Предельные степени деформации на последующих операциях вытяжки осесимметричных деталей из анизотропных материалов в режиме ползучести

УДК 621.983

ПРЕДЕЛЬНЫЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ НА ПОСЛЕДУЮЩИХ

ОПЕРАЦИЯХ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ ПОЛЗУЧЕСТИ

С.С. Яковлев, А. А. Пасынков, Ю.В. Бессмертная, В. А. Булычев

Приведены результаты теоретических исследований предельных возможностей формоизменения на последующих операциях изотермической вытяжки цилиндрических деталей в условиях вязкого течения анизотропного материала. Оценено влияние технологических параметров, анизотропии механических свойств детали и скорости перемещения пуансона на предельные возможности формоизменения.

Ключевые слова: вытяжка, анизотропия, технологические параметры, температура, матрица, пуансон, сила, разрушение, деформация, ползучесть, вязкость, напряжение.

Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных материалов и изготовление деталей со специальными, зависящими от условий эксплуатации характеристиками. К числу наиболее перспективных и принципиально новых технологических процессов, направленных на совершенствование современного производства, относится медленное горячее формоизменение высокопрочных листовых заготовок [1 - 5].

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 [3 - 8].

Вытяжка является одной из наиболее распространенных операций листовой штамповки для изготовления цилиндрических изделий.

Рассмотрено деформирование анизотропного материала в условиях ползучего течения [1 - 5]. Упругими составляющими деформации пренебрегаем.

Уравнения состояния с учетом повреждаемости, описывающие поведение материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, записываются в виде

£ = ; ^ = о£,

/ С А ас у J

(1 -©А) Апр

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

Г \п

t \ „с

S = в

Sl

V°ecy

WC = ,

i Am ' e ec

-Wg) епр

где B, n, m - константы материала, зависящие от температуры испытаний; Xe и se - величины эквивалентной скорости деформации и напряжения при ползучем течении материала [4, 5]; ЛПр, ecenp - удельная работа разрушения и предельная эквивалентная деформация при ползучем течении материала; wg и юЛ - повреждаемость материала при ползучей деформации по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно.

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

Компоненты скоростей деформации Xij определяются в соответствии с ассоциированным законом течения

= ,

где 1 - коэффициент пропорциональности; / (Оу) - потенциал скоростей

деформации анизотропного тела при ползучем течении материала; Оу -

компоненты тензора напряжений.

На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования последующих операций изотермической вытяжки трансверсально-изотропного материала с коэффициентом анизотропии Я в конической матрице (рис. 1). Деформирование осуществляется в режиме ползучести. Допускалось, что процесс вытяжки протекает в условиях плоского напряженного состояния. Очаг пластической деформации разбивался на характерные участки. Предполагалось, что на контактных границах заготовки и рабочего инструмента реализуется закон трения Кулона.

Меридиональные Ор и окружные Од напряжения на участках очага

деформации определяются путем численного решения приближенного уравнения равновесия совместно с тем или иным уравнением состояния в зависимости от того, какая теория ползучести описывает поведение материала - кинетическая или энергетическая, при граничных условиях, заданных в напряжениях. В отличие от известных решений этой задачи в работе анализируется процесс вытяжки анизотропной листовой заготовки с изменением её толщины в процессе формоизменения.

Рис. 1. Схема к теоретическому анализу последующих операций вытяжки через коническую матрицу

Предельные возможности первой операции вытяжки оценивались по максимальной величине осевого напряжения ох в стенке изделия на выходе из очага деформации, которая не должна превышать величины сопротивления материала пластическому деформированию с учетом скоростного упрочнения,

о х £

2

о

3

и допустимой степенью использования ресурса пластичности [9, 10]

ю< 1,

где Я - коэффициент нормальной анизотропии.

Предельные возможности деформирования устанавливались путем численных расчетов по этим неравенствам в зависимости от угла конусности матрицы а = 10...400, условий трения на инструменте т м = 0,05...0,2. С этой целью разработаны алгоритм расчета процесса и программное обеспечение для ЭВМ. Расчеты выполнены для ряда материалов, поведение которых описывается кинетической и энергетической теориями ползучести и повреждаемости. Механические свойства исследуемых материалов приведены в работах [1, 4, 5].

На рис. 2 представлены зависимости предельных коэффициентов вытяжки в зависимости от угла конусности матрицы а для латуни

Л63, поведение которой описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости. Расчеты выполнены при тм = 0,1; Яп = 2; ^о = 1мм; Я = 0,85; И2 = 60мм; Яп = Яп / ¿0; И2 - высота заготовки; Яп - радиус закругления пуансона.

0,80

а 0,74

0,68

0,62

Щ/. "тр

0,56

0,50

1 2 3

6 / /

15 20 25 30 градус 35

а-

Рис. 2. Зависимости изменения шл от а:

"тр

кривая 1 - Уд = 0,15 мм / с; кривая 2 - У0 = 0,1 мм / с; кривая 3 - Уд = 0,05 мм / с

Анализ графических зависимостей и результатов расчета показывает, что с увеличением угла конусности матрицы а и скорости перемещения пуансона У0 предельный коэффициент вытяжки ш^. уменьшается

(рис. 2). Установлено, что изменение условий трения на контактной поверхности матрицы не оказывает существенного влияния на предельный коэффициент вытяжки. Показано, что предельные возможности формоизменения ограничиваются степенью использования ресурса пластичности (ю = 1) для исследованных материалов.

Установлено, что коэффициент нормальной анизотропии Я не оказывает существенного влияния на величину предельного коэффициента вытяжки . Изменение Я от 0,2 до 2 приводит к уменьшению

ы1пр ы1пр

приблизительно на 10 %.

Отдельные результаты теоретических исследований предельных возможностей формоизменения для ряда материалов, поведение которых подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости, и температуры обработки приведены в таблице.

Величины предельных коэффициентов вытяжки ш^.пр

Материал шл 1Л1пр

Сплав ВТ 14 (Т = 950 °С) 0,705

Сплав ВТ14 (Т = 1000 °С) 0,74

Сплав АМг6 (Т = 420 °С) 0,805

Сплав ВТ6С (Т = 930 °С) 0,735

Анализ результатов расчетов показывает, что предельные возможности формоизменения в режиме ползучего течения материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости, не зависят от скорости перемещения пуансона У0 при фиксированном угле конусности матрицы а .

Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания №2014/227 на выполнение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014 - 2020 годы и гранта РФФИ № 14-08-00066 а.

Список литературы

1. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.

2. Романов К.И. Механика горячего формоизменения металлов. М.: Машиностроение, 1993. 240 с.

3. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.

4. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я. А. Соболев. М: Машиностроение, 2004. 427 с.

5. 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.

6. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В. А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 331 с.

7. 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.

8. 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.

9. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: УГТУ, 2002. 329 с.

10. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ 2001. 836 с.

Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Бессмертная Юлия Вячеславовна, канд. техн. наук, ассистент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Булычев Владимир Александрович, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения»

LIMITING DEGREE OF DEFORMATION ON THE SUBSEQUENT OPERATIONS DOME ROTATIONALLY SYMMETRIC PARTS OF ANISOTROPIC MATERIALS UNDER CREEP

S.S. Yakovlev, A.A. Pasynkov, Y.V. Bessmertnaya, V.A. Bulychev

The results of theoretical studies forming limit opportunities for subsequent operations isothermal cylindrical hood-cal parts in a viscous flow of anisotropic material. The effect ofprocess parameters, the anisotropy of mechanical properties of components and speed of movement of the punch to limit the possibility offorming.

Key words: hood, anisotropy, process parameters, temperature, matrix, punch, strength, destruction, deformation, creep, strength, power.

Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Bessmertnaya Yuliya Vyaceslavovna, candidate of technical sciences, assistant, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Bulichev Vladimir Aleksandrvich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, PLC «Central Design Bureau of Apparatus Building»