автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Пневмоформовка куполообразных деталей из трансверсально-изотопного материала

с?

\

ПЕТРОВ МАКСИМ ЮРЬЕВИЧ

ПНЕВМОФОРМОВКА КУПОЛООБРАЗНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРАНСВЕРСАЛЪНО-ИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давление»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 1997

ло шишшчиа в 1ул^иким государственном университете. ->ый руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор С.ПЛКОВЛЕВ

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

В.Н. Чудин

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Е.А. Закуренов

Ведущая организация - ГП НПО "ТЕХНОМАШ"

Защита состоится " ^ " декабря 1997 г. в ^ час; на заседании диссертационного совета Д 063.47.03 Тульского государственного университета (300600, г. Гула, ГСП, проспект им. Ленина, 92, 0-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан

20 п 19д7 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кт.н., доцент ■ ( ) -¿¿У^—кЪ. Орлов

/ ( • '

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дктуэдьностьл'еиЫ; Создание новой техники, отдельные узлы которой работают в условиях агрессивных сред, высоких давлений и температур, связано с использованием трудподеформирусмых, малопластичных сплавов. В последнее время при изготовлении деталей аэрокосмической техники из листовых труднодеформируемых материалов нашло применение медленное горячее деформирование, которое реализуется 'в условиях кратковременной ползучести.

Медленное горячее деформирование дает возможность значительно снизить удельные усилия штамповки и достичь больших степеней деформации. Существующие методы расчета технологических параметров, а такие известные феноменологические модели'деформируемости материала в этих процессах основаны на использовании теории ползучести изотропного материала.

Листовой материал, используемый при изотермической штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, которая зависит от физико-химического-состава сплава и технологии получения.

Анизотропия механических свойств листовой заготовки оказывает существенное влияние на технологические параметры процессов обработ- . ки металлов давленном как при пластическом деформировании, реализуемом на традиционном прессовом оборудовании, так и при медленном деформировании, осуществляемом в режима кратковременной ползучести.

Широкое внедрение в промышленность изотермической пневмофор-моеки куполообразных заготовок сдергивается недостаточно развитой теерней деформирования при повышенных температурах с учетом реальных свойств материала. Расчет н рекомендации по проектированию технологических процессов в основном даются на основе накопленного производственного опита.

Настоящая работа посвящена развитию теории изотермической пнев-мофориовки куполообразных заготовок из анизотропного листового материала при деформировании в режимб кратковременной ползучести.

Работа выполнена в соответствии с Российской научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (Приказ Госкомитета РСФСР по делам- науки и высшей школы Н204 от 19.03.91), за-

- 4 - '

каз-нарядом ГК ВО РФ "Разработка научных основ проектирования технологических процессов обработки металлов давлением в режиме кратковременной ползучести, грантом "Теоретические основы новых технологий изотермической, штамповки элементов конструкций летательных аппаратов из перспективных металлических материалов", а также хозяйственными договорами с рядом предприятий России.

Цель_работы! Научное обоснование расчета параметров процессов изготовления ' куполообразных изделий в изотермических условиях из труднодеформируемых и малопластичных анизотропных ■ материалов пластическим деформированием в режиме кратковременной ползучести с целью их интенсификации и обеспечения необходимого качества готового изделия. ' . --

Автор_защияает механические уравнения связи между скоростями деформации, деформациями и напряжениями при осесимметричном деформировании оболочек вращения в режиме кратковременной ползучести; условие локальной потери устойчивости и феноменологический критерий разрушения анизотропного материала при кратковременной ползучести; результаты экспериментальных исследований характеристик анизотропии механических свойств алюминиевого сплава АМгб и титанового сплава ВТ6С при кратковременной ползучести; результаты теоретического исследования процесса изотермической пневмоформовки куполообразных заготовок из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести; установленные зависимости влияния анизотропии механических свойств исходного материала, закона пагружения на напряженное и деформиро-ваинов состояния, геометрические размеры заготовки и продельные степени"" деформации, связанные с локализацией деформации и разрушением по накоплению микроповреждений; программное обеспечение теоретических расчетов и обработки опытных данных. Науннав-лшшзна.

1.Получены механические уравнения связи между скоростями деформации, деформациями и напряжениями при медленном изотермическом формоизменении оболочек вращения из трансверсально-изотропного материала. ,

2. Разработаны критерии деформируемости и локальной потерн устойчивости (шейкообразования) анизотропного материала при формоизменении в режиме кратковременной ползучести;

3. Предложены методики определения характеристик анизотропии механических свойств при кратковременной ползучести.

4. Установлены закономерности изменения напряжений и деформации, геометрических размеров заготовки (толщины, максимального прогиба заготовки, радиуса кривизны), предельных возможностей формоизменения при пластической деформации куполообразной заготовки.

5. Получены законы изменения напряженного и деформированного состояния заготовки, геометрических размеров заготовки, продельных возможностей формоизменения анизотропного материала, связанных с накоплением микроповреждений и локальной потери устойчивости в режиме кратковременной ползучести.

Методы исследования. Теоретические исследования напряженного и деформированного состояния заготовки при изотермической пневмофор-мовке куполообразных изделий выполнены на основе теории пластичности и кратковременной ползучести анизотропного материала. Предельные возможности формоизменения установлены на базе использования усло-• вия локальной потери устойчивости и критерия разрушения анизотропного материала, связанного с накоплением микроповреждений, в режиме ■ кратковременной ползучести: Анализ процессов реализован численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ IBM PC. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины и регистрирующая аппаратура. Обработка опытных данных проводилась методами математической статистики.

Практическая ценность и реализация работы. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создан пакет прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров процесса изотермической пневмоформовки осесим-метричных куполообразных заготовок из трансверсалыго-изотропного ма-. териала в режиме пластичности и. кратковременной ползучести.

Эти рекомендации использованы ГП НПО "ТЕХНОМАИГ при разработке новых технологических процессов изготовления куполообразных загото-

вок различных типоразмеров. Достигнуто значительное снижение метал. лоемкости н повышение качества изделия.

Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные разделы лекционных курсов "Новые методы обработки металлов давлением", "Штамповка анизотропных заготовок", а также использованы в исследовательских дипломных проектах. •

Апробация^зайоти, Результаты исследований доложены на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (г. Москва, МГГ'ЛТУ, 1995г.), Международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии. Теория обработки металлов давлением" (г. Прел; ОГТУ, 1996г.), Второй международной конференции "Современные проблемы механики сплошной среды", (г. Ростов-на-Дону, НИИМ и НИ ¡Ч'У, 1995г.), Международной научно-технической конференции "ЮОлет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа", (г. Москва, НАМИ, 1996г.), - Российской научно-технической конференции "Новые материалы и интенсивные технологии в производстве летательных аппаратов" (г. Москва, МАХИ, 1397г.).

Публикации, Материалы проведенных исследований отражены в 10 печатных работах.

Структура.и_объсц.диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит .2р_ рисунков, С ...таблиц и 147 наименований библиографического-списка. Общий! объем работы - ХИ5 страниц

Во. введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе проблемы, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

}3_первон..разделе -рассмотрено современное состояние теории медленного деформирования материалов при повышенных температурах. Обоснована постановка задачи исследования.

Предложено исследовать процессы деформирования в этих условиях на базе теории кратковременной ползучести анизотропных материалов. Значительный вклад в развитие теории пластичности, ползучести, методов анализа обработки металлов давлением и критериев локальной поте-

ри устойчивости и разрушения изотропных и анизотропных материалов .внесли Ю.М. Арышенский, A.A. Богатов, В.Д. Головлев, Ф.В. Гречников, Г.Я. Гун, Г.Д. Дель, Д. Друкер, Г. Закс, A.A. Ильюшин, Ю.Г. Калпин, JI.M. Качанов, B.JI. Колмогоров, H.A. Колтунов, В.Д.Кухарь, Д. Лубан, H.H. Малинин, А.Д. Матвеев, С.Г. Милейко, А.Г. Овчинников, В.А. Огородников, С.С. Одинг, Е.А. Попев, Ю.Н. Работнов, И.П. Ренне, К.И. Романов, Ф.И. Рузанов, Г. Свифт, Е.И. Семенов, H.A. Смарагдов, О.В. Соснин, Л.Г. Степанский, А.Д.' Томленов, Е.П. Унксов, В.Н. Чудин, С.А. Шестериков, С.П. Яковлев, С.С. Яковлев и другие.

Из обзора научно-технической литературы следует, что анизотропия механических свойств обрабатываемых материалов играет существенное значение не только в условиях холодной обработки металлов давлением, но и при медленном деформировании, осуществляемом в режиме кратковременной ползучести, которую следует учитывать при расчетах технологических параметров процессов обработки металлов давлением. Недостаточно изучен вопрос определения характеристик анизотропии механических свойств материала при кратковременной ползучести.

Мало внимания уделялось вопросу разработке критериев деформируемости и локальной потери устойчивости (шэйкообразования) анизотропного листового материала в режиме кратковременной.ползучести.

Недостаточно внимание уделяется в научно-технической литературе технологическим задачам обработки металлов давлением анизотропных материалов в условиях ■ кратковременной ползучести, в частности, при анализе изотермической пневмоформовки куполообразных заготовок.

На основа этого, сформулированы следующие основные задачи исследования;

»Получить основные соотношения и уравнения осесимметричного деформирования оболочек вращения из трансверсалыю-изотропного материала в режиме кратковременной ползучести.

«Сформулировать феноменологический критерий разрушения и условие локальной потери устойчивости анизотропного листового материала при кратковременной ползучести.

•Создать методику и провести экспериментальные исследования титанового и алюминиевого сплавов по определению характеристик анизотропии механических свойстй материалов при кратковременной ползуче-

- ь -

сти.

-•Использовать результаты исследования в учебной процессе и опытном производстве.

Во лтороц_р_азделе даны основные соотношения и уравнения, необходимые для теоретического анализа процессов медленного горячего деформирования анизотропного материала; приведены условия локальной погори устойчивости и разрушения по накоплению мнкроповреждешш при кратковременной ползучести.

Рассматривается деформирование анизотропного материала в условиях кратковременной ползучести. Упругими составляющими деформации пренебрегаем. Считаем, что если величина эквивалентного напряжения СУ. меньше некоторой величины 0 • то процесс деформирования будет

протекать в условиях вязкого течения материала, а если величина ас больше значения С7е , то будет осуществляться процесс деформирования п условиях вязкопластического течения. Величина 0ео соответствует остаточной деформации (»ф — 0.005 на статической кривои упрочнении при

£ . - 0.04 1/с.

•|.'с т

Введем потенциал скоростей деформация анизотропного тела при кратковременной ползучести в виде:

2Г(а,) = Н(ах - су)~ + р(ау - аг)2 + С(о7. ~ ох}' +

(1)

где

Я, в, N,1, М - параметры анизотропии при кратковременной ползучести; О ¡, - компоненты тензора напряжений; X, у, 2,- главные оси анизотропии.

В этом случае согласно ассоциированному закону течения зависимо-' сти скоростей деформации от напряжений запишутся так:

Лху = Шх*у'> ^ = =

где коэффициент пропорциональности.

Следуя работам Р. Хилла, так ;ке, как в теории пластичности орто-

трошшх материалов, введем понятия эквивалентного напрякония СТеи

эквивалентной скорости деформации при формоизменении в условия": кратковременной ползучести, величины которых будут определяться по выражениям:

Ое = ¡3 Ях Яу(ах - ау)2 + Ях (сь - а,)" + Яу(а- - аг)2 +

(з)

+ 2 Цу (яху + х}-_ + х?л)]/[2(/?, + Ях Я „ + Ду)]}

= Кх Иу + иу){кх(Ях4х -

(Г^^х + 11у + I)2 [(^ху)2 Дху + /Ку:

I 1'2

(4)

-(а

/Я,

1/2

где Я, = Н/в. КУ = Н/Р, Лу = М/в, д,, = Ь/в, Е„ = М/в.

Можно показать, что величина коэффициента пропорциональности X может быть найдена по выражению:

X = Зл,5е/[2 (я, + Ях Яу + Яу)^,].

(5)

Если величина <Уе меньше СТе0, то процесс деформирования протекает в условиях вязкого течения материала и величина эквивалентного напряжения О с определяется следующим образом:

Л/п

о^о^/ВУ".

(6)

а в случае, если значение (7е больше (Те0 формоизменение осуществляется в условиях вязкопластического течения и величина <7 оценивается

так:

Се = ^(ее)"

с

\

(7)

чЬесх/

где В, П - константы кривой ползучести; О*- произвольная величина

напряжения; А, Ш и к - константы кривой упрочнения.

Предельные возможности процесса пневмоформовки деталей ответственного назначения предложено оценивать по критерию локальной поте-

рей устойчивости (шейкообразованию):

. \1{Шг) + Ф1%е{УЬ-\1гг)-Фг{%е)2 =0,

(8)

рДе Z) и 2 г ' величины подкасателышх к графикам зависимостей эквивалентного напряжения с* и эквивалентной скорости деформации Ъ!е от времени, т.е. -

1 1 А

Ое.

■где

Ое &

ф2 = 1ф*(чл)2; ¡=1

СУ| = ф;сге;

1 =

г2 л ' Фз = ЕфДЧО3

1=1

а входящие функции ф, и , не зависят от времени на каждом этапе

деформирования и определяются при решении конкретной.задачи..

Приведенный выше критерий получен на основе постулата устойчивости Друкера для реономных анизотропных сред.

1 -II -

В случае вязкого течения материала условие (8) приводится к критерию локальной потери устойчивости, полученному H.H. Калининым.

Равенство нулю выражения (8) соответствует моменту времени t и степени деформации при котором возможно начало локализации очага деформации.

Предельные возможности формоизменения при пластической обработке материалов н деформировании в режиме вязкого течения материала часто оцениваются на базе феноменологических моделей разрушения.

Предлагается условие деформируемости анизотропного материала при кратковременной ползучести записать в виде

' ? <h

Ше . О)

0

если при вязкой деформации справедлив деформационный критерий разрушения, п в виде:

м А = | ——— < 1, (10)

о АПр

если справедлив энергетический критерий разрушения.

Здесь Wc и СО - повреждаемость материала по деформационной и

снергетнческой моделям разрушения соответственно; (Уе - эквивалентное напряжение при кратковременной ползучести.

Зависимости эквивалентной деформации в момент разрушения zerp и

удельной работы разрушения Апр ПРИ кратковременной ползучести могут быть записаны в виде:

Geiv = 4 + aiCosa + ai cosß + д3созу) (и)

И '

inp

= ^exp^fl'-^j^o + biPosa +/)2созр + ь)3созу) (12)

а зависимости эквивалентной деформации в момент разрушения и

удельной работы разрушения Апр ПРИ вязкой деформации так:

е<> = С(а'о + й'1соза + а'2С05Р + а!'зС0зу). (13).

и "

Ар = С'{^ + ^С08а+£'2С03р + £'зС08у). ■ (14)

где ' ~ показатель напряженного состояния;

О' = (ст, -Ь02 +С3}/3 - среднее напряжение; 0130"2 и 03 - главные

напряжения; ОС, и у - углы, определяющие ориентацию первой главной

сип напряжений относительно глаиных осей анизотропии X,}>,2.

Е_ТЕО'гьем..разделе предложено экспериментально определять пара-остров уравнения состояния и характеристик анизотропии механических свойств путем обработки экспериментальных данных по" испытанию пло-

с1-мх ооразцов, вырезанных в пределах одного листа под углами 0 , 45

п" 90° к направлению прокатки, и условиях вязкого течения материала и кратковременной ползучести. Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик анизотропии и параметров уравнения состояния при кратковременной ползучести и вязкой деформации для алюминиевого сплава АМгб и титанового сплава ВТСС в состоянии поставки

~олщиной 1мм при температуре испытаний 7* =530° С к

соответственно.

Температурные роншиы испытаний выбрани на основе технологических режимов процессов пиевмофррмовкя и сварки давлением.

Растяжение образцов в условиях -кратковременной ползучести осуществлялось на универсальных испытательных машинах "ХпзЬгоп ТГ-ДЦ" и 1246Р-2/2100,а при изучении способности материала к. вязкому формоизменению растяжение производилось постоянной во времени нагрузкой на испытательных установках А1ША-5-2 и ПВ 1520Ц. • • ; Испытание- образцов из титанового сплава ВТОС проводилось в вакууме для предотвращения интенсивного окислении и газонасщце.аия по-

верхностиого слоя образца. Величины коэффициентов анизотропии образцов, вырезанных под углами 0°, 45° и*90° по отношению к направлению прокатки, при кратковременной ползучести и вязком деформировании определялись в области равномерной деформации образца.

Параметры уравнений состояния при кратковременной ползучести и вязком течении материала определялись с помощью метода наименьших квадратов.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что коэффициенты анизотропии Яа практически но зависят от величины начального напряжения (То- Исследуемые сплавы при данных температурных режимах испытаний обладают анизотропией механических свойств.

Экспериментально установлено, что температура испытаний оказывает существенное влияние на величины коэффициентов анизотропии при вязком течении и кратковременной ползучести. Показано, что по мере увеличения начального напряжения Со накопленная к моменту разрыва'

деформация &11оа уменьшается, ь величина рассеянной удельной энергии

А поп ДЛП алюминиевого сплава ЛМгб остается постоянной. Обратная картина наблюдается для титанового сплава ВТ6С. Этот факт говорит о той,

что для алюминиевого сплава АМгб при Т—450 , 530° С справедлив энергетический критерий разрушения, а для титанового сплам ВТ6С при

7=930° С - деформационный критерий разрушения.

П^ЩТЕерТ0)!__разделл приведены основные соотношения и уравнения, необходимые для теоретического анализа осесимметричного дефорг'шро-чанпя оболочек сращения в режиме кратковременной ползучести.

Рассматривается оболочка вращения, нагруженная равномерным давлением р, изменяющемся в процессе деформирования по закону

и

р ~ Га + А А * , где £3С- и <}р - параметры нагрухенин.

Материал заготовки принимаем трансварсально-изотропньш. Недофор-шрованное состояние мембраны будем рассматривать в системе коордн-¡ат хОу, а деформированное - в система координат Юг. Координаты Г

и 2 для недеформированного состояния совпадают с координатами X и у. Через Ц/ и 0 обозначены углы между осью оболочки и нормалью к срединной поверхности в недеформированном и деформированном Состояниях. Следует отметить, что Г — /"(.V, /), 2 = ^(.Т,/) или Г = /),

2 = г(у, /); у = у(х); 0 = 0(х, /) или 9 - 0(у, /); х|/ = \|/(х).

Сечение срединной поверхности оболочки в недеформированном (штриховая линия) и деформированном (сплошная линия) состояниях.

Радиус кривизны меридионального сечения р;;) и сечения оболочки

конической поверхностью, перпендикулярной дуге меридиана, р, для

ооолочки в деформированной состоянии, связаны с углом 6 и координате!] Т зависимостями:

1 од . _ , 50 п 1 / • ^ / — ~----5>п0 -—соаб; 1/р, = зто/;\ (15)

■ Р,, & й- '

а угли между осью оболочки и нормалью к срединной поверхности в переформированном Ц/ и деформированном состоянии 0 связаны с соответствующими координатами соотношениями:

& ' •

иг дх

Логарифмические деформации в меридиональном Ст н окруином Б( направлениях и в направлении нормали к ерэдтшон поверхности мембраны Еэ определяются по формула«:

, (дг сониЛ , / ч . , . , Ет= е, = !Г1^/А1; Сэ (17)

где /¡ц и Л- толщины оболочек'в недефармироэанном и деформированном состояниях.

Величины скоростей деформации в меридиональном ^т, окружном ^

направлениях и по толщине заготовки могут бить определены из соотношения (17) путем дифференцирования его по времени:

д2г (дг\ 50

д2г (дг\ 59 __

(18)

^>1 ~ ' — , а, •

г д1 п д1

Напряженное состояние мембраны принимаем плоским (<Т1, = 0). Вследствие осевой симметрии мембраны и нагружения меридиональное (7СТ и осевое С, напряжения являются главными.

Уравнения равновесия элемента мембраны, нагруженной равномерным давлением р, в соответствии с безмомелтной теорией оболочек записывается в виде:

+ .= />//*;. а®

Величины главных скоростей деформации в меридиональном и окружном направлениях, и в направлении, перпендикулярном меридиану, при кратковременной ползучести могут быть определены из ассоциированного закона течения (2).

Величина эквивалентного напряжения (Те определяется -по выражению (3).

Принимая во внимание выражения (19) и (15), а также условие несжимаемости в деформациях выражения для определения меридиональных

<7Ш и окружных напряжений 01 можно записать в виде:

От=рг/( 2/Шп8); (20)

(21)

рг (. г Ъ соъ ш 59

а, =—-- 2--- —

2Л81П0 V х/^тб дх.

Таким образом, основная система уравнений для определения V, И, Э, ¡^.СТ^ может быть записана в виде:

дг _ xh^ cos0 дх r/icosv}/'

aM = pr/(2/isine); о, =

pr \ г h cos ц/ 50

2/zsin0V д-/^ sin 9 дх, dh_ 3,ie 1

а- з £, 1

~=-г—— at 2 а, 2+Л

dt 2 a.2 + R

ст„ =

2(2 + Л)10 + Л)(а(Чат2)-2Ла,ат] ;

зн ие <-<Je0 ae = at(^jB)V";

lips

при

а, > сте0 стс = A(Qn

г \ *

\Ъсс пу

Исключая'из приведенной выше системы уравнений напряжения От и (Т(, можно получить окончательную систему уравнений для определения г, дик.

дг_ х/г0 cosB t дх rh cosif/'

дг Ърг2

dt 4/isin0CT,,

Г2 _ г2ficosy BO + О) _'

xHq sinG дх 2 + R J 2 + R

dh _ Ърг

dt 4sin0cr 2 + R

3-

r2h cos vj/ 504

(22)

xfiy sin9 5x7

■ Для решения системы основных уравнений (22) необходимо располагать начальными и краевыми условиями. За начальное состояние в мо-

ч

мент времени I = 0 примем деформированное состояние мембраны, нагруженной заданным давлением, полученное при ее пластическом деформировании.

Принимая степенную зависимость эквивалентного напряжения СГе от эквивалентной деформации С., и скорости деформации ¿¡е

■ikj

( \к

а также выражения для логарифмических деформаций, зависимости между ними и напряжениями и геометрические соотношения (15), можно получить основную систему трех уравнений для трех неизвестных Г, 0 и II при пластическом деформировании мембраны: dr xh, cos б

tlx /'/¡COS '

иЭ .T/J^CCSO

г2Лсоз\(*

2 +

1п(/у'.у) - R ¡п(/г//;и) (1 + Л)1п(А/Л0)+1п(^/.г)_

Л =

л/3 р -j2R + l( <3(2/1 + 1)

2л/2 A V2 + R [у 2(2 + R) J sir. О

|ln(/*/x) + !n{7j/A'a)j2 + [ln(r/x)jJ +^[ln(/;//i0)]2}~r.

(23)

Методом численного интегрирования полученных дифференциальных уравнений монно установить влияние давления газа, -анизотропии механических свойств на распределение напряжений и деформаций, геометри- . ческне размеры заготовки при изотермическом пластическом деформировании еэ, а также найти Начальные условия для решения системы уравнений (23).

П_ЩГЕйМ_рашШЛ§ приведены результаты теоретических исследовании процессов пневмеформовки изделий из трансверсалыю-и^отропного материала в условиях кратковременной ползучести. Оценено напряженно-деформированное состояние и предельные возможности формоизменения в

зависимости от геометрических размеров заготовки и параметров закона пагружения.

Гасчеты выполнены для процесса пневмоформовки круглой листовой заготовки из специального титанового сплава BTGC при температуре обработки 930°С, а такие алюминиевого сплава АМгб при температурах обра-Сотки 450 и 530°С.

На рис. 1. изображены эпюры изменения относительных величин напряжений От = О'm¡А и О, = С,/А при деформировании круглой мембраны. Здесь сплошной линией показаны относительные величины Gm, а

[штриховой - относительные О/.

Анализ результатов расчета показывает, что с увеличением величины происходит незначительное возрастание этих параметров до определенных пределов. При дальнейшем росте X величины От и (J¡ уменьшаются.

_ 1-1

1.0

Í

0.0

0.8 0.7 0.8

0 5 10 15 20 25' 30 35

-> X, мм

Рис.1. Эпюра относительных напряжений Gm и CT, при формоизме-■ нении круглой мембраны из алюминиевого сплава АМгб при Т~530°С

Начальное возрастание относительных напряжений (3т и СТ, можно объяснить резким, изменением радиуса кривизны мембраны, а дальнейие" уменьшение - с меньшим утонением заготовки по сравнению с центрально":

частью купола. Показано, что при /?,г,п/'% — СОП$1 с увеличением начального давления Рд величина относительного максимального прогиба

Ц уменьшается с одновременным уменьшением радиуса иогСраин И. В результате расчетов установлено, что с увеличением величин;! Л" относительная величина /? -„//^ резко возрастает. На рисунке 2 приведены' "рафичоскио зависимости изменения относитсшьннх полк1:'!:! •г-ггрг'^-ииЛ СТ/и и <3( от величины %/ П и времени деформирования для ттянового и итминисвого сплавов соответственно. Анализ граф ичесш: :,!Вис!»могтй I результатов расчета показывает, что с увеличением соли ыип X/ /? относительные величины напряжений <Зт и С/ уменьем кгхсп. Йи1">нсирпсг,,ь Уменьшения этих характеристик зависит от параметров закона нагру.-;е-

шя. С увеличением времени / величины Ст и О/ возрастапт за счет '.величения давления. 1 •

Предельные возможности процесса пнепмоформовки куполообразных ¡еталей оценивались критерием локальной потери устойчивости [аейкообразованием) и феноменологической моделью рззруш"нгп по на-:онлению микроповреидений. Установлено, что в большинство случаев [редельные степени деформации ограничиваются критерием разрушения Ю накоплению микроповрежденнй. Однако, со значительным увеличением ¡явления во времени предельные возможности формоизменения сгрлннчи-аются критерием локальной потери устойчивости.

ст

г

I Ь2 т1,0 0,8 0,6

Ь=200с

—Г=Шс— / —...

—^Р 720С

ЫОс/

О 0,2 0:4 0>Б 1

I

СУ,

13 1.6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6

/ 200с

Ы6С >с

20с

м о

0 02 0,4 0,6 Х/Я

0,8 1 —

Ро=1,0 МПа; а=5,3 ТО"3 МПа/с^-Э^ 10"'

Ро=1,0МПа; ар=5,3 ТО"3 МПа/с"0Пр=9,5 ТО"1

Рис. 3. Зггоры относительных напряжений СТт и'С, для различных значений времени.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЕ! И ВЫВОД!!

В работе решается актуальная научно-техническая задача, состоящая в разработке научно-обоснованных режимов технологических процессов изготовления куполообразных, изделий в изотермических условиях из труднодеформ.ируемых и' малопластичных анизотропных листовых материалов, которые обеспечивают их интенсификацию и необходимое качество готового изделия.

В процессе теоретического и экспериментального исследований достигнута следующие результаты:

1. Сформулированы уравнения связи между скоростями деформации, деформациями и напряжениями при медленном изотермическом деформировании анизотропной заготовки. Приводятся уравнения состояния при кратковременной ползучести анизотропного материала.

2. Предельные возможности процесса пневмоформовки* куполообразных заготовок из анизотропного материала предложено оцоштать по величине накопления микроповрежденпЛ, а такие по критерии локальной потерн устойчивости при кратковременной ползучести.

3. Разработаны методики экспериментального определения параметров уравнений состояния и констант функциональных зависимостей феноменологических критериев разрушения анизотропного материала при кратковременной ползучести и вязком течении материала.

Экспериментально определены параметры уравнения состояния и характеристик анизотропии механических свойств путем обработки экспериментальных данных по исйытанию плоских образцов, вырезанных в

пределах одного листа под углами 0°1 45° и 90° к направлений прокатки для алюминиевого сплава АМгб и титанового сплава ВТ6С, в режимах вязкого течения материала и кратковременной ползучести, в изотермических условиях при температуре испытаний Т =450°С, Т=530°С и

Г=930°С соответственно.

Установлено, что исследуемые материалы обладают анизотропией, механических свойств в условиях вязкого течения материала и кратковре- ■

ценной ползучести, причем, величины коэффициентов анизотропии в этих услоаиях различны. .

Температура испытаний оказывает существенное влияние на величины коэффициентов анизотропии при вязком течении и кратковременной ползучести. С ее ростом величины коэффициентов анизотропии сплава А1!г0 увеличиваются, а плоскостная анизотропия механических свойств уменьшается - происходит частичное выравнивание механических свойств материала в плоскости листа.

Показано, что для алюминиевого сплава АИгб при Т=450°С и 1—530° С справедлив энергетический критерий разрушения, а для титанового сплава ВТ6С при Т=930°С - деформационный критерий разрушения.

4. Получены основные соотношения и уравнения осеснкиетричного деформирования оболочек рра«;ения из трацсвзрсалыю-изотропного мата-риала В режиме кратковременной ползучести, которые учитывают анизотропию механических свойств исходной -заготовки.

5. Выполнены теоретические исследования процессов пневмоформов- ' ки изделий из трансвзрсально-изотропного материала при формоизменении в условиях кратковременной ползучести. Оценено напряженно-деформированное состояние и предельные возможности формоизменения в зависимости от геометрических размеров заготовки и параметров закона нагруаенця.

Предложен подход к формулировке начальных условий при решения задачи об осесимметричном деформировании трансверсально-изотропаой заготовки, связанный с описанием начально-пластического состояния

оболочки вращения при давлении р ~ рй.

Установлено, что в большинстве случаев поеделыше степени деформации ограничиваются критерием разрушения по накоплению микроповреждений. Однако, со значительным увеличением давления во. времени ' предельные возможности формоизменения ограничиваются критерием локальной потери устойчивости.

6. Па основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по проектированию Процессов

пнепкофориошш куполообразных заготовок из трансперс и-м!'.)-изотропного катернала в реа:ине кратковременной ползучести, какрт;* использованы в опытном производство. Внедрение предполагаемого технологического процесса изготовления куполообразных- деталей позволит обеспечить снижение металлоемкости изделия, повысить выход годных получаемых изделий, значительно сократить трудоемкость изготовления.

7. Результаты научных исследований использованы в научно-исследовательской ■ работе студентоз, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в ряде лекционных курсов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Параметры уравнений состояния и феноменологических критериев разрушения специальных алюминиевого и титанового сплавов при пластической деформации и деформации ползучести / С.А. Сумароков, М.Ю. Петров, С.П. Яковлев, С.С. Яковлев // Новые материалы и технологии: Тез. докл. Российской научно-тахн. конф. - М.: МГАТУ, 1995. - С.34

2. Сумароков С.А., Петров М.Ю., Яковлев С.С. Механические характеристики титанового сплава ВТ6С при медленном деформировании в условиях повышенных температур // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. Сб. науч. трудов. - Тула, ТулГУ, 1995,-С. 39-46

3. Яковлев С.П. Петров М.Ю., Яковлев С.С. Разрушение и шейкообразова-ние анизотропного листового материала при кратковременной ползучести // Современною проблемы механики сплошной среды: Сборник докладов второй Международной конференции. Ростов-на-Дону: НИИМ и ПН РГУ, 19-20 сентября 1996

4. Яковлев С.П., Петров М.Ю., Яковлев С.С. Изотермическое формоизменение круглой мембраны из анизотропного материала // Проблемы пластичности в технологии. Теория обработки материалов давлением: Тез. докл. Международной научно-технической конференции - Орел: ОГТУ. -1996. - С. 12-13

5. Воропаев. Л.П., Петров М.Ю., Черняев А.В. Изменение коэффициентов анизотропии материала при одноосном растяжении в режиме кратковре-

ионной ползучести // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. - Тула: ТулГУ, 1996. - С.162-169

6. Яковлев СП-, Яковлев С.С., Петров М.Ю, Горячее пластическое деформирование круглой мембраны из анизотропного материала // Сборник научных трудов НТП "Ресурсосберегающие технологии машиностроения". - М: II ГА Л TU, 1996. - С.46-51.

7. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Петров М.Ю. Горячее пластическое деформирование круглой Мембраны из трансверсально-изотропного материала // Новые материалы и интенсивные технологии в производстве летательных аппаратов: Тез. докл. Российской научно-технической конференции. -П.: ИДТИ, 4-5 февраля 1997г.- С.71

и. К вопросу об изменении коэффициентов анизотропии материала при ползуче-пластическом деформировании. / С.П. Яковлев, С.С. Яковлев, М.Ю. Петров, A.B. Черняев // Новые материалы и интенсивные технологии в производстве летательных аппаратов: Тез. докл. Российской научно-технической конференции. - 11: МАТИ, 4-5 февраля 19Э7г.- С.146

9. Яковлев С.С., Петров И.Ю., Проскурякова H.H. Изотермическая пневмо-формовка листовых конструкций из анизотропного материала // Новые материалы и интенсивный технологии н производстве летательных аппаратов: Тез. докл. Российской научно-технической конференции. - М.: МАТИ, 4-5 февраля 1997г.-С.147

10. Вопросы локализации деформации при изотермической штамповке анизотропного материала в режиме кратковременной Ползучести. / С.Г1. Яковлев, С.С. Яковлев, Ы.Ю. Петров, А. Лункин // 100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа: Тез. докл. Международной научно-технической конф. - М.:МАМИ, 24-26 Ноября 1996г. - С.48.

ОадаЕсхам ь всшь ff .' •/•; Осрнат бумаги CiiiSi i/i&. Бумага типограф. IL 2. Офссшш вечахь. Усж. ихлл.'. -3 . Усл. кр.-втт. ■>, 4. 1/ч.-«зд_а.■l Tttpa^s /сггхл.

^ИГЙЧ -

Ту шчы^ гесударсооши! ушшсрштсг. 300GC3, Тула, иросо. Лешша, £2. Йил^цчаг »гши; шерпасаоЛ ц&шграфш! Тулъ££ога государственного уиивер-шси. MGMQ Туш, зпГнидляа, Iii-