CC BY
63
УДК 539.374; 621.983
С.П. Яковлев, А.В. Черняев (Тула, ТулГУ),
О.В. Пилипенко (Орел, ОрелГТУ)
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Изожены рекомендации по проектированию технологических процессов изотермической глубокой вытяжкк цилиндрических деталее из анизотропных материалов в режиме ползчести, которые использованы при проектировании нового техноло-глческого ппооесса изготовления заготовок детали «Патрубок» из титановых спллвов ВТ6 и ВТ 14.
Разработка и внедрение технологических процессов обработки давлением с нагревом высокопрочных материалов на основе титана, алюминия, магния, а также ряда сталей и сплавов на основе железа встречает практические затруднения и часто сдерживается, уступа место менее рацио нальным процессам механической обработки. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные с привлечением механики ползучести, позволили получить основные соотношения для расчетов рациональных технологических параметров процессов комбинированной вытяжки, вытяжки без утонения и с утонением стенки с нагревом. Традиционные операции приобретают на этой основе новое содержание и их возможности расширяются. Кроме того, расчетные методы проектирования обеспечивают совмещение стадий конструкторской разработки изделий и технологической подготовки их производства.
Рекомендации по проектированию технологического процесса. Разработка технологических процессов и параметров инструмента доя изготовления цилиндрических деталей методами изотеемической глубокой выттжки включает в себя ряд основных элементов.
Исходные данные: чертеж детали; марка материала; толщина дна детали; наружный или внутенний диаметр детали; механические свойства исходного материла: параметры уравнения состоония с учетом повреждаемости, описывающие поведение материла, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, в виде
а применительно к группе материалов, подчиняющихст кинетическим уравнениям ползучести и повреждаемости, в виде
(1)
е' ^епр ■>
(2)
значения предельной эквивалентной деформации 4епр, или удельной пре-
£
дельной работы деформации АПр; величина нормального коэффициента анизотропии Я . Здесь В, п, т , - константы материла, зависящие от температуры испытаний; АПр, 4епр - удельна работа разрушения и пре дельна эквивалентна деформация пи вязком течении материала; юсе, и юА -
повреждаемость матееиала при вязкой деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно; аео - произвольно
выбранна величина эквивалентного напряжения; юА = <АюА /dt;
юсе =с!юсе /dt .
Последовательность расчетов.
1. Составление технологического чертежа дет ли. Этот чертеж составляется на основе конструкторского чертежа. Толщина дна изделия выбирается равной толщине заготовки (sй = sо). Высота полуфабриката включает в себя необходимый припек на обрезку, который обычно назначается 15 - 20 % от высоты изделия. Меньшие значения принимаются при относительной глубине больше 3, а большие - пи существенном фестонообрло-вании (плоскостной анизоттопией механических свойств) [1, 2].
2. Определение формы и рлмеров исходной заготовки. Форма исходной заготовки для тел вращения принимаетст круглой. Рлмеры заготовки вычисляют из условия постоонства объема детали и заготовки. В случае существенной плоскостной анизотропии возможно использование расчетною контура заготовки [1-3].
3. Определение общего коэффициента утонения т^ и коэффициента вытяжки md. Укланные коэффициенты вычисллются по известным формулам, характерным для расчетов операций вытяжки и вытяжки с утонением стенки, изложенным в работах [4 - 7], как и при холодной листовой штамповке.
Примечание. При sо <1 мм все расчеты можно вести по внутренним или наружным рлмерам детли.
4. Нахождение исходного диаметра заготовки и ее относительной толщины:
Щ0 = ~; = ЩГ’ (3)
md Щ
где dl = 2т\ - диаметр детли по ердинной поверхности.
5. Выбор пооперационных коэффициентов выттжки, расчет числа операций по уменьшению диаметра вытягиваемой заготовки. Определение поопетационных коэффициентов вытяжки mdl и числа операций nd осуществляется по методикам, приведенным в работах [4 - 8].
6. Определение пооперационных коэффициентов утонения т^ и числа оптаций п$.
На первой опетации коэффициент утонения т^ выбираетст таким обрлом, чтобы удовлетворялось неравенство
1 >^1 — ms1min . (4)
Коэффициент утонения mslmin вычисляется по фоомуле
^1 min = kyms1np , (5)
где ку = 1,1...1,2.
Пооперационные коэффициенты вытяжки и утонения должны согласовываться с их предельными величинами. Предельные величины т^пр определяются путем использования рлработанного пакета прикладных программ на ЭВМ [9, 10].
Замечание. При нлначении величины коэффициентов утонения необходимо учитывать рекомендации по степени использования запаса пластичности В. Л. Колмогорова и А.А. Богатова [11, 12].
Величина т^пр определяется в зависимости от геометрии матицы
(угла конусности матицы а или относительного радиуса матицы
Ям = Ям До), коэффициента вытяжки md 1, условий тения на инстумен-
те (щ /щ ), характеристик механических свойств материла (параметов уравнения состояния и разрушения, коэффициентов нормаьной анизото-пии).
Примечание. На конических матицах меньшие значения угла а принимаются при SD — о,о3 , а большие - при SD < о,о3 .
На второй и последующих операциях коэффициент утонения т^ выбирается таким обрлом, чтобы удовлетворялось неравенство
msi — msi тт . (6)
Коэффициент утонения т^ т^ вычисляется по фоомуле (5).
Заметим, что на после дующих операция комбинированную вытяжку принято выполнять на конических матицах [4].
Величина т51пр определяется в зависимости от геометии матицы
а, коэффициента вытяжки mdi, суммарного коэффициента утонения на предыдущлх опелациях т$, характеристик механических свойств материла по рлработанному пакету прикладных программ на ЭВМ.
Сле дет иметь в виду, что если суммарный коэффициент утонения то < о,6 , то, как правило, необходимо применять на последующих опелациях комбинированную вытяжку через несколько матиц или вытяжку с утонением.
При анализе технологических процессов возможны следующие варианты [2, 4]:
а) если число операций по изменению диамета nd значительно больше числа опелаций по утонению стенки п5, то утонение производится
на последней операции;
б) если величины п^ и п5 близки между собой, то утонение равномерно распределяется по операциям, начина с последней;
в) если величина п5, значительно больше п^, то комбинированная
выттжка выполняетст через несколько матиц.
Примечание. В случае невозможности (по mdi, т5 и т.д.) выполнять последующую операцию вытяжки с коэффициентом утонения, принятым по соотношению (6), необходимо использовать процесс комбинированной вытяжки без утонения стенки [2, 4], при котором на верхних матрицах утонение выполняется только на донном участке (Si — <2ц <д). Здесь индексы пи 2: г - номер операции; 1 - перва (верхняя) матрица; Si — - толщина стенки полой заготовки.
На нижней (втооой) матрице при этом возможны ти ситуации:
- утонение только донного участка;
- утонение донного участка и стенки (с раными коэффициентами утонения);
- утонение стенки, имеющей равно мерную толщину по всей высоте.
В пелвой и втооой ситуациях коэффициент утонения на этой матрице рaccчитываетcя по толщине донного участка, а в третьей - по толщине стенки Sil (вышедшей из верхней матицы).
Так как при вытяжке через несколько матиц на нижние матицы поступает упрочненный мателил и ухудшаются условия смаки, то рекомендуется коэффициент утонения наначать, как и пи вытяжке с утонением стенки, с запасом 25 ... 5о %.
7. Расчет рамеров полуфабрикатов по операциям. Толщина стенки на I -ой опелации, срединный диаметр заготовки di, радиус закругления у
дна и высота полуфабриката находятся по известным формулам, характерным для вытяжки и выттжки с утонением стенки [4, 5, 7, 8].
8. Опрделение необходимости применения складкодержателя илл прижима. Необходимость применения складко держателя или прижима на первой и последующих операциях выттжки поизводится по рекомендациям, приведенным в работах [4, 5, 7, 8].
9. Опре деление исполнительных рам ел о в вытажного инстумента и расчет его параметов. Расчет этих величин выполняется по рекомендациям, данным в работах [4, 5, 7, 8].
10. Вычисление силы пелвой и последующих операций комбинированной вытяжки, вытяжки без утонения и с утонением стенки осуществлл-
ется с использованием методик, изложенных в работах [5, 6, 9, 10].
Замечания. На первой операции комбинированной выттжки в зависимости от сочетания технологических параметров процесса и механических свойств материала величина максимальной силы может иметь место в момент совпадения центра закругления пуансона с верхней кромкой рабочего пояска или на последней стадии процесса при утонении ккаевой части заготовки. На последующих операциях, как правило, максимаьна величина силы имеет место в момент совпадения центра закругления пунсона с верхней ккомкой рабочего пояска.
Технологический процесс. Процессы комбинированной вытяжки эффективны для изготовления заготовок детаи «Патрубок» из титановых сплавов ВТ6 и ВТ14, механические характееистики которых приведены в работе [5]. Существовавшие ранее процессы предусматриваи свааку двух заготовок после молотовой штамповки, что связано с большой трудоемкостью, низким коэффициентом использования метала, низким качеством детаей, работающих под давлением при повышенной температтре. Разработанный технологический процесс изготовления цельноштампованного патрубка состоит из первой операции комбинированной вытяжки цилиндрического стакана из плоской заготовки с начаьной толщиной заготовки 5 мм, второй операции комбинированной вытяжки и операции обжима. Температура нагрева на всех операциях 800 0С. Оборудование - пресс гидравлический двойного действия модели П238 силой 8 МН с регулировкой скорости ползуна в пределах 1 - 55 м/ч. Регламентирован на первой операции комбинированной вытяжки коэффициент вытяжки т^і=0,65 и коэффициент утонения т$і =0,9 при скооости операции в пределах 36 - 54 м/ч.
Превышение указанного скоростного режима нааушает стабильность вытяжки: возможны микротрещлны, рост си. Вторая операция комбинированной вытяжки проводилась при коэффициентах вытяжки т^2=0,8 и утонения т^2=0,82. Обжлм в криволинейной матице лимитируется складкообраованием стенки в месте искривления оси заготовки и может производеться с наполнителем.
Пєрвл и втооая операции изотермической комбинированной вытяжки осуществлялась в штампе, показанном на рис. 1. Пуансон 1 и матица 2
водоохлаждаемые. Нагрев электонатевателями 3 до температуры 800 °С. Верхня половина штампа съемна. Съем осуществляется за ккюки. Регг-лировка силы прижима 6 - винтами через шпильки 7 и стойки. Рабочее пространство штампа закрыто кожухом 9 с каолиновой ватой 10 и отделено от подштамповой плиты пресса кожухами с каолиновой ватой 11. Сила выттжки воспринимаетс стойками 12. Водоохлаждение пуансона и матрицы осуществляется через тубки 13 и 14 из нержавеющей стаи.
Оснастка снабжена средствами нaтeва: нагреватели сопротивления из хромоникелевой проволоки, включенные через тансформатор тока для
вытякного штампа. Материал пуансонов и матиц - теплостойкая стаь 5ХНМ ил жаростойкая стаь ЭП202.
Рис. 1. Схема вытяжного штампа:
1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - электронагреватели; 4 - скоб;
5 - прижим; 6 - гайка; 7 - шпилька; 8 - стойка; 9 - каолиновая вата;
10 - кожух; 11 - каолиновая вата; 12 - стойка; 13,14 и 15 - трубки;
16- нижняя плита; 17- пуансонодержитль; 18 - штуцер
Уменьшение теплопередачи из зоны деформации обеспечивалось за счет набора прокладок из стали 12Х18Н10Т и асбоцементных пли. Штампы закрывались кожухом с каолиновой ватой, прошитой стеклотканью.
Вытяжные штампы оснащаись системами охлаждения с проточной водой. Контоль температры производился встронными термопарами с выходом на потенциомет. Использоваись графитомеловые смаки с добавкой минерального масла.
Заготовки детали «Патрубок», изготовленные комбинированной вытяккой, из ттановог сплава ВТ 14, приедены на рис. 2.
А б
Рис. 2. Заготовки, полученные комбинированной вытяжкой: а - первая операция (mdl = 0,65; т^ =0,9);
б - вторая операция (т^2 = 0,8; т^ =0,82)
Технико-экономическая эффективность описанного процесса связана с сокращением трудоемкости изготовления деталей на 20 % (уменьшение объема механической обработки, устранение свалки), уменьшением металлоемкости заготовок на 10 - 15 % за счет сокращения величины припусков, повышением качества за счет геометрической точности и формирования волокнистой структуры.
Библиографический список
1. Яковлев С.П. Штамповка анизотропных заготовок / С.П. Яковлев,
B.Д. Кухар. - М.: Машиностроение, 1986. - 136 с.
2. Яковлев С.П. Обработка давлением анизотропных материалов /
C.П. Яковлев, С.С. Яковлев, В.А. Андрейченко. - Кишинев: Квант, 1997. -332 с.
3. Гречников Ф.В. Деформирование анизотропных матееиалов / Ф.В. Гречников. - М.: Машино строен е, 1998. - 446 с.
4. Валиев С.А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов / С.А. Валиев. - М.: Машиностроение, 1973. - 176 с.
5. Яковлев С.П. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев [и др.]. - М: Машиностроение-1, Изд-во ТулГУ, 2004. - 427 с.
6. Яковлев С.С. Математическая модель изотeлмичеcкoй выттжки с утонением анизотропных материалов в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев, О.В. Пилипенко, В.И. Платонов // Изв. ТулГУ. Сее. Механика дефоомируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - 2005. - Вып. 1. - С. 30 - 38.
7. Семенов Е.И. Ковка и штамповка: справочник. В 4 т. Т. 4. Листова штамповка / Е.И. Семенов [и др.]; под ред. А.Д. Матвеева. - М.: Машиностроение, 1987. - 544 с.
8. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке / В.П. Романовский. - Л.: Машиностроение, 1979. - 520 с.
9. Пилипенко О.В. Предельные возможности формоизменения на первой операции комбинированной вытяжки анизотропного материала через радиальную матицу в режиме ползучести / О.В. Пилипенко [и др.] // Изв. ТулГУ. Сер. Механика деформируемого твердого тела и обработка металов давлением. - 2005.- Вып. 2. - С. 212-217.
10. Пилипенко О.В. Оценка предельных возможностей формоизменения на первой операции комбинированной выттжки анизотопного материала через коническую матицу в режиме ползучести / О.В. Пилипенко,
А.А. Мети, Ю.Г. Нечепуренко // Изв. ТулГУ. Сер. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - 2005. - Вып. 1. -С. 214 -220.
11. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением /
В.Л. Колмогоров. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2001. - 836 с.
12. Богатов А.А. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением / А.А. Богатов, О.И. Мижирицкий, С.В. Смирнов. - М.: Металлургия, 1984. - 144 с.
Получено 17.01.08.
УДК 539.3
А.А. Трещев, А.А. Петров,В.Г. Теличко (Тула, ТулГУ)
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ТОНКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫ1Х ПЛАСТИН ИЗ РАЗНОСОПРОТИВЛЯЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОСИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ
Предложена математическая модель расчета изгиба тонких прямоугольных пластин, выполненных изразносопротивляющихся материалов, свойства которых зависят от изменений темпсеатуры. Получены разрешающие уравнения и численное решение методом конечных элементов с использованием пакета FlexPDE 5 (PDE Solutions Inc.).
За сорок лет интенсивного развития механики материалов, учитывающей чувствительность лх механических характеристик к виду напряженного состояния, было предложено достаточно большое количество определяющих соотношений рaнocoпрoтивляющдxcя сред, базирующихся на разичтіх технических гипотезах. Однако, несмотря на всю глубину теоретических проработок моделей теооии деформирования рaзнocoпрo-ттляющлхся ссед, совершенно недостаточно внимания уделено зависимости от вида напряженного состоял такой характелистики материла, как коэффициент линейного температурного расширения, и вообще - раномодульной теории упругости. Между тем, нaпрямeл, в работах П.Е. Харта [1] было покаано, что для некотооых марок графита коэффициенты линейного температурного расширения могут раличаться на 100 и более процентов в зависимости от вида реализованного напряженного состояния.
В работе Н.М. Матче нко и А.А. Трещева [2] в рамках закона теплопроводности Фурье и классических условий динамического равновесия получены основные дифференциальные уравнения разномодульной теории тeрмoyпрyгocти: уравнение теплопроводности, включающее в связанном случае учет влияния вида напряженного состояния, и уравнения динамиче-
