CC BY
11
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.7.043; 539.376
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОШИВКИ ПАТРУБКА
А.В. Черняев, А.В. Чарин, В.А. Булычев
Приведены результаты расчетов режимов изотермической прошивки цилиндрической полой заготовки с наклонным фланцем в условиях вязкопластичности. Исследовано влияние основных технологических параметров и геометрии инструмента на величины давления и повреждаемости материала заготовки при прошивке патрубков из алюминиевого и титанового сплавов.
Ключевые слова: прошивка, вязко-пластичный материал, давление, повреждаемость, плоская деформация.
Рациональным способом изготовления деталей сложной формы из малопластичных материалов является изотермическая штамповка в условиях вязкопластического течения материала [1]. При этом обрабатываемый материал наряду с упрочнением, вызванным пластической деформацией, испытывает разупрочнение, связанное с релаксацией напряжений в соответствии с уравнением состояния
S = AefXn , (1)
где se, ге, Хе - эквивалентные напряжение, деформация и скорость деформаций; A, m, n - константы материала, зависящие то температуры обработки [1]. Режим вязкопластичности реализуется при штамповке патрубков с наклонным фланцем из алюминиевых и титановых сплавов (рис. 1,а) [2,3]. При прошивке патрубков со значительным отношением диаметра заготовки к толщине стенки условия процесса соответствуют плоской деформации. В этом случае поле скоростей является жесткоблочным (рис. 1,б), и среднее давление прошивки определяется по выражению [4]
N,-, + N
12^^ v mp
q £-— ,
(r1 - r2)V0
где N12 и Nтр - мощности на линии разрыва «12» и на границе трения «01» соответственно:
N12 = kse ■V12 ■ U
1 + R
"12 ■ '12; N тр =Tmp Vk ■ lk ■
Здесь k =-
■; oe - величина эквивалентного напряжения на линии разрыва «12» в соответствии с
2(1 + 2Я)1/2
выражением (1); Я - коэффициент анизотропии материала; У12, Ук, /12 , 1к - величины разрывов скоростей (рис. 1,в) и длины линий разрыва; ттр - касательное трение на контактной границе.
1у*
гг1 \ \ S I
—ч 1
У \
Ч, :: Щ
Рис. 1. Патрубок с наклонным фланцем (а); схема плоской прошивки (б) и годограф скоростей (в): 1- заготовка; 2- пуансон; 3- матрица; 4- опора
На основе приведенных соотношений выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров процесса, а также геометрических размеров инструмента и заготовки на величины давления и повреждаемости при прошивке заготовок из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С
104
Технологии и оборудование обработки металлов давлением
сплавов при температуре обработки 450 и 930°С соответственно. Приняты следующие размеры заготовки: г2 = 40 мм, 50 = 4 мм, И = 50 мм и значения констант материала: А = 66,8 МПа-с", т = 0,104, п = 0,026, Я = 0,68 - для сплава АМг6 и А = 36,9 МПа-сп, т = 0,028 , п = 0,058, Я = 1,06 - для сплава ВТ6С.
На рис. 2 представлены результаты расчета давления прошивки при варьировании скорости перемещения пуансона V , угла конусности пуансона а, коэффициента контактного трения т и степени
утонения к = so/ ^ . Изменение к обеспечивалось изменением конечной толщины патрубка ^ при неизменной начальной ^0. Анализ графических зависимостей и результатов расчета показывает, что
уменьшение скорости операции приводит к снижению технологической силы. При значениях скорости, превышающих 10 мм/мин, составляющая вязкой деформации начинает уменьшаться, что приводит к более резкому возрастанию силы процесса. Зависимости давления от а, т и к носят линейный характер. При увеличении данных параметров в исследуемых диапазонах давление операции q возрастает на 15,
25 и 40 % соответственно.
Повреждаемости материала заготовки оценивается для алюминиевого и титанового сплавов по уравнениям энергетической и деформационной теорий прочности [4]:
А
А
пр. 0
и-X
.1+т
И \ х1+т+п •
Vo 1 х '
со =
V0eепр.
где величины предельной удельной работы разрушения А еепр определяются по экспериментальным константам [1].
(2)
(3)
пр.
и предельной эквивалентной деформации
<1-МПа
и
ВТ6С АМгб
Ч-
МПа
и
1 5 V, мм/мин 15
а = 30°; т = 0,2; к = 2
0,8
..ВТ6С
30 40 50 а-градус
т = 0,2 ; к = 2 ; V = 10 мм/мин
0,2 0,3
а = 30°; к = 2; V = 10 мм/мин
а = 30°; т = 0,2; V = 10 мм/мин
Рис. 2. Давление прошивки
На рис. 3 представлены результаты расчета повреждаемости исследуемых материалов от скорости перемещения инструмента V и степени утонения к. Показано, что повреждаемость сплава АМг6, подчиняющегося энергетической теории прочности (2) существенно зависит от скоростных условий процесса и при увеличении V от 1 до 15 мм/мин, возрастает в 4 раза, достигая значений, предельных для деталей ответственного назначения. Для сплава ВТ6С, накопление повреждаемости которого описывается кинетической теорией (3), скорость операции не оказывает влияния на величину с. Увеличение степени утонения от 1,4 до 2 приводит к росту с в 2,5 раза.
V. мм/мин 15
а = 30° ; т = 0,2; к = 2
0,2
ВТ6С
"" 4 \ АМгб
а = 30°; т = 0,2; V = 10 мм/мин
Рис. 3. Повреждаемость материала
105
Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. Вып. 12
На давление и повреждаемость материала также оказывает влияние коэффициент нормальной анизотропии R . Для большинства материалов R принимает значения от 0,2 до 2,8 [5]. Варьирование R в указанном диапазоне показывает, что величина давления прошивки возрастает на 30% с ростом R, что говорит о необходимости учета анизотропии при технологических расчетах изотермической прошивки, в то время как влияние анизотропии на расчет повреждаемости не превышает 10%. Увеличение высоты патрубка h от 50 до 100 мм не оказывает существенного влияния на величины давления и повреждаемости материала, рост которых при этом не превышает 5 и 10% соответственно.
Представленные результаты расчетов могут быть использованы при назначении рациональных технологических режимов изотермической прошивки трубных заготовок из малопластичных анизотропных материалов, обеспечивающих требуемый уровень повреждаемости при минимальных значениях давления и времени деформирования.
Список литературы
1. Яковлев С. С. 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: монография / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
2. Чудин В.Н., Яковлев С.С., Корнюшина М.В. Математическая модель операции отбортовки отверстия в листовых анизотропных заготовках в режиме кратковременной ползучести // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 4. С. 66-77.
3. Яковлев С.С., Чудин В.Н., Корнюшина М.В. Математическая модель операции изотермической осесимметричной прошивки патрубка из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести // Известия Тульского государственного университета, 2013. Вып. 7. Ч. 2. С. 181-188.
4. Чудин В.Н., Черняев А.В., Булычев В.А. Изотермическая прошивка патрубков с наклонным фланцем // Заготовительные производства в машиностроении. 2019. Т. 17. № 3. С. 110-113.
5. Яковлев С.П., Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986.
136 с.
Черняев Алексей Владимирович, д-р техн. наук, профессор, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чарин Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Булычев Владимир Александрович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler. ru, главный специалист, Россия, Тула, АО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения»
TECHNOLOGICAL MODES OF BRANCH PIPE ISOTHERMAL BROACHING A.V. Chernyaev, A.V. Charin, V.A. Bulychev
The results of calculations of isothermal broaching modes of a cylindrical hollow billet with an inclined flange under viscoplastic conditions are presented. The influence of the main technological parameters and tool geometry on the pressure and damageability of the workpiece material during the broaching of branch pipe from aluminum and titanium alloys is studied.
Key words: broaching, visco-plastic material, pressure, damageability, flat deformation.
Chernyaev Aleksey Vladimirovic, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Charin Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bulychev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical sciences, chief specialist mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Joint Stock Company «Central Design Bureau of Apparatus Engineering»
