Анализ напряженно-деформированного состояния при изотермическом обратном выдавливании прутковых заготовок

УДК 621.771

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ОБРАТНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ ПРУТКОВЫХ ЗАГОТОВОК

А.А. Пасынков, О.Ю. Гурова

Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния заготовки процесса обратного выдавливания прутковой заготовки в изотермических условиях на базе конечно-элементное моделирования. Выявлено влияние технологических параметров на величины напряжений и деформаций в процессе обратного выдавливания.

Ключевые слова: обработка давлением, обратное выдавливание, изотермические условия, напряжения, деформации.

Для изготовления корпусных изделий ответственного назначения актуально применение процесса обратного выдавливания прутковой заготовки. В статье рассмотрен процесс получения цилиндрических пустотелых изделий методом изотермического выдавливания [1-3]. Ввиду жестких требований к качеству получаемых изделий требуется обоснование условий их получения. Рассмотрим процесс обратного изотермического выдавливания прутковой заготовки в матрице цилиндрического поперечного сечения [4,5]. На рис. 1 представлены расчётные схемы исследуемого процесса.

а б

Рис. 1. Схемы обратного выдавливания а - без пояска; б - с пояском

Анализ напряженно-деформированного состояния будет выполнять на основе результатов моделировования выдавливания прутковой заготовки при различных технологических параметрах в программном комплексе DEFORM. Предполагалось, что материалом заготовки являлись сплавы ВТ6 и АМг4. Процесс проходит при температурах:

450 °С (АМг4) и 900 °С (ВТ6). Изделие имеет следующие соотношения размеров: г = Вх/Б0 = 66/70 = 0,95; г = Д/ Э0 = 60/70 = 0,85; г = Вх/ В0 = 54/70 = 0,75; г = Вх/ В0 = 44/70 = 0,62.

На рис. 2 и 3 представлены схемы к оценке максимальных по абсолютной величине нормальных напряжений и интенсивностей деформаций, полученные по результатам моделирования процесса выдавливания прутка в холодном сотоянии для величины редукции г = Вх/ В0 = 60/70 = 0,85.

АМг4 ВТ6

Рис. 2. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии при холодном деформировании г = 0,85

АМг4 ВТ6

Рис. 3. Схемы к оценке интенсивностей деформаций в изделии при холодном деформировании г = 0,85

Из полученных схем видно, что как для титанового, так и для алюминиевого сплава характерны значительные сжимающие напряжения -3600 МПа для алюминия и 5000 МПа для титана. Величины интенсивностей деформаций для холодного деформирования в целом незначительны. Большие величины напряжений требуют корртектировки технологии. Для чего было выполнено исследование данной операции в изотермических условиях при температурах: 450 и 900 °С. Также менялись условия трения и скорости деформирования.

383

На рис. 4 и 5 представлены схемы к оценке максимальных по абсолютной величине нормальных напряжений и интенсивностей деформаций в изделии в конечный момент деформирования для разных величин редукций алюминиевого сплава. Кроме того анализ напряженно-деформированного состояния велся для разных вариантов геометрии пуансона - с рабочей поверхностью, выполненной в виде пояска, и гладкого пуансона.

без пояска с пояском

г = 0,62

без пояска с пояском г = 0,75

без пояска с пояском без пояска с пояском

г = 0,85 г = °,9

Рис. 4. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии

Анализируя представленные схемы можно сделать выводы о том, что использование скорректированной рабочей поверхности пуансона ведет к незначительному снижению величин напряжений (не более 8 %). Однако деформации при использовании такого пуансона заметно снижаются (40...50%). Так же следует отметить, что при изотермической штамповке напряжения заметно меньше (в два раза меньше для растягивающих и в 6 раз для сжимающих напряжений). Однако деформации несколько больше для случая изотермической штамповки. Это обусловлено характером течения металла по инструменту. Но при использовании пуансона с пояском деформации на 15 % меньше по сравнению с холодной штамповкой. Следует отметить так же нелинейный характер изменения исследуемых напряжений и деформаций при изменении редукции. При меньшем из рассматриваемых вариантов исследуемые напряжения и деформации не-

сколько больше чем при редукции, равной 0,75. Однако потом начинается рост максимальных по абсолютной величине нормальных напряжений и деформаций с ростом редукции.

без пояска с пояском

г = 0,62

без пояска с пояском г = 0,75

без пояска

с пояском

без пояска с пояском

г = 0,85 Г = 0,9

Рис. 5. Схемы к оценке интенсивностей деформаций в изделии

На рис. 6, 7 представлены схемы к оценке максимальных по абсолютной величине нормальных напряжений и деформаций в изделии в конечный момент времени для величины редукции г = В\/ П0 = 60/70 = 0,85, различных коэффициентов трения и скоростей перемещения пуансона для сплавов АМг4 и ВТ6.

Анализ напряженного состояния изделия показал, что растягивающие напряжения с уменьшением скорости деформирования с 10 мм/с до 1 мм/с несколько увеличиваются для сплава АМг4 (450 °С), примерно на 5 %. Для титанового сплава (900 °С) они уменьшаются на 70%. Снижение коэффициента трения ведет к двукратному снижению напряжений для всех рассматриваемых случаев.

Анализ деформированного состояния изделия показал, что изменение скорости деформирования и коэффициента трения не оказывает заметного влияния на интенсивности деформации при обратном выдавливании. В общем разница в величинах деформации для разных случаев составляет не более 15%.

Stress - Max principal

Stress - Max principal

Stress - Max principal

В

V = 10 мм / с V = 1 мм / с m = 0,25, сплав АМг4

V = 10 мм/с

V =1 мм / с

m = 0,05, сплав АМг4

Stress - Max principal

H

Stress - Max principal

Stress - Max principal

У

V = 10 мм / с V = 1 мм / с m = 0,25, сплав ВТ6

V = 10 мм/с V = 1 мм J с m = 0,05, сплав ВТ6

Рис. 6. Схемы к оценке максимальных напряжений в изделии

Strain - Effective

В

Strain - Effective

В

V = 10 мм/с V = 1 мм J с m = 0,25, сплав АМг4

Strain - Effective

Strain - Effective

V = 10 мм/с V = 1 мм J с

jLX = 0,05, сплав АМг4 10.0

^H ЯП Я

п

U

V = 10 мм / с V = 1 мм / с m = 0,25, сплав ВТ6

V = 10 мм / с V = 1 мм / с m = 0,05, сплав ВТ6

Рис. 7. Схемы к оценке интенсивностей деформаций в изделии

386

Следует отметить, что при изготовлении изделий из трудно деформируемых цветных сплавов рационально использование изотермического деформирования в целях снижения напряжений, действующих в заготовке в момент деформирования. Так же имеет смысл в снижении контактного трения путем обеспечения меньшей поверхности соприкосновения инструмента с заготовкой.

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 20-08-00541.

Список литературы

1. Чудин В.Н., Пасынков А.А. Нестационарные процессы изотермической штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2018. №6. С. 23-28.

2. Черняев А.В., Чудин В.Н., Тесаков Д.М. Последовательно-совмещенная вытяжка заготовки при вязко-пластическом деформировании // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2019. № 1 (91). С. 3-7.

3. Ларин С.Н., Платонов В.И., Коротков В. А. Проектирование матрицы для вытяжки материалов, обладающих плоскостной анизотропией механических свойств // Цветные металлы. 2018. №7. С. 83-87.

4. Новые ресурсо- и энергосберегающие технологические процессы изготовления деталей методами обработки давлением / А.Э. Артес, Е.Н. Сосенушкин, В.В. Третьюхин, А.А. Окунькова, Т.В. Гуреева // Вестник машиностроения. 2013. №5. С.72-74.

5. 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.

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

Гурова Ольга Юрьевна, студент, olya-gurova-2016@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF STRESSED-DEFORMED STATE WITHISOTHERMIC REVERSE

EXTRUSION OF BAR BARS

A.A. Pasynkov, O.Yu. Gurova

The analysis of the stress-strain state of the workpiece of the process of reverse extrusion of bar stock under isothermal conditions on the basis of finite element modeling is performed. The influence of technological parameters on the values of stresses and strains in the process of backward extrusion is revealed.

Key words: pressure treatment, back extrusion, isothermal conditions, stress, strain.

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

Gurova Olga Yurievna, student, olya-gurova-2016@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University