CC BY
38
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
ВЫДАВЛИВАНИЕ РЕБЕР НА ПЛИТАХ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
А. А. Перепелкин, С.С. Яковлев, А.В. Черняев, Ю.В. Бессмертная
Изложена математическая модель операции горячего выдавливания ребер на плитах из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы и повреждаемость материала при горячем выдавливании оребрений на плитах.
Ключевые слова: выдавливание, кратковременная ползучесть, напряжение, сила, температура, кратковременная ползучесть, высокопрочный материал, 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 трудоёмкости 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 температурно-скоростных условий, т.к. выдавливание происходит в условии нелинейно-вязкого 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] рассмотрена операция изотермического 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]
аУ л 1
0 )°1У°1/о1 + )12У12/12 МтрУк ¡к . С1)
avo Л
q
v 2 у
Это неравенство соответствует плоской схеме деформаций при условии текучести Мизеса. Здесь q - внешнее давление; se - эквивалентные напряжения на соответствующих линиях разрыва скоростей; t тр - касательное напряжение на контактных границах трения; Vo,Voi,Vi2,VK - соответственно скорости перемещения деформирующего инструмента, на линиях разрыва и на границах трения; a, /qi, /12, /к - соответственно размер инструмента, длины линий разрыва скоростей и границ трения.
а б
Рис. 1. Схема операции, поле (а) и годограф скоростей (б)
Касательные компоненты скоростей на линиях разрыва и границе трения имеют вид
Vo
(V12);
aVo
(V02)i
V2 + V0
a + b 2b
Vo-
2cosa 4 12 p 2bcosP' 4 02УЛ 2 2 Деформации происходят только на линиях разрыва. Соотношения для эквивалентных скоростей деформаций и эквивалентных деформаций на них записываются в форме
(Хе )
2 Vp
где
Coi);
е ) р
а
sin a
л/3 Л
, (ee )р = (Хе ) р ^ ,
(/12),
b
sin b
ер
(/02) к = 1к -
- длины линий разрыва; ? = 2 АН / У§ - время деформирования; АН - односторонний ход штампа.
Эквивалентные напряжения на рассматриваемых линиях разрыва скоростей определяются с учетом повреждаемости материала. Для этого уравнение состояния записывается в виде [3]
се = А(1 -ш)р .
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
(е ) = —1п^ (X ) = ^ У^в)к /3 И ' к ^
Касательное напряжение трения определяется по выражению
^тр = )к ,
где Но, И - начальная и конечная толщина заготовки; т - коэффициент трения по Прандтлю.
Таким образом, подстановка входящих в неравенство (1) величин приводит к следующей оценке давления:
£ 1 г 2
Я
2
х
а
\1+т+п
л/3 ,
\ 1-т - п
А(ДИ)
т+п
а • ?
п
(1 -®01)р
с
1
\
1+т+п
X
Бш а
+ (1 -®12)р
а
v соб а у
\ 1+т+п {
Ь •собь
у
Ь
\ 1-т - п
v
бш Ь
+
+
т(1 -^2о)р ^л/э
а + Ь 2 • Ь
• и
1п И0 И
т+п
Здесь Юо1, ®12, ю02 - значения повреждаемости на соответствующих линиях разрыва скоростей; ДИ, 1к - конечные ход штампа и время деформирования; 1к - 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 работах [3, 4]. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках заготовки: а = 25 мм; Ь = 10 мм; И = 30 мм; ДИ = 5 мм; 1к = 15 мм .
На рис. 2 представлены графические зависимости относительного давления Я = я / ов0 от скорости перемещения инструмента V при фиксированных значениях коэффициента трения т на контактных поверхностях инструмента и заготовки.
Анализ графических зависимостей показывает, что при горячем вы-
давливании 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.
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.
2,00
1,75
1,50
<7
1,25
1,00
0,01
\ \ АМгб
\ \ ВТ6С
0,1
V
мм! с 10
Рис. 2. Зависимости изменения д от V (т = 0,1)
3,0
2,5
2,0
<!
1,5
1,0
0,1
АМгб \
\ \ ВТ6С
0,2
М
0,3
0,4
Рис. 3. Зависимости изменения
д от т (V = 1мм/с)
На величины давления при горячем выдавливании ребер существенное влияние оказывает трение. Результаты исследования влияния коэффициента трения т на величину относительного давления представлены на рис. 3. Показано, что при уменьшении трения наблюдается существенное снижение давления. Так, снижение коэффициента трения т 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:
dw = —^ <5еХе&, Апр
где 0 £ ю £ 1 - повреждаемость в соответствии с временем 0 £ ? £ ?кр; 1кр -
критическое время полной повреждаемости.
В зависимости от температурных условий штамповки может использоваться деформационная теория повреждаемости:
ее
ю =
(е е )
е ) пр
Здесь (ее)пр и Апр - предельные величины эквивалентной деформации и удельная работа разрушения материала [4]:
(ее )пр
С\ ехр
В
1
о0
о
А
пр
С2 ехр
е у
В
2
о0
о
е У
С2, В1, В2 -
где оо - среднее и напряжение в рассматриваемой точке; С1 константы разрушения материала при данной температуре, приведенные в работах [3, 4].
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 °С и титанового сплава ВТ6С при 930 °С . В первом случае материалу соответствует энергетическая теория разрушения, во втором - деформационная теория. В расчетах приняты следующие размеры заготовки: а = 25 мм; Ь = 10 мм; И = 30 мм ; АН = 5 мм; ¡^ = 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 = АН/Н0) приведены на рис. 5.
0,0 ---
0,01 од 1 мм!с ю
V--
Рис. 4. Зависимости изменения ю от V для сплава АМг6
(т=0,1)
0,0 ---
0,1 0,2 0,3 0,4
г-—
Рис. 5. Зависимости изменения ю от е для сплава ВТ6С
(V = 1мм/с)
Установлено, что при увеличении e 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».
Данная технология выдавливания оребрений позволяет повысить качество изделий при значительном сокращении трудоемкости производства.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и грантов РФФИ № 14-08-31225 мол_а.
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. 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.
3. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я. А. Соболев. М.: Машиностроение, 2004. 427 с.
4. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С. С. Яковлев, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, В.И. Трегубов, А.В. Черняев. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
Перепелкин Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Черняев Алексей Владимирович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бессмертная Юлия Вячеславовна, канд. техн. наук, ассистент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXTRUDING THE RIBS ON PLATES FROM HIGH-STRENGTH MATERIALS IN THE SHORT-TIME CREEP
A.A. Perepelkin, S.S. Yakovlev, A.V. Chemyaev, Y.V. Bessmertnaya
A mathematical model is presented hot extrusion operation edges on the plates of high-strength materials in the short-term creep mode. Identify-Leno influence of process parameters on power modes and material damage during hot extrusion of finning on the plates.
Key words: extrusion, short-term creep, voltage, power, temperature, short-term creep, high strength material, damaging the bridge.
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Chernyaev Aleksey Vladimirovich, doctor of technical science, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Bessmertnaya Yuliya Vyaceslavovna, candidate of technical science, assistant, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983: 539.374
РОТАЦИОННАЯ ВЫТЯЖКА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ОЧАГА
ДЕФОРМАЦИИ
С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, Е.В. Осипова, М.В. Ларина
Предложена математическая модель ротационной вытяжки с утонением стенки осесимметричных деталей из анизотропного материала коническими роликами с разделением деформации с учетом локального очага деформации и объемным характером напряженного и деформированного состояния материала в пластической области. Установлено влияние технологических параметров на силовые режимы операции ротационной вытяжки с разделением деформации. Выявлено, что ротационная вытяжка с использованием 3-роликовых схем с разделением деформации позволяет снизить величины радиальных составляющих сил деформирования на 25...30 % по сравнению с аналогичной схемой обработки без разделения деформации.
Ключевые слова: анизотропный материал, ротационная вытяжка, труба, ролик, оправка, сила, шага подачи, степень деформации, напряжение.
При изготовлении тонкостенных осесимметричных оболочек различного назначения в настоящее время находят всё более широкое использование ротационная вытяжка. Для производства такого типа деталей находят успешное применение схемы ротационной вытяжки роликами с открытой и закрытой калибровкой, а также с разделением очага деформации
108
