CC BY
73
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.983; 539.374
НОВЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ ОССЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗАГОТОВОК
В.Ю. Травин, С.С. Яковлев, А.Н. Исаева
Рассмотрены вопросы теоретических и экспериментальных исследований операции вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов в конической матрице.
Ключевые слова: технологический процесс, анизотропия механических
свойств, деформация, заготовка, напряжение, сила, разрушение, вытяжка с утонением.
Современные тенденции развития различных отраслей промышленности характеризуются резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям и реализующих экономию материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат. Процессы обработки металлов давлением (ОМД) относятся к числу высокоэффективных, экономичных способов изготовления металлических изделий [1, 2].
Материалы, подвергаемые штамповке, как правило, обладают анизотропией механических свойств, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов ОМД [3, 4].
В различных отраслях машиностроения широкое распространение нашли толстостенные цилиндрические детали, изготавливаемые вытяжкой и вытяжкой с утонением стенки. К ним предъявляются повышенные требования к механическим характеристикам и показателям качества. Вытяж-
161
ку с утонением применяют при изготовлении цилиндрических деталей высотой до 10 диаметров из материалов, обладающих достаточной пластичностью в холодном состоянии. Вытяжка с утонением позволяет получать детали, имеющие относительно точные размеры и высокие прочностные свойства, в два-три раза превышающие прочность исходного материала. Это обеспечивается упрочнением металла при деформировании в сочетании с соответствующей термической обработкой.
Рассмотрен процесс вытяжки с утонением стенки осесимметричной толстостенной цилиндрической заготовки в конической матрице с углом конусности а [5, 6]. Материал заготовки жесткопластический, обладает цилиндрической анизотропией механических свойств. Течение материала принимается осесимметричным. Анализ процесса вытяжки с утонением стенки реализуется в цилиндрической системе координат. Схема к анализу вытяжки с утонением стенки приведена на рис. 1. Допускается, что условия трения на контактной поверхности инструмента с заготовкой подчиняется закону Кулона. Течение материала принимается установившееся.
Получены основные уравнения и соотношения для анализа кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения анизотропных материалов. Реализовано приближенное решение поставленной задачи с привлечением уравнений равновесия, условия несжимаемости материала, условия текучести Мизеса-Хилла и уравнений связей между скоростями деформаций и компонентами тензора напряжений. Изменение направления течения материала на входе в очаге деформации и выходе из него учитывалось путем коррекции осевого напряжения на границах очага деформации по методу баланса мощностей.
Выполнены теоретические исследования кинематики течения материала заготовки, напряженного и деформированного состояния, силовых режимов, предельных возможностей деформирования при вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств. Установлено влияние анизотропии механических свойств, геометрических параметров заготовки и инструмента, степени деформации, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки на напряженное и деформированное состояния за-
Рис. 1. Схема к анализу вытяжки с утонением стенки
готовки, силовые режимы и предельные возможности формоизменения цилиндрических деталей при вытяжке с утонением стенки.
Показано, что с увеличением угла конусности матрицы а, уменьшением коэффициента утонения шз и относительной величины £>о/ ^о, увеличением коэффициентов трения на контактных поверхностях инструмента относительная величина осевого напряжения а2 возрастает. Установлено, что при вытяжке с утонением стенки толстостенных заготовок существуют оптимальные углы конусности матрицы в пределах 12.. .18°, соответствующие наименьшей величине силы; с увеличением коэффициента утонения шз и отношения Во/^о, уменьшением коэффициентов трения на контактной поверхности матрицы тм и пуансона тп относительная величина силы Р уменьшается.
Оценены величины неоднородности интенсивности деформации 5е = (8/тах -8/тщ)/ 8/и механических свойств
= (°/ тах - °/ тт) / °/ тт, а также накопленных микроповреждений юе в стенке цилиндрической детали после операции вытяжки с утонением. Здесь 8/ тах, 8/тщ и а/ тах, а/ т^п - максимальная и минимальная величины интенсивности деформации и напряжения по толщине стенки детали. Показано, что величина неоднородности интенсивности деформации 58 в
стенке детали с уменьшением угла конусности матрицы а и коэффициента утонения шз падает, что говорит о более благоприятных условиях формирования механических свойств материала стенки изготавливаемого изделия. Установлено, что увеличение угла конусности матрицы а и уменьшения коэффициента утонения шз приводит к росту максимальной величины накопленной повреждаемости юе на выходе из очага пластической деформации.
Предельные степени деформации при вытяжке с утонением стенки определялись по максимальной величине растягивающего напряжения с учетом упрочнения на выходе из очага пластической деформации (первый критерий) и по величине степени использования ресурса пластичности (второй критерий) [7, 8].
Графические зависимости изменения предельного коэффициента утонения ш8Пр, вычисленного по первому и второму критериям разрушения, от угла конусности матрицы а и отношения Во / зо для стали 11ЮА приведены на рис. 2. Здесь кривая 1 соответствует величине шзПр, определенной по максимальной величине осевого напряжения а2 на выходе из очага пластической деформации; кривая 2 соответствует величине шзПр,
вычисленной по степени использования ресурса пластичности при % = о,25; кривая 3 - при % = о,65; кривая 4 - % = 1,о . Расчеты выполнены
при тп = 0,1; тМ = 0,05; = 4 мм; Во =40 мм. Положения кривых 1 - 4
определяют возможности деформирования заготовки в зависимости от технических требований на изделие.
Анализ графиков и результатов расчета показывает, что с увеличением угла конусности матрицы а и коэффициента трения на контактной поверхности матрицы тм , уменьшением относительной величины Д / ^0 предельный коэффициент утонения т8Пр увеличивается. Так увеличение
угла конусности матрицы от 6 до 30° сопровождается ростом величины т8Пр на 45 %. Уменьшение относительной величины Д0 /sо с 14 до 2
приводит к увеличению предельного коэффициента утонения т8Пр на 30
%. Показано, что предельные возможности формоизменения операции вытяжки с утонением осесимметричных деталей ограничиваются как допустимой величиной накопленных микроповреждений, так и максимальной величиной осевого напряжения на выходе из очага пластической деформации, что зависит от механических свойств исходного материала и технологических параметров процесса деформирования.
,И5Пр
0.8
0.6
04
0.2
4 /
3 У 9
7
\1
1,1 в пр
0 6
04
\4 3 /
9 /
1/
12 18 24 а, градуч
а
ю
А) Л б
Рис. 2. Зависимости изменения ш5пр от а (а) и Д0/^0 (б): а - Д / ^0 =10; б - а = 18°
Установлено, что предельные возможности деформирования операции вытяжки с утонением осесимметричных деталей из стали 11ЮА при
а < 18° ограничиваются максимальной величиной осевого напряжения на
выходе из очага пластической деформации (рис. 2), а при а > 18° - величиной накопленных микроповреждений % = 1. При вытяжке с утонением осесимметричных деталей из алюминиевого сплава АМгбМ наблюдается обратная закономерность. Предельные возможности деформирования при
а < 18° ограничиваются величиной накопленных микроповреждений
(с = 1), а а > 18° - максимальной величиной осевого напряжения на выходе из очага пластической деформации.
Полученные результаты качественно и количественно согласуются с экспериментальными данными, полученными другими авторами.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по проектированию технологических параметров глубокой вытяжки цилиндрических деталей, которые использованы при разработке технологического процесса изготовления толстостенных цилиндрических заготовок для осесимметричных изделий ответственного назначения из стали 11ЮА.
Существующий технологический процесс изготовления толстостенных цилиндрических заготовок для осесимметричных изделий ответственного назначения из стали 11ЮА включал в себя шесть вытяжных операций. Изучение механических свойств исходного материала (характеристик анизотропии и пластичности), показало наличие значительных резервов интенсификации существующего технологического процесса. Использование разработанных рекомендаций по вытяжке анизотропных толстостенных заготовок, позволило сократить число вытяжных операций до четырех [5].
Существующий и предлагаемый технологические процессы изготовления толстостенных цилиндрических заготовок из стали 11 ЮА приведены на рис. 3 и 4 соответственно.
Рис. 3. Схема существующего технологического процесса
С целью отработки предложенного технологического процесса спроектирована и изготовлена опытно-промышленная оснастка. Разработанная технология реализована на гидравлическом прессе П459. В качест-
ве смазки использовалось фосфатирование заготовок с последующим их омыливанием.
Рис. 4. Схема предложенного технологического процесса
На рис. 5 показаны штамп (а) и полуфабрикаты (б), полученные на каждой операции.
а б Рис. 5. Штамп (а) и полуфабрикаты вытяжки с утонением стенки (б)
Технологический процесс обеспечивает уменьшение трудоемкости и энергоемкости изготовления толстостенной заготовки на 30 % по сравнению с существующим технологическим процессом, повышение производительности, при этом достигаются необходимые требования к изделию по геометрическим и механическим характеристикам, а также сокращение сроков технологической подготовки производства.
166
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на 2012-2014 годы и грантов РФФИ.
Список литературы
1. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
2. 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.
3. Гречников Ф.В. Деформирование анизотропных материалов М.: Машиностроение, 1998. 446 с.
4. Яковлев С.С., Кухарь В.Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2012. 400 с.
5. Грязев М.В., Яковлев С.С., Травин В.Ю. Силовые режимы вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 6. С.
6. Травин В.Ю., Грязев М.В., Яковлев С.С. Предельные возможности вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 6. С.
7. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет (УПИ), 2001. 836 с.
8. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. 329 с.
Травин Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Исаева Анна Николаевна, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
NEW MANUFACTURING PROCESS THICK-WALLED OSSESIMMETRICHNYH BLANKS
V.Y. Travin, M.V. Gryazev, S.S. Yakovlev
The problems of theoretical and experimental studies of opera-tion hood with wall thinning thick axially symmetric workpieces of anisotropic materials in a conical die.
Key words: process, the anisotropy of mechanical properties, deformation, storage, power, strength, destruction, hood with thinning.
Travin Vadim Yurevich, candidate of technical sciences, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Isayeva Anna Nikolaevna, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ОЧАГА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, Е.В. Осипова
Приведена математическая модель ротационной вытяжки осесимметричных деталей с разделением очага пластической деформации коническими роликами трубных заготовок из анизотропного материала с учетом локального очага деформации и объемным характером напряженного и деформированного состояния материала в пластической области.
Ключевые слова: анизотропный материал, ротационная вытяжка, труба, ролик, оправка, сила, шага подачи, степень деформации, напряжение.
При изготовлении тонкостенных цилиндрических деталей различного назначения в настоящее время находят всё более широкое использование ротационная вытяжка. Для производства такого типа деталей находят успешное применение схемы ротационной вытяжки роликами с открытой и закрытой калибровкой, а также с разделением очага деформации [1-4].
Схема с разделением деформации имеет ряд важных преимуществ по сравнению с традиционными схемами, состоящих в снижении потребных деформирующих сил (при прочих равных условиях), достижении более высоких степеней деформации за один проход, что позволяет интенсифицировать процесс ротационной вытяжки. Сущность указанной схемы
168
