Плоское выдавливание фланцевых заготовок при вязкопластичности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.983:539.974

A.В. Черняев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

B.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, [email protected] (Россия, Москва, МИИТ),

C.А. Брагин, асп. (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

ПЛОСКОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ФЛАНЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ ВЯЗКОПЛАСТИЧНОСТИ

Предложены соотношения для расчёта силовых и деформационных режимов изотермического выдавливания заготовок с фланцем в условиях плоской деформации. Выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров на величины давления и повреждаемости при выдавливании фланцевых заготовок из алюминиевых и титановых сплавов.

Ключевые слова: выдавливание, вязкость, высокопрочные материалы, давление, температура, повреждаемость.

Детали с фланцевыми утолщениями используют в арматуре трубопроводов двигательных установок летательных аппаратов. Материалы этих деталей - высокопрочные сплавы, и их горячая обработка давлением производится в регламентированных температурно-скоростных условиях. Режимы штамповки определяются упрочнением материала и его вязкостью. Эти факторы, влияющие на силовые и деформационные режимы, необходимо учитывать при разработке технологии [1]. Рассмотрим в этой связи операцию горячего выдавливания фланца на цилиндрической заготовке. Будем использовать энергетический метод расчёта применительно к разрывному полю скоростей перемещений [2].

Расчётная схема выдавливания и разрывное поле скоростей в осевом сечении заготовки показаны на рис.1. При плоской схеме деформаций поле скоростей является жестко-блочным, состоящим из блоков 0 и 1. Деформации имеют место только на линиях разрыва скорости 01 и контактных границах трения 12, которые также являются линиями разрыва скорости.

В соответствии с верхнеграничной теоремой пластичности справедливо энергетическое неравенство

V0

q у r1 — T01(V01) т lp +'Ттр^тр.1к . (1)

Здесь в левой части - мощность внешних сил, в правой - мощности на поверхности разрыва скорости и на поверхности трения; q - удельная сила операции.

Рис. 1. Схема операции и поле скоростей перемещений

Рис. 2. Годограф плоского поля скоростей

Используя годограф поля скоростей (рис. 2), запишем выражения для определения касательной и нормальной скоростей на линии разрыва:

Уо Уо

<7о1)т = ~------> (Го1)п =^та•

2соб а 2

Эквивалентные деформацию и скорость деформации на линии разрыва скорости выразим следующим образом:

^ )01 = ^(УоОп = -/3з1п2а ’ (5е )о1 = М(£е )о1-Отсюда следует, что касательное напряжение на этой линии

Стг \П{ 2 ^+п

Т01

(ае )01

л/3

А

АН

V

бій 2а

у

^Тэ)1+т+п

Касательное напряжение трения получим, приняв, что внешнее давление распределено по поверхности торца заготовки равномерно. Тогда

ттр. _ М#-

Скорость движения материала на границе трения

Утр. = VI = Уо

Длины линий разрыва и контактной границы трения соответст-

венно

1р — 101 —

'І

Бш а

■> 1к - 101 - '2 - Л-

Подстановка полученных выражений в неравенство (1) приводит к следующей оценке давления при плоской деформации:

д <

АН

Н - 2ц('2 - '1)^л/3БІп2а

2

\ 1+т+п

У0_

АН

\п

На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров на силовые режимы операции плоского выдавливания фланцевых заготовок в режиме вязкопластичности. Исследования выполнены для алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теориями прочности соответственно. Механические характеристики исследуемых материалов приведены в таблице [1]. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках заготовки: Н - 30 мм; АН - 3...20 мм; г - 20 мм.

Таблица

Механические характеристики исследуемых материалов

Материал Т °С ае0, МПа А, МПа/ сп т п

Титановый сплав ВТ6С 930 ± 2 38,0 66,80 0,028 0,0582

Алюминиевый сплав АМг6 450 ± 2 26,8 54,34 0,104 0,0263

На рис. 3 представлены графические зависимости относительного давления # = # / аео от скорости перемещения инструмента V при фиксированных значениях степени деформации е = АИ /(И + АН). Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением скорости перемещения инструмента V от 0,01 до 10 мм/с относительное давление выдавливания фланцевых заготовок возрастает на 20 % для алюминиевого сплава АМг6 и на 50 % для титанового сплава ВТ6С.

Исследовано влияние условий трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки на величину относительного давления. На рис. 4 приведены графические зависимости # от коэффициента трения ц. Установлено, что увеличение ц от 0,1 до 0,4 приводит к возрастанию относительного давления на 10 % для сплавов АМг6 и ВТ6С.

Рассмотрим далее критические режимы выдавливания, что связано с оценкой повреждаемости деформируемого материала. Для этого используем теории прочности применительно к горячей обработке [1].

0,01

ОД

V

ю

Рис. 3. Графические зависимости ц от V при выдавливании фланцевых заготовок

(8 = о,25; ц = о,1)

М--

Рис. 4. Графические зависимости Ц от ц при выдавливании

фланцевых заготовок

(8 = о,25; V = 1 мм/с)

Пусть точка а - место возможного разрушения. Тогда повреждаемость материала в выбранной точке будет определяться зависимостями:

А ( 2

юа =

\1+т+П(Л1 \п

Уо

(-п)Апр. ^лУ3в1п2а.

V АИ У

по энергетической теории и

юа =

2

(л/3Бт2а)(8 е) пр.

по деформационной теории прочности, где о < ю < 1 - повреждаемость материала за время деформирования о < 1 1кр ; 1кр - время полной повреж-

даемости (критическое время возможного разрушения); Апр, (ее)пр - предельная удельная работа разрушения при вязкопластическом деформировании и предельная эквивалентная деформация материала при данных условиях обработки соответственно:

Апр. = С1 ехР

Г \

л а А1 —

V

а

; (ее )пр. = С2 ехР

Г \

а

А2-----

е У

V

а

еУ

а - среднее напряжение; А2, С1, С2 - константы материала, которые

приведены в табл. 2 [1].

На рис. 5 представлена графическая зависимость повреждаемости материала ю от скорости перемещения инструмента V при выдавливании фланцевых заготовок из алюминиевого сплава АМг6 при фиксированном значении степени деформации 8 . Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость материала возрастает в 2,8 раза.

Таблица 2

Механические характеристики исследуемых материалов

Материал Т °С С1, МПа А1 С2 А2

Титановый сплав ВТ6С 930 ± 2 - - 0,692 -1,42

Алюминиевый сплав АМг6 450 ± 2 15,15 -1,19 - -

Результаты расчета повреждаемости титанового сплава ВТ6С в зависимости от степени деформации 8 приведены на рис. 6. Установлено, что при увеличении 8 от 0,1 до 0,4 повреждаемость сплава ВТ6С возрастает в 3,6 раза.

0,01 0,1 1 ю

V------------

Рис. 5. Графическая зависимость ю от V при выдавливании фланцевых заготовок из сплава АМг6

(8 = о,25; ц = о,1)

0,1 0,2 0,3 0,4

г----------»

Рис. 6. Графическая зависимость ю от 8 при выдавливании фланцевых заготовок из сплава ВТ6С (V = 1 мм/с; ц = о,1)

Выводы

1. Силовые параметры выдавливания фланцевых заготовок зависят от деформационного и скоростного упрочнения материала, а также условий трения на инструменте.

2. Величина накопленной повреждаемости материала заготовки и, следовательно, качество детали определяются скоростью деформирования для одной группы материалов, для другой - только степенью формообразования.

Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» и грантам РФФИ № 10-о8-97526 и № 10-о1-ооо85-а.

Список литературы

1. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.

2. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов /

В.А. Голенков [и др.]; под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.

A. Chernyaev, V. Chudin, S. Bragin

The plane extrusion of flanged details in viscoplastial conditions

The equations for calculating of power and deformation circumstances of isothermal extrusion of flanged details in conditions of plane deformations are proposed. The theoretical investigations of technological parameters influence on pressure and damageability values in the process of flanged details extrusion from aluminium and titanium alloys are established.

Keywords: extrusion, viscosity, high-strength materials, pressure, temperature, da-mageability.

Получено 07.04.10

УДК 539. 374

А.А. Панов, директор, (4872) 25-о9-18,

[email protected] (Россия, Тула, ЗАО «ЭЛЕВАТОР-СЕРВИС»),

Г.В. Панфилов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,

АгсЬоп8Р@таП.ги (Россия, Тула, ТулГУ),

А.В. Шуляков, ген. директор, (48753) 2-71-35,

[email protected] (Россия, Алексин, «Алексинстройконструкция»)

ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕРИДИОНАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗАДАЧ ТЕОРИИ ПЛАСТИЧНОСТИ

Приведены примеры применения и граничные условия полной пластичности для решения осесимметричных задач теории пластичности методом линий скольжения и результаты оценки интенсивности изменения средних напряжений вдоль линий скольжения в зависимости от значения радиальной координаты.

Ключевые слова: осесимметричная деформация, полная пластичность, линии скольжения, среднее напряжение.

Известно, что в задачах плоской теории пластичности поля линий скольжения, примыкающие к прямолинейной свободной границе, аппроксимируются отрезками прямых, образуя области равномерного напряженного состояния. При этом и вдоль свободной прямолинейной границы среднее напряжение остается неизменным. В задачах осесимметричного