Theoretical and experimental research of forging operation in split dies

Abstract

This article describes a new mathematical model of stamping products in split die on the universal hydro-pressure equipment from high-strength materials. It describes the calculations of materials pressure in split die stamping of cross billet that is made from aluminium Amg6 (АМг6) and titanium ВТ6С alloys. The work contains the comparison of the experimental research results with theoretical data.

Full Text

При штамповке существенна зависимость режимов технологии и, следовательно, качества изделий от скорости, т.к. деформируемый горячий металл проявляет вязкие свойства. Кроме того, деформирование сопровождается изменениями механической сплошности материала, что определяет качество изделия. Влияние совокупности этих факторов на состояние деформируемого материала будем определять уравнением [1, 2] , (1) где - соответственно эквивалентные напряжения, деформации и скорости деформаций; - повреждаемость материала заготовки; ; , - константы упрочнения материала. Влияние деформационного и скоростного упрочнения, а также кинетика повреждаемости материала должны учитываться при проектировании технологии изотермической штамповки. В дальнейшем воспользуемся верхнеграничным методом расчета применительно к жесткоблочным полям скоростей перемещений. При плоской схеме деформаций справедливо энергетическое неравенство . (2) Здесь - внешнее давление, приложенное на контуре заготовки; , - эквивалентные напряжения на линиях разрыва скоростей и на контактных границах трения ; - скорости перемещения материала на внешнем контуре заготовки, на линиях разрыва и на границах трения соответственно; - коэффициент трения. Рассмотрим выдавливание заготовки с четырьмя ортогональными отростками – крестовины. Обработка производится на одной позиции штамповки за два этапа. На первом этапе осуществляется торцевое сжатие заготовки до контакта материала с центральными пуансонами и выдавливание его в закрытые полости боковых матриц. Рассмотрим этот этап. Здесь реализуется разрывное поле скоростей перемещений, показанное на рисунке 1, а. Оно состоит из жестких блоков, разделенных линиями разрыва скоростей перемещений (показаны пунктирными линиями). Годограф поля скоростей приведен на рисунке 1,б. а б Рисунок 1. Схема 1-го этапа штамповки: поле скоростей (а) и годограф (б) В соответствии с энергетическим неравенством (2) получим зависимость для удельной силы первого этапа операции: . На втором этапе операции происходит выдавливание материала в зазор между матрицей и центральным пуансоном. Схема этого этапа и поле скоростей и годограф показаны на рисунке 2. а б Рисунок 2. Схема 2-го этапа штамповки: поле скоростей (а) и годограф (б) Для второго этапа штамповки получено следующее соотношение для расчета давления: . На основе приведенных выше соотношений выполнены теоретические исследования влияния скорости перемещения инструмента и условий трения на величину относительного давления при ортогональном горячем выдавливании элементов трубопроводов. Исследования выполнены для алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов, поведение которых описывается энергетической и кинетической теориями прочности соответственно. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках заготовки: мм; мм; мм; мм; мм. Границы трения: мм; мм; мм, мм; коэффициент трения . На рисунке 3 представлены зависимости относительного давления от скорости перемещения инструмента при фиксированных значениях коэффициента трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки. а б Рисунок 3. Зависимости изменения от при ортогональном выдавливании заготовок из сплавов АМг6 (а) и ВТ6С (б) Анализ зависимостей показывает, что при ортогональном выдавливании с нагревом относительное давление падает при увеличении длительности операции, т.е. при уменьшении скорости штамповки. Наиболее существенна эта зависимость при малых скоростях, когда значительно проявление вязкости горячего металла. Так, с уменьшением скорости перемещения инструмента от 10 до 0,01 мм/с относительное давление ортогонального выдавливания падает на 25…80 % для алюминиевого АМг6 и на 30…45 % для титанового ВТ6С сплавов. На втором этапе деформирования наблюдаются меньшие значения давления по сравнению с первым. На величины давления также влияет трение. Результаты исследования влияния коэффициента трения на величину относительного давления представлены на рисунке 4. Показано, что при уменьшении трения наблюдается существенное снижение давления. Так, снижение коэффициента трения от 0,4 до 0,1 приводит к уменьшению относительного давления на 30…40 % для сплавов АМг6 и ВТ6С на первом этапе и в 3…3,5 раза на втором этапе. Штамповка в разъёмных матрицах на универсальном гидропрессовом оборудовании предназначена для изготовления сложных заготовок арматуры трубопроводов двигательных установок: патрубков, тройников, крестовин - обеспечивающих прочность, герметичность при высоком давлении агрессивных компонентов топлива. Применяемые материалы: алюминиевые сплавы АМг6, стали 12Х18Н10Т и другие хромоникелевые сплавы, различные сплавы титана. Для обеспечения форм изделий процесс проводят обычно за 2…3 операции: выдавливание отростков, прошивка отверстий [1, 2]. а б Рисунок 4. Зависимости изменения от при ортогональном выдавливании заготовок из сплавов АМг6 (а) и ВТ6С (б) На рисунке 5 представлены образцы изделий, получаемых горячей штамповкой в разъемных матрицах. Выполнено сопоставление расчетных и экспериментальных данных для штамповки крестовины из алюминиевого сплава АМг6 при 450 в режиме кратковременной ползучести. Рисунок 5. Образцы изделий из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов Величины давлений на боковом пуансоне для первого и второго этапов операции приведены в таблице 1 в зависимости от времени штамповки при конечном рабочем ходе пуансона. Давление падает при увеличении длительности операции, т.е. при уменьшении скорости штамповки. Наиболее существенна эта зависимость при малых скоростях, когда значительно проявление вязкости горячего металла. На величины давления также влияет трение. Таблица 1 Величины давлений на боковом пуансоне для первого и второго этапов операции в зависимости от времени штамповки Этап Время , мин Давление , МПа расчет. экспер. 1 1 125 130 5 67 72 2 1 153 161 5 80 85 Экспериментальные значения давлений превосходят расчетные на 15 %. Учет повреждаемости сближает расчетные и экспериментальные данные. Результаты исследований использованы в опытном производстве. Существовавший технологический процесс предусматривал изготовление детали «крестовина» резанием из поковок. Предлагаемый технологический процесс обеспечивает уменьшение трудоемкости изготовления заготовок крестовины в 2 раза, повышение коэффициента использования металла с 0,6 до 0,9, сокращение сроков подготовки производства новых изделий в 1,5 раза. Заключение Разработанная математическая модель позволяет объективно оценить влияние скоростных и деформационных параметров на силовые режимы штамповки изделий в разъёмных матрицах из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов. Сравнение экспериментальных результатов исследований с теоретическими показывает удовлетворительную сходимость.