CC BY
32
УДК 621.983; 539.374
А.В. Черняев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, тр£1:и1а@гатЫег.ги (Россия, Тула, ТулГУ),
A.А. Перепелкин, асп., (4872) 35-14-82, тр£1:и1а@гатЫег.ги (Россия, Тула, ТулГУ),
B.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, тр£1:и1а@гатЫег.ги (Россия, Москва, МИИТ)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ВЫДАВЛИВАНИЯ РЕБЕР НА ПЛИТАХ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
Приведена математическая модель операции горячего выдавливания ребер на плитах. Выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров на силовые режимы и повреждаемость материала при горячем выдавливании оребре-ний на плитах из алюминиевых и титановых сплавов.
Ключевые слова: выдавливание, кратковременная ползучесть, давление, температура, кратковременная ползучесть, повреждаемость.
Оребренные элементы конструкций летательных аппаратов обеспечивают их жесткость при продольно-поперечном изгибе и устойчивость корпуса изделия в целом при воздействии нагрузок. В этой связи широко применяют корпусные панели с ребрами вафельного и стрингерного типов. Технология их производства связана с процессами резания, что приводит к большой трудоемкости и высокому расходу основных материалов.
В этой связи перспективен как более эффективный процесс изготовления панелей горячим выдавливанием ребер. При этом качественное изготовление изделий требует создания определенных температурноскоростных условий, т.к. выдавливание происходит в условии нелинейновязкого течения материала. Деформационные и силовые режимы, качество изделий во многом определяются скоростью операции. Проектирование технологии требует проведения расчетов, основанных на механике деформирования.
В работе [1] рассмотрен процесс выдавливания оребрений на основе верхнеграничной теоремы пластичности с использованием разрывного поля скоростей. Схема операции показана на рис. 1.
Энергетическое неравенство для данного разрывного поля имеет вид [2]
( aVo Я —-
I 2 .
Это неравенство соответствует плоской схеме деформаций при условии текучести Мизеса.
Здесь я - внешнее давление; ае - эквивалентные напряжения на соответствующих линиях разрыва скоростей; ттр - касательное напряжение на кон-
^^3[(ае)01^01^01 + (ае)12У12112]+хтр^Ук. С1)
тактных границах трения; У0,Уо1,У12,Ук - соответственно скорости перемещения деформирующего инструмента, на линиях разрыва и на границах трения; а, 10^, 112,1к - соответственно размер инструмента, длины линий разрыва скоростей и границ трения.
б
Рис. 1. Схема операции, поле (а) и годограф скоростей (б)
Касательные компоненты скоростей на линиях разрыва и границе трения имеют вид
(%) д
У0
(Уц) д
аУ0
(У02) і
У2 + У0.
а + Ь 2Ь
У0.
2cosа' 4 12' д 2Ьcosр, 4 02'^ 2 2
Деформации происходят только на линиях разрыва. Соотношения для эквивалентных скоростей деформаций и эквивалентных деформаций на них записываются в форме
2 Уд
(\в ) д =^~, (Ее ) д = Ъв ) дt,
л/3 I
д
где
(101) д
а
(112) д
Ь
е ■
sm а sin р
- длины линий разрыва; t = 2ЛИ / У0 - время деформирования; Лh - односторонний ход штампа.
Эквивалентные напряжения на рассматриваемых линиях разрыва скоростей определяются с учетом повреждаемости материала. Для этого уравнение состояния записывается в виде [3]
ае = 41 -шф 8?^ •
Здесь 0 < ш < 1 - повреждаемость материала заготовки на соответствующей линии разрыва скорости; А, т, п, р - константы материала.
Эквивалентные деформации и скорости деформаций на границе трения принимаются в виде
(єе)ё ~
2
* Ао
«е ) ё =
(е е ) ё
л/3 И t
Касательное напряжение трения определяется по выражению
^Од = ц(^е )ё ,
где ^о, h - начальная и конечная толщина заготовки; ц - коэффициент трения по Прандтлю.
Таким образом, подстановка входящих в неравенство (1) величин приводит к следующей оценке давления:
д <
1 Г^У+т+" Л(Ай)т+п
21т/3 у а • t
п
(1 -Ш01 У
Г і
V cosa у
\1+т+п
х
X
а
л
1-т - п
sm а
+
(1 -®12 )
д
а
\
1+т+п
Ь •cosP
Ь
\
1-т-п
V
sin Р
+
+
^(1 -ю20 )Р •^
а + Ь 2 • Ь
• /ё
\т+п
Здесь ©01, ©12, ©02 - значения повреждаемости на соответствующих линиях разрыва скоростей; АИ, tё - конечные ход штампа и время деформирования; I^ - длина границы трения.
Полученная зависимость связывает давление прессования со степенью формообразования, временем (скоростью операции) и повреждаемостью материала заготовки в результате деформирования.
На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования влияния скорости перемещения инструмента и условий трения на величину относительного давления при горячем выдавливании ребер на плитах. Исследования выполнены для алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теориями прочности соответственно. Механические характеристики исследуемых материалов приведены в табл. 1 [4]. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках заготовки: а = 25 мм; Ь = 10 мм; И = 30 мм; АИ = 5 мм; I^ = 15 И .
На рис. 2 представлены графические зависимости относительного давления д = д / ае0 от скорости перемещения инструмента V при фиксированных значениях коэффициента трения ц на контактных поверхностях инструмента и заготовки.
Анализ графических зависимостей показывает, что при горячем выдавливании ребер на плитах относительное давление падает при увеличении длительности операции, т.е. при уменьшении скорости штамповки. Наиболее существенна эта зависимость при малых скоростях, когда значительно проявление вязкости горячего металла.
Таблица 1
Механические характеристики исследуемых материалов
Материал Т °С Ge0, МПа А, МПа сп т п Р
Титановый сплав ВТ6С 930 ± 2 38,0 66,80 0,028 0,0582 1,0
Алюминиевый сплав АМг6 450 ± 2 26,8 54,34 0,104 0,0263 0,3
Так, с уменьшением скорости перемещения инструмента V от 10 до
0,01 мм/с относительное давление выдавливания падает на 15 % для алюминиевого сплава АМг6 и на 50 % для титанового сплава ВТ6С.
- \ \ АМгб
/ \ \ В Т6С
0,01 ОД 1 мм! С 10
Рис. 2. Графические зависимости д от V (ц = 0,1)
Рис. 3. Графические зависимости
д от ц (V = 1іі/п )
На величины давления при горячем выдавливании ребер существенное влияние оказывает трение. Результаты исследования влияния коэффициента трения ц на величину относительного давления представлены на рис. 3. Показано, что при уменьшении трения наблюдается существенное снижение давления. Так, снижение коэффициента трения ц от 0,4 до 0,1 приводит к уменьшению относительного давления деформирования сплавов АМг6 и ВТ6С на 25.. .30 %.
В процессе деформирования происходит изменение повреждаемости материала заготовки. Она имеет место на линиях разрыва скоростей, в том числе на контактной границе трения. Энергетическое уравнение кинетики повреждаемости имеет вид:
dю = аеЕ^,
Аз еЧе
где 0 < ю < 1 - повреждаемость в соответствии с временем 0 < t < 1кр; 1кр -критическое время полной повреждаемости.
В зависимости от температурных условий штамповки может использоваться деформационная теория повреждаемости:
8е
(є е ) їд
Здесь (ее)з и Апр - предельные величины эквивалентной деформации и удельная работа разрушения материала [4]:
(єе )д = С1ехР
В
а0
а
Аїд = С2 ехР
е у
В
2
а0
а
е у
где ^0 - среднее и напряжение в рассматриваемой точке; С^, С2, В1, В2 -константы разрушения материала при данной температуре, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
Константы разрушения исследуемых материалов
Материал Т °С С1 Л С2, МПа ^2
Титановый сплав ВТ6С 930 ± 2 0,692 -1,19 - -
Алюминиевый сплав АМг6 450 ± 2 - - 15,15 -1,42
По энергетической теории повреждаемость и, следовательно, степень формообразования зависят от времени операции, а по деформационной - от накопленной эквивалентной деформации.
Расчеты выполнены для прессования панелей из алюминиевого сплава АМг6 при 450 °$ и титанового сплава ВТ6С при 930 °$. В первом случае материалу соответствует энергетическая теория разрушения, во втором - деформационная теория. В расчетах приняты следующие размеры заготовки: а = 25 мм; Ь = 10 мм; h = 30 мм; АИ = 5 мм; I^ = 15 мм.
На рис. 4 представлены графические зависимости повреждаемости ю от скорости перемещения инструмента V при выдавливании ребер из алюминиевого сплава АМг6. Величины повреждаемости определялись на линиях разрыва скоростей «01» и «12», а также на линии границы трения «02». Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость сплава АМг6 возрастает в 5 - 7 раз. Максимальные значения повреждаемости наблюдаются на линии разрыва «12».
Результаты расчета повреждаемости титанового сплава ВТ6С в зависимости от степени деформации е (е = АИ/И^) приведены на рис. 5.
Установлено, что при увеличении е от 0,1 до 0,4 повреждаемость сплава ВТ6С возрастает в 5 - 6 раз. Наиболее опасной в плане накопления повреждаемости также является линия разрыва скорости «12».
0,01
од
V
1 ММ/С 10
0,1
0,2
0,3
0,4
Рис. 4. Графические зависимости Рис. 5. Графические зависимости
ю от V для сплава АМг6 ю от в для сплава ВТ6С
(ц = 0,1) (V = 1п/п )
Данная технология выдавливания оребрений позволяет повысить качество изделий при значительном сокращении трудоемкости производства.
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Список литературы
1. Чудин В.Н., Перепелкин А.А., Яковлев С.С. Горячее формообразование оребрений на плитах из высокопрочных материалов // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. Вып. 3.
С. 254-262.
2. Унксов Е.П., Овчинников А.Г. Теория пластичности для инженеров. М.: Машиностроение, 1983. 598 с.
3. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.
4. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
Chernyaev A., Perepelkin A., Chudin V.
The process conditions of the ribbing extruding on the plates in the mode of short durated creeping conditions
The mathematical model of the ribbing hot extruding on the plates is estimated. The theoretical investigations of technological parameters influence on power circumstance and material’s damageability in the hot extruding process on the plates from aluminium and titanium alloys were established.
Key words: extrusion, short durated creeping conditions, pressure, temperature, damageability.
Получено 04.08.10
