Влияние анизотропии механических свойств на технологические параметры операции вытяжки с утонением толстостенных осесимметричных заготовок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Митин Олег Николаевич, канд. техн. наук, начальник отдела, mpf-

[email protected], Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»,

Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук, проф., проректор, mpf-

tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Киреева Алена Евгеньевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

STRESS-STRAIN STATE OF MATERIAL IN REDUCTION CYLINDRICAL CUP PUNCHES

WITH LONGITUDINAL GROOVES

O.N. Mitin, V.D. Kukhar, A.E. Kireeva

The article is an analysis of the stress-strain state of the material in the wall of the cylindrical workpiece by reducing its punch with longitudinal slots through a smooth conical matrix. Results characterizing the change in hydrostatic pressure, stress intensity component strain and temperature change arising in a wall of a glass in the process of reduction.

Key words: mathematical modeling, longitudinal grooves, punches, dies, reducing,

rift.

Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, head of department, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, JSC «NPO «Splav»,

Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, prorector, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kireeva Alena Evgenevna, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 539.374; 621.983

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИИ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ ТОЛСТОСТЕННЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ

ЗАГОТОВОК

В.Ю. Травин

Выявлены закономерности влияния анизотропии механических свойств на напряженное состояние, силовые режимы и предельные возможности деформирования при вытяжке с утонением толстостенных осесимметричных заготовок.

Ключевые слова: вытяжка с утонением, анизотропный материал, заготовка, пуансон, матрица, деформация, напряжение, сила, разрушение, механические свойства.

В различных отраслях машиностроения широкое распространение нашли толстостенные цилиндрические детали, изготавливаемые вытяжкой и вытяжкой с утонением стенки. К ним предъявляются повышенные требования к механическим характеристикам и показателям качества. Вытяж-

ку с утонением применяют при изготовлении цилиндрических деталей высотой до 10 диаметров из материалов, обладающих достаточной пластичностью в холодном состоянии. Вытяжка с утонением позволяет получать детали, имеющие относительно точные размеры и высокие прочностные свойства, в два-три раза превышающие прочность исходного материала. Это обеспечивается упрочнением металла при деформировании в сочетании с соответствующей термической обработкой [1, 2].

Материалы, подвергаемые штамповке, как правило, обладают анизотропией механических свойств, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов ОМД [3,4].

Разработана математическая модель операции вытяжки с утонением стенки осесимметричной толстостенной заготовки в конической матрице с углом конусности а [5, 6]. Материал заготовки принимался жесткопластическим, обладающим цилиндрической анизотропией механических свойств. Течение материала принимается осесимметричным.

Анализ процесса вытяжки с утонением стенки реализуется в цилиндрической системе координат. Схема к анализу вытяжки с утонением стенки приведена на рис. 1.

Допускается, что условия трения на контактной поверхности инструмента с заготовкой подчиняется закону Кулона. Течение материала принимается установившееся. Получены основные уравнения и соотношения для анализа кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения анизотропных материалов. Реализовано приближенное решение поставленной задачи с привлечением уравнений равновесия, условия несжимаемости материала, условия текучести Мизеса-Хилла и уравнений связей между скоростями деформаций и компонентами тензора напряжений. Изменение направления течения материала на входе в очаге деформации и выходе из него учитывалось путем коррекции осевого напряжения на границах очага деформации по методу баланса мощностей.

Приведенные в работах [5, 6] выражения для определения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний в очаге пластической деформации, силовых режимов позволили оценить влияние анизотропии механических свойств на напряженное состояние, силовые режимы и предельные возможности деформирования при вытяж-

Рис. 1. Схема к анализу вытяжки с утонением стенки

ке с утонением толстостенных осесимметричных заготовок.

На рис. 2 приведены зависимости изменения относительных величин осевого напряжения

Р

О —________ ст_______

7 р(2р П + 51)51о/ 0

и силы

Р

Р —----

р(£0 - ^о)50ою

от коэффициента нормальной анизотропии Я (Яг=Щ=Я). В расчетах принималось О;о=270 МПа; А =330 МПа; п =0,5; О=1,8; и =-0,95; «0=0,5; «1=0,17; «2=0,15. Расчеты выполнены при следующих технологических параметрах и геометрических размерах заготовки: £>0 — 40 мм; 50 — 4 мм;

а —18°; т м = 0,05; т П — 0,1.

Анализ графических зависимостей и результатов расчетов показывает, что величины относительного напряжения ог и силы Р увеличиваются с ростом коэффициента анизотропии Я и увеличением коэффициента утонения т5 (рис. 2). Здесь £0 — 2Р0. Увеличение коэффициента анизотропии Я от 0,2 до 2 приводит к росту относительных величин осевого напряжения ог на 50 %, а силы Р - на 30 %.

а б

Рис. 2. Зависимости изменения ог (а) и Р от Я

При вытяжке с утонением стенки предельные степени деформации

*

определяют по максимальной величине растягивающего напряжения о5г с учетом упрочнения на выходе из очага пластической деформации (первый критерий)

Р

о £ о* о —-- (1)

р 51(51 + 2 р п )

и по допустимой величине накопленных микроповреждений (второй критерий)

Вде = 1 ^ .£с. (2)

8/пр (0/0/ )

Здесь 8/ пр = 8/ пр (о / О/) - предельная интенсивность деформации; о - среднее напряжение; 8/Пр = С ехр(во / О/); С, в - константы деформируемого материала, определяемые в зависимости от рода материала.

Интегрирование в выражении (2) ведется по траектории течения материала. До деформации юе = % = 0 . Разрушение будет иметь место при юе = % = 1. Среднее напряжение находится по формуле

О= (ор+° Г +°е )/3

В зависимости от условий эксплуатации или последующей обработки изготовляемого изделия уровень повреждаемости не должен превышать величины %. При назначении величин степеней деформации в процессе пластического формоизменения следует учитывать рекомендации по допустимой величине накопленных микроповреждений В. Л. Колмогорова и А.А. Богатова, согласно которым для ответственных деталей, работающих и подвергающихся после обработки давлением термической обработке (отжигу или закалке), допустимой величиной накопленных микроповреждений следует считать % = 0,25, а для неответственных деталей может быть принята % = 0,65 [7, 8].

Графические зависимости изменения предельного коэффициента утонения т8Пр, вычисленного по критерию разрушения (1) и (2), от коэффициента анизотропии Я приведены на рис. 3.

Здесь кривая 1 соответствует величине т8Пр, определенной по максимальной величине осевого напряжения оГ на выходе из очага пластической деформации (1); кривая 2 соответствует величине т8Пр, вычисленной по допустимой величине накопленных микроповреждений (2) при % = 0,25; кривая 3 - при % = 0,65; кривая 4 - % = 1,0 .

Рис. 3. Зависимости изменения т8Пр от Я (а = 18°)

Расчеты выполнены при 50 = 4 мм; Do=40 мм; mм = 0,05; тП = 0,1. Анализ графиков и результатов расчета показывает, что увеличение коэффициента анизотропии Я от 0,2 до 2 приводит к росту предельного коэффициента утонения т5пр на 30 %.

Таким образом, предложенная математическая модель операции вытяжки с утонением стенки осесимметричных заготовок из анизотропного материала может быть использована для оценки влияния анизотропии механических свойств на напряженное состояние, силовые режимы и предельные возможности деформирования при вытяжке с утонением толстостенных осесимметричных заготовок.

Работа выполнена по государственному заданию Министерства образования и науки Российской Федерации на 2012-2014 годы и грантам РФФИ.

Список литературы

1. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.

2. Теория обработки металлов давлением / Учебник для вузов /

B.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.

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.

4. Глубокая вытяжка анизотропных материалов: монография /

C.С. Яковлев, В.И. Трегубов, В. Д. Кухарь, В.Ю. Травин // под ред. С.С. Яковлева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 225 с.

5. Грязев М.В., Яковлев С. С., Травин В.Ю. Силовые режимы вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 6. С. 3-11.

6. Травин В.Ю., Грязев М.В., Яковлев С.С. Предельные возможности вытяжки с утонением стенки толстостенных осесимметричных заготовок из анизотропных материалов // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 6. С. 21-26.

7. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет (УПИ), 2001. 836 с.

8. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. 329 с.

Травин Виталий Юрьевич, канд. техн. наук, доц., тр^ы1а@,гатЫег.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет

382

THE EFFECT OF ANISOTROPY OF MECHANICAL PROPERTIES OF THE TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF OPERA TION OF EXTRACTS FROM THE REDUCTION OF A THICKNESS OF THICK-WALLED AXISYMMETRIC BLANKS

V.Y. Travin

Revealed regularities of influence of anisotropy of mechanical properties on the stress state, power modes and limits of deformation in the extraction system with decreasing thickness of thick-walled axisymmetric blanks.

Key words: kitchen with утонением, an anisotropic material procurement, punch, matrix, deformation, voltage, power, destruction, mechanical properties.

Travin Vitalij Jur'evich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University

УДК. 621.7, 539.3

ФОРМИРОВАНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ РИФТОВ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО СТАКАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУАНСОНА С ПРОДОЛЬНЫМИ ПАЗАМИ

О.Н. Митин, В. Д. Кухарь, А.Е. Киреева

В статье рассмотрено математическое моделирование процесса формирования продольных рифтов на внутренней поверхности стакана с помощью пуансона с продольными пазами через коническую матрицу методом редуцирования, с использованием программного комплекса QForm 2D/3D. Выявлены основные закономерности.

Ключевые слова: математическое моделирование, продольные пазы, пуансон, матрица, редуцирование, рифт.

В специальных отраслях машиностроения существует ряд деталей, имеющих форму цилиндра, на внутренних поверхностях которых выполнены углубления в виде канавок (рифлей). В работе [2] было выявлено, что наиболее оптимальным способом нанесения рифтов на заготовках является метод редуцирования.

Исследуем с помощью программного комплекса QForm 2Б/3Б [1] особенности технологического процесса получения изделия приведенного на рис.1., с помощью метода редуцирования. В качестве исходной заготовки использовался цилиндрический стакан, выполненный из стали 10 приведенный на рис.2.

Чертежи пуансона и матрицы для получения рифлей приведены на

рис.3.