Москва, г. Москва и Московская область, 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
Предложены соотношения для расчета силового и деформационного режимов при вытяжке с нагревом. Материал заготовки принят ортотропным, т.е. имеющим анизотропию механических свойств по осям координат. Для листового материала существенна анизотропия в плоскости листа (плоскостная анизотропия) по направлению проката, под углом к нему и по толщине листа. В этих направлениях при вытяжке происходит радиальное течение материала листовой заготовки. Анизотропия приводит к неравномерности распределения напряжений, разнотолщинности стенки изделия, образованию краевых фестонов. При вытяжке с нагревом на гидропрессовом оборудовании материал проявляет вязкие свойства и при заданной степени формообразования происходит деформационное упрочнение и разупрочнение материала заготовки. Разупрочнение вызвано релаксацией напряжений, которая тем больше, чем меньше скорость процесса. Этот фактор приводит к уменьшению внутренних напряжений, силе вытяжки, повреждаемости деформируемого материала, возможному увеличению степени формообразования. Полученные аналитические зависимости с учетом анизотропии и релаксации позволяют рассчитать оптимальный технологический режим вытяжки. Напряжения и силовой режим рассчитаны на основе уравнения равновесия и условия текучести анизотропного материала по направлениям радиального течения. Предложен расчет контура заготовки для вытяжки без фестонов. Получено соотношение для расчета сплошности деформируемого материала. При этом использованы энергетические и деформационные уравнения повреждаемости с учетом скорости вытяжки. Выполнены расчеты режимов технологии вытяжки. Выполнены расчеты режимов технологии вытяжки на примере титанового сплава ВТ14. Показано, что применение фигурной заготовки для вытяжки обеспечивает снижение радиальных напряжений, силы операции и равномерность толщины края изделия.
анизотропия, вязкопластичность, кинематика, напряжения, скорость, сплошность
Процессы вытяжки изделий с нагревом заготовки применяют в листоштамповочном производстве при обработке высокопрочных материалов [1, 2]. Листовые материалы, имеющие текстуру прокатки, анизотропны в плоскости листа [3]. Их механические характеристики вдоль проката и под углом к ней различны, и различны, следовательно, коэффициенты анизотропии, определяющие эти характеристики. Кроме того, горячий материал при медленном деформировании на гидропрессовом оборудовании проявляет свойства вязкопластичности: деформационно упрочняется и одновременно разупрочняется вследствии релаксации внутренних напряжений. Названные факторы значительно влияют на режим вытяжки, что необходимо учитывать при разработке техпроцесса.
Схема вытяжки приведена на рис. 1.
Состояние материала заготовки выражается уравнением вязкопластичности [4, 5]
Уравнение (1) учитывает деформационное упрочнение и разупрочнение в связи с релаксацией напряжений, зависящей от скорости. При плоском напряженном состоянии листового анизотропного материала эквивалентные деформация и ее скорость выражаются соотношениями
По названным выше направлениям коэффициентов анизотропии происходит радиальное течение материала, где радиальные и окружные напряжения являются главными. Запишем уравнение равновесия и линейное условие текучести анизотропного материала [3, 4], учитывая сказанное. Таким образом
Эквивалентное напряжение представим в соответствии с уравнением состояния при вязко-пластичности, используя уравнение (1) и выражение (2), в виде
Совместное решение выражений (6), (7) при учете соотношения (8) приводит к зависимостям
Интеграл упрощается при разложении входящей функции [6]. Соотношения (9) можно уточнить внесением напряжения трения заготовки между прижимом и матрицей
, где 
– давление прижима;
– коэффициент трения. Суммарные напряжения в соответствии с этим получат вид
Расчет напряжений производится при (по текстуре проката) и
(под углом
к текстуре) с изменением параметров ,
,
.
Распределение радиальных напряжений вдоль вытяжной кромки матрицы можно
задать уравнением
По линиям максимального коэффициента анизотропии при вытяжке круглой заготовки образуются фестоны [3]. Фестоны можно устранить применением заготовки, контур которой определяется из условия равенства времени перемещения по линиям коэффициентов и
, т.е.
Точки радиусом по линиям коэффициента
плавно соединяют с исходным контуром круглой заготовки
, образуя контур расчетной заготовки.
При вытяжке материал заготовки теряет исходную сплошность (повреждается). В критическом состоянии возможно разрушение заготовки, которое происходит на выходе из матрицы, т.е. при 
. Материал здесь находится в условиях осевого растяжения ( ,
). Разрушение происходит по направлению минимального коэффициента анизотропии
. Здесь по условию текучести
Сделаем оценку конечной сплошности на основе энергетического уравнения кинетики повреждаемости [2, 4]. Учтем выражения (2), (10), (15) и уравнение для времени перемещения . Получим соотношение
Здесь – сплошность материала заготовки при данной температуре; – предельная удельная работа разрушения. Сплошность, как следует из соотношения (16), зависит от скорости вытяжки. Для деталей специального назначения рекомендуется [7 − 9].
Расчеты выполнены применительно к титановому сплаву ВТ14 при 850 ℃ [10].
Размеры заготовки: мм;
мм;
мм;
. Константы материала приведены в табл. 1.
Рассчитаны максимальные суммарные радиальные напряжения при по направлениям
и
для ортотропного материала и
для трансверсального изотропного материала в функции скорости вытяжки. Для материала с плоскостной анизотропией ( ) максимум радиальных напряжений на вытяжной кромке матрицы
( ) возникает по направлению коэффициента анизотропии
. Здесь же возможна наибольшая потеря сплошности (повреждаемость) материала заготовки, что может привести к его разрушению. Для трансверсально-изотропного материала напряжения, сила вытяжки и повреждаемость материала уменьшаются при увеличении коэффициента анизотропии и снижении скорости операции. Графики напряжений и сплошности приведены на рис. 2.
Толщины края изделия составили для ортотропного материала мм по направлению и мм по направлению
. Для трансверсально-изотропного материала
мм при 
. Рассчитана заготовка для вытяжки изделия без фестонов (рис. 3).
Такая заготовка обеспечивает снижение радиальных напряжений, силы вытяжки и равномерность толщины края изделия. Образцы изделий, вытянутых из круглой заготовки и заготовки с расчетным внешним контуром представлены на рис. 4. Расчетные данные соответствуют опытным режимам технологии вытяжки и получили промышленное применение при изготовлении деталей из высокопрочных сплавов [2].
Выводы
1. Плоскостная анизотропия (ортотропия) механических характеристик приводит при вытяжке листового материала к неравномерности распределения напряжений, что вызывает разнотолщинность стенки изделия и фестонообразование, которое может быть уменьшено использованием исходной листовой заготовки с расчетным внешним контуром.
2. Вытяжка с нагревом на оборудовании сопровождается релаксацией напряжений. Релаксация тем больше, чем меньше скорость вытяжки, что снижает напряжения, силу вытяжки и способствует увеличению степени формообразования.
1. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / под ред. Е.И. Семенова. М.: Ма-шиностроение, 2010. 732 с.
2. Яковлев С.П., Чудин В.Н. Изотермическое де-формирование высокопрочных анизотропных матери-алов. М.: Машиностроение, 2003. 440 с.
3. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Ки-шинев: Квант, 1997. 330 с.
4. Голенков В.А., Яковлев С.П. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
5. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластично-сти и ползучести. М.: Юрайт, 2020. 402 с.
6. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие мате-матические формулы. М.: Наука, 1973. 228 с.
7. Колмогоров В.Л. Механика обработки метал-лов давлением. М.: Металлургия, 1986. 688 с.
8. Чудин В.Н., Платонов В.И. Вытяжка с утоне-нием при вязкопластическом деформировании анизо-тропного материала // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баума-на. Сер. Машиностроение. 2023. № 2 (145). С. 73–82. DOI:https://doi.org/10.18698/0236-3941-2023-2-73-82.
9. Платонов В.И., Чудин В.Н. Комбинированная вытяжка с нагревом в радиальной матрице // Техноло-гия машиностроения. 2023. № 11. С. 17−20.
10. Исаева А.Н., Ларин С.Н., Платонов В.И., Коротков В.А. Построение расширенной кривой упрочнения при помощи сжатия составных цилиндри-ческих образцов // Черные металлы. 2022. № 3. С. 65−70. DOI:https://doi.org/10.17580/chm.2022.03.12
