Обоснование технологических режимов соединения заготовок давлением Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 625.1.032.3

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СОЕДИНЕНИЯ ЗАГОТОВОК

ДАВЛЕНИЕМ

М.В. Семеноженков, В.В. Пешков

В статье приведены результаты исследования влияния сил трения на процесс возникновения пластических деформаций в зонах контакта соединяемых заготовок из титана

Ключевые слова: пластическое состояние, касательные напряжения

Неразъемное соединение заготовок с помощью сжимающего давления [1] сопровождается развитием пластических деформаций в зонах контактных поверхностей соединяемых элементов конструкции.

Неравномерное распределение контактных сил (нормальных и касательных) является

причиной появления зон пластического состояния на незначительной части площади контакта заготовок. Получение пластических деформаций по всей площади контактных поверхностей соединяемых заготовок в

процессе известных технологий

осуществляется за счет повышения температуры заготовок до 1273 К и технологического давления до 10 МПа, что негативно сказывается на качестве соединения, т.к. повышается вероятность появления остаточных деформаций и потери устойчивости соединяемых элементов, когда возможно получение многослойных конструкций с недопустимыми искажениями формы изделия.

В соответствии с условием пластичности Мизеса при пределе текучести материала СТ пластическое состояние в условиях совместного действия нормальных сн и касательных т напряжений наступает при

Рис. 1. Напряженное состояние конструкции при высоте заполнителя h = 2 мм, толщине дЗ = 0,2 мм

соблюдении неравенства сы 2 + 3 •т2 >ст 2 и,

таким образом, наличие сдвигающих сил позволяет достигать пластических деформаций при значительно меньших значениях нормальных сил.

Для определения напряженно-деформированного состояния [3, 4]

использовались пакеты модуля

Pro/MECHANICA программного комплекса

Семеноженков Максим Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель, тел. (473) 246-55-45 Пешков Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 278-38-84

Pro/ENGINEER, программы ABAQUS, ANSYS 10/ED, построенные на основе конечноэлементных методов.

Рассмотрено решение контактной задачи сжатия полосового элемента толщиной дЗ заполнителя конструкции упругими листами обшивки толщины дО (рис.1). Задача

рассмотрена для случая, когда верхний лист обшивки непосредственно нагружен технологическим давлением р = 1 МПа, а нижний нагружен через технологический лист.

Расчетная схема и типичная картина напряженного состояния в зонах, прилегающих к контактным поверхностям, показана на рис. 1.

Видно, что напряжения сжатия (с^ нижних волокон верхнего листа 1 имеют максимальное значение в средней части контактной зоны и убывают к ее краям. Это указывает на то, что поперечные деформации 8у (в направлении оси у) распределены вдоль контактной поверхности в направлении оси х также неравномерно, достигая максимальных значений в средней части.

Выявленные неравномерные деформации листа в направлении вертикальной оси к нижнему листу обшивки служит объяснением выравнивания распределения контактных сил в плоскости соединения при некоторых соотношениях размеров свариваемых элементов. На рис.2 приведены эпюры нормальных напряжений на контактных поверхностях для различных вариантов толщин заполнителя дЗ при толщине листов

обшивки дО = 1 мм.

С МПа

S МПа

Рис. 2. Эпюры контактных сил при толщине заполнителя: а - для случая дЗ = 0,2 мм; б - для случая дЗ = 1 мм, высоте

заполнителя Ь = 2 мм для верхней -1 и нижней -2 обшивки

Установлено, что использование

технологического листа исключает влияние соотношения размеров свариваемых элементов на характер распределения контактных сил -для вариантов на рис 2 (эпюры - 2) отношение максимальных сил к средним значениям примерно одинаковое и составляет 2,5. Отмечено, что в конструкциях с отношением толщины дЗ ( дО = 1 мм) заполнителя к его

высоте Ь = 2 мм, не превышающем значение дЗ /Ь = 0,25 (при Ь=10 мм дЗ /Ь= 0,07),

распределение контактных сил более равномерное при непосредственном нагружении листа обшивки технологическим давлением соединения.

Выполнено исследование влияния сдвигающих сил на распределение контактных сил при условии, что нормальная Р и сдвигающая Рх силы связаны соотношением Рх = /Р [5] (/ - коэффициент трения).

Сжимающая сила Р, отнесенная к длине заполнителя вдоль оси 2, зависит от давления Р.

Распределение давления q(х) по ширине заполнителя (-0,5 дЗ < х£0,5 дЗ):

q(x) =

P ■ cos РІ

2p S3

is Лл is V

'So - x [So + x

\S3 + x

+

\S3 - x

,(1)

где l = 1/p arc tg [/ E/2 (1 - m2) G]; E - модуль упругости, G - модуль сдвига, m -коэффициент Пуассона материалов соединяемых заготовок.

Распределения давления q(x) между заполнителем и нижним листом при различных значениях коэффициента трения / = 0; 0,2; 0,4, вычисленные по зависимости (1)

при значениях характеристик

E = 1,1 105

МПа, G = 0,5 10 МПа, m = 0,4 и при Р =

=1000 кН/м, d3 = 4 мм, приведены на рис. 3.

->-1=0 /=0,2 --/=0 4

Рис. 3. Эпюры контактных давлений

Рекомендуется к сжимаемым элементам прикладывать сдвигающую силу вдоль оси 2, когда силы трения (касательные контактные напряжения) развернутся в направлении оси 2.

В соответствии с обобщенным принципом наложения составляющих деформаций и

2

2

x

а

х, мм

напряжений различных типов общая

деформация вычислялась по формуле: е = £е + ер + е , (2)

где ее, ер - деформации мгновенной упругости и пластичности соответственно, ес -

деформации ползучести.

Использовался закон ползучести в виде с с / т

е = С1 с 1 е , (3) где С - эквивалентное напряжение; Т -абсолютная температура; С;, С2, С3 -

эмпирические константы (для сплава ОТ4 С; = =1,2-105; С2 = 1,2; С3 = 2,3105).

Выявлено возрастание перемещения от оси заполнителя к его краю.

£У, %

2

1 /

0,503=0,15мм

0,05 0,10 0,15

X, мм

Рис. 4. Деформация металла на поверхности обшивки (р = 2,0 МПа): 1 - ё0/ё3 =1; 2 -So/S3 =3,3

Выводы

1. Выявлены зависимости формирования

участков пластического состояния от режимов комбинированного нагружения

технологического процесса соединения заготовок. Предложены схемы

комбинированного нагружения (сжатие со сдвигом) соединяемых элементов,

позволяющие значительно снизить (на 25...30%) необходимое сжимающее давление и температуру (на 50...75 К) технологического процесса.

2. Получены математические модели зависимостей механических характеристик материалов с учетом их состояния при температуре, достигающей 1273 К. Исследовано напряженно-деформированное состояние элементов конструкций в условиях комбинированного нагружения процесса их соединения.

Литература

1. Бондарь А.В., Пешков В.В., Киреев Л.С., Шурупов В.В. Диффузионная сварка титана и его сплавов. Воронеж. Изд-во ВГТУ. 1998. - 256 с.

2. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М.,

«Машиностроение», 1970. 312 с.

3. Семеноженков М.В. Рационализация схем нагружения элементов конструкции из титана при их сварке давлением / М.В. Семеноженков, А.Т. Крук, В.В. Пешков //Заготовительные производства в машиностроении. 2009. № 9. - С. 26...29.

4. Булков А.В. Особенности диффузионной сварки титановых трехслойных конструкций с сотовым заполнителем / А.Б. Булков, М.В. Семеноженков, В.В. Пешков. // Технология машиностроения. 2009. № 11. -С.26...32.

3. Штаерман И.Я. Контактная задача теории упругости. М. Гостехиздат. 1949. 270 с.

Воронежский государственный технический университет

Воронежский филиал Московского государственного университета путей сообщения (ВФ МИИТ)

SUBSTANTIATION OF TECHNOLOGICAL MODES OF CONNECTION BLANKS

BY PRESSURE

M.V. Semenozhenkov, V.V. Peshkov

This article presents the results of research of influence of the friction force on the process of the occurrence of plastic deformations in the contact areas connected titanium billets

Key words: plastic state, shearing stress