Моделирование процесса сверхпластической формовки полой оболочки из листовой заготовки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 539,374

ЕМ.Селедкин, д-р тех. наук, проф., (4872) 33-24-88 (Россия, Тула, ТулГУ),

A.С. Пустовгар, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-24-88 (Россия, Тула, ТулГУ),

B.Ю. Легейда, асп., (4872) 35-18-32 , [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ ПОЛОЙ ОБОЛОЧКИ ИЗ ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ1

Выполнено моделирование процесса сверхпластической формовки полой оболочки излистовой заготовки, установлены технологические параметры процесса, определено распределение утонений в стенке формуемого изделия.

Ключевые слова: сверхпластичностъ, формовка, технологические параметры, газостатический, деформация, давление.

Тонкостенные полые обол очи сложной формы достаточно широко распространены в изделиях различных отраслей машиностроительной промышленности и для их производства чсто используются процессы листовой штамповки газовыми средами [1]. Для повышения деформационной способности метала при газовой формовке в раде случев используют его сверхпластическое состояние, деформируя его при определенных температурно-скоростных режимах (0,6....0,8 Тш и 10-2...104 с-1) [2].

Формообразование полых оболочек из листа под воздействием газовой среды при жестко зажатом фланце всегда осуществляется за счет утонения стенки части деформируемой заготовки, свободной от соприкосновения с поверхностью матрицы. В случае сверхпластической формовки (СПФ) оболочек в виде купола из круглой заготовки распределение радиальной деформации вдоль образующей показывает резкое нарастание утонения стенки изделия даже при относительно небольшой глубине штампуемого рельефа. При этом утоне не мало зависит от реологических свойств материла заготовки и определяется в основном соотношением геометрических рамеров формуемого изделия.

Для того чтобы в материале заготовки поддерживалось сверхпластиче-ское состояние, достаточно обеспечить требуемый скоростной режим, поскольку температурный режим достаточо просто обеспечтт технически, выполняя деформирование в изотермических условиях при заданной температуре. Поддержание необходимого диапазона скоростей деформации в пластически деформируемом материале при СПФ обеспечивается заданием необходимого режима давления газа, который можно установить на основе компьютерного моделирования процесса СПФ. Ниже выполнено моделирование процесса СПФ сложнопрофильной полой оболочки типа «крышка», эскиз которой представлен на рис. 1. Расчет выполнен по методике, изложенной в работе [1]. Вытяжка из круглой листовой заготовки толщиной 1,2 мм осуществляется по схеме негативной пневмоформовки.

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки

РФ в рамках программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)»,

Рис. 1. Эскиз детали «крышка» и деталь «крышка», изготовленная методом СПФ иг листовой заготовки

Материал заготовки - сплав с ультрамелкозернистой структурой, для которого состояние СП реализуется при температуре 425 °С и оптимальной скорости cвeрxшаcтрчecкoй деформации, проявляющейся в узком интервале 1,25х10 3 < %си" < 4,25 х10_3 с-1. Вариант уравнения состояния для данного сплава был получен путем аппроксимации в достаточно узком скоростном интервале сверхпласттеской деформации степенной функцией результатов экспериментов при cвeрxрлаcтрчлкoм деформировании листовых заготовок в двухосном состоянии и имел следующий вид: аи = 110,38 (£и)0,293 МПа.

В процессе моделирования определялся оптимальный газосташ-ческий режим, в результате реализации которого скорость деформации, вычисленная как среднее значение для части заготовки, которая не вошла в соприкосновение с матрицей, не выходила из заданного диапазона -А1 <Е,°ир <Е,°ир +А2, где А1 = А2 =0,3х10-. Результаты расчетов представлены на рис. 2-4.

На рис. 2 показан рассчитанный режим давления газовой среды, при котором обеспечивается заданный диапазон скоростей деформации материала заготовки. Хорошо прослеживаются три хракгерные стадии формоизменения: 1-я стадия - свободная формовка до момента касания заготовкой матрицы в месте сопрякения купола с донной поверхностью (окончание стадии приблизительно на 56-й секунде деформирования); 2-я стадия - заполнение основного объема с одновременным формированием округления при переходе от боковой стенки к донной част заготовки и с формированием куполообразного выступа (приблизительно до 143-й секунды); 3-я стадия - дош-тамповка купола. Весь процесс деформирования оболочки указанного типа осуществляется приблизительно за 175 с.

При СПФ данного изделия максимальное значение разнотолщинно-сти, вычисленное по формуле % = [&(тт)-S0)/£0]-100, составило 80,74 %.

Изменение относительной толщины стенки заготовки вдоль образующей в

направлении от центра заготовки (в точке вершины купола) к фланцу показа-

но на рис. 2,6.

а б

Рис. 2. Давление, скорость деформации и высота заготовки

в вершине купола (а) и изменение относительной толщины стенки вдоль образующей заготовки (б)

Как видно из рис. 2, разнотолщинность стенки полученной оболочки значительна. Это можно объяснить сильным различием в деформации различных частей первоначально равномерного по толщине листа.

Одним из способов снижения разнотолщинности является использование исходной заготовки с переменной толщиной. При этом в том мете, где заготовка получает в процессе формоизменения большую деформацию, исходна заготовка должна быть толще.

Поставим следующую задач: определить диаметральный профиль исходной заготовки, при СПФ которой получается оболочка (см. рис. 1) с максимальной разнотолщинностью х ^Хтх. Для проведения конкретных расчетов зададим х ^30%. На рис. 3,а покаан определенный расчетным путем исходный профиль злотов!®, при СПФ которой получается изделие «крышка» с покаателем х =25,2%. При этом распределение относительной толщины стенки вдоль обраующей в полученном из дели покаано на рис. 3, б.

SIS.

—A- 4-

Уг —7 Hr-

1^1 “““““I

-i- / - ■ - - J- r

«Л? оді ом «.о» Тї ML Я

Рис. 3. Вычисленный профиль заготовки для получения изделия

«крышка» с минимальной разнотолщинностью (а) и изменение относительной толщины стенки вдоль образующей заготовки при СПФ (р): 1 - заготовки с постоянной исходной толщиной (80=1,2 мм); 2 - предвариттьно профилированные заготовки

Предварительное создание разнотолщинности по сечению исходной заготовки может быть выполнено, например, электрохимическим фрезерованием, обработкой резанием, штамповкой в закрытых штампах и другими методами. Хотя при этом происходит удорожание изготовления исходной заготовки, зато создается возможность получения деталей практически с любым заданным распределением толщины по контуру.

Список литературы!

1. Панченко Е.В., СеледкинЕ.М. Пневмоформовка листовых заготовок в режиме сверхпластичности. Решение технологических задач. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 304 с.

2. Сминов О.М. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979. 184 с.

Е. Seledkin, A. Pustovgar, V. Legeida

Process Modeling of superplastic forming of cored jacket from parent

sheet

Process modeling of superplastic forming of cored jacked from parent sheet is performed, technological parameters of the process arc stated, distribution of compactions in the side-walls of the item is distinguished.