Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 621.983 Формообразующие операции. Профильное прессование листа, ленты, полосы. Холодная разгонка. Глубокая вытяжка. Выдавливание на давильных станках. Обтяжка
УДК 539.374 Пластическая и вязкая деформации. Текучесть. Деформации вязких жидкостей. Свойства твердых тел, нековких в холодном состоянии
Рассмотрены процессы раздачи и обжима с нагревом заготовок в условиях вязко-пластичности. Получено соотно-шение для расчета напряжений сил операций, повреждаемости материала заготовок. В отраслях специального ма-шиностроения используются высокопрочные сплавы на основе титана и алюминия. Данные сплавы имеют анизотро-пию механических свойств. Обработка этих сплавов затруднительна. По этой причине операцию обработки давле-нием производят с нагревом зоны деформаций. Материал в зоне деформаций проявляет вязкие свойства. Происхо-дит одновременно деформационное упрочнение и разупрочнение (релаксация напряжений) материала, причём, разупрочнение тем больше, чем меньше скорость деформирования. В этой связи принято уравнение состояния, отоб-ражающее эти процессы. Фактор упрочнения и разупрочнения создает условия для снижения силового режима опе-раций обработки давлением и повышение степени формоизменения исходной заготовки. Учёт релаксации напряже-ний с помощью аналитических зависимостей необходим на этапе разработки процессов раздачи и обжима. Расчет-ные соотношения записаны в функции скорости этих операций. При этом учитывается заданная деформация (сте-пень формоизменения), которые корректируются в зависимости от скорости и механических характеристик анизо-тропии исходного материала. Расчётные соотношения получены при плоской схеме напряжений, что соответству-ет раздаче и обжиму. Использовано уравнение равновесия в напряжениях и условие текучести анизотропного мате-риала. Совместные решения этого уравнения и условия текучести устанавливает величины меридиональных и окружных напряжений, возникающих в материале заготовки. Величины напряжений позволяют рассчитать силы операций. Показано, что скорость раздачи и обжима и анизотропия механических свойств влияют на повреждае-мость материала деформируемой заготовки. Зависимости для расчёта повреждаемости получены на основе энер-гетического и деформационного критериев прочности. Данные зависимости позволяют прогнозировать качество изделий. Показано также, что анизотропия влияет на технологические режимы раздачи и обжима. При увеличении коэффициента анизотропии напряжения и силы операций уменьшаются. Произведены расчёты напряжений, сил и повреждаемости материала при раздаче анизотропного титанового сплава ВТ14 при 875 ℃.
анизотропия, вязко-пластичность, скорость, деформации, напряжения, сила, повреждаемость материала
Процессы раздачи и обжима труб применяются в обработке давлением [1, 2]. Заготовки из высокопрочных материалов обрабатывают при изотермическом нагреве зоны деформаций с регламентированной скоростью формоизменения [3]. При этом материал заготовки проявляет вязкие свойства [4, 5], деформационное упрочнение сопровождается разупрочнением (релаксацией напряжений). Релаксация увеличивается при низких скоростях операций, что приводит к уменьшению силового режима раздачи и обжима. Скорость формоизменения заготовки и анизотропия механических характеристик материала являются одними из факторов технологии, влияющими на режим операции в части допустимых степеней формоизменения, сил, повреждаемости материала заготовки [6 – 8]. Учёт этих факторов позволяет проектировать оптимальные процессы обработки металлов давлением.
Материалы и методы решения задачи с нагревом
Рассмотрим расчеты технологических режимов раздачи и обжима с нагревом. Схемы этих процессов приведены на рис. 1.
При плоском напряженном состоянии анизотропного материала на конусе оснастки эквивалентные деформация, скорость деформаций и напряжение выражаются соотношениями [8, 9]:
коэффициенты, учитывающие анизотропию материала заготовки; R – коэффициент анизотропии; r0, r – радиус заготовки и текущий радиус на конусе; v0 – скорость раздачи; A, m, n – константы материала, связанные с деформационным упрочнением и разупрочнением при вязко-пластическом деформировании.
Рассмотрим операцию раздачи, где меридиональное и окружное напряжения соответственно ,
. Система из уравнения равновесия и условия текучести анизотропного материала имеет вид [11]:
Напряжения и сила зависят от степени деформирования и скорости операции. В соответствии с условием несжимаемости материала заготовки
Рассчитаем повреждаемость материала исходной заготовки по уравнениям кинетики повреждаемости [3, 8,11]. Используем выражения (1) и (2) для конической части заготовки. По деформационному уравнению получим:
Разрушение материала краевой части заготовки возможно при . Соотношения (14), (15) позволяют установить критические условия операций по степени деформирования или скорости.
Расчетные данные получены для раздачи краевой части трубы из титанового сплава ВТ14 при 875 ℃. Константы материала: A = 70 МПа; m = 0,1; n = 0,07; Aпр = 630 МПа. Приняты размеры: r0 = 50 мм, r1 = 70 мм, мм;
. Расчетные максимальные сжимающие напряжения, силы раздачи и повреждаемости края заготовки в зависимости от скорости операции приведены в табл. 1.
Обсуждение результатов
Расчетом показано, что напряжения и силы при раздаче и обжиме уменьшаются на 15…20 % в принятом диапазоне скоростей. Снижение силового режима операций связано с релаксацией напряжений, что является проявлением вязких свойств горячего деформируемого материала при медленных внешних нагрузках. При этом снижается повреждаемость материала, что влияет на качество изделий. Увеличение коэффициента анизотропии также способствует уменьшению силы. Относительная толщина края заготовки после раздачи составила при R = 1 и
при R = 2. Край утоняется в меньшей степени при увеличении коэффициента анизотропии.
Процессы раздачи и обжима труб отработаны при изготовлении промышленных изделий из титановых и алюминиевых сплавов. Образцы изделий приведены на рис. 2.
Технологические режимы раздачи и обжима с нагревом в части напряжений, сил, степеней формообразования зависят от упрочнения и ползучести материала заготовок. Фактор ползучести, связанный с релаксацией напряжений, проявляется при низких скоростях операций тем больше, чем меньше скорость формообразования.
1. Ковка и штамповка: Справочник под. ред. Семенова Е.И.: в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка // М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
2. Попов Е.А. Основы теории листовой штампов-ки // М.: Машиностроение, 1978. 278 с.
3. Изотермическое формоизменение анизо-тропных материалов в режиме ползучести / С.С. Яко-влев, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин и др. М., Машинострое-ние. 2009. 412 с.
4. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке метал-лов. М.: Юрайт. 2020. 402 с.
5. Романов К.И. Механика горячего формоизме-нения металлов. М.: Машиностроение, 1993. 240 с.
6. Чудин. В.Н. Процесс горячей раздачи при вяз-ко-пластическом деформировании // Заготовительные производства в машиностроении. 2017. № 5. С. 217-220.
7. Платонов В.И. К расчёту напряжений при раз-даче в условиях вязко-пластичности // Известия Туль-ского государственного университета. Технические науки. 2022. № 8. С. 497-500.
8. Чудин. В.Н. Раздача и обжим труб при вязко-пластическом деформировании // Вестник машино-строения. 2023. № 4. С. 349-352.
9. Чудин. В.Н. Вязко-пластическое растяжение отверстия при отбортовке нагретого листа // Наукоем-кие технологии в машиностроении. 2022. № 10. С. 10-13.
10. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинёв: Квант, 1997. 330 с.
11. Теория обработки металлов давлением. В.А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин и др. / М.Машиностроение. 2009. 442 с.
12. Колмогоров В.А. Механика обработки метал-лов давлением. Екатеринбург. Уральский государ-ственный технический университет. 2001. 836 с.
