлические изделия, так существует ряд пустотелых изделий цилиндрической формы, будь это трубные детали или оболочки с дном, на внешней поверхности которых имеются рифли. Рифли могут быть как спиральными, так и продольными, при этом может образовываться сетка рифлей. Изготовление таких деталей пластическим формоизменением требует комплексного исследования. Особый интерес при исследовании метода представляет напряженное и деформированное состояние, что дает первоначальное представление о степенях деформации, величинах напряжений, соотношений растягивающих и сжимающих напряжениях при продольном рифлении пластическим изменением формы. В данной работе проводится исследование напряженного и деформированного состояния при локальном пластическом нанесении продольных рифлей. Приводятся схемы распределения средних напряжений, интенсивности напряжений и интенсивности деформаций по объему полуфабриката. Оцениваются максимальные и минимальные величины этих характеристик, а также их статистика.
Ключевые слова: рифление, продольные наружные рифли, пластическое формоизменение, напряженно-деформированное состояние.
Существует ряд пустотелых изделий цилиндрической формы, будь это трубные детали или оболочки с дном, на внешней поверхности которых имеются рифли. Рифли могут быть как спиральными [1], так и продольными, при этом может образовываться сетка рифлей. Такие изделия могут использоваться в различных отраслях, например, в энергетической, где рифли увеличивают интенсивность теплообмена за счет увеличенной площади поверхности, в машиностроении, где рифли могут использоваться для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей или как элемент зацепа.
Известны несколько способов получения таких изделий, например, литье, резание, локальное пластическое деформирование. Последний метод изучен мало, так как является новым [2]. Особый интерес при исследовании метода представляет напряженное и деформированное состояние, что дает первоначальное представление о степенях деформации, величинах напряжений, соотношений растягивающих и сжимающих напряжениях. Поэтому в данной работе будет проведено исследование напряженно-деформированного состояния при продольном рифлении внешней поверхности заготовки типа стакан с помощью компьютерного моделирования в программе QForm [3-10]. Заготовкой послужила стальная оболочка из стали 10, с толщиной стенки 3 мм, внешним диаметром 36 мм. Деформирование осуществлялось с помощью вытяжки с утонением, причем зазор между материалом заготовки и матрицей отсутствовал, при этом высота выступов матрицы составляла 1,5 мм. В итоге осуществлялось локальное утонение.
В результате компьютерного моделирования были получены в сечении (рис. 1) интенсивности напряжений (рис. 2), интенсивности деформаций (рис. 3), средние напряжения (рис. 4), повреждаемость (рис. 5).
Рис. 1. Исследуемое сечение детали 371
