автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Штамповка элементов многослойных листовых конструкций из анизотропного материала

Тульский государственный технический университет

На правах рукописи

МАТЧЕНКО ИЛЬЯ НИКОЛАЕВИЧ ,/

4

ШТАМПОВКА ЗЛЕШГГОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ 113 АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 199&

Работа выполнена в Тульском государственном техничесшм университете.

Научный руководитель - Кандидат технических наук, доцент С. С.ЯКОВЛЕВ

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор К.И.РОМАНОВ

доктор технических наук, профессор И.А.СМАРАГДОВ

Ведущая органивация - НПО "ТЕХНОМАШ"

Защита состоится "Jͧ_" 05 1905 г. в 14°° час. на заседании диссертационного совета К 063.47.03 Тульского государственного технического университета (300600, г.Тула, ГСП, проспект им.Ленина, 02, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного технического университета.

Автореферат разослан _ 1096 г.

Учевий секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., доцент

В.И. Желтков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время перед машиностроением стоит необходимость повышения эффективности производства и качества получаемых изделий.

Создание новой техники связано с использованием труднодеформи-руешх, малопластичных материалов. Значительное количество деталей машиностроения изготавливается ив листовых материалов, которые обрабатываются в режимах холодной и горячей штамповки.

В последнее время при изготовлении деталей аэрокосмической техники из листовых малопластичных, труднодеформируемых сплавов нашло применение медленное горячее деформирование при котором проявляется не только пластичность, но и ползучесть Материала, достигаются большие степени деформации.

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной технологическими режимами его получения.

Анизотропия механических свойств материала заготовки ма«ет оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при пластическом деформировании, реализуемом на традиционном прессовом оборудовании, а такие при медленном деформировании, осуществляемом в регенме ползучести.

Создание новых технологических процессов пневмоформовки листовых заготовок не может быть реализовано без развития теории процессов медленного горячего деформирования.

Работа выполнена в соответствии с Российской научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (Приказ Госкомитета РСФСР по делам науки и высшей школы N224 от 19.03.91), в соответствии с постановлением ГКНТ СССР N312 от 20.03.91 по разделу "Технологии, машины и производство будущего" проект 0.06.02.0405, грантами "Теория пластического формоизменения при повышенных температурах современных конструкционных материалов для получения многослойных листовых конструкций ЛА" (1S93, 1904гг.), а также хозяйственными договорами с рядом предприятий России.

Цель работы. Решение научно-технической задачи, состоящей в разработке научно-обоснованных режимов пневмоформовки трапециевид-

лого элемента многослойной листовой конструкции, которые обеспечивают необходимое формоизменение при выполнении технических требований в процессе их эксплуатации, на основе более полного учета поведения анизотропного материала при медленном горячем деформировании.

Автор защищает математическую модель формоизменения трапециевидного элемента трехслойной листовой конструкции (из анизотропного материала) при медленном горячем деформировании; результаты экспериментальных исследований характеристик поведения и разрушения анизотропных специальных сплавов типа АМгб и ВТ60 при медленном горячем деформировании; результаты теоретических исследований влияния анизотропии механических свойств исходного материала, закона нагру-жения, геометрических размеров заготовки и инструмента на напряженно-деформированное состояние заготовки и предельные степени деформации, связанные с локализацией деформации и накоплением микроповреждений при штамповке трапециевидного элемента трехслойной листовой конструкции в условиях медленного горячего деформирования; разработанные технологические процессы на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Создана математическая модель формоизменения трапециевидного элемента листовых конструкций при медленном горячем деформировании, которая учитывает пластические деформации и деформации ползучести, а также анизотропию механических свойств в этих областях.

2. Предложена методика' определения, характеристик анизотропии механических свойств, параметров уравнения состояния и констант функциональных зависимостей феноменологических критериев'разрушения при кратковременной ползучести.

3. Установлены закономерности изменения силовых й деформационных параметров и предельных возможностей формоизменения при штамповке и калибровке трапециевидного элемента трехслойной листовой конструкции в зависимости от геометрических размеров заготовки и инструмента, анизотропии механических свойств материала и изменения закона нагружения во времени при медленном горячем формоизменений.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов пнев-моформовки и калибровки выполнены на базе теорий пластичности и

ползучести анизотропных тел. Анаше процессов реализован численно методом конечных разностей с использованием персональных ЯЗИ. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины, регистрирующая аппаратура, а экспериментальные 8ависимости получены с использованием методов математической статистики.

Практическая ценность и реализация работы. Обосновано проектирование и реализация технологических процессов изготовления трехслойных листовых конструкций. Достигнуто значительное снижение металлоемкости, трудоемкости и повышения качества изделий.

Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные разделы лекционного курса "Новые методы обработки металлов давлением", а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Межлуна-родном конгрессе "Конверсия, наука и образование" (г.Тула, 1993г.), на научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для обработки металлов давлением" (г.Киев, 1993г.), на Республиканской научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (г.Москва, 1993г.), на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения" (г.Москва,1993г.), на Международной научно-технической конференции "Ресурсосберегаодиё технологии машиностроения" (г.Москва, 1993г.), а.также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского Государственного технического университета (1991 - 1994гг.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 11 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит Из введения и пяти разделов, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 100 страницах мапинописного текста, содержит 37 рисунков, 12 таблиц и 155 наименований библиографического списка. Общий объем работы - 173 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе рассмотрено состояние вопроса по-теории мед-

ленного деформирования материалов при повышенных температурам.

Предложено исследовать процессы в этих условиях деформирования на базе теории кратковременной ползучести анизотропных материалов. Значительный вклад в развитие теории пластичности, ползучести, методов анализа обработки металлов давлением, критериев'локальной потери устойчивости и разрушения изотропных и анизотропных материалов внесли Ю.М.Арышенский, А.А.Богатов, В.Д.Головлев, Ф.В.Гречников, Г.Я.Гун, Г.Д.Дель, Д.Друкер, Г.Эакс, А.А.Ильюшин, ¡О.Г.Калпин, Л.М.Качанов, В.Л.Колмогоров, М.А.Колтунов, В.Д.Кухарь, Д.Лубан, Н.Н.Малинин, А.Д.Матвеев, С.Г.Милейко, А.Г.Овчинников, В.А.Огородников, С.С.Одинг, Е.А.Попов, Ю.Н.Работнов, И.П.Ренне, К.И.Романов, Ф.И.Рузанов, Г.Свифт, Е.И.Семенов, И.А.Смарагдов, О.В.Сосннн, Л.Г.Степ&чский, А.Д.Томленов, Е.П.Унксов, В.Н.Чудин, С.А.Шестериков, С.П.Яковлев и другие.

Однако, в настоящее время отсутствуют исследования процессов медленного деформирования при повышенных температурах в рак::?х теории' кратковременной ползучести изотропных и анизотропных материалов. Вопрос об одновременном влияний характеристик зпизотропии материала в области пластических деформаций и деформаци.: ползучести ¡т технологические параметры процессов обработки металлов давлением практически не изучен. Обычно при анализе некоторых процессов мед-' ленного горячего деформирования локальная потеря устойчивости анизотропных листовых материалов рассматривается без учета одновременного влияния пластических и вязких свойств. Недостаточно внимания уделяется вопросу деформируемости анизотропных материалов при определении предельных возможностей формоизменения в процессе медленного деформирования при повышенной температуре, экспериментальному определению величии параметров уравнений состояния при пластической деформации и деформации ползучести анизотропных листовых материалов.

На основе этого сформулированы следующие основные задачи исследования :

- Разработать математическую модель формоизменения трапециевидного элемента листоемх конструкций при медленном горячем деформировании.

- Создать методику ¡г провести экспериментальные исследования титанового и алюминиевого сплавов по определению параметров уравнения состояния, характеристик анизотропии и констант функциональных зависимостей критериев разрушения при пластической деформации и де-/-.рмации ползучести.

- Выполнить теоретический анализ процессов штамповки и калибровки трапециевидного элемента многослойной листовой конструкции иэ анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести.

- Установить влияние анизотропии механических свойств, геометрических размеров заготовки, параметров закона нагружения на напряженное и деформированное состояния заготовки и предельные возможности пневмоформовки.

- Испольэовать результаты исследования в опытном производстве.

Во втором разделе приводятся основные уравнения и соотношения,

необходимые для анализа процессов медленного горячего деформирования анизотропных материалов в рамках механической модели ползуче-пластического течения (кратковременной ползучести). Эта модель описывается последовательным соединением пластического и вявкого элементов, которое обуславливает чисто ползучее течение, если интенсивность напряжений бе меньше некоторой величины бео, соответствующей переходу материала в пластическое состояние, и ползуче-пластическое течение, если интенсивность напряжений 6е больше бео- В этом случае компоненты полной скорости деформации 41з представляются в виде суммы компонентов скоростей пластической деформации г,рц и компонентов скоростей деформации ползучести г.си

(1)

Компоненты скоростей пластической деформации е,ри и деформации учести £,' ном течения:

ползучести £,си определяются в соответствии с ассоциированным зако-

ЗН „ & г

— ; — , (2) оба оби

где ^(би) и Гг(б^) - потенциалы скоростей пластических деформаций и скоростей деформаций ползучести; и Аг - коэффициенты пропорциональности.

Потенциалы скоростей пластических деформаций £4(6^) и скоростей деформации ползучести Гг(би) имеют следующий вид соответственно

2Г1(би)=н(бх-бу)г+Рсбу-бг)г+а(бг-бх12+

+2МТгХу+2и2у;^2Мт2гк-1=0 (.3)

и

+»Гг'гХу+21'т2уг+2М'х2гх (4)

Здесь Н, Г. 8, Н, Ь, М и Н', Г', О', Г, I/, М' - параметры анизотропии в области пластических деформаций и деформаций ползучести.

При пластической деформации и деформации ползучести используется понятие интенсивности напряжений бр9, бс0 и интенсивности скоростей деформации е.ра. ьсе. которые определяются по выражениям

брв= {зШхМбх-6у)2+Р;х(бу-б2)2+Мб2-бх)г+

егх)3/[Е СКх+КхНу+Ку)з} . (5)

е.РеУ йЮк+ИхМВу) 2+1?Х!?У («^у-йх^г) 2+

+1?2х(ВуЬрг-4рх)2+(Ках/2) «х+йуП)^ (г.рху)е/йху+ (6)

+ (г,ру2) г/ИУ2+ (£.ргх) 1/2/ с/з~ ¡?хКг/2у(Кх+Ку+Ш .

где КХ=Н/В; Ну=НУГ; КХУ=ИЛЗ; РУ2=Ь/Й; ¡?гх=М/0.

Заменяя коэффициенты анизотропии I?*, Яу, 1?ху, Куг и {?2х ( Г, й, Н, И, I И М ) на Я'х, й'у. Й'ху. К'уг и П'гх ( Р\ 0', Н', И', L' и М' ) , получим выражения для определения бсв и 4се Для области деформации ползучести.

Можно показать, что величины Хг и Хг могут быть вычислены по формулам

*1=3!?у£ре/ С2 (Их+1?хКу+Ку)05ре)

и Хг'З^^е/СгСК'х+К'хК'у+й'уЭВ'^аЭ

В дальнейшей принимается, что - уравнение состояния в области пластической деформации при выбранном законе упрочнения бв=бео+А(еро)т определяется соотношением

,1/т (бе-бео)1^"1 ¿е ' ' (?)

шА

а в области деформации ползучести так;

6,св^(бв/б.)п , ' (8) где А И т - константы кривой упрочнения; бео - величина интенсивности напряжений, соответствующая началу пластической дефор-

мации; В и п - константы кривой ползучести; б» - произвольная величина напряжения; бе=с1баЛИ.

На оснований исследований В.Л.Колмогорова, А. А.Вогатова. Ю.Н.Работнова, О.В.Соснина, Н.Н.Малинина, К.И.Романова и других ученых предлагается критерий деформируемости анизотропного материала без разрушения в условиях кратковременной ползучести в виде:

. „„ „ „ I £,ре йЬ

ы е=ы ©+<«> е=1---^--- < 1 , (9)

О е впр 0 с впр

если в области деформации ползучести справедлив деформационный критерий разрушения, и

гп г о £ бв*Св<Л I 6е4РесИ

ЫСРА=ССД+Ы°АЛ---^--- < 1 , (10)

б А пр 0 Арпр

если в этой области справедлив энергетический критерий разрушения.

Здесь шсре,ыс0,шрв и ысра,<1)са и ырд - повреждаемость материала при ползуче-пластической, ползучей и пластической деформация по деформационной и энергетической моделям разрушения соответственно.

Заметим, что интегрирование ведется вдоль траектории рассматриваемых частиц.

Интенсивность деформации в момент разруиения ерепр и удельная пластическая работа разрушения АрПр в области пластической деформации могут быть представлены в виде произведения двух функций:

епепр=^й(б/бо,^)-£р2(«,0,У) (11)

И Арпр=Гз(б/бв,Ис)-ГР4(«>0Л) . (12)

а в области деформации ползучести так:

Есвпр=0-Гс2(а,И,Т) (13)

Ц Лспр=0-Гс4(«,й,г) , (14)

где С!(б/6е,м.в-) и fз(б/бe.t%) " функции, зависящие от показателя напряженного состояния 6/бе и параметра Лоде р.с-; ^(«.В.у). £р4(а,С,г), Гс2(«,Р,г), Гс4(«,V) функции от направляющих косинусов углов а, В, т, определяющих ориентацию первой главной оси напряжений 61 относительно главных осей анизотропии х, у, 2; Б. С -паре-метры материала; к, е и у - углы между первой осью напряжений б% и главными осями анизотропии х, у и г соответственно.

Функции (6/бе,М.с), Гэ(б/б0,це), ГР2(й.В.Т), ГР4(«.В,Г). Гс2(«,В,т) и ^(й.^у) могут быть определены из системы опытов на растяжение образцов в условиях плоского напряженного и плоского де-

формированного состояний при пластической деформации и деформации ползучести соответственно.

В частности, при рассмотрении изотропного тела в выражениях (И), (12), (13) и (14) надо положить:

ГРг(«,ОЛЧ^Р4(с(.Йл)=ГС2(й..и,Т)=ГС4(«.0,Т)=1 .

Анализ напряженного и деформированного состояний при пластической деформации и при деформации ползучести обычно осуществляется на основании определяющих соотношений (1), (7) и (8) без учета накой-ления повреждаемости. Вопрос о разрушении заготовки в этих случаях рассматривается путем линейного или нелинейного накопления повреждаемости в деформационном или энергетическом критерии разрушения. Однако, как показали эксперт,(витальные исследования повреждаемость имеет место даже при малых деформациях, и, безусловно, она оказывает влияние на напряженное и деформированное состояния.

В связи с этим целесообразно в определяющих соотношениях (1), (7) и (8) учесть повреждаемость и принять

(15)

(16)

в области деформации ползучести,

где А, п), ги п, б, В - константы кривых упрочнения и ползучести соответственно: ыр=с!ыр/с)1 .

Если рассматривать только пластические деформации, то будут справедливы критерии деформируемости, предложенные В.А.Колмогоровы).!, А.А.ВогатоЕым, Л.Г.Степанским и др. Если учитывать только деформации ползучести, то критерии деформируемости (9) и (10) переходят в условия деформирования материала без разрушения при деформации ползучести .

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных исследований характеристик анизотропии механических свойств, параметров уравнений состояний и констант функциональных зависимостей критериев разрушения в областях пластической деформации и деформации ползучести специальных сплавов типа АМгб и ВТ6С, применяемых в азро-кссмической технике, толщиной Г мм при различных температурах испытаний.

ере г бе -Г1 1 г. баГ<Ь -1

при выбранном законе упрочнения в пластической области

о В(бе/б»)п

бв=Гбв0+А(8вр)п,)(1-ир)г и £ес=-. . •

(1-шс)°

Температурные режимы испытаний выбраны на основе технологических режимов процессов пневмоформовки и сварки давлением.

Растяжение образцов для исследования пластических свойств материала осуществлялось на универсальных испытательных машинах "1гш-Ьгоп ТТ-ДМ" и 124бр-2/2300, а при изучении ползучести материала испытания на растяжение производились постоянной во времени нагрузкой на испытательных установках АИМА-5-2 и ПВ 1Б22М.

Испытание образцов из титанового сплава ВТ6С проводилось в вакууме для предотвращения интенсивного окисления и газонасыщения поверхностного слоя образца.

Величины коэффициентов анизотропии образцов, вырезанных под углами 0°, 45° и 90° по отношению к направлению прокатки, при пластической деформации и деформации ползучести определялись в области равномерной деформации образца.

Кривую упрочнения строили путем обработки индикаторных диаграмм в области равномерной деформации с учетом постоянства объема материала на базовой длине образца. Константы кривой упрочнения определяли по методу наименьших квадратов.

Одновременно находили следующие механические характеристики териала образцов, вырезанных под углом а к направлению прокатки: условный предел текучести бо.г , временное сопротивление со , относительное удлинение после разрыва 5 , относительное равномерное удлинение 5Р .

Параметры уравнения состояния при деформации ползучести В и п определяли с помощью метода наименьших квадратов по начальным участкам кривых ползучести в логарифмической системе координат, а коэффициент - по методике, изложенной в работах Н.Н.Малишша, К.И.Романова и других.

В таблицах 1 и 2 приведены параметры уравнения состояния, константы критериев разрушения и величины коэффициентов анизотропия алюминиевого и титанового сплавов при пластической деформации и деформации ползучести соответственно.

Установлено, что исследуелще сплавы обладают плоскостной анизотропией механических свойств и разными величинами коэффициентов анизотропии в областях пластической деформации и деформации ползучести в указанных выше температурных режимах'испытаний.

Обсуждается вопрос об изотропной дефорлшционном упрочнении при пластической деформации и изотропно!.! скоростном упрочнении в области ползучих деформаций алюминиевого сплава Шт& и титанового сплава ВТ6С при высоких температурах испытаний на базе испытании шюс-кич

Таблица 1

Материал Температура испытаний, °С Коэффициент анизотропии при угле вырезки образца а» град. бв=[бво+А(£вр)тЗ(1-мр)г

0 45 90 беО.МЗа А,№а П) Г

АМгб ВТ6С 450±2 0,75 0,59 0,70 26,8 17,95 0,235 —

530+2 930±2 0,81 1,03 0,85 1,20 0,93 18,3 8,98 0,298 —

0,96 38,0 11,8 0,65 0,3

I

Таблица 2

Материал Температура испытаний, °С Коэффишент анизотропии при угле вырезки образца «, град. (бе/б»)п/(1-ы с)й

0 45 90 В, 1/с б»,МПа п' й

АМгб ВТ6С 450±2 0,75 0,87 0,71 9,672*10"9 1,0 3,81 0,81

530±2 930±2 0,94 0,85 1,05 0,91 3,£62*10"9 1,0 3,11 0,51

0,96 0,77 4,9*10~7 1,0 2,03 0,50

образцов на растяжение под разными углами по отношению к направлению прокатки.

В результате экспериментальных исследований установлено, что для алюминиевого сплава АМгб при Т=450°С и 530°С справедлив энергетический критерий разрушения, а для титанового сплава ВТ6С при T=930fC - деформационный критерий разрушения.

В четвертом разделе приведены результаты теоретического анализа процессов пневмоформовки и калибровки трапециевидного элемента многослойной листовой конструкции из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести.

В зависимости от геометрических размеров трехслойных листовых конструкций существует несколько методов их штамповки. Одни трехслойные листовые конструкции формуются за счет перемещения (раздви-жения) одного из листов (обшивок), к которому в определенных местах присоединен неподвижно внутренний лист (заполнитель). При перемещении одной из обшивок заполнитель растягивается и образуются полости, форма которых близка к трапециевидной. Процесс реализуется путем создания давления газа, подаваемого между обшивками. Другой метод предусматривает трапециевидное гофрирование листа на прессе, диффузионную сварку давлением с последующей калибровкой пакета газом.

Рассмотрим пневмоформовку элемента конструкции в виде трапеции под действием равномерного давления газа, изменяющегося в процессе деформирования по закону p=po+aptnc, при повышенной температуре е условиях медленного деформирования (рис.1).

Анизотропия механических свойств заготовки характеризуется величинами коэффициентов анизотропии в области пластических деформаций (RxRy) и деформации ползучести (R'xR'y)-

Поскольку длина элемента конструкции в виде трапеции значительно превосходит его геометрические размеры в плоскости чертежа, считаем, что реализуется случай плоской деформации, и, следовательно, скорость осевой деформации равна нулю £,х=0.

' Pue. 1-

Принимаем, что напряженное и деформированное состояния однородны, а напряжения равномерно распределены по толщине элемента конс-'трукции.

Напряжение бг, нормальное к толщине заготовки, для тоцкой пластины принимается равным нулю б2=0, т.е. предполагается, что реализуется также плоское напряженное состояние.

Величина растягивающего напряжения бу может быть определена из условия равновесия элемента трапециевидной конструкции

■ (ri+гг)

6у=Т--Р

tveos«

(17)

где а - текущее значение угла конусности полости.

Осевое напряжение бх находится из условия равенства нулю скорости деформации в этом направлении е,х=0:

6х=Коу , (18)

где к=(ОрРхг,ре+Ося'х^се)/тр(1+Рх)^Ос(1+к'х)4свЗ ;

В соответствии с принятой моделью деформирования анизотропного материала интенсивность напряжения бе может быть оценена по ее

величине в области деформации ползучести по выражению

dot 3i?'x , е,св

(1/a-Ctga)---;-;-;-;-[6t+R y(6t-6x)]-

dt 2(R X+R xR У+R y) 6q

3RX 4pe

-[6t+Ry(6t-6x)3-

2(Rx+RxRy+Ry) 6e

Толщину элемента конструкции h, деформацию по толщине элемента конструкции ег при штамповке и калибровке в дальнейшем будем определять соответственно

h=hosina ; ez=ln(sin«) и h=hosina/sintio ; E2-ln(sinct/sinao), (19) а деформации в направлениях осей анизотропии х и у из условия несжимаемости так еу=-е2; ех=0, где ао - начальное значение угла конуса полости при калибровке.

Компоненты полных скоростей деформзции с учетом (19) могут быть вычислены по формулам:

dsy du ds3 da

£,y=-=-ctga--; i,z=-=ctga- . (20)

dt dt dt dt

Принимая во внимание, что 4у=<ру+£,су, а также ассоциированный . закон течения (2) получим следующее уравнение для определения величины a в процессе деформирования

da 3R'x , г,се

-Ctgd---;-;-7—,-Сбу+R у(6у-бх)3- + (21)

dt 2(R x+R xR y+R y) бе

3Rx %pe

[6y+Ry(6y-6X)]- .

2(Нх+НхЯу+Ру)

Высота трехслойной листовой конструкции II и скорость перемещения верхней обшивки V в процессах пневмоформовки и канибровки находятся соответственно по формулам

Н=Г1^а+ЗЬо; У=гг,уЛдос .

При решении поставленной задачи необходимо учитывать два возможных варианта протекания процессов штамповки и калибровки трехслойной листовой конструкции. Первый вариант реализуется в случае достаточно малой величины начального давления ро, при которой выполняется условие б°е<бео- В этом случае имеет место деформация ползучести, переходящая со временем по мере роста нагрузки р и изменения площади поперечного сечения листовой заготовки в ползу-

че-пластическое течение.

Второй вариант осуществляется, когда первоначальное давление р обуславливает величину интенсивности напряжения бсе>б9о. В этом случаем необходимо учесть мгновенную пластическую деформацию в начальный момент деформирования и в зависимости от условий нагру-жения рассматривать ползучее течение, переходящее в ползуче-пластическое, или ползуче-пластическое течение материала.

Предельные возможности процессов штамповки или калибровки трапециевидной полости трехслойной листовой конструкции могут быть ограничены локальной потерей устойчивости (шейкообразование) и накоп-...:нием повреждаемости при деформации ползучести или ползуче-пластическом течении материала, которые могут быть определены с использование!,« соотношений

•[Фсз(4св)3+»Рср21(&се)^ре+ЗФср12(4ре)24се+Фрз(г.р0)33-<- (1г. г11

где

Л dt сИ -

(22)

[фР2 (г.ре) 2+2ФСР111сее,Ре+Фс2 )2] +

1 dбe / dг.pe d¡■ce ч +--фР,--крс - =01>

бе dt ^ dt dt -1 зз з

: Ф°3= Е Ф1(ФС1)3; Фр2= £ (¡ч (Фр1>3; Фср21= Е Ф1(ФС1)2Фр4; 1-1 1-1 1=1

3 э э

Фср12= £ Ф1ир1)2Фс1; Фс2= с 91(4>с1)2; Фрг= £ ч>1(Л)2;

1-1 1-1 1-1

3 3 3

Фср11= £ Ф1ФС1+Р1; Фр1= 2ф1фрл Фс1= £ ч»1Фс1;

1-1 1-1 ¡-1

Ф1=б4/бе; Фс1с£,с}/е,се; Л^/еЛ,.

Исследуется влияние анизотропии механических свойств исходного материала, закона нагружения, геометрических размеров заготовки и инструмента, накопления микроповреэдений в процессе дефорш'фования на напряженное и деформированное состояния заготовки й предельные возможности формоизменения, связанные с локальной потерей устойчивости и накоплением повреждаемое.л при пневмоформовке и калибровке

трапециевидного элемента трехслойной листовой конструкции.

Установлено, что с увеличением коэффициента анизотропии при постоянной величине критическое время разрушения . возрастает. Причем, интенсивность роста тем выше, чем меньше величина коэффициента анизотропии Як- При фиксированных значениях коэффициента анизотропии Ку возрастание величины приводит к уменьшению критического времени разрушения 1кр.

Оценено влияние накопленной в процессе деформации повреждаемости на напряженное и деформированное состояния ваготовки, на предельные возможности формоизменения, связанные с локальной потерей устойчивости и разрушением при достижении величины повреждаемости значения «ср=1, на критические величины угла пневмоформовки «кр и время разрушения ^р.

С этой целью выполнен численный анализ процесса пневмоформовки трехслойной листовой конструкции из алюминиевого сплава АМгб при температуре Т=450°С и титанового сплава ВТ6С при температуре Т=930°С .

Результаты расчета процесса пневмоформовки трапециевидного элемента трехслойной листовой конструкции из алюминиевого сплава АМгб приведены на рис.2 и 3. Здесь индексация 1,2,3,4 соответствует величине акр, вычисленной по формулам (10) и (22) с учетом и без учета накопления повреждаемости соответственно, а 5,6,7,8 - величине Ькр, соответствующей предельной величине акр.

Сплошными линиями обозначены результаты расчета с учетом повреждаемости, а штриховыми - без учета повреждаемости.

Следует отметить, что повреждаемость оказывает существенное влияние на предельные возможности формоизменения. Так, если принять, что предельные возможности деформирования ограничиваются или локальной потерей устойчивости или накопленной критической величиной микрсмюррездений исрд=1, то при отсутствии учета накопления повреждаемости (уравнение состояния (7) и (В)) предельные возможности связываются с разрушением заготовки, а локальная потеря устойчивости не успевает реализоваться (кривые 3 и 4). В противном случае картина меняется, и предельные возможности формоизменении связаны с локальной потерей устойчивости.

Если учитывать накопление повреждаемости в процессе деформирования (уравнение состояния (16) и (16)), то сначала имеет место локализация деформации с последующим разрушением от н?копления повреждений (кривые 1 и 2). Это обстоятельство следует причи'/^ть во внимание при разработке технологических процессов пиевмофоригч.кр.

Учет накопления повреждаемости может значительно снизить расчетные величины предельных степеней деформирования: по разрушению заготовки - на 10%, а по локальной потере устойчивости - на 15%.

Критическая величина времени деформирования (:кр в этом случае может уменьшиться по разрушению - на 1ЪХ, а по локальной потере устойчивости - на 50%.

Установлено, что с ростом параметров нагружения ар и пКр предельный угол раствора «кр, связанный о локальной потерей устойчивости и накоплением повреждаемости, незначительно увеличивается.

На основе результатов расчета показано также, что величины предельных углов трапециевидной полости трехслойной листовой конструкции в случае решения задачи с учетом только деформации ползучести могут быть больше на 30...40%, чем при ползуче-пластическом течении материала.

В пятом разделе даны примеры использования полученных результатов исследований при разработке новых технологических процессов изготовления силовых трехслойных листовых конструкций из титановых и алюминиевых сплавов.

Результаты научных исследований испольвованы в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решается актуальная научно-техническая задача, состоящая в разработке научно-обоснованных режимов пневмоформовки трапециевидных элементов трехслойных листовых конструкций, которые обеспечивают необходимое формоизменение и качество получаемого изделия мз анизотропного материала.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований достигнуты -следующие результаты:

1. Получены основные уравнения и соотношения, необходимые для анализа формоизменения трапециевидного элемента листовых конструкций' ив анизотропного материала, а также оценки предельных возможностей формризменения при медленном горячем деформировании в условиях кратковременной ползучести.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования по определению характеристик анизотропии механических свойств, параметров уравнений состояний и констант функциональных зависимостей критериев разрушения при пластической деформации и деформации ползучести для алюминиевого сплава АМгб при температурах испытания. 450°С и 530°С и титанового сплава ВТ6С при.температуре 930°С. ■

Установлено, что исследуемые материалы обладают плоскостной анизотропией механических свойств и разными величинами коэффициентов анизотропии в областях пластической деформации и деформации ползучести в указанных выше температурных режимах испытаний.

.Экспериментачьные исследования показали справедливость предположения об изотропном деформационном упрочнении при пластической деформации и изотропном скоростном упрочнении в области ползучих деформаций для сплавов АМгб и ВТбС при высоких температурах испытаний.

Установлено, что для алюминиевого сплава АМгб при Т=450°С и 530°С справедлив энергетический критерий разрушения, а для титанового сплава ВТбС при Т=930°С - деформационный критерий разрушения.

3. Выполнены теоретические исследования штамповки и калибровки трапециевидного элемента трехслойной листовой конструкции в процессе изотермической пневмоформовки с учетом пластической деформации и деформации ползучести, а также анизотропии механических свойств в указанных областях. Установлено влияние анизотропии механических свойств исходного материала, закона нагружения, геометрических размеров заготовки и изделия на напряженное и деформированное состояния, кинематику течения материала и предельные возможности процесса пневмоформовки в режиме кратковременной ползучести, связанные с локальной потерей устойчивости заготовки. Показано, что при анализе процессов пневмоформовки неучет пластической, деформации может привести к неточности расчета, например, предельного угла штамповки критического времени разрушения на 20...50%. Установлено, что кри-. тическое время разрушения, предельный угол штамповки увеличивается с ростом параметров нагружения ар, пР. Увеличение коэффициента нормальной анизотропии (13=1?'), коэффициента анизотропии (?у и уменьшение коэффициента анизотропии Рх приводит к возрастанию критического времени разрушения.

4. Оценено влияние накопленной повреждаемости в процессе деформирования алюминиевого и титанового сплавов на напряженно-деформированное состояние заготовки, на предельные возможности формоизменения, связанные с локальной потерей устойчивости и разрушением при достижении повреждаемости значения «ср=1 или достижением интенсивности напряжения своей предельной величины, на критические величины угла пневмоформовки л калибровки йКр и времени разрушения ^р.

Установлено, что при пневмоформовке трехслойных листовых конструкций из алюминиевого и титанового сплавов сначала ' имеет место

локализация деформации с последующим разрушением от накопленых микроповреждений. Учет накопления повреждаемости может значительно снизить расчетные величины предельных степеней деформирования (до 2ÜZ).

Б. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке НПО "Техномаш" новых технологических процессов изготовления трехслойных листовых конструкций с различными геометрическими параметрами из алюминиевого и титанового сплавов с внутренними каналами трапециевидного типа. Внедрение указанных выше технологических процессов изготовления изделий значительно повысит экономическую эффективность их производства.

6. Материалы диссертации применены в учебном процессе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Жукова Н.В., Яковлев С.С., Матченко И.Н. Пневмоформовка' длинной прямоугольной мембраны в клиновидную матрицу при повышенной температуре// исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства- - Тула: ТулГТУ, 1993.-С. 116-125.

2. Жукова Н.В., Яковлев С.С., Матченко И.Н. Калибровка трехслойных листовых конструкций при повышенной температуре // Оптимизация металлосберегающих процессов обработки металлов давленьем. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 1993. - С.175-185.

3. Матченко И.Н., Яковлев С.С., Жукова Н.В. Свободное ползуче-пластическое течение мембраны//.Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. - Тула: Тул-ПИ, 1992. - С. 50-57.

4. Яковлев С.С., Жукова Н.В., Матченко И.Н. Двухосное растяжение анизотропной листовой заготовки в режиме кратковременной ползу-

'чести// Тула: 1993. - 37 с. - Деп. во ВИНИТИ 31.08.93. М 2374-В93.

5. Яковлев С.С., Жукова Н.В., Матченко И.Н. Вопроси теории формообразования многослойных анизотропных листовых конструкций лета тельных аппаратов// Новые материалы и технологии машиностроения: тез.докл. Росийской научн.-техн.конф. 18-19 ноября 1993. - Моск-ва:МАТИ,1993.- 16 с.

6. Яковлев С.С., Жукова Н.В., Матченко И.Н. Теоретическое обоснование формообразования цилиндрического канала многослойной листовой конструкции при медленном горячем деформировании// Щюгрессмь-ные технологии и оборудование для обработки металлов давлением: Тез. докл. научн.-техн. конф. 16-17 февраля 1993.-Киев,1993. - 46 о.

7. Яковлев С.С., Жукова Н.В., Матченко И.Н. Штамповка трапецие-

видной полости трехслойной листовой конструкции из анизотропного материала при повышенной температуре// Тула. 1993.- 21 с. Деп. во ВИНИТИ 31.08.93. N 2373-В93.

8. Яковлев С.С., Жукова Н.В., Матченко И.Н. Технология получения* силовых листовых конструкций и ее теоретические аспекты// Конверсия, наука и образование: Тез. докл. Международного конгресса 25-27 мая 1993. - Тула. - 21 с.

9. Яковлев С. С., ЗНукова Н.В., Матченко И.Н. Медленное двухосное растяжение анизотропной листовой заготовки при повышенных температурах заданной системой напряжений // Оптимизация металлосберегею-ших процессов обработки металлов давлением. - Ростов-на-Дону: ДГТУ - 1993.- С.159-170.

10. Механические характеристики алюминиевого сплава АМгб при медленном деформировании в условиях повышенных температур / И.Н.Матченко, С.С.Яковлев, Н.В.Жукова. М.В.Казаков // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. - Тула: ТулГТУ, 1994. - С. 51-64.

11. Яковлев С.П., Матченко И.!!., Яковлев С.С. Формообразование трапециевидного элемента листовой конструкции из анизотропного . материала в условиях кратковременной ползучести: Тез. докл. Международной научно-практической конференции "Ресурсосберегающая технология машиностроения" 23-24 декабря 1993. -М.: МГААТМ, - С.56-57.