Силовые режимы изотермической высадки законцовок трубопроводов в режиме кратковременной ползучести Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.983

С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

A.А. Пасынков, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

B.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, [email protected] (Россия, Москва, МИИТ)

СИЛОВЫЕ РЕЖИМЫ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ВЫСАДКИ ЗАКОНЦОВОК ТРУБОПРОВОДОВ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ

Рассмотрена операция высадки законцовок трубопроводов в режиме кратковременной ползучести. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы изотермической высадки законцовок трубопроводов в режиме кратковременной ползучести.

Ключевые слова: сила, напряжения, деформации, высадка, законцовка, давление, пуансон, труба, кратковременная ползучесть.

Двигательные установки ракетно-космической техники имеют сложную систему трубопроводов, соединенных законцовками - расширенными утолщенными краями труб - под автоматическую сварку. Законцов-ки, а также заготовки с фланцевыми утолщениями формообразуют давлением, что связано с операциями раздачи, высадки. Технологическую сложность вызывает формообразование законцовок на тонкостенных трубах из высокопрочных титановых и алюминиевых сплавов, а так же штамповка заготовок с фланцевыми утолщениями.

Рассмотрим операцию набора (высадки) краевого утолщения на трубной заготовке в режиме кратковременной ползучести. Схемы деформаций принимаются осесимметричной и плоской, что определяется соотношениями диаметра трубы к ширине фланца (рис. 1).

При осесимметричной схеме операции поле состоит из блока деформаций «1», жестких блоков «2» и «3», разделенных соответствующими поверхностями разрыва скоростей. Инструмент обозначен как блок «0». Для расчета используется верхнеграничная теорема пластичности [1, 2]. Для данной схемы операции она записывается в виде

Здесь левая часть - мощность внешних сил; правая - мощности деформаций, мощности на линиях разрыва скоростей и мощность трения. Полагаем, что деформируемому материалу заготовки соответствует уравнение состояния [1, 2]:

тр

(1)

ае — Asе е ,

(2)

где <5в, вв, - соответственно эквивалентные напряжения, деформации и скорости деформаций; A, m, п - константы материала. Уравнение (2) учитывает деформационное и скоростное упрочнение материала.

Рис. 1. Схема высадки и поле скоростей перемещений

Рассмотрим объем деформаций. Зададим изменение скорости в нем при перемещении между поверхностями «12» и «13» функцией

V =

Vo

Í

cos а

1 - k(у - yX2)

1 +

V yi2 - У1з

Vo

cos а

1+

1 - k(у - x • tga - i\) (tga + ctga)x + ri - гз

(3)

при граничных условиях, соответствующих плану скоростей (рис. 2):

У12 = x • tga + ri; V = Vi =

Vo

cos а Vo(r3 - ri2)

У13 = -x • ctgP + r3; V = Vi = V3 sin a = 3-— sin a .

2hr3

Здесь x, y - произвольные координаты точки в объеме деформаций; yi2, У13 - уравнения образующих поверхностей разрыва скорости;

V1 , V3 - скорости на входе и выходе из объема деформаций; 2 - 2

r3 - r1 k = —-— sin 2a .

4hr3

При заданной функции скорости (3) можно записать компоненты скорости деформации как

дУх дУ дх дх

cosa;

дУу _ дУ

ду ду

sin а:

дУ дУ . . дУ .

с,ф =--cosa--sin а ; =-sin а +-cosa.

дх ду дх ду

Компоненты скорости деформаций позволяют записать эквивалентные скорость деформаций и деформации в виде:

sin a

(1 + 4ctg a)

dV

1/2

í ДТ

V dx J

+ (2 + ctg a)

'e Se' T, Se» v0

fdV) 2 / + 6

{ dy j V

дУ dV dx dy

ctga

1/2

где Ah - величина осадки заготовки (см. рис. 1).

п>

)

■У 01

(I'bi)n = í'b

\ Vbih

У ч р]

Л 3

í;i=0-h)x i-i

^ Z Wl3)n Vxy Vi

>' V р •

Р//с. 2. План скоростей на линиях разрыва при осесимметричном

деформировании

Полученные зависимости позволяют выразить мощность в объеме деформаций соотношением

Nd= \v£edW = 2nA w

'д/Г m и Г

Уц.т J

01

У13

í Ú+m+nJy

Уп

dx.

где Уцт - ордината центра тяжести площади сечения объема деформаций плоскостью ху (см. рис 1), определяемая по статическим моментам входящих фигур. Первое интегрирование здесь производится по ординате "у" при постоянном "х".

Выражения для определения мощностей на поверхностях разрыва скорости «12» и «13» записываются в виде

N\ 2 = пА

( 1~уи+и 2 2 1 15 ] Г2"Г1 (Ah)mV¿+n

h V3

N

13

nA(r3 -г2)

hl+2 (rti+n)

r3

2 \

sin 2а l+rti+n

л/з.

r3

Sp(Ahy"(V0)l+",

где

(smB)/;/+w[sina • sin(B - а) + eos В]

p=-^-x

1 + 4

02+m+n „„„n 2 cosp

sina • sin(B - а)

VH — + ctgp

sillp

(m+n)

При равномерно распределенном по торцу фланца давлении касательное напряжение трения на этих поверхностях

хтр

где |д - коэффициент трения.

В этом случае мощность трения представим следующим выражени-

Nmp = пч(гъ ~ r\)v0

гъ

\Kdy

+

2 2^1 r3 ~ г2

2hr-¡

где К

\\

tga.

! , 1 -НУ-П) г3 ~П

В конечном виде давление высадки определяется выражением

^д+^12+^13

<

Фз - n2Wo

1-й

г3 2 2

>*3 — г2

\Kdy +

\П

2hn,

(4)

Данную задачу можно решать при некоторых условиях на относительные размеры диаметра фланца как плоскую. В этом случае поле скоростей является жесткоблочным. Деформации имеют место только на линиях разрыва скорости и контактной границе трения. Кинематика поля устанавливается по годографу скоростей (рис. 3).

Скорости движения блоков:

V = Vi

Vn

cosa

V2 = 0; V3 = V0

Г3~П h

Мощности трения на поверхностях «12» и «13» записываются в ви-

де

Ы-

12

А ь\-т-п(АЮ V,

К

(7з

А

2

сое а

13

(л/3)

т+п

у

• 2Р 8111 р

У(гШ)п

(^01)1

Рис. Годограф скоростей при плоском деформировании Мощность на границах трения представляется соотношением

tga +

ГЪ~Г2 Ь

Учитывая, что энергетическое неравенство (1) для плоской деформации имеет вид

Фъ ~ П)Уо ^ ^12 + #13 + Хтр>

получим следующую оценку давления:

#12 + ^13

Ч

<

-1)^0

, ( г3 ~ 1-ц tga+ \

V Л

(5)

На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров на силовые режимы операции высадки с нагревом фланцевых утолщений на трубных заготовках. Исследования выполнены для алюминиевого АМгб и титанового ВТ6С сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теориями ползучести соответственно (таблица 1). Расчеты выпол-

нены при следующих геометрических характеристиках заготовки: ¡1 = 30 мм; АИ = 10 мм; = 17 мм; г2 = 20 мм.

Таблица 1

Механические характеристики исследуемых материалов

Материал Т°С ае0> МПа А, МПа/с" т п

Титановый сплав ВТ6С 930 ±2 38,0 66,80 0,028 0,0582

Алюминиевый сплав АМгб 450 ±2 26,8 54,34 0,104 0,0263

На рис. 4 представлены графические зависимости изменения относительного давления £/=£//<7^ от скорости перемещения пуансона V.

Здесь кривая 1 соответствует расчетам, выполненным по модели осесим-метричной деформации, кривая 2 - плоской деформации.

Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением скорости перемещения инструмента V от 0,01 до 10 мм/с относительное давление высадки трубных заготовок возрастает на 20 % для алюминиевого АМгб и на 50 % для титанового ВТ6С сплавов. Результаты, полученные по модели плоской деформации, дают оценку давления в 1,9 раза большую, чем по модели осесимметричной деформации.

0,01 0,1 1 мм ¡с 10 0,01 0,1 1 мм ¡с ю

а б

Рис. 4. Зависимости изменения ц от V при высадке трубных заготовок из сплавов АМгб (а) и ВТ6С (б) (\х = 0,\)

127

Результаты исследования влияния условий трения на инструменте на относительное давление высадки трубных заготовок представлены на рис. 5.

\

1 VI

\_

0,1 0,2 0,3 0,4 М--

а

\

Л

\

0,1 0,2 0,3 0,4

М---

б

Рис. 5. Зависимости изменения ц от ц при высадке трубных заготовок из сплавов АМгб (а) и ВТ6С (б) (V = 1 мм/с)

Установлено, что с увеличением коэффициента трения (1 от 0,1 до 0,4 относительное давление высадки сплавов АМгб и ВТ6С возрастает на 10... 15 %. Результаты расчетов по модели плоской деформации дают завышенную оценку давления по сравнению с моделью осесимметричной деформации в 1,7... 1,9 раза.

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. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яков-

128

лев, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, В.И. Трегубов, А.В. Черняев; под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.

2. 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.

S.S. Yakovlev, A.A. Pasynkov, V.N. Chudin

POWER MODES ISOTHERMAL LANDING WINGTIPS PIPELINE MODE SHORT-TERM CREEP

Consider the operation of the landing wingtips pipeline mode of short-time creep. The influence of process parameters on the power re-isothermal presses landing wingtips pipeline mode short-tion creep.

Key words: strength, stress, strain, landing, ending, pressure, punch, tube, short-term creep.

Получено 20.07.12

УДК 621.983

С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82,

mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

Ю.В. Бессмертная, асп., (4872) 35-14-82,

mpf [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82,

[email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА СИЛОВЫЕ РЕЖИМЫ ВЫТЯЖКИ КОРОБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ ПО СХЕМЕ «ОВАЛ-ПРЯМОУГОЛЬНИК»

Приведена математическая модель операции вытяжки коробчатых деталей по схеме «овал-прямоугольник» из трансверсально-изотропных материалов. Выявлены закономерности влияния анизотропии механических свойств на силовые режимы вытяжки коробчатых деталей по схеме «овал-прямоугольник».

Ключевые слова: анизотропия, вытяжка, заготовка, коробка, напряжение, деформация, сила, мощность, уравнение состояния.

Рассмотрим технологическую схему операции вытяжки высоких коробок из полуфабрикатов, формой которых в плане являются овалы с прямыми сторонами. Материал заготовки примем трансверсально-изотропным, механическое состояние которого определяется функцией

° е = ks e % e , (1)

129