CC BY
34
SEARCH OF OPTIMUM MODES OF COLD STAMPING OF WA VE GUIDES OF SQUARE SECTION FROM THE ALUMINIUM ALLOY
V.D. Kuchar, A.N. Pasko, P.U. Begov
Numerical studies of the process of reverse extrusion parts "waveguide". Achieved planning a three-factor experiment. The dependences of the influence of friction , speed and shape of the tool working tool to force the process. For the simulation of mechanical process parameters used software package QFrom 2D/3D. The study identified and deformability blank area of a possible failure in the treatment process.
Key words: waveguide reverse extrusion, finite element method, the plastic flow of metal , QForm, factorial experiment , contact friction , the shape of the tool , the speed of the punch.
Kuchar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, prorector, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasko Aleksey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Begov Pavel Yurievich, postgraduete, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КУПОЛООБРАЗНЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ ВЯЗКОГО ТЕЧЕНИЯ
С.Н. Ларин, С.С. Яковлев, В.И. Платонов
Изложены основные соотношения и уравнения, необходимые для теоретического анализа процессов медленного горячего деформирования анизотропного материала. Выявлены закономерности влияния анизотропии механических свойств, геометрических размеров заготовки и детали, закона её нагружения на предельные возможности деформирования, связанных с накоплением повреждаемости, при изотер -мическом деформировании круглой анизотропной мембраны.
Ключевые слова: анизотропия, куполообразные оболочки, высокопрочные материалы, изотермическое деформирование, вязкость, повреждаемость, разрушение.
Рассмотрено деформирование анизотропного материала в условиях вязкого течения материала [1, 2]. Упругими составляющими деформации пренебрегаем. Уравнения состояния с учетом повреждаемости, описывающие поведение материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, записываются в виде
43
с _ ¡ке/ОщУ, <ас °ехе
,/" ' А Ас
а применительно к группе материалов, подчиняющихся кинетическим уравнениям ползучести и повреждаемости, - так:
г \п
хс _ / О ^ , хс
V°е0 ) (1 -®С) еепр
Здесь В, п, т - константы материала, зависящие от температуры испытаний; Xе и ое - величины эквивалентной скорости деформации и напряжения при вязком течении материала [2]; А^, £еепр - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная деформация при вязком течении материала; ысе и с А - повреждаемость материала при ползучей деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно.
Заметим, что в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования поведение материала может описываться уравнениями состояния (1) или (2) соответственно.
Компоненты скоростей деформации X у определяются в соответствии с ассоциированным законом течения
Э/
Ху , (3)
у эоу
где X - коэффициент пропорциональности; /(о у)- потенциал скоростей
деформации анизотропного тела при кратковременной ползучести; о у - компоненты тензора напряжений.
Предельные возможности формоизменения в процессах обработки металлов давлением, протекающих при различных температурно-скоростных режимах деформирования, часто оцениваются на базе феноменологических моделей разрушения.
В зависимости от условий эксплуатации или последующей обработки изготавливаемого изделия уровень повреждаемости не должен превышать 1, т.е. ю< 1.
В случае справедливости деформационного критерия деформируемости выражения для определения предельной эквивалентной деформации есепр при ползучем течении материала можно записать в следующем виде:
Xе _ ^ ч . « (1)
Хе ( г\т ; А Ае , (1)
(1 -«С) Апр
1 .е хе —; сое . (2)
т ' е с к }
£Cenp = D(bo + bicos a + &2Cosp + b^cos g), (4)
где D, b^, b[, ¿2, Ьз " экспериментальные константы материала; a, b, g - углы ориентации первой главной оси напряжений а1 относительно главных осей анизотропии x, y и 2 соответственно.
При рассмотрении критерия разрушения в энергетической постановке предельная величина удельной работы разрушения при ползучем течении материала может быть вычислена по аналогичным формулам с заменой буквенных коэффициентов D, b>i на соответствующие им коэффициенты D'и b•, а eeenpна Агр.
Для оценки предельных возможностей изготовления куполообразных деталей выполнены теоретические исследования процесса изотермического деформирования круглой листовой заготовки радиусом R0 и толщиной ho свободным выпучиванием в режиме вязкого течения материала
под действием избыточного давления газа p = po + aptnpв сферическую матрицу (рис. 1). Здесь po, ap,np - константы нагружения.
Рис. 1. Схема к расчету деформированного состояния срединной поверхности заготовки в меридиональной плоскости
По внешнему контуру заготовка закреплена. Материал заготовки принимается трансверсально-изотропным с коэффициентом анизотропии Я [3]; напряженное состояние оболочки - плоским, т.е. напряжение, перпендикулярное плоскости листа, равно нулю (о2 = 0). Рассматривается деформирование в меридиональной плоскости оболочки, как мембраны. В силу симметрии механических свойств материала относительно оси заготовки и характера действия внешних сил меридиональные, окружные и нормальные к срединной поверхности заготовки напряжения и скорости деформаций являются главными. Срединная поверхность заготовки на каждом этапе деформирования остается частью сферической поверхности. В любом меридиональном сечении оболочки реализуется радиальное тече-
45
ние материала по отношению к новому центру на каждом этапе деформи-рования.Подробный анализ напряженного и деформированного состояния заготовки при изотермическом формоизменении изложен в работе [2].
Оценено влияние параметров закона нагружения ар, Пр, эквивалентной скорости деформации , анизотропии механических свойств и
геометрических размеров заготовки на предельные возможности формоизменения, связанные с разрушением заготовки при достижении уровня накопленных микроповреждений юе = 1 (или ю а = 1).
Расчеты выполнены для титанового сплава ВТ6С при температуре Т = 860 0 С, поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости, и для титанового сплава ВТ 14 при температуре Т = 950 0 С, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости. Механические характеристики этих материалов при формоизменении в условиях вязкого течения материала приведены в работе [2].
Анализ результатов расчетов показывает, что разрушение заготовки при изотермическом деформировании происходит в куполе детали, где имеет место максимальное утонение заготовки.
Зависимости изменения времени разрушения , относительной высоты Н* = Н* / £0 и толщины в куполе заготовки Ь* = Ь* / Ьо в момент разрушения, определенных по величине накопленных микроповреждений при юсд = 1, от величины постоянной эквивалентной скорости деформации в куполе заготовки Хе1 и коэффициента анизотропии Я представлены на рис. 1 и 2 соответственно. Здесь Н* и Ь* - высота и толщина в куполе заготовки, соответствующие моменту разрушения; Я0 = Яо / Ьо.
Результаты расчета и анализ графических зависимостей показыват, что увеличение параметров закона нагружения ар , П р и величины постоянной эквивалентной скорости деформации в куполе заготовки Хе1(см. рис. 1) приводит к уменьшению времени разрушения ^ и относительной высоты заготовки Н*, а также к увеличению относительной толщины в куполе заготовки Ь*.
Установлено, что коэффициент нормальной анизотропии Я существенно оказывает влияние на величину времени разрушения ^ и относительные величины Н*, Ь* (см. рис. 2). С ростом коэффициента анизотропии Я относительная величина Ь* резко увеличивается, а время разрушения ^ и относительная высота заготовки Н* резко уменьшаются. Показано, что не учет анизотропии механических свойств заготовки при анализе процесса изотермического формоизменения сферической оболочки дает
46
погрешность в оценки времени разрушения порядка 35%, а относительной высоты Н* и толщины в куполе заготовки Ь* в момент разрушения -15%.
3.0 _ 0,35 -р 2.6
С -
Т" о.-10 -- ТТГ
Н1
0.0 ±- 0.00 1- 0.8
1 и
\ /
\ Л Ч
«к - \ ч /г*
** —- -
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
п-3
4.0 15.0
^■10
Рис. 2. Зависимости изменения и величин Н*, Ь* в куполе заготовки отХе для титанового сплава ВТ6С (Я0 = 300)
1 ,5 1,25 т 0.25
С --
1,1 .3
1,20 -- 0,23
н*
О ,Э _1_ 1 ,00 ±
1,05 -- 0,17
/г* ^зК у
\ у у <г *
у * н*
у' у / / у *
* / ' у ¡г <г
0,2 0,5 0.8 1,1 1,4 1,7
К
Рис. 3. Зависимости изменения I* и величин Н*, Ь* от Я (кинетическая теория): Я = 300 ; ро = 0,013 МПа ;
ар = 4 -10-3 МПа/сПр ; ( пр = 0,6 )
Анализ результатов расчетов показывает, что предельные возможности формоизменения в режиме ползучего течения материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости (сплав ВТ14), не зависят от условий нагружения заготовки. Показана существенная зависимость времени разрушения & от параметров нагружения ар, пр и величины постоянной эквивалентной скорости деформации Хе1.
47
—3 / n
Увеличение параметра нагружения aр с 0,2 10 МПа/с p до 1,4 з n
•10_J МПа с p и пр с 0,5 до 0,8 при фиксированных других параметрах приводит к уменьшению времени разрушения t* в 1,8 раза.
Показано существенное влияние геометрических размеров заготовки на величину времени разрушения t*. Установлено, что увеличение относительной величины радиуса заготовки R = R0 / ^0 от 200 до 800 приводит к уменьшению времени разрушения более чем в 4 раза.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания №2014/227 на выполнение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 14-08-00066 а.
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.
2. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов/С.С.Яковлев[и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.
3. 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.
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
LIMIT OPPORTUNITIES OF ISOTHERMAL DEFORMATION OF DOME-SHAPED COVERS FROM HIGH-STRENGTH ANISOTROPIC MATERIALS IN THE MODE OF THE VISCOUS CURRENT
S.N. Larin, S.S. Yakovlev, V.I. Platonov
The main ratios and the equations necessary for the theoretical analysis of processes of slow hot deformation of an anisotropic material are stated. Regularities of influence of ani-sotropy of mechanical properties, the geometrical amount of preparation and detail, the law of its loading on limit possibilities of the deformation, connected with damageability accumulation are revealed, at isothermal deformation of a round anisotropic membrane.
Key words: anisotropy, dome-shaped covers, high-strength materials, isothermal deformation, viscosity, damageability, destruction.
48
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, TulaState University,
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, TulaState University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, TulaState University
УДК 539.374; 621.983
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЧЕРЕЗ РАДИАЛЬНУЮ МАТРИЦУ В РЕЖИМЕ
ПОЛЗУЧЕСТИ
С.С. Яковлев, А. А. Пасынков, А. А. Перепелкин, В. А. Булычев
Изложены результаты теоретических исследований предельных возможностей деформирования на первой операции изотермической комбинированной вытяжки осесимметричных деталей из анизотропных высокопрочных материалов на радиальной матрице в режиме ползучести.
Ключевые слова: комбинированная вытяжка, анизотропия, температура, коническая матрица, пуансон, разрушение, вязкость, деформация, ползучесть, напряжение.
В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли цилиндрические изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами глубокой вытяжки: вытяжкой без утонения и с утонением стенки, комбинированной вытяжкой [1-4]. Надежность и эффективность технологических процессов глубокой вытяжки цилиндрических деталей обеспечивается правильным выбором параметров технологии и геометрии рабочего инструмента.
В работе [3] разработана математическая модель первой операции комбинированной вытяжки трансверсально-изотропного материала через радиальную матрицу в режиме ползучести. Процесс формоизменения на первой операции комбинированной вытяжки условно разделяется на четыре стадии. В очаге деформации имеется плоское напряженное (зона I) и
