CC BY
52
Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, prorector, (4872) 35-18-32, Vladimir.D.Kuchar@,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasko Aleksej Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, (4872) 35-18-32, aleksey. n.pasko@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ekimova Oksana Anatolevna, post graduate, (4872) 35-18-32, Boyko-
OA @yandex. ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 621.787.4
ПРИМЕНЕНИЕ НОВОЙ МЕРЫ ДЕФОРМАЦИЙ ЯБ К ИНЖЕНЕРНОМУ РАСЧЕТУ ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСНОГО ЛОКАЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ (ДЕФОРМИРОВАНИЯ)
С.Ю. Радченко, Дорохов Д.О., И.М. Грядунов
В статье рассмотрен вопрос применения новой меры деформации КО для расчета деформированного состояния материала. Приведена методика инженерного расчета деформации для сложного многоциклового процесса обработки металлов давлением. Дано сравнение расчетных данных, полученных с помощью описанной методики и применения меры деформации КО с экспериментальными данными.
Ключевые слова: осесимметричные изделия; комплексное локальное деформирование; упрочнение; мера деформации; параметр Одквиста.
При возрастающих требованиях к несущей способности деталей машин и качеству их поверхностного слоя проблемы упрочнения также актуальны. Из всех способов упрочнения не только поверхностей, но и всего или части объема наиболее востребованными и перспективными являются методы обработки металлов давлением [1-3]. Они хорошо изучены и применяются для широкого класса деталей. Одним из наиболее перспективных методов упрочнения деталей является технология, предложенная авторским коллективом данной работы, - комплексная локальная деформация (нагружение), по сути представляющая собой сочетание глобального и локального нагружений.
В данных процессах, цель которых упрочнение, глобальная составляющая реализуется с помощью роликовой матрицы и не деформируемых участков заготовки [4]. Математически роль данной компоненты процесса состоит в увеличении шарового тензора деформации. Локальная деформация, заключающаяся во внедрении ролика в тело заготовки и его движении по некоторой траектории, что делает процесс похожим на технологию об-
катки, изменяет девиатор тензора деформации.
Текущее изменение тензора деформации представляет сугубо научный интерес для инженера, специалиста в области ОМД. Знание же суммарной степени накопленной деформации и возможность ее быстрого вычисления позволяют определить максимальные и минимальные значения технологических параметров, обеспечивающих наиболее оптимальные режимы обработки. Для упрочняющих и многоцикловых процессов комплексного локального деформирования данная величина необходима при определении оптимального числа технологических переходов: с одной стороны обеспечивающих более глубокую проработку структуры, с другой предотвращающие разрушение («шелушения») заготовки.
Вариантом решения данного вопроса может быть определение параметра Одквиста (Odqvist), как это показано в работе [5]. Однако, это требует разработки сложной программы математического моделирования в определенном пакете прикладных программ, в частности ППП «Штамп -2.0» [4]. Такое решение будет верным только для конкретных технологических параметров, материала, геометрии контактирующих тел, что делает затруднительным его применение в инженерной практики. Таким образом, задача по разработке теоретических и методологических основ расчета степени деформации при локальных процессах актуальна.
В качестве решения проблемы определения деформации при локальном деформировании воспользуемся введенным в [6] понятием относительного смещенного объема:
где КО - реальные деформации; ¥с - объем материала, который подвергся деформации - сместился; V - суммарный объем, который подвергся деформации (сместился и претерпел деформацию сжатия или растяжения), в отличие от работы [8] данный объем меньше объема заготовки.
Приведенная формула 1 иллюстрируется рисунком 1.
Часто процессы локального деформирования носят моногоцикло-вой (многопереходный характер), отсюда необходимость в суммировании всех смещенных объемов за единичный акт, т.е. формула (1) приобретет следующий вид:
Приведенная формула 2 иллюстрируется рис. 2.
Следует указать, что при деформировании локальными методами возникает сложная картина напряженно - деформированного состояния с существенными градиентами по механическим свойствам в частности по твердости [5], т.е. деформации существенно неравномерны и следовательно величины (1) или (2) дают только средную оценку. В то же время для
(1)
(2)
V
задач по определению технологических параметров и оптимизации процессов указанный подход может оказаться полезным.
Рис. 1. К понятию относительного смещенного объема при локальном деформировании. 1 - инструмент (индентор), 2 - заготовка
Применимость формулы (2) для многоцикловых процессов локального деформирования в плане суммирования объемов подтверждается возможностью суммирования меры деформаций Ш через пересчет в логарифмические деформации [7].
Проанализируем применимость формулы (2) в сравнении с данными эксперимента и математического моделирования на примере многоциклового комплексного локального деформирования [4].
/
щ
7>*Г 7УУ7 >^Г?ЖГ!^Г7~Г\
V
Рис. 2. К понятию относительного смещенного объема при многоцикловом локальном деформировании:
1 - инструмент (индентор); 2 - заготовка
Условно примем, что расчеты по формулам (1) и (2) дают значение деформации на расстоянии от поверхности заготовки равной глубине вне-
дрения инструмента (ролика и т. д.) в данное тело.
В качестве исследуемого материала использовались втулки из сплава БрО5Ц5С5 ГОСТ 613-79 внешним диаметром 45мм и внутренним 30мм. со следующими механическими свойствами сгТ = 150 МПА, НВ = 60.
В процессе деформирования инструмент (поз. 5 рис.3) внедряется в заготовку с образованием задней AB и передней Л’Б’ волны (см. рис.4 а). После поворота на угол а (см. рис. 3) в поперечном сечении деформирование осуществляется роликами, которые «заглаживают» пятно контакта ЛББ’Л’ - рис. 4, б).
Для определения смещенного объема при единичном акте деформирования инструментом необходимо знать глубину внедрения и геометрию заготовок. В проведенных экспериментах глубина внедрения задавалась геометрическим замыканием равным 0,05мм [5] при различных силах: 310Н, 580Н, 800Н. Зная геометрию и глубину вдавливания (сближение) инструмента и заготовки, можно посчитать смещенный объем при внедрении инструмента (ролика): в данном случае он равен 2 -АУ = 0,106 мм3. Мгновенный смещенный объем приблизительно равен половине данной величины, так как ролик совершает спиральное движение по телу заготовки и деформирует только своей передней частью. Вклад «заглаживающих» роликов в величину накопления деформации условно принимаем равным
0, так как их основное назначение в создании условия всестороннего сжатия. Зная технологические параметры обработки (шаг подачи ^ = 0,5 мм/об, длину обрабатываемой части заготовки Ь = 50 мм, радиус заготовки г = 22 ,5 мм) можно подсчитать длину траектории движения ролика:
п-п Ь ^ „ п-п Ь п-Ь - г- 60 2-п-Ь - г
5 = и - К и = © - г =-г; I =---60; 5 =----г -
30 ^-п 30 ^-п 30-^ ^
5 2 • 3,14 - 50 - 22,5 14137
5 =-------------------»14137 мм.
0,5
Объем, смещенный роликом за весь путь движения по своей траектории, равен:
Ус = АУ - 5, (3)
3
подставив численные значения, получим: Ус = 0,053 14137 » 750 мм .
Для определения объема У (объема, подвергшегося деформации) воспользуемся известной формулой С. Г. Хейфица для определения глубины распространения пластической деформации:
где Р - сила вдавливания ролика. Тогда объем V будет равен:
Р (4)
2 - От
(5)
Деформацию за первый проход рассчитаем по формуле (1), подставив вычисленные значения по формулам (3) и (5). Расчеты по формуле (4), (5) и (1) сведем в таблицу 1, при этом расчеты по формуле (4) сравним с данными эксперимента. Из таблицы видна удовлетворительная сходимость аппроксимации экспериментальных данных с расчетами по формуле (4).
Рис. 3. Схема многоциклового комплексного локального деформирования для получения полых осесимметричных изделий: 1 - заготовка; 2 - упоры; 3 - оправка; 4 - гладкие ролики; 5 - ролик с деформирующим выступом; Ри - сила, действующая со стороны инструмента, Рм - сила, прикладываемая к матрице, Рпр - сила, создаваемая прижимами, Мкр, - крутящий момент на оправке, ю - скорость вращения оправки, Н - шаг подачи, а - угол между центром вращения инструмента и ближайшим по ходу деформирования роликом 379
Рис. 4. Единичный акт деформации поверхности детали при многоцикловом комплексном локальном деформировании
В экспериментах совершалось многократное деформирование (с числом циклов до 38). При этом определялась глубина деформирования (по методу измерения твердости), данные показали хорошую сходимость с результатами математического моделирования. Используя данные о глубине деформирования можно рассчитать деформации по формуле (2) в зависимости от роста числа проходов в виде непрерывных графиков (см. рис. 5 и 6). Величина ¥с определяется по следующей зависимости:
I Ус = Ус ■ Р , (6)
где р - число циклов деформирования (число проходов).
Таблица 1
Данные по расчетам по формулам (1), (4) и (5)
Сила вдавливания, Н [2] 310 580 800
Глубина пластической деформации по формуле (4), мм 1,017 1,39 1,643
Г лубина пластической деформации по аппроксимации экспериментальных данных, мм [2] 1,032 1,53 1,63
Объем, подвергшийся деформации по (5), мм 1756 2379 2796
ЯБ, % 42,7 31,5 26,8
Проанализировав данные расчета (таблица 1) и графики рис.5 и 6 ,
видно:
1. Чем меньше сила тем больше деформации по (2) и их рост с возрастанием количества проходов более интенсивен. Это факт объясняется более глубокой проработкой структуры для больших значений силы (см. рис. 6), в том время как для меньших значений основная работа деформации идет в приповерхностном слое незначительной глубины (1-1,5мм. 1020% от толщины изделия).
2. При числе проходов 10-12 значение деформации приближается к
1, а при больших циклах деформирования асимптотически приближается к 1 (рис. 5 и 6). Данный факт говорит о насыщении поверхностного слоя на глубине вдавливания инструмента и о начале его разрушении («шелушении»), что соответствует данным [4, 5] по расчету параметра Одквиста и эксперимента.
Сила 310 Н Сила 680 Н Сила 800 Н
0 10 20 30
Число проходов р
Рис. 5. Зависимость деформации (выражена в долях) от числа проходов при различных силах
о 5 10
Число проходов р
Рис. 6. Зависимость деформации (выражена в долях. на рис. толстые линии) от числа проходов и глубины упрочнения
при различных силах
В результате зная приложенные к инструменту силы, его геометрию, размеры заготовки, механические свойства и размеры обрабатываемого изделия с использованием данных о глубине упрочнения можно оптимально подобрать не только число циклов обработки (см. работу [5], где показана аналогичная методика, использующая в качестве основы параметр Одквиста), но и такой технологический параметр как шаг подачи (см формулу 3).
В целом описанная методика может быть использована не только для процессов многоцикловой комплексной локальной деформации, но для методов ППД - обкатка, алмазное выглаживание и т.д. Предложенный подход является важным практическим приложением меры деформации ЯБ [6-11].
Список литературы
1. Яковлев С.С. Силовые режимы ротационной вытяжки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании / Трегубое В.И., Яковлев С.П., Яковлев С.С. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2005. № 1. С. 17.
2. Яковлев С.С. Подход к анализу операции отбортовки плоских заготовок с отверстием из анизотропных материалов. / Яковлев С.С., Суков М.В. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2008. № 4. С. 56-61.
3. Голенков, В. А. Научные основы упрочнения комплексным локальным деформированием [Текст] / В.А. Голенков, С.Ю. Радченко, Д.О. Дорохов, Г.П. Короткий. М.: ООО «Издательство Машиностроение», Орел: Госуниверситет - УНПК, 2013. 122 с.
4. Радченко С.Ю. Создание градиентных структур на основе метода валковой штамповки / Голенков В.А., Радченко С.Ю., Дорофеев О.В., Дорохов Д.О. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2009. № 3. С. 42-46.
5. Радченко С. Ю. Формирование градиентных субмикро- и наноструктурных состояний комплексным локальным нагружением очага деформации / Голенков В.А., Радченко С.Ю., Дорохов Д.О. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. № 3. С. 54-56.
6. Радченко, С.Ю., Дорохов Д.О. Сложение деформаций при новом представлении меры деформации [Текст] / С. Ю. Радченко, Д. О. Дорохов // Известия ТулГУ. Технические науки. №5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 33-40.
7. Радченко, С.Ю., Дорохов Д.О. Физический смысл реальной деформации [Текст] / С. Ю. Радченко, Д. О. Дорохов // Известия ТулГУ. Технические науки. №3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 55-558.
8. Дорохов Д.О. Классификация процессов комплексного локально-
го деформирования / Голенков В.А., Радченко С.Ю., Дорохов Д.О., Гряду-нов И.М. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. № 6. С. 85-89.
9. Грядунов И.М. Анализ видов упрочняющей обработки пластическим деформированием / Голенков В.А., Радченко С.Ю., Дорохов Д.О., Грядунов И.М. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 1. С. 59-62.
10 Грядунов И.М. К вопросу о повышении эксплуатационных характеристик полых осесимметричных деталей машин методами интенсивной пластической деформации/ Голенков В.А., Радченко С.Ю., Дорохов Д.О., Грядунов И.М. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 6. С. 71-77.
11. Радченко С.Ю. Новая технология упрочнения вкладышей подшипников скольжения [Текст] / С.Ю. Радченко, Д.О. Дорохов, И.М. Грядунов // Актуальные вопросы инновационного развития транспортного комплекса. Материалы 3-ей Международной научно-практической конференции, под общей редакцией д.т.н., проф. А.Н. Новикова (21 - 23 мая 2013 года, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»). Орел: ФГБОУ ВПО «Гос-университет - УНПК», 2013. 320 с.
Радченко Сергей Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, проректор, (4862) 437125, sur@ostu.ru, Россия, Орел, Государственный университет - учебно-научно-производственн ый комплекс,
Дорохов Даниил Олегович, канд. техн. наук, доц., (48646) 25689,
ddostu@mail. ru, Россия, Мценск, Мценский филиал Государственного университета -учебно-научно-производственного комплекса,
Грядунов Игорь Михайлович, аспирант, (4862) 419841, fry14@yandex. ru, Россия, Орел, Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс,
APPLICA TION OF THE NEW MEASURES DEFORMA TIONS RD TO THE ENGINEERING CALCULATION OF PROCESSES OF COMPLEX LOCAL
LOADING (DEFORMATION)
S.J. Radchenko, D.O. Dorohov, I.M. Gryadunov
In the article the question of the new strain measure RD for calculating strain state of the material. The methodology for the calculation of the deformation of engineering complex multicycle process of metal forming. The comparison of the calculated data obtained using the described technique and the application of the strain measure RD with an experimental data.
Key words: axially symmetric products, complex local deformation, hardening, strain gauge, setting Odqvist.
Radchenko Sergey Jurievich, doctor of technology, prof., prorector, (4862) 437125, sur@ostu.ru, Russia, Orel, FSBEIHVT «State University - ESPC»,
Dorohov Daniil Olegovich, candidate of technical sciences, associate professor, (48646) 25689, ddostu@mail. ru, Russia, Mzensk, Mzensk branch of FSBEI HVT «State University - ESPC»,
Gryadunov Igor Michailovich, post graduate, assistant, (4862) 419841,
fry14@yandex. ru, Russia, Orel, FSBEI HVT «State University - ESPC»
УДК 621.983; 539.974
ВЛИЯНИЕ ПЛОСКОСТНОЙ АНИЗОТРОПИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКОЙ ПОЛОСЫ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПРИ ПРАВКЕ С ПОВЫШЕННЫМИ УДЛИНЕНИЯМИ
К. С. Ремнев
Выявлено влияние анизотропии механических свойств тонкой полосы на устойчивость при правке растяжением с повышенными удлинениями.
Ключевые слова: анизотропия, правка, растяжение, напряжение, деформация, устойчивость.
Листовые материалы, получаемые прокаткой, как правило, обладают начальной анизотропией, т.е. направленностью механических свойств в пластическом состоянии - ортотропию, характеризуемую главными осями анизотропии, первая из которых совпадает с направлением прокатки, вторая направлена поперек прокатки, а третья перпендикулярна плоскости листа. Анизотропия может оказывать существенное влияние на формообразование листового материала [1 - 4].
Правка растяжением позволяет получать высокую степень плоскостности тонких широких полос и листов из высокопрочных сталей и специальных сплавов, правка которых другими способами не дает удовлетворительных результатов [1, 5].
В работе [5] получены основные уравнения и соотношения для анализа напряженного и деформированного состояний, а также определены условия устойчивого протекания операции правки растяжением с повышенными удлинениями полосы из материала, обладающего плоскостной анизотропией механических свойств (рис. 1).
В процессе правки полоса может потерять устойчивость из-за выпучивания с образованием волнистости. Принималось, что правка растяжением подвергается длинная тонкая полоса с прямолинейными боковыми
384
