УДК 621.983; 539.374
ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ПНЕВМОФОРМОВКА КУПОЛООБРАЗНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПЛОСКОСТНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ В РЕЖИМЕ ПОЛЗУЧЕСТИ
С.С. Яковлев, С.Н. Ларин, В.И. Платонов
Приведена математическая модель деформирования куполообразных деталей из листового материала, подчиняющегося энергетической или кинетической теории ползучести и повреждаемости, с плоскостной анизотропией механических свойств в режиме ползучести.
Ключевые слова: анизотропия, повреждаемость, разрушение, куполообразные детали, пневмоформовка, ползучесть.
В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли куполообразные детали. Традиционные методы их изготовления штамповкой на прессах весьма трудоемки и проблематичны в части обеспечения необходимой геометрической точности из-за наличия остаточных напряжений, что вызывает поводки контура и связанный с их устранением большой объем слесарно-доводочных работ по пригонке деталей в заданные размеры. Остаточные напряжения во многом вызваны исходной анизотропией механических свойств деформируемого листа и неравномерностью деформаций.
Анизотропия механических свойств листовых материалов оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при различных температурно-скоростных режимах деформирования.
Изотермическое формоизменение куполообразных деталей давлением газа из листовых высокопрочных алюминиевых и титановых сплавов имеет значительные преимущества перед традиционными методами обработки и весьма перспективно при использовании его в промышленности [1].
Теоретические исследования напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и геометрических размеров изготавливаемого изделия при изотермической пневмоформовке куполообразных изделий из изотропного и трансверсально-изотропного материала в режиме ползучести выполнены в работах [1 - 5].
Ниже приведены основные уравнения и соотношения для анализа напряженного и деформированного состояния оболочки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения полусферических деталей из листового материала с плоскостной анизотропией механических свойств в режиме ползучести.
Рассмотрено формоизменение круглой листовой заготовки радиусом Я и толщиной ко при изотермической пневмоформовке куполообразной оболочки под действием избыточного давления газа р в режиме ползучести. Материал заготовки обладает плоскостной анизотропией, а сама заготовка рассматривается как мембрана. По внешнему контуру заготовка закреплена. Оси координат х, у, 2 - главные оси анизотропии -совпадающие с направлениями прокатки (ось х), проходят поперек прокатки (ось у) и перпендикулярно к плоскости листа (ось 2) (рис. 1).
срединной поверхности заготовки срединной поверхности оболочки в меридиональной плоскости
Предполагается, что коэффициенты анизотропии вдоль и поперек прокатки равны, т.е. Ях = Яу. Напряженное состояние оболочки принимается плоским (о 2 = 0). В силу симметрии механических свойств относительно осей координат х, у и х', составляющих с осью х угол 45°, и характера нагружения меридиональные и окружные направления являются главными и совпадающими для напряжений и скоростей деформации в сечениях оболочки меридиональными плоскостями хог , уог, хо2 и коническими поверхностями, перпендикулярными дуге меридиана.
Принимаем, что срединная линия в меридиональных плоскостях хог , уог и хог, указанных выше, при деформировании является частью окружности.
Рис. 1. Схема к расчету деформированного состояния
Рис. 2. Схема к расчету деформированного состояния
Предполагаем, что на каждом этапе деформирования течение материала оболочки в этих плоскостях радиальное по отношению к новому центру (рис. 2).
В силу принятых допущений характер деформирования оболочки в меридиональных плоскостях хог и уог идентичен. Радиусы кривизны окружностей сечения срединной поверхности вышеуказанными меридиональными плоскостями определяются по формулам
_ _ Н2 +$
Ртх Рту Рдах' 2 н '
где Н - высота купола в данный момент времени.
Так как траектории точек в этих плоскостях ортогональны в данный момент образующемуся профилю, то в полюсе срединной поверхности скорости деформаций в меридиональном направлении будут вычисляться как
ХС _ 2НН . хС _ 2 НН (2)
Хтхе _ Н2 + Хтх'С _ Н2 + Я02' ()
где Н _ ЖН/Л.
Рассмотрим вопрос об определении окружных и меридиональных скоростей деформаций. Используя ассоциированный закон теории течения анизотропного материала и формулы преобразования компонент напряжений и скоростей деформации при повороте осей координат [1], найдем для
меридиональных сечений хог и хог отношение окружных Xе и меридиональных Хт скоростей деформаций:
Хех _ -ях(ат -аг) . ХСх_ (3)
ХСтх °т + кх (ат У ХСтх> °т + Кх' (°т )
Вырезая из мембраны элементы меридиональными плоскостями и коническими поверхностями в окрестности рассматриваемых сечений и принимая, что напряжения равномерно распределены по толщине элемента, запишем уравнения равновесия безмоментной оболочки, нагруженной равномерным давлением р:
атх , агх _ Р. а _ рргх . (4)
""" , ; °тх ~ ~, ; (4)
Ртх Рх Ь 2Ь
атх' , а1х' _ Р. а ,_ РРх (5)
Ртх' Рх Ь 2Ь
Решая эти системы уравнений, получим
' ' Л а _РР^. (6)
итх '
2п
агх _ атх
2
V Ртх J 86
оТх' отх
2 -
Рх
Р
о
тх
тх у
,= РРх 2к
(7)
Подставив выражения (6) и (7) в соотношения (3), установим связь между меридиональными и окружными скоростями деформаций в рассматриваемых сечениях:
X'
с 1х
2-
Ргх
Я
Р
х
тх
Рх
V Ртх
1
У .
X
2
Рх
Я
tx _
Р
тх
V ртх'
1
X
с
тх
1 + Я
х
Рх
\
V Ртх
X
тх
1 + Я
х
Рх
V ртх
(8)
Заметим, что из соотношений (3) следует, что если от = Ot (имеет место в центре купола), то X = Хт независимо от коэффициентов анизотропии. По контуру заготовка закреплена и поэтому = Х>х'к = 0, т е.
Ххк = 0, охк
Яхотхк .
1 + Я
к = 0, °хк
х
Ях' отхк
1+Ях
(9)
что следует из ассоциированного закона пластического течения материала и соотношений (3). Выражения (9) с учетом (6) и (7) позволяют определить связь радиусов кривизны Ртк и р^ в рассматриваемых меридиональных сечениях
Рхк _ 2 + Я
х
ptxk
Р тхк 1 + Ях Р тх к
2 + Ях 1 + Ях
(10)
Удобно задавать зависимость радиуса кривизны pt от рт вдоль дуги окружности в виде линейной функции от угла 0, имея в виду, что 0 = 0 Рt = Рт, а при 0 Ф а pt определяется соотношениями (10), т.е.
ptx = ртх
1 +
10
V /
Ях +1 а
Г аЛ
ptx' ртх'
1+
10
Ях +1 а
ртхА
ртхВ
0
V а У Г
0
V а У
(11)
где 0 - текущий угол между осью г и радиусом-вектором, определяющим положение точки в сечении срединной поверхности рассматриваемыми диагональными плоскостями.
В этом случае формулы (8) перепишутся в следующем виде: 0 „ 0
ХСс =
Xе
Ътх
1
а
1 +
Ях 0
= А
V а у
X
1
tx _
а
1 + Ях а
Xе '
тх
1+
Ях
0
= в
V а У
(12)
1 + Ях а
/
с
с
1
1
/
с
Определим скорости деформаций в меридиональных направлениях. Приращение деформаций в указанных выше плоскостях будут определяться по формуле
(13)
рт0 рт 0
dec _xcdf _(pm + dpm)(0 + d0)-pm0 _Ф
Учитывая, что _-ctgaa и pm sin a_ Rq, скорость деформации pm
найдем как
Xc _
Sm
_ p m + 0 =
pm 0
sin 0 0 sin a
ctga
a
(14)
Скорость деформации по толщине оболочки определяется по формуле
XC = &к. (15)
Используя условие несжимаемости и соотношения для нахождения скоростей деформации в меридиональном, окружном и перпендикулярном срединной поверхности направлениях, получим уравнение для определения изменения толщины оболочки на этапе деформирования:
h
sin 0
ctga
1 +
1 -0a
1+
R 0
a,
(16)
0 sin a x 1 +
' 1 + 1 + R a,
где R - коэффициент анизотропии в направлении x или x'.
Из геометрических соображений установим связь между углом a и временем деформирования, когда задана функциональная связь H _ H(t)
a_ 2arctg[ H (t) / RQ]. (17)
Изменение толщины оболочки от времени в куполе срединной поверхности оболочки (0 _ 0) можно оценить по выражению
h _ h
1 +
H 2 (t)
Л2
Rq2
(18)
Рассмотрим вопрос об изменении толщины оболочки от времени в месте ее закрепления (0 = а) в меридиональных плоскостях хог и х ог . Уравнение (16) при 0 = а запишется как
— _ -(1 / a - ctga)a. h
(19)
Заметим, что в это уравнение, как и в предыдущее (17), величины коэффициентов анизотропии не входят. Интегрирование уравнения с учетом начальных условий приводит к выражению
h _ hosin a/a. (20)
В тех случаях, когда 0 Ф 0 и а, изменение толщины определяется от этапа деформации согласно уравнению (16) в соответствии с перемещением материальной точки заготовки. Это изменение будет зависеть от коэффициентов анизотропии.
Вопрос о распределениях напряжений в рассмотренных выше сечениях оболочки на каждом этапе деформирования решается путем использования соотношений (6) и (7) с учетом выражений (11) и изменения толщины оболочки в рассматриваемой точке в результате интегрирования уравнения (16). При этом принимается во внимание характер течения материала.
В случае плоского напряженного состояния эквивалентная скорость
деформации Хе и эквивалентное напряжение ое с учетом соотношений (6), (7), (11), (12) в плоскостях хо2 и х'02 вычисляются соответственно по следующим выражениям:
л/2(2 + Ях)
Xе =
Ьех
Я:
1 -
' 0
V а у у
+я:
V а у
+ Я:
1 +
/0Л Л V а уу
+
X
л/3Я:
+я:
Я
х
1 +
0
V а уу
+1
X
1/2
(2Ях +1)
-Xе •
(21)
<ех =
я:
А
V Vа у у
-1
+ Я
х
2 - А
(- Л?
V а уу
+ Ях
' I \Ц/2
2Ях(2 + Ях ^ <3тх •
(22)
X'
л/2(2 + Ях-)
Я3
х
1 - в2
Г0\ Л V а уу
+ Я2,
х
в2
V а у
+ Ях
1 + в2
Л
V а уу
+
ех
л/3 Ях
+ я2
х
Я
х
1 + в
0
V а уу
+1
X
1/2
(2Ях +1)
-Xе' ;
^х т'
(23)
2
2
2
/
3
/
2
2
г
С
/
2
аех'
Я2
х
/
/ оЛ
в,1 ^
V Vа
-1
+ ЯЛ
2 - в1
( в 2
V а уу
+ Я^
/[2Ях (2 + Ях )]}1/2 а^х
\г 1 /JJ "тх • (24)
Найдем эти величины в вершине купола сечения срединной поверхности оболочки меридиональной плоскостью хог :
2 П^^.Г л/3
Хехс = ^13 V2 + Ях X
с .
х хтхс ;
аехс
2 + Я,
-а
тхс
(25)
Те же самые величины определим в точке закрепления оболочки по контуру:
2 (2 + Ях )(Ях +1)
12
хе^ = ^ г г ; Г хс
3 2Ях +1'тхк ' (5ехк [ 2 (1 + Ях )(2 + Ях)
По аналогии вычислим эквивалентные скорости деформаций и напряжений в куполе и точке закрепления в меридиональной плоскости х ох :
2 ^^„с -Л
3 (2 Ях + 1)(Ях +1)
,12
а
тхк
. (26)
хс =
Л/2 + Ях Хс /
V х ^тх с
а '
ех с
-а ' ■
тх с
(27)
х
12
хс
ехк
2 (2 + Ях)(Ях +1), хс
3 ^ ., г ь
2Ях +1
/ ■ ас _/3 (2Ях - +1) тх к ' ех к
1/2
ас к. (28)
тх к '
2 (1 + Ях)(2 + Ях),
Уравнения состояния энергетической теории ползучести и повреждаемости записываются следующим образом:
хе=
В(ае/ае0 )
1 -«А
« сА
аеХе
^пр
(29)
где юА - повреждаемость материала при деформации ползучести; В,п,т -константы материала, зависящие от температуры; АПр - удельная работа разрушения; ае0 - предел текучести на статической кривой упрочнения при степени деформации ее = еео.
В дальнейшем величину давления р в каждый момент деформирования будем определять в вершине купола оболочки в сечении хог, т.к. оно равномерно распределено по поверхности оболочки.
Подставим в первое из уравнений состояния материала (29) входящие в него ае, Хе, определяемые по формулам (25) с учетом (1), (2), (6), (11), (18), тогда получим
п +1
рпш
= аПо 1 -«АГ(2 + Ях) 2 22п+2И^Я^И
п+1
3 2 в(и2 + Яо +1 90
(30)
2
/
3
с
Найдем величину накопления повреждаемости Ю4хс .
Для этого подставим первое уравнение состояния (29) во второе,
тогда получим уравнение для нахождения повреждаемости
n
se01 ~ wAxc m (xCxc)
c
wAxc =
n+1 n
Ac B Лnpx^
1 n
(31)
Это уравнение удобно использовать, если Xexc = XeC1 = const. В этом случае интегрирование уравнения (31) при начальных условиях t = 0, w Axc = 0 приводит к выражению
wAxc =1 _
1 _ n _ m Ь)
(n+1)/n
se0t
n
Ac B лnpx^
1 n
n /(n _m)
(32)
Время разрушения tp определяется из условия Waxc = 1:
t = i p
AnpxB n
\n+1)/ n '
(33)
<е0 (п - т )(Хее11
Давление р, необходимое для реализации условий деформирования, будет рассчитываться по формуле
p(t) = Se01 _wAxc}П(2 + Rx)V222HRX (^)1,
In
31/2 Byn (h 2 + R02
(34)
Зависимость ЮА = юА($) находится по формуле (32), а Н = Н^) может быть определена из соотношения
ln
H 2 + R02
= 2р + Rx H g + R
(35)
" ^ ХСее1
Предельную высоту купола найдем по уравнению (35) при t = 1р.
Величина повреждаемости в точке закрепления оболочки в плоскости х02 может быть определена по выражению
(2 + Rx )(h 2 + R02
со
Axk = Р-
1/ arctg (H / R0)
R02 _ H 2
HR
0
H
4HA(epxh0 R03 (1 + Rx)
91
(36)
Удобно это уравнение интегрировать вместе с уравнением для купола оболочки, т.к. в этом случае известны величина p и высота купола H как функция времени.
Если необходимо в точке закрепления оболочки осуществлять деформирование с постоянной скоростью деформации XCexk = <exk1 = eonst, то для этого необходимо давление p = p(H):
Se0 (l— WAxk)m'nR +1)32 H\Rq fexki ^
P
1 n-i 12,
l3
(2Rx + l)V2 (h2 + Rq2 f (2 + Rx )V2 aretg
H
Ro
(37)
Связь между величинами H и t устанавливается по выражению
i \
= Rq J 2 (2 + Rx )(Rx +1)
xc
12
exkl
x JVvx
2Rx +1
H
J
H 0
1
R02 - H 2
aretg
H R0
HR
0
dH
H 2 + Rq
(38)
Величина повреждаемости w^xk может быть определена из уравне-
ния
WAxk =1
n - m
(<xexk1 J
\n+1)/ n
se0t
n
Ae B Лnpx^
1 n
(39)
Время разрушения определится из условия WAxk = 1, т.е.
t = i p
aCPXb11 nn
se0 (n - m)(<exk1 Г+1)/n
(40)
Вопрос об определении характеристик напряженного и деформированного состояний в сечении срединной поверхности меридиональной плоскостью х 02 решается аналогично, как и в плоскости хо2. Заметим, что все соотношения, касающиеся нахождения р, 'с, Шах к, Ь в куполе и месте закрепления сохраняются оех', Хех', ^, в которых индекс х необходимо заменить на индекс х .
Подход к определению этих величин в плоскости х 02 сохраняется,
когда рассматриваются частные случаи - скорость деформации £,е или давление р постоянны в куполе или месте закрепления. В общем случае нагружения и в произвольной точке оболочки следует решать уравнения (30) совместно с (31), при этом нужно учитывать характер течения материала при деформации.
t
1
Рассмотрим вопрос деформирования заготовки из материала, относящегося к группе материалов, подчиняющихся кинетическим уравнениям ползучести и повреждаемости:
xe=в ; we , («>
1 - Wce ) e enp
где eCnp - предельная эквивалентная степень деформации.
c
Определим величину накопления повреждаемости wexc в полюсе оболочки сечения срединной поверхности меридиональной плоскости xoz .
Рассмотрим случай, когда в полюсе XCxC = Xexcl = const. В этом случае проинтегрируем второе уравнение системы (41) при начальных условиях
t = 0, wcexc = 0, получим
wec = Xexc^/eenpx = eexc/ecnpx . (42)
Давление p, необходимое для реализации условий деформирования, будет определяться соотношением
p(t)= 4Se01 ^)^П*2 + RxFHRo\ (xcxd)Vn . (43)
B1 n 312 (h 2 + rj )
Зависимость ®cxc = w<cxc (t) определяется по формуле (42). Функция H = H (t) может быть найдена из выражения
H2 ■ "2
ln
H2 + R0
(= 2л/2+яХ Но2 +11с2 . (44)
Хехе1
Предельную высоту купола найдем по уравнению (44) при * = = есепрх!Хехс1, т.е. из уравнения
е = 1п Н 2 + 12 (45)
е епрх л/э 1п н 02 +102. ()
Отсюда следует, что предельная высота купола не зависит от времени деформирования.
Величину повреждаемости и давления р, необходимые для реализации процесса в случае, отличном от рассмотренного выше, следует определять из уравнений
е 2у]2 +Н2 +12
^хе - гг Х --, (46)
V3 (Ho2 + Ro2) eenp.
jx
рпЛ =
1 -(с) (2 + Ях)
п+1 2
22п+2 Нп+14пН№И
п+1 2
(47)
В3 " (И2 + Я<2 )' Рассмотрим напряженное и деформированное состояние в точке закрепления оболочки в плоскости хв2. Величины оех£ и Хх для этой точки определяются из соотношений (26).
Повреждаемость можно найти из уравнения
,3п+1
(О
ехк
'^ехк е
с.
епрх .
Если нагружение осуществляется таким образом,
Хехк = Х
ехк2
= сот1, то
(
ехк
с t ес ехк 24 епрх
(48) что
(49)
Предельная степень деформации достигается при ю^к = 1. Давление р, необходимое для реализации условий деформирования, найдем по формуле
Р =
°ео11 -(ехк
п
25/2 (Ях +1)32 И 2 ко Яо (X
с )1/2 ехк 2)
(2Ях +1)12 (и2 + Я2 ) (2 + Ях )12 агс^(Н / Я0)
В1 п 312
(50)
Связь между величинами И и t устанавливается из соотношения
/ л
Яо Г 2 (2 + Ях )(Ях +1)
12
ьехк 2
_х
2Ях +1
И
I
И о
1
я2 - И 2
аг^
И
Яо
НЯ
о
йН
И 2 + Яо2
(51)
В плоскости хОг параметры деформирования могут определяться по формулам, приведенным выше, с введением в них индекса х вместо х и соответствующего учета коэффициента анизотропии Ях . Подход к анализу процесса формоизменения остается таким же. При рассмотрении более сложного характера нагружения необходимо решать уравнения типа (46) и (47) совместно методом итераций, с последующим использованием необходимых приведенных выше соотношений.
Приведенные выше уравнения и соотношения могут быть использованы для оценки напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей изотермического деформирования куполообразных деталей из листового материала с плоскостной анизотропией механических свойств в режиме ползучести.
t
3
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания №2014/227 на выполнение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014 - 2020 годы и гранта РФФИ № 14-08-00066 а.
Список литературы
1. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.
2. Романов К.И. Механика горячего формоизменения металлов. М.: Машиностроение, 1993. 240 с.
3. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427с.
4. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев, [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
5. Математическая модель изотермического деформирования куполообразных оболочек из анизотропных материалов в режиме ползучести / С.Н. Ларин, С.С. Яковлев, В.И. Платонов, Я. А. Соболев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 3. С. 168-174.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, доц., mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., mpf-tulaa ramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ISOTHERMAL PNEVMOFORMOVKA DOMED PARTS FROM SHEET MA TERIALS WITH IN-PLANE ANISOTROPY IN THE CREEP REGIME
S.S. Yakovlev, S.N. Larin, V.I. Platonov
A mathematical model of deformation domed sheet metal parts, following the energy or kinetic theory of creep and damage, with in-plane anisotropy of mechanical properties in creep mode is given.
Key words: anisotropy, defect, destruction, dome-shaped details, pnevmoformovka,
creep.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.374; 621.983
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПЕРАЦИИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНИЧЕСКИХ МАТРИЦАХ В РЕЖИМЕ ПОЛЗУЧЕСТИ
С.С. Яковлев, О.В. Пилипенко, В.Ю. Травин, В. А. Булычев
Приведена математическая модель операции изотермической вытяжки осе-симметричных деталей из анизотропных материалов в конических матрицах в режиме ползучести.
Ключевые слова: изотермическая вытяжка, анизотропия, температура, радиальная матрица, пуансон, сила, деформация, ползучесть, напряжение.
Процессы обработки металлов давлением относятся к числу высокоэффективных, экономичных способов изготовления металлических изделий, позволяющих повысить производительность труда, снизить энергоматериалоемкость производства, обеспечить высокое качество изготавливаемых изделий. Листовая штамповка открывает широкие возможности в этом направлении применительно к различным отраслям промышленности. Вытяжка является одной из распространенных операций листовой штамповки цилиндрических изделий и обычно осуществляется на конических и радиальных матрицах. Она нашла широкое применение в автомобильном, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, самолетостроении и т.д.
Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением [1 - 6], реализуемых при различных температурно-скоростных режимах деформирования.
Рассмотрена первая операция вытяжки трансверсально-изотропного материала с коэффициентом анизотропии Я в конической матрице с углом а и степенью деформации у = 1 - , где - коэффициент вытяжки;