CC BY
54
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 539.374; 621.983
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОПЕРАЦИИ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ДВУХСЛОЙНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ
С.С. Яковлев, М.В. Грязев, К.С. Ремнев
Приведены результаты теоретических исследований предельных возможностей деформирования при вытяжке с утонением стенки осесимметричных деталей из двухслойных анизотропных материалов. Предельные возможности формоизменения оценивались по максимальной величине растягивающих напряжений на выходе из очага пластической деформации и допустимой величине накопленных микроповреждений.
Ключевые слова: анизотропия, вытяжка, двухслойный материал, скорость деформации, деформация, напряжение, сила, разрушение, повреждаемость, пластичность.
В машиностроении находят широкое применение двухслойные материалы, т.е. материалы, в которых основной материал подвергается плакированию. Плакирующий слой, как правило, выполняет основную функцию - предохраняет изделие от коррозии [1].
Материалы, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением, в частности, операций глубокой вытяжки [2].
В работе [3] исследованы технологические параметры вытяжки с утонением стенки изотропных двухслойных упрочняющихся материалов. Математическая модель операции вытяжки с утонением двухслойных анизотропных материалов с различными механическими свойствами разработана в работе [4]. Рассмотрен процесс пластического деформирования ци-
линдрической двухслойной заготовки в конической матрице. Материалы двухслойной заготовки принимаются неупрочняющимися, подчиняющимися условию пластичности Мизеса-Хилла и ассоциированному закону пластического течения [2]. Анизотропия механических свойств заготовки -цилиндрическая.
Отношение диаметра цилиндрической детали к толщине стенки более 20. Допускается, что процесс реализуется в условиях плоского деформированного состояния. Рассматривается плоское радиальное течение материала (рис. 1). На контактных поверхностях детали и инструмента задаются касательные напряжения по закону Кулона. Изменение направления скоростей течения материала на границе очага пластической деформации при входе в него и выходе из него учитывается изменением величины радиального напряжения по методу баланса мощностей [4].
Рис. 1. Схема к расчету кинематики течения двухслойного материала
Реализуется приближенное решение этой задачи с привлечением уравнений равновесия, условия несжимаемости материала, уравнений связи между напряжениями и скоростями деформации [5].
Привлекая уравнения связи между напряжениями и скоростями деформации, интегрируются уравнения равновесия в каждом слое. Этим достигается разделение переменных по скоростям течения и напряжениям. Подробный анализ кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния, силовых режимов вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных анизотропных материалов изложен в работе [4]. Приведенные в этой работе соотношения для опреде-
ления осевого напряжения и величины накопленной повреждаемости материала стенки цилиндрической детали позволяют установить предельные возможности вытяжки с утонением двухслойных анизотропных материалов. Разработаны алгоритмы расчетов и пакетов прикладных программ для моделирования процесса пластического деформирования полых осесимметричных оболочек из анизотропных двухслойных материалов в клиновом канале.
Предельные возможности процесса вытяжки с утонением стенки ограничиваются максимальной величиной осевого напряжения ах в стенке заготовки на выходе из очага деформации, которая не должна превышать величины сопротивления материала пластическому деформированию в условиях плоского деформированного состояния с учетом упрочнения
ахк — а$хк , а$хк = 2т$хук'!1—ск , (1)
и допустимой величине накопленных микроповреждений
Е1 ■
= !-----— — X. (2)
еЛ £1прк
Здесь к = 1,2 в зависимости от рассматриваемого слоя заготовки; - интенсивность деформации элементарного объема при входе в очаг
деформации; ег- прк =£/прк (а / а^) - предельная интенсивность деформации;
а - среднее напряжение.
Величина предельной интенсивности деформации £(прк находится
по выражению
г \
ик а
V а1 У
(3)
где ^ к, и к - константы основного и плакированного слоя материала, определяемые в зависимости от рода материала, согласно работам В. Л. Колмогорова и А. А. Богатова [6, 7].
При назначении величины коэффициентов утонения необходимо учитывать рекомендации по допустимой величине накопленных микроповреждений В. Л. Колмогорова и А. А. Богатова, согласно которым для ответственных деталей, работающих и подвергающихся после обработки давлением термической обработке (отжигу или закалке), допустимой величиной накопленных микроповреждений следует считать X = 0,25, а только для неответственных деталей допустимой величиной накопленных микроповреждений может быть принята X = 0,65 [6, 7].
Приведенные выше неравенства (1) и (2) не разрешаются в явном виде относительно коэффициента утонения ш5 пр, поэтому зависимости
предельного коэффициента утонения от механических свойств материала,
геометрии инструмента, условий трения на контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки устанавливались путем численных расчетов по этим неравенствам на ЭВМ.
Предельные коэффициенты утонения ш8пр исследовались в зависимости от угла конусности матрицы, условий трения на инструменте ^П = (1...4)^м при ^м = 0,05 для исследуемого двухслойного материала 12Х3ГНМФБА+08Х13, механические характеристики которого приведены в таблице.
Механические свойства исследуемых материалов
Марка sxy 0,2 )к , МПа йк, МПа пк ск Кх КУ &к ик
Сталь 12Х3ГНМФБА 340,0 275,03 0,44 -0,12 0,55 0,66 1,46 -1,2
Сталь 08Х13 288,0 324,07 0,50 0,11 1,05 0,85 1,59 -1,38
Графические зависимости изменения предельных коэффициентов утонения ш8пр, вычисленных по первому (1) и второму (2) критериям разрушения без учета и с учетом упрочнения материала детали, от угла конусности матрицы а для двухслойной стали 12Х3ГНМФБА+08Х13 приведены на рис. 2 соответственно. Здесь кривая 1 соответствует величине ш5 пр, определенной по максимальной величине осевого напряжения на
выходе из очага пластической деформации (1); кривая 2 соответствует величине ш5 пр, определенной по допустимой величине накопленных микроповреждений (2) при % = 1; кривая 3 - при X = 0,65; кривая 4 - при X = 0,25.
Положения кривых 1 - 4 определяют возможности деформирования заготовки в зависимости от технических требований на изделие. Положения кривых 1 и 2 указывают на возможность разрушения заготовки по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации (1) и по допустимой величине накопленных микроповреждений (2) при X = 1.
Установлено, что величины предельных коэффициентов утонения ш5 пр, вычисленные с учетом упрочнения материала, меньше, чем без учета упрочнения. Различие предельных коэффициентов утонения ш5 пр , определенных с учетом и без учета упрочнения материала, составляет около 15 %. Показано, что с ростом угла конусности матрицы а величина предельного коэффициента утонения ш$пр увеличивается. Так увеличение уг-
ла конусности матрицы от 6 до 30° сопровождается ростом величины
т5пр на 45 %.
а
Рис. 2. Зависимость изменения т
5Пр
б
от а:
а - без учета упрочнения; б - с учетом упрочнения
(801/Н0 = 0,50; Но = 4 мм; цп = 2 Цм = 0,1)
На рис. 3 приведены графические зависимости изменения т$пр от
условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки (ц п / Ц М) при фиксированных величинах углов конусности волоки а (Ц м = 0,05; Н0 = 4 мм). Установлено, что изменение условий трения на контактной поверхности пуансона существенно влияет на предельный коэффициент утонения ттр. С ростом коэффициента трения на пуансоне
снижается предельное значение коэффициента утонения ттр. Этот эффект проявляется существеннее на малых углах конусности матрицы а.
Расчеты показали, что при углах конусности матрицы а = 30° увеличение коэффициента трения на пуансоне в три раза по сравнению с коэффициентом трения на матрице приводит к незначительному (около 5 %) изменению предельного коэффициента утонения, а при а = 6° приводит к уменьшению коэффициента утонения ттр, вычисленного по максимальной величине осевого напряжения на выходе из очага пластической деформации и допустимой величине накопленных микроповреждений, на 15 и 30 % соответственно.
На рис. 4 представлены зависимости изменения предельных коэффициентов утонения т$пр от относительной величины 801/Н0. Показано,
что при вытяжке с утонением стенки осесимметричных деталей из двухслойной стали 12Х3ГНМФБА+08Х13 с увеличением величины 801/Н) происходит рост предельного коэффициента утонения т8пр . Установлено, что предельные возможности формоизменения могут ограничиваться мак-
симальной величиной растягивающего напряжения на выходе из очага деформации и допустимой величиной накопленных микроповреждений (рис. 3, б). Это зависит от анизотропии механических свойств материала заготовки, технологических параметров, угла конусности матрицы и условий трения на контактных поверхностях инструмента.
‘г пр 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 од
1 /
А, /
/ *
/
X/ /
_2/
Мя/Дм
а
б
Рис. 3. Зависимость изменения т5пр от цц /цм :
а - без учета упрочнения; б - с учетом упрочнения
((801/Н0 = 0,50; Н) = 4 мм; а = 6°)
0,6 о,?
0,4
о,з 0,2 ОД
1 2 501Ао 1 2 ^01 Ао
а б
Рис. 4. Зависимость изменения т$пр от 801/Н):
а - без учета упрочнения; б - с учетом упрочнения
(Н) = 4 мм; а = 6°; цц = 2цм = 0,1)
Приведенные выше результаты теоретических исследований предельных возможностей формоизменения могут быть использованы при разработке новых технологических процессов вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов в конической матрице.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 13-08-97-519 р_центр_а.
Список литературы
1. Трегубов В.И. Изготовление баллонов высокого давления из высокопрочных двухслойных материалов вытяжкой. М.: Машиностроение, Изд-во Тульский полиграфист, 2003. 164 с.
2. 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.
3. Трегубов В.И., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Технологические параметры вытяжки с утонением стенки двухслойного упрочняющегося материала // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2005. № 1. С. 29 - 35.
4. Грязев М.В., Яковлев С.С., Ремнев К.С. Математическая модель операции вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов в конической матрице// Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 1. С. 66-76.
5. 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.
6. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ (УПИ), 2001. 836 с.
7. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. 329 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, (4872) 35-14-82, mpf-tula @ rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Ремнев Кирилл Сергеевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@ rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
LIMIT THE POSSIBILITY DRAWING OPERATION WITH THINNING AXISYMMETRIC PARTS OF TWO-LAYER ANISOTROPIC MATERIAL
S.S. Yakovlev, M.V. Gryazev, K.S. Remnev
The results of theoretical studies of limiting possibilities of deformation during drawing with wall thinning axisymmetric parts of the two-layered anisotropic materials. Limiting possibilities of forming were estimated by maximum tensile stress on the output from the source of plastic deformation and the allowable amount of accumulated microdamage.
Key words: anisotropy, extractor fan, two-layer material, the rate of deformation, deformation, stress, strength, destruction, damageability, plasticity.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula @ rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Gryazev Michail Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, rector, mpf-tula @ rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Remnev Kirill Sergeevich, candidate of technical sciences, associate professor, mpf-tula @ rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК. 621.7, 539.3
ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ОДНОВИТКОВОМ ИНДУКТОРЕ ПРИ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ШТАМПОВКЕ
В. Д. Кухарь, А.Е. Киреева
Проведен анализ существующих подходов позволяющих, определить электромагнитные поля в процессе магнитно-импульсной штамповки.
Ключевые слова: индуктор, магнитно-импульсная штамповка, электромагнитное поле, напряженность магнитного поля, пондеромоторные силы.
Рассмотрим один из вариантов системы магнитно-импульсной штамповки (СМИШ) с одновитковым индуктором. Она состоит из трех элементов: индуктора, представляющего собой незамкнутое кольцо; заготовки - замкнутого кольца; батареи конденсаторов, заряжаемой высоким напряжением. Материал индуктора - медь, материал заготовки - алюминиевый сплав [1].
При замыкании конденсаторной батареи на индуктор на поверхности разреза индуктора подается импульсное напряжение, равномерно распределенное по поверхностям разреза индуктора и с известным законом изменения по времени. Протекающий по индуктору объемный ток индуцирует в заготовке переменное электромагнитное поле, приводящее к возникновению в объеме системы пондеромоторных сил. Их радиальная составляющая, возникающая в заготовке приводит к ее обжатию.
Для анализа качества процесса магнитно-импульсной штамповки необходимо увязать параметры действующего импульса, геометрию заготовки и индуктора с формой и размерами заготовки после окончания импульса.
