автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Пластическое деформирование анизотропного материала с учетом поворота главных осей анизотропии

На правах рукописи

НШПЬЯНОВ ЕВГЕНИИ КОНСТАНТИНОВИЧ

4Г

ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА С УЧЕТОМ ПОВОРОТА ГЛАВНЫХ ОСЕЙ АНИЗОТРОПИИ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давленном

Автореферат диссертации ни списка пне ученой степени кандидата технических паук

Тула 1997

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор С.П. ЯКОВЛЕВ Научный консультант - доктор физико-математических наук,

профессор A.A. МАРКИН

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор В.Д. Кухарь кандидат технических наук, Е.А. Закуреиов

Р

Ведущая организация - ОАО "Тульский научно-исследовательский

технологический институт"

ч

Защита состоится "__80_" __>Ш1Ш_1997 г. в 14"° час. на заседании диссертационного совета К 063.47.03 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, ГСП, проспект им. Ленина, 92, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан " ^ ^ " мая • 1997 г.

В.И. Желтков

е •'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА .РАБОТЫ.

Актуальность работы. Научно-технический прогресс и развитие мшшшо- -строения требуют повышения эффективности производства И качества получаемых изделий на базе серьезной научной проработки этих вопросов.

При изготовлении ряда изделий требуется сформировать такую заданную структуру анизотропии механических свойств материала заготовки и изделия, которая благоприятно влияла бы на условия протекания технологического процесса и эксплуатации изделий.

Листовой и трубный материал, подвергаемый штамповке, обладает анизотропией механических свс И :тв, которая обусловлена маркой материала и технологическими режимами его получения.

Анизотропия механических -свойств материала заготовки оказывает влияние на силовые и деформационные параметры процессов пластической обработки, предельные степени деформации и качество получаемых изделий. При пластической деформации начальная анизотропия механических свойств заготовки изменяется, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Начальная анизотропия материала заготовки и ее дальнейшее изменение ноает оказывать как положительное, так и отрицательней влияние на. устойчивое протекание технологических процессов обработки Металлов давлением при пластическом деформировании. Поэтому необходимо максимально рационально и эффективно использовать явление анизотропии.

Анизотропию механических свойств прокатанного листа можно уменьшить разбросом текстуры относительно направления прокатки. Теоретически луч-аий способ осуществления такого разброса заключается в прокатке сляба с палыми степенями обжатия с поворотом на небольшой угол попе каждого ■ прохода. На практике применяют перекрестную прокатку, когда лист прокатывается в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Однако при этом сляб бистро становится слишком длинным в одном направлении, что не позволяет проводить прокатку в другом направлении.

Для создания новых и интенсификации существующих технологических процессов обработки металлов давлением и формированш. наперед заданных механических свойств изделия необходимо иметь развитую теорию пласти-;г?ского деформирования ортотропного тела, учитывавшую как анизотропное

упрочнение, так и влияние поворота главных осей анизотропии на механические свойства материала.

Настоящая работа посвящена развитию теории формоизменения анизотропного упрочняющегося листового и трубчатого материала при пластической деформации с учетом поворота главных осей анизотропии.

Работа выполнена в,соответствии с Российской научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", заказ-нарядом ГК БО РФ "Повышение эффективности изготовления товаров народного по-, требления", грантом 'Теоретические основы волочения и выдавливания трубы из ортотропного материала", а также хозяйственными договорами с рядом предприятий РФ.

Цель работы. Разработка теоретических основ формирования анизотропии механических свойств ортотропной анизотропно-упрочняющейся заготовки с учетом поворота главных осей анизотропии в процессах обработки - металла давлением и рекомендаций по проектированию технологических процессов осадки с кручениец круглой листовой заготовки и обратного выдавливания трубной заготовки с целью их интенсификация'^ повышения качества получаемых изделий .

Методы исследования. Теоретические исследования процессов осадки с кручением круглой листовой заготовки й обратного выдавливания трубной заготовки выполнены на базе теории пластичности ортотропного упрочняющегося тела с учетом поворота главных осей анизотропии. Анализ процессов реализован численно методом конечных разностей с Использованием персональных ЭВМ.

Автол аащищ&ет математическую модель процесса осадки с кручением ■ортотропной круглой листовой заготовки с учетом поворота главных осей инизотропии; результаты теоретических исследований напряженного и деформированного состояния заготовки, ее геометрических размеров и формирование анизотропии механических свойств заготовки из ортотропного анизотропно-упрочняющегося Материала; результаты теоретических исследований процесса обратного сдавливания трубной заготовки из ортотропного анизотропно-упрочняющегося материала; закономерности влияния изменения ориентации главных осей анизотропии на напряженно-деформированное состояние, силовые режимы, ожидаемые механические свойства материала из-1 долин и предельные возможности формоизменения.

Научная новизна. . '

1. Получены основные определяющие соотношения для теоретического анализа процессов обработки металлов давлением ортотропного, анизотропно-упрочняющегося материала с учетом поворота главных осей анизотропия.

. 2. Установлены закономерности изменения силовых режимов, деформационных параметррв и ожидаемых механических свойств круглой анизотропной листовой заготовки при осадке с кручением.

3. Получены закономерности изменения силовых, деформационных параметров, предельных возможностей формоизменения и прогнозирования анизотропии механических-свойств материала изделия при обратном выдавливании трубной заготовки с ''четом поворота главных осей анизотропии.

Практическая ценность и реализация работы. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров процессов осадки с Круч.-шим круглой листовой заготовки и обратного выдавливания трубной зоготовки с заданной структурой анизотропии механических свойств материала изделия или заготовки, которая благоприятно влияла бы на устойчивость протекания технологического процесса или на условия эксплуатации изделия. Эти рекомендации использованы для изготовления заготовок деталей ответственного. назначения. .

Отдельные результаты исследований включены в разделы лекционных курсов "Теория обработки металлов давлением", "Штамповка анизотропных материалов", "Технология холодной штамповки", а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Российской межвузовской научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы металлургии" (г. Екатеринбург, 1095 г.), на Российском совещании "Проблемы теории проектирования и производства инструмента" (г. Тула, 1995 г.), на Международной научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (г. Москва, 1994 г.), на Международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии. Теория обработки материалов давлением" (г. Орел, 1996 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1994-1997 г.г.).

Публикации.^ По материалам диссертации опубликовано 8 печатных ра-

(;от

Структура . И объом_работл. Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, списка литература, приложения. Работа выполнена на 137 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок, 5 таблиц, список литературы из 136 наименований Общий объем работы - 183 страниц.

V

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вр_дведе.нии обоснована актуальность темы исследований, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание раздоев диссертации.

В.перзйм_разделе рассмотрено современное состояние теории и техко-чсгии пластического формоизменения анизотротцтх материалов.

Значительный вклад в развитие теории пластического деформирования при листовой штамповке внесли советские и зарубежные ученые Ю.М. Ары-гопский, А.А.Вогатов, В.Д.Головл?. 2, Ф.В.Гречников, С.И.Губкин, Г.Я.Гун, I Д.Дель, А.М.Дмитриев,' Г.Закс, A.A.Ильюшин, Л.М.Качанов, В.Л.Колмогоров, fi Д.КухЕфь, А.А.Маркин, А.Д.Матвезв, Э.С.Макаров', И.А.Но'рИцын, А.Г.Овчинников, В.А.Огородников, - Е.А.Попов, . И.П.Ренне, Ф.И.Рузанов, Л.Г.Степанский. Л'АТолоконников, А.Д.Томленов, Е.Н.Унксов, Р.Хилл, Л.А.Шофман, С.П.Яковлев, (" С Яковлев и другио. '

Анализ указанных выше работ показывает, что листовой прокат, исполь,-- .>/емыи для обработки металлов давлением, обладает анизотропией механических свойств.

Начальная и развивающаяся анизотропия механических свойств материала заготовки оказывает существенное влияние на силовые и деформационные параметры" процессов пластического деформирования,.и на качество получаемых изделий. Она может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на процессы деформирования.

В процессах пластического формоизменения начальная анизотропия механических свойств изменяется и зависит от степени деформации, геометрии инструмента, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента. Увеличение температуры термической обработки приводит к укень-vjs.niiKj исходной плоскостной анизотропии листа. С повышением температуры

деформирования изменяется характер анизотропии механических свойств исходного материала и величины ее параметров.

Предельные возможности формоизменения при обратном выдавливании трубной заготовки, как правило, оцениваются по максимальной величине сжимающих напряжений. В настоящее время теоретические исследования процесса осадкй с кручением листовой круглой заготовки выполнены в рамках изотропного тела. • ' .

В научно-технической литературе практически отсутствуют теоретические исследования- процессов обработки металлов давлением' ортотропиых упрочняющихся материалов с учетом поворота главных осей анизотропии.

Широкое внедрение этих процессов сдерживается из-за отсутствия более, полной информации о влиянии анизотропии механических свойств и упрочнения материала, поворота главных осей анизотропии при формоизменении, на технологические параметры процессов, силовые режимы, предельные степени деформации и ожидаемые механические свойства изделия.

На основании вышеизложенного поставлены следующие задачи исследования:

1. получить основные определяющие уравнения и соотношения для теоретического анализа процессов обработки металлов давлением ортотропного, анизотропно - упрочняющегося материала с учетом поворота главных осей анизотропии;

2. выполнить теоретические исследования процесса осадкй с кручением ортотропной, анизотропно - упрочняющейся круглой листовой заготовки;

3. установить влияние степени осадки и угла кручения заготовки на геометрические размеры заготовки, деформационные параметры процесса и ожидаемые механические свойства круглой анизотропной листовой заготовки при осадке с кручением;

4. выполнить теоретические исследования процесса обратного выдавливания ортотропной, анизотропно - упрочняющейся заготовки;

¡х установить влияние технологических параметров (степени деформации, угла конусности пуансона, условий трений на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки), характеристик начальной анизотропии ме-- ханических свойств заготовки И акизотроЬного упрочнения, учета поворота, главных осей анизотропиии на силовые режимы процессов (усилие, напряжение в стенке заготовки), изменение анизотропии механических свойств ма

г

териала заготовки и продельные возможности формоизменения.

Во втором разделе приводятся основные уравнения и соотношения для анализа процессов пластического деформирования анизотропного упрочнения начально ортотропного тела.

Материал принимаем > несжимаемым, костнопластическим, ортотропным, для которого справедливы условие текучести Мизеса-Хилла:

2/(ст,) s F(oy - о)2 + G(oz - о*)2 + Н(ох - ау)2 +

+ ^Lx2)! + 2MTÍ+2Nxly=-\ (i)

и ассоциированный закон течения

Л i д/

да v

где F,G, Н, L, М, N

- параметры, характеризующие текущее состояние анизотропии; Gtj - компоненты тензора напряжений в главных осях анизотропии; ílty - компоненты приращения тензора -деформаций; А, - коэффициент

пропорциональности. Здесь X, Y , Z - главные оси анизотропии.

Величины коэффициентов анизотропииR^, Д}5 и R^ при плоском напряженном состоянии могут быть вычислены через параметр анизотропии

F, G, Н ,N

следующим образом •

R0 = H¡G\ R90=H/F, R45=-\/2 + {N/F)/(\ + G/F) (3)

Сопротивление материала пластическому деформированию в направлении главных, ссей анизотропии и при чистом сдвиге в главных осях анизотропии в дальнейшем будем определять по выражениям:

tjy=TJ!;[l + F3(,fc)]. (4)

i ¡,ü Oíu, Tr - продолы текучести в соответствующих направлениях;

Ли(5). F2U(%U). F3 фу..

кции. зависящие от параметров упрочне-

ния и £,„ соответственно; </» = Оу^у' = 2-

= <Ьуу!\г' ^ = В» <&а/4>л ; А.г = 0.001стг>.

- Предельные возможности формоизменения предлагается • определять по степени использования удельной пластической работы разрушения

0 ^рш 'о Араз

где Ат - мощность пластической деформации; /0 и ( - время; А Аг - удельная пластическая работа разрушения, которая зависит от относительной величи-. ны среднего напряжения (т/<Ге и ориентации первого главного напряжения относительно главных осей анизотропии, определяемую направляющими ко-' синусами (X, !3, у иО( ■ интенсивность напряжения; (Т - гидростатическое

напряжение; [^д,,,] - допустимая степень Использования удельной пластической работы разрушения, величина которой назначается в зависимости от условий дальнейшего использования получаемого полуфабриката.

Третий раздел посвящен теоретическому анализу Процесса осадки с кручением орт-отропной анизотроино-упрочнявщейсЯ заготовки .с учетом изменения ориентации- главных осей анизотропии. Изменение ориентации главных осей анизотропии связано с вихревым базисом, определяемым поворотом окрестности тбчки как жесткого целого. Установлено влияние степени деформации при осадке и угла закручивания на изменение анизотропии механических свойств заготовки.'

Исследуется процесс осадки с кручением ортотропной круглой листовой

заготовки с начальной толщиной и радиусом р0. Процесс нагружения осуществляется воздействием на торцы заготовки плит, двигающихся на-вс"1ючу друг другу (процесс осадки), а также совершающих вращение вокруг оси Ог в противоположных направлениях на угол закручивания ф (процесс кручения) фис. 1).

* /Г

л.

шш 1^/7/7/

/

и

Рис.1.Схема процесса осадки с кручением круглой листовой заготовки Предполагается, что на контактных поверхностях задаются кинематиче-; ¡ту граничные условия. В процессе'деформации в каабой точке пластине' I ой области происходит изменение ориентации главных осей анизотропии, -л- язи иное с вихревым базисом, определяемым поворотом окрестности точки | -'к жесткого целого. Движение задается по отношению к неподвижной от-

ыгной декартовой система координат X , у, с ортами / , _/, к. Началь-

(материальные) координата точек слоя обозначим X, К , 2Г . Движение ■зочок слоя будем задавать зависимостями

х = х(Х,У,гл)- у ^у{Х,Г,2,1}, г - ■г{х,¥,1 ,*)

Попе скоростей точек слоя задается в виде:

а

Ух = ¿.«X --ту,

аг ■

— = т/, ' *

Ик.

ау = с»г.

У>~- 8 луу-ьюгу;

(6)

'Де Вхх. ёуу ¿-г - компоненты тензора скорости-деформаций, которые пола-

-аются постоянными в слое; X —х/.Иа, У — У/ко, 2 — Ы) безразмерные соординаты; 0) - абсолютная величина угловой скорости вращения торцевых ьчоскостей.

Свяжем с каждой точкой слоя вихревой базис с ортами ?], В процессе деформирования скокдсть вихревого базиса задается анти-:ииметричнкм тензором - СО ; ориентация относительно отсчетной системы шределяется, как показано в работах Л.А.Толоконникова и А-А.Маркина ор-'огональным тензором-{2 при этом:

Компоненты тензора напряжений С? удовлетворяют условию пластично-ти Мизеса-Хилла

Р (стл - азз)5 + 0((уп - а, ,)2 + Я (а, 1 - С},)7 +

+21 а» + ГШ ан + 2/У сг^2 = 1 • '

В виду упрочнения материала коэффициенты Р, Н, Ст, Ь, М, N бу-уг изменяться в процессе деформирования.

Зависимости параметров анизотропии от параметров упрочнения

меют следующую структуру :

В начальном приближении не учитываем поворота главных осей ортотро-ии. Полагаем, что в процессе нагружения слоя выполняется условия .

о« ~ а*у = 0-

После ввода новых переменных р,(Х, Т определяющие соотношения при-одим к виду:

G F

Из

Мз

-d)p=XLx. (7)

Уравнение поверхности нагружения принимает форму:

М i ф + 2(¿ coi ct+M sin2 а) x -1. - (в)

Рассмотрим процесс, состоящий из , стадии осадки слоя > k ~¿.'hc, ф = О) и стадии кручения (0< ф < = /*с).

Временной параметр на стадии сжатия:

\ dh . л „ . Ih тг

Так-как в процессе осадки не равна нулю лишь компонента огг. то прочно характеризуется изменением единственного параметра упрочнения

Установлена зависимость Ни обратная зависимость ¿f— ^{Н^.

Из уравнения нагружения поверхности (8) получен закон изменения напряжения сжатия

1

уЛ/з (//1)

Также определены законы движения точек слоя.

Рассмотрим стадию кручения, полагая Ь = А/. Временной параметр вво

1 ^Ф 1

цин из условия.СО — 1. Так как —- = СО = 1, то в качестве временного пат

щшотра будет использоваться угол закручивания ф. Полагая в уравнении (0) ¿;г используя связь между новыми р, СХ. X и старымиА", у, Тлг, 1 1;.ц>она!шаын, получим законы движения точе:: слоя в следующем виде:

р = рс; а=2ф+ае:- г = 2с.

где рс, (хс, 2с " цилиндрические координаты, фиксирующие точки сл^п после обжатия.

В процессе кручения = = £,3 = 0, а приращение параметра ^ д.-^ляем в виде квадратуоы, полагая в (7) СО = 1 и учитывая (В)

^ 1£ I

где Мзс ~ Мз(0 " значение параметра упрочнения, достигнутое при ос жатии. Находим А % , как обратную функцию

Л5=Д5(рсФ -О

Суммарное значение параметра ^ на стадии кручения будет иметь вид

-Подставляя это значение в выражения для определения параметров уп рочнения, определяем изменение пластических свойств в точках слоя. На-'ходим распределение касательных напряжений и закон их изменения с из менонием угла кручения:

... ••

Отметим, что для материалов с Ь — М напряженное состояние в цилиндрических координатах задается двумя Компонентами тензора напряжений СЬ,- и С2а = остальные компоненты нулевые. Так как сГгг однородно, а распределение X зависит лишь от р, условия равновесия удовлетворяются.

Используя гипотезу о совпадении главных осей ортотропии с вихлявым баз1'..:ом получена система девяти Дифференциальных уравнений относительно компонент тензора 0,. Данные к мшненты являются косинусами углов

между текущими ортами главных осей орчотрснии и ерта-ш отметкой сноп.' ми.

На основании вышеизложенного получены выражения для определания пределов текучести при растяжении • образцов, вырезаемых вдоль 'осей

Ох.Оу.Ог и.под углам С1 = 45° к главной оси анизотропии а плоскости заготовки Ху, системы наблюдателя.

Таким образом, в результате комбинированного нагружшия слоя происходит изменение пластических свойств материала. При этом изменение носит неоднородный характер. Неоднородность вызвана с одной стороны зависимостью параметров упрочнения от р, а с другой - различной ориентацией главных осей ортотропии в различных точках слоя.

Степень анизотропии в. дальнейшем будем оценивать в плоскости листа с

помощью параметра Я,Г1., а по толщине листа с помощью параметра^,.:

лу л

сг +0+2(7,, а +<Г„+2<Т

По описанному алгоритму были выполнены расчеты пределов текучести 0^5,СТдля стали 08кп и алюминиевого сплава АМг2М.

На рис. 2 представлены зависимости изменения степени анизотропии Л Т1,

лу

и X, для стали 08кп от угла закручивания ф при различных степенях деформации (б = 0,05 —0,25), при 2 — 0, р = 1 и р = 0,5 соответственно. Анализ результатов расчетов и графических зависимостей показывает, что степень анизотропии механических свойств Х^у и Х2 уменьшается с увели-

чением угла закручивания ф до определенных пределов

(Ф = 5 :,Г).

Дальнейшее увеличения угла закручивания не приводот к значительному изменению Хху и Х2, а в некоторых случаях приводит к увеличению X,.

Установлено, что существуют оптимальные угли закручивания для плд-ской круглой заготовки из стали 08кп,' при которых материал заготовки стремится стать трансверсально.-изотропным.

В результате расчета установлена неоднородность ' механических, •войств по радиусу заготовки.

Ii7

G.3

0,2

0J

by

0,0

■ £=0,05 / 8=0,4 r~ -

/

£=025/ W / -

0 2 4.6 г рад. -

В Ю

h

12

íi

(О

О/:

£=Q05 V / s

£=a/ У

- £^0,25/ /

о 2

• к 6 lf>, град.----

W

Гкс.2 Изменою-:^ ЕвЛИЧИНЧ Лл.„ !! Л., от угла

;?лтфичишння и степени дофоркяцки ллл стал:: Оокп ; -- — ¡ . — _ J

В четсеруоц раздала приведены результаты теоретических исследований процесса обратного выдавливания трубной заготовки из анизотропного

упрочняющегося, материала с учетом поворота главных осей анизотропии.

>

Рассматривается процесс обратного выдавливания трубной заготовки при установившемся точении начально пластически ортотропного материала. Схема процесса Показана на рис.3. Конический пуансон имеет угол конусности И , степень обжатия Б = 1 — .

Полагаем, что диаметр срединной поверхности трубы - значительно больше начальной толщины > 20). В атом случае допустима гипотеза

о том, что процесс протекает в условиях плоской деформации. На поверхно-стяхконтакта силы трения подчинйютей закону Кулона: В недеформирован-ном состоянии главные оси ортотропии совпадают с осями X, V, 2.

Осевое (Тх и контактное Ок напряжения в случае пластической де-. формации удовлетворяют приближенному условию равновесия:

-----/ -с+а(\+К) = 0. (9)

/до (1: '

Условие текучести Имеет вид г "

}-С

где к — (|Д/; + )//£СХ; \1П и (ЦД, - коэффициенты'трения на'контактных поверхностях пуансона и матрицы; ф - угол между условно главным на пряжением СТХ и главной осью ортотропии -X, С - характеристика анизотропии б условиях плоской деформации; сопротивление пластической

деформации на сдвиг в плоскости Х2,

Рассматривается плоское установившееся течение материала. Поле скоростей рас слагается в плоскости, с которой связана плоскость ХЕ декартовой системой координат. Движение материала вдоль оси К отсутствует (условие плоской деформации). Компоненты тензора скорости деформации имеют вид:

дх х: IV дг дх У

б22

ЁИ

дг

~'>У

ду

'■•ху — Огу

Кз уравнения несжимаемости следует, что

дх дг

Б ТУ = 0. •

(1Г1

(12)

а)

Рис.3 Схема процесса обратного выдавливания /

Наряду с деформацией имеет место "вращение" частиц вокруг оси 0У\„ки тсрое характеризуется тензором вихря - СО . В рассматриваемом случае от

личными от нулевых буду!' лишь компонентам= ~СО и тениэра СО ,■ П[;н

1 (дК дУг

Удовлетворим условию (12), вводя разрешающую функции

такую

„ дФ „ дФ

Бырааение С0,т через Ф имеет следующий вид:

Л **

1 {р:Ф 0'Ф\

Принимаем характер течения материала согласно рис.3,б. Функцию скоростей задаем в следующем виде

Ф = ¥03^/(Яо-лг^а). (16)

Из (16) наладим распределение полей скоростей в соответствии с (14)

У^-У^^аь/^-хфа?}. (17)

Компонента (д1г = СО, согласно (15) распределяется в зоне обжатия по закону:'

(а =-У050г}£2а/(80-х1да)3. (Ш

Принимая гипотезу совпадения угловой скорости вращения главных осей ортотропии с угловой скоростью вращения материальной Частицы, можно показать, что в очаге пластической деформации, где < 2 < ;

О X — ^^//^ОС будет иметь место следующее распределение угла

поворота главных осей ортотропии .

1 , - хгеа

Ф = г ~ 1п• - (19).

Влияние изменения ориентации осей ортотропии на законы изменения осевого и контактного напряжений получим, принимая осредненное значение

2 = ("^о — Xtga)¡2 в (19). Такое предположение согласуется с допущением

о равномерном распределении по 2 осевого напряжения На основании (9), (10), (19) получаем систему уравнений, описывающую процесс обратного вы давливания

• / 1-е

' . 5-0

Если материал принимается идеально пластическим, то Тцг и С будут постоянными и система (20) становится замкнутой. Задача сводится к интегрированию линейного дифференциального уравнения 1-го порядка с началь

ним условием С!х == 0| , • - 1

Для оценки влияния изменения ориентации главных осей анизотропии на

I

технологические параметры процесса обратного выдавливания трубной заго товки из алюминиевого сплава. Амг2М и стали 08кп и на изменение механн ческих свойств получаемого изделия выполнены расчеты этих величин п за висимости от степени деформации Е и угла конусности пуансона (X при фиксированных значепиях коэффициентов трения на контактных поверхно

стях пуансона и матрицы \ХП — =0,01...0,1; Б = 0,1...0,4 и а =10.. .60°:

Диапазоны изменения выбранных параметров - угла конусности пуансона и степени деформации - соответствовали протеканию технологического процесса обратного выдавливания трубной заготовки без потери устойчивости. Определялись относительные величины изменения осевого и контактного

напряжений (У = Ст' и Й,=(1'/о' , характеристик анизотропии

Ra — rvjRa и С — с'¡С, а также сопротивления материала пластическому деформированию CÏSIJ = О'^ j<3sjJ . Здесь Ок, R^, С и <3slj - воли-

чины осевого и контактного напряжений, коэффициентов анизотропии, ха-' рактеристики анизотропии в условиях плоской деформации и сопротивления материала пластическому деформированию вычисленные без учета поворота

г'лавных осей анизотропии, а величины o'xi о'к, R^, с' и CJ^. определены с

учетом поворота главных осей анизотропии.

Анализ результатов расчета показывает, что при малых степенях деформации ^Б = 0,1.. .0,3) учет угла поворота главных осей анизотропии независимо от угла конусности пуансона (X практически не оказывает влияние ■ на величины осевого и контактного напряжений, возникающие в заготовке, и формируемые . механические характеристику материала изделия

« К) .

При больших степенях деформации Б > 0,3 намечается тенденция изменения этих характеристик, которая Наиболее сильно ( до 20% ) проявляется

V

при углах конусности пуансона Ct = 45.. .60".

Предельные степени деформации при обратном выдавливании трубной заготовки определялись по максимальной величине осевого напряжения СУ^, передающегося на стенкувиз условия того, что оно не превышала величины Охпр, соответствующей изменению начальной толщины стенки на 1% с учетом

геометрических размеров изделия, и по степени использования удельной пластической работы разрушения (5).

Предельные степени деформации исследовались в зависимости от угла

конусности пуансона (Х=10. ..90 и условий трения на инструменте

]ХП = \ХМ = 0,01. ..0,1 для сплава АМг2М и стали 08кп. ;'.'

Оценено влияние изменения ориентации главных осей анизотропии на предельные возможности формоизменения при обратном выдавливании труб-чой заготовки.

Показано, что учет изменения ориентации главных осей анизотропии ока- ® зывает существенное влияние на предельные возможности обратного выдавливания при углах конусности пуансона более 30°.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в -разработке теоретических основ пластического деформирования ортотропно-го анизотропно-упрочняющегося материала с учетом поворота главных осей анизотропии и на их основе назначение научно-обоснованны;: режимов обработки, обеспечивающих эффективность процессов и формирование заданных механических свойств материала заготовки или изделия.

В процессе исследования получены следующие результаты:

1. Получены основные определяющие уравнения и соотношения для теоретического анализа процессов обработки металлов давлением ортотропного, анизотропно - упрочняющегося материала с учетом поворота главных осей а!газотропии. ■ -

2. Выполнены теоретические исследования процесса осадки с кручением ортотропной, анизотропно - упрочняющейся круглой листовой заготовки. Установлено влияние степени- осадки и угла кручения заготовки на геометрические размеры заготовки, деформационные параметры процесса й ожидаемые механические свойства круглой анизотропной листовой заготовки при осадке с кручением. Показано, что процесс нестационарный, напряженное состояние трехмерное и неоднородное.

3. Показано, что степень анизотропии механических свойств X... и X.

лу г

уменьшается с увеличением угла закручивания ф до определенных пределов ^ф = 5...7 Дальнейшее увеличения угла закручивания не приводит к значительному изменению Я.,,, и а. в некоторых случаях приводит к

увеличению Установлено, что существуют оптимальные углы закручивания для плоской круглой заготовки из стали ОВкп, Ьри которых материал заготовки стремится стать, трансверсалыго-изо+ропным.

Анализ результатов расчета параметров Хху и Х2 для круглей плоской ; заготовки из алюминиевого сплава АМг2М от угла закручивания ф и степени деформации Б показывает, что увеличение угла закручивания ф приводит к

увеличению величин А.г„ и Я„.

Л-У л.

В результате расчета установлена неоднородность механических свойств по радиусу заготовки. Установлего, что степень анизотропии механических свойств 7\.ху с увеличением относительного радиуса р, ростом степени деформации Б и угла закручивания ф уменьшается для' круглой листовой заготовки из стали 08кп, а для заготовки из сплава АМг2М возрастает.

4. Выполнены теоретический исследования процесса обратного выдавливания ортотропной, анизотропно - упрочняющейс^заготовки.

Установлено влияние технологических параметров (степени деформации, угла конусности пуансона, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки), характеристик начальной анизотропии механических свойств заготовки и анизотропного упрочнения, учета поворота главных осей анизотропиии на силовые режимы процессов (усилие, напряже-

ч

ние в стенке заготовки), изменение анизотропии механических свойств материала заготовки и предельные возможности формоизменения.

5. Показано, что при малых степенях деформации ^Е = ОД.. .0,3^ учет угла поворота главных осей анизотропии независимо от угла конусности пуансона ОС практически не оказывает влияние на величины осевого и кон тактного напряжений, возникающие в заготовке, и формируемые механические характеристики материала изделия И .

При больших степенях деформации Б > 0,3 намечается тенденция изменения этих характеристик, которая наиболее сцльно ( до 20% ) проявляется

при углах конусности пуансона (X =45...60°. . ' . . ■

Следовательно, при изучении процесса обратного выдавливания трубной заготовки влияние угла поворота главных осей анизотропии на технологические параметры и формируемые механические свойства, изделия следует

учитывать при значительных степенях деформации (б > 0,3^ и больших углах конусности пунсона ^ОС > 30° |.

6. Установлено, что с увеличением угла конусности пуансона до 30° величина предельной степени деформации изменяется незначительно, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Дальнейшее увеличение

К приводит к резкому падению величины Б . Показано, что условия трения

на контактных поверхностях рабочего инструмента оказывают существенное

влияние на величины Епр. С ростом коэффициентов трения — ^

предельные возможности формоизменения уменьшаются. Это особенно ярко заметно на малых углах конусности пуансона.

Оценено влияние изменения ориентации главных осей анизотропии на предельные возможности формоизменения при обратном выдавливании труб ной заготовки.

Показано, что учет изменения ориентации главных осей анизотропии оказывает, существенное влияние на продельные возможности обратного надавливания при углах конусности пуансона более 30 . 1

7. Результаты научных исследований использованы на ГП НПО "Вагальт" цля получения плоских круглых заготовок,-которые в последующем используются при изготовлении деталей ответственного назначения.

8. Материалы диссертации применены в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Яковлев-С.С., Шипьянов Е.К.. Учет поворота главных осей анизотропии фи пластической деформации трубной заготовки из ортотрЬпного упрочняющегося материала // Исследования в области теории, технологии и оборудо-1ания штамповочного производства. - Тула: ТулГТУ, 1994. - С. 9-16.

2. Яковлев С.С., Яковлев С П., Шипьянов Е.К. Влияние анизотропии ыехя-[ических свойств материала на технологические параметры при обратной .ыдавливании и волочении трубной заготовки // Фундпментальные проблемы

металлургии: Тез. докл. Российской межвузовской научно-технической кон ференцпн. - Екатеринбург: УГТУ, 1995. - С. 68 69.

3 Влияние параметров рабочего инструмента на предельные возможности формоизменения и формирования механических, свойств изделия при обратном выдавливании трубной заготовки / С.С. Яковлев, Е.К. Шипьяноь, C.II. Яковлев, A.B. Мишкин // Проблемы теории проектирования и производства инструмента: - Тез. докл. Российского совещания - Тула: ТулГУ, 1905.' - С. 64. ' •

4. Яковлев С.С., Як^лев С.П., -Шипьянов Е.К. Влияние поворота главных осей анизотропии на технологические параметры вытяжки с утонением стенки ортотропного материала - // Сборник научных трудов межвузовской научно-технической программы "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" - Москва: МГААТМ, 1995 - С. 56-61.

5. Яковлев С.С., Яковлев С П., Шипьянов Е.К. Предельные возможности деформирования при обратном выдавливании трубной заготовки из ортотропного апизотропно-упрочняющегося материала // Ресурсосберегающие техно логии машиностроения: Сборник докладов Международной научно практической конференции 21-22 декабря 1994г. - Москва: МГААТМ. - С. 90-95.

6. Обратное выдавливание трубной заготовки из анизотропного упрочняющегося материала / С.С Яковлев, Л.П. Воропаев, A.A. Маркин, Е.К. Шипьянов // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. - Тула: ТулГУ, 1995. - С. 10-20.

7. Яковлев С.П., Шипьянов Е.К., Яковлев С.С. Изменение анизотропии механических свойств плоской круглой заготовки при осадке с кручением - // Проблемы пластичности в технологии. Теория обработки материалов дав. лением: Тез. докл. Международной научно-технической конференции. -

Орел: ОГТУ, - 1996. • С. 14.

8. Влияние технологических параметров осадки с кручением на изменение анизотропии механических свойств плоской круглой заготовки / С.П. Яковлев, С.С. Яковлев, Е.К. Шипьянов, В.Г. Смеликов // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. - Тула: ТулГУ, lbdo. - С. 169 177.

в еэтаиъ Осрязт Суката £&е24 1/15. Еувета тнжраф. № 2.

&фодша «гэтвь. Уча. пл. • Vat. . f.i."fcpxa /i'i'asa.

Езеа .->7~.

весудьресггязыа уесаергкет. 10:. СW, Туел, сроет. ЛЗеявна, 22. Bsygvsaisuteisia евгрзтьгяаЗ ваетгглф^-з Тульского госудгрсггешюго yimaq>-ещоя. JSSSSä Туза, ya-Sawssa-, iSS.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Ю

1.1. Теория и технология формоизменения анизотропных материалов.

Актуальность работы. Научно-технический прогресс и развитие машиностроения требуют повышения эффективности производства и качества получаемых изделий на базе серьезной научной проработки этих вопросов.

При изготовлении ряда изделий требуется сформировать такую заданную структуру анизотропии механических свойств материала заготовки -и изделия,' которая благоприятно влияла бы на условия протекания технологического процесса и эксплуатации изделий.

Листовой и ¡трубный материал, подвергаемый штамповке, обладает анизотропией механических свойств, которая обусловлена маркой материала и технологическими режимами его получения.

Анизотропия механических свойств материала заготовки оказывает влияние на силовые и деформационные параметры процессов пластической обработки, предельные степени деформации и качество получаемых изделий. При пластической деформации начальная анизотропия механических свойств заготовки изменяется, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Начальная анизотропия материала 'заготовки и ее дальнейшее изменение может оказы-. вать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при пластическом деформировании. Поэтому необходимо максимально рационально и эффективно использовать явление анизотропии.

Анизотропию механических свойств прокатанного листа можно уменьшить разбросом текстуры относительно направления прокатки. Теоретически лучший способ осуществления такого разброса заключается в прокатке сляба с малыми степенями обжатия с поворотом на небольшой угол после каждого прохода. На практике применяют перекрестную прокатку, когда лист прокатывается в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Однако при этом сляб быстро становится слишком длинным в одном направлении, что не позволяет проводить прокатку в другом направлении.

Для создания новых и интенсификации существующих технологических процессов обработки металлов давлением и формирования наперед заданных механических свойств изделия необходимо иметь развитую теорию пластического деформирования ортотропного тела, учитывающую как анизотропное упрочнение, так и влияние поворота главных осей анизотропии на механические свойства материала.

Настоящая работа посвящена развитию теории формоизменения анизотропного' упрочняющегося листового и трубчатого материала при пластической деформации с учетом поворота главных осей анизотропии.

Работа выполнейа в соответствии с Российской научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", заказ-нарядом ГК ВО РФ "Повышение эффективности изготовления товаров народного потребления", грантом "Теоретические основы волочения и выдавливания трубы из ортотропного материала", а также хозяйственными договорами с рядом предприятий РФ.

Цель работы. Разработка теоретических основ формирования анизотропии механических свойств ортотропной анизотропно-упрочняющейся заготовки с учетом поворота главных осей анизотропии в процессах обработки металла давлением и рекомендаций по проектированию технологических процессов осадки с кручением круглой листовой заготовки и обратного выдавливания трубной заготовки с целью ш интенсификации и-повышения качества получаемых изделий .

Методы исследований: Теоретические исследования процессов осадки е кручением круглой листовой заготовки и обратного выдавливания трубной заготовки выполнены на базе теории пластичности ортотропного упрочняющегося тела с учетом поворота главных осей анизотропии. Анализ процессов реализован численно методом конечных разностей с использованием персональных ЭВМ.

Автор защищает математическую модель процесса осадки с кручением ортотропной круглой листовой заготовки с учетом поворота главных осей анизотропии; результаты теоретических исследований напряженного и деформированного состояния заготовки, ее геометрических размеров и формирование анизотропии механических свойств заготовки из ортотропного анизотропно-упрочняющегося материала; результаты теоретических исследований процесса обратного выдавливания трубной заготовки из ортотропного анизотропно-упрочняющегося материала; закономерности влияния изменения ориентации главных осей анизотропии на напряженно-деформированное состояние, силовые режимы, ожидаемые механические свойства материала изделия и предельные возможности формоизменения.

Научная новизна. 1. Получены основные определяющие соотношения для теоретического анализа процессов обработки металлов давлением ортотропно-го, анизотропно-упрочняющегося материала с учетом поворота главных осей анизотропии.

2. Установлены закономерности изменения силовых режимов, деформационных параметров и ожидаемых механических свойств круглой анизотропной листовой заготовки при осадке^с кручением.

3. Получены закономерности изменения силовых, деформационных параметров, предельных возможностей формоизменения и прогнозирования анизотропии механических свойств материала изделия при обратном выдавливании трубной заготовки с учетом поворота главных осей анизотропии.

Практическая ценность и реализация- работы. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров процессов осадки с кручением круглой листовой заготовки и обратного выдавливания трубной заготовки с заданной структурой анизотропии механических свойств материала изделия или заготовки, которая благоприятно влияла бы на устойчивость протекания технологического процесса или на условия эксплуатации изделия. Эти рекомендации использованы для изготовления заготовок деталей ответственного назначения.

Отдельные результаты исследований включены в разделы лекционных курсов "Теория обработки металлов давлением", "Штамповка анизотропных - материалов", "Технология холодной штамповки", а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Российской межвузовской научно-технической конференции "Фундаментальные- проблемы металлургии" (г. Екатеринбург, 1995 г.), на Российском , совещании-"Проблемы теории проектирования и производства инструмента" (г. Тула, 1995 г.), на Международной научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (г. Москва, 1994 г.), на Международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии. Теория обработки материалов давлением" (г. Орел, 1996 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1994-1997 г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 пе-. чатных работ.': :

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов.и заключения, списка литературы, приложений. Работа выполнена на 137 • страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок, 5 таблиц, список литературы из 136 наименований. Общий объем работы-'186' страниц. '