Совершенствование локальных методов обработки металлов давлением на основании анализа напряженно-деформированного состояния и деформируемости металлов

III ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В

УДК 621.771

Д-р техн. наук И. С. Алиев, канд. техн. наук В. А. Матвийчук Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ НА ОСНОВАНИИ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ МЕТАЛЛОВ

Произведен анализ напряженно-деформированного состояния в зоне локализации очага деформирования при поверхностном пластическом деформировании, торцевой раскатке и вальцовке. Исследовано влияние технологических параметров на накопление поврежденности в материале заготовки и служебные характеристики изделий.

Целью данной работы являлась разработка путей развития и совершенствования локальных методов ОМД на основании анализа НДС, деформируемости металлов и влияния на них активных сил трения на контакте инструмента с заготовкой.

Локализация очага деформации позволяет изготавливать необходимые, в т. ч. крупногабаритные изделия, при относительно небольших усилиях деформирования и использовании оборудования малой мощности. Ограниченная площадь приложения усилий обуславливает гидростатический подпор пластической зоны со стороны прилежащих слоев деформируемого материала, что создает благоприятное напряженно-деформированное состояние (НДС) непосредственно в очаге деформации. Вместе с тем НДС деформируемой заготовки в целом зависит от схемы деформирования и характера течения металла, обусловленного направлением движения инструмента и активными силами трения в зоне контакта

К факторам, ограничивающим технологические возможности большинства локальных методов ОМД, относятся, прежде всего, разрушение деформируемого материала, потеря устойчивости заготовки и возникновение неблагоприятных контактных напряжений, снижающих стойкость оснастки и возможность получения точных изделий. Кроме того, значительный интерес представляет решение проблемы обеспечения заданных служебных характеристик изделий, которые также преимущественно зависят от НДС и величины накопленных микроповреждений в деформируемом металле.

Рассмотрим возможные пути совершенствования локальных методов ОМД на примере процессов поверхностного пластического деформирования (ППД), холодной торцевой раскатки (ХТР) и вальцовки.

ППД применяется для формирования необходимых служебных характеристик поверхностного слоя и готовых изделий путем попеременного локального внедрения или обкатки заготовки инструментом. Для исследования НДС пластической области отпечатков, при вдавливании в заготовку шарика (осе симметричная задача) и ролика (плоская задача), нами использован метод координатных делительных сеток [1]. По результатам обработки экспериментальных данных в пластической области отпечатков были построены изолинии интенсивности деформаций ен , напряжений аи,

и показателя напряженного состояния п = 3а / аи , где а - среднее напряжение (рис. 1).

Анализ полученных результатов показал, что интенсивность деформаций на поверхности отпечатка составляет всего лишь 50-80 % от максимальной, которая наблюдается вблизи оси симметрии отпечатка на глубине И « 0,1ё (где ё - диаметр отпечатка). Это объясняет характер разрушения металлов при ППД в виде шелушения и отслоения частиц поверхностного слоя.

При произведении инженерных расчетов максимальную интенсивность деформаций в области отпечатка можно определить из соотношения вГх ~ (0,4 - 0,5)ё / Б, а глубину пластической области -ИЕ = (1,4 - 1,6)ё , где Б - диаметр шарика. Таким

© И. С. Алиев, В. А. Матвийчук, 2009

54

Рис. 1. Характер распределения в пластической области отпечатка изолиний pq[= const, ^s^ = const по результатам метода

координатных делительных сеток

образом, если необходимо сформировать тонкий, сильно упрочненный слой, то следует использовать деформирующие тела малых диаметров с большей относительной глубиной их вдавливания, назначая много переходный процесс. При необходимости формирования умеренно упрочненного поверхностного слоя большой глубины, следует назначать мало переходный процесс деформирования телами относительно больших диаметров.

Деформация при ППД является немонотонной. На основании повторения комбинации двухэтапного деформирования, определенной из анализа НДС отпечатков, с использованием тензорно-нелинейной модели накопления повреждений, получено соотношение для расчета накопленного ресурса пластичности уи при ППД [2].

Установление факта, что максимальное накопление деформаций, разуплотнение и разрушение металлов происходит на некоторой глубине под поверхностью изделия определяет пути совершенствования процессов ППД. Для повышения служебных характеристик изделий необходимо ограничивать величину использованного ресурса пластичности и применять технологические приемы, смещающие области с максимальной деформацией, а следовательно, и с максимальной твердостью и остаточными сжимающими напряжени-

ями к поверхности. К таким приемам можно отнести: использование на заключительных этапах ППД тел деформирования меньших размеров; использование эффективной смазки для уменьшения сил трения; обеспечение силы действия инструмента под углом к поверхности, для уменьшения размеров застойных зон; использование абразивных примесей для срезания

образованных гребешков и приближения зон е^1^ к

поверхности и пр.

ХТР позволяет производить изделия сложного профиля с высокой точностью и чистотой поверхности при высокой производительности процесса [3]. В случае ХТР, как и при ППД, имеет место локальное деформирование. Однако деформирование при ХТР отличается от ППД тем, что здесь инструмент (цилиндрический или конический валок) имеет относительно большой диаметр и, вращаясь, деформирует заготовку в направлении или под некоторым углом к ее оси на значительную глубину (рис. 2).

Характер распределения НДС в зоне контакта валка с заготовкой, полученный путем моделирования процесса высадки раскаткой на свинцовых заготовках бурта поляризационно-оптическим методом, представлен, для средней части высаживаемого бурта на рис. 3.

Рис. 2. Характер распределения в в сечении наружного бурта трубчатой заготовки из стали 30ХГСА параметров Q = const, [oU = const по результатам измерения твердости

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2009

55

Таким образом, нормальные напряжения ах и ау

в зоне контакта валка с заготовкой сжимающие. При этом напряжение а у изменяется от нуля на входе в

контакт и на выходе из контакта, до значений аШах = (2 - з)а ^ в промежуточных точках дуги контакта. Показатель напряженного состояния достигает значений п = -2 в зоне максимальных напряжений. На характер распределения показателя п по ширине бурта (рис. 2) существенно влияют активные силы трения, обусловленные величиной и направлением смещения 5 вершины конического валка по отношению к центру вращения заготовки, а также углом наклона валка а (рис. 4).

Увеличение угла наклона валка а и величины смещения его вершины в направлении пятна контакта

(+5) увеличивает интенсивность центробежного течения приконтактных слоев материала заготовки. В результате при свободной высадке буртов происходит отход материала периферийных участков от контакта с валком в виде утяжки. Впоследствии деформирование периферийных участков бурта происходит в жестких условиях раздачи, за счет внедрения валка на его срединных участках.

0,2 0,4 0,6 0,8 В:

Рис. 4. Характер распределения показателя напряженного

состояния по ширине бурта: - при 5 = 0, при < 0;--- - при 5 < 0

На рис. 5 представлены диаграммы пластичности металлов и пути деформирования частиц свободной периферийной поверхности буртов, полученные с использованием метода делительных сеток. Из рис. 5 наглядно видно влияние величины относительного смещения валка на предельную деформацию. Уменьшая исходную высоту деформируемого участка заготовки

И0 и величину смещения валка 5 , можно существенно повысить предельные до разрушения деформации.

Оценка деформируемости материала заготовок при раскатке [4], произведенная с использованием феноменологической теории разрушения [5], позволила определить предельные до разрушения размеры заготовки, а также величину использованного ресурса пластичности на промежуточных стадиях раскатки для

участков с етах и свободной поверхности бурта.

Вальцовка, представляющая собой разновидность продольной прокатки, является одной из основных операций технологического процесса изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Вальцовка компрессорных лопаток относится к нестационарным процессам с локальным очагом деформации. Холодной вальцовке подвергаются трудно деформируемые малопластичные сплавы, что делает анализ НДС и оценку деформируемости материала заготовок особенно актуальным. Не менее актуальным является также оценка технологического наследия процесса вальцовки, поскольку изделия работают в агрессивной среде при повторно-переменной нагрузке.

Расчет НДС материала заготовок при вальцовке производили по результатам измерения координатно-делительной сетки и экспериментально полученных значений функций тока. Построение аппроксимаций функций тока, удовлетворяющих всем граничным условиям, а также определение по полученной кинематике деформирования напряженного состояния, осуществляли с помощью методики, основанной на теории ^-функций [1]. На рис. 6 представлен характер

1,5 -1,25 -1,0 -0,75 -0,5 -0,25 о 0,25 0,5 0,75 1,0 Г|

Рис. 5. Диаграммы пластичности сталей и пути деформирования )  свободной поверхности периферийной

части буртов, высаживаемых раскаткой

= со/^ [ЛЦ = сопбГ

Рис. 6. Характер распределения интенсивности деформации и показателя напряженного состояния в продольном сечении

очага деформации срединного сечения заготовки при вальцовке

распределения значений ен и п в зоне очага деформации срединного продольного сечения лопатки с обжатием заготовки 35 %.

Как следует с рис. 6, показатель п изменяется от величин п = 1 на входе в очаг деформации до значений п = -3... - 5 в зоне наибольших обжатий. Деформации распространяются на всю толщину заготовки, однако на поверхности контакта наблюдаются застойные зоны, обусловленные контактным трением.

Исследование НДС на поверхности заготовок с помощью метода сеток показало, что его характер по перу заготовки лопатки существенно зависит от формы припуска. При эквидистантном припуске интенсивность деформаций в поперечном сечении имеет наибольшее значение у боковых кромок лопаток. Обжим в поперечном сечении начинается у кромок и распространяется к средине лопатки. Такой характер фор-

моизменения создает гидростатический подпор течению металла. И хотя у кромок наблюдается наибольшая в поперечном сечении интенсивность деформаций, однако здесь имеет место относительно «мягкая» схема НДС (п = -0,5... -1,0).

В случае пропорционального припуска, интенсивность деформаций в поперечном сечении заготовки распределяется равномерно. При этом внедрение валка начинается в средней части сечения, что приводит к первоначальному удлинению срединных по ширине участков заготовки. По мере увеличения степени обжатия, продольные напряжения от удлинения средней части заготовки достигают такого уровня, что вызывают растяжение частиц вблизи кромок. В итоге у кромок появляется полоска утяжки не контактирующего с валками металла (п = 0,5... 1,0), на которой даже при незначительных степенях деформации возникают трещины (рис. 7).

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2009

57

Рис. 7. Преимущественное удлинение срединных по ширине участков заготовки, появление утяжки и трещин вблизи кромки при назначении пропорционального припуска

В результате проведенной оценки деформируемости заготовок получены выражения для определения использованного ресурса пластичности [6]. Изготовленные вальцовкой заготовки испытывали на статический изгиб и выносливость. Испытания на изгиб подтвердили достоверность расчетов по определению остаточного ресурса пластичности при вальцовке [7]. Испытаниями на выносливость установлено, что усталостные свойства материала сохраняются до значений

\ < и 0,4 . Поэтому наиболее нагруженные при эксплуатации участки лопатки, отстоящие на 1/3 ее длины от замка, не должны превышать указанных значений.

В случае превышения указанных предельных значений использованного ресурса пластичности следует проектировать многопереходный процесс вальцовки с назначением промежуточной термообработки. Согласно проведенным исследованиям, применяемая термообработка полностью снимает накопленную по-врежденность при величине использованного ресурса пластичности \ < 0,4. Максимальный восстановленный ресурс пластичности для материала, деформированного до значений \ > 0,7 , составляет \в и 0,5 . Превышение значений \ > 0,75 ведет к резкому увеличению остаточной поврежденности, не залечиваемой термообработкой.

Разработанные на основании проведенных исследований НДС и оценки деформируемости материала заготовок рекомендации позволили интенсифицировать процессы ППД, ХТР и холодной вальцовки. Полученные в результате совершенствования локальных процессов изделия обладают повышенными служебными характеристиками.

Выводы

В случае локального деформирования очаг внедрения инструмента в заготовку характеризуется «мягкой» схемой напряженного состояния. Показатель напряженного состояния изменяется от значений

П = -4... -5 в центре очага деформации до п = 0...1 у его края. Основное накопление деформации происходит при отрицательных значениях показателя п. Однако при деформировании заготовки путем последовательного смещения локального очага деформации, напряженное состояние всего деформируемого объема существенно зависит от формы заготовки и действия активных сил трения на контакте. Изменяя форму припуска и направление активных сил трения на контакте инструмента с заготовкой, можно избежать появления утяжек и обеспечить гидростатический подпор, необходимый для замедления процесса накопления поврежденности материала.

Перечень ссылок

1. Рвачев М. А. Применение метода .-функций для экспериментально-расчетного исследования напряженного состояния и деформируемости в осесимметричных процессах ОМД / М. А. Рвачев, В. Д. Покрас // Изв. Вузов. Черная металлургия. - 1991. - № 11. - С. 59-60.

2. Анализ деформируемости металлов при поверхностном упрочнении деталей / [В. А. Матвийчук, В. П. Егоров,

B. М. Михалевич, В. Д. Покрас] // Кузнечно-штампо-вочное производство. - 1990. - № 10. - С. 10-13.

3. Экономические методы формообразования деталей / [под ред. К. Н. Богоявленского, В. В. Риса]. - Л., 1984. -144 с.

4. Матвийчук В. А. Оценка влияния технологических параметров процесса ХТР на деформируемость заготовок / В. А. Матвийчук, И. А. Васянович // Электронная техника. - 1985. - Сер. 4, вып. 6. - С. 42-45.

5. Огородников В. А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением / В. А. Огородников. - К. : Вища школа, 1983. - 175 с.

6. Матвийчук В. А. Разработка процессов изготовления компрессорных лопаток с заданными служебными характеристиками / В. А. Матвийчук / Вюник Донбасько! державно! машинобущвно! академи. - 2006. - № 1 (3). -

C. 32-36.

7. Матвийчук В. А. Анализ поврежденности металла и оценка качества компрессорных лопаток, изготовленных холодной вальцовкой / В. А. Матвийчук, И. Г. Савчинский // Металлообработка. - 2007. -№ 4(40). - С. 26-29.

Одержано 21.10.2008

Проведено анал1з напружено-деформованого стану в зон локал1зацП осередку деформування при поверхнево пластичному деформувант, торцевому розкочуванш i вальцювант. До^джено вплив технологiчних параметрiв на накопичення ушкоджуваностi в матерiалi заготовки i службовi характеристики виробiв.

The analysis of the strained-deformed state in the localization area of the deformation centre during surface plastic deformation, expansion and rolling was done. The influence of technological parameters on the deformability accumulation in the billet material and service characteristics of products is researched.