Предельные возможности вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.983; 539.374

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ

СТЕНКИ ТОЛСТОСТЕННЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.Ю. Травин, М.В. Грязев, С. С. Яковлев

Установлено влияние технологических параметров на величину накопленных микроповреждений и предельные возможности формоизменения операции вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов.

Ключевые слова: анизотропия механических свойств, деформация, заготовка, напряжение, повреждаемость, разрушение, вытяжка с утонением.

Современные тенденции развития различных отраслей промышленности характеризуются резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям и реализующих экономию материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат. Процессы обработки металлов давлением (ОМД) относятся к числу высокоэффективных, экономичных способов изготовления металлических изделий.

В различных отраслях машиностроения нашли широкое применение осесимметричные изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству изготовления и эксплуатационным свойствам при снижении себестоимости их производства. Вытяжка с утонением стенки является одной из наиболее распространенных операций листовой штамповки для изготовления цилиндрических изделий с толстым дном и тонкой стенкой [1, 2].

Листовой и прутковый материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических характеристик, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения

[1 - 3].

Рассмотрен процесс вытяжки с утонением стенки осесимметричной толстостенной цилиндрической заготовки в конической матрице с углом конусности а и коэффициентом утонения ш8 = Sl/So (рис. 1) [1]. Материал заготовки жесткопластический, обладает цилиндрической анизотропией механических свойств. Течение материала принимается осесимметричным. Анализ процесса вытяжки с утонением стенки реализуется в цилиндрической системе координат. 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 [1].

Приведенные в работе [1] соотношения могут быть использованы для оценки предельных возможностей формообразования процесса вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок из анизотропных материалов.

При вытяжке с утонением стенки предельные степени деформации

*

определяют по максимальной величине растягивающего напряжения о82 с учетом упрочнения на выходе из очага пластической деформации (первый критерий)

О г ср — О Яг

ст

гср К 81( 81 + 2 р „ ) и по величине степени использования ресурса (второй критерий)

юе = I

тр

(о/о )

— С

(1)

(2)

Рис. 1. Схема к анализу вытяжки с утонением стенки

Здесь 8; пр = 8; пр (о / О;) - предельная интенсивность деформации; О -среднее напряжение; 8;пр = С ехр(Во/ О;); С, В - константы деформируемого материала, определяемые в зависимости от рода материала.

Интегрирование в выражении (2) ведется по траектории течения материала. До деформации юе = % = 0 . Разрушение будет иметь место при юе = С = 1. Среднее напряжение находится по формуле

О= (Ор+О 2 +°0 )/3.

В зависимости от условий эксплуатации или последующей обработки изготовляемого изделия уровень повреждаемости не должен превышать величины С. При назначении величин степеней деформации в процессе пластического формоизменения следует учитывать рекомендации по степени использования запаса пластичности 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 степени использования запаса пластичности следует считать % = 0,25, а для неответственных деталей допустимая степень использования запаса пластичности может быть принята % = 0,65 [4, 5].

На рис. 2 и 3 приведены графические зависимости изменения накопленных величин интенсивности деформации 8; и микроповреждений юе на выходе из очага пластической деформации от относительной величины 8 = 8 / ^1 при вытяжке с утонением стенки полых цилиндрических заготовок из стали 08 кп.

Механические характеристики стали 08 кп: О;0=268,66 МПа;

А =1,226; п =0,478; Ях =0,817; Яу =0,783; Я2Х =2,999.

Расчеты выполнены при следующих геометрических размерах заготовки: 80 = 4 мм; ^=40 мм.

Анализ графических зависимостей и результатов расчетов показывает, что с увеличением относительной величины 8 и уменьшением коэффициента утонения т8 накопленные величины интенсивности деформации 8; и микроповреждений юе на выходе из очага пластической деформации увеличиваются. Максимальные величины 8; и юе соответствуют траектории течения материала по поверхности матрицы.

Приведенные выше неравенства (2) и (3) не разрешаются в явном виде относительно предельного коэффициента утонения т8пр, поэтому

зависимости предельного коэффициента утонения т8 пр от технологических параметров процесса вытяжки с утонением стенки полых цилиндрических деталей из анизотропных материалов устанавливались путем чис-

ленных расчетов по этим неравенствам на ЭВМ.

Рис. 2. Зависимости изменения е

от I (а = 18°; тп = 0,1; тМ = 0,05)

(а=18°; тп = 0,1; тм = 0,05;

Предельные коэффициенты утонения т1Пр определялись в зависимости от угла конусности матрицы а и относительной величины ^ /10. Г рафические зависимости изменения предельного коэффициента утонения т1Пр, вычисленного по первому (2) и второму (3) критериям разрушения,

от угла конусности матрицы а и отношения ^ / ^0 для стали 08 кп приведены на рис. 4 и 5 соответственно. Здесь кривая 1 соответствует величине т1Пр, определенной по максимальной величине осевого напряжения

о2 на выходе из очага пластической деформации (2); кривая 2 соответ-

24

ствует величине т8Пр, вычисленном по степени использования ресурса пластичности (3) при % = 0,25; кривая 3 - при % = 0,65 .

1п

0.8

0.6

0.4

0.2

/ 4

^Т'

9

6 12 18 24 а, градус

Рис. 4. Зависимости изменения т5Пр от а (сталь 08кп)

т

зпр

0.6

0.4

0.2

3

1 —

/

10

А)/;

Рис. 5. Зависимости изменения т8Пр от ^ (сталь 08кп)

Расчеты выполнены при тп = 0,1; тМ = 0,05; ^ = 4 мм; £ =40 мм. Положения кривых 1 - 4 определяют возможности деформирования заготовки в зависимости от технических требований на изделие.

Анализ графиков и результатов расчета показывает, что с увеличением угла конусности матрицы а и уменьшением относительной величины £>0/ ^0 предельный коэффициент утонения т8Пр уменьшается. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными данными, описанными в работе [2].

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на 2012-2014 годы и грантов РФФИ.

Список литературы

1. 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.

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. 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.

4. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2001. 836 с.

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

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

Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE LIMIT POSSIBILITIES OF DOME WITH WALL THINNING THICK-WALLED AXISYMMETRIC BLANKS FROM ANISOTROPIC MA TERIALS

V.Yu Travin, M.VGryazev, S.S. Yakovlev

The influence ofprocessing parameters on the accumulated-tion of micro and the limit the possibility of forming drawing operation with wall thinning thick axially symmetric workpieces of anisotropic materials is established.

Key words: anisotropy of mechanical properties, deformation of the workpiece, the voltage defect, destruction, hood with thinning.

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

Gryazev Mikhail Vasilievich, doctor of technical sciences, professor,the Rector, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University