CC BY
54
3. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
S.N. Larin, А. V. Bessmertniy
THE ESTIMATION OF EXTREME DEFORMATION LEVELS OF ISOTHERMAL DEFORMING OF SLENDER RECTANGULAR SHEET PIECE FROM ANISOTROPIC SHEET MATERIAL IN THE MODE OF SHORTDURATED CREEPING CONDITION
The influence of technological parameters, geometric sizes of instrument and detail, piece’s material’s mechanical properties anisotropy possessing kinetical or energetical theory of short-durated creeping and damaging on extreme deformation levels associated with microdamage accumulation and the piece’s local stability loss is shown.
Key words: anisotropy, mathematical model, piece, short durated creeping, stress, deformation, failure, pressure, deforming, pneumatic forming.
Получено 04.08.11
УДК 621.735.016.2:669.13.002
A.C. Пономарев, асп., (499) 972-94-53, ponandserg@vandex.ru.
E.H. Сосенушкин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
(499) 972-94-53, sen@stankin.ru (Россия, Москва, МГТУ «Станкин»)
НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА
Рассмотрены перспективы использования высокопрочного чугуна в машиностроительной промышленности и приведены результаты расчётов напряжений, возникающих при горячей деформации центробежнолитых труб из ВЧ-40.
Ключевые слова: высокопрочный чугун, графики напряжений, обжим, раздача.
В машиностроении одной из главных проблем является повышение качества и эксплуатационных свойств изделий при уменьшении затрат на их изготовление. В частности, актуальна задача коренного улучшения качества изделий из чугуна.
Одним из способов повышения прочностных и пластических свойств чугунных изделий является отливка их из чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ), объем производства отливок из которого с каждым годом возрастает. Этот материал по сравнению с углеродистой сталью или серым чугуном обладает рядом преимуществ. ЧШГ характеризуется лучшими литейными свойствами, более плотной структурой по сравнению с серым чугуном. Для него характерны высокая теплостойкость, хладостой-
кость, коррозионная стойкость, он может подвергаться сварке и автогенной резке. По сравнению со сталями чугун имеет следующие преимущества: хорошо работает на трение, износостоек, гасит вибрацию и мало чувствителен к концентраторам напряжений. Однако уступает в конструктивной прочности из-за высокого уровня вязкости и сопротивления разрушению
[13-
Развитие литейного производства в направлении получения ЧТТТГ в ферритной матрице обеспечило переход чугуна из полуфабриката к самостоятельному конструкционному материалу. В качестве конкретных примеров можно привести горячую прокатку листа до толщины 1,5...2,1 мм из сутунки прямоугольной формы за несколько проходов; изготовление труб методами прессования, прошивки и раскатки; получение мелящих тел (шаров) методом поперечно-клиновой прокатки [2]. Проводились исследования по получению изделий из ЧПТГ методами штамповки [3-6].
Из-за особенностей ЧШГ формоизменение должно происходить с наибольшими сжимающими напряжениями для основных деформаций (обжим, выдавливание), что подразумевает минимализацию или исключение растягивающих напряжений в процессах металлообработки давлением (раздача, отбортовка, вытяжка).
Анализ влияния деформации на напряжения внутри изделий из ЧТТТГ был проведён для конкретной марки чугуна - ВЧ-40. Данная марка ЧТТТГ имеет ферритную матрицу, поскольку по сравнению с высокопрочным чугуном с перлитной матрицей имеет более приемлемые показатели на растяжение [7]. Данные по механическим свойствам ЧТТТГ марки ВЧ-40 приведены в таблице.
Механические свойства ВЧ-40 по ГОСТу 7293-54
Характеристика механических свойств Значение
Предел прочности при растяжении ав, МПа 400...550
Предел текучести о8, МПа 300...400
Допустимая степень деформации 8, % 10,0...20,0
Ударная вязкость ан, кН/м 5,0...7,0
Твёрдость НВ 156...179
Предел прочности при сжатии ас, МПа 2000...2200
Предел прочности при изгибе аи, МПа 600...700
Стрела прогиба при расстоянии между опорами 30 мм 20...30
Модуль упругости Е, МПа 16-104
Предел выносливости 0.1, МПа: гладкий образец 25
надрезанный образец —
Особенностью обработки ЧШГ является повышение пластичности в небольшом интервале температур Т = 900... 1200 °С [4 - 6], что достигается постоянным поддержанием и контролем требуемой температуры. Поэтому на всех технологических переходах необходим равномерный нагрев заготовок для последующих разделительных или формоизменяющих операций.
Поскольку исследования напряжённо-деформированного состояния высокопрочного чугуна велись для конкретных процессов пластической обработки, при анализе напряжений внутри изделия из ВЧ-40 были выбраны осесимметричные изделия из центробежнолитых трубных заготовок, которые имеют более однородную структуру по матрице и графиту, чем заготовки обычного литья [8].
Для криволинейного контактного участка очага деформации при осевой симметрии деформирования при постоянстве толщины заготовки и радиуса кривизны в меридиональном сечении введены следующие геометрические соотношения:
Rq = Rp - al sin a; p = Rq cos a = Rp cos a - a; dp = - Rp sina da, b = a/Rp где RphRq- радиусы кривизны срединной поверхности в меридиональном и широтном сечениях, мм; а - расстояние центра кривизны срединной поверхности заготовки в меридиональном сечении от оси симметрии заготовки, мм.
При анализе приняты допущения: ор, üq и gz - главные нормальные напряжения, действующие соответственно в меридиональном, широтном и нормальном к срединной поверхности направлениях, равномерно распределённые по толщине заготовки, МПа; элементарные силы отнесены к срединной поверхности; материал заготовки подчиняется условию пластичности Треска - Сен-Венана (величина меридиональных напряжений не зависит от формы матрицы: oq = - as (обжим), ое = as - ор (раздача); девиа-торы напряжений и приращений деформаций подобны и коаксиальны и процесс деформирования монотонен. Для определения условий деформирования высокопрочного чугуна были рассмотрены решения для частных случаев формоизменения:
а) обжим инструментом с криволинейной образующей:
ap= -az Н1 ” lcos а ~ ь) (i- м2 Xcos а - ^(а°cos «о)"
+ 2 • ^а°-а) sin ocq - sin а)+ В • e^a°_a^(cos oíq - ¿>)];
б) обжим коническим инструментом:
°р = -°z [(1 + |¿ctga)(l - ро /р) ■+ В • ро /р];
в) раздача коническим пуансоном:
— °z
+
Ґ ± \ / \ (xctga С \ (xctga
fl+tgal 1- _Р_ + В _Р_
V ) vPO; vPOy
где (I - коэффициент трения; а - угол между касательной к срединной поверхности в меридиональном сечении и осью симметрии; а0 - конечный угол между касательной к срединной поверхности в меридиональном сечении и осью симметрии; р0 - значение конечного радиуса кривизны срединной поверхности в меридиональном сечении, мм; В - коэффициент JIo-де [9].
При расчёте и построении графиков зависимости напряжений от геометрических параметров изделия принято условие начала деформации при достижении нормальным напряжением величины предела текучести
(В=1).
Поскольку деформация высокопрочного чугуна должна осуществляться в узком температурном диапазоне и при температурах выше точки фазовых превращений, принято, что напряжение текучести постоянно и не зависит от температуры (о/ = const = 73 МПа) (рисунок).
Р; tf.P/l
р, ММ
а
с-
-п
-4U -60 -а о ■юс--іл:-
Р? МИ
5S S7 55м 53 52Z j 5049 j ^-143 ШХ
ор обжима конусом
ар раздачи конусом
р. ТАМ
00 раздачи конусом
Графики зависимостей радиальных напряжений при обжиме (а) и радиального и тангенциального напряжений при раздаче (б) от текущего радиуса заготовки.
Из приведённых зависимостей видно, что радиальные напряжения достигают максимальных значений в сечении заготовки в месте перехода в деформируемую часть, а тангенциальные - в конечном краевом сечении.
Это не противоречит физике твёрдого тела, и полученные результаты являются достоверными.
Список литературы
1. Ващенко К.И., Сафрони JI. Магниевый чугун. Киев: Машгиз, 1960. 487 с.
2. Щербединский Г.В. Чугун как перспективный материал XXI столетия // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. №7. С. 83-93.
3. Изготовление чугунных поковок круглой формы методом горячей объёмной штамповки в открытом штампе на кривошипном горячештамповочном прессе / В.В. Галкин [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. №2. С. 31 - 33.
4. Артес А.Э., Сосенушкин Е.Н., Третьюхин В.В. Технологические возможности горячей объёмной штамповки деталей арматуры из центробежнолитых чугунных труб // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2008. №10. С.ЗО - 32.
5. Пономарев А.С., Сосенушкин Е.Н., Климов В.Н. Перспективные процессы деформации чугуна с шаровидным графитом // Кузнечноштамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2010. №6. С. 32-35.
6. Климов В.Н., Сосенушкин Е.Н., Пономарев А.С. Перспективы получения плоских чугунных деталей с помощью разделительных операций // Материалы III научной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ - 2010). Секция «Оборудование машиностроительного производства»: сб. докл. М.: МГТУ «Станкин», 2010. С. 69-73.
7. Материалы в машиностроении. Выбор и применение: справочник: в 5 т. Т. 4. Чугун / под общ. ред. И.В. Кудрявцева. М.: Машиностроение, 1968. 248 с.
8. Юдин С.Б., Левин М.М., Розенфельд С.Е. Центробежное литьё. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1972. 280 с.
9. Теория ковки и штамповки: учеб. пособие для студентов машиностроительных и металлургических специальностей вузов // Е.П. Унксов [и др.]; под общ. ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. 2-е изд., перераб. доп. М.: Машиностроение, 1992. 720 с.
A.S. Ponomarev, E.N. Sosenushkin
STRESSES FROM DEFORMA TION OF IRON SPHERICAL-GRAPHITE
Prospects for the use of ductile iron spherical-graphite in machine-building industry and the calculation results stress arises during hot deformation of centrifugally cast tubes from RF-40 are considerd.
Key words: iron spherical-graphite, graphics of stresses, compression, two-way stretching.
Получено 15.08.11
