Tula, Russian Federation
Tula, Tula, Russian Federation
UDC 621.983.3
UDC 539.376
Pipeline system adapters are highly demanded parts in engine units. In pipeline systems operating in aggressive environments, these parts require the use of special non-ferrous alloys characterized by high strength. Their manufacture is very difficult. One of the options for their production is hot stamping of pipe elements under slow forming conditions. The article investigates the operation of forming an internal thickening on a thin-walled conical body blank. The purpose of forming the thickening is to prepare the end face of the adapter for pipeline systems, which is a truncated thin-walled one for further welding with other elements of pipeline systems. It is assumed that the formation of a thick edge is produced by partial upsetting of the end face of the blank. This operation was simulated in the DEFORM software package, during which an assessment was made of the effect of processing modes and the geometry of the working tool on the energy-power parameters of the process. It is assumed that the material of the blank is titanium alloy VT6. The material used assumes the implementation of the upsetting process in hot conditions under high-speed forming conditions, providing minimum forces and an optimal stress state of the workpiece. During upsetting, it is important to take into account the process parameters, such as pressure, temperature and speed, in order to minimize or avoid damage to the workpiece. A number of experiments were carried out, during which the influence of the cone angle, the working stroke of the tool, and the rate of deformation of contact friction were established. It was found that with the deformation scheme under consideration, the greatest influence is exerted by a change in the cone angle of the workpiece on the force, which is obviously associated with a change in the kinematics of the material flow at large cone angles.
upset, research, cone blanks, modeling
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. Forging and stamping: a reference book: In 4 volumes. Vol. 2. Hot forging / edited by E.I. Semenov. Moscow: Mashinostroenie, 2010, 720 p.
2. Malinin N.N. Creep in metalworking: a textbook for universities. Moscow: Yurait, 2022, 221 p.
3. Yakovlev S.P., Chudin V.N., et al. Isothermal deformation of high-strength anisotropic materials. Moscow: Mashinostroenie, 2003, 427 p.
4. Gun G.Ya. Theoretical foundations of metal forming. Moscow: Metallurgiya, 1980, 456 p.
5. Kolmogorov V.L. Mechanics of metal forming. Moscow: Metallurgiya, 1986, 688 p.
6. Theory of metal forming / ed. et alGolenkova V.A., Yakovleva S.P. and others / M. Mashinostroenie, 2009, 442 p.
7. Larin S.N., Chudin V.N., Pasinkov A.A. Upsetting of edge thickening on housings under non-stationary viscoplastic deformation. Non-ferrous metals, vol. 7, pp. 88−78.
8. Chernyaev A.V., Chudin V.N., Gladkov V.A. Isothermal extrusion of thicknesses and flanges on axisymmetrical workpieces. Procurement production in mechanical engineering. 2021, No. 4, pp. 164−167.
9. Chudin V.N. Hot extrusion of inner stages in housings. Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2018, No. 1. pp. 10−13.
10. Romanov K.I. Mechanics of hot forming of metals. Moscow: Mashinostroenie, 1993, 240 p.
11. Pasynkov A.A., Larin S.N., Isaeva A.N. Theoretical substantiation of reverse isothermal extrusion scheme of pipe billet with active friction and drawing of its edge part // Procurement in mechanical engineering. 2020, No. 10, pp. 462−465
12. Panfilov G.V., Nedoshivin S.V., Lazarev A.A. Active statistical analysis of systems with theoretical models for the conduct of machine experiment // Izvestiya TulSU. Run: Technical sciences. Tula: Izdatelstvo TulSU, 2014, Issue 5, pp. 98−112.
