CC BY
18
УДК 621.983
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
A.А. Пасынков, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
B.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Москва, МИИТ)
СИЛОВЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ РЕЖИМЫ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ РАЗДАЧИ ЗАКОНЦОВОК ТРУБОПРОВОДОВ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
Приведены результаты исследований влияния технологических параметров на силовые режимы и предельные возможности формообразования операции раздачи за-концовок трубопроводов в режиме кратковременной ползучести.
Ключевые слова: сила, напряжения, деформации, повреждаемость, раздача, давление, труба, повреждаемость, кратковременная ползучесть.
Двигательные установки ракетно-космической техники имеют сложную систему трубопроводов, соединенных законцовками - расширенными утолщенными краями труб - под автоматическую сварку. Законцов-ки формообразуют давлением, с использованием операции раздачи. Технологическую сложность вызывает формообразование законцовок на тонкостенных трубах из высокопрочных титановых и алюминиевых сплавов. В этих случаях раздачу проводят с индукционным нагревом заготовок. При этом материал проявляет вязкие свойства и существенна зависимость от скорости деформации.
Рассмотрим процесс раздачи законцовок в части расчета режимов технологии и предельных степеней формообразования. Используем энергетические методы применительно к полям скоростей перемещений [1, 2].
В общем случае материал заготовки является вязкопластичным, чему соответствует уравнение состояния
а, = A^e , (1)
где ае, ве, е - эквивалентные напряжение, деформация и скорость деформации; A, m, e - константы.
Уравнение (1) отражает состояние упрочнения и разупрочнения в связи с наклепом и вязкостью материала при штамповке с нагревом. Схема операции раздачи показана на рис. 1. Напряженное состояние при этом принимается плоским. В соответствии с экстремальной верхнеграничной теоремой пластичности для рассматриваемой операции справедливо энергетическое неравенство
qSVo <¡Ge^edW + ¡тУ^р, (2)
Здесь д - внешняя (технологическая) удельная сила; ттр - касательное напряжение трения; Уд - скорость движения инструмента; У^ - скорость заготовки на поверхности трения с инструментом; 8тр, Ж - соответственно площадь поперечного сечения заготовки, площадь поверхности трения, объем зоны деформаций.
При радиальной скорости перемещения точек материала по конусу инструмента
V,
-У(
О
V Г )
эквивалентные скорости деформаций и деформации в этих точках
*>е=Щ г/Ч-Л
к\а-
г0
(3)
(4)
(5)
где
/
1 + 2Я
12(2 +Я)
1 + Я Д/ 3(1 + 7?)' Гф, г - соответственно радиус трубы-заготовки и текущая радиальная координата точки заготовки в зоне деформаций; Я - коэффициент анизотропии материала.
Рис. 1. Схема операции раздачи
138
Эквивалентные напряжения определяются уравнением состояния (1) с учетом приведенных выражений в виде:
г \т
(6)
V Г0у
Полученные выражения позволяют рассчитать мощность внутренних сил, т.е. первый интеграл в неравенстве (2).
Рассмотрим расчет мощности трения заготовки на конусе матрицы. Касательное напряжение трения примем предельным в соответствии с выражением
— ф, (7)
г
где 8о - толщина стенки трубы; ф - угол конуса инструмента; \± - коэффициент трения.
Контактная скорость точек заготовки на конусе матрицы
Кк=Кг/8тср. (8)
Полученные выражения при подстановке во второй интеграл неравенства (2) дают оценку мощности трения. В соответствии с этим неравенством получим, что давление при раздаче выражается зависимостью
Л1т+п п Г \т
я < 4*_,<1+»)а-1)-1Ио»(* + Ц01вф) 1 ,Н1+»)/
2зт ф
^ го
с!г. (9)
V г0 у
На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования влияния скорости перемещения инструмента, угла конусности пуансона, коэффициента раздачи, условий трения и коэффициента анизотропии на величину относительного давления при раздаче с нагревом законцовок трубопроводов. Исследования выполнены для алюминиевого АМгб и титанового ВТ6С сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теориями прочности соответственно. Механические характеристики исследуемых материалов приведены в таблице. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках заготовки: Гд =10 мм; =10 мм; 8д = 1 мм; Ад = 7,5 мм; ф = 30°.
На рис. 2 представлены графические зависимости относительного давления с[ = ц / <зе от скорости перемещения инструмента V при фиксированных значениях коэффициента трения (1 на контактных поверхностях инструмента и заготовки.
Анализ графических зависимостей показывает, что при раздаче законцовок с нагревом относительное давление уменьшается при уменьшении скорости операции и коэффициента трения. Так, с уменьшением скорости перемещения инструмента V от 10 до 0,01 мм/с относительное давление раздачи законцовок падает на 20 % для алюминиевого сплава
АМгб и на 50 % для титанового сплава ВТ6С. Снижение коэффициента трения ц от 0,4 до 0,1 приводит к уменьшению относительного давления на 40...45 % для сплавов АМгб и ВТ6С.
Механические характеристики исследуемых материалов
Материал Т,°С °е0> МПа А, МПа/с" т п Я С (С'), МПа В (В')
Титановый сплав ВТ6С 930 ±2 38,0 66,80 0,028 0,0582 1,5 0,692 -1,19
Алюминиевый сплав АМгб 450 ±2 26,8 54,34 0,104 0,0263 0,9 15,15 -1,42
<7
0,3
0,25
0,2
0,15
ОД 0,01
ц=(и Ц=<Х4
\_,--
\ Ц.=0,1 \ М-=0,2
од
V-а
1 мм/с 10
0,3 0,25 0,2 0,15
ОД 0,01
ц=о,з Ц=0,4
\
\
\ Д=0.1 \Ц=0.2
0,1
1 мм/С 10
V — б
Рис. 2. Зависимости изменения ц от V при раздаче законцовок из сплавов АМгб (а) и ВТ6С (б)
Результаты исследований влияния коэффициента раздачи Кр и угла конусности инструмента ф на величину относительного давления при раздаче законцовок представлены на рис. 3.
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
Ч
1,0
0,5
0,0
<Р=10° <Р=20° \ <Р=30° \
\ . \ \
<Р=40°
\
1,1
1,2
А'
1,3
1,4
1,5
а
3,0 2,5 2,0 1,5 Ч 1,0 0,5 0,0
<Р=10° \ <Р=20° \ <Р=30°
\ у \
<Р=40°
1,1
1,2
А'
1,3
1,4
1,5
Рис. 3. Зависимости изменения q от Кр при раздаче законцовок
из сплавов АМг6 (а) и ВТ6С (б)
Установлено, что увеличение Кр и уменьшение ф приводит к росту относительной силы. При увеличении Кр от 1,1 до 1,5 относительная сила раздачи законцовок из сплавов АМг6 и ВТ6С возрастает 4,5...5 раз.
141
Увеличение ф от 10 до 40° при неизменных остальных параметрах приводит к снижению относительной силы для рассматриваемых материалов в 5...5,5 раз.
Выполнены теоретические исследования влияния коэффициента нормальной анизотропии R на силовые параметры раздачи с нагревом за-концовок из материалов, подчиняющихся кинетической или энергетической теориям кратковременной повреждаемости и повреждаемости (рис. 4).
1,2
1,0
0,8
0,6
Ч 0,4
0,2
0,0
К=0,2 \ К=1,0 \ К= 2,0
\ \
1,1
1,2
А'
1,3
1,4
1,5
а
Ч
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
К=0,2 \ Д=1,0
\
\Д=2,0
1,1
1,2
А
1,3
1,4
1,5
Рис. 4. Зависимости изменения д от R при раздаче законцовок из алюминиевого (а) и титанового (б) сплавов
142
Коэффициент анизотропии варьировался в пределах 0,2...2, остальные механические свойства исследуемых материалов соответствуют данным, приведенным в таблице.
Анализ результатов расчета показывает, что анизотропия механических свойств заготовки оказывают существенное влияние на силовые параметры операции раздачи при повышенных температурах. Так, при увеличении К от 0,2 до 2, относительное давление раздачи алюминиевого и титанового сплавов q снижается на 20...30 %. С увеличением коэффициента раздачи Кр это влияние проявляется значительнее.
Произведем оценку возможности формообразования, исходя из ресурса пластичности деформируемого материала. Для материалов, предельная деформация которых не зависит от скорости операции, оценка использования ресурса пластичности производится по соотношению
I 8е
со
¡с/ее. (10)
Уге)пр. 0
Здесь 0 < со < 1 - показатель, характеризующий использование ресурса пластичности (повреждаемость материала) при деформации 0<ге<(ге)п^;
8е> (ге)пр ~ соответственно достигнутая при формообразовании в опасной
точке заготовки эквивалентная деформация и ее предельная величина.
Предельная эквивалентная деформация определяется выражением:
(ее)Пр=СехР
(П)
где ое, ар - соответственно среднее и эквивалентное напряжения в рассматриваемой точке; С, В - константы разрушения материала при данной температуре, приведенные в таблице 1.
Опасными в части разрушения являются внешние краевые точки заготовки. Предполагается, что при раздаче в краевых точках трубы осуществляется окружное растяжение
2ае а
а2 = а3=0
и, следовательно, здесь
_ 2ое о^ _ 2 Зл/З ' ое Зл/З
Для материалов, проявляющих при деформировании зависимость от скорости, использование ресурса пластичности определяется уравнени-
1 1
© = — ЬеЪёЛ- (12)
Апр. о
Здесь повреждаемость материала 0 < ю < 1 соответствует времени деформирования 0 < ? < 1пр; ^, 1пр - текущее время и предельное соответственно; Aпр - удельная работа к моменту разрушения (исчерпания пластичности).
Удельная работа разрушения выражается как
/
Апр = С ехр
Б'
0
V а е J
(13)
где С', Б' - константы материала, приведенные в таблице.
Расчетные результаты получены для раздачи алюминиевого сплава АМг6 при 450 °С, повреждаемость которого зависит от скорости деформирования, и титанового сплава ВТ6С при 930 °С, который не проявляет зависимости от эквивалентной скорости деформации.
На рис. 5 представлены графические зависимости повреждаемости материала ю от скорости перемещения инструмента V и коэффициента раздачи Кр при раздаче законцовок из алюминиевого сплава АМг6. Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость материала возрастает в 2 раза. Увеличение Кр от 1,1 до 1,4 приводит к значительному росту повреждаемости.
1,0 0,8 0,6
0,2
0,0
-1- У=юмм/с , \
У=\ мм/ ч о \ \ \
У=олмм /с \\
0.01 мм/с
1,1 1,2 1,3 1,4
А п-
Рис. 5. Зависимости изменения ю от V и Кр при раздаче законцовок из сплава АМг6
Результаты расчета повреждаемости титанового сплава ВТ6С в зависимости от коэффициента раздачи Кр и коэффициента анизотропии R
приведены на рис. 6. Установлено, что при увеличении R от 0,2 до 2 по-
вреждаемость сплава ВТ6С возрастает на 20 %. С увеличением Кр наблюдается существенный рост повреждаемости.
1,0 а 0,8 0,6
0,2 о,о
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
КР-~
Рис. 6. Зависимости изменения ю от Кр и R при раздаче законцовок из сплава ВТ6С
Для титанового сплава ВТ6С при рассмотренной температуре обработки предельная деформация и использование ресурса пластичности определяются механическими характеристиками материала, конечной деформацией и схемой напряженного состояния независимо от скорости операции.
Для алюминиевого сплава АМг6 использование ресурса пластичности и, следовательно, предельная степень формоизменения определяются кроме того скоростью перемещения рабочего инструмента (эквивалентной скоростью деформации). Использование ресурса пластичности при той же конечной степени формообразования увеличивается с увеличением скорости операции. При пониженных скоростях могут быть достигнуты большие конечные деформации, так как ресурс пластичности остается более высоким, чем у титанового сплава ВТ6С.
Работа выполнена по государственным контрактам в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и грантам РФФИ.
Список литературы
1. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, В.И. Трегубов, А.В. Черняев; под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
2. 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.
S.S. Yakovlev, A.A. Pasynkov, V.N. Chudin
POWER AND DEFORMATION MODES ISOTHERMAL WINGTIPS DISTRIBUTION PIPELINE MODE SHORT-TERM CREEP
Results on the effect of process parameters on power modes and limits the operation offorming a distribution-ending pipeline mode transient creep.
Key words: strength, stress, strain, damaging, distribution, pressure, pipe, damaging, short-term creep.
Получено 20.07.12
УДК 621.983
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,
mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
К.С. Ремнев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,
mpf -tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
М.В. Ларина, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,
mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАЗДАЧИ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТРАНСВЕРСАЛЬНО-ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Выявлены закономерности влияния анизотропии механических свойств трубной заготовки на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы и предельные возможности формоизменения раздачи трубной заготовки коническим пуансоном.
Ключевые слова: анизотропия, раздача, напряжение, деформация, сила, пуансон, матрица, труба.
Рассмотрена операция раздачи трубной заготовки из трансверсально-изотропного материала коническим пуансоном с углом конусности а (рис. 1) и коэффициентом раздачи Kр = гк / rg [1, 2]. В основу анализа положен
метод расчета силовых параметров процесса, основанный на совместном решении приближенных дифференциальных уравнений равновесия и условия текучести с учетом сопряжений на границах участков, а также изменения направления течения материала [3].
Предполагалось, что процесс раздачи трубной заготовки протекает в условиях плоского напряженного состояния (az = 0), на контактной гра-
