CC BY
3
This article discusses the operation of reverse extrusion of a pipe from steel onto mandrels, which excludes the flow of the workpiece material in the radial direction. Modeling was performed, the results of which established the effect of reduction, punch taper on the process force and maximum stresses in the deformation zone. Pipes with a diameter of 90 mm and a wall thickness of 9 mm were selected for process analysis. The blank material is carbon steel 10. Deformation is carried out at room temperature. Based on the analysis of the results obtained, the dependences of the change in the extrusion forces during the deformation time, the dependence of the maximum stresses in the deformation zone on the reduction and taper of the tool and friction were obtained. The data are compared with the results obtained according to the scheme with a punch without a mandrel. An analysis of the results obtained allows us to draw conclusions about the advantages of each of the considered extrusion schemes.
Key words: reverse extrusion, cold deformation, force.
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@ ram-bler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@ ram-bler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Matchenko Nikolai Mikhailovich, doctor of mechanics and mathematics sciences, professr, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.98:539.376
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-428-433
ОЦЕНКА ПОТЕРИ СПЛОШНОСТИ МАТЕРИАЛА ЗАГОТОВОК В ПРОЦЕССАХ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ПЛОСКОЙ И ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
П.В. Романов
В работе приведены результаты исследований влияния различных технологических параметров при осадке призматических и цилиндрических заготовок на уровень потери сплошности материалом заготовки в условиях плоской и осесимметричной деформации соответственно. Моделирование осуществлялось на примере осадки образцов из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ 14 сплавов в изотермических условиях при вязком течении материала с использованием математической модели, построенной на базе энергетического метода расчета. Оценка изменения уровня сплошности пластически деформируемой заготовки позволяет правильно назначить технологические режимы при построении технологического процесса и спрогнозировать качество получаемого изделия. Показано изменение уровня потери сплошности заготовок в зависимости от начальной высоты образцов и величины осадки при фиксированной скорости перемещения пуансона и заданном коэффициенте трения на контактных поверхностях.
Ключевые слова: осадка, давление, напряжения, деформации, сплошность, сварка давлением.
В конструкциях изделий ответственного назначения используются высокопрочные материалы, обладающие повышенными эксплуатационными характеристиками и малым удельным весом. Как правило, такие материалы являются мало пластичными и не деформируются при комнатных температурах. В связи с этим необходимо создание
428
специальных температурных и скоростных условий деформирования для обеспечения максимальной пластичности обрабатываемых материалов. На предельную деформацию также оказывает влияние схема напряженного состояния [1-10].
Процессы сварки давлением набирают популярность в машиностроительной, авиакосмической, электротехнической и других отраслях в связи с простотой реализации и возможностью получения сложных пространственных изделий с герметичными швами. Для подготовки производства и прогнозирования качества получаемого изделия необходима разработка теоретических основ и рекомендаций по расчету технологических параметров деформирования.
Одним из показателей, на основе которого осуществляется разработка технологии пластического формоизменения и позволяющим спрогнозировать качество штампованной продукции, является оценка изменения уровня сплошности материала заготовки ш. Предполагается, что до деформирования ш = 1, при ш = 0 происходит разрушение заготовки.
Рассмотрим процессы осадки прямоугольной и цилиндрической заготовок на листовом корпусном элементе (рис. 1). Расчетная математическая модель построена с использованием энергетического метода при плоской и осесимметричной деформации для призматической и цилиндрической заготовок соответственно [11].
а б
Рис. 1. Схемы осадки-сварки давлением призматических (а) и цилиндрической заготовки (б) на листовом корпусе: 1 — осаживаемая заготовка; 2 — лист;
3 — нажимная плита
На схемах обозначено: 2а0, 2а1, 2г0, 2тц, Но, Н - начальные и конечные размеры призматической и цилиндрической заготовок; АН - величина осадки.
Оценка изменения сплошности материала заготовок проводилась на основе уравнений кинетики несплошности при вязко-пластическом деформировании в условиях плоской и осесимметричной деформациях.
В зависимости от температурно-скоростных параметров формоизменения процесс накопления повреждаемостей в деформируемых материалы может быть определен деформационным или энергетическим уравнением. По деформационному уравнению
ъе к -АН (1)
Ш = 1--— = 1--. (1)
ее пр ее пр ' Н0 По энергетическому уравнению
^1+т+п
' tk~П , (2)
1 Л
ш = 1--
А
Лпр
к -АН
Н0 429
где ее - эквивалентная деформация; tk = - время осадки; к = 2/л/3 - для плоской
' Ко
деформации и к = 1 - для осесимметричной; 1 > у > 0 - сплошность материала заготовок; еепр, Апр - предельные эквивалентная деформация и удельная работа
при разрушении материала, А, т, п - константы уравнения состояния материала заготовок [1].
По деформационному критерию повреждаемость материалов не зависит от времени (скорости) деформирования, а по энергетическому такая зависимость имеется. Расчет констант разрушения производился по выражениям [1]
Чпр = с1 ■ ехР( А1 -л)
Апр = с2 - ехР(А2 -Л)
где л - жесткость напряженного состояния; А1, А2, с^, с2 - коэффициенты, определяемые экспериментально.
При кратковременной осадке вязкость материала не проявляется и в выражении (2) п = 0 . Константы разрушения определяются по диаграмме пластичности в зависимости от жесткости [8-10].
При плоской деформации, жесткость в выражениях (3) определяется как
_1_ _ .
43 <5Р
(3)
(4)
Здесь q - давление осадки при соответствующей скорости деформирования; ае - эквивалентное напряжение.
При схеме осевой симметрии жесткость определяется
2 q
л = 3—.
3 <за
(5)
На основе предложенных соотношений проведем оценку потери сплошности материала заготовок при плоской деформации (рис. 1, а) и осесимметричной деформации (рис. 1, б).
Ч'
а
,, 1
-—
-2
--- 3
дЛ, мм
дй,
б
Рис. 2. Изменение сплошности материала заготовки в зависимости от величины
осадки при плоской деформации: а - для алюминиевого сплава АМг6; б — для титанового сплава ВТ14:1 - Но = 40 мм; 2 - Но = 30 мм; 3 - Но = 20 мм
(К0 = 5 мм/мин; 2а0 = 15 мм; ц = 0,1)
430
Расчет потери сплошности при сварке давлением проводился для следующих материалов: алюминиевый сплав АМг6 (температура деформирования 450 0С), титановый сплав ВТ14 (температура деформирования 900 0С).
0.933
0.9975
0.997
0.9965
0.996
4 АН, ММ • 5 5 7 ДЙ, ММ
а б
Рис. 3. Изменение сплошности материала заготовки в зависимости от величины
осадки при осесимметричной деформации: а - для алюминиевого сплава АМг6; б — для титанового сплава ВТ14:1 - Но = 80 мм; 2 - Но = 70 мм; 3 - Но = 60 мм
(Уо = 50 мм/мин 2Г0 = 50 мм; ц = 0,1)
Проведенные исследования показали, что увеличение начальной высоты заготовки приводит к снижению уровня потери сплошности материала при фиксированной величине осадки. Снижение величины осадки с 3 до 1 мм при плоской деформации приводит к увеличению уровня сплошности на 3...10% при скорости деформирования У0 = 5 мм/мин. С увеличением начальной высоты заготовки величина осадки оказывает меньшее влияние на сплошность.
При скорости деформации У0 = 50 мм/мин зависимость изменения сплошности от величины осадки имеет обратную зависимость для алюминиевого и титанового сплава, что объясняется различной скоростью протекания упрочняющих и разупроч-няющих процессов.
Список литературы
1. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести: монография / С.С. Яковлева [и др.]; под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
2. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение. 1986.
280 с.
3. Чудин В.Н. Соединение элементов корпусных конструкций давлением // Вестник машиностроения. 2014. №1. С. 78-80.
4. Теория обработки металлов давлением / В.А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин и др. / Под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
5. Теория обработки металлов давлением. Часть I. Основы теории пластичности и ползучести: Учеб. пособие / В.И. Трегубов, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев; Тул. гос. ун-т. Тула, 2002. 152 с.
6. Теория обработки металлов давлением. Часть II. Методы анализа процессов пластического формоизменения: учебное пособие / С.П. Яковлев, Я.А. Соболев, В.И. Трегубов, В.Н. Чудин; Тул. гос. ун-т. Тула, 2002. 146 с.
7. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1968, 400 с.
8. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1979. 215 с.
9. Колмогоров В.Л. Напряжение, деформация, разрушение. М.: Металлургия, 1970. 229 с.
10. Дель Г.Д. Технологическая механика. М.: Машиностроение, 1978. 174 с.
11. Платонов В.И., Романов П.В. Деформационные и силовые режимы осадки при сварке давлением // Технология машиностроения. 2020. №7 (217). С. 16-21.
Романов Павел Витальевич, аспирант, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ESTIMATION OF THE LOSS OF CONTINUITY OF THE WORKPIECEMATERIAL IN
PRESSURE WELDING PROCESSES WITH PLANE AND AXISYMMETRIC
DEFORMATION
P.V. Romanov
The paper presents the results of studies of the influence of various technological parameters during the precipitation of prismatic and cylindrical workpieces on the level of continuity loss by the workpiece material under conditions of plane and axisymmetric deformation, respectively. Modeling was carried out on the example of precipitation of samples from aluminum AMg6 and titanium VT14 alloys under isothermal conditions with a viscous flow of the material using a mathematical model based on the energy calculation method. Evaluation of changes in the level of continuity of a plastically deformable workpiece allows you to correctly assign technological modes when constructing a technological process and predict the quality of the resulting product. The change in the level of continuity loss of work-pieces is shown depending on the initial height of the samples and the amount of precipitation at a fixed speed of movement of the punch and a given coefficient of friction on the contact surfaces.
Key words: precipitation, pressure, stresses, deformations, continuity, pressure
welding.
Romanov Pavel Vitalyevich, postgraduate, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
