CC BY
6
УДК 669.7:620.16/17:669.01:669.7:629.7:629.113
О ВОЗМОЖНОСТЯХ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫДАВЛИВАНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ АВИАЦИОННЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ КОЛЕС И ПРОГНОЗНОЙ ОЦЕНКИ ИХ РЕСУРСА
С.Т. Басюк (ЗАО «Диск БС», e-mail:pank03@mail.ru), В.В. Мозалев, канд. техн. наук (АК «Рубин»), А.Н. Лисин, канд. техн. наук (ЭПИ МИСиС), С.Б. Левочкин, канд. техн. наук (МКБ «Факел»)
Выявленное увеличение пластичности материала, прошедшего операции формоизменения в условиях развития деформаций сдвига при концентрическом угловом выдавливании с истечением равнотолщинного стакана позволяет получить более высокие значения механических характеристик полуфабрикатов, в частности относительного сужения. Это свидетельствует о возможности существенно повысить такие рабочие показатели колесных изделий, как весовая отдача, ресурс и надежность. Показана методика прогнозной оценки ресурса колес, изготовленных с использованием предлагаемого процесса.
Ключевые слова: колеса, полуфабрикаты, механические свойства, относительное сужение, усталостные испытания, оптимизация характеристик.
On Possibilities of an Improvement in a Technology for Extrusion of Aircraft and Motor Vehicle Wheel Semiproducts and on Forecast Evaluation of their Service Lives. S.T. Bassiouk, V.V. Mozaliov, A.N. Lissin, S.B. Levochkin.
A revealed improvement in ductility of material formed during operations carried out under conditions of development of shear deformations during concentric angular extrusion resulted in outflow of an equal-thickened sleeve allows one to obtain higher values of mechanical properties of the semiproducts including, in particular, values of reduction in area. It says about possibility of a noticeable improvement of wheel semiproduct performances such as a weight reduction, an increase in service life and reliability. A procedure of the forecast evaluation of service life of the wheels manufactured via the offered process is shown.
Key words: wheels, semiproducts, mechanical properties, reduction in area, fatigue tests, optimization of characteristics.
Сравнительная оценка рассчитанных масс колес из магниевых и алюминиевых сплавов [1, 2] показывает, что более легкий сплав при условии равнопрочности оболочек, работающих на растяжение, дает колесо большей массы. Однако напряжения в ободе реального колеса имеют более сложный характер, чем в тонкостенных цилиндрических оболочках, для которых проводились базовые расчеты. А выявленное увеличение пластичности (табл. 1, 2) материала, прошедшего операции формоизменения в условиях интенсификации (т. е. развития) деформаций сдвига кручением (ИДСК) и концентрическим угловым выдавливанием (КУВ) с равноканальным ис-
течением,* заметно «размывает» зоны пиковых напряжений.
Из табл.1 [3] видно, что при ИДСК цилиндрических стержней на пошаговый угол 4060° наблюдается увеличение прочности с некоторым ростом относительного удлинения при сохранении уровня относительного сужения. Из табл. 2 следует, что в трех из четырех
* Примечание научного редактора. В этом случае деформирования (см. рис. 1) не соблюдаются принципы равноканального углового (поперечного) прессования, так как имеется значительная степень деформации обжатием при истечении равнотолщинным кольцевым потоком и отсутствуют зона и физический эффект простого микросдвига (см. известную схему РКУП) как основа в механизме интенсификации деформирования.
го
X ^
\о
ГО
2
си
си о.
5Й
о
(и
о о
о
ю со
СП тН
га т
га ^
1= о
га
I-
о ^
со
X
т
о ^
со га
.
ю о
га т
о т
о
с ас
О
X
ф
с ас
О
о
ш п
^
п ш с ю
о
со
ш ^
с
о
00
го 00
-н -н
00
-н
-н
00
го
-н -н
СО со
о тЧ
-н -н
00 00
го -н
ю со
00 ю
О) С )
ю со
ю ю
ю
СО со
о о
сч ^
СО со
00 00
с^
сч сч
-н -н
о о
(Ч
-н -н
о о
(¡3 со
о о
(Ч
СО со
ю ю
сэ о
СО со
ю ю
О) го
СО со
о о
С ) С )
СО со
5 5
5 5
ю ю
Н-- Н--
о о
X X
^ ^
ф
.а
ф X
т
.а а)
т
<1> ф
1=
о о
1=
тЧ тЧ
1— 1—
ю ю
со со
го го
-н -н
го
X
\о го
га
т ^
т га ч .а т
I
>
о
.а
си
X
^
о с о ч
си ^
о о
о ч
IX
си ^
га н си ч
-П
га т о о о си
.
.а
X
га т о х
т
о ^
со га
.
«О о
га т
о т О
С!Э гч
00~
5? -Н 1 3 3 1
> 1 1 1 аэ
гч
-н 1 гч сч
00
сэ С!Э
ее сч
X х -н 1 гч сч
ш оо 1 1 1 1
со С1Э С1Э 0
X ^ 00 1, гч
со ш -н 1 1
_0 СП аэ сэ
> ш сэ ^^ С1Э ю
К о 0 0
ф ^ П 5 00 1 сч 1 1 1 гч 1
о о сч ^ со
П о о 3, гч
го 00 го
гч 1 1 1
со, С1Э
гч 0, сэ
ш 00 00
П ^ сч гч гч
5 1 1 1 1
со С1Э 0^, 00
0° тЧ
00 со со
^ гч гч гч
,0
о4- -н 1 1 со со
оо 13,0- ,0 С!Э Л1 Л1
ее
X сэ со
со ш ю~ ^
со ю сч
X П гч 1 гч
^ 5 ю ю
ей ш сч ,0 1 Л1 1 Л1
_0 0° С1Э
со 1
о гч гч
ш П ,0 00 сч 1 ю ю
5 00 00
сч гч
Л1 Л1
о со сч
ш ^ го о 5
со о ф ^ 5
н о 0
0 1_ ¥ гч ^ ^
ш го гч о о
п ш
СЕ Ор
ш X о 1= ¥ о 1= т
о 5 го н 3
X о И с 1=
го
_0 ¥ 3 го ¥ 3 го X
ш з го
1— ф ^ с ¥
¥ с ^ с го н
со 1, ас о
ш ^ с С 1— 0 гч ^ <с 0 00 N 1 < 1 <
1 <
случаев после КУВ наблюдается увеличение относительного остаточного сужения при сохранении прочности.
Поэтому представляется допустимым в исследованиях несколько превысить уровень напряжений, приняв для экспериментов с колесом, например, из сплава МА-21 толщину стенки, уменьшенную на 14 % и равную 3,63 мм. В этом случае колесо из сплава МА-21 будет иметь массу силовой части (две реборды и ступица) 1066,5 г, а массу ободной части (сумма оболочек) 2628,725 г при общей массе колеса 6=1066,5+2628,725=3695,225 г.
Поскольку наибольший интерес для авторов представляет возможность развития деформаций сдвига в объеме изготавливаемых оболочек типа колес транспортных средств, то основные экспериментальные работы проводили на крышках и стаканах, изготовленных методом КУВ с использованием штампа, схема которого приведена на рис. 1. При этом кроме геометрических параметров рабочих поверхностей элементов приведенного штампа, были рассмотрены разные условия выдавливания и влияние усилия буферного устройства на параметры кольцевой щели (см. рис. 1, а) для радиального истечения металла заготовки. Кстати, для случая жесткой фиксации параметров щели, задании размеров получаемой детали и выдерживании равенства площадей, регламентирующих объемы перемещаемого металла, получим:
пй2/4=пйЬ=пОН=(п/4)( Он2ар - Оп2),
где й -диаметр малой полости контейнера, мм;
Ь -расстояние между кромкой полости контейнера и опорным пуансоном, мм;
О -внутренний диаметр большой полости контейнера, мм;
Н -расстояние от внутреннего торца контейнера до опорного пуансона;
Онар -наружный диаметр выпрессовываемо-го стакана, мм;
Овн -внутренний диаметр выпрессовывае-
мого стакана, мм. Возможны два крайних варианта: вариант 1 - усилие буферного устройства максимально и жестко удерживает части инструмента на месте, т.е. Рк>Р0 (см. рис. 1, а, б);
вариант 2 - усилие Рк=0 (буфер отключен или отсутствует), т.е. Р0>Рк (см. рис. 1, в, г, д, е).
В первом случае получаем своеобразную концентрическую схему углового (бокового) выдавливания с равноканальным истечением стакана, диаметр которого больше диаметра заготовки. Схема реализуется прямым методом через Л-образные [2, 3] или обратным методом через ш-образные [3] осесим-метричные каналы, параметры которых, как и размеры исходной заготовки, могут быть определены из приведенного равенства. При этом используют равенство площади пуансона, выдавливающего заготовку из контейнера, и площади поперечного сечения стенки выдавливаемой крышки, что также представлено в формуле концентрического углового выдавливания с равноканальным кольцевым истечением, а именно:
^2/4=(я/4)( Он2ар - О;;) при условии, что Онар и Оп>Й.
Выявленные граничные условия применимости [3] вариантов изготовления методом КУВ осесимметричных, в том числе и тонкостенных, оболочек позволяют более конкретно подходить к разработке технологического процесса. Применение регулируемых по усилию буферных устройств позволяет подбирать рациональное напряженное состояние деформируемого объема металла и скоростные условия, что ведет к формированию эффективных распределений деформаций сдвига в объеме выдавливаемого полуфабриката. Это позволяет достаточно обоснованно устанавливать те или иные параметры процесса и влиять на показатели пластичности.
В известной области интенсивных процессов ОМД решается вопрос, как лучше распорядиться появляющейся возможностью существенного повышения пластичности конструкционных материалов. В нашем случае можно, например, проводить дополнительное легирование сплавов или менять режимы термической обработки, повышая прочность за счет некоторого уменьшения ресурса пластичности. Или менять служебные параметры изделий, снижая их массу, также используя часть ресурса пластичности.
Как видим, уменьшение на 14 % толщины стенки ободной части (оболочек) колеса по-
Рис. 1. Конструкция экспериментального штампа:
вариант 1: а - начало процесса; б - КУ-прессование, прямой метод; вариант 2: в - начало процесса; г - выпрес-совывание заготовки прямым методом с образованием шайбы; д - окончено образование шайбы, пуансон и «всплывший» контейнер сблокированы; е - КУ-прессование, обратный метод; 1 - отпрессованный стакан; 2 - исходная заготовка; 3 - опорный пуансон; 4 - ступенчатый контейнер с полостями 5, 6; 7 - приводной пуансон; 8 - утолщение на торце заготовки; 9 - промежуточная заготовка (шайба); 10 - осесимметричный ручей; 11 - упор; 12 - полость для фланца
зволило снизить общую массу колеса на 10,5 %, а реализуемость такого решения будут подтверждать стендовые испытания.
С другой стороны, дорогостоящим стендовым испытаниям может предшествовать относительно недорогая оценка влияния пластичности на увеличение сопротивления усталости с помощью одной из моделей деформационных критериев.
В частности, целесообразно воспользоваться зависимостью
(1)
где -относительное остаточное сужение; т1, т2 -эмпирические параметры; вд=од/Е - амплитуда номинальной деформации;
Бк-разрушающие истинные напряжения;
Е -модуль упругости.
Выражение (1) получено на базе деформационных критериев разрушения [4, 5] и представляет собой уравнение, характеризующее кривую усталости, в которое входят параметры статической диаграммы деформирования образца. Авторами были проведены исследования модели (1) на образцах из сплава АК6 на предмет установления возможности ее использования для контроля качества полуфабрикатов с точки зрения их сопротивления усталости по результатам статических испытаний [6, 7].
Методика контроля заключалась в следующем.
1. Проведение усталостных испытаний стандартных образцов (рис. 2), вырезанных из
Рис. 2. Схема вырезки образца для статических испытаний из стандартного образца для испытаний на усталость
типовых полуфабрикатов, характеризующих репрезентативно их свойства, на двух уровнях напряжений и построение эталонной кривой усталости.
2. Вырезка стандартных (гагаринских) образцов (см. рис. 2) для статических испытаний из обломков (из частей, за которые образец зажимался в цанги), испытанных в п. 1, образцов.
3. Статические испытания образцов, изготовленных в п. 2, и построение серии диаграмм деформирования. Определение механических характеристик Бк,
4. Для кривой усталости (1) определение
параметров т1, т2 с использованием данных п. 3. 1 2
5. Фиксирование медианных значений параметров т1, т2 и определение доверительных интервалов механических характеристик Бк, ук.
6. Входной контроль проверкой выхода значений механических характеристик Бк, ук за пределы доверительных интервалов, вычисленных в п. 5.
Контролируемый полуфабрикат (один или несколько) выбирали по плану контроля из сдаваемой (принимаемой) партии полуфабрикатов. В зависимости от того, находятся значения механических характеристик Бк, ук в пределах доверительных интервалов или нет, принимали соответствующее решение о годности партии полуфабрикатов.
Проведенный анализ подтвердил также возможность использования модели (1) не только для контроля качества, но и для прогнозирования в первом приближении сопротивления усталости в связи с изменением статических механических характеристик.
Для примера на рис. 3 показана исходная (экспериментальная) кривая, построенная по результатам усталостных испытаний двух серий образцов из сплава АК6 при напряжениях 280 и 240 МПа. На рис. 3 экспериментальные данные «разнесены» вдоль оси ординат для того, чтобы точки не налагались друг на друга. Предположим, что диапазон изменения эксплуатационных напряжений ограничен напряжениями 290 и 230 МПа (см. рис. 3, линии 3 и 4). Затем, воспользовавшись пунктами 1-4 представленной выше методики,
можно зафиксировать положение исходной кривой усталости, характеризующей свойства полуфабрикатов, изготовленных по старой технологии.
« 285 о
265
245
225
\ \
\
3 \ \
\ \
\ N
\
л \ 2 \ N \ . \
\ S V \ \ \ ч \ ч \ \
\ ч \ %.* ♦ \ • \ •» ♦ 4
4 \ ♦ 4 \ ч \ ч
к г
4,5
5,5
Логарифм долговечности Ig N
Рис. 3. Результаты эксперимента (! "), экспериментальная (1) и гипотетическая (2) кривые усталости, границы диапазона изменения эксплуатационных напряжений (3) и (4)
Из анализа формулы (1) следует, что увеличение характеристики свидетельствует об увеличении долговечности N при прочих равных условиях. Однако для гарантированного увеличения долговечности, как следует из анализа формулы (1), может оказаться необходимым попутное для ^ увеличение (или не уменьшение) характеристики Sk.
При этом прогнозируемая кривая усталости для полуфабрикатов, изготовленных по конкретной новой технологии, должна находиться на рис. 3 между линиями 1, 2, 3 и 4, где линия 2 соответствует гипотетически возможному положению кривой усталости образцов, вырезанных из нового полуфабриката.
Следовательно, для сокращения затрат на разработку и внедрение новой технологии целесообразно выполнить перед стендовыми испытаниями представленные выше расчет-но-экспериментальные исследования.
Это позволит обоснованно подойти к прогнозированию возможного увеличения сопротивления усталости дисков колес транспортных средств, изготовленных по этой новой технологии, в связи с изменением статических механических характеристик их полуфабрикатов (или остановиться при получении отрицательных результатов).
Таким образом, рассмотренный подход к совершенствованию технологических процессов выдавливания позволяет получить более высокие значения механических характеристик колесных полуфабрикатов, в частности относительного сужения. Это может позволить существенно повысить рабочие показатели изделий, например автомобильных колес, в том числе весовую отдачу, ресурс и надежность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Басюк С.Т. Кованые колеса из легких сплавов для спортивных автомобилей. - М.: Спорт и культура - 2000, 2009.
2. Basyuk S., Petrov P., Voronkov V., Plotnikov A., Shajxulov M. Numerical analysis of the design and research into the production of shell made of magnesium alloy//Computer Methods in Materials Seience. Krakow. 2010. V. 10. № 2. P. 97-107.
3. Басюк С.Т. Интенсификация деформаций сдвига при изготовлении полуфабрикатов. - М.: Спорт и культура - 2000, 2010. - 96 c.
4. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. -272 с.
5. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ре-
сурс и техногенная безопасность. Ч. 1, 2. - Новосибирск: Наука, 2005. - 1104 с.
6. Лисин А.Н., Мозалев В.В., Шкроб В.Н., Шаврин А.В., Морозов Л.Н. Методология управления качеством изделий с целью обеспечения заданных требований выносливости и живуче-сти//Тезисы докладов Российской НТК «Новые материалы и технологи». Направление «Сертификация и управление качеством материалов и изделий машиностроения». - М: МГАТУ, 1995. С. 18.
7. Пат. 2193179 Я11. С2, 7 в 01 № 3/32. Способ оценки качества металлических полуфабрикатов/Лисин А.Н., Окулов Б.С., Сверчков Ю.Г, Ба-кин А.И, Мозалев В.В. Опубл. 20.11.2002.
Бюл. 32.
