CC BY
22
Nuzhdin Georgiy Anatolievich, candidate of technical sciences, mpf-tulaarambler.ru, Russia, Moscow, Organ by quality system certification «Konsersium»,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.73.043
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМОВКИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. А. Коротков, П.В. Романов, В.И. Платонов
Приводятся результаты анализа экспериментальных исследований изотермической штамповки изделий из высокопрочных алюминиевых и титановых сплавов. Исследования проведены с целью установления температурных режимов изотермической штамповки новых металлов и сплавов и времени выдержки. В результате статистической обработки по методу наименьших квадратов установлена зависимость изменения относительной погрешности формы образца от температуры изотермической штамповки при различных скоростях деформирования в виде квадратичных уравнений регрессии, решенных относительно температуры.
Ключевые слова: испытание, растяжение, напряжение, деформация, температура.
При разработке наукоемких технологических процессов получения деталей сложной формы из листовых труднодеформируемых металлов широкое распространение получили технологии в условиях изотермической штамповки. Режимы изотермической штамповки деталей зависят от ряда факторов: механических и пластических свойств металла заготовки при повышенных температурах формоизменения, степени и скорости деформации, времени выдержки для снятия внутренних напряжений после изотермической штамповки и др. [1, 2].
В связи с использованием в промышленности новых металлов возникают трудности в определении режимов изотермической штамповки заготовок, так как отсутствует справочная информация по механическим, технологическим и пластическим свойствам. Механические и пластические свойства новых материалов и сплавов определяются на основе, например, ГОСТ 9651-81 «Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах», тогда как технологические испытания разработаны недостаточно, и для определения режимов изотермической штамповки возникает необходимость в разработке методики таких испытаний.
Самым важным технологическим свойством металла является сохранение формы в точном соответствии с формой штамповочного инструмента. Например, при V-образной гибке при повышенной температуре из-за пружинения металла возникает погрешность по углу изгиба, а из-за возникновения релаксации - искажение прямолинейности полки в получаемом образце. Соответствие формы детали и штампового инструмента зависит от температуры изотермической штамповки и времени выдержки детали под давлением при заданной температуре. Поэтому актуальной задачей для производства является установление температурных режимов изотермической штамповки новых металлов и сплавов и времени выдержки.
Технологические свойства титановых сплавов ВТ20 и ОТ4, а также алюминиевого сплава АМгбМ исследованы недостаточно, тогда как листовой прокат из данных сплавов находит широкое применение при штамповке деталей ответственного назначения.
Для определения условий сохранения формы образца из листового проката в точном соответствии с формой штамповочного инструмента при изотермической штамповке использовалась технологическая оснастка, приведенная на рис. 1. В корпусе 3 устанавливались матрицы 1 с рабочей поверхностью V-образной формы с углом гибки 90о (пунктирная линия) или радиусной Я=бб мм формы (штрихпунктирная линия). Формоизменение проводилось пуансонами 2 соответствующей формы рабочей поверхности. На матрицу укладывалась заготовка прямоугольной формы габаритными размерами 100 х 20 мм. Оснастка с заготовкой помещалась в под шахтной электропечи. Формоизменение производилось при фиксированной температуре нагрева штампового инструмента и заготовки на современной напольной машине ШБТЯОК серии 5982 с компьютерным управлением, с тяжелой рамой и рабочей нагрузкой 100 кН, которая широко применяется для испытания высокопрочных металлов и сплавов, улучшенных композитов, аэрокосмических и автомобильных конструкций, болтов, крепежных деталей и листовой стали. Испытательная машина с компьютерным управлением В1иеЫ11 оснащена силовым динамометром с электрическим преобразователем.
Гибку осуществляли при различных температурах. Влияние скорости деформирования при гибке устанавливали, осуществляя формоизменение образцов со скоростями деформирования 1, 5 и 10 мм/мин. Влияние времени выдержки на точность формы детали после гибки определяли путем выдержки отштампованной детали под нагрузкой в течение 1, 2 и 3 мин.
Погрешность формы образца после гибки (рис. 1) фиксировали по углу изгиба и плоскостности полки. Для этого использовались оптический угломер и расчетный метод. Для расчета угла изгиба штангенциркулем
203
проводились измерения размеров А и И (рис. 2), учитывалась поправка по толщине образца и радиусу изгиба Л0 С учетом влияния толщины £ и смещения вершины по размеру Ь вводилась поправка к на размер И . Угол изгиба определялся как
л 0,5 А
а = , (1)
И + к
где к = Л0(л/2 -1)
£
л/2
Рис. 1. Технологическая оснастка для У-образной гибки под углом 90° и по радиусу 66 мм: 1 - матрица, 2 - пуансон, 3 - корпус,
4 - направляющие
Рис. 2. Схема измерения образца после У-образной гибки
По расчетному и измеренному углу изгиба определялась относительная погрешность угла
А = а-ам
а
(2)
м
Погрешность формы образца после изгиба по радиусу Я =66 мм определялась расчетным методом по измеренным размерам хорды I и расчету стрелки Н по значению размера Н и толщины образца 8 (рис.3). Радиус изгиба образца определялся как
Я =
12 + 4Н 2
8Н
(3)
где Н = Н - £соБ(а/2)
Угол изгиба а рассчитывался по известной длине образца 100 мм и радиусу матрицы гибки Я:
18000
а
рЯ
(4)
Относительная погрешность образца по радиусу гибки рассчитывалась по выражению
Я - Я,
А =
м
Я
(5)
м
где Ям - радиус матрицы.
Технологические испытания проводили для алюминиевого сплава АМг6М при температурах: 20, 370, 420 и 470 оС, для титановых сплавов ВТ20 и ОТ4 - при температурах: 20, 600, 650, 700 и 750 оС. Достоверность технологических испытаний обеспечивалась гибкой не менее трех образцов при фиксированных значениях температуры нагрева и скорости деформации.
Образцы вырезались под различными углами относительно направления к прокатке, что позволяло установить влияние плоскостной анизотропии исследуемого листового проката на погрешность формы при изотермической штамповке.
Рис. 3. Расчетная схема определения радиуса гибки Я образца при формообразовании заготовки по требуемому радиусу гибки
Для примера приведен фрагмент таблицы результатов испытания титанового сплава ВТ20 в штампе гибки с У-образной матрицей (табл. 1).
В результате статистической обработки по методу наименьших квадратов была установлена зависимость изменения относительной погрешности формы образца от температуры изотермической штамповки при различных скоростях деформирования в виде квадратичных уравнений регрессии решенных относительно температуры. Например, для титанового сплава ВТ20 толщиной 1 мм при скорости деформирования 1 мм/мин были получены уравнения соответственно для образцов, вырезанных под углами 0, 45 и 90о относительно направления прокатки:
г = -3997,6584А2 + 879,0181А + 779,6266, г = -4956,6279А2 + 1226,598А + 765,4963, (6)
г = -18537,5933А2 + 3388,7496А + 755,8867.
Из уравнений (6) следует, что при относительной погрешности Д=0 температура достигала 779,6 °С для образцов, вырезанных вдоль прокатки, 765,5 °С для образцов, вырезанных под 45Относительно направления к прокатке и 755,9 °С для образцов, вырезанных поперек прокатки.
Таблица 1
Результаты изотермической штамповки титанового сплава ВТ20 в штампе гибки с У-образной матрицей
Относительный угол
Угол Основа- Вы- Темпе- Угол по Угол рас- У гибки
вырезки, ние сота ратура °С угломеру четный Угол по
град. А, мм И,мм град. град. угломеРУ По расчету
Радиус изгиба У-матрицы Я=4 мм, прибавка к= 0,95 мм
0 65,1 38,5 600 73° 79° -0,189 -0,122
0 67,6 37,5 600 78и40' 82и38' -0,126 -0,082
0 64,3 38,8 600 71и30' 77и56' -0,205 -0,134
45 67,6 37,5 600 79и 82и39' -0,122 -0,082
45 65,2 38,6 600 74и 79и -0,178 -0,122
45 64,3 39,7 600 71и20' 76и4Г -0,207 -0,148
90 66,4 38 600 76и 88и53' -0,156 -0101
90 63 39,2 600 68° 76и14' -0,244 -0,153
90 62,9 39,2 600 68и40' 76и23' -0,237 -0,154
Аналогично определялись температуры изотермической штамповки для алюминиевого сплава АМгбМ и титанового сплава ОТ4. Результаты обработки экспериментальных данных, определяющих температуру изотермической штамповки, при отсутствии относительной погрешности приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значение температуры изотермической штамповки, при которой
относительная погрешность угла гибки Л=0
Материал Направление вырезки образца, град. Скорости деформирования, мм/мин
1 5 10
АМгбМ толщиной 1 мм 0 389,4 430,0 391,7
45 422,9 414,8 352,9
90 427,4 420,0 370,0
ВТ20 толщиной 1 мм 0 779,6 759,0 763,8
45 765,5 758,2 762,5
90 755,9 758,2 758,7
ОТ4 толщиной 1 мм 0 693,3 702,8 700,1
45 666,9 680,0 709,5
90 687,5 689,0 705,0
Из табл. 2 следует, что изотермическую штамповку с минимальной относительной погрешностью угла гибки следует производить для алюминиевого сплава в интервале температур 370...430 оС, титановых сплавов ВТ20 и ОТ4 - при 750.780, 670.710 оС соответственно.
Таким образом, для определения условий изотермической штамповки труднодеформируемых металлов из новых сплавов необходимы технологические испытания. Предлагаемая методика технологических испытаний позволяет установить температуру изотермической штамповки, при которой относительная погрешность по углу и радиусу гибки минимальна.
Работа выполнена в рамках грантов РФФИ № 16-48-710016 и 1608-00020 и гранта администрации Тульской области.
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я.А. Соболев. М., Тула: Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2004. 427 с.
2. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.
3.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.
Короткое Виктор Анатолиевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Романов Павел Витальевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DETERMINATION OF THE MODE OF ISOTHERMAL STAMPING BASED ON TECHNOLOGICAL TESTS OF SAMPLES FROMDIFFICULTALLY DEFORMABLE
MATERIALS
V.A. Korotkov, P. V. Romanov, V.I. Platonov
The article presents the results of the analysis of experimental studies of isothermal forging ofproducts from high-strength aluminum and titanium alloys. Studies were conducted to establish the temperature regimes of isothermal forging new metals and alloys and the exposure time. The result of statistical processing by the method of least squares the dependence of the relative error changes the shape of the sample from the temperature of isothermal forging at various speeds of deformation in the form of quadratic regression equations, solved on the temperature.
Key words: test, tension, stress, strain, temperature.
208
Korotkov Viktor Anatolievich, candidate of technical sciences, senior researcher, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Romanov Pavel Vitalyevich, student, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaa rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.98; 539.376
ВАРИАЦИОННАЯ ОЦЕНКА ДАВЛЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ВЯЗКОПЛАСТИЧНОГО МАТЕРИАЛА
Получены кинематические соотношения и зависимости для расчета давления и повреждаемости материала при выдавливании утолщения на осесимметричной заготовке. Состояние горячего деформируемого материала принято вязкопластичным. Использован энергетический метод расчета применительно к разрывному полю скоростей перемещений. Минимизация давления произведена путем вариации уравнения образующей линии поверхности разрыва скорости.
Ключевые слова: радиальное выдавливание, вязкопластический материал, мощность, давление.
Расчетно-технологическая схема осесимметричного радиального выдавливания изображена на рисунке, а. Здесь также показано разрывное поле скоростей перемещений. Поле состоит из жестких блоков «0» и пластического блока «1». Блоки - тела вращения. Они разделены поверхностями разрыва скорости. Уравнения образующих поверхностей У1 (х ) = - У2 (х ) = у(х ). Эти уравнения подлежат определению в ходе решения задачи. Деформации имеют место в объеме пластического блока и на поверхностях разрыва. Установим, используя план скоростей, приведенный на рисунке, б для одной из симметричных частей заготовки, необходимые кинематические соотношения. Схему деформаций примем плоской для осесимметричной заготовки, что допустимо при 273/Г - Г3) > 25...30. В пластическом блоке имеем скорость в данном блоке
А.В. Черняев, А.В. Чарин, В. А. Гладков
(1)
V1x = 0;V1y = V1.
(2)
