CC BY
20
INSULATED EXTRUSION RIBS AT THE PLA TE TO BRIEFLY CREEP A.A. Perepelkin, A.A.Pasynkov, B.S. Yakovlev
A mathematical model of isothermal extrusion operations stiffeners on plates of high-strength materials in a short- mode creep. The influence of process parameters on power modes and material damage during hot extrusion of stiffeners on plates of aluminum and titanium alloys.
Key words: extrusion, rib , viscosity , pressure , temperature, short-term creep, defectiveness .
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Yakovlev Boris Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.374; 621.983
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА В КОНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ
Яковлев С.С., Пасынков А.А., Платонов В.И.
Выявлены закономерности влияния технологических параметров, анизотропии механических свойств на предельные возможности деформирования, связанные с максимальной величиной растягивающих напряжений на выходе из очага деформации и накоплением микроповреждений, на первой операции изотермической комбинированной вытяжки анизотропного материала в конической матрице в режиме кратковременной ползучести.
Ключевые слова: комбинированная вытяжка, анизотропия, температура, коническая матрица, пуансон, разрушение, вязкость, деформация, ползучесть, напряжение.
Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных труднодеформируемых материалов, обработка которых осуществляется в условиях медленного горячего формоизменения в режиме вязкого течения материала. В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли осесимметричные изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами глубокой вытяжки: вытяжкой без утонения и с утонением стенки, комби-
нированной вытяжкой [1 - 4].
При разработке технологических процессов изготовления полых осесимметричных деталей с толстым дном и тонкой стенкой изотермической комбинированной вытяжкой высокопрочных материалов необходимо знать предельные возможности формоизменения.
В работе [5] создана математическая модель первой операции комбинированной вытяжки трансверсально-изотропного мате-
риала через коническую матрицу в режиме ползучести. Процесс формоизменения на первой операции комбинированной вытяжки условно разделяется на четыре стадии. В очаге деформации имеется плоское напряженное (зона I) и плоское деформированное (зона II) состояния заготовки [1]. При комбинированной вытяжке один и тот же материал находится в зоне I в условиях плоского напряженного состояния, а в зоне II - в условиях плоского деформированного состояния.
Рассмотрена первая операция изотермической комбинированной вытяжки трансверсально-изотропного материала с коэффициентом нормальной анизотропии Я в конической матрице с углом конусности а и степенью деформации у = 1 - ш^(рис. 1), где ш^ 1 = /^/Яо - коэффициент вытяжки; ш81 = 81/50 - коэффициент утонения; ?! и Яо - радиус по срединной поверхности полуфабриката и начальный радиус заготовки; 81 и 5о - толщина полуфабриката и заготовки соответственно.
Допускалось, что деформирование осуществляется при вязком течении материала. Предполагаются существование потенциала скоростей деформации ползучести и справедливость ассоциированного закона течения [3]. В зависимости от температуры и вида материала его поведение может описываться уравнениями состояния энергетической
Рис. 1. Схема к теоретическому анализу третьей стадии комбинированной вытяжки через коническую матрицу
£Се = В(е/а.)" /(1 -®А)
т
СО
а е £Є/Ас
пр
или кинетической
£Є = В(ае /а*)" /(1 -О)
с\т
О
£
е / В с
е пр
(1)
(2)
теориями ползучести и повреждаемости.
Здесь В , п, ш - константы материала, зависящие от температуры
испытаний; есе - величины эквивалентной деформации при вязком течении материала; A(Cp, еcenp - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная деформация при вязком течении материала; шСе, и ш A - повреждаемость материала при вязкой деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно; а* - произвольная величина напряжения.
В основу анализа положен метод расчета силовых параметров процесса, основанный на совместном решении приближенных дифференциальных уравнений равновесия и уравнений состояния с учетом сопряжений на границах участков, а также изменения направления течения материала [4]. Получена система уравнений для определения меридиональных ар и окружных ад напряжений на каждом участке зоны плоского напряженного состояния I. Анализ распределения напряжений в зоне II выполнен в предположении, что течение материала реализуется в условиях плоской деформации; на контактных границах заготовки и инструмента реализуется закон трения Кулона
т M = М M аk; т П = М П аk, где мм и Мп - коэффициенты трения на контактных поверхностях матрицы и пуансона, аk - нормальные напряжения на контактных поверхностях матрицы и пуансона.
Изменение направления течения материала при входе и выходе из зоны II учитывалось путем коррекции величины радиального напряжения с учетом разрыва касательной составляющей скорости на границе очага деформации по методу баланса мощностей. На этапе формоизменения приращение времени деформирования определяется так: А = dр / Vр .
Предельные возможности первой операции комбинированной вытяжки оценивались по максимальной величине осевого напряжения ах в
стенке изделия на выходе из очага деформации, которая не должна превышать величины ах с учетом скоростного упрочнения (первый критерий деформируемости)
* * а х ^а х ; а х =
2( Я + 2)( Я +1) а (3)
ае, (3)
3(2 Я +1)
и допустимой величиной накопленных микроповреждений (второй крите рий деформируемости)
\ й dt
шС = Р^- ^ X, (4)
0 еепр 151
если справедлив деформационный критерий разрушения, и
с г ае^еА ^ х (5)
ША = ! с ~Х’ (5)
0 Апр
если справедлив энергетический критерий разрушения.
При назначении величин степеней деформации в процессах формоизменения в дальнейшем учитывались рекомендации по допустимой величине накопленных микроповреждений В. Л. Колмогорова и А. А. Богатова, согласно которым для ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, и заготовок, подвергающихся после штамповки термической обработке (отжигу или закалке), допустимой величиной накопленных микроповреждений следует считать х =0,25, для неответственных деталей х =0,65 [6, 7].
Предельные возможности деформирования на первой операции комбинированной вытяжки определялись на всем протяжении деформирования и устанавливались путем численных расчетов по этим неравенствам.
Оценка предельных возможностей формоизменения производилась
в зависимости от угла конусности матрицы а =6...30 °, коэффициента вытяжки ша1 , скорости перемещения пуансона Vn, условий трения на рабочем инструменте мП = (1. 4) ММ для алюминиевого АМг6 (Т = 450 °С) и титанового ВТ6С (Т = 930 °С) сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теории ползучести и повреждаемости соответственно. Параметры уравнений состояний и разрушения этих материалов при данных температурах обработки приведены в работе [3]. Процесс изотермической комбинированной вытяжки реализуется в условиях вязкого течения материала, что обеспечивается величиной скорости перемещения пуансона Vn. Расчеты выполнены для комбинированной вытяжки
с оптимальным расчленением процесса на стадии [1].
На рис. 2 и 3 представлены зависимости предельных коэффициентов утонения т81пр в зависимости от угла конусности матрицы а и коэффициента вытяжки ша 1, а на рис. 4 и 5 - зависимости изменения т81пр от скорости перемещения пуансона Vn и отношения мп /ММ для алюминиевого сплава АМг6 (Т = 450 С), поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости.
Анализ графиков и результатов расчета показывает, что предельные возможности формоизменения при комбинированной вытяжке осесимметричных деталей в конических матрицах ограничиваются как первым, так и вторым критериями деформируемости. Это зависит от анизотропии механических свойств материала заготовки, технологических параметров, геометрии матрицы и условий трения на контактных поверхностях инстру-
мента. Установлено, что с увеличением угла конусности матрицы а и уменьшением коэффициента вытяжки ша1 предельный коэффициент утонения т$1 Пр увеличивается (рис. 2 и рис. 3).
т
Зіпр
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0,
3
2
\/
0.5
0.6
0.8
Щи
Рис. 2. Зависимости изменения
т8\Пр от а (Уп = 0,1 мм/с;
цп = 2мм = 0,2; тсіі = 0,7)
Рис. 3. Зависимости изменения
тяіПр от ш^і (Уп = 0,1 мм/с;
а = 20°; цп = 2цМ = 0,2)
т ЗІ пр
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
2 Г
/
1
/ /
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 УПгмм/с
Рис. 4. Зависимости изменения т^р от Уп
(а = 20°; мп = 2цм = 0,2; шЛ = 0,6)
Показано, что скорость перемещения пуансона Уп оказывает влияние на предельные возможности деформирования (второй критерий). Увеличение скорости Уп от 0,05 до 0,3 мм/с приводит к росту ш^пр более чем
на 30 % для исследуемого материала (рис. 4).
т 31 пр
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
\
_2^
1/
Рис. 5. Зависимости изменения т^р от цп /цМ
(а = 20°; ¥п = 0,1 мм/с; т^\ = 0,7)
Установлено, что предельные возможности деформирования на первой операции комбинированной вытяжки алюминиевого сплава АМг6
при угле конусности матрицы а = 20°, коэффициенте вытяжки т^1=0,7 и соотношении коэффициентов трения на контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки 2,0 >цп / ММ >1 ограничиваются вторым условием деформируемости, при цп / ММ > 2,0 - первым условием деформируемости. Показано, что изменение условий трения на контактной поверхности матрицы оказывает существенное влияние на предельный коэффициент утонения т81Пр. Рост коэффициента трения на пуансоне ц п (при
фиксированном коэффициенте трения на матрице ц м ) снижает предельное значение коэффициента утонения т51пр (рис. 5).
На рис. 6 и 7 представлены графические зависимости изменения предельного коэффициента утонения т81пр от угла конусности матри-
цы а и коэффициента вытяжки т^1 для первой операции изотермической комбинированной вытяжки цилиндрических деталей из титанового сплава ВТ6С (Т = 930 °С). Характер влияния угла конусности матрицы а, коэффициента вытяжки т^1 и условий трения на контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки (ц п / ММ) аналогичен установленным
выше закономерностям для алюминиевого сплава АМг6.
Результаты расчетов показывают, что предельные возможности формоизменения в режиме ползучего течения материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости (титановый сплав ВТ6С), не зависят от скорости перемещения пуансона Уп.
тЛпр
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
\
2 \з_
X
1
\ _ -
12
18
24 а .градус
Рис. 6. Зависимости изменения
тя\пр от а (Уп = 0,2 мм/с;
тах = 0,7; цм = 0,1; цп = 0,2)
тЛпр 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0.6 0.7 0.8 тл
Рис. 7. Зависимости изменения
т81пр от т^1 (Уп = 0,2 мм/с;
ЦМ = 0,1; ЦП = 2ЦМ = 0,2;
о
а = 20 )
^з_
ч 2
1
\
Приведенные выше соотношения могут быть использованы для оценки предельных возможностей формоизменения изотермической комбинированной вытяжки в конических матрицах осесимметричных деталей из анизотропных материалов в режиме ползучести.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 1408-00066 а.
Список литературы
1. Валиев С.А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1973. 176 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. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С. С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
4. 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.
5. Яковлев С.С., Травин В.Ю., Пилипенко О.В. Изотермическая комбинированная вытяжка анизотропных материалов через коническую матрицу в режиме кратковременной ползучести // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 1. С. 86 - 99.
6. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УПИ, 2001. 836 с.
7. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2002. 329 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
LIMIT THE POSSIBILITY OF FIRST COMBINED OPERATIONS ISOTHERMAL DOME
ANISOTROPIC MATERIAL CONE MATRIX
S.S. Yakovlev, A.A. Pasynkov, V.I. Platonov
The regularities of the influence of technological parameters on the anisotropy of mechanical properties of the limiting possibilities of deformation associated with the maximum value of the tensile stress at the exit of the deformation zone and the accumulation of micro- , in the first step isothermal combined extracts anisotropic material in a conical matrix mode transient creep are considered.
Key words: composite hood, anisotropy , temperature, conical matrix punch , destruction, viscosity , deformation , creep, stress.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
