CC BY
43
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 539.374; 621.983
К ОЦЕНКЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ДВУХСЛОЙНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ
М.В. Грязев, A.A. Перепелкин, О.В. Пилипенко
Изложены результаты теоретических исследований предельных возможностей формоизменения при вытяжке с утонением стенки осесимметричных деталей из двухслойных анизотропных материалов.
Ключевые слова: анизотропия, вытяжка, двухслойный материал, деформация, напряжение, сила, разрушение, повреждаемость, пластичность.
В машиностроении находят широкое применение двухслойные материалы, т.е. материалы, в которых основной материал подвергается плакированию. Плакирующий слой, как правило, выполняет основную функцию - предохраняет изделие от коррозии [1].
Материалы, подвергаемые штамповке, как правило, обладают 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, в частности, операций глубокой вытяжки [2].
В работе [3] исследованы технологические параметры вытяжки с утонением стенки изотропных двухслойных упрочняющихся материалов. Математическая модель операции вытяжки с утонением двухслойных анизотропных материалов с различными механическими свойствами разработана в работе [4]. Рассмотрен процесс пластического деформирования цилиндрической двухслойной заготовки в конической матрице. Материалы двухслойной заготовки принимаются неупрочняющимися, подчиняющие
3
мися условию пластичности Мизеса - Хилла и ассоциированному закону пластического течения [2]. Анизотропия механических свойств заготовки -цилиндрическая.
Отношение диаметра цилиндрической детали к толщине стенки более 20. Допускается, что процесс реализуется в условиях плоского деформированного состояния. Рассматривается плоское радиальное течение материала (рис. 1). На контактных поверхностях детали и инструмента задаются касательные напряжения по закону Кулона. Изменение направления скоростей течения материала на границе очага пластической деформации при входе в него и выходе из него учитывается изменением величины радиального напряжения по методу баланса мощностей [4].
Рис. 1. Схема к расчету кинематики течения двухслойного материала
Реализуется приближенное решение этой задачи с привлечением уравнений равновесия, условия несжимаемости материала, уравнений связи между напряжениями и скоростями деформации [5].
С привлечением уравнения связи между напряжениями и скоростями деформации интегрируются уравнения равновесия в каждом слое. Этим достигается разделение переменных по скоростям течения и напряжениям. Подробный анализ кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния, силовых режимов вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных анизотропных материалов изложен в работе [4]. Приведенные в этой работе соотношения для определения осевого напряжения и величины накопленной повреждаемости материала стенки цилиндрической детали позволяют установить пре-
4
дельные возможности вытяжки с утонением двухслойных анизотропных материалов. Разработаны алгоритмы расчетов и пакетов прикладных программ для моделирования процесса пластического деформирования полых осесимметричных оболочек из анизотропных двухслойных материалов в клиновом канале.
Предельные возможности процесса вытяжки с утонением стенки ограничиваются максимальной величиной осевого напряжения ах в стенке заготовки на выходе из очага деформации, которая не должна превышать величины сопротивления материала пластическому деформированию в условиях плоского деформированного состояния с учетом упрочнения
<*хк ^Gsxk*> ®sxk =2Tsxyk^~ck > (1)
и допустимой величине накопленных микроповреждений
£/ /7с.
С0в= (2)
Zib inPk
Здесь к = 1,2 в зависимости от рассматриваемого слоя заготовки; - интенсивность деформации элементарного объема при входе в очаг деформации; £jnpk =^inpk(ö^öi) ~ предельная интенсивность деформации; а -
среднее напряжение.
Величина предельной интенсивности деформации находится
по выражению
( оЛ
4npk=ak™Р ик— > (3)
где ilfc, Ufr - константы основного и плакированного слоя материала, определяемые в зависимости от рода материала согласно работам B.JI. Колмогорова и A.A. Богатова [6, 7].
При назначении величины коэффициентов утонения необходимо учитывать рекомендации по допустимой величине накопленных микроповреждений B.J1. Колмогорова и A.A. Богатова, согласно которым для ответственных деталей, работающих и подвергающихся после обработки давлением термической обработке (отжигу или закалке), допустимой величиной накопленных микроповреждений следует считать %=0,25, а только для неответственных деталей допустимой величиной накопленных микроповреждений может быть принята х =0,65 [6, 7].
Приведенные выше неравенства (1) и (2) не разрешаются в явном виде относительно коэффициента утонения msnp, поэтому зависимости
предельного коэффициента утонения от механических свойств материала,
геометрии инструмента, условий трения на контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки устанавливались путем численных расчетов по этим неравенствам на ЭВМ.
Предельные коэффициенты утонения т8пр исследовались в зависимости от угла конусности матрицы, условий трения на инструменте тп = (1...4)тм при тМ = 0,05 для исследуемого двухслойного материала 12Х3ГНМФБА+08Х13, механические характеристики которого приведены в таблице.
Механические свойства исследуемых материалов
Марка (тА'ху 0,2 )к , МПа Ок, МПа пк ск Кх ик
Сталь 12Х3ГНМФБА 340,0 275,03 0,44 -0,12 0,55 0,66 1,46 -1,2
Сталь 08Х13 288,0 324,07 0,50 0,11 1,05 0,85 1,59 -1,38
Графические зависимости изменения предельных коэффициентов утонения т8Пр, вычисленных по первому (1) и второму (2) критериям разрушения без учета и с учетом упрочнения материала детали, от угла конусности матрицы а для двухслойной стали 12Х3ГНМФБА+08Х13 приведены на рис. 2 соответственно. Здесь кривая 1 соответствует величине т8Пр, определенной по максимальной величине осевого напряжения на
выходе из очага пластической деформации (1); кривая 2 соответствует величине т8пр, определенной по допустимой величине накопленных микроповреждений (2) при % = 1; кривая 3 - при % = 0,65; кривая 4 - при % = 0,25.
Положения кривых 1 - 4 определяют возможности деформирования заготовки в зависимости от технических требований на изделие. Положения кривых 1 и 2 указывают на возможность разрушения заготовки по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации (1) и по допустимой величине накопленных микроповреждений (2) при % = 1.
Установлено, что величины предельных коэффициентов утонения т8пр, вычисленные с учетом упрочнения материала, меньше, чем без учета упрочнения. Различие предельных коэффициентов утонения т8пр, определенных с учетом и без учета упрочнения материала, составляет около 15 %. Показано, что с ростом угла конусности матрицы а величина предельного коэффициента утонения т5пр увеличивается. Так, увеличение
угла конусности матрицы от 6 до 30° сопровождается ростом величины т5пр на 45 %.
Рис. 2. Зависимость изменения т8Пр от а:
а - без учета упрочнения; б - с учетом упрочнения
(801/= 0,50; Ио = 4 мм; тп = 2 тМ = 0,1)
Показано, что изменение условий трения на контактной поверхности пуансона существенно влияет на предельный коэффициент утонения т8Пр. С ростом коэффициента трения на пуансоне снижается предельное
значение коэффициента утонения ттр . Этот эффект проявляется существеннее на малых углах конусности матрицы а. Расчеты показали, что при
углах конусности матрицы а = 30° увеличение коэффициента трения на пуансоне в три раза по сравнению с коэффициентом трения на матрице приводит к незначительному (около 5 %) изменению предельного коэффициента утонения, а при а = 6° - к уменьшению коэффициента утонения т8Пр, вычисленного по максимальной величине осевого напряжения на
выходе из очага пластической деформации и допустимой величине накопленных микроповреждений, на 15 и 30 % соответственно.
Выявлено, что при вытяжке с утонением стенки осесимметричных деталей из двухслойной стали 12Х3ГНМФБА+08Х13 с увеличением величины 801 /^0 происходит рост предельного коэффициента утонения т8Пр. Установлено, что предельные возможности формоизменения могут
ограничиваться максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из очага деформации и допустимой величиной накопленных микроповреждений. Это зависит от анизотропии механических свойств материала заготовки, технологических параметров, угла конусности матрицы и условий трения на контактных поверхностях инструмента.
Приведенные выше результаты теоретических исследований предельных возможностей формоизменения могут быть использованы при разработке новых технологических процессов вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов в конической матрице.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014 - 2020 годы и гранта РФФИ № 13-08-97519 р_центр_а.
Список литературы
1. Трегубов В.И. Изготовление баллонов высокого давления из высокопрочных двухслойных материалов вытяжкой. М.: Машиностроение, Изд-во "Тульский полиграфист", 2003. 164 с.
2. 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.
3. Трегубов В. И., Яковлев С. П., Яковлев С. С. Технологические параметры вытяжки с утонением стенки двухслойного упрочняющегося материала // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2005. № 1. С. 29 - 35.
4. Грязев М.В., Яковлев С. С., Ремнев К. С. Математическая модель операции вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов в конической матрице// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 1. С. 66-76.
5. 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.
6. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 836 с.
7. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ, 2002. 329 с.
Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Перепелкин Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пилипенко Ольга Васильевна, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Орел, Государственный университет—учебно-научно-производственный комплекс
TO THE ASSESSMENT LIMITING POSSIBILITIES EXTRACT WITH UTONENIEM ROTATIONALLY SYMMETRIC PARTS OF TWO-LAYERED ANISOTROPIC MATERIALS
M. V. Gryazev, A.A. Perepelkin, O. V. Pilipenko
Theoretical studies of limiting possibilities of forming at drawing with wall thinning rotationally symmetric parts of the two-layer anisotropic materials.
Key words: anisotropy, extractor hood, double-layer material, deformation, stress, strength, destruction, defect, plasticity.
Gryazev Michail Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, the rector, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pilipenko Olga Vasilievna, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Orel, State University — Education-Science-Production Complex
УДК 539.374; 621.983
ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННИХ ДИАМЕТРАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ РОТАЦИОННОЙ
ВЫТЯЖКЕ
В.И. Трегубов, М.В. Ларина, А. А. Пасынков
Приведены результаты экспериментальных исследований по изменению внутренних диаметральных размеров деталей в зависимости от технологических параметров, геометрических характеристик инструмента ротационной вытяжки цилиндрических деталей из сталей 10 и 12Х3ГНМФБА на специализированном оборудовании коническими роликами с разделением очага деформации. Выявлены рациональные технологические режимы обработки.
Ключевые слова: ротационная вытяжка, труба, ролик, оправка, шага подачи, степень деформации, угол, деталь, диаметр.
Обеспечение заданной точности внутренних диаметральных размеров деталей dd при ротационной вытяжке регламентируется диаметром рабочей оправки dопр, а также условиями деформирования (режимами обработки, схемами ротационной вытяжки и геометрическими параметрами деформирующих роликов) [1, 2].
Рациональными при ротационной вытяжке являются условия деформирования, при которых dd > dопр на величину минимального зазора между деталью и оправкой. Уменьшение внутреннего диаметра детали dd при определенных условиях ротационной вытяжки может привести к плотной посадке ее на оправку, затруднить съем детали и вызвать появление царапин на внутренней поверхности детали и поверхности оправки.
9
