Изотермическое выдавливание фланцевых заготовок в условиях плоской деформации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.983

С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,

mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

А.А. Пасынков, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,

mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,

[email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ФЛАНЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК В УСЛОВИЯХ ПЛОСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Приведена математическая модель изотермического выдавливания фланцевых заготовок в условиях плоской деформации, на основе которой была произведена оценка силовых режимов и предельных возможностей формоизменения.

Ключевые слова: сила, давления, напряжение, деформации, выдавливание, годограф, повреждаемость.

Детали с фланцевыми утолщениями используют в арматуре трубопроводов двигательных установок летательных аппаратов. Материалы этих деталей - высокопрочные сплавы, и их горячая обработка давлением производится в регламентированных температурно-скоростных условиях. Режимы штамповки определяются упрочнением материала и его вязкостью. Эти факторы, влияющие на силовые и деформационные режимы, необходимо учитывать при разработке технологии. Рассмотрим в этой связи операцию горячего выдавливания фланца на цилиндрической заготовке. Будем использовать энергетический метод расчёта применительно к разрывному полю скоростей перемещений [1, 2].

Рассмотрим вариант расчета при условии плоской деформации. При этом поле скоростей (рис. 1) является жесткоблочным, состоящим из блоков «0» и «1». Деформации имеют место только на линиях разрыва скорости «01» и контактных границах трения «12», которые также являются линиями разрыва скорости. В этом случае энергетическое неравенство принимает вид

V0

r1 -Т01 (V01)тlp + ттрVтрlk . (1)

Здесь в левой части - мощность внешних сил, в правой - мощности на поверхности разрыва скорости и на поверхности трения; q - удельная сила операции.

Используя годограф поля скоростей (рис. 2), запишем выражения для определения касательной и нормальной скоростей на линии разрыва:

V0 V0 (V01) т=^-; (V01) n =vsm а.

2cos а 2

Рис. 2. Годограф плоского поля скоростей

Эквивалентные деформацию и скорость деформации на линии разрыва скорости выразим следующим образом:

Отсюда следует, что касательное напряжение на этой линии Т01

(°е)01 _ А (Го] п ( 2 >1 т+п

Лз (Л/з)1+т+п (аи) ч эт 2а )

Касательное напряжение трения получим, приняв, что внешнее давление распределено по поверхности торца заготовки равномерно. Тогда

65

хтпр = \Щ-

Скорость движения материала на границе трения

1

УХ=У(

О

-гпр .

Длины линий разрыва и контактной границы трения соответствен-

но

01

п

1к=10\=г2~П-

зша

Подстановка полученных выражений в неравенство (1) приводит к следующей оценке давления при плоской деформации:

АЪ ( 2

--г-

Ъ - 2\Л(Г2 — П)VЛ/Зет2ау

На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров на силовые режимы операции плоского выдавливания фланцевых заготовок в режиме вязко-плаетичности. Исследования выполнены для алюминиевого АМгб и титанового ВТ6С сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теориями прочности соответственно. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках заготовки: /2 = 30 мм; Д/? = 3...20 мм; г\ = 20 мм.

Механические характеристики исследуемых материалов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Механические характеристики исследуемых материалов

Материал Т,°С ае0> МПа А, МПа/ с" т п

Титановый сплав ВТ6С 930± 2 38,0 66,80 0,028 0,0582

Алюминиевый сплав АМгб 450 ±2 26,8 54,34 0,104 0,0263

На рис. 3 представлены графические зависимости относительного давления Ц = д/о от скорости перемещения инструмента V при фиксированных значениях степени деформации 8 = АН/(к + Ак). Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением скорости перемещения инструмента V от 0,01 до 10 мм/с относительное давление выдавливания фланцевых заготовок возрастает на 20 % для алюминиевого АМгб и на 50 % для титанового ВТ6С сплавов.

Исследовано влияние условий трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки на величину относительного давления. На рис. 4 приведены графические зависимости с[ от коэффициента трения (1. Установлено, что увеличение |Ы от 0,1 до 0,4 приводит к возрастанию относительного давления на 10 % для сплавов АМгб и ВТ6С.

3,0

и

2,5

2,0

ч

1,5

1,0

Рис. 3. Зависимости изменения ц от V при выдавливании фланцевых заготовок (г = 0,25; ц = 0,1)

ц--

Рис. 4. Зависимости изменения ц от ц при выдавливании фланцевых заготовок (в = 0,25; V = 1 мм/с)

Рассмотрим далее критические режимы выдавливания, что связано с оценкой повреждаемости деформируемого материала. Для этого исполь-

зуем теории прочности применительно к горячей обработке. Пусть точка "а" - место возможного разрушения. Тогда повреждаемость материала в выбранной точке будет

определяться

зависимостями:

со

а

(-я)4

пр

( 2 > 1+т+п М

ч л/3 8ш2а у

ПО

энергетической

теории,

со

а

—-¡=- по деформационной теории прочности,

(л/3 йш2а)(ге)ф

где 0 < со < 1 - повреждаемость материала за время деформирования О 1Кр - время полной повреждаемости (критическое время воз-

можного разрушения); Апр, (г- предельная удельная работа разрушения при вязкопластическом деформировании и предельная эквивалентная деформация материала при данных условиях обработки соответственно.

На рис. 5 представлена графическая зависимость повреждаемости материала со от скорости перемещения инструмента V при выдавливании фланцевых заготовок из алюминиевого сплава АМгб при фиксированном значении степени деформации 8. Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость материала возрастает в 2,8 раза.

Результаты расчета повреждаемости титанового сплава ВТ6С в зависимости от степени деформации 8 приведены на рис. 6. Установлено, что при увеличении 8 от 0,1 до 0,4 повреждаемость сплава ВТ6С возрастает в 3,6 раза.

0,5

0,4

0,3

(х)

0,2

ОД

0,01

ОД

10

V

Рис. 5. Зависимость изменения со от V при выдавливании фланцевых заготовок из сплава АМгб

(8 = 0,25; ц = 0Д>

Рис. 6. Зависимость изменения со от в при выдавливании фланцевых заготовок из сплава ВТ6С

(V = 1 мм/с; (1 = ОД)

Таким образом, установлено, что силовые параметры выдавливания фланцевых заготовок зависят от деформационного и скоростного упрочнений материала, а также условий трения на инструменте.

Величина накопленной повреждаемости материала заготовки и, следовательно, качество детали определяются скоростью деформирования для одной группы материалов, для другой - только степенью формообразования.

Расчеты относительного давления и повреждаемости материала, выполненные в предположении плоской деформации, качественно согласуются с данными, полученными по модели осесимметричной деформации. Однако результаты расчетов по модели плоской деформации дают заниженную оценку давления в 1,5-1,8 раза и повреждаемости в 1,5-3 раза по сравнению с моделью осесимметричной деформации.

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, A.B. 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, S.N. Larin

INSULATED FLANGE EXTRUSION BILLETS IN PLANE STRAIN CONDITIONS A mathematical model of isothermal extrusion flange billets in plane strain, from which was used to estimate the power modes and limits of forming.

Key words: power, pressure, stress, strain, extrusion, annual count, damaging.

Получено 20.07.12

УДК 621.983

С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,

mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

М.В. Грязев, д-р техн. наук, проф., ректор, (4872) 35-14-82,

mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

К.С. Ремнев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,

[email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

СИЛОВЫЕ РЕЖИМЫ ОПЕРАЦИИ РАЗДАЧИ АНИЗОТРОПНЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Приведены результаты теоретических исследований напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов операции раздачи трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, коническим пуансоном.

Ключевые слова: анизотропия, раздача, напряжение, деформация, пуансон, матрица, труба.

Трубный прокат, подвергаемый штамповке, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала трубной заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением.

Рассмотрим операцию раздачи трубной заготовки коническим пуансоном с углом конусности а (рис. 1) и коэффициентом раздачи Kр = rK / Tq. В основу анализа положен метод расчета силовых параметров

процесса, основанный на совместном решении приближенных дифферен-