Предельные возможности деформирования на первой операции вытяжки осесимметричных деталей из анизотропных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head ofchair, andrej-malikov@yandex. ru, Russia, Tula State University,

Feofilov Nikolai Dmitrievich,doctor of technical sciences, professor, feofi-lovnd@yandex. ru, Russia, Tula State University,

Sidorkin Andrey Victorovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula State University,

Yanov Evgenij Sergeevich, postgraduate, dex_aik@ram bler. ru, Russia, Tula State University

УДК 539.374; 621.983

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.Ю.Травин, В.И. Платонов, А. А. Пасынков

Приведены результаты теоретических исследований предельных возможностей деформирования на первой операции изотермической вытяжки осесимметрич-ных деталей в условиях ползучего течения анизотропного материала. Оценено влияние анизотропии механических свойств, технологических параметров, геометрических размеров детали и скорости перемещения пуансона на предельные возможности деформирования.

Ключевые слова: изотермическая вытяжка, анизотропия, температура, радиальная матрица, коническая матрица, пуансон, сила, деформация, ползучесть, напряжение, разрушение.

Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных материалов и изготовление деталей со специальными, зависящими от условий эксплуатации, характеристиками. К числу наиболее перспективных и принципиально новых технологических процессов, направленных на совершенствование современного производства, относится медленное горячее формоизменение высокопрочных листовых заготовок. В основу процессов положена способность материалов в определенных температурно-скоростных условиях к вязкому течению материала, что обеспечивает большие конечные деформации при сравнительно малых внешних сил и высокую точность получаемых геометрических форм [1-4].

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала, технологическими режимами его получения, которая может оказывать

как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при различных температурно-скоростных режимах деформирования [2 - 6].

Вытяжка является одной из наиболее распространенных операций листовой штамповки для изготовления цилиндрических изделий и обычно осуществляется на конических и радиальных матрицах [1, 7, 8].

Рассмотрено деформирование анизотропного материала в условиях вязкого течения материала [2 - 4]. Упругими составляющими деформации пренебрегаем.

Уравнения состояния с учетом повреждаемости, описывающие поведение материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, записываются в виде

\п

X=; ^, (1)

г\т А Ас

(1 -ЫСА} Апр

а применительно к группе материалов, подчиняющихся кинетическим уравнениям ползучести и повреждаемости, так:

хе=в

/ \п

Ч^ 1 хс

1 . Хе

/ С\т ' е _с -Ше] епр

Здесь В, п, т - константы материала, зависящие от температуры испытаний; ХС и ае - величины эквивалентной скорости деформации и напряжения при вязком течении материала [2 - 4]; АЩр, еСеПр - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная деформация при ползучем течении материала; и о>А - повреждаемость материала при ползучей деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно.

Заметим, что в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования поведение материала может описываться уравнениями состояния (1) или (2) соответственно.

Компоненты скоростей деформации Ху будем определять в соответствии с ассоциированным законом течения

Ху , (3)

дСу

где 1- коэффициент пропорциональности; /(а ¡у)- потенциал скоростей деформации анизотропного тела при вязком течении материала; а ¡у - компоненты тензора напряжений.

ое. (2)

Предельные возможности формоизменения в процессах обработки металлов давлением, протекающих при различных температурно-скорост-ных режимах деформирования, часто оцениваются на базе феноменологических моделей разрушения [9, 10].

В зависимости от условий эксплуатации или последующей обработки изготавливаемого изделия уровень повреждаемости не должен превышать 1, т.е.

На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования первой операции вытяжки трансверсально-изотропного материала с коэффициентом анизотропии в конической и радиальной матрице. Деформирование осуществляется в режиме ползучести.

При теоретическом анализе первой операции вытяжки допускалось, что процесс вытяжки без утонения стенки протекает в условиях плоского напряженного состояния. Очаг пластической деформации разбивался на характерные участки. Предполагалось, что на контактных границах заготовки и рабочего инструмента реализуется закон трения Кулона.

Меридиональные ар и окружные ад напряжения на участках очага

деформации определяются путем численного решения приближенного уравнения равновесия совместно с тем или иным уравнением состояния в зависимости от того, какая теория ползучести описывает поведение материала - кинетическая или энергетическая, при граничных условиях, заданных в напряжениях. В отличие от известных решений этой задачи в работе анализируется процесс вытяжки анизотропной листовой заготовки с изменением её толщины в процессе формоизменения.

Подробный анализ напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов на первой операции изотермической вытяжки

в радиальных и конических матрицах осесимметричных деталей изложен в работах [5, 6].

Предельные возможности первой операции вытяжки оценивались по максимальной величине осевого напряжения ох в стенке изделия на выходе из очага деформации, которая не должна превышать величины сопротивления материала пластическому деформированию с учетом скоростного упрочнения [11, 12]

и допустимой величины накопленных микроповреждений (4).

Предельные возможности деформирования на первой операции вытяжки определялись на всем протяжении деформирования и устанавливались путем численных расчетов по этим неравенствам.

со<1.

(4)

(5)

Расчеты выполнены для титанового сплава ВТ6С при температуре Т = 930°С, поведение которого описывается кинетической теорией ползучести и повреждаемости, и для алюминиевого сплава АМгб при температуре обработки Т = 45)°С, поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости. Механические характеристики этих материалов при формоизменении в условиях вязкого течения материала приведены в табл. 1.

Предельные коэффициенты вытяжки исследовались в зависимости

от угла конусности матрицы а = 10...40°, относительного радиуса закругления матрицы условий трения на инструменте =0,05...0,2 для исследуемых материалов, где Я^ = Я^ / ¿о.

На рис. 1 представлены зависимости предельных коэффициентов вытяжки в зависимости от угла конусности матрицы а или относительного радиуса закругления матрицы Я^ для алюминиевого сплава АМгб, поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости, при фиксированных условиях трения на контактных поверхностях инструмента (ц^ = 0,1).

Механические характеристики исследуемых материалов __ при вязком течении___

Материал Г, °С Я

с"1 МПа п т £С пр Лс МПа

Сплав АМгб 450 ±2 0,78 2,6712 • 10"3 26,8 3,81 0,81 - 7,56

530 ±2 0,96 2,7524 • 10~5 18,3 3,11 0,51 - 2,84

Сплав ВТ6С 930 ±2 0,86 7,8914 • 10 ~4 38,0 2,03 0,50 0,901 -

т±

пр

0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55

а = 10°

\ '-

\ ч

\ а - 30°

0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 мм/с 0,200 У0 ->

а

пр

0,65 0,61 0,57 0,53

7

0.49

0,45

уС \ \

\ \ \ 2

0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 мм! с 0,200 --

Рис. 1. Зависимости изменения т^пр от а (а) и Я^ (б)

Анализ графических зависимостей и результатов расчета показывает, что с увеличением угла конусности матрицы а и уменьшением относительного радиуса закругления матрицы Я^ предельный коэффициент вытяжки Щ уменьшается (рис. 1). Установлено, что изменение условий

трения на контактной поверхности матрицы не оказывает существенного влияния на предельный коэффициент вытяжки. Показано, что на первой операции вытяжки в конических и радиальных матрицах предельные возможности формоизменения ограничиваются степенью использования ресурса пластичности (со = 1) для исследованных материалов.

Оценено влияние анизотропии механических свойств исходного материала (коэффициента анизотропии Я) на предельные возможности формоизменения на первой операции изотермической вытяжки цилиндрических деталей в режиме ползучести. Установлено, что коэффициент нормальной анизотропии Я существенно оказывает влияние на величину предельного коэффициента вытяжки Щ (рис. 2). С ростом коэффициента анизотропии ! величина /и^ резко уменьшается. Интенсивность уменьшения величины Щ увеличивается с уменьшением угла

конусности матрицы а и увеличением относительного радиуса закругления матрицы Ям.

Показано, что неучет анизотропии механических свойств заготовки при анализе процесса изотермической вытяжки цилиндрических деталей дает погрешность в оценке предельного коэффициента вытяжки порядка

15 % для исследованных условий деформирования и марок материалов.

тс1

Щ)

= 10и

а=Ъ0

а б

Рис. 2. Зависимости изменения от Я на конической (а) и радиальной (б) матрицах (Уп =0,065 мм/с; =0,1)

Анализ результатов расчетов показывает, что предельные возможности формоизменения в режиме вязкого течения материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости (сплавы ВТ6С и ВТ 14), не зависят от скорости перемещения пуансона ¥п.

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 14-08-00066 а.

Список литературы

1. Ковка и штамповка: справочник:в 4 т. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. Т. 4. 732 с.

2. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я. А. Соболев. М: Машиностроение, 2004. 427 с.

3. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С. С. Яковлев, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, В.И. Трегубов, А.В. Черняев. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.

4. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.

5. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 331 с.

6. 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.

7. 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.

8. Теория обработки металлов давлением:учебник для вузов / В.А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин, С.С. Яковлев, В.Д. Ку-харь;под ред. В. А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.

9. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ, 2002. 329 с.

10. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 836 с.

11. Яковлев С.С., Травин В.Ю., Пасынков А. А. Силовые режимы операции изотермической вытяжки анизотропного материала на радиальной матрице в режиме ползучести // Известия Тульского государственного университета. Тула: Изд-во ТулГУ. 2015. Вып. 6. Ч. 1. С.224 - 237.

12. Яковлев С.С., Травин В.Ю., Платонов В.И. Моделирование операции вытяжки цилиндрических деталей из анизотропных материалов в конических матрицах // Известия Тульского государственного университета. Тула: Изд-во ТулГУ. 2015. Вып. 7. Ч. 1. С. 15 - 24.

Травин Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

LIMITDEFORMABLE IN THE FIRST STEP DOME ROTA TIONALLY SYMMETRIC PARTS

ANISOTROPIC MATERIALS

V. Yu. Travin, V.I. Platonov, A.A. Pasynkov

The results of theoretical research of limiting possibilities of deformation in the first step isothermal axisymmetric drawing Item-Leu in a creeping flow of anisotropic material are presented. The effect of FDI anizotro-mechanical properties, process parameters, the geometric size of the part, whether and speed of movement of the punch to limit the possibility of deformation.

Key words: Isothermal extract, anisotropy, temperature, radial-matrix of conical die, punch, strength, deformation, creep, stress fracture.

Travin Vadim Yurievich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University