CC BY
8
Khvan Dmitry Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, tpm@vorstu.ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Voropaev Alexey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, tpm@vorstu.ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
УДК 621.762.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЛЬНО-ПРЯМОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ПОКОВКИ СО СФЕРИЧЕСКОЙ ПОЛОСТЬЮ И БУРТОМ
Л. А. Рябичева, Ю.Н. Никитин
Выполнено моделирование радиально-прямого выдавливания поковки со сферической полостью и малым буртом. Получено изменение интенсивностей напряжений, деформаций и скоростей деформации в различных сечениях поковки. Показана высокая неравномерность напряженно-деформированного состояния, температурного поля и неравноплотность по сечению поковки, что является причиной появления утяжины, переходящей в складку.
Ключевые слова: пористая заготовка, радиально-прямое выдавливание, напряженно-деформированное состояние, температурное поле.
В последнее время наблюдается рост изготовления деталей конструкционного назначения методами горячего выдавливания из пористых заготовок. Материал пористых заготовок, нагретый до температуры горячей деформации, имеет более низкий предел текучести, чем материал аналогичного состава при холодной деформации [1]. В результате этого горячей обработкой пористых заготовок можно получать изделия при относительно невысоких давлениях. Порошковые детали конструкционного назначения представляют собой цилиндрические тела вращения, по исполнению относящиеся к различным группам сложности [2]. Для получения деталей различной конфигурации целесообразно выбирать заготовки соответствующей формы и использовать наиболее рациональную схему деформирования [3]. На силу горячего выдавливания и получение качественных деталей без трещин, расслоений, утяжин с максимальной плотностью по всему объёму большое влияние оказывает конфигурация, материал и пористость исходной прессовки.
Целью работы является моделирование радиально-прямого выдавливания пористой заготовки, оценка неравномерности напряженно-деформированного состояния (НДС) и температурного поля по сечению поковки.
При конструировании втулок, фланцев и других деталей машин, имеющих бурты и другие соосные цилиндрические поверхности различного диаметра, малым буртом является бурт, ширина которого меньше высоты [4, 5] и диаметр бурта составляет 1,1.. .1,3 наружного диаметра детали.
197
При моделировании радиально-прямого выдавливания поковок со сферической полостью и малым буртом из цилиндрической прессовки соотношение диаметра бурта к наружному диаметру прессовки Обурта / Бн
(где Бн - диаметр поковки) принимали равным 1,1, 1,2 и 1,3.
Рассматривали технологию радиально-прямого выдавливания поковки со сферической полостью и малым буртом с отношением Ебурта / Ен =1,1 из порошковой стали ПК40 на винтовом прессе Ф-1730 силой 1000 кН. Для моделирования использовали метод конечных элементов (МКЭ). Скорость деформирования 0,5 м/с, температура начала выдавливания 1100 °С, коэффициент трения 0,2, исходная пористость прессовки 15 %. Исходные размеры: наружный диаметр Вн=27 мм, диаметр отверстия 9 мм, высота 31 мм; диаметр поковки 28 мм, бурта 30,8 мм, высота 26 мм, диаметр отверстия 8,5 мм. На рис. 1 показана конечно-элементная модель прессовки и сечения поковки, в которых выполнялся анализ напряженно-деформированного состояния.
а б
Рис. 1. Модель прессовки (а) и сечения для анализа напряженно-деформированного состояния (б)
В сечениях поковки ОА, ОВ и ОС максимальные интенсивности напряжений, деформаций и скоростей деформаций наблюдаются в поверхностных слоях сферической полости, в зоне контакта с инструментом, которые постепенно убывают вглубь поковки (рис. 2). Наибольшие значения исследуемых величин установлены в сечении ОС, в котором существует наибольшая вероятность образования дефектов.
В этом сечении наблюдается резкая неравномерность НДС: величина интенсивности напряжений уменьшается в 2,3 раза, интенсивности деформаций в 1,6 раз. На поверхности поковки интенсивность напряжений составляет 270 МПа, на расстоянии 18 мм от поверхности - 52 МПа. Уменьшение интенсивности напряжений составляет 5,28 раза. Интенсивности деформаций и скоростей деформаций также уменьшается в глубь поковки. Однако по сечению ОС на глубине 1,8...2 мм от поверхности полости наблюдается всплеск значений. Очевидно, это объясняется тем, что область металла в месте перехода сферической полости в отверстие нахо-
198
дится большее время в контакте с пуансоном, происходит местное под-стуживание, и формоизменение компенсируется за счет более глубоких слоев. Такое изменение НДС свидетельствует о его большой неравномерности, которая в сечении ОС приводит к образованию утяжины.
а б в
Рис. 2. Изменение интенсивностей напряжений, деформаций и скоростей деформации в сечениях: 1 - ОА; 2 - ОВ; 3 - ОС
Неравномерность НДС является причиной значительной неравномерности температурного поля (рис. 3). По мере продвижения в глубь образца температура увеличивается до 1200 °С за счет теплового эффекта пластической деформации. В местах контакта поковки с инструментом образуется подстуженный слой за счет теплопроводности и конвективного теплообмена.
Температура 1.030е+03 _ 9.2906+02
8.280е+02 Л
7.269е+02 _ 6.259е+02_ 5,249е+02_ 4 2396+02 _
3228е+02 I
2.218е+02_ 1 г30е+а2 1
2.2106*01 М
Рис. 3. Температурное поле при выдавливании
Неравномерность НДС и температурного поля поковки создает условия для образования утяжины на расстоянии 2...3 мм от кромки отверстия, которая постепенно переходит в складку и далее в прострел (рис. 4). Исследованию причин нарушения течения металла, способствующих образованию складок и прострелов при штамповке компактных материалов, посвящено немало работ. При прессовании порошковых материалов указанные процессы изучены недостаточно. Однако существует мнение, что они также возникают в результате выраженной неравномерности НДС, приводящей к потере пластического равновесия и растрескиванию изделий.
Для целостности прессовки наибольшую опасность представляет переход складки, имеющей закругленные кромки, в прострел, острый край которого является концентратором напряжений, что приводит к растрескиванию изделия. В связи с этим выполнен анализ эволюции дефекта в процессе выдавливания. На рис. 4 показаны этапы формирования дефекта от утяжины (рис. 4, а) до складки (рис. 4, б, в) и прострела (рис. 4, г).
^ ''Р ГЛ
.ж- ч* 1 Ш ж.
•? I *
К й 4
а б в г
Рис. 4. Эволюция складки при выдавливании
В результате неравномерности НДС происходит затягивание поверхностного слоя поковки в окрестностях утяжины внутрь, и утяжина превращается в складку. В дальнейшем под давлением пуансона полость складки захлопывается, края заостряются, становясь концентраторами напряжений, после чего происходят зарождение и развитие трещины, а складка переходит в прострел.
На рис. 5 представлены результаты моделирования напряженного состояния при образовании складки, из которых следует, что в ее окрестностях оно отличается значительной неравномерностью. В слоях металла, примыкающих к поверхности складки, интенсивность напряжений составила 160.240 МПа и примерно соответствует интенсивности напряжений на нижней кромке поверхности сферической полости 180.250 МПа.
Количественной оценкой концентрации напряжений, учитывающей влияние температурно-скоростных условий на свойства деформируемого материала, служит технический коэффициент концентрации напряжений аа, учитывающий структуру и пластические свойства материала [6]:
а
а
У
(1)
где атах - наибольшая интенсивность напряжений в окрестностях дефекта; у - интенсивность напряжений при заданных условиях деформирования.
Подстановка величин интенсивности напряжений, приведенных на рис. 2, а и 5, в формулу (2) показала, что аа= 2,5.3,0. По мере продвижения вглубь поковки напряжения уменьшаются до 120 МПа, а затем до 90 и
200
70 МПа. Однако после соприкосновения поверхностей складки у ее окончания образуется концентратор напряжений, вокруг которого интенсивность напряжений достигает 400 МПа (а(= 4,0.6,0), что приводит к развитию трещины, уходящей в глубь изделия. Это способствует эволюции складки в прострел, а также служит причиной ухудшения качества сферической поверхности в области ее перехода во внутреннее отверстие. При этом растрескивание сопровождается релаксацией напряжений, что приводит к их снижению до 70 МПа после образования трещины.
Рис. 5. Напряженное состояние в процессе эволюции складки
в прострел
Для количественной оценки неравномерности НДС введем коэффициент неравномерности напряжений , коэффициент неравномерности деформаций ешк и коэффициент неравномерности скоростей деформаций е1пЬ:
N
(тН
ЕЛ (Г -()2
= ]=1 *__
N
етН
^[<Т - )2
]=1'
&&1пН
^ (&ге-е) =)=1v__
(2)
(JГN ..........eaveN £ГeN
где оауе -среднее арифметическое интенсивностей напряжений в объеме
прессовки; & -среднее арифметическое интенсивностей деформаций в объеме прессовки; (( - интенсивность напряжений в ]-м конечном элементе; ¿/ - интенсивность деформаций в ]-м конечном элементе; N - количество элементов в объеме прессовки.
В случае равномерной деформации (пн, ешн и ешН равны нулю. Результаты анализа неравномерности НДС по сечениям поковки при выдавливании цилиндрической прессовки приведены в таблице.
Анализ данных таблицы подтверждает, что наибольшая неравномерность НДС наблюдается в сечении ОС, что соответствует затягиванию поверхностных слоев металла внутрь в процессе формирования утяжины.
201
Формулы (1), (2) могут быть использованы также при экспериментальном исследовании НДС методом координатных сеток, тогда величина N будет равняться количеству элементарных ячеек в исследуемом сечении.
Неравномерность НДС по сечениям поковки
Сечение поковки sinh einh einh
OA 0,29 0,31 0,37
OB 0,33 0,36 0,48
OC 0,41 0,56 0,76
Таким образом, моделирование радиально-прямого выдавливания поковки со сферической полостью и малым буртом из цилиндрической прессовки пористостью 15 % с осевым отверстием показало высокую неравномерность напряженно-деформированного состояния, температурного поля и неравноплотность по сечению поковки. Неравномерность НДС и температурного поля по сечению поковки является причиной утяжины, переходящей в складку.
Список литературы
1. Хун Шэнчжан. Исследование зависимости между деформирующим усилием и плотностью при горячей штамповке порошковой заготовки // Кузнечно-штамповочное производство. 1991. №7. С. 4 - 5.
2. Дорофеев Ю. Г., Мирошников В. И., Байдала Э. С. Основные параметры технологии динамического горячего прессования при производстве деталей различной степени сложности // Порошковая металлургия. 1979. № 8. С. 91 - 99.
3. Ермаков С. С., Вязников Р. Ф. Порошковые стали и изделия. Л.: Машиностроение, 1990. 319 с.
4.Анурьев В. И. Справочник конструктора машиностроителя. М.: Машиностроение, 2001. 864 с.
5. Семенов Е. И. Ковка и объемная штамповка. М.: Высшая школа, 1985. 352 с.
6. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1988. 736 с.
Рябичева Людмила Александровна, д-р техн. наук, зав. кафедрой, ryabic@,gmail. com, Украина, Луганск, Луганский национальный университет им. В. Даля,
Никитин Юрий Николаевич, канд. техн. наук, доцент, ryabic@,gmail. com, Украина, Луганск, Луганский национальный университет им. В. Даля
SIMULA TION OF RADIAL-DIRECTEXTRUSION OF THE FORGED PIECE WITH THESPHERICAL CAVITYAND COLLAR
L.A. Ryabicheva, Yu.N. Nikitin 202
The radial-direct extrusion of the forged piece with the spherical cavity and small collar has simulated. Changes in stress intensities, strains and strain rates across various sections of the forged piece have calculated. It has shown clearly a high non-uniformity of the stress-strain state, the temperature field and variation of density in a section of the forged piece, which lead to the initiation of a flow-through flaw with further evolution into a fold.
Key words: porous billet, radial-direct extrusion, stress-strain state, temperature
field.
Ryabicheva Lyudmila Aleksandrovna, doctor of technical sciences, head of chair, ryabic@,gmail. com, Ukraine, Lugansk, Lugansk National University. V. Dahl,
Nikitin Yury Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, rya-bic@,gmail. com, Ukraine, Lugansk, Lugansk National University. V. Dahl
УДК 621.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОШИВКИ ЗАГОТОВКИ БАБОЙ КОВОЧНОГО МОЛОТА
С НАПОЛНИТЕЛЕМ
В.Ю. Лавриненко, Е.Н. Складчиков, Ф. Стоиковски
Представлены результаты экспериментальных исследований процесса ударного деформирования при прошивке свинцовой заготовки на молоте, показывающие увеличение КПД удара и уменьшение количества ударов при использовании бабы молота с наполнителем в виде стальных шариков.
Ключевые слова: прошивка, ударное деформирование, КПД удара, баба молота с наполнителем.
При ковке на молотах эффективность ударного деформирования определяют КПД удара, который равен отношению работы пластической деформации заготовки к энергии падающих частей молота. При этом основным недостатком ковки на молотах является низкий КПД удара вследствие кратковременности ударного деформирования заготовки, а также потерь энергии на упругую деформацию поковки и деталей молота, трение и смещение центра взаимодействующих масс, что снижает КПД всего молота и повышает расход энергии [1].
Основное формоизменение заготовки при ковке происходит за счет операции осадки и прошивки. Проведенные ранее экспериментально-теоретические исследования процесса ударного деформирования при осадке цилиндрических заготовок бабой молота с наполнителем в виде стальных шариков позволили установить, что применение бабы молота с наполнителем приводит к увеличению продолжительности удара (до 3 раз), увеличению интенсивности формоизменения и степени деформации заготовок (до 1,2 раза), снижению силы деформирования (до 1,3 раза) и увеличению работы пластической деформации и КПД удара (до 1,12 раза) по сравнению с осадкой стандартной бабой [2, 3].
203
