Оценка повреждаемости материала при изотермической отбортовке отверстий в листовых анизотропных заготовках

УДК 621.7.043

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАТЕРИАЛА

ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОТБОРТОВКЕ ОТВЕРСТИЙ В ЛИСТОВЫХ АНИЗОТРОПНЫХ ЗАГОТОВКАХ

А.В. Черняев, М.В. Корнюшина

Приведены результаты теоретических исследований повреждаемости материала в операции изотермической отбортовки отверстий в листовых анизотропных заготовках из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Установлено влияние скорости перемещения пуансона, анизотропии механических свойств материала заготовки и степени деформации на величину накопленной повреждаемости материала при деформировании заготовок из алюминиевых и титановых сплавов.

Ключевые слова: кратковременная ползучесть, анизотропия, отбортовка, повреждаемость, деформация, упрочнение.

В работе [1] приведены основные уравнения и соотношения для анализа операции изотермической отбортовки отверстий в листовых заготовках с наклонным фланцем из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести (рис. 1). Детали с наклонным фланцем из алюминеивых и титановых сплавов находят применение в современном авиастроении и ракетостроении, являясь заготовками для горловин баков, переходников, соединительных элементов трубопроводов и.т.д.

Детали, входящие в изделия авиационной техники, должны обладать минимальным весом при обеспечении требуемой жесткости. Кроме того, к ним предъявляются высокие требования по степени использования ресурса пластичности. Поэтому вопросы оценки повреждаемости изделий ответственного назначения весьма актуальны.

Рис. 1. Схема операции отбортовки

Теоретические исследования процессов изотермической отбортовки заготовок из трансверсально-изотропных материалов предложено выполнять на основе теории кратковременной ползучести. Расчет силовых режимов осуществлен исходя из экстремальной верхнеграничной теоремы с учетом деформационного и скоростного упрочнения [2].

Материал заготовки принимается трансверсально-изотропным, подчиняющимся уравнению вязкопластического состояния [3]

е = Ает * ХП ,

где ае, ее, Хе - эквивалентные напряжения, деформации и скорости деформаций в заданных точках зоны деформаций; А, т, п - константы материала.

Для оценки повреждаемости материала заготовки при формообразовании использовались уравнения энергетической и деформационной теории прочности в следующем виде [3]:

= ; ю = —-1—\Xedt.

Апр (ее )пр г

Здесь (ее )пр и Апр — предельные величины эквивалентной деформации и удельная работа разрушения материала:

(ее )пр = С1ехР

Г \

в,

V °е у

Апр = С2 ехР

Г \

В °°

В2-

V °е у

где о° — среднее и напряжение в рассматриваемой точке; С,, С2, И,, И2 — константы разрушения материала при данной температуре, приведенные в таблице [3].

Константы разрушения исследуемых материалов

Материал Т ,°С С, И, С2, МПа В 2

Титановый сплав ВТ6С 93° ± 2 2.°76 -1,19 - -

Алюминиевый сплав АМг6 45° ± 2 - - 2°.2°2 -1.421

Алюминиевый сплав АМг6 53° ± 2 - - 1°.1°1 -1.421

На основе приведенных соотношений выполнены расчеты повреждаемости материала при отбортовке отверстий в заготовках из алюминиевого сплава АМг6 при 45° и 53° °С и для титанового сплава ВТ6С при 93° °С. При отбортовке наибольшие деформации приобретают краевые точки отверстия. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках заготовки: гп = 4° мм; г° = 2° мм; 5° = 4 мм; а = 1°°.

На рис. 2 представлены графические зависимости повреждаемости материала ю от скорости перемещения инструмента V и коэффициента отбортовки Ко = гп / г° для патрубков из алюминиевого сплава АМг6 при

температурах 45° и 53° ° С.

0.6

0-5

0.4

0)0,3

ОД

ОД

\Д>2.0

,к0=ь з

ч °

____Г— К0=Ь6 —

\ К0=1А

0.01

од

мм/с

10

а

б

Рис. 2. Графические зависимости w от V: а - сплав АМг6

Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость материала возрастает на 16...20 %. Увеличение Ко от 1,4 до 2,0 приводит к росту повреждаемости на 60 %.

Выполнены теоретические исследования влияния анизотропии механических свойств материала заготовки на повреждаемость титанового сплава ВТ6С в зависимости от коэффициента отбортовки Ко и коэффициента анизотропии R, результаты которых приведены на рис. 3. Установлено, что при увеличении R от 0,2 до 2 повреждаемость увеличивается на 8 %. С увеличением Ко наблюдается рост повреждаемости на 50 %.

ors 0,7

0,5 0,4 (U

со

R=1.0 1 \ г=2.о ^

\я=с ,2

1,4

1,6

к\

1,8

Рис. 3. Графические зависимости w от Ко

для сплава ВТ6С

58

На рис. 4 представлены графические зависимости повреждаемости материала ю от скорости перемещения инструмента V и коэффициента анизотропии Я при отбортовке патрубков из алюминиевого сплава АМг6

при температурах 450 и 530 ° С. Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость материала возрастает на 15...20 %. Установлено, что при увеличении Я от 0,2 до 2 повреждаемость увеличивается на 15...25 %.

0,7

0.Ё

05 0.5

0.4

R=2,0 \

R= 0.2 \ R=1.0

0,01 0,1 1 чм/с 10 Г--

а б

Рис. 4. Графические зависимости w от V (Ко = 2):

а - сплав АМг6

Для сплава ВТ6С при рассмотренной температуре обработки предельная деформация и использование ресурса пластичности определяются механическими характеристиками материала, конечной деформацией и схемой напряженного состояния независимо от скорости операции.

Для сплава АМг6 использование ресурса пластичности и, следовательно, предельная степень формоизменения определяются, кроме того, скоростью штамповки. Использование ресурса пластичности при той же конечной степени формообразования увеличивается с повышением скорости операции. При пониженных скоростях могут быть достигнуты большие конечные деформации, так как ресурс пластичности остается более высоким.

Таким образом, показано, что при изотермической отбортовке отверстий в режиме кратковременной ползучести повреждаемость материала, а, следовательно, и качество изделия зависят от температурно-скоростных условий обработки, что необходимо учитывать при разработке техпроцессов.

Повреждаемость заготовки рассчитывается по уровню накопленных деформаций на всех этапах отбортовки, что дает возможность прогнозировать разрушение и подбирать те технические режимы, которые позволяют получить деталь заданного качества.

Список литературы

1. Чудин В.Н., Яковлев С.С., Корнюшина М.В. Математическая модель операции отбортовки отверстия в листовых анизотропных заготовках в режиме кратковременной ползучести // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 4. С. 66-77.

2. Черняев А.В., Чудин В.Н., Корнюшина М.В. Силовые режимы изотермической отбортовки отверстий в листовых анизотропных заготовках // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 10. Ч.1. С. 173-177.

3. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я.А. Соболев. М: Машиностроение^; Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 427 с.

Черняев Алексей Владимирович, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Корнюшина Мария Владимировна, асп., mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

EVALUATION MATERIAL DAMAGE DURING ISOTHERMAL EYELET HOLES IN SHEET ANISOTROPIC WORKPIECE

A. V. Chernyaev, M. V. Kornyushina

The results of theoretical research material damage in the operation of the isothermal flange holes in the sheet metal blanks of high anisotropic materials in the short-term creep mode. The influence of the speed of movement of the punch, the anisotropy of the mechanical properties of the workpiece material and the degree of deformation on the accumulated amount of damage to the material during the deformation of billets of aluminum and titanium alloys.

Key words: short-term creep, anisotropy, flanging, defect, deformation, hardening.

Chernyaev Aleksey Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kornyushina Mariya Vladimirovna, postgraduate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University