Moskva, Moscow, Russian Federation
UDK 621.983 Формообразующие операции. Профильное прессование листа, ленты, полосы. Холодная разгонка. Глубокая вытяжка. Выдавливание на давильных станках. Обтяжка
UDK 539.374 Пластическая и вязкая деформации. Текучесть. Деформации вязких жидкостей. Свойства твердых тел, нековких в холодном состоянии
The processes of spread and reduction of a heated rough piece under visco-plasticity conditions are viewed. The ratio for force stress calculating in operations, damage to the material of the rough pieces is obtained. In the branches of special en-gineering, high-strength alloys based on titanium and aluminum are used. In the branches of special engineering, high-strength alloys based on titanium and aluminum are used. These alloys have mechanical properties anisotropy. Processing of these alloys is difficult. For this reason, the pressure treatment operation is performed with heating of the deformation zone. The material in the deformation zone exhibits viscous properties. Deformation hardening and softening (stress relaxa-tion) of the material take place simultaneously. Besides, the lower the deformation rate, the greater the softening. In this regard, a constitutive equation representing these processes is found. The factor of hardening and softening creates condi-tions for reducing the power mode of pressure treatment operations and increasing the degree of primary part forming. Stress relaxation calculation with the help of analytical dependencies is necessary at the stage of expansion and pressing development. The calculated ratios are recorded as a function of the speed of these operations. In this case, the specified deformation (the change in the degree of forming) is taken into account, adjusted depending on the speed and mechanical characteristics of the bearing alloy anisotropy. The calculated ratios are obtained under conditions of a flat voltage scheme, which corresponds to expansion and pressing. Stress equilibrium equation and yield condition of anisotropic material are used. The joint solutions of this equation and yield conditions determine values of the meridional and circumferential stress-es arising in the piece part material. The values of the stresses allow calculating the forces of operations. It is shown that the speed of expansion and pressing and mechanical properties anisotropy affect the damage to the material of the «green body». Dependences for the calculation of damage are obtained on the basis of energy and deformation strength criteria. These dependencies allow predicting the quality of products. It is also shown that anisotropy affects the technological modes of expansion and pressing. As the anisotropy coefficient increases, the stresses and forces of operations decrease. Calculations of stresses, forces and material damage in the process of expansion of anisotropic titanium alloy VT14 at 875 ℃ are made.
anisotropy, visco-plasticity, velocity (speed), deformations, stresses, strength, material damage
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. Forging and stamping: Handbook, in 4 volumes. Vol. 4: Sheet-metal forming / ed. by E.I. Semenov. Mos-cow: Mashinostroenie, 2010. 732 p.
2. Popov E.A. Fundamentals of sheet stamping theo-ry. Moscow: Mashinostroenie, 1977, 278 p.
3. Isothermal shaping with a rigid tool of high-strength anisotropic materials / S.S. Yakovlev, V.N. Chudin et al. Moscow: Mashinostroenie, 2009, 412 p.
4. Malinin N.N. Creep in metal working. Moscow: Yurayt, 2020, 402 p.
5. Romanov K.I. Mechanics of Hot Forming of Met-als. Moscow: Mashinostroenie, 1993, 240 p.
6. Chudin V.N. Hot expansion under viscoplastic de-formation. Zagotovitelnye proizvodstva v mashinostroenii, 2017, no. 5, pp. 217219.
7. Platonov V.I. To the calculation of stresses during distribution under conditions of visco-plasticity/ Proceed-ings of Tula State University. Technical sciences, 2022, no. 8, pp. 497-500.
8. Chudin V.N. Pipe expansion and pressing under visco-plastic deformation / Vestnik mashinostroeniya, 2023, no. 4, pp. 349-352.
9. Chudin V.N. Viscous-plastic hole extension when flanging a heated sheet / Science intensive technology in mechanical engineering, 2022, no. 10. pp. 10-13.
10. Iakovlev S.P., Iakovlev S.S., Andreichenko V.A. Forming anisotropic materials. Kishinev, Kvant publ., 1997. 331 p.
11. Theory of pressure metal treatment / ed. Golen-kova V.A., Yakovleva S.P. et al. Moscow: Mashi-nostroenie, 2009, 442 p.
12. Kolmogorov V.A. The Mechanics of Metal Pro-cessing under Pressure: Textbook, UGTU-UPI, Ekaterin-burg, 2001, 836 p.
