CC BY
50
УДК 539.374; 621.983
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), В.И. Трегубов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf [email protected] (Россия, Тула, ГНПП «Сплав»), К.С. Ремнев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРЕДЕЛЬНЫЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА
Приведены результаты теоретических исследований предельных возможностей операции ротационной вытяжки осесимметричных деталей из анизотропного материала.
Ключевые слова: анизотропия, ротационная вытяжка, оправка, ролик, трубная заготовка, шага подачи, степень деформации, разрушение, повреждаемость..
При изготовлении тонкостенных цилиндрических деталей в настоящее время нашли широкое применение методы обработки давлением с созданием локального очага деформации. Одним из таких методов является ротационная вытяжка (РВ). Теоретическое изучение процесса РВ с утонением осложняется наличием локальной деформации и объемным характером напряженно-деформированного состояния материала в пластической области. Надежность и эффективность технологических процессов ротационной вытяжки обеспечиваются правильным выбором технологических параметров [1-3].
В работе [4] изложена математическая модель формоизменения трубной заготовки при ротационной вытяжке на специализированном оборудовании тонкостенных цилиндрических деталей с утонением стенки коническими роликами с учетом локального очага деформации и фактической подачи Sф металла в очаг деформации (рис. 1). В отличие от
известных подходов к анализу кинематики течения материала в очаге пластической деформации принято, что процесс реализуется в условиях квазиплоской деформации, т.е. рассматривается течение материала в плоскости, перпендикулярной оси z, и учитываются соответствующие величины касательных напряжений. Рассмотрен вопрос о распределении скоростей течения материала в очаге деформации при установившемся деформировании. Предложены выражения для оценки радиальной, тангенциальной и осевой составляющих скоростей течения материала в локальном очаге пластической деформации. В дальнейшем вычисляются компоненты скоростей деформаций по известным скоростям течения материала в цилиндрической системе координат.
Используя уравнение равновесия в цилиндрической системе координат и уравнение пластического течения, устанавливающие связи между напряжениями и скоростями деформаций, после подстановки последних в уравнения равновесия получена система уравнений для определения среднего напряжения. Записав уравнения равновесия в виде конечных разностей и разрешив каждое из них относительно среднего напряжения, получим выражения для определения величины среднего напряжения а.
На границе входа материала в очаг пластической деформации величина осевого напряжения равна нулю, т.е. а z = 0.
Это условие позволяет определить распределение величин среднего напряжения а на входе материала в очаг пластической деформации, радиальных аг , тангенциальных , осевых а2 и касательных т, TQz, тнапряжений, если предварительно вычислены компоненты скоростей деформации, их интенсивность, средняя величина накопленной интенсивности деформации в очаге пластической деформации и средняя величина интенсивности напряжения а^ в очаге деформации по кривой упрочнения материала.
Информация о среднем напряжении и скоростях деформации позволяет рассчитать напряженное состояние в каждой точке очага деформации. Все перечисленные выше характеристики напряженного и деформированного состояния вычислялись численно с использованием метода конечных разностей.
Уравнение линии тока для материальной точки в локальном очаге пластической деформации при ротационной вытяжке коническим роликом запишется следующем образом:
& г dq dz
v" v" v ■
Накопленная интенсивность деформации рассматриваемой точки на выходе из локального очага пластической деформации определяется по выражению
О
Рис. 1. Схема очага деформации при ротационной вытяжке по прямому способу
1
где — время обработки материальной точки в очаге деформации на
/-м обороте шпинделя; N 2 — количество оборотов шпинделя, необходимое для прохождения материальной точки от входа в локальный очаг пластической деформации до его выхода.
Время обработки материальной точки в очаге деформации на / -м обороте шпинделя вычисляется по формуле
А t
об i
VRcp
где = /¿о' ^ ~~ рабочая подача; У^с/) — средняя величина скорости вдавливания ролика в заготовку; Ущ — скорости вдавливания ролика в заготовку в /-м сечении; Улср =— ¡У/¿,¿/6 •
0е 0
Приведенные в работе [4] выражения для определения напряженного и деформированного состояний в очаге пластической деформации позволили оценить величину накопленной повреждаемости сое и предельные возможности формоизменения процесса ротационной вытяжки с утонением стенки коническими роликами.
Величина повреждаемости материала сое при пластическом деформировании по деформационной модели разрушения определяется по формуле
е' dzj
со
е
(1)
0
где б/о, — величина приращения интенсивности деформации на / -м обороте шпинделя; 8гпр = 8гпр (а/аг) — предельная интенсивность деформации;
а — среднее напряжение.
Величина предельной интенсивности деформации 8¡Пр находится
по выражению
zinP =^ехр
с \ U^
V а/у
(öq + а\ cosa + ö2 cosß + а3 cosy),
где Q, U — константы деформируемого материала, определяемые в зависимости от рода материала, согласно работам B.JI. Колмогорова и A.A. Бо-гатова [5, 6]; a, ß, у — углы между первой главной осью напряжений и
главными осями анизотропии х, у и z; üq , ü\ , а^ и a^ — константы материала, зависящие от анизотропии механических свойств материала заго-
товки и определяемые из опытов на растяжение образцов в условиях плоского напряженного состояния.
В зависимости от условий эксплуатации или последующей обработки изготовляемого изделия уровень повреждаемости не должен превышать величины х, т.е.
ю, < х. (2)
До деформации (при t = tg) юе = 0, а в момент разрушения (t = tp)
юе =х = 1. При назначении величины степени деформации учитывались рекомендации по степени использования запаса пластичности В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова [5, 6]: х= 0,25 - для ответственных деталей, работающих и подвергающихся после обработки давлением термической обработке (отжигу или закалке); х= 0,65 - для неответственных деталей.
Расчеты выполнены для трубной заготовки из стали 12Х3ГНМФБА с наружным радиусом трубной заготовки Re =64,15 мм, толщиной стенки трубы tg =6,05 мм; диаметром ролика Dp =280 мм; частотой вращения
шпинделя n =75 мин-1. Механические характеристики стали 12Х3ГНМФБА приведены в работе [7]. Технологические параметры и геометрия ролика ротационной вытяжки изменялись в следующих диапазонах: степень деформации в =0,1...0,6; угол конусности ролика
ар = 10...30°; коэффициент трения на оправке цо =0,05...0,2.
На рис. 2 и 3 приведены графические зависимости изменения накопленной повреждаемости юе в материале готовой детали от рабочей подачи S и углах конусности ролика а p.
Рис. 2. Графические зависимости изменения юе от S: кривая 1 - при г = гв; кривая 2 - при г = г0 (в = 0,4; а = 10°; z = 0)
03 - 0,2
<*>« ОД 0,0
10 15 20 градус 30
ар--
Рис. 3. Графические зависимости изменения сое от ар: кривая 1 - при г -ге; кривая 2 - при г = гр (г = 0,4; 5 = 1 мм/об; 1 = 0)
Анализ результатов расчетов и графических зависимостей показывает, что с уменьшением угла конусности ролика ар, рабочей подачи £ и
увеличением степени деформации в величина накопленных микроповреждений юе возрастает. Максимальная величина накопленных микроповреждений соответствует точкам, принадлежащим наружной поверхности изготовляемой детали.
Предельные возможности процесса ротационной вытяжки с утонением стенки оценивались допустимой величиной степени использования ресурса пластичности по выражению (2), максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из локального очага пластической деформации
а, <2те-Л/Г^се7? (3)
а также критерию шейкообразования тонкостенной трубной заготовки, полученному на основе критерия положительности добавочных нагрузок: ЛР = 0; <1М = 0 [7].
Предельные степени деформации глр исследовались в зависимости
от угла конусности ролика ар, рабочей подачи 5 и геометрических размеров трубной заготовки путем численных расчетов на ЭВМ.
Графические зависимости изменения предельной степени деформации гпр, вычисленной по допустимой величиной степени использования
ресурса пластичности (при Х = 1)> максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из локального очага пластической деформации, а также критерию шейкообразования тонкостенной трубной заготовки при ротационной вытяжке трубных заготовок из сталей 12ХЗГНМФБА и 10 от угла конусности ролика ар и рабочей подачи £ приведены на
1 Л
\
\
рис. 4 - 5 соответственно, где введены следующие условные обозначения: кривая 1 - соответствует результатам расчетов предельной степени деформации е^, вычисленной по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага деформации; кривая 2 — по критерию шейко-образования тонкостенной трубной заготовки; кривая 3 — по допустимой величиной степени использования ресурса пластичности (при % = 1).
Jnp
1,00 0,7? 0,50 0 25 0,00
____
\з
1 ч 1
10 15 20 градус 30 ар--
Рис. 4. Графические зависимости изменения sпр от a p для стали 12Х3ГНМФБА (S = 1 мм/об)
1,00 0,75 0,50 0,25
0,00
1 3
2
0,50 0,75 1,00 мм/об 1,50 S--
Рис. 5. Графические зависимости изменения sпр от S для стали 12Х3ГНМФБА (ap=10°)
Анализ графических зависимостей и результатов расчетов показывает, что с увеличением угла конусности ролика ap от 10 до 30 ° предельная степень деформации snp, вычисленная по максимальной величине
осевого напряжения на выходе из локального очага пластической деформации, увеличивается в 2 раза, а увеличение рабочей подачи S от 0,5 до
1,5 мм/об приводит к уменьшению предельной степени деформации е Пр от 0,80 до 0,35.
Установлено, что основное влияние на изменение предельной степени деформации еПр, вычисленной по критерию шейкообразования тонкостенной трубной заготовки, оказывает влияние угол конусности ролика аp. Увеличение угла конусности ролика аp сопровождается ростом предельной степени деформации еПр. Величина рабочей подачи £ не оказывает существенного влияния на изменение предельной степени деформации еПр, вычисленной по критерию шейкообразования тонкостенной
трубной заготовки.
Анализ результатов расчетов и графических зависимостей, приведенных на рис. 4 и 5, показывает, что предельные степени деформации е пр
при ротационной вытяжке могут ограничиваться максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из локального очага пластической деформации, критерием шейкообразования тонкостенной трубной заготовки и допустимой величиной степени использования ресурса пластичности. Этот факт зависит от механических свойств материала цилиндрической заготовки и технологических параметров процесса ротационной вытяжки с утонением.
Установлено, что предельные возможности процесса ротационной вытяжки епр трубных заготовок из стали 12Х3ГНМФБА ограничиваются
критериями шейкообразования (рис. 2 и рис. 3), а из стали 10, — как допустимой величиной степени использования ресурса пластичности (£ < 0,8 мм/об), так и как максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации (£ > 0,8 мм/об) при ар = 10°.
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. Баркая В.Ф., Рокотян С.Е., Рузанов Ф.И. Формоизменение листового материала. М.: Металлургия. 1976. 294 с.
2. Гредитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение. 1971. 239 с.
3. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение. 1983. 190 с.
4. Яковлев С.С., Трегубов В.И., Ремнев К.С. Ротационная вытяжка с утонением стенки трубных заготовок из анизотропного материала // Куз-нечно-штамповочное производство. 2011. №11. С. 10-17.
5. Богатов А. А., Мижирицкий О.И., Смирнов В. Ресурс пластично-
84
сти металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
6. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ -УПИ, 2001. 836 с.
7. Яковлев С.С., Трегубов В.И., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка с утонением стенки осесимметричных деталей из анизотропных трубных заготовок на специализированном оборудовании / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 265 с.
S.S. Yakovlev, V.I. Tregubov, K.S. Remnev
LIMITING EXTENTS OF DEFORMATION AT THE ROTATIONAL EXTRACT WITH UTONENY OF THE WALL OF THE ANISOTROPIC MATERIAL
Results of theoretical researches of limiting possibilities of operation of a rotational extract of axisymmetric details from an anisotropic material are given.
Key words: anisotropy, rotational extract, mandrel, roller, trumpet preparation, giving step, extent of deformation, destruction, damageability.
Получено 18.04.12
УДК 621.777.21
Ву Хай Ха, асп., +7-963-695-73-26, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ МИКРОСТРУКТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
Процесс выдавливание должен обеспечить изготовление изделий с минимальными припусками и допусками, получение наименьшего дефектного слоя на поверхности поковки и наименьшие отходы металла, высокую производительность и минимальный износ штампов, требуемую макро и микроструктуру, и комплекс высоких механических свойств.
Ключевые слова: Deform 3D, моделирование, процесс обратного выдавливания, микроструктура, рост зерна, рекристаллизация.
Качество изделий определяется целым набором параметров, многие из которых могут быть предсказаны, проверены и улучшены с помощью моделирования. Конечно-элементные алгоритмы, реализованные в программах моделирования процессов штамповки, позволяют точно предсказывать заполнение полости штампа и формирование возможных дефектов течения металла, а также оценивать микроструктуру в окончательной поковке.
