CC BY
75
Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук, проф., проректор, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Киреева Алена Евгеньевна, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MANUFACTURING TECHNOLOGY CYLINDRICAL BILLETSINTERNAL
RIPPLED
O.N. Mitin
In the article the basic technology of cylindrical workpieces with internal ribs and found most effective.
Key words: analysis, process, punch, matrix, ribbed, reducing.
Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, head of department, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, JSC «NPO Splav»,
Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, prorector, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kireeva Alena Evgenevna, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.374; 621.983
ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛА В СТЕНКЕ ДЕТАЛИ ПРИ ВЫТЯЖКЕ С УТОНЕНИЕМ ТОЛСТОСТЕННЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗАГОТОВОК
В.Ю. Травин, А.Н. Исаева
Выявлены закономерности изменения величины повреждаемости материала в стенке детали от технологических параметров вытяжки с утонением толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов.
Ключевые слова: вытяжка с утонением, анизотропный материал, заготовка, пуансон, матрица, деформация, напряжение, повреждаемость, механические свойства.
В различных отраслях машиностроения широкое распространение нашли толстостенные цилиндрические детали, изготавливаемые вытяжкой и вытяжкой с утонением стенки. К ним предъявляются повышенные требования к механическим характеристикам и показателям качества. Вытяжку с утонением применяют при изготовлении цилиндрических деталей высотой до 10 диаметров из материалов, обладающих достаточной пластичностью в холодном состоянии. Вытяжка с утонением позволяет получать детали, имеющие относительно точные размеры и высокие прочностные свойства, в два-три раза превышающие прочность исходного материала. Это обеспечивается упрочнением металла при деформировании в сочетании с соответствующей термической обработкой [1, 2].
Материалы, подвергаемые штамповке, как правило, обладают анизотропией механических свойств, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов ОМД [3, 4].
Разработана математическая модель операции вытяжки с утонением стенки осесимметричной толстостенной заготовки в конической матрице с углом конусности а [5, 6]. Материал заготовки принимался жесткопластическим, обладающим цилиндрической анизотропией механических свойств. Течение материала принимается осесимметричным. Анализ процесса вытяжки с утонением стенки реализуется в цилиндрической системе координат. Схема к анализу вытяжки с утонением стенки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема к анализу вытяжки с утонением стенки
Допускается, что условия трения на контактной поверхности инструмента с заготовкой подчиняется закону Кулона. Течение материала принимается установившееся. Получены основные уравнения и соотношения для анализа кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения анизотропных материалов. Реализовано приближенное решение поставленной задачи с привлечением уравнений равновесия, условия несжимаемости материала, условия текучести Мизеса-Хилла и уравнений связей между скоростями деформаций и компонентами тензора напряжений. Изменение направления течения материала на входе в очаге деформации и выходе из него учитывалось путем коррекции осевого напряжения на границах очага деформации по методу баланса мощностей.
Приведенные в работах [5, 6] выражения для определения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний в очаге пластической деформации позволили оценить влияние технологических параметров на величину повреждаемости материала в стенке детали
335
при вытяжке с утонением толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов.
Величина повреждаемости материала we при пластическом деформировании по деформационной модели разрушения вычислялась по формуле:
ei d£j we = J —-.
0 einp
Здесь £i пр =£i пр (s / Si) - предельная интенсивность деформации; s -среднее напряжение; Si - интенсивность напряжения; £i np = W exp(Us / Si )(«0 + «1 cos a + «2 cos b + 03 cos g); W, U - константы
материала, определяемые в зависимости от рода материала, согласно работам В. Л. Колмогорова и А. А. Богатова; a, b, g - углы между первой главной осью напряжений и главными осями анизотропии x, у и z; 00, 01, 02 и 03 - константы материала, зависящие от анизотропии механических свойств материала заготовки [3, 4].
Графические зависимости изменения we в очаге пластической деформации от относительной координаты рассматриваемой точки l = zm /1 (где zM - координата рассматриваемой точки от входа в очаг деформации; l - длина очага пластической деформации) для ряда материалов, механические свойства которых приведены в табл. 1 [4], изложены на рис. 2 - 5 (D0 = 40 мм; S0 = 4 мм; mп = 2 mм = 0,1). На этих рисунках кривая 1 соответствует результатам расчета величины повреждаемости we от l для сечения 0 = 0°, кривая 2 - для 0 = a/2, кривая 3 - 0 = a.
Таблица 1
Механические характеристики исследуемых материалов__________
Материал
S 0, МПа A, МПа n Rz Re Rpz
Сталь 11ЮА 220,0 425,4 0,58 0,92 1,25 2,800
Сталь 08 кп 268,66 329,5 0,478 0,817 0,783 2,999
Латунь Л63 214,94 509,07 0,575 0,666 0,750 2,479
Алюминиевый сплав АМг6М 29,20 151,83 0,440 0,67 0,540 2,805
Материал Параметры
W U a0 «1 «2
Сталь 08 кп 1,791 -0,946 0,471 0,169 0,143
Сталь 11ЮА 6,2 -0,946 0,505 -0,132 -0,145
Латунь Л63 4,640 -0,769 0,793 -0,279 -0,246
Алюминиевый сплав АМг6М 2,148 -1,230 0,417 0,217 0,338
Примечание:
Кривая упрочнения - о,- = + Ae!¡.
Предельная интенсивность деформации -
е
гпр
О ехр
ґ \ и О
V
О
(а0 + а^оБ а + «2 соб Ь + аз соб 7).
г У
Рис. 2. Зависимости изменения юе
от I (сталь 11ЮА)
(ш5 = 0,6; а = 12°)
от I (сталь 11ЮА) (ш5 = 0,6; а = 30°)
Рис. 4. Зависимости изменения юе
от I (латунь Л68)
(ш8 = 0,6; а = 12°)
ох
0.3
0.2
0.1
0.0
д 2
" \ \1
0 0.25 0.5 0.75 /
Рис. 5. Зависимости изменения ю,
от I (латунь Л68)
(ш5 = 0,6; а = 30°)
е
Анализ графических зависимостей показывает, что увеличение относительной величины I сопровождается ростом накопленной повреждаемости юе, вычисленной для различных сечений. Установлено, что увеличение угла конусности матрицы а и уменьшения коэффициента утонения ш8 приводит к росту максимальной величины юе на выходе из очага пластической деформации. Показано, что накопленная повреждаемость в очаге пластической деформации увеличивается с ростом 0 и максимальна при 0 = а.
На рис. 6 приведены графические зависимости изменения накопленных величин интенсивности деформации и микроповреждений юе на выходе из очага пластической деформации от относительной величины & = s[ / ¿1 при вытяжке с утонением стенки полых осесимметричных заготовок из стали 11ЮА.
0.5
04
0 3
0.2 0 і
»13=0 5 \ »/,:=() 6 \ «?5=0.7 -
“С" \
л, со"" II О 00 \ИІ.,=0 9
0.25
0.5
0.75
а
б
Рис. 6. Зависимости изменения е (а) и (б) от s (сталь 11ЮА)
Расчеты выполнены при следующих геометрических размерах заготовки и технологических параметрах процесса: ¿о = 4 мм; Д =40 мм;
а = 18°; т П = 0,1; т М = 0,05.
Анализ графических зависимостей и результатов расчетов показывает, что с увеличением относительной величины & и уменьшением коэффициента утонения т& накопленные величины интенсивности деформации £/ и микроповреждений на выходе из очага пластической деформации увеличиваются. Максимальные величины ег- и соответствуют траектории течения материала по поверхности матрицы.
Графические зависимости изменения максимальной величины накопленных микроповреждений от угла конусности матрицы а и коэффициента утонения т& при вытяжке с утонением стенки осесимметричных деталей из стали 08 кп и латуни Л63 приведены на рис. 7 и 8 соответственно (Д = 40 мм; ¿0 = 4 мм; т п = 0,1).
Анализ графических зависимостей и результатов расчетов показывает, что с ростом угла конусности матрицы а и уменьшением коэффициента утонения т& максимальной величины накопленных микроповреждений увеличивается. Так, с увеличением угла конусности матрицы а от
6 ° до 18 ° величина накопленных микроповреждений возрастает на 25...50 %. Рост коэффициента утонения т& от 0,5 до 0,9 приводит к уменьшению величины в 2..3 раза.
со,
0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 ■ 0.30 0.20 0 10 0.00
со" II о
чо ' о II 1113=0 7
\ ш$=0 .8 4 / Со” II О '■О
12
18
а
24
а.
градус
®е 0.70 0.60 0.50 0 40 0.30 0.20 0.10 0.00
1Р II О о
X / / Я п 4
. /
а=18°
о=12% X
а=6\
0.5
0.6
0.8
б
Рис. 7. Зависимости изменения максимальной величины микроповреждений щ от а (а) и ш8 (б) (сталь 08кп)
"К
®е
0.5 0.4 0.3 0.2 0 1 0.0
>п,=0 5 чо ’ о II II О , :л
N
ш= о 8 К Со” II О 'О
®е
0.5 0.4 0.3 0.2 0 1
12
18
а
24
сц градус
О О1 0.5
ч о=30° /
II £ о
о=18
о=12°/ / ^
0=6° у /
0.6
0.
б
О 8
т„
Рис. 8. Зависимости изменения максимальной величины микроповреждений щ от а и ш8 (латунь Л63)
Таким образом, предложенная математическая модель операции вытяжки с утонением стенки осесимметричных заготовок из анизотропного материала может быть использована для оценки величины повреждаемости материала в стенке детали от технологических параметров процесса.
Работа выполнена по государственному заданию Министерства образования и науки Российской Федерации на 2012-2014 годы и грантам РФФИ.
Список литературы
1. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
2. 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.
3. Яковлев С.С., Кухарь В.Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2012. 400 с.
4. Глубокая вытяжка анизотропных материалов: монография / С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, В. Д. Кухарь, В.Ю. Травин // под ред. С.С. Яковлева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 225 с.
5. Грязев М.В., Яковлев С. С., Травин В.Ю. Силовые режимы вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 6. С. 3-11.
6. Травин В.Ю., Грязев М.В., Яковлев С.С. Предельные возможности вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 6. С. 21-26.
Травин Виталий Юрьевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Исаева Анна Николаевна, асп., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MATERIAL DAMAGE THE WALL DETAILSATDRAWING WITH THINNED WALLED
AXISYMMETRIC BLANKS
V.Ju. Travin, A.N. Isaeva
The regularities of change of the material damage in the wall of the items on the technological parameters extraction with thinning thick-walled axisymmetric billets of anisotropic materials.
Key words: hood with thinning, anisotropic material procurement, punches, dies, deformation, stress, defect, mechanical properties.
Travin Vitalij Jurevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Isaeva Anna Nikolaevna, postgraduate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
