CC BY
49
THE SIMULATION OF COMBINING OPERATIONS OF THE SQUEEZING WITH THINNING AND OF THE EXTRUSION OF THICK-WALLED TUBE WORKPIECES
O. N. Mitin, G. A. Nuzhdin, Q.H Nguyen
In this paper based on the finite element method, executed simulation on computer of combining operations of the squeezing with thinning and of the extrusion of thick-walled tube workpieces on based software QFORM 2D - 3D. The main of problem when using this method is bring the results of theoretical researches of modes of force of combining operations of the squeezing with thinning and of the extrusion of thick-walled tube workpieces. Show the effect of technological parameters on modes of force of combining operations of the squeezing with thinning and of the extrusion of thick-walled tube workpieces.
Key words: Simulation, the combining operations, the squeezing with thinning, The extrusion, Bottom Die, Top Die, force, the coefficient of squeezing, the coefficient of thinning, deformation ratio.
Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, doctoral, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, OPC "SPA "SPLAV"",
Nuzhdin George Anatolievich, mpf-tula @rambler.ru, Russia, Moscow, organ by quality system certification "Konsersium ",
Nguyen Quoc Huy, postgraduete, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСЛЕДУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ
ВЫТЯЖКИ
С.С. Яковлев, А. А. Пасынков, В.И. Платонов
Выявлено влияние анизотропии механических свойств на предельные возможности деформирования на последующих операциях изотермической комбинированной вытяжки осесимметричных деталей в условиях вязкого течения трансверсально-изотропного материала.
Ключевые слова: вытяжка, анизотропия, технологические параметры, температура, матрица, пуансон, сила, деформация, ползучесть, напряжение.
Комбинированная вытяжка является одной из наиболее распространенных операций листовой штамповки для изготовления осесимметричных изделий с толстым дном и тонкой стенкой и может осуществляться
при различных температурно-скоростных режимах деформирования [1].
Последующие операции изотермической комбинированной вытяжки осесимметричных изделий обычно выполняются на конических матрицах по двум вариантам [1-3]: из полой заготовки с неутоненными стенками (заготовка изготовлена вытяжкой без утонения); из полой заготовки с утоненными стенками (заготовка получена комбинированной вытяжкой, вытяжкой с утонением, ротационной вытяжкой).
При комбинированной вытяжке на последующих операциях, как на первой операции, очаг деформации характеризуется наличием двух зон: плоского напряженного (1а, 1б) и плоского деформированного (II) состояний заготовки (рис. 1).
Рис. 1. Схема к теоретическому анализу последующих операций комбинированной вытяжки через коническую матрицу
Зона плоского напряженного состояния I в этом случае может быть разделена на два участка: участок 1а, граничащий со стенками исходной заготовки, в котором срединная поверхность заготовки в меридиональном сечении имеет радиус Яр, а заготовка не соприкасается с поверхностями
рабочего инструмента; участок 1б - заготовка соприкасается с конической поверхностью матрицы. Зона II (утонения) аналогична зоне II первой операции.
После предыдущих операций обычно производится термическая обработка полуфабриката, которая выравнивает механические свойства по высоте изделия, однако, полностью не устраняет возникшую в результате пластической деформации цилиндрическую анизотропию его механиче-
ских свойств. Поэтому предполагается, что механически свойства по высоте заготовки однородные.
Особенностью начала процесса комбинированной вытяжки по второму варианту является утонение донной части заготовки, имеющей первоначальную толщину 5q, т.е. преодоление «донного барьера». Его влияние усиливается на последующих операциях, в связи с увеличением разницы в толщине стенки и дна заготовки.
На последующих операциях комбинированной вытяжки наибольший интерес представляет момент совпадения центра закругления пуансона с верхней кромкой рабочего пояска матрицы, стационарная и конечная (утонения краевой части заготовки) стадии.
Основные соотношения. Рассмотрено деформирование анизотропного материала в условиях вязкого течения [4 - 6]. Упругими составляющими деформации пренебрегаем. Вводится потенциал скоростей деформации анизотропного тела при вязком течении. Компоненты скоростей деформации Xj определяются в соответствии с ассоциированным законом
течения. При вязком течении материала по аналогии с работами Р. Хилла и Н.Н. Малинина введены понятия эквивалентного напряжения se и эквивалентной скорости деформации Xe [4 - 7].
Уравнения состояния с учетом повреждаемости, описывающие поведение материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, записываются в виде
XC = B(se/Se0 )n /(l - wA)m; wA = sexe / Acv, (1)
а применительно к группе материалов, подчиняющихся кинетическим уравнениям ползучести и повреждаемости, так
xe = B(se / Se0)n / (l - we )m; we = хе / eCnp, (2)
где B, n, m, - константы материала, зависящие от температуры испытаний; A^p, ecenp - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная
деформация при вязком течении материала; wce, и wA - повреждаемость
материала при вязкой деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно; se0 - произвольно выбранная величина эквивалентного напряжения; wA = dwA / dt; w£ = dwce / dt .
В работах [8, 9] на основе приведенных выше соотношений разработана математическая модель изотермической последующей операции комбинированной вытяжки трансверсально-изотропного материала с коэффициентом анизотропии R в режиме ползучести, выявлено влияние технологических параметров на напряженное и деформированное состояния, силовые режимыи предельные возможности деформирования на по-
97
следующих операциях изотермической комбинированной вытяжки осе-симметричных деталей из анизотропных материалов в режиме ползучести. На контактных границах заготовки и инструмента реализуется закон трения Кулона. Получены соотношения для определения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния заготовки и силовых режимов формоизменения. Меридиональные и окружные напряжения на участках очага деформации определяются путем численного решения приближенного уравнения равновесия совместно с тем или иным уравнением состояния в зависимости от того, какая теория ползучести описывает поведение материала - кинетическая или энергетическая, при граничных условиях, заданных в напряжениях [10, 11]. В отличие от известных решений этой задачи в работе анализируется процесс изотермической комбинированной вытяжки анизотропной осесимметричной заготовки с изменением её толщины в процессе деформирования.
Предельные возможности деформирования. Предельные возможности последующих операций комбинированной вытяжки оценивались по максимальной величине осевого напряжения ох в стенке детали на
выходе из очага деформации, которая не должна превышать величины сопротивления материала деформированию в условиях плоского деформированного состояния с учетом скоростного упрочнения [4, 5]
. * * °х £ох; ох =
КЕ + 2)( Е +1) Ое (3)
3(2Е +1)
и допустимой величиной накопленных микроповреждений
0 £С
юе = ^ , (4)
'<епр
если справедлив деформационный критерий разрушения, и в виде
ШС = £Х. (5)
0 Апр
если справедлив энергетический критерий разрушения.
При назначении величин степеней деформации в процессах формоизменения в дальнейшем учитывались рекомендации по допустимой величине накопленных микроповреждений (степени использования запаса пластичности) В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова [12 -14].
Предельные возможности деформирования устанавливались путем численных расчетов по этим неравенствам в зависимости от угла конусности матрицы а =6...30 °, коэффициента вытяжки , скорости перемещения пуансона условий трения на рабочем инструменте тП = (1. 4) тМ для сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической
теориям ползучести и повреждаемости соответственно. Процесс изотермической комбинированной вытяжки реализуется в условии ползучего течения материала, что обеспечивается величиной скорости перемещения пуансона V).
Установлено влияние анизотропии механических свойств на предельные возможности формоизменения последующих операций изотермической комбинированной вытяжки цилиндрических деталей.
На рис. 2 и 3 представлены графические зависимости изменения предельных коэффициентов утонения т51пр в зависимости от коэффициента анизотропии Я. В расчетах принималось: для рис. 2 - В =6,06 • Ю-6 1/с; ое)=38 МПа; п =2,57; т=1,0; Апр =7,45 (материал 1), а для рис. 3 -
—3
В =0,698 •10 1/с; ое0 = 1 МПа; п =2,86; т=1,3; еепр =1,23 (материал 2).
ТУЗ ■ '"зтр
0.6 0.4 0.2
3
\у
0.2 0.8 1.4 К -»
Рис. 2. Зависимости изменения т5}пр Я для материала, подчиняющегося энергетической теорией ползучести и повреждаемости V = 0,1 мм/с ; а = 18°; тм = 0,1 / тп = 0,2; т^ = 0,8)
3
\ 2
1
0.2 0.8 1.4 2
К -»-
Рис. 3. Зависимости изменения т5}пр от Я материала, поведение которого описывается кинетической теорией ползучести и повреждаемости = 0,1 мм/с ; а = 18°; тм = 0,1; тп = 0,2; т^ = 0,8)
Здесь кривые 1, 2 и 3 соответствуют величинам коэффициентов утонения т5}Пр, вычисленным по максимальной величине напряжения в стенке детали на выходе из очага деформации [выражение (3)] и по допустимой величине накопленных микроповреждений [выражение (4) или (5)] при % = 1 и % = 0,65 соответственно. Положения кривых 1 - 3 определяют возможности деформирования заготовки в зависимости от технических требований на изделие. Положения кривых 1 и 2 указывают на возможность разрушения заготовки по условиям (3) и (4) или (5) при %=1,0 соответственно в зависимости от того, какой теории ползучести и повреждаемости описывается поведение исследуемого материала.
Изменение коэффициента нормальной анизотропии Я от 0,2 до 2 приводит к уменьшению предельных коэффициентов утонения т5щр приблизительно на 10 % для исследуемых диапазонов изменения технологических параметров.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 14-08-00066 а.
Список литературы
1. Валиев С. А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1973. 176 с.
2. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / Под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
3. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 331 с.
4. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я. А. Соболев. М: Машиностроение, 2004. 427 с.
5. 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. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
6. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.
7. Яковлев С.С., Кухарь В.Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2012. 400 с.
8. Влияние технологических параметров на силовые режимы последующих операций изотермической вытяжки осесимметричных деталей из
анизотропных материалов в режиме ползучести / С.С. Яковлев, О.В. Пили-пенко, А.А. Пасынков, В.И. Платонов // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 7. С. 29 - 38.
9. Предельные возможности последующих операций изотермической комбинированной вытяжки анизотропных материалов в режиме ползучести / С.С. Яковлев, В.Ю. Травин, А. А. Пасынков, В.И. Платонов // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 10. Ч. 1. С. 91 - 98.
10. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
11. 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.
12. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет (УПИ), 2001. 836 с.
13. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
14. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2002. 329 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula @rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula @rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EFFECT OF ANISOTROPY OF MECHANICAL PROPERTIES TO LIMIT THE POSSIBILITY OF FUTURE OPERA TIONS INSULA TED HOOD COMBINA TION
S.S. Yakovlev, A.A. Pasynkov, V.I. Platonov
The influence of the anisotropy of mechanical properties on the limit-sti possible deformation on subsequent operations isothermal combined extracts rotationally symmetric parts in a viscous flow of transversely isotropic material.
Key words: extract, anisotropy, process parameters, tempo-ture, matrix, punch, strength, deformation, creep, stress.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
ВЫДАВЛИВАНИЕ РЕБЕР НА ПЛИТАХ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
А. А. Перепелкин, С.С. Яковлев, А.В. Черняев, Ю.В. Бессмертная
Изложена математическая модель операции горячего выдавливания ребер на плитах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы и повреждаемость материала при горячем выдавливании оребрений на плитах.
Ключевые слова: выдавливание, кратковременная ползучесть, напряжение, сила, температура, кратковременная ползучесть, высокопрочный материал, повреждаемость.
Оребренные элементы конструкций летательных аппаратов обеспечивают их жесткость при продольно-поперечном изгибе и устойчивость корпуса изделия в целом при воздействии нагрузок. В этой связи широко применяют корпусные панели с ребрами вафельного и стрингерного типов. Технология их производства связана с процессами резания, что приводит к большой трудоёмкости и высокому расходу основных материалов.
В этой связи перспективен как более эффективный процесс изготовления панелей горячим выдавливанием ребер. При этом качественное изготовление изделий требует создания определенных температурно-скоростных условий, т.к. выдавливание происходит в условии нелинейно-вязкого течения материала. Деформационные и силовые режимы, качество изделий во многом определяются скоростью операции. Проектирование технологии требует проведения расчетов, основанных на механике деформирования.
В работе [1] рассмотрена операция изотермического выдавливания оребрений на основе верхнеграничной теоремы пластичности с использованием разрывного поля скоростей. Схема операции показана на рис. 1.
Энергетическое неравенство для данного разрывного поля имеет
вид [2]
q
2
[(se)01 ^01 + (se)l2 ^12] + ^тр ^к4 • (1)
