CC BY
2
10. Патент № 215915 Российская Федерация, B21D 26/14 (2006.01). Устройство для магнитно-импульсной штамповки : № 2022122710: заявл. 22.08.2022 : опубл. 09.01.2023, Бюл. № 1 / Коротков В.А., Яковлев С.С., Гасанов А.И., Каркач К.А.
Каркач Леонид Витальевич, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Научный руководитель: Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доцент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF A NEW DEVICE FOR PULSE SHEET STAMPING
L. V. Karkach
In recent years, increasing attention has been paid to pulsed processing methods of metal products, which are based on the use of pulsed energy and allow achieving high speed and accuracy of stamping. Thus, magnetic-pulse processing of metals, which is based on the use of a pulsed magnetic field, is currently actively used. This technology has a number of disadvantages, which are described and discussed in this article. The main areas of application of magnetic pulse technologies in the context of stamping are also described. The work also proposes a new design of a device for sheet stamping, which is based on the creation of a working stroke due to a pulsed magnetic field. The design itself is presented, its features and the advantages of a new approach for stamping metal products are described. Conclusions are drawn about the possibilities and prospects for using the new device.
Key words: magnetic pulse processing of metals, stamping production, new device, magnetic field, pulse stamping, sheet stamping.
Karkach Leonid Vitalevich, undergraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Scientific advisor: Pasynkov Andrej Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.98:539.376
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-363-364
ВЕРХНЕГРАНИЧНЫЙ РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И СИЛОВЫХ РЕЖИМОВ ОСАДКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ СВАРКЕ ДАВЛЕНИЕМ
С.Н. Ларин, П.В. Романов
Технология сварки давлением применяется при создании монолитного соединения элементов, образующих единую конструкцию путем пластической осадки входящих в ее состав элементов. Данная технология особенно эффективна при изготовлении сложных изделий, выполненных из высокопрочных труднодеформируемых материалов, например, алюминиевых и титановых сплавов. В работе приведена математическая модель расчета энергетическим методом величины давления горячей осадки заготовок при сварке давлением. Принята осесимметрич-ная схема деформирования. Предполагается, что осадка осуществляется в условиях жестко-пластичности. Выполнен учет нестационарности деформирования, связанный с поворотом линий разрыва скорости. Приведены расчетные данные и результаты расчетов.
Ключевые слова: осадка, давление, деформации, мощность деформирования.
При сборке изделий специального назначения из труднодеформируемых материалов часто применяют технологию сварки давлением входящих в них деталей [1-4]. Процесс сварки давлением реализуется с нагревом в диапазоне температур 0,4...0,6 Тт , т.е. в твердой фазе, что обеспечивает получение качественного соединения
элементов конструкции с повышенной прочностью и герметичностью [5-6]. Процесс сварки включает в себя два этапа: пластическое сжатие деталей (осадка) и выдержка под давлением (ползучесть).
Схема процесса формоизменения приведена на рис. 1, а. Осадка осуществляется кратковременно, материал заготовок, входящих в конструкцию, жестко-пластичный, его состоянию соответствует уравнение
се = Ае%, (1)
где с е, 8 е - эквивалентное напряжение и деформации; А, т - константы упрочнения материала определяемые экспериментально.
Для расчета режимов осадки воспользуемся энергетическим методом, широко используемым в теории обработки материалов давлением [3]. В соответствии с этим методом справедлива верхнеграничная теорема, которая выражается энергетическим уравнением равновесия
N < Ыд Ыр . (2)
Здесь N, Nд , Nр - соответственно величины мощностей: внешних сил, деформирования и на разрывных поверхностях.
Рис. 1. Модель осадки заготовок, деформационное поле (а), годограф скоростей перемещений деформационных блоков (б): 1, 2 - соединяемые заготовки; 3 - поверхность соединения; 4 - нажимная плита
Для расчета мощностей на поверхностях разрыва (2) необходимо определить кинематику формоизменения, для чего привлечем годограф скоростей перемещений деформационных блоков [4]. Схема расположения векторов скоростей приведена на рис. 1, б. Деформационное поле скоростей кинематически допустимо и состоит из жестких «0», «2» и деформационного блока «1». Выделенные области разделены разрывными поверхностями скорости (сформированы линиями уо1, уо2 в продольном сечении полуфабриката). Формообразование осуществляется в
пластическом блоке «1» и на граничных поверхностях скоростей. Геометрическая схема формообразования обладает осевой симметрией.
Скорость движения точек в деформационном блоке определим, воспользовавшись годографом приведенном на рис. 1, б, в виде
V = V
1+
к (y - y 01)
У 01 - r
cos a
(3)
sin(a + Р)
где
к = 1 -
r • sin(a + Р)
2h • cos а • cos Р
r , h - исходные размеры заготовок, v0 - скорость перемещения нажимного инструмента. Функция удовлетворяет условиям на границах деформационного блока
Vo cos a
Vlex. ="
Vie
sin(a + Р)
rVo
при y = yoi = (x-h) • ctga + r;
при y = r.
2h cos Р
Скорости на входе в деформационный блок и выходе из него обозначены как Viex и Vieblx . Компоненты скоростей формообразования в пластической области записаны в виде:
8V1x 8V1 V
dx
s 8V1x 8V1 • Р ■ s w/1y 8V1 s S S
S x = = — sin Р ; S y =^"=^T1cos Р; sm=-s x
8x
'y 8y 8y
y'
S xy
8V1x , 8V1y 8V1 ^
- + -
• „ 8V1 sin Р +--cos Р .
8y 8x
,ху ду дх
Выразим эквивалентные скорость деформаций и деформацию через компоненты скоростей формообразо-
1/
S е S
42 +s 2 )+s 2y
(4)
вания
— S -Ahl S
s e —S et — S e' V0
(5)
где Ahj - величина осадки при пластическом деформировании, (1).
Выражение для эквивалентного напряжения в блоке деформаций определим через уравнение состояния
(6)
а е — А
V V0
где эквивалентная скорость деформаций ^ определяется по выражению (4). Значение мощности в блоке определим, используя соотношения (4) - (6):
НД — i aeS,edw — 2лА — Уц.т. 1
V0
h
0
0
Г Уз
1 S_e+mdy V У01
Л
dx,
(7)
где
Уц.
= 2 г - ордината центра тяжести треугольной площади сечения деформационного блока.
3
На поверхности «01» разрыва, в соответствии с планом скоростей (рис. 1, б), определим касательную и нормальную составляющие скорости:
V1 = VT01 + VT10 = Vo [tga + ctg (a + ß)]cos a,]
Vn — Vo cos a.
(8)
Получим соотношения для эквивалентной деформации и напряжения с учетом зависимости (8) и уравнения состояния (1):
VT
1
з a + ctg (a + ß));
V3Vn V3
(tga + ctg(a + ß))
n ___
73'
(9)
Выразим мощность на поверхности «01», принимая во внимание соотношения (8), (9):
Л
N01 —-i 1 оeVтds — — V0
V3 cos а
___
.73
(tga + ctg (a + ß))
1+m
(10)
(1):
На поверхности разрыва скорости «12» с учетом с плана скоростей запишем
VT = Vi при y = y12; Vn = 0. (11)
Эквивалентные деформацию и напряжение запишем с учетом зависимости (11) и уравнения состояния
Ah1Vx Ah1 cos Р_
V3V0 /12 V3rV0
V;
(
a e — A
Ah cos ß
V3rV)
v
vt
(12)
T
'0 / ,
Мощность на поверхности разрыва «12» получим, учитывая выражения (11), (12):
V1+mh2
N12 —%Ar1~m (cos ß)
(
Ah1
73V0
1 V1| У—У12 dx,
(13)
0
где у12 = _х' + г - уравнение образующей.
Величину давления осадки выразим, подставив выражений (7), (10), (13) в неравенство (2), таким образом
получаем
ыд + n01 + n12 .
q <■
(14)
%r 2V0
Как видно из полученного выражения, давление осадки зависит от степени деформации и упрочнения материала заготовки.
Проведем расчет операции с учетом нестационарности деформирования при осадке [5]. Нестационарность процесса связана с трансформацией схемы скоростей деформаций. Линии разрыва скорости поворачиваются в течение процесса осадки, углы а и р изменяются, приводя к возникновению дополнительных нормальных скоростей на этих линиях. На линиях у 01 и у^ получим следующие соотношения:
Ее =
т
m
* , da , d h Vn01 = l01— =101~Г arctg— =
dt
dt
* , dP , d ho Vn12 = l12 — = l12 "Г arctg— =
dt dt r
ro
[1 ♦( r И cos a
ro
1 + 1 h2 r
cos P
(15)
где lo1 =
r
l12 =-
r
h = r • tga; hi = r • tgP.
cos a cos P
С учетом выражений (15), (8), (11), эквивалентные деформации на линиях разрыва скорости преобразуются к виду:
VT
8 е01 =
V3(Vn + V„o1) V3k1
^ [fga + ctg (a + P)]
VT
8 е12
SV*n V3vc
-V
к 1 y=y12 •
Здесь
(16)
k1 = 1 +
k 2 =
1+17"
cos2 a
1+(h2
cos P .
Сумма мощностей деформирования на этих поверхностях примет следующий вид
2
Z Np = N o1 + N12 =
%Ar
m m h2
^°4[ga + ctg (a+P)] 8 e12 cos a
cos P
J V1 y=y12 dx
(17)
Давление определяется зависимостью (14) при числителе (7) и (17). Выдержка набора заготовок под давлением обеспечивает диффузионное соединение (сварку) заготовок с образованием общих зерен на контактной поверхности [2].
Расчеты выполнены для осадки заготовок из сплавов АМг6 и ВТ14 [6-8]. Константы материалов приведены в таблице.
Механические характеристики материалов
Сплав Температура деформирования, 0С Константы материала
А, МПа m
АМг6 530 55 0.1
ВТ14 900 60 0.05
2
2
2
1
2
Приняты размеры: h = 50 мм; 2г = 30 мм; // = 20 мм; h2 = 30 мм; Д/ = 5 мм; ДЙ2 = 2 мм.
Давление осадки заготовок, рассчитанное без учета и с учетом нестационарности деформирования, составило соответственно:
- д = 59.2 и д = 56.8 МПа для заготовок из алюминиевого сплава;
- д = 67.9 и д = 63.5 МПа для заготовок из титанового сплава;
Вывод. Разработанная математическая модель процесса осадки заготовок в условиях жесткопластическо-го деформирования позволяет определить величину технологического давления, необходимого для проведения операции осадки-сварки. Расчет осадки по схеме осесимметричного деформирования с учетом нестационарности поля скоростей перемещений показывает уровень давлений ниже на 4...8%, чем при расчетах без учета поворота линий разрыва скорости. Для образования общих зерен на контактной поверхности заготовок и обеспечения диффузионного соединения (сварки) осуществляется выдержка заготовок под давлением. Применение технологии сварки давлением позволяет снизить трудоемкость изготовления, особенно при сборке сложных, многоэлементных конструкций.
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных материалов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин и др. М.: Машиностроение, 2003. 427 с.
2. Платонов В.И., Романов П.В., Чудин В.Н. Расчет режимов осадки ребра на плите при их сборке // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. №9. Т.18. С. 421-424.
3. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 836 с.
4. Мышкис А.Д. Лекции по высшей математике: Спб., «Лань». 2007. 688 с.
5. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. Спб., «Лань». 2010. 400 с.
6. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. - М.: Металлургия, 1973. 224 с.
7. Черняев А.В., Усенко Н.А., Коротков В.А., Платонов В.И. Определение влияния скорости деформации на сопротивление деформации при статическом растяжении при повышенной температуре // Цветные металлы. 2019. № 5. С. 60-65.
8. Демин В.А., Черняев А.В., Платонов В.И., Коротков В.А. Метод экспериментального определения механических и пластических свойств материала при растяжении при повышенной температуре // Цветные металлы. 2019. № 5. С. 66-73.
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Романов Павел Витальевич, аспирант, Россия, Тула, Тульский государственный университет
UPPER BOUNDARY CALCULATION OF DEFORMATION AND FORCE MODES OF PRECIPITATION OF AXISYMMETRIC WORKPIECES DURING PRESSURE WELDING
S.N. Larin, P.V. Romanov
Pressure welding technology is used to create a monolithic connection of elements forming a single structure by plastic precipitation of its constituent elements. This technology is especially effective in the manufacture of complex products made of high-strength, hard-to-form materials, such as aluminum and titanium alloys. The paper presents a mathematical model for calculating the pressure value of hot precipitation of workpieces during pressure welding using an energy method. An axisymmetric deformation scheme has been adopted. It is assumed that the landing is carried out in conditions of rigid plasticity. The nonstationarity of deformation associated with the rotation of the velocity discontinuity lines is taken into account. The calculated data and calculation results are presented.
Key words: sediment, pressure, deformations, deformation power.
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University,
Romanov Pavel Vitalievich, postgraduate, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.374
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-367-368
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕНИЙ И СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ФОРМООБРАЗОВАНИИ КОРПУСНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНОК
Н.Д. Тутышкин
Приводится анализ напряженного состояния и связанных с ним силовых параметров при объемной штамповке выдавливанием корпусных осесимметричных изделий с переменной толщиной стенок. Анализ строится на основе решения системы основных уравнений, описывающей осесимметричное напряженное состояние пластического материала. Существенной новизной является введение в анализ эффективных напряжений, связанных с деформационной повреждаемостью материала штампуемых изделий. Приводятся рекомендации по выбору инструментальных сталей для изучаемого процесса объемной штамповки выдавливанием.
Ключевые слова: пластическое формообразование, деформирующий инструмент, деформационная повреждаемость, эффективные напряжения, технологическое усилие
Разработка новых технологических процессов формообразования корпусных осесимметричных изделий с переменной толщиной стенок и высокими эксплуатационными свойствами связана с анализом напряженного состояния материала обрабатываемых заготовок и полуфабрикатов, расчетом механических характеристик и технологических параметров. Для анализа напряженного состояния и связанных с ним технологических параметров используются решения системы основных уравнений, описывающей пластическое формоизменение деформируемого материала.
Напряженное состояние при пластическом формоизменении осесимметричных изделий описывается в системе цилиндрических координат г, х, в следующими основными уравнениями [1]
д°Т | дХТ2 | аТ = 0; (1)
дг дх г
дтТ2 | ди2 | дтТ2 = 0; (2)
дг дх г
(аг-о2)2 +(а2-ав)2 + (^в )2 + 64 = (е1]); (3)
367
