CC BY
3
УДК 621.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-628-633
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ СРЕДНИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ВЫСАДКЕ ТИТАНОВОЙ ЗАГОТОВКИ
И.С. Хрычев, Н.А. Чекмазов
В статье приводится анализ результатов CAE-моделирования технологической операции получения утолщенных цилиндрических деталей. Рассматривается в частности процесс высадки прутковых заготовок из сплава ВТ6. Выполнен анализ влияния температурно-скоростных условий на напряженное состояние. Исследования выполнены для горячей штамповки титановых заготовок различных диаметров как в условиях изменяющейся температуры и для изотермических условий формоизменения при разных скоростях деформирования. По результатам исследований процесса высадки выполнено обоснование выбора термических режимов штамповки в комплексе со скоростными режимами деформирования. Получены схемы для анализа распределения величин средних напряжений в сечении деталей на начальных этапах деформирования, и при значительных степенях деформации. Выявлены режимы деформирования, позволяющие обеспечить оптимальное распределение напряжений в детали.
Ключевые слова: высадка, моделирование, формоизменение, сила, напряжения, деформации.
Процесс высадки характеризуется значительной неравномерностью напряженного состояния в изделии. Это справедливо для значительных степеней деформации, когда в теле заготовки наряду со значительными сжимающими напряжениями возникают растягивающие в наружной области формируемого фланца. В статье приводится анализ результатов CAE-моделирования технологической операции получения утолщенных цилиндрических деталей - высадки прутковых заготовок из сплава ВТ6. Выполнен анализ влияния температурно-скоростных условий на напряженное состояние. Выявлены режимы деформирования, позволяющие обеспечить оптимальное распределение напряжений в детали. Получены схемы для анализа распределения величин средних напряжений в сечении деталей на начальных этапах деформирования, и при значительных степенях деформации.
В качестве заготовок использовались прутки из сплава ВТ6, диаметром 20...60 мм. На рисунке 1 дана схема высадки. Свободная часть заготовки имеет высоту h = 2d. Влияние скорости деформирования исследовалось в интервале 1.500 мм/мин. Процесс рассчитывался при начальной температуре заготовки 900°С . Исследовалось влияние на средние напряжения теплообмена между инструментом и заготовкой в процессе деформирования. Ход инструмента рассматривался в интервале h = 0...0,9h). Коэффициент контактного трения принимался равным 0,3.
Выполнены ряд опытов в программе DEFORM для различных температурно-скоростных условий формоизменения.
h
Рис. 1. Схема высадки до (а) и после (б) совершения рабочего хода
На рис. 2 показаны схемы для анализа распределения средних напряжений в продольном сечении заготовки для горячей штамповки в условиях изменяющейся температуры и изотермических условий формоизменения при скоростях перемещения пуансона V=1, 15, 500 мм/мин для заготовок диаметром 20 мм.
На рис. 3 даны схемы для анализа средних напряжений для заготовок диаметром 30 мм.
Полученные результаты показывают, что при малых скоростях деформирования обеспечение режима изотермической штамповки позволят добиться меньших величин как растягивающих, так и сжимающих напряжений. Для режимов формоизменения в условиях изменяющейся температуры величины растягивающих напряжений значительно больше. Больше так же неравномерность напряженного состояния. С увеличением скоростей деформирования для режима штамповки с изменяющейся температурой неравномерность напряженного состояния уменьшается. Для режима изотермической штамповки увеличение скоростей деформирования ведет напротив, к росту неравномерностей напряжений, росту растягивающих и сжимающих напряжений. В целом в теле заготовки преобладают сжимающие напряжения. Растягивающие напряжения сосредоточены, а краевой части фланца.
628
На рис. 4 даны схемы для анализа средних напряжений для заготовок диаметром 40 мм.
Stress - Me«n (М Pa)
795 _ -583 Щ ' -1560
V=3 мм/мин
И370 -2410
I
I I
-TÍM 1
V=15 мм/мин
Stress - Mean (MPi
а б
¥=500 мм/мин
Рис. 2. К определению величин средних напряжений в детали (= 20 мм): а - формоизменение в условиях изменяющейся температуры; б - изотермическое деформирование
Srot - Mean К- i
Slresi-Meaíi íMPa |
.1
I
Stieti - Mean (MPJ)
Ш ™
У ^ I
IV I
I
I
-24.0 Я
fHS -7S.7 Ш
I
■tel ■
:
б
¥=3 мм/мин
Рис. 3. К определению величин средних напряжений в детали (Оо = 30 мм): а - формоизменение в условиях изменяющейся температуры; б - изотермическое
деформирование (начало)
629
а
V
V=15 мм/мин
arm W«n IMP»)
509 _
V . J
-т _ -
.1310 ■
Stress - Mean (МРа)
Stress - Mean (МРа)
М
I
93.2 _ -208 -509
-659
-810 Щ
-960 Щ
-1110 ®
б
¥=500 мм/мин
Рис. 3. К определению величин средних напряжений в детали (^ = 30 мм):
а - формоизменение в условиях изменяющейся температуры; б - изотермическое
деформирование (окончание)
I
I
V=3 мм/мин
670 _ Т -420 ® -1510
:
V=15 мм/мин
am wn-w
'I I i I"
Иг*« - Hfsn («Ш
MS _
■ -Sl.t I
аб ¥=500 мм/мин
Рис. 4. К определению величин средних напряжений в детали (^0 = 40 мм): а - формоизменение в условиях изменяющейся температуры; б - изотермическое деформирование
а
На рис. 5 даны схемы для анализа средних напряжений для заготовок диаметром 60 мм.
Stress - Mean (МРа)
Stress-Mean (МРа)
I I
I __ _ 1
-1260
)
:
i
V=3 мм/мин
Stress - Mean (MPs)
• 9
I
КГ
Stress - Mean (MPa)
V=15 мм/мин
а б
V=500 мм/мин
Рис. 5. К определению величин средних напряжений в детали (Dq = 60 мм): а - формоизменение в условиях изменяющейся температуры; б - изотермическое деформирование
Установлен характер распределения напряжений для заготовок разных диаметров. Выявлено, что изменение габаритных размеров заготовок в целом не влияет на изменение как характера напряжений, так и на их величины. Разница в величинах средних напряжений для разных габаритов заготовки не превышает 10 %. Анализ результатов расчетов показал, что увеличение скорости деформирования для штамповки в условиях изменяющейся температуры приводит к снижению растягивающих напряжений на 60 %, что связано с охлаждением заготовки при малых скоростях деформирования и естественным разогревом материала заготовки при больших степенях деформирования. Для изотермического деформирования увеличение скоростей деформирования приводит к росту напряжений в 2...3 раза. Обеспечение малых скоростей деформирования в условиях изменяющейся температуры негативно сказывается на напряженном состоянии.
Таким образом, обеспечение деформирования в изотермических условиях с малыми скоростями деформирования титановых заготовок позволяет значительно снизить неравномерность напряженного состояния, снизить величины растягивающих напряжений. Реализация процесса высадки в изотермических условиях при скоростях больших чем 30 мм/мин, атак же с малыми скоростями в условиях изменяющейся температуры нецелесообразна.
Работа выполнена в рамках гранта РНФ 23-29-00470.
Список литературы
1. Яковлев С.С., Яковлев С.П., Чудин В.Н., Трегубов В.И., Черняев А.В. Изотермическое формоизменение из анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
2. Романов К.И. Механика горячего формоизменения металлов. М.: Машиностроение, 1993,
240 с.
3. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1968, 400 с.
4. Теория обработки металлов давлением / Голенкова В.А., Яковлев С.П. и др. / М. Машиностроение. 2009. 442 с.
5. Чудин В.Н., Пасынков А.А. Нестационарные процессы изотермической штамповки // Куз-нечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2018. №6. С. 23-28.
5. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.
6. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных спавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.
7. Larin S.N., Pasynkov A.A. Analysis of forming properties during the isothermal upsetting of cylindrical workpieces in the viscous-plasticity mode // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Volume 441, Issue 1, 2 November 2018.
8. Alves L.M., Afonso R.M., Silva C.M.A., Martins P.A.F. Boss forming of annular flanges in thin-walled tubes. Journal of Materials Processing Technology. 2017, Volume 250, December. P. 182-189
9. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. M.: Металлургия, 1976. 488 с.
Чекмазов Никита Михайлович, студент, olya-gurova-2016@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хрычев Иван Сергеевич, студент, sulee@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ASSESSMENT OF CHANGES IN AVERA GE STRESSES DURING SHRINKAGE
OF A THIAN BILLET
I.S. Khrychev, N.A. Chekmazov
The article provides an analysis of the results of CAE-modeling of the technological operation of obtaining thickened cylindrical parts. In particular, the process of disembarking bar blanks made of VT6 alloy is considered. The analysis of the influence of temperature-velocity conditions on the stress state is carried out. The studies were carried out for hot stamping of titanium billets of various diameters both under conditions of varying temperature and for isothermal conditions of forming at different deformation rates. Based on the results of studies of the landing process, the justification for the choice of thermal stamping modes in combination with high-speed deformation modes was carried out. Schemes are obtained for analyzing the distribution of the values of average stresses in the section ofparts at the initial stages of deformation, and at significant degrees of deformation. Deformation modes have been identified to ensure optimal stress distribution in the part.
Key words: landing, modeling, shape change, force, stresses, deformations.
Chekmazov Nikita Mikhailovich, student, olya-gurova-2016@mail. ru, Russia, Tula, Tula State
University,
Khrychev Ivan Sergeevich, student, sulee@mail.ru,, Russia, Tula, Tula State University
