Тула, Россия
Тула, Тульская область, Россия
УДК 621.983.3 Глубокая вытяжка. Комбинированные операции вытяжки и вырубки. Отбортовка отверстия
УДК 539.376 Деформация при постоянной нагрузке. Ползучесть
Переходники трубопроводных систем являются весьма востребованными деталями в узлах двигателей. В трубопроводных системах, работающих в агрессивных средах данные, детали требуют применения специальных цветных сплавов, отличающихся высокой прочностью. Их изготовление весьма затруднительно. Одним из вариантов их получения является горячая штамповка элементов труб в условиях медленного формоизменения. В статье исследована операция формообразования внутреннего утолщения на тонкостенной конической корпусной заготовке. Целью формирования утолщения является подготовка торца переходника для трубопроводных систем, представляющего из себя усеченный тонкостенный под дальнейшую сварку с другими элементами трубопроводных систем. Формирование толщенного края предполагается производить частичной осадкой торца заготовки. Выполнено моделирование данной операции в программном комплексе DEFORM, в ходе которого произведена оценка влияния режимов обработки и геометрии рабочего инструмента на энергосиловые параметры процесса. Предполагается, что материалом заготовки является титановый сплав ВТ6. Применяемый материал предполагает реализацию процесса высадки в горячих условиях в скоростных условиях формообразования, обеспечивающих минимальные силы и оптимальное напряжённое состояние заготовки. При высадке важно учитывать параметры процесса, такие как давление, температура и скорость, чтобы минимизировать или избежать повреждения заготовки. Выполнен ряд опытов, в ходе которых установлено влияния угла конусности, рабочего хода инструмента, скорости деформирования контактного трения. Выявлено, что при рассматриваемой схеме деформирования наибольшее влияние оказывает изменение угла конусности заготовки на силу, что очевидно связано с изменением кинематики течения материала при больших углах конусности.
высадка, исследование, конические заготовки, моделирование
Формирование внутреннего утолщения на тонкостенной конической корпусной заготовке посредством операций формообразования применяется для создания участков увеличенной контактной площадью на трубных заготовках. Формирование утолщений на корпусных заготовках методом изотермической штамповки представляет собой эффективную технологию, которая позволяет создавать детали с необходимыми механическими свойствами и формой, повышая надежность и долговечность изделий. Этот метод часто применяется в специальном машиностроении и атомной, где требуется высокая прочность при малых весогабаритных характеристиках.
Выполнено моделирование данной операции в программном комплексе DEFORM, в ходе которого произведена оценка влияния режимов обработки и геометрии рабочего инструмента на энергосиловые параметры процесса. Исследование проводились для сплава ВТ6 с постоянной температурой при деформировании 900 ℃. Схема исследуемого процесса представлена на рис. 1. В процессе моделирования предполагалось использование трубных заготовок с наружными диаметрами
D = 150 мм. Высота недеформируемого участка заготовки принималась равной
H = 12 мм. Условием остановки расчёта принималось достижение расстояния от рабочего торца пуансона до поверхности матрицы h = 5 мм. В процессе моделирования менялся коэффициент трения между инструментом и заготовкой
μ = 0,3…0,7, скорость перемещения деформирующего пуансона v = 25…100 мм/мин. Угол заготовок варьировался в интервале α = 2…7 º.
При высадке важно учитывать параметры процесса, такие как давление, температура и скорость, чтобы минимизировать или избежать повреждения заготовки. Выполнен ряд экспериментов, в ходе которых установлено влияния угла конусности, рабочего хода инструмента, скорости деформирования контактного трения.
Была выполнена оценка изменения интенсивности напряжений для характерных точек в сечении детали в течении времени деформирования. Схемы с иллюстрированием точек для контроля изменения интенсивностей напряжений представлены на рис. 2.
Графики изменения интенсивности напряжений в этих точках в течении процесса высадки для углов конусности заготовки
α = 2 º и α = 5 º при разных скоростях деформирования представлены на рис. 3 и 4.
Как видно из графиков величины интенсивностей напряжений достигают максимума в конечный этап деформирования, и для всех 4 контрольных точек в этот момент времени деформирования их значения выравниваются. В течении всего времени деформирования значения интенсивностей напряжений в контрольных точках отличаются в зависимости от условий формоизменения на 10…40 %. В целом можно сказать, что уменьшение скорости деформирования позволяет добиться снижения неравномерности напряженного состояния в заготовке. Большим углам конусности заготовки соответствуют большие значения интенсивностей напряжений.
График зависимости максимальных величин интенсивности напряжений от угла конусности для разных скоростей деформирования на нестационарной стадии процесса представлен на рис. 5.
Установлено, что на нестационарной стадии процесса рост угла конусности ведет к росту интенсивности напряжений на 40 %. Увеличение скорости деформирования приводит к росту интенсивности напряжений при высадке на 28 %.
Выполнена оценка влияния скоростей деформирования, углов конусности и контактного трения на силу высадки и удельное давление.
График зависимости давления от угла конусности для разных скоростей деформирования представлен на рис. 6.
Выявлено, что максимальное влияние на давление оказывает изменение скоростных режимов деформирования. Рост угла конусности ведет к росту давления на контактных границах на 20 %. Увеличение скорости деформирования приводит к росту силы при высадке на 55 %.
График зависимости силы от угла конусности для разных скоростей деформирования представлен на рис. 7.
Выявлено, что при рассматриваемой схеме деформирования наблюдается заметное влияние угла конусности заготовки на силу, что очевидно связано с интенсификацией процесса бокового выдавливания стенки, связанного с изменением характера течения материала при больших углах конусности. Установлено, что увеличение угла конусности ведет к росту силы в 4 раза, что связано с изменением схемы деформаций при росте α. Увеличение скорости деформирования приводит к росту силы при высадке на
40 %.
График зависимости силы от контактного трения для разных скоростей деформирования представлен на рис. 8. В среднем выявлено, что увеличение коэффициента трения приводит к росту силовой нагрузки на инструмент на 12…15 %.
Полученные результаты позволяют выполнить регрессионное моделирование силовых режимов высадки конической заготовки. В качестве основных варьируемых параметров принимались скорость деформирования v0, мм/мин; угол конусности заготовки α и коэффициент трения μ.
Cформирована таблица факторного пространства для оценки сил (табл. 1) [12]. В таблице 2 дана матрица планирования [12].
Однородность оценивается с помощью критерия Кохрана (0,29). Проверка адекватности полученных моделей выполнялось с помощью критерия Фишера (0,55). По результатам статистического моделирования было получено уравнение регрессии в кодированных и натуральных значениях факторов соответственно:
Выполнено моделирование высадки конической заготовки, в ходе которых установлено влияние угла конусности, рабочего хода инструмента, скорости деформирования контактного трения. Выявлено, что при рассматриваемой схеме деформирования наибольшее влияние оказывает изменение угла конусности заготовки на силу, что очевидно связано с изменением кинематики течения материала при больших углах конусности. Применение заготовок с углом конусности более 3 º приводит к кратному росту сил деформирования и может потребовать более мощного оборудования. Установлено, что реализация процесса деформирования при более низких скоростях позволяет снизить силовые нагрузки на инструмент и неравномерность напряжённого состояния в заготовке.
1. Ковка и штамповка: справочник: Горячая объемная штамповка / под ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение, 2010. 720 с.
2. Малинин, Н. Н. Ползучесть в обработке металлов: учебное пособие для вузов. М.: Юрайт, 2022. 221 с.
3. Яковлев С.П., Чудин В.Н. и др. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов. М.: Машиностроение, 2003. 427с.
4. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. М.: Металлургия. 1980. 456 с.
5. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением М.: Металлургия, 1986. 688 с.
6. Теория обработки металлов давлением / под ред. Голенкова В.А., Яковлева С.П. и др. / М. Машиностроение. 2009. 442 с.
7. Ларин С.Н., Чудин В.Н., Пасынков А.А. Высадка краевого утолщения на корпусах при нестационарном вязкопластическом деформировании // Цветные металлы. 2020. 7. С. 88−78.
8. Черняев А.В., Чудин В.Н., Гладков В.А. Изотермическое выдавливание утолщений и фланцев на осесимметричных заготовках // Заготовительные производства в машиностроении. 2021. № 4. С. 164−167.
9. Чудин В.Н. Горячее выдавливание внутренних ступеней на корпусах // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2018. № 1. С. 10−13.
10. Романов К.И. Механика горячего формоизменения металлов. М.: Машиностроение, 1993, 240 с.
11. Пасынков А.А., Ларин С.Н., Исаева А.Н. Теоретическое обоснование схемы обратного изотермического выдавливания трубной заготовки с активным трением и вытяжкой ее краевой части // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. № 10. С. 462−465
12. Панфилов Г.В., Недошивин С.В., Лазарев А.А. Активный статистический анализ систем с теоретическими моделями проведением машинного эксперимента // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 5. С. 98−112.
