CC BY
44
УДК 539.374; 621.983
ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ МНОГООПЕРАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЫТЯЖЕК ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ КОРПУСНЫХ
ИЗДЕЛИЙ
В.Ю. Травин
Изложены подходы к проектированию многооперационной технологии вытяжек с промежуточными термическими операциями корпусных изделий с высокими эксплуатационн ыми характеристиками.
Ключевые слова: вытяжка, вытяжка с утонением, повреждённость, напряжение, деформация, операция, степень деформации, наследственность.
К современным конструкциям корпусных изделий с высокими эксплуатационными характеристиками типа артиллерийских гильз и баллонов высокого давления предъявляются жёсткие требования как по заданным механическим характеристикам, так и по физико-структурным свойствам, в первую очередь, по степени повреждённости микродефектами обрабатываемого материала [1, 2]. Подобный подход связан с условиями эксплуатации данных изделий. Артиллерийские гильзы испытывают большие импульсные нагрузки, ударные воздействия, высокие давления и скорости деформации, тепловые удары. В материале же корпусов баллонов высокого давления, работающих в условиях длительного приложения статической нагрузки и испытывающих повышенные давления при перегрузочных испытаниях, происходит постоянно протекающий во времени процесс тре-щинообразования, идущий при любых действующих напряжениях со скоростью, растущей экспоненциально сильно с напряжением [3].
Технологические процессы изготовления вышеуказанных изделий базируются на вытяжных операциях. Проведённый анализ для прогнозирования повреждённости обрабатываемых материалов приводит к следующим выводам [4]. Развитие микротрещин и микропор происходит под преобладающим действием меридиональных растягивающих напряжений, создающих жёсткую схему напряжённого состояния. Под действием растягивающих меридиональных напряжений происходит наиболее интенсивное развитие ("раскрытие") микротрещин в окружном направлении обрабатываемого полуфабриката. Образование ориентированных в окружном направлении микротрещин создаёт предпосылки для возможного нарушения поперечной прочности изделий при их функционировании. Кроме того, промежуточный рекристаллизационный отжиг не восстанавливает полностью пластические свойства сталей, так как экранирование
образовавшихся оксидных плёнок на поверхности микротрещин препятствует восстановлению разорванных межатомных связей. Поэтому очень важным вопросом при проектировании технологии изготовления артиллерийских гильз и баллонов высокого давления является определение таких операционных степеней деформации на вытяжных операциях, которые, с одной стороны, позволяют создать довольно интенсивную технологию, а с другой - исключить возможность образования в структуре материала крупных дефектов. Для решения этой задачи проведено исследование кинетики повреждаемости деформируемого материала по операциям технологического процесса с последующей оптимизацией значений операционных степеней деформаций.
Определяющая роль пластической деформации в накоплении дефектов и связанным с ним последующим разрушением металла показана экспериментальными исследованиями многих специалистов (Новожиловым В.В., Екобори Т., Финкелем Н.М., Броеком Д., Владимировым В.И., Качановым Л.М., Ноттом Дж.Ф.). В обработке давлением получило распространение представление о повреждённости как о скалярной величине
ш = , (1)
£ц
11кр
связанной с пластическим разрыхлением деформируемого металла [1]. Величина пластического разрыхления оценивается остаточным увеличением объёма, который определяется свёрткой тензора пластической деформации . С моментом образования макротрещины связывается момент
достижения критической величины пластического разрыхления .
Экспериментальное подтверждение существования связи между относительным изменением объёма металла и накапливаемой деформацией (полученное учёными Колмогоровым В.Л., Богатовым А.А., Мижирицким О.И., Смирновым С.В., Тутышкиным Н.Д.) позволяет составить кинетическое уравнение для повреждённости. В технологических расчётах связь между относительным изменением объёма и накапливаемой деформацией для широкого класса конструкционных металлических материалов описывается степенной зависимостью
еп = ЬЛа, е% = ЬАапр, (2)
где а и Ь - параметры, определяемые по опорным точкам экспериментальной кривой. Критическая величина пластического разрыхления £цкр
соответствует предельной степени деформации сдвига Лпр, соответствующей моменту разрушения. Лпр определяется опытным путём или по установленным математическим моделям в зависимости от показателя на-
пряжённого состояния о . Следует отметить, что значение лпр зависит от
применяемого материала, количества вытяжных матриц на операции, наличии между вытяжками операции отжига рекристаллизационного смягчающего.
Кинетическое уравнение для повреждённости в соответствии со степенной функцией пластического разрыхления (2) имеет вид [1]
а—1
=до аЛ— н, (3)
ж Ей Ла
пкр 1хпр
где н- интенсивность скоростей деформации сдвига; е^ - скорость относительного изменения объёма деформируемого материала; Б(/) - коэффициент немонотонности деформации; t - время.
Прогнозируемая повреждённость материала полуфабрикатов после "/'-й вытяжной операции определяется уравнением
« = «ост—1 + а«, (4)
где а« - приращение повреждённости на 1-й операции; «ост.—1 - остаточная повреждённость после промежуточной термической операции; 1 = 1, 2, ..., п.
Установлено, что существует величина рассеянной повреждённости деформируемого материала, превышение которой приводит к тому, что последующий отжиг не полностью восстанавливает пластические свойства металла. Согласно опытным данным после вытяжки с утонением эта величина составляет = 0,2 ... 0,3. Следовательно, допустимая операционная степень деформации даже при использовании промежуточных отжигов должна уменьшаться от операции к операции. Для оценки накопления остаточной повреждённости после термических операций можно принять экспоненциальный закон [5]
«ост1 =«*(1 — 1), (5)
где е - основание натуральных логарифмов.
Зависимость (4) позволяет установить допустимые операционные степени деформации [лу ]. Интегрируя кинетическое уравнение для повреждённости (3), приходим к зависимости приращения повреждённости от степени деформации
а« = ёЛ@ БЛ-. (6)
1 Ла Ла
0 1 пр 1 пр
Преобразуя, получаем зависимость
Л1 = л пр (а« / Б)1/ а (7)
для определения степени деформации сдвига. Принимая во внимание уравнение (4) и учитывая, что допустимая деформация л, = [л, ] должна соответствовать допустимой повреждённости материала = [ю], приходим к выражению для определения допустимой операционной степени деформации
[ю] - ю,
[л у ] = л
пр
л1/а
от
В
(8)
где для изделий ответственного назначения [ю] = 0,6 _ 0,7 .
Количество вытяжных операций п устанавливается из неравенства
п
£ [л, ]-ле> 0 (9)
1=1
при наименьшей разности в левой его части, где Лх — итоговая степень деформации сдвига, испытываемая материалом полуфабриката (заготовки) в наиболее напряжённом (опасном) сечении.
Возможны три подхода к определению операционных степеней деформаций.
Первый подход требует изготовления изделий с максимально допустимыми с точки зрения технологии механическими характеристиками материала (в заданных сечениях). В этом случае целесообразно проводить две заключительные вытяжки с утонением без промежуточного отжига с допустимыми степенями деформации лп-1 = [лп_1] и л п = [л п ] соответственно. Распределение оставшихся операционных степеней деформаций производится следующим образом:
п
лх- £ л,
лу = [л, ] п21=п_1 . (10)
£[л, ]
1=1
Вполне может оказаться, что возможные с технологической точки зрения механические характеристики материала не будут обеспечивать надёжное функционирование элементов изделий, что подтверждается результатами испытаний их действия. Однако и в этом случае представляются целесообразными прогнозирование механических характеристик изделий и обоснование последующей их термообработки (закалки) с целью достижения необходимых механических характеристик.
Второй подход требует изготовления изделий с заданными механическими характеристиками. В наиболее общем случае механические характеристики могут задаваться ограниченным с двух сторон интервалом значений временного сопротивления свт1п £ ав £ свтах В соответствии с
диаграммами деформационного упрочнения ов (Л,) или о5 (л,) для обрабатываемого материала можно предельным значениям временного сопротивления ав . и ав поставить в соответствие значения степени де-
°шт вшах
формации л, = /Inin и л, = /тах. Это означает, что степень деформации в расчётном сечении на заключительной операции вытяжки после рекри-сталлизационного отжига должна быть в пределах
/шп £ля £ /пах <[ля]. (11)
Здесь возможны три варианта. Если неравенство (11) соблюдается, то оставшиеся операционные степени деформации распределяются аналогично зависимости (10):
л, = [лу]л^. (12)
¿[л, ]
1=1
При несоблюдении неравенства (11) не представляется возможным за счёт деформационного упрочнения на заключительной операции вытяжки с утонением обеспечить заданные механические характеристики материала полуфабриката. В этом случае следует использовать термообработку для получения заданных механических характеристик изделий или провести две заключительные вытяжки с утонением без промежуточного отжига с суммарной степенью деформации на предпоследней и заключительной вытяжках, удовлетворяющей условию
/шп <лп-1 + Лп < /пах <[Лп-1] + [лп]. (13)
Если неравенство (13) соблюдается, то оставшиеся операционные степени деформации распределяются по зависимости (10).
Следует иметь в виду, что в общем случае и при втором подходе технология не может гарантировать обеспечения заданных механических характеристик материала только за счёт его деформационного упрочнения на формоизменяющих операциях. В случае несоблюдения неравенства (13), как и при первом подходе, также представляются целесообразными прогнозирование механических характеристик изделий и обоснование последующей их термообработки (закалки) с целью достижения необходимых механических характеристик.
Третий подход требует изготовления изделий заданных формы и точности и не накладывает технических условий на механические характеристики их материала. Распределение операционных степеней деформаций производится в этом случае следующим образом:
л, = [л, . (14)
i [л, ]
1=1
Кроме рассмотренных соотношений, на операционные степени деформации в расчётных сечениях, особенно в придонном участке, должны быть наложены ограничения, связанные с допустимой минимальной конусностью участков рабочей поверхности вытяжных пуансонов и условием последовательной вписываемости рабочих контуров пуансонов.
Следует иметь в виду, что изложенный подход к рассмотрению интенсивной технологии вытяжек предусматривает возможность построения менее интенсивных процессов в силу ряда технологических, конструкторских, эксплуатационных и других требований.
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. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2002. 329 с.
2. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 836 с.
3. Петров В.А. О перегрузочных испытаниях // Дефектоскопия. 1997. № 3. С. 92 - 98.
4. Травин В.Ю. Повреждённость деформируемого материала на операциях вытяжки с утонением стенки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 7. С. 15 - 20.
5. Тутышкин Н.Д., Зимин Е.Е., Токарева О.В. Автоматизированное проектирование вытяжки осесимметричных корпусных изделий // Кузнеч-но-штамповочное производство. 1992. № 6. С. 16 - 19.
Травин Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»
APPROACHES TO DESIGN TECHNOLOGYMULTICENTERS EXTRACTS AXISYMMETRIC CASE PRODUCTS
V.Y. Travin
The approaches to the design of multistage technology extracts thermal operations with intermediate case products with high performance.
Key words: hood, hood with thinning, damaged, stress, strain, the operation, the degree of deformation, heredity.
Travin Vadim Yurievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, NPO «SPLA V»
