Предельные возможности операции ротационной вытяжки осесимметричных деталей из анизотропных материалов

Полный текст

При изготовлении тонкостенных цилиндрических деталей в настоящее время нашли широкое применение методы обработки давлением с созданием локального очага деформации. Одним из таких методов является ротационная вытяжка (РВ). Теоретическое изучение процесса РВ с утонением осложняется наличием локальной деформации и объемным характером напряженно-деформированного состояния материала в пластической области. Надежность и эффективность технологических процессов ротационной вытяжки обеспечиваются правильным выбором технологических параметров [1-3]. В работе [4] изложена математическая модель формоизменения трубной заготовки при ротационной вытяжке на специализированном оборудовании тонкостенных цилиндрических деталей с утонением стенки коническими роликами с учетом локального очага деформации и фактической подачи металла в очаг деформации (рисунок 1). В отличие от известных подходов к анализу кинематики течения материала в очаге пластической деформации в работе принято, что процесс реализуется в условиях квазиплоской деформации, т.е. рассматривается течение материала в плоскости, перпендикулярной оси , и учитываются соответствующие величины касательных напряжений. Рассмотрен вопрос о распределении скоростей течения материала в очаге деформации при установившемся деформировании. Предложены выражения для оценки радиальной, тангенциальной и осевой составляющих скоростей течения материала в локальном очаге пластической деформации. В дальнейшем вычисляются компоненты скоростей деформаций по известным скоростям течения материала в цилиндрической системе координат. Используя уравнение равновесия в цилиндрической системе координат и уравнение пластического течения, устанавливающие связи между напряжениями и скоростями деформаций, после подстановки последних в уравнения равновесия получена система уравнений для определения среднего напряжения. Записав уравнения равновесия в виде конечных разностей и разрешив каждое из них относительно среднего напряжения, получим выражения для определения величины среднего напряжения . Известно, что на границе входа материала в очаг пластической деформации величина осевого напряжения равна нулю, т.е. . Это условие позволяет определить распределение величин среднего напряжения на входе материала в очаг пластической деформации, радиальных , тангенциальных , осевых и касательных , , напряжений, если предварительно вычислены компоненты скоростей деформации, их интенсивность, средняя величина накопленной интенсивности деформации в очаге пластической деформации и средняя величина интенсивности напряжения в очаге деформации по кривой упрочнения материала. Рисунок 1. Схема очага деформации при ротационной вытяжке по прямому способу Информация о среднем напряжении и скоростях деформации позволяет рассчитать напряженное состояние в каждой точке очага деформации. Все перечисленные выше характеристики напряженного и деформированного состояния вычислялись численно с использованием метода конечных разностей. Уравнение линии тока для материальной точки в локальном очаге пластической деформации при ротационной вытяжке коническим роликом запишется следующем образом . Накопленная интенсивность деформации рассматриваемой точки на выходе из локального очага пластической деформации определяется по выражению , где - время обработки материальной точки в очаге деформации на -ом обороте шпинделя; - количество оборотов шпинделя, необходимое для прохождения материальной точки от входа в локальный очаг пластической деформации до его выхода. Время обработки материальной точки в очаге деформации на -ом обороте шпинделя вычисляется по формуле , где ; - рабочая подача; - средняя величина скорости вдавливания ролика в заготовку; - скорости вдавливания ролика в заготовку в -ом сечении; . Приведенные в работе [4] выражения для определения напряженного и деформированного состояний в очаге пластической деформации позволили оценить величину накопленной повреждаемости и предельные возможности формоизменения процесса ротационной вытяжки с утонением стенки коническими роликами . Величина повреждаемости материала при пластическом деформировании по деформационной модели разрушения определяется по формуле , (1) где - величина приращения интенсивности деформации на -ом обороте шпинделя; - предельная интенсивность деформации; - среднее напряжение; - интенсивность напряжения. Величина предельной интенсивности деформации находится по выражению , где , - константы деформируемого материала, определяемые в зависимости от рода материала, согласно работам В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова [5, 6]; , , - углы между первой главной осью напряжений и главными осями анизотропии , и ; , , и - константы материала, зависящие от анизотропии механических свойств материала заготовки и определяемые из опытов на растяжение образцов в условиях плоского напряженного состояния. В зависимости от условий эксплуатации или последующей обработки изготовляемого изделия уровень повреждаемости не должен превышать величины , т.е. . (2) До деформации (при ) , а в момент разрушения () . При назначении величины степени деформации учитывались рекомендации по степени использования запаса пластичности В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова [5, 6]: 0,25 - для ответственных деталей, работающих и подвергающихся после обработки давлением термической обработке (отжигу или закалке); 0,65 - для неответственных деталей. Расчеты выполнены для трубной заготовки из стали 12Х3ГНМФБА с наружным радиусом трубной заготовки =64,15 мм, толщиной стенки трубы =6,05 мм; диаметром ролика =280 мм; частотой вращения шпинделя =75 мин-1. Механические характеристики стали 12Х3ГНМФБА приведены в работе [7]. Технологические параметры и геометрия ролика ротационной вытяжки изменялись в следующих диапазонах: степень деформации =0,1...0,6; угол конусности ролика ; коэффициент трения на оправке =0,05...0,2. На рисунке 2 и 3 приведены графические зависимости изменения накопленной повреждаемости в материале готовой детали от рабочей подачи и углах конусности ролика . Анализ результатов расчетов и графических зависимостей показывает, что с уменьшением угла конусности ролика , рабочей подачи и увеличением степени деформации величина накопленных микроповреждений возрастает. Максимальная величина накопленных микроповреждений соответствует точкам, принадлежащим наружной поверхности изготовляемой детали. Рисунок 2. Зависимости изменения от : кривая 1 – при ; кривая 2 – при (; ; ) Рисунок 3. Зависимости изменения от : кривая 1 – при ; кривая 2 – при (; 1 мм/об; ) Предельные возможности процесса ротационной вытяжки с утонением стенки оценивались допустимой величиной степени использования ресурса пластичности по выражению (2), максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из локального очага пластической деформации , (2) а также по критерию шейкообразования тонкостенной трубной заготовки, полученному на основе критерия положительности добавочных нагрузок: ; [7]. Здесь и - сопротивление материала на сдвиг и характеристика анизотропии в условиях плоской деформации. Предельные степени деформации исследовались в зависимости от угла конусности ролика , рабочей подачи и геометрических размеров трубной заготовки путем численных расчетов на ЭВМ. Графические зависимости изменения предельной степени деформации , вычисленной по допустимой величине степени использования ресурса пластичности (при ), максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из локального очага пластической деформации, а также критерию шейкообразования тонкостенной трубной заготовки при ротационной вытяжке трубных заготовок из стали 12Х3ГНМФБА, от угла конусности ролика и рабочей подачи приведены на рисунке 4 и 5 соответственно. Здесь введены следующие условные обозначения: кривая 1 – соответствует результатам расчетов предельной степени деформации , вычисленной по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага деформации; кривая 2 - по критерию шейкообразования тонкостенной трубной заготовки; кривая 3 - по допустимой величиной степени использования ресурса пластичности (при ). Рисунок 4. Зависимости изменения от для стали 12Х3ГНМФБА ( мм/об) Рисунок 5. Зависимости изменения от для стали 12Х3ГНМФБА (=) Анализ графических зависимостей и результатов расчетов показывает, что с увеличением угла конусности ролика от 10 до 30 предельная степень деформации , вычисленная по максимальной величине осевого напряжения на выходе из локального очага пластической деформации, увеличивается в 2 раза, а увеличение рабочей подачи от 0,5 мм/об до 1,5 мм/об – ведет к уменьшению предельной степени деформации от 0,80 до 0,35. Установлено, что основное влияние на изменение предельной степени деформации , вычисленной по критерию шейкообразования тонкостенной трубной заготовки, оказывает влияние на угол конусности ролика . Увеличение угла конусности ролика сопровождается ростом предельной степени деформации . Величина рабочей подачи не оказывает существенного влияния на изменение предельной степени деформации , вычисленной по критерию шейкообразования тонкостенной трубной заготовки. Анализ результатов расчетов и графических зависимостей, приведенных на рисунке 4 и 5, показывает, что предельные степени деформации при ротационной вытяжке могут ограничиваться максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из локального очага пластической деформации, критерием шейкообразования тонкостенной трубной заготовки и допустимой величиной степени использования ресурса пластичности. Этот факт зависит от механических свойств материала цилиндрической заготовки и технологических параметров процесса ротационной вытяжки с утонением. Установлено, что предельные возможности процесса ротационной вытяжки трубных заготовок из стали 12Х3ГНМФБА ограничиваются критерии шейкообразования (рисунок 2 и рисунок 3). При этом использование заготовок из стали 10 ограничивает предельные возможности процесса как по допустимой величине степени использования запаса пластичности ( мм/об), так и по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации ( мм/об) при . Таким образом, авторами выявлено влияние технологических параметров на величину накопленных микроповреждений и предельные возможности формоизменения по различным критериям разрушения операции ротационной вытяжки с утонением стенки анизотропного материала.

Об авторах

С. С Яковлев

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Email: mpf-tula@rambler.ru
д.т.н. проф.; 8 (4872) 35-14-82

В. И Трегубов

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Email: mpf-tula@rambler.ru
д.т.н. проф.; 8 (4872) 35-14-82

Е. В Осипова

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Email: mpf-tula@rambler.ru
8 (4872) 35-14-82

Список литературы

Дополнительные файлы