Изотермическое деформирование панелей радиаторов цилиндрического и прямоугольного профилей в режиме кратковременной ползучести

прочности. Препринт ИПМ № 38. М., 2003. http://www.keldysh.ru/ papers/2003/prep3 8/prep2003 38 .html

V. Korotkov, D. Polkovnykov, A. Terebkov

METHOD FOR DIAGNOSING DRIVE FORGING AND STAMPING EQUIPMENT DURING ITS OPERA TION OF THE PRESS.

The method of diagnosis of the drive forging stamping equipment, based on continuous measurement of the angular velocity of a crank mechanism by using magneto-electronic sensors and a microprocessor system is proposed.

Key words: drive forging stamping equipment, forging equipment,

magneto-electronic sensor, microprocessor-based system, method of diagnosis, crank mechanism, energy costs, sequence diagram, kinematics, a block diagram.

Получено 07.06.11

УДК.539.374; 621.983

С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц.,

ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПАНЕЛЕЙ РАДИАТОРОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО И ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПРОФИЛЕЙ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ

Приведены математические модели изотермического деформирования панелей радиаторов цилиндрического и прямоугольного профилей в режиме кратковременной ползучести. Изложены результаты теоретических исследований, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения при изотермическом деформировании панелей радиаторов цилиндрического и прямоугольного профилей в режиме кратковременной ползучести.

Ключевые слова: анизотропия, формоизменение, напряжение, деформация, кратковременная ползучесть, разрушение, панель.

Важной проблемой, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающих максимально возможные эксплуатационные характеристики.

Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных материалов и изготовление деталей и узлов со специальными зависящими от условий эксплуатации характеристиками. Сложность технологических процессов вызывает в производстве их длительную отработку, влияющую в конечном итоге на

трудоемкость и качество изделий, и вследствие этого - необходимость изыскания новых принципов технологии, точности ее расчета и сближения на этой основе стадий проектирования изделий и технологической подготовки производства.

К числу наиболее перспективных и принципиально новых технологических процессов, направленных на совершенствование современного производства, относится медленное горячее формоизменение листовых заготовок избыточным давлением газа (пневмоформовка) с предварительной или одновременной диффузионной сваркой [1-3].

Технологические принципы формоизменения листовых заготовок избыточным давлением газа и диффузионной сваркой могут быть применены в производстве сложных многослойных конструкций с различной конфигурацией базовых элементов и листовых панелей.

При медленном изотермическом деформировании таких материалов в зависимости от уровня избыточного давления (газостатическая формовка) и температуры обработки величины пластической деформации и деформации ползучести становятся соизмеримыми, и это обстоятельство необходимо учитывать при расчетах технологических параметров процессов.

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала, технологическими режимами его получения, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при различных температурно-скоростных режимах деформирования [1-3].

Рассмотрим деформирование анизотропного материала в условиях кратковременной ползучести. Под кратковременной ползучестью будем понимать медленное деформирование в условиях вязкого (ползучего) или вязкопластического (ползуче-пластического) течения. Упругими составляющими деформации пренебрегаем. Считаем, что, если величина эквивалентного напряжения аe меньше некоторой величины а ^ , например, соответствующей эквивалентной остаточной степени деформации ee0 = 0,2% при эквивалентной скорости деформации ^0 = 0,02 1/ с, то

процесс деформирования будет протекать в условиях вязкого течения материала и уравнения состояния с учетом повреждаемости, описывающие поведение материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, могут быть записаны в виде

а применительно к группе материалов, подчиняющихся кинетическим уравнениям ползучести и повреждаемости, так:

Хе = в

\ п

о.

V % у

1

Х

е

епр

При вязкопластическом (ползуче-пластическом) течении материала

(ое > Оео) уравнения состояния имеют вид

О

е0

а

еср

ье

е ср

V е0 у

/ \ к ХСРЛ

V Хео У

(1 -ор )'

(О

ср

1 х

Ое хер

АСР

Лпр

если поведение материала описывается энергетическом теориеи нелинейного вязкопластического течения и разрушения, и

Ое = Оео

е

ср

еср V ео У

х

Л

ео

к

(1 -Ор)'; <07 =

5?

еср

епр

если поведение материала описывается кинетическом теориеи нелинейного вязкопластического течения и разрушения. Здесь В , п, т , к, а, г - константы материала, зависящие от температуры испытаний; е^ и е£ - величины эквивалентной деформации при вязкопластическом и вязком течении

материала; АПр, АПр, еепр и ееРПр - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная деформация при вязком и вязкопластическом течениях материала; ю , О С, и ю А, юА " повреждаемость материала при

вязкопластической и вязкой деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно.

Заметим, что в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования, поведение материала может описываться уравнениями состояния (1) и (3) или (2) и (4) соответственно.

Компоненты скоростей деформации Ху будем определять в соответствии с ассоциированным законом течения

V

Э°у

где 1 - коэффициент пропорциональности; /(оу)- потенциал скоростей деформации анизотропного тела при кратковременной ползучести; О компоненты тензора напряжений.

с

При вязком и вязкопластическом течениях материала вводятся понятия эквивалентного напряжения se и эквивалентной скорости деформации Хе при формоизменении в условиях кратковременной ползучести по аналогии с работами Р. Хилла и Н.Н. Малинина.

Экспериментальные исследования анизотропных свойств материалов в различных термомеханических условиях показали, что, как правило, эти свойства различны при вязком (деформация ползучести) и вязкопластическом (ползуче-пластическое деформирование) деформировании. Поэтому в дальнейшем характеристики вязкого течения будем обозначать индексом с, а вязкопластического течения - индексом cp, например,

ХС,ХCp,RC, RCP,Rcy,RcyP и т.д.

Предельные возможности формоизменения в процессах обработки металлов давлением, протекающих при различных температурноскоростных 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. w £ 1.

При справедливости деформационного критерия деформируемости

выражения для определения предельной эквивалентной деформации ecenp и

eCenp при вязком и вязкопластическом течениях материала можно записать в следующем виде:

( о Х cp 1

ecp = C exp A------+ A2-^ x

enp V s e x e0)

e Cnp = D

где С, Aj, А2 ; ao ,ai,02,03 и D,bo,t\,b2,Ьз - экспериментальные константы материала; s = (si +02 + sз)/3 - среднее напряжение; si,о2 и о з - главные напряжения; a, b, g - углы ориентации первой главной оси напряжений Oi относительно главных осей анизотропии x, у и z соответственно.

При рассмотрении критерия разрушения в энергетической постановке предельная величина удельной работы разрушения при вязкопластической и вязкой деформации может быть вычислена по аналогичным формулам с заменой буквенных коэффициентов С, А], А2, D, aj, bi на

соответствующие им коэффициенты С', А/, А2', D', aj и bj, а eCJpp и eCenp на Апр и Апр.

Для оценки возможности изготовления многослойных листовых конструкций с прямоугольными длинными каналами выполнены теоретические исследования процесса горячего формообразования угловых элементов многослойных конструкций из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести.

Предполагается, что процесс деформирования реализуется за две стадии: свободная формовка оболочки и формообразование угловых элементов конструкции.

Выполнены теоретические исследования свободной горячей пневмоформовки длинной узкой прямоугольной мембраны, закрепленной вдоль длинных сторон, с учетом анизотропии механических свойств (рис. 1). Предполагается, что деформирование осуществляется в режиме кратковременной ползучести.

Листовой материал принимается ортотропным с коэффициентами анизотропии Ях и Яу, удовлетворяющим уравнениям теории течения и

подчиняющийся энергетическим или кинетическим уравнениям кратковременной ползучести и повреждаемости. Главные оси напряжений совпадают с главными осями анизотропии х, у, г.

Мембрана шириной 2а, толщиной И о нагружается давлением р,

П

изменяющимся во времени по некоторому закону (рис. 1): р = ро + ар ? р ,

где ро, ар , Пр - константы закона нагружения. Допускается, что направление длинных сторон заготовки совпадает с направлением прокатки.

Поскольку длина мембраны значительно превосходит ее ширину, то допускается, что процесс реализуется в условиях плоской деформации, т.е.

X х = о.

Принимается, что срединная поверхность мембраны при ее деформировании является частью поверхности кругового цилиндра с некоторым углом раствора.

Напряжение, совпадающее по направлению с нормалью к срединной поверхности, приближенно принято равным нулю, т.е. реализуется плоское напряженное состояние.

В отличие от известных решений этой задачи в работе анализируется деформирование оболочки с возможностью изменения толщин вдоль дуги окружности. Рассмотрены возможные варианты формоизменения при известных законах изменения высоты мембраны от времени, давления от времени, а также рассмотрены случаи формоизменения при постоянной скорости деформации и постоянном давлении.

Рис. 1. Расчетная схема формообразования

Подробное описание исследований свободной горячей пневмоформовки длинной узкой прямоугольной мембраны из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести приведено в работе [3].

Ниже остановимся на теоретическом анализе процесса горячего формообразования угловых элементов многослойных конструкций (вторая стадия) из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести (рис. 2).

Рис. 2. Схема к анализу формоизменения угловых элементов на первом и втором этапах второй стадии деформирования

Поскольку условия деформирования в вершине и на краю оболочки одинаковы (эти точки не перемещаются), то в дальнейшем рассматривает-

460

ся равномерное деформированное состояние, т.е. толщина, оболочки меняется равномерно в каждой точке оболочки от начальных размеров, а форма деформируемой угловой части оболочки сохраняет форму части окружности.

На первом этапе второй стадии деформирования формируется плоский участок оболочки в окрестности вершины при скольжении без трения относительно обшивки до момента, когда £ = 5* = а - Иу. В дальнейшем происходит симметричное деформирование оболочки относительно новой оси симметрии ОуО' со скольжением материала без трения. Течение материала принимается радиальным на каждом этапе деформирования.

Разработан алгоритм расчета силовых и деформационных параметров исследуемого технологического процесса и программное обеспечение для персонального компьютера 1ВМ РС.

Расчеты выполнены для алюминиевого сплава АМг6 при температуре обработки Т = 450 ° С, поведение которого описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости, и для титанового сплава ВТ6С при температуре Т = 930 °С , поведение которого описывается кинетической теорией ползучести и повреждаемости [2].

В результате теоретических исследований установлено, что с ростом относительной высоты прямоугольного канала Ж = И у/ Но осуществляются плавное уменьшение времени разрушения ? *, увеличение предельного радиуса мембраны ру* = ру*/Но и толщины мембраны Н* = Н* / Но в момент разрушения. Показано, что с увеличением п р рост величин ру* и

Н* становится более плавным.

Увеличение величин п р и ар приводит к уменьшению времени

разрушения ? * и увеличению относительного предельного радиуса закругления мембраны р * и толщины мембраны Н*.

Установлено, что с повышением коэффициента анизотропии Яу

при фиксированных значениях Ях предельные величины времени разрушения I*, радиуса закругления ру* и толщины Н* возрастают, причем, тем интенсивнее, чем меньше величина Яу .

Оценена погрешность результатов расчетов предельного времени разрушения I* и половины предельного угла раствора дуги а*, вычисленных в предположении протекания процесса формоизменения в условиях вязкого и вязкопластического течения материала. Установлено, что учет

накопленных микроповреждений значительно оказывает влияние на величину относительного предельного радиуса закругления мембраны ру*. Установлено, что с уменьшением относительной высоты прямоугольного канала Ж влияние учета накопленной повреждаемости юА на предельные

геометрические характеристики мембраны ру* значительно увеличивается.

Полученные результаты исследований использованы при разработке новых технологических процессов изготовления многослойных листовых конструкций с прямоугольными длинными каналами из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов, применяемых в аэрокосмической технике. На рис. 3 показаны элементы двухслойных листовых конструкций с прямоугольными длинными каналами из титанового сплава ВТ6С.

Рис. 3. Элементы двухслойной листовой конструкции с прямоугольными длинными каналами

Новые технологические процессы обеспечивают увеличение удельной прочности в у,5 - 2 раза; уменьшение массы в ^2 раза; снижение трудоемкости в 2 - 3 раза; увеличение КИМ с 0,3 до 0,95.

Работа выполнена по грантам РФФИ, по государственнлму контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-20!3 годы и по гранту Президента РФ для молодых кандидатов наук.

Список литературы

у. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В. А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, !997. 332 с.

2. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2004. 427с.

462

3. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.

S. Larin

THE ISOTHERMAL DEFORMING OF HEATER’S PANELS WITH CYLINDRICAL AND RECTANGLE PROFILES IN THE MODE OF SHORT DURATED CREEPING CONDITIONS

The mathematical model of the isothermal deforming of heater’s panels with cylindrical and rectangle profiles in the mode of short durated creeping conditions are given. The results of theoretical investigations of power circumstances and extreme deformation levels in the process of isothermal deforming of heater’s panels with cylindrical and rectangle profiles in the mode of short durated creeping conditions are shown.

Key words: anisotropy, forming, stress, deformation, short durated creeping, failure,

panel.

Получено 07.06.11

УДК 621.983; 539.374

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

В.И. Платонов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Ю.Г. Нечепуренко, д-р техн. наук, проф.,

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОПЕРАЦИИ РЕВЕРСИВНОЙ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ ИЗ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Приведены результаты теоретических исследований предельных возможностей операции реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из кристаллических трансверсально-изотропных материалов. Выявлено влияние технологических параметров на предельные возможности формоизменения.

Ключевые слова: реверсивная вытяжка, анизотропия, матрица, пуансон, сила, деформация, напряжение, предельные возможности формоизменения.

В работе [1] приведена математическая модель операции реверсивной осесимметричной детали с фланцем с коэффициентом вытяжки md = rn /R на радиальной матрице с прижимом.

Схема процесса реверсивной вытяжки, соответствующая установившейся стадии процесса, приведена на рис. 1.

Рассмотрен вопрос о распределении напряжений и деформаций на операции реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем.

Операция реверсивной вытяжки реализуется в условиях плоского напряженного состояния. Очаг пластической деформации состоит из шести участков.