Оценка силовых режимов бокового выдавливания Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Косачев Николай Викторович, инженер-конструктор, [email protected], Россия, Москва, ПК «Салют »АО «ОДК»

TO THE EVALUATION METHOD OF THE SPECIFIC ENERGY ABSORPTION FOR THE 3D-PRINTED POLYMER SAMPLES

M.A. Petrov, I.S.A. El-Deeb, A.D. Smirnov, N.V. Kosatchyov

The existing 3D-printing technologies belonging to extrusion methods are improving continuously. The possible manufacturing of the prototypes and parts with the controlling weight due to implementing the cellular structures follows to the quality assessment of the mechanical properties. The paper investigates the specific energy absorption calculated on the results of the uniaxial tensile and compression tests.

Key words: 3D-printing, uniaxial tensile test, uniaxial compression test, specific energy absorption, cellular structures.

Petrov Mikhail Alexandrowitch, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University

El-Deeb Ibrahim Saad Ahmed, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University

Smirnov Alexey Denisowitch, engineering technologist, [email protected], Russia, Moscow, OOO «Mezhdunarodnye Stroitelnye Sistemy»

Kosatchyov Nikolay Wiktorowitch, design engineer, [email protected], Russia, Moscow, TC «Salyut», JSC « UEC»

УДК 621.771

ОЦЕНКА СИЛОВЫХ РЕЖИМОВ БОКОВОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ

А.А. Пасынков, О.М. Герасимова, С.Н. Михальченко

Метод бокового прессования находит широкое использование при производстве биметаллических изделий. В статье представлены результаты исследований по установлению влияния технологических параметров на силовые характеристики и предельные возможности формоизменения. Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологических процессов бокового выдавливания для выбора рациональных технологических режимов и параметров инструмента.

Ключевые слова: выдавливание, сила, обработка давлением, боковое истечение.

Боковое выдавливание имеет место в процессах закрытой штамповки в разъемных матрицах и является одним из высокоэффективных способов получения поковок, в котором формоизменение осуществляется за один переход при отсутствии облоя, при этом обеспечиваются повышение коэффициента использования металла и снижение трудоемкости. Характер изменения силовых параметров процесса бокового выдавливания и оценка предельных возможностей формоизменения могут быть определены на основе использования разрывных полей скоростей [1]. Схема жестких блоков с разрывом скоростей на границах и годограф скоростей показан на рис. 1.

Основные геометрические соотношения для разрывного поля, предоставленного на рис. 1, а:

x d x , . ~ d

sina =— , cosa = —, tga = — , sinp= — ,

l02 l02 d l23

О D - x . a d . cos b =-, tgp =

l23 D-x

l12 = D , l23 =7d 2 +(D - x)2 , l02 = Vx2 + d2

Рис. 1. Разрывное поле (а) и годограф скоростей (б)

Используя основные геометрические соотношения, определим скорости из годографа скоростей (рис. 1, б):

Уи — (а),

где tg(a) = х.

а

Откуда

У — У х ■ у — У1 Ум — У ~ ; Ут —-

12 - ' '02

а соя а

где соя а — -

02

Откуда

у — У1102 у02 —

Уз

V

02

а ' 81п(180-((90-а)+Ь)) мп(3) :

где ят(180 - ((90-а) + 3)) — соя(а-3) — сояасояЬ + я1па$1пЬ ^--—; ——.

123102 12

'23

где у02 —

Откуда

У^02 а '

Откуда

123102У3 _ 123У02

а—

У3 —:

—У0

02

'02

У3 —

У3

У

23

а ' 81П(1 80-((90-а) + 3)) ЯП(90-а)'

где ягп(180-((90-а) + 3)) — соя(а-З) — сояасоя3 + ятаятЗ — а— ; ят(90-а) — сояа — — .

' ' 102

Откуда

123102

123102У3 _ 102У23 ■ т/ — 123У3 _ 123У1 у23 — "

а—

а

в

а

—у,

Так как У3 — ——1, то выполняется условие несжимаемости.

Используя годограф скоростей (рис. 1, б) определим нормальные составляющие скоростей:

Уп12 — У1; У„23 — У3 — У1 ■ — а — У1 ■ , — „ .

а 123 2 + (— - х)2

Величины сдвиговых деформаций определим, используя формулу [1]:

7 — У]

т]

где У] ] - разрывная скорость; Уп]]- - нормальная составляющая скорости. Определим величины сдвиговых деформаций:

У12]— х ■ 7 — [У23]—(в-х)2 + а2

712 ——-Уп12 а

723 —

У

Определим интенсивность деформаций:

п23

х

а—

(— - х)2 + а2

Г — Е7,] — 712 + 723 —Т + Определим интенсивность напряжений:

Г — _1_ л/3 — л/3

(

а а—

2 , Л ^

х (— - х) + а

а а—

а

а

Мощность деформаций на поверхностях разрыва определим, используя формулу [1]:

N ,, = к • /,, ■ V,,; N12 = к • /12 ■ уп = 4

^02 = к • 102 • -02 = к

4

X2 +а2 =к

а

у1(х2 + а2);

а а

N03 =т к • /оэ -03 =

а2 + (о-х)2. А. = . . т. к• ур(р-х)

N23 = к • 123 • -23 = к-1

а а

где т - коэффициент трения.

Мощность внешних сил [1]:

wm = • 2к-\ = • 2кУ1.

вн 2к п 1 2к 1

Для определения силовых характеристик процесса используем баланс мощностей:

^ = X N .у;

РО • 2к- = кБУЛ + к-2к 1 1 а

-1(х2 + а2)+к- а2 + (о-х)2 + т к•у1Р(Р-х)

а

а

Р = (о2 + 2х2 + 2а2 + тО2 - тОх 2к 2ВаК '

(2)

Для определения силовых параметров процесса необходимо найти частную производную по параметру х для выражения приведенного выше.

'Эр = 4х - Б-тО. Эх

Произведя дифференцирование выражения для определения силы выдавливания (2), определим параметр пластической области:

= тО х =

После подстановки параметра х в выражения для определения интенсивности деформаций и удельной силы выдавливания получим:

Г =

т2Б2 + 16а2 - 4 то2 + 16О2 1бао

Р = —(3«2 о2 + 1ба 2 + 8О2 + 8иО 2).

2к швК '

(3)

(4)

Результаты расчета представлены на рис. 2. Полученная зависимость (рис. 2) свидетельствует,

что с уменьшением отношения а удельная сила выдавливания увеличивается. Возрастание удельной

О

силы выдавливания особенно заметно с увеличением коэффициента трения.

2,4

2,3;

2.2:

Р. 2,Ц гк

2; 1,9:

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,3

<1_ __

О

Рис. 2. Зависимость удельной силы выдавливания

р а

— от отношения — : 1 - и = 0,3 ; 2 - и = 0,5

2к О

Рис. 3. Зависимость силы выдавливания —

2к

от отношения — и величины трения т

Характер изменения накопленной интенсивности деформаций на линиях разрыва скоростей в рассмотренном диапазоне степеней деформации представлен на рис. 4. Отмечается значительное возрастание Г с увеличением степени деформации. Зависимость интенсивности деформаций Г от трения выражена слабее.

2

2

а

Рис. 4. Зависимость интенсивности деформаций Г от отношения —: 1 - т = 0,3; 2 - т = 0,5

Поврежденность металла Ю может быть определена [2]:

Ах Ю = 1

0

аА

а-1

Аа

——А =

а Аа

р ^р

где Ар - степень деформации сдвига в момент макроразрушения; А - степень деформации сдвига,

накопленная материальной частицей в процессе деформации; а - показатель пластического разрыхления. Степень деформации в момент макроразрушения может быть аппроксимирована [2]:

Ар = \С2 - (С1 — С2)м—еХР

(^2 —(11 —12 )м—)—

где Сх, 1 и с2,12 - коэффициенты, соответствующие опытам при т— = —11 и = 0.

Для определения параметра а , характеризующего модель пластического разрыхления материала при различном напряженном состоянии, предлагается зависимость [2]:

а = а0 ехр| 1 + 0,238—

где а0 - показатель пластического разрыхления при —= 0.

Приближенная оценка предельных возможностей формоизменения и величины прогнозируемой поврежденности материала была получена для стали 10 и алюминиевого сплава АМЦ.

На основании проведенных расчетов построены графики зависимости величины поврежденности ю от отношения при разных показателях напряженного состояния (рис. 5). Анализ приведенной

зависимости (рис. 5) показал, что с увеличением отношения величина поврежденности уменьшается.

Предельные возможности формоизменения в значительной степени зависят от материала штампуемых изделий, так в данном случае у стали 10 показатель поврежденности несколько выше, чем у АМЦ. Было установлено, что значительное влияние на предельные возможности формоизменения оказывает так же

показатель напряженного состояния —, с увеличением которого возрастает величина поврежденности

ю

Рис. 5. Зависимость поврежденности ю

от величины — :1 - сталь 10;

В

2 - АМЦ; — — = 0; --- — = -1 Т Т

Рис. 6. Зависимость поврежденности Ю

—

от величины — для стали 10

В

d s

Рис. 7. Зависимость поврежденности W от величины — и показателя —

D T

В результате проведенного теоретического исследования бокового выдавливания было установлено влияние технологических параметров на силовые характеристики и предельные возможности формоизменения. Анализ полученных результатов свидетельствует, что на силовые параметры процесса наибольшее влияние оказывает степень деформации, трение по внешней поверхности имеет несколько меньшее значение. Наиболее заметное влияние на величину поврежденности при боковом выдавливании оказывает степень деформации и показатель напряженного состояния. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при разработке технологических процессов бокового выдавливания для выбора рациональных технологических режимов и параметров инструмента, обеспечивающих использование допустимых пределов интенсификации процесса и получение изделий с заданными характеристиками качества при минимальных величинах поврежденностей.

Список литературы

1. Алюшин Ю.А. Теория обработки металлов давлением. Метод верхней оценки и его применение при решении задач обработки металлов давлением / Ю.А. Алюшин. - Ростов-на-Дону, 1977. 85 с.

2. Богатов А.А. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением / А.А. Богатов, О.И. Мижирицкий, С.В. Смирнов. М.: Металлургия, 1984. 144с.

Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Герасимова Ольга Михайловна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Михальченко Сергей Николаевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

ASSESSMENT OF POWER SIDE EXTRACTION MODES

A.A. Pasynkov, O.M. Gerasimova

The lateral pressing method is widely used in the production of bi-metal products. The article presents the results of studies to establish the influence of technological parameters on the power characteristics and the ultimate possibilities of shaping. The research results can be used in the development of technological processes of lateral extrusion for the selection of rational technological modes and tool parameters.

Key words: extrusion, force, pressure treatment, lateral outflow.

Pasynkov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Gerasimova Olga Mikhailovna, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Mikhalchenko Sergey Nikolaevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University