Раздача с нагревом законцовок трубопроводов

УДК 621.983; 939.974

А.В. Черняев, канд. техн. наук, доц.,

РАЗДАЧА С НАГРЕВОМ ЗАКОНЦОВОК ТРУБОПРОВОДОВ

На основе энергетического метода расчета предложены соотношения для оценки силовых и деформационных режимов раздачи законцовок с нагревом. Выполнены теоретические исследования влияния скорости перемещения и геометрии инструмента, коэффициента раздачи и условий трения на давление и повреждаемость материала при формообразовании законцовок.

Ключевые слова: раздача, вязкость, высокопрочные материалы, давление, температура, повреждаемость.

Двигательные установки ракетно-космической техники имеют сложную систему трубопроводов, соединенных законцовками, расширенными утолщенными краями труб под автоматическую сварку. Законцовки формообразуют давлением, с использованием операции раздачи. Технологическую сложность вызывает формообразование законцовок на тонкостенных трубах из высокопрочных титановых и алюминиевых сплавов. В этих случаях раздачу проводят с индукционным нагревом заготовок. При этом материал проявляет вязкие свойства и существенна зависимость от скорости. Рассмотрим процесс раздачи законцовок в части расчета режимов технологии и предельных степеней формообразования. Будем использовать энергетические методы [1] применительно к полям скоростей перемещений.

В общем случае материал заготовки является вязкопластичным, чему соответствует уравнение состояния

°e = ,

где ae, se, £,e - эквивалентные напряжение, деформация и скорость деформации; A, m, e - константы.

Уравнение (1) отражает состояние упрочнения и разупрочнения в связи с наклепом и вязкостью материала при штамповке с нагревом. Схема операции раздачи показана на рис. 1. Напряженное состояние при этом принимается плоским. В соответствии с экстремальной верхнеграничной теоремой пластичности для рассматриваемой операции справедливо энергетическое неравенство

qSV0 <\°eledW + J

'íтрVk<dSтр.

W 8тр

Здесь q - внешняя (технологическая) удельная сила; хтр - касательное напряжение трения; Vq - скорость движения инструмента; Vk - скорость заготовки на поверхности трения с инструментом; S, S^, W - соответственно площадь поперечного сечения заготовки, площадь поверхности трения, объем зоны деформаций.

Рис. 1. Схема операции раздачи

При радиальной скорости перемещения точек материала по конусу инструмента

Vr = -V)

Ґ r Л-f-1

Го

v r j

эквивалентные скорости деформаций и деформации в этих точках [2]

se = k ln-

r0

где

. 1 + 2R ,

f =--------, k =

1+R

І

2

3

Го, г - соответственно радиус трубы-

заготовки и текущая радиальная координата точки заготовки в зоне деформаций; R - коэффициент анизотропии материала.

Эквивалентные напряжения определяются уравнением состояния

(1) с учетом приведенных выражений в виде

ае

Akm+nV0nr0n(f -1)r - nf

In —

. r0.

m

Полученные выражения позволяют рассчитать мощность внутренних сил, т.е. первый интеграл в неравенстве (2).

Рассмотрим расчет мощности трения заготовки на конусе матрицы. Касательное напряжение трения примем предельным в соответствии с выражением

Sq

хтр = ае COS9,

где Sq - толщина стенки трубы; ф - угол конуса инструмента; ц - коэффициент трения.

Контактная скорость точек заготовки на конусе матрицы

Vk = Vr /sinф.

Полученные выражения при подстановке во второй интеграл неравенства (2) дают оценку мощности трения. В соответствии с этим неравенством получим, что давление при раздаче выражается зависимостью

q

<

мт++ —а+п)а-1)-1v0n (k+ц^ф) f

2sin ф

'0

r z'

1 r1-(1+n)f

r0

v

ln —

ro,

\m

dr.

На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования влияния скорости перемещения инструмента, угла ко-

r

нусности пуансона, коэффициента раздачи, условий трения и коэффициента анизотропии на величину относительного давления при раздаче с нагревом законцовок трубопроводов. Исследования выполнены для алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теориями прочности соответственно. Механические характеристики исследуемых материалов приведены в таблице

[2]. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках

заготовки: г0 = 10 мм; г = 10 мм; 8д = 1 мм; = 7,5 мм; ф = 30°.

Механические характеристики исследуемых материалов

Материал Т, °С CГe0, МПа А, МПа сп т п R С, МПа В

ВТ6С 930 ± 2 38,0 66,80 0,028 0,0582 1,5 0,692 -1,19

АМг6 450 ± 2 26,8 54,34 0,104 0,0263 0,9 15,15 -1,42

На рис. 2 представлены графические зависимости относительного давления д = q / а^0 от скорости перемещения инструмента V при фиксированных значениях коэффициента трения ц на контактных поверхностях инструмента и заготовки.

Анализ графических зависимостей показывает, что при раздаче законцовок с нагревом относительное давление снижается при уменьшении скорости операции и коэффициента трения. Так, с уменьшением скорости перемещения инструмента V от 10 до 0,01 мм/с относительное давление раздачи законцовок падает на 20 % для алюминиевого сплава АМг6 и на 50 % для титанового сплава ВТ6С. Снижение коэффициента трения ц от

0,4 до 0,1 приводит к уменьшению относительного давления на 40...45 % для сплавов АМг6 и ВТ6С.

0,3

0,25

0,2

0,15

ОД

0,01

ц=о,з \ М-=0,4

\

\ц=0Л \Д=0,2

0,1

V

1 мм ¡с. 10

а б

Рис. 2. Графические зависимости Ц от V при раздаче законцовок

из сплавов АМг6

Результаты исследований влияния коэффициента раздачи Кр и угла конусности инструмента ф на величину относительного давления при раздаче законцовок представлены на рис. 3.

i,i

и „ кр— а

1,4

1,5

1Д

1,2 1,3

КР— б

1,4

1,5

Рис. 3. Графические зависимости q от Kp при раздаче законцовок

из сплавов АМг6

Установлено, что увеличение Kp и уменьшение ф приводит к росту относительной силы. При увеличении Kp от 1,1 до 1,5 относительная

сила раздачи законцовок из сплавов АМг6 и ВТ6С возрастает в 4,5 - 5 раз. Увеличение ф от 10 до 40 градусов при неизменных остальных параметрах приводит к снижению относительной силы для рассматриваемых материалов в 5 - 5,5 раз.

Выполнены теоретические исследования влияния коэффициента нормальной анизотропии R на силовые параметры раздачи с нагревом законцовок из алюминиевого и титанового сплавов (рис. 4). Коэффициент анизотропии варьировался в пределах 0,2...2, остальные механические свойства исследуемых материалов соответствуют данным, приведенным в таблице.

1Д

1,2 1,3

КР—

а

1,4

1,5

б

Рис. 4. Графические зависимости д от R при раздаче законцовок из алюминиевого (а) и титанового (б) сплавов

Анализ результатов расчета показывает, что механические свойства материала оказывают существенное влияние на силовые параметры операции раздачи при повышенных температурах. Так, при увеличении Я от 0,2 до 2 относительное давление раздачи алюминиевого и титанового сплавов д снижается на 20.30 %. С увеличением коэффициента раздачи Кр это

влияние проявляется значительнее.

Произведем оценку возможности формообразования, исходя из ресурса пластичности деформируемого материала [2]. Для материалов, предельная деформация которых не зависит от скорости операции, оценка использования ресурса пластичности производится по соотношению

1 8

Ю = 7 ч I" d8e .

(8 е Хд.0 6

Здесь 0 < ю < 1 - показатель, характеризующий использование ресурса пластичности (повреждаемость материала) при деформации 0 < 8е < (8е )пр.;

8е, (8е) - соответственно достигнутая при формообразовании в опасной

точке заготовки эквивалентная деформация и ее предельная величина.

Предельная эквивалентная деформация определяется выражением

,ст0

(є е Ь = С ехр

В-

V ае У

где ае, ^0 - соответственно среднее и эквивалентное напряжения в рассматриваемой точке; С, В - константы разрушения материала при данной температуре, приведенные в таблице.

Опасными в части разрушения являются внешние краевые точки заготовки. Предполагается, что при раздаче в краевых точках трубы осуществляется окружное растяжение

2ае

а1 =~^е, ^2 =^3 = 0

и, следовательно

_ 2^е ^0 _ 2

0 = з43, ае _ з43'

Для материалов, проявляющих при деформировании зависимость от скорости, использование ресурса пластичности определяется уравнением

1 1

Ю = ----¡°е^ .

Ад. 0

Здесь повреждаемость материала 0<ю< 1 соответствует времени деформирования 0 < t < tnр ; I , 1Пр - текущее и предельное время соответственно;

Апр - удельная работа к моменту разрушения (исчерпания пластичности).

Удельная работа разрушения выражается

Агд = с' ехР

В'

а0

а

где С', В' - константы материала, приведенные в таблице.

Расчетные результаты получены для раздачи алюминиевого сплава АМг6 при 450 °С, повреждаемость которого зависит от скорости деформирования, и титанового сплава ВТ6С при 930 °С, который не проявляет зависимости от скорости.

На рис. 5 представлены графические зависимости повреждаемости материала ю от скорости перемещения инструмента V и коэффициента раздачи Кр при раздаче законцовок из алюминиевого сплава АМг6. Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением скорости перемещения пуансона от 0,01 до 10 мм/с повреждаемость материала возрастает в

2 раза. Увеличение Кр от 1,1 до 1,4 приводит к значительному росту повреждаемости.

Результаты расчета повреждаемости титанового сплава ВТ6С в зависимости от коэффициента раздачи Кр и коэффициента анизотропии R

приведены на рис. 6. Установлено, что при увеличении R от 0,2 до 2 повреждаемость сплава ВТ6С возрастает на 20 %. С увеличением Кр наблюдается существенный рост повреждаемости.

1,0 0,8

0,6

и0’4 0,2

0,0

1 ¥=10 мм ¡с , \

\ У=1мм/с \ 1 \ \

Г=0Л мм /с \Х \ ч/

ОМ мм ¡с.

1.1

1ДА'

1,3

1,4

Рис. 5. Графические зависимости ю от V и Кр при раздаче

законцовок из сплава АМг6

1Д

!,2 1,3

КР~

1,4

1,5

Рис. 6. Графические зависимости ю от Кр и R при раздаче

законцовок из сплава ВТ6С

Для титанового 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 алюминиевого 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, чем у сплава ВТ6С.

Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Список литературы

1. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов / В.А. Голенков [и др.]; под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.

2. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С.С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.

A. Chernyaev

The hot flaring of the pipe installation’s tippings

On the basis of energetic computational method correlation the correlations for estimating ofpower and deformation circumstances ofpipe installation’s tippings hot flaring are proposed. The theoretical investigations of the instrument’s geometry and velocity, flaring ratio ant contact surfaces tribological conditions on the pressure and material’s damageability in the process of tippings forming were established.

Key words: flaring, viscosity, high strength materials, pressure, temperature, damageability.

Получено 04.08.10