CC BY
4
УДК 621.77; 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-117-122
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАГОТОВКИ ПРИ ПРЯМОМ ГОРЯЧЕМ ВЫДАВЛИВАНИИ ТРУБЫ
А.А. Пасынков, И.А. Хрычев
Изготовление цилиндрических корпусных пустотелых изделий с разными площадями поперечных сечений по их высоте возможно различными методами пластического деформирования, например, выдавливанием, обжимом или раскаткой. Такие изделия, или их полуфабрикаты могут быть получены широким спектром операций штамповки, но реализация выдавливания может обеспечить значительные степени деформации без разрушения металла, благодаря всестороннему сжатию в очаге деформации. Кроме того, данный процесс формообразования позволит обеспечить благоприятные механические характеристики готовых изделий. Однако в случаях формоизменения малопластичных сплавов, изготовление таких деталей горячим выдавливанием является предпочтительным, ввиду благоприятного напряжённо-деформированного состояния. Процесс выдавливания будут реализовываться в горячих условиях, что продиктовано прочностными свойствами материала заготовки. В статье выполнена оценка влияния технологических параметров процесса прямого горячего выдавливания цветных сплавов на максимальные значения напряжений в очаге деформации и выходе из него. Исследовалось изменение при разных значениях редукции. Получены результирующие зависимости, позволяющие выявить рациональные режимы технологии. Исследование позволило выявить интервалы скоростей и углов конусности оправки, при которых достигается благоприятное напряженное состояние, с учетом конструктивных особенностей технологии.
Ключевые слова: прямое выдавливание, горячее деформирование, напряжения, очаг деформации.
Горячее деформирование обеспечивать значительные степени деформирования, снижение давления деформирования и более равномерное напряженное состояние по всему объему детали [1-5]. При деформировании высокопрочных заготовок из высокопрочных материалов горячая штамповка является единственным вариантом получения каких-либо изделий. Выдавливание трубных заготовок, и непосредственно штамповка в горячем состоянии позволяет достичь значительных степеней деформирования. Однако, при больших степенях деформаций напряжения в детали могут иметь значения, превышающие допустимые величины. Ввиду этого, на основе результатов моделирования было выполнено исследование изменения напряжений в изделии при изменении ключевых параметров (скорости операции и степени формообразования). Исследовалось изменение а, МПа при разных значениях редукции
D - D
r = нар-= 04 08, угла конусности а = 25...650 , скорости V =1...50 мм/мин и коэф-
D - D ' '
^нар ^вн
фициента контактного трения ц =0,3.0,7.
На рис. 1 дана схема процесса. Изменение величин напряжений оценивалось в характерных локальных зонах заготовки. На рис. 2 даны эскизы с иллюстрацией изменения положения зон заготовки для контроля напряжений при выдавливании. Выбор контрольных точек осуществлялся из возможностей оценки напряжений как в очаге деформации, так и на периферии.
На рис. 3 и 4 представлены полученные, в ходе анализа результатов расчета, графики изменения максимальных напряжений в выбранных ранее локальных зонах заготовки в тече-
D - D
нии времени выдавливания для разных степеней деформирования (редукция r = —нар-опр ) и
D - D
нар вн
углов конусности оправки. Полученные зависимости позволяют оценить изменение характера напряжений от хода пуансона.
Исходя из рис. 3 и 4 установлено, что увеличение редукции r от 0,8 до 0,4 приводит к увеличению сжимающих напряжений в выбранных контрольных зонах 8 раз при а = 25о и в 4 раза при а = 65о. Изменение степени деформации и угла конусности также влияет на максимальные значения растягивающих напряжений. Однако это влияние носит незначительный ха-
рактер и ввиду неравномерности изменения растягивающих напряжений в процессе деформирования данную оценку выполнить сложно. Наибольшие значения растягивающих напряжений заметны в краевых зонах формируемой стенки заготовки. В очаге деформации и близости с ним преобладают сжимающие напряжения.
Рис. 1. Эскиз выдавливания трубы: 1 - заготовка; 2 - матрица; 3 - нажимной элемент; 4 - оправка
Рис. 2. Эскизы к оценке изменения положения контрольных точек с,МПа
-
)\ Г) 7 /Ч 0 Г. 0
/
/ 2 -3
\
\ ,
а
а,МПа
с
-1С
20 30 -АП Я]
а, МП а
о
-5
-10 -15 -20 -25 -30 -35 -40
А
г /
2 / /
V \
—" л-п в-0 я-
/
1 21 \
Рис. 3. Изменение максимальных нормальных напряжений во времени процесса (V = 1 мм/мин; ц = 0,3; а = 25°): 1 - г = 0,8; 2 - г = 0,6; 3 - г = 0,4; а - точка 1; б - точка 2; в - точка 3 118
б
в
в
Рис. 4. Изменение максимальных нормальных напряжений во времени процесса (V = 1 мм/мин; ц = 0,3 ; а = 65°): 1 - Г = 0,8 ; 2 - Г = 0,6 ; 3 - Г = 0,4 ; а - точка 1; б - точка 2; в - точка 3
На рис. 5 представлена зависимость изменения максимальных нормальных напряжений от относительного хода пуансона для разных сочетаний скорости деформирования и степени деформации. Выявлено, что рост скорости деформирования при минимальной из исследуемых значений степени деформации приводит к росту сжимающих напряжений в 5 раз и более чем трехкратному увеличению максимальных растягивающих напряжений. Рост скорости деформирования при минимальной из исследуемых значений степени деформации приводит к росту сжимающих напряжений в 4,5 раза. В рассматриваемой схеме деформирования при больших степенях деформации значения растягивающих напряжений близки к нулю.
О, МП а
о
-100 -150 -200 -250
Рис. 5. Изменение максимальных нормальных напряжений в течении операции ( ц = 0,3; а = 25°): 1 - r = 0,8, V = 1 мм/мин; 2 - r = 0,4, V = 1 мм/мин; 3 - r = 0,8, V = 50 мм/мин; 4 - r = 0,4, V = 50 мм/мин
На рис. 6 и 7 представлены графики изменения максимальных растягивающих и сжимающих напряжений от угла конусности матрицы при максимальной, из выбранного для исследования диапазона, степени деформации.
Рис. 6. Изменение максимальных растягивающих напряжений от угла конусности матрицы ( ц = 0,3 ; Г = 0,4): 1 - V = 1 мм/мин; 2 - V = 50 мм/мин
Рис. 7. Изменение сжимающих напряжений от угла конусности матрицы (; г = 0,4): 1 - V = 1 мм/мин; р = 0,3; 2 - V = 50 мм/мин; р = 0,3 ; 3 - V = 1 мм/мин; р = 0,7 ;
4 - V = 50 мм/мин; р = 0,7
Из графиков видно, что росту угла конусности оправки приводит к росту растягивающих напряжений в 2,5...3 раза. Рост скоростей деформирования ведет к росту растягивающих напряжений в 5 раз в среднем. Для сжимающих напряжений характерно аналогичная зависимость их изменения от скоростей деформирования. Было установлено влияние контактного трения на максимальные сжимающие напряжения в заготовке. Увеличение коэффициента трения с 0,3 до 0,7 приводит к росту напряжений в 1,5 раза.
На рис. 8 представлен график изменения интенсивностей напряжений от угла конусности матрицы, кантатного трения и скорости деформирования.
Рис. 8. Изменение значений интенсивностей напряжений от угла конусности матрицы (r = 0,4): 1 - V = 1 мм/мин; р = 0,3 ; 2 - V = 50 мм/мин; р = 0,3 ; 3 - V = 1 мм/мин;
р = 0,7; 4 - V = 50 мм/мин; р = 0,7
Установлено, что интенсивности напряжений в заготовке с ростом а растут в 2 раза при скоростях деформирования V = 1 мм/мин и на 25 % при скоростях деформирования V = 50 мм/мин. Рост контактного трения приводит к росту интенсивностей напряжений на 15.. .20%. Рост скорости деформирования приводит к росту интенсивности напряжений в 5 раз.
Таким образом результаты работы позволяют говорить о необходимости подбора режимов деформирования для обеспечения благоприятного напряжённого состояния материала заготовки. Обеспечение невысоких скоростей деформирования при горячем режиме штамповки позволяет уменьшить неравномерность напряжений и величины сжимающих и растягивающих напряжений. Исследование позволило выявить интервалы скоростей, при которых достигается благоприятное напряженное состояние V = 1...15 мм/мин и углов конусности оправки, с учетом конструкционных особенностей технологии а = 20...450.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант РФФИ № 20-08-00541.
Список литературы
1. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных сплавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.
120
2. Черняев А.В., Чарин А.В., Гладков В.А. Исследование силовых режимов радиального выдавливания внутренних утолщений на трубных заготовках // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 10. С. 440-445.
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.
4. Пасынков А.А., Ларин С.Н., Исаева А.Н. Теоретическое обоснование схемы обратного изотермического выдавливания трубной заготовки с активным трением и вытяжкой ее краевой части // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. №10. С. 462-465
Список литературы
1. Яковлев С.П. Обработка давлением анизотропных материалов / С.П. Яковлев, С.С. Яковлев, В.А. Андрейченко. Кишинев: Квант. 1997. 332 с.
2. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машинострое-ние, 1968.
283 с.
3. Чудин В.Н., Пасынков А.А. Нестационарные процессы изотермической штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2018. №6. С. 23-28.
4. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных сплавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.
5. Демин В.А., Черняев А.В., Платонов В.И., Коротков В.А. Методика экспериментального определения механических и пластических свойств материала при растяжении с повышенной температурой // Цветные металлы. 2019. №5. С. 66-73.
6. Черняев А.В., Усенко Н.А., Коротков В.А., Платонов В.И. Определение влияния скорости деформации на сопротивление деформированию при статическом растяжении с повышенной температурой // Цветные металлы. 2019. №5. С. 60-66.
Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хрычев Иван Сергеевич, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVALUATION OF CHANGE IN THE STRESS STATE OF THE BLANK DURING DIRECT HOT
EXTRUSION OF THE PIPE
A.A. Pasynkov, I.A. Khrychev
The manufacture of cylindrical body hollow products with different cross-sectional areas along their height is possible by various plastic deformation methods, for example, extrusion, crimping or rolling. Such products, or their semi-finished products, can be obtained by a wide range of stamping operations, but the implementation of extrusion can provide significant degrees of deformation without breaking the metal, due to all-round compression in the deformation zone. In addition, this shaping process will ensure favorable mechanical characteristics of finished products. However, in cases of forming low-plastic alloys, the manufacture of such parts by hot extrusion is preferable, due to the favorable stress-strain state. The extrusion process will be implemented in hot conditions, which is dictated by the strength properties of the workpiece material. The article evaluates the influence of technological parameters of the process of direct hot extrusion of non-ferrous alloys on the maximum stress values in the deformation zone and exit from it. The change was studied at different reduction values. The resulting dependencies are obtained, which allow to identify rational modes of technology. The study made it possible to identify the ranges of speeds and taper angles of the mandrel at which a favorable stress state is achieved, taking into account the design features of the technology.
Key words: direct extrusion, hot deformation, stresses, deformation zone.
Pasynkov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
121
Khrychev Ivan Sergeevich, student, mpf-tula@,rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.77; 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-122-126
ВЛИЯНИЕ ПРОФИЛЯ ЗАХОДНОЙ ЧАСТИ МАТРИЦЫ НА ГЕОМЕТРИЮ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ВЫТЯЖКЕ КРУГЛЫХ ЗАГОТОВОК
Н.А. Самсонов, И.С. Хрычев
Операция вытяжки листовых металлических заготовок практически всегда сопровождается образованием неравномерностей на их торцевой поверхности, что объясняется анизотропией механических свойств материала. Неравномерность перемещения краевых зон листовой заготовки будет реализована посредством использования матриц с профильной за-ходной частью. В данной работе выполнен поиск оптимальной геометрии матрицы, позволяющий получить наименьшую неравномерность геометрии на торцах при наилучшем напряженно-деформируемом состоянии деталей. Исследовалось влияние размеров свободных поверхностей профильной части матрицы, вариантов сопряжения профиля матрицы и заходно-го элемента, а так же величины скруглений на рабочих кромках. Приводятся результаты исследований вытяжки листовой круглой заготовки через матрицу с профильной заходной частью. Получены зависимости влияния геометрии заходной части матрицы на величину фестонов в получаемой детали. Выполнен ряд опытов для рассмотренной геометрии матрицы. Получены результаты в виде эскизов изделий с нанесенным распределением средних нормальных напряжений, интенсивностей напряжений и критерия разрушения заготовки. Выявлено, что обеспечение минимальных радиусов помимо формирования неравномерности геометрии торцовой части изделия приводит к увеличению максимальных растягивающих напряжений в изделии при вытяжке.
Ключевые слова: вытяжка, фестонообразование, геометрические характеристики, штамповка.
В работе [1] установлено, что обеспечение разных условий трения на опорной и рабочей поверхностях матрицы позволяют обеспечить неравномерное течение краевых элементов заготовки. В перспективе это позволит обеспечить при вытяжке заготовок с явной анизотропией получать изделия с равномерной геометрией торцовых частей. В данной работе выполнен поиск оптимальной геометрии матрицы, позволяющий получить наименьшую неравномерность геометрии на торцах при наилучшем напряженно-деформируемом состоянии деталей. Исследовалось влияние размеров свободных поверхностей профильной части матрицы, вариантов сопряжения профиля матрицы и заходного элемента, а также величины скруглений на рабочих кромках.
На рис. 1 представлена схема операции вытяжки. Заготовка (1) укладывается на рабочую поверхность матрицы (2) с профильной рабочей частью (рис. 2). В процессе деформирования обеспечивается прижим заготовки (4). Моделирование выполнялось в программе DEFORM. Заготовкой являлся круг диаметром D0 = 50 мм, толщиной s = 2 мм. Материал -сталь10. Диаметр отверстия в матрице D-u = 36,6 мм.
Рассмотрены разные варианты геометрии рабочей поверхности матрицы. Глубина профильной части принималась равной h = 4s .
Рассматривалась возможность вытяжки через матрицу с разными вариантами геометрии, приведенной на рис. 2. В частности, рассматривались варианты геометрии профильной части с вертикальным переходом от базовой части профильной надставки к ее основанию (рис. 2, а), с коническим переходом (рис. 2, б) и с радиальным переходом (рис. 2, в). Наибольшая ширина профиля варьировалась B / Dматр = 1,35... 1,6 мм. Радиус выступов профиля
R /Dматр = 1 мм. Радиус скругления матрицы r/s = 0,5...2,5мм. Радиус скругления профиля
заходного элемента r^ / s = 0,5... 1,5.
