автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей из дилатирующего материала

005042803

На правах рукописи

Ха Хонг Куанг

ВЫТЯЖКА С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ДИЛАТИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 ' ^

...........шй

Тула 2012

005042803

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: Тутышкин Николай Дмитриевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Панфилов Геннадий Васильевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор;

Травин Вадим Юрьевич, кандидат технических наук, ФГУП «ГНПП «Сплав», начальник отдела.

Ведущая организация: ОАО «Тульский научно-исследовательский технологический институт».

Защита диссертации состоится « 29 » 05_2012 г. в_

час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при Тульском государственном университете (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан « 24 » 04_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Орлов Александр Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время перед машиностроением стоит задача повышения эффективности производства и качества получаемых изделий. В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли корпусные осесимметричные изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами обработки давлением (ОД). К этим изделиям предъявляются высокие требования как по точности конструктивных элементов, так и по высоким эксплуатационным характеристикам. Методами ОД достигается не только необходимое пластическое формообразование изделий, но и формирование их необходимых механических свойств (предела прочности, предела текучести, ударной вязкости).

Современные исследования в области технологической механики показывают, что эксплуатационные свойства многих изделий (способность выдерживать интенсивные нагрузки, высокие давления и скорости деформации, тепловые удары и сложные физико-химические воздействия) зависят не только от стандартных механических характеристик, но и от физико-структурных свойств их материала. В первую очередь, к ним относится поврежденность материала дефектами деформационного происхождения.

Широкое распространение в технологии ОД при изготовлении корпусных осесимметричных изделий получили процессы вытяжки с утонением стенки, которые вследствие деформационного упрочнения формируют высокие прочностные свойства материала. С другой стороны, осевые растягивающие напряжения при вытяжке способствуют развитию деформационной повреждаемости материала порами. Развитие и возможная коалесценция пор могут приводить к образованию полостных дефектов, существенно снижающих прочностные свойства материала готовых изделий. В связи с этим возникает актуальная научно-технологическая задача по разработке рекомендаций, направленных на технологическое обеспечение требуемых физико-механических свойств готовых изделий, в том числе непревышения задаваемой деформационной повреждаемости.

В современной механике повреждаемости значительное место отводится применению дилатансионных моделей на мезоуровне. Однако эти модели еще не нашли достаточно полного применения в ОД для анализа деформационной повреждаемости обрабатываемых металлических материалов. В процессах пластического формоизменения, в том числе вытяжки с утонением, возникает дилатан-сия, связанная с образованием, ростом и коалесценцией пор, как основным физическим механизмом повреждаемости при пластической деформации. Использование модели дилатирующего материала на мезоуровне создает возможности для анализа повреждаемости в многооперационной технологии пластического формоизменения.

Цель работы. Повышение эффективности процесса вытяжки с утонением осесимметричных деталей с учетом прогнозирования деформационной повреждаемости их материала и связанных с ней эксплуатационных прочностных свойств.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Сформулированы определяющие соотношения осесимметричного пластического течения с определением входящих в них материальных функций для процессов вытяжки с утонением деталей из дилатирующего материала.

2. Проведено моделирование процесса вытяжки с утонением осесимметрич-ных деталей с учетом пластической дилатансии.

3. Установлены зависимости влияния технологических параметров на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы, повреждаемость материала и предельные возможности деформирования.

4. Получены результаты экспериментальных исследований влияния деформации на повреждаемость материала с учетом его пластической дилатансии.

5. Разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов, обеспечивающих заданное качество изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, сокращение сроков подготовки производства новых деталей.

Объект исследования. Технологические процессы вытяжки с утонением стенки.

Предмет исследования. Многооперационная вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей из дилатирующего материала.

Методы исследований. Исследование процесса вытяжки с утонением осе-симметричных деталей выполнено с использованием основных положений теории пластичности и механики деформационной повреждаемости с учетом пластической дилатансии материала. Моделирование процесса осуществлено методом конечных элементов на базе прикладной программы А^УБ. Для определения материальных функций дилатирующего материала использовались современные экспериментальные методы механических испытаний, а также оптическая и электронная микроскопия. При разработке рекомендаций использовались современные положения технологии вытяжных операций.

Автор защищает:

- сформулированные определяющие соотношения осесимметричного пластического течения с учетом пластической дилатансии материалов вследствие образования и роста пор;

- экспериментально определенные материальные функции для процессов вытяжки с утонением деталей из дилатирующего материала;

- результаты моделирования процесса вытяжки с утонением осесимметрич-ных деталей с учетом пластической дилатансии;

- установленные зависимости влияния технологических параметров на повреждаемость материала и предельные возможности его деформирования при вытяжке с утонением цилиндрического полуфабриката;

- разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов вытяжки корпусных осесимметричных деталей с высокими прочностными свойствами;

- результаты моделирования усталостой прочности баллонов высокого давления.

Научная новизна состоит: в разработке метода анализа процесса вытяжки с утонением с учетом пластической дилатансии материала и точных методов решения, позволяющего проектировать технологический процесс вытяжки корпусных осесимметричных деталей, прочностные свойства которых связаны с деформационной повреждаемостью их материала.

Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров операций вытяжки с утонением осесимметричных деталей из дилатирующих материалов, эксплуатационные свойства которых связаны с деформационной повреждаемостью их материала.

Реализация работы. Разработанные рекомендации используются при проектировании усовершенствованной технологии изготовления баллонов высокого давления в производстве ФГУП «ГНПП «Сплав». Отдельные результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров по специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Апробация работы. Результаты исследований доложены на научно-практической конференции ТулГУ (г. Тула, 2010, 2011, 2012 гг.); межрегиональной научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула, 2010,2011 гг.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены: в 4 статьях изданий, рекомендованных ВАК для публикации на соискание ученой степени кандидата технических наук, в 2 статьях межвузовских сборников, в 2 докладах научно-технических конференций. Общий объем - 4,4 печ. л., авторский вклад 3,4 печ. л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 164 наименований, 1 приложений и включает 3 страниц машинописного текста, содержит 62 рисунков и 8 таблиц. Общий объем - 167 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цели работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе работы представлен обзор современных подходов к изготовлению корпусных осесимметричных деталей с высокими прочностными свойствами. Показано, что широкое распространение в технологии ОД при изготовлении корпусных осесимметричных изделий получили процессы вытяжки с утонением стенки, формирующие высокие прочностные свойства материала. Ис-

следованию процессов вытяжки с утонением посвящены многие работы отечественных и зарубежных ученых: И. П. Ренне, С. А. Валиева, С. П. Яковлева, С. С. Яковлева, М. В. Сторожева, Е. А. Попова, Е. П. Унксова, У. Джонсона, А. Г. Овчинникова, Л. М. Качалова, Ю. А. Аверкиева, А. Ю. Аверкиева, Г. Я. Гуна, В. Л. Колмогорова, В. Н. Рогожина, В. П. Кузнецова и др. Однако недостаточно изученными остаются вопросы теории и технологии вытяжки, связанные с применением физико-механического подхода и более сложных реологических моделей деформируемого материала. Актуальность их решения усиливается современным кинетическим подходом мезомеханики к оценке прочности изделий, получаемых методами пластического формоизменения. На основе проведенного обзора поставлена научно-технологическая задача диссертационного исследования, состоящая в моделировании процесса вытяжки с утонением корпусных осесимметричных деталей с использованием модели дилатирующего материала.

Во втором разделе сформулирована система основных уравнений, описывающая пластическое формоизменение металлов с прогнозируемыми свойствами в ортогональной системе криволинейных координат х' (г = 1,2,3):

^ = 0, (1) = 0. (2) = 0, (3)

К.

ёи=Л-6г> (4)

= &{о*,(*,Т,х,п), (5)

А

где контравариантные компоненты тензора напряжений; у'

контравариантные компоненты вектора скорости; ¿' - ковариаягные компоненты тензора деформации ; Т - термодинамическая температура; цК - параметры , связанные со структурой материала на мезоуровне; Уу- символ, означающий кова-

риантное дифференцирование; X - положительная скалярная величина, пропорциональная Мощности пластической деформации ; - девиаторные компоненты напряжений ; /- время; ёу- компоненты тензора скорости деформации.

Система уравнений (1) - (5) включает параметры на двух уровнях пластической деформации: макро- и мезоуровнях, и состоит из уравнений движения (1) , условия несжимаемости (2), уравнения поверхности текучести (3), условия гра-диентности скоростей деформации (4) и кинетических уравнений (5) для физико-структурных параметров.

Уравнение (4) сводится к уравнению соосности:

^ = {1,у = 1,2,31*у) (6)

СГ, <тй - ст..

и условию подобия

девиаторов скорости деформации и напряжения Ва {ю.е,соа- фазовые углы девиаторов).

В дальнейшем в качестве поверхности нагружения / = 0 принимается обобщенная функция текучести Мизеса [12]

где г - предел текучести материала при сдвиге ; ^ - смешанные компоненты

девиатора напряжений.

В качестве параметра связанного с деформациями гпринимается

накопленная степень деформации сдвига (параметр Одквиста [17]):

К = (9)

где Зе1]- компоненты девиатора приращения деформации и интенсивность скоростей деформации сдвига Н, связанные неголономным уравнением

— = Н. (10)

сЛ

Значения параметра определяются интегрированием соотношения (10) для каждого известного пути деформации 5, когда приращения деформации известны.

В качестве физико-структурного параметра принята характеристика по-врежденности структуры микродефектами со, оказывающая существенное влияние на эксплуатационные свойства готовых изделий.

Проектирование процессов пластического формоизменения тесно связано с решением системы уравнений (1) - (5) для механических и структурных параметров. Определение операционных степеней деформаций, количества формоизменяющих операций, технологических сил, рациональное использование пластических свойств обрабатываемых материалов, прогнозирование механических и структурных характеристик готовых изделий основываются на расчете согласованных полей напряжений, скоростей течения, деформаций, механических и структурных характеристик в обрабатываемых изделиях.

Вид кинетического уравнения (5) и входящих в него функций определяется путем независимых исследований структурных параметров при различных режимах деформирования. Известные модели деформационной повреждаемости представляют необратимые перегруппировки микроструктуры, вызванные постепенным изменением плотности микродефекгов, наблюдаемой как постепенная потеря химических связей на атомном уровне и понижение прочности на макроуровне. Начальная модель Л. М. Качанова постулировала, что поврежден-ность микродефектами может быть измерена детерминированным макроскопическим параметром. Повреждаемость металлов в процессах пластической деформации связана главным образом с развитием порообразования.

В данной работе в качестве эффективного параметра вводится мезомехани-ческая величина - объемная фракция пор /„ = А^/АГ, где АК„ - объем, занятый

порами в пределах репрезентативного элемента объема АУ материала. Соответствующее кинетическое уравнение повреждаемости имеет вид:

(11)

где вш - линейная свертка тензора скорости пластической деформации (скорость пластической дилатансии, связанной с ростом пор).

С моментом образования макротрещины связан момент достижения критической величины пластического разрыхления £Шр. Эта гипотеза позволяет ввести нормированную меру повреждаемости а> следующим уравнением:

= (12)

Величина поврежденности со е [0; 1], где границы интервала: а>= 0 соответствует исходному состоянию материала (с неповрежденной структурой), а со = 1 -моменту макроразрушения.

Экспериментально определяемые материальные функции зависимости пластической дилатансии от степени деформации еук = (Л) позволяют представить уравнение (12) в следующем виде:

¿со Ыл)1я (13)

л ^(Кр) '

где Л — предельная степень деформации сдвига, соответствующая моменту

разрушения; штрих означает дифференцирование по параметру Л.

Приведенные зависимости используются в дальнейшем для моделирования процесса вытяжки с утонением стенки.

В третьем разделе приведены методика и результаты экспериментальных исследований по определению материальных функций пластической дилатансии стали 10. Для изучения закономерностей развития повреждаемости постановка экспериментов включала пластическое деформирование опытных образцов с нанесенными искусственными дефектами. Опыты с искусственными дефектами позволяют выявить влияние на развитие повреждаемости таких важных факторов, как размер дефектов, расстояние между ними и их взаимное расположение относительно приложенной внешней нагрузки.

В опытах на пластическое растяжение испытывались образцы из конструкционной малоуглеродистой стали 10: четыре типа образцов в состоянии поставки (обозначены индексами ПО-О, ПО-1, ПО-2, ПО-3) и три типа образцов после рекристаллизационного отжига (РО-0, РО-1, РО-2). Один тип образцов (ПО-О и РО-О) был сплошной, без искусственных дефектов; образцы других типов имели имитационные поры (рис. 1).

Локальная зона с искусственными дефектами находилась в центре образца. Она представляет собой систему цилиндрических отверстий диаметром <1 = 0.5 тт с различным их взаимным расположением и расстоянием между ними по горизонтали и по вертикали, 1к и /„ соответственно (рис. 1).

__________

Рис. 1. Системы искусственных дефектов: слева направо -А-1: = 1.&/,/ь = 2.5<з?; А-2: /¥ =2.к/, = Зй?; А-3: /у=/ь=ЗоГ;

АМ-1: /у =1.5^,4 =2Й?;АМ-2: /у =1.&/,/ь = 2.5</ Все образцы деформировались поэтапно до разрушения. После каждого этапа деформации с помощью микроскопа измерялись размеры искусственных пор. Поэтапное деформирование образца с измерением изменяющихся размеров дефектов дает возможность установить параметры пластической дилатансии и развития повреждаемости материала в процессе его деформации.

Пластическое растяжение опытных образцов осуществлялось на испытательной универсальной машине с измерительным комплексом (рис. 2) при скорости десЬопмиоования 15 мм/мин.

Рис. 2. Вид экспериментальной установки Экспериментальные зависимости (Л) и о>(Л) представлены на рис. 3 и 4.

0.04

0.2 о.з Л

0.4

Рис. 3. Зависимость пластической дилатансии макроэлемента от его девиаторной деформации (слева - сталь 10 в состоянии поставки; справа - сталь 10 после рекристаллизационного отжига)

1.0 1.0

0.8 / //у"70 ~ ° 0.8

О.б по —у /у/ О.б

СО / //А70 ~ 2

0.4 0.4

////Г10 — 3

0.2 0.2

0.2 О.З 0.4 А.

Рис. 4. Зависимости деформационной повреждаемости от девиаторнои деформации макроэлемента в зоне разрушения (слева - стальЮ в состоянии поставки, справа - сталь 10 после рекристаллизационного отжига)

На рис. 5 показана микроструктура малоуглеродистой стали в зоне разрушения опытного образца. Полостные дефекты, образованные в результате ко-алесценции пор, видны как затемненные локальные зоны (примеры наиболее контрастных полостей показаны стрелками). Инициирование трещины вызывается коалесценцией пор и локализацией сдвиговых деформаций в тонких полосах скольжения.

Рис. 5. Микроструктура деформируемого малоуглеродистой стали после разрушения опытного образца (слева - около поверхности трещины, справа - на поверхности трещины)

Экспериментально установленные материальные функции малоуглеродистой стали используются в дальнейшем при анализе многооперационной технологии вытяжек корпуса баллона высокого давления (БВД).

Четвертый раздел посвящен анализу процесса вытяжки с утонением стенки корпусной осесимметричной детали. На базе основных соотношений для напряжений и скоростей в рекуррентной форме численным методом решены краевые задачи по нахождению полей напряжений и деформаций. Распределение напряжений и деформаций в пластической области, а также экспериментально определенные материальные функции для изучаемой стали позволяют провести прогнозирование деформационной повреждаемости на базе зависимости (13) в интегральной форме:

где степень деформации сдвига Л играет роль параметра аналога времени, определяющего процесс деформирования; Апр(а)- функция, определяющая зависимость предельного накопленного значения интенсивности деформаций сдвига, при котором наступает разрушение, от показателя напряженного состояния а = а/Т. Вид функции Апр (¿г) определяется по экспериментальной диаграмме

пластичности для изучаемой стали 10. Результаты расчета прогнозируемой деформационной повреждаемости по толщине стенки полуфабриката вытяжки и вдоль одной из характерных траекторий движения материала показаны на рис. 6.

(14)

АЛ

Рис. 6. Изменение накопленной интенсивности деформаций сдвигаЛ и деформационной повреждаемости по толщине стенки полуфабриката после вытяжки с утонением

Максимальное значение величины со определяет наиболее опасную зону материала изделия с точки зрения опасности разрушения и в значительной мере характеризует остаточный запас пластичности ец^ = — необходимый для обеспечения задаваемых эксплуатационных прочностных свойств готовых изделий.

В пятом разделе проведено исследование технологического процесса вытяжек корпуса БВД. К БВД предъявляются высокие требования по прочностным свойствам, направленные на обеспечение их безопасного и надежного использования. Поэтому их материал (малоуглеродистая многокомпонентная низколегированная сталь) должен иметь умеренную деформационную поврежденность и высокие прочностные свойства, обеспечиваемые технологией изготовления. Однако недостаточно изученной является задача наиболее рационального сочетания стандартных механических характеристик (временного сопротивления на разрыв (тв, предела текучести а3, относительного удлинения епр , ударной вязкости ан) и умеренной поврежденности конструкционного материала готовых изделий.

Разработанные рекомендации по выбору операционных степеней деформации на операции вытяжки корпусных деталей из малоуглеродистой низколегированной стали исходят из условия непревышения допустимой меры деформационной повреждаемости а><[со] = 0,7...0,75. При технологическом превышении этой величины повреждаемости а>> [®]возникает опасность наступления стадии коалесценции пор и образования крупных полостных дефектов. Рекомендуемые значения угла рабочей конической поверхности вытяжной матрицы 2ам =12... 13° смещают показатель напряженного состояния при вытяжке с утонением в область отрицательных значений (£г-<0) и создают более мягкую схему напряженного состояния, по сравнению с ранее принятыми значениями угла

матрицы ам = 15...18°. Завышенные значения угла конусности матрицы приводят к смещению показателя а в область положительных значений и снижению допустимой поврежденности [ю] и операционной степени деформации.

Схема технологического процесса изготовления БВД, соответствующая этим рекомендациям, представлена на рис. 7. Построенная на основе кинетического подхода диаграмма повреждаемости деформируемого материала по формоизменяющим операциям с промежуточными отжигами для технологического процесса БВД (рис. 8) соответствует критериальному условию ¡»<0,75.

erUísl

3

//

ÍA

//,

0229.Л

г)

ЭК)

Рис. 7. Формоизменяющие операции технологического процесса изготовления полуфабрикатов под закатку горловины баллонов БГ-7,3 из стали 12ХЗГНМФБА: а - вырубка заготовки; б - 1-я вытяжка; в - 2-я вытяжка; г - 3-я вытяжка; д - 4-я вытяжка; е - 5-я вытяжка; ж - 6-я вытяжка

0.75

0.5

<4 <"г ; а>в

/ / / / Ч /

/ / /

А- соа :т 2 Í

0.5 1.0 1.5 2.0 г.5 з.о А

Рис. 8. Изменение повреждаемости со полуфабрикатов баллона БГ-7,3 из стали 12ХЗГНМФБА по операциям вытяжки и промежуточных отжигов (г - порядковый номер вытяжки)

Шестой раздел посвящен анализу прочностных свойств баллонов высокого давления, изготавливаемых по многооперационной технологии вытяжки. Проведён анализ условий вязко-хрупкого перехода в условиях эксплуатации БВД, изготовленных из конструкционной стали 12ХЗГНМФБА. В соответствии с техническими требованиями баллоны проходят циклические испытания давлением р = 30 МПа со сбросом до 2 МП а при продолжительности цикла ty =7 с. Готовые изделия должны выдерживать нагрузку не менее [Л^] = 5 *103 циклов. Построена циклограмма изменяющейся интенсивности напряжений в стенках бал-

лона в процессе циклических испытаний внутренним давлением. Для расчета малоцикловой долговечности использовался деформационный критерий Л. Коффина и С. Менсона:

Н> Ьа,=с, (15)

где N - число циклов до разрушения; Аер - пластическая деформация за цикл; ¡3 и с - константы материала.

Повреждаемость при циклических нагрузках

е, N Ае, N

(16)

а> = -

МрАе,

N.

"¡пр * ' р 1 * р

где е, = ЛАе, - накопленная интенсивность деформаций после N циклов нагруже ния; е1 пр = Nр Де( - интенсивность деформаций в момент разрушения. Интенсивность эффективных напряжений

О. <У;

1 — аса

1-0.66

К.

' N.

(17)

где коэффициент а определен из условия, что при со = 1 а** = 1140 МПа.

Проведено компьютерное моделирование вязко-хрупкого перехода (стадии разрушения) для различных значений параметра формы трещины «форм-фактора » 2 (рис. 9).

Рис. 9. Зависимости с^{К1с) для различных значений параметра формы трещины («форм-фактора » 0)

Результаты моделирования позволяют сделать вывод о том, что с ростом коэффициента Ки критическая глубина полуэллиптической трещины существенно возрастает. С ростом «форм-фактора» критическая глубина полуэллиптической трещины также заметно увеличивается. Проведенные расчеты малоцикловой усталости материала БВД подтверждаются результатами их гидроиспытаний, согласно которым баллоны соответствуют техническим условиям их эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в моделировании процесса вытяжки с утонением осесимметричных деталей с использованием модели дилатирующего материала. Использование эффекта пластической дилатансии на мезоуровне вследствие образования, роста и коалесценции пор позволяет провести анализ развития деформационной повреждаемости обрабатываемого материала по всем операциям технологического процесса, включая прогнозирование поврежденное™ готовых деталей- Физико-механический подход к моделированию процессов вытяжки с утонением позволяет более точно, по сравнению с макромеханическим подходом, формировать прочностные свойства готовых изделий. Этот подход реализован для оценки технологической повреждаемости и эксплуатационной прочности корпуса баллонов высокого давления. В процессе проведенного изучения и моделирования процесса вытяжки с утонением стенки корпусных осесимметричных деталей с прогнозируемыми прочностными свойствами получены результаты исследований и сделаны следующие выводы:

1. Показана принципиальная необходимость применения физико-механического подхода к моделированию процессов вытяжки с утонением стенки корпусных осесимметричных изделий, испытывающих интенсивные эксплуатационные нагрузки. Наиболее эффективной для оценки технологических возможностей изучаемых вытяжных операций и прогнозирования физико-механических свойств материала готовых изделий является теория деформационной повреждаемости, основанная на физических механизмах пластического формоизменения. Основным механизмом развития деформационной повреждаемости в процессах пластического формоизменения металлов, в том числе при вытяжке, является образование, рост и коалесценция пор. В связи с этим возникает необходимость использования модели материала, учитывающей его пластическую дилатансию на мезоуровне вследствие роста объемной фракции пор при пластической деформации.

2. Сформулирована система основных уравнений, описывающая пластическое формоизменение материала с учетом деформационной повреждаемости вследствие роста объемной фракции пор.

3. Проведено экспериментальное определение материальных функций, входящих в определяющие соотношения деформационной повреждаемости. Экспериментально определенная пластическая дилатансия при растяжении плоских образцов из изучаемой малоуглеродистой стали (поэтапно измеряемая изменяющаяся объемная фракция пор) позволила определить меру деформационной повреждаемости со в зависимости от текущей деформации.

4. Установлены экспериментальные зависимости пластической дилатансии от текущей деформации образце в при растяжении %(А), которые аппроксимируются степенной функцией £а = ЬА". Степенной параметр а >-1 показывает степень нелинейности зависимости £Ы(Л); модульный параметр Ь описывает интенсивность роста пластической дилатансии в процессе деформации. Сравнение параметров дилатансии свидетельствует об их зависимости от начального

размера пор (1а и коэффициента напряжений а. Установленные зависимости по-врежденности от деформации образцов'позволяют прогнозировать начало ко-алесценции пор и момент макроразрушения в наиболее опасных зонах деформируемого материала. Полученные определяющие зависимости позволяют моделировать повреждаемость при изменяющемся в процессе деформации показателе напряжений <х, что имеет практическое значение для проектирования процессов пластического формоизменения с изменяющимся напряженным состоянием вдоль траекторий перемещения деформируемого материала.

5. Моделирование процесса вытяжки с утонением позволило обосновать выбранные операционные степени деформации, при которых создается остаточный запас пластичности для достаточной эксплуатационной прочности готовых корпусных деталей. Результаты конечно-элементного моделирования в среде «АшуБ» позволяют сделать вывод о том, что с ростом коэффициента интенсивности напряжений критическая глубина полуэллиптической трещины в стенках БВД существенно возрастает. С ростом «форм-фактора» критическая глубина полуэллиптической трещины также заметно увеличивается. Математическое моделирование вязко-хрупкого перехода значительно расширяет возможности эксперимента и позволяет прогнозировать влияние комплекса факторов, связанных как со свойствами материала, так и с конструктивными свойствами изделий.

6. Проведена оценка прочности готовых корпусов к БВД при циклических нагрузках с учетом их физико-механических свойств, формируемых технологией их изготовления. Используемая в расчетах теория вязко-хрупкого перехода прогнозирует рост трещины под действием разрушающего давления от внутренней поверхности БВД и последующее ее развитие, сначала как в вязком материале (до длины с = 0,91.. .1 мм), и далее при критической скорости, соответствующей хрупкому переходу. Из проведённых расчётов следует, что повышение вязкой составляющей требует увеличения остаточной пластичности материала БВД на финишной вытяжке полуфабриката.

7. Проведенные расчеты малоцикловой усталости материала БВД по теории вязко-хрупкого перехода подтверждаются результатами их гидроиспытаний, а также экспериментально установленным соотношением вязкой и хрупкой составляющих.

8. Разработаны рекомендации по выбору технологических параметров для многооперационной технологии вытяжек корпусных деталей с заданными прочностными физико-механическими свойствами: исходной заготовки, операционных степеней деформации, угла рабочего конуса матрицы. Разработанные рекомендации используются при проектировании усовершенствованной технологии изготовления баллонов высокого давления в производстве ФГУП «ГНПП «Сплав». Отдельные результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров по специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Ха Хонг Куанг. Анализ напряженно-деформированного состояния при вытяжке с утонением цилиндрической детали // Идеи молодых — Новой России: сб. тезисов докладов III магистерской научно-технической конференции. Россия, Тула, 14-16 марта 2008 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. - С. 288-290.

2. Ха Хонг Куанг. Расчет коэффициента интенсивности напряжений для цилиндрического образца // Идеи молодых - Новой России: сб. тезисов докладов IV магистерской научно-технической конференции. Россия, Тула, 14-16 марта 2009 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 279-281.

3. Ха Хонг Куанг. Оценка коэффициента интенсивности напряжений в процессе двухосного растяжения // Известия ТулГУ. Технические науки. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - Вып. 2. Часть1.- С. 118-122.

4. Ха Хонг Куанг, Н.Д. Тутышкин. Конечно-элементное моделирование процесса вытяжки с утонением стенки с учетом деформационной повреждаемости полуфабриката // Известия ТулГУ. Технические науки. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - Вып. 4. Часть2.- С. 47-54.

5. Ха Хонг Куанг. Моделирование и оценка повреждаемости материалов при осадке // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - Вып. 4. Часть2.— С. 67-77.

6. Ха Хонг Куанг, Н.Д. Тутышкин. Расчет коэффициента интенсивности напряжений при растяжении пластины с трещиной // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 104-106.

7. Ха Хонг Куанг , Н.Д. Тутышкин. Оценка влияния технологических факторов на вероятность разрушения металла при вытяжке с утонением стенки цилиндрического полуфабриката // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов,- Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 106-109.

8. Ха Хонг Куанг , Н.Д. Тутышкин. Моделирование деформационной повреж-денности материалов при осесимметричной осадке // Известия ТулГУ. Естественные науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - Вып. 1. - С. 124-137.

9. Ха Хонг Куанг. Моделирование процесса вытяжки с утонением цилиндрических осесимметричных деталей // Известия ТулГУ. Естественные науки.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.-Вып. 1.-С. 145-154.

10. Ха Хонг Куанг. Методики определения коэффициентов повреждаемости материалов в процессе вытяжки с утонением // Известия ТулГУ. Технические науки.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - Вып. 6. Часть2. - С. 297-302.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 24.04.12 Формат бумаги 60x84 1/ц. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,9. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ 031 Тульский государственный университет 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

61 12-5/3322

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

ХА ХОНГ КУАНГ

ВЫТЯЖКА С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ДИЛАТИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА

Специальность 05.02.09 -Технология и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д-р техн. наук, проф. Тутышкин Н.Д.

Тула 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗГОТОВЛЕНИЮ КОРПУСНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ВЫСОКИМИ ПРОЧНОСТНЫМИ СВОЙСТВАМИ........................................................................................................9

1.1. Корпусные осесимметричные детали............................................................9

1.2. Методы изготовления корпусных осесимметричных изделий...............12

1.3. Теоретические основы оценки прочности материала изделий.................21

1.4. Постановка задачи диссертационного исследования................................27

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ.........28

2.1. Физико-механический подход к анализу и проектированию_процессов обработки давлением...........................................................................................28

2.2. Оценка технологической пластичности......................................................33

2.3. Кинетические уравнения для прогнозирования повреждаемости полуфабрикатов...................................................................................................45

2.4. Выводы..........................................................................................................55

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ.................................57

3.1. Постановка эксперимента............................................................................57

3.2. Методика обработки экспериментальных данных.....................................60

3.3. Экспериментальное определение материальных функций........................63

3.4. Моделирование с использованием экспериментальных результатов........69

3.5. Выводы..........................................................................................................73

4. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ.........................................................................76

4.1. Основные уравнения и метод их решения...................................................76

4.2. Напряженное состояние при вытяжке с утонением стенки цилиндрического полуфабриката.......................................................................84

4.2.1. Построение поля линий скольжения......................................................84

4.2.2. Сила и удельная сила вытяжки...............................................................88

4.4. Прогнозирование деформационной повреждаемости получаемых деталей ..............................................................................................................................96

4.5. Выводы.........................................................................................................98

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА...........................100

ВЫТЯЖЕК КОРПУСНОЙ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ДЕТАЛИ........................100

С ВЫСОКИМИ ПРОЧНОСТНЫМИ СВОЙСТВАМИ......................................100

5.1. Вырубка кружковой заготовки из листового материала..........................101

5.2. Исследование физико-механических свойств полуфабрикатов

на операциях вытяжки корпуса БВД................................................................111

5.4. Выводы........................................................................................................129

6. АНАЛИЗ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ БАЛЛОНОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ПО МНОГООПЕРАЦИОННОЙ

ТЕХНОЛОГИИ ВЫТЯЖЕК................................................................................131

6.1. Требования к прочностным свойствам баллонов высокого

давления.............................................................................................................131

6.2. Анализ условий вязко-хрупкого перехода в условиях

эксплуатации баллонов.....................................................................................133

6.3. Экспериментальный анализ вязко-хрупкого перехода стали 12ХЗГНМФБА при испытаниях баллона до разрушения...............................141

6.4. Компьютерное моделирование вязко-хрупкого перехода

(стадии разрушения)..........................................................................................145

6.5. Выводы........................................................................................................147

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.........................................................150

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.................................................................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.................................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.................................................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В современной технологии машиностроения широко используются процессы обработки давлением (ОД). Рациональное, научно обоснованное использование пластических свойств обрабатываемых давлением материалов позволяет создавать высокоэффективные технологии изготовления изделий с высокими эксплуатационными свойствами. Распространенными в технологии ОД являются операции вытяжки с утонением. Они широко применяются при изготовлении глубоких цилиндрических сосудов, толщина стенки которых меньше толщины дна. Они обладают такими преимуществами, как высокая производительность, низкая себестоимость изделий, высокий коэффициент использования металла (КИМ), высокие точность размеров, качество поверхности деталей и механические характеристики их материала [1].

Возможности формоизменения за одну или несколько операций вытяжки с утонением стенки ограничены величиной осевого растягивающего напряжения в стенке по выходе из матрицы и определяются деформационной повреждаемостью материала, его пластическими свойствами, интенсивностью упрочнения, наличием дефектов, а также зависят от геометрических параметров инструмента,'условий охлаждения и смазки. Изготовление глубоких сосудов производится за несколько операций вытяжки с утонением стенки. Характер и режимы термической обработки между операциями вытяжки определяются требованиями к свойствам материала готовых изделий. В качестве исходных заготовок при вытяжке с утонением используются полуфабрикаты, полученные вытяжкой из листовой заготовки или методом прямого и обратного выдавливания.

Анализ и моделирование технологических параметров вытяжных операций базируется на основных положениях теории пластичности и теории деформационной повреждаемости и разрушения. В свете тенденций развития современной технологии ОД (максимальной экономии материальных и энергетических ресурсов при производстве деталей с заданным уровнем свойств) основная

проблема традиционного подхода заключается в невозможности последовательного учета истории нагружения при анализе комплекса последовательных формообразующих операций, протекающих в условиях немонотонной деформации и сложного (непропорционального) нагружения. С другой стороны, известно, что при больших пластических деформациях (характерных для процессов ОД) в структуре металлов образуются и растут микродефекты деформационного происхождения. К ним относятся, в первую очередь, поры [2]. Порообразование играет определяющую роль в повреждаемости материала при больших пластических деформациях.

Исследованию процессов ОД с использованием теории рассеянной повреждаемости посвящены работы B.JI. Колмогорова [3, 4], В.А. Огородникова [5], A.A. Богатова, С.И. Мижирицкого, C.B. Смирнова [6] и зарубежных ученых Ч. Чена, С. Кобояши, Ф.А. Макклинтока, Зунг H.JI [10] и других исследователей. Установлено, что деформационная повреждаемость материала оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства готовых изделий (динамическую прочность, усталостную выносливость, стойкость против электрохимической коррозии и т.д.). Однако многие вопросы изучения и прогнозирования деформационной повреждаемости конструкционных металлических материалов остаются недостаточно изученными. К ним относятся вопросы исследования пластической дилатансии в связи с ростом объемной фракции пор, влияния формы эллипсоидальных пор на процесс их коалесценции и их применение для моделирования процессов пластического деформирования металлов с мезо-структурными параметрами. Особенно трудными для анализа и проектирования являются процессы пластического формоизменения, в которых обрабатываемый материал испытывает сложное нагружение с сильным изменением напряженного состояния. К ним относятся и процессы вытяжки с утонением осе-симметричных деталей с высокими эксплуатационными свойствами. Таким образом, разработка теории и технологии, повышающие эффективность процесса вытяжки с утонением осесимметричных деталей с высокими эксплуатацион-

ными свойствами с использованием научных достижений на базе теории пластичности и механики деформационной повреждаемости, является актуальной научно-технической задачей. Решение этой задачи требует детального учета локальных свойств обрабатываемого материала, связанных с неоднородным распределением напряжений, скоростей, деформаций и пластической дилатан-сией, т. е. сочетанием современных методов теории пластичности и механики повреждаемости металлических материалов.

Цель работы.

Повышение эффективности процесса вытяжки с утонением осесиммет-ричных деталей с учетом прогнозирования деформационной повреждаемости их материала и связанных с ней эксплуатационных прочностных свойств.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследований;

1. Сформулированы определяющие соотношения осесимметричного пластического течения с определением входящих в них материальных функций для процессов вытяжки с утонением деталей из дилатирующего материала.

2. Проведено моделирование процесса вытяжки с утонением осесиммет-ричных деталей с учетом пластической дилатансии.

3. Установлены зависимости влияния технологических параметров на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы, повреждаемость материала и предельные возможности деформирования.

4. Получены результаты экспериментальных исследований влияния деформации на повреждаемость материала с учетом его пластической дилатансии.

5. Разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов, обеспечивающих заданное качество изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, сокращение сроков подготовки производства новых деталей.

Методы исследования. Исследование процесса вытяжки с утонением осе-симметричных деталей выполнено с использованием основных положений теории пластичности и механики деформационной повреждаемости с учетом пластической дилатансии материала. Моделирование процесса осуществлено методом конечных элементов на базе прикладной программы ANS YS. Для определения материальных функций дилатирующего материала использовались современные экспериментальные методы механических испытаний, а также оптическая и электронная микроскопия. При разработке рекомендаций использовались современные положения технологии вытяжных операций.

Автор защищает:

- сформулированные определяющие соотношения осесимметричного пластического течения с учетом пластической дилатансии материалов вследствие образования и роста пор;

- экспериментально определенные материальные функции для процессов вытяжки с утонением деталей из дилатирующего материала;

- результаты моделирования процесса вытяжки с утонением осесиммет-ричных деталей с учетом пластической дилатансии;

- установленные зависимости влияния технологических параметров на повреждаемость материала и предельные возможности его деформирования при вытяжке с утонением цилиндрического полуфабриката;

- разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов вытяжки корпусных осесимметричных деталей с высокими прочностными свойствами;

- результаты моделирования усталостой прочности баллонов высокого давления.

Научная новизна состоит в разработке метода анализа процесса вытяжки с утонением с учетом пластической дилатансии материала и точных методов решения, позволяющего проектировать технологический процесс вытяжки кор-

пусных осесимметричных деталей, прочностные свойства которых связаны с деформационной повреждаемостью их материала.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров операций вытяжки с утонением осесимметричных деталей из дилатирующих материалов, эксплуатационные свойства которых связаны с деформационной повреждаемостью их материала.

Реализация работы. Разработанные рекомендации используются при проектировании усовершенствованной технологии изготовления баллонов высокого давления в производстве ФГУП «ГНПП «Сплав». Отдельные результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров по специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Апробация работы. Результаты исследований доложены на научно-практической конференции ТулГУ (г. Тула, 2010, 2011, 2012 гг.); Межрегиональной научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых тТ специалистов» (г. Тула, 2010, 2011 гг.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 6 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, в 2 тезисах международной научно-технических конференции объемом 4,4 печ. л.; из них авторских -3,4 печ. л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников из 164 наименований, приложения и включает 137 страницы машинописного текста, содержит 60 рисунка и 8 таблицы. Общий объем - 173 страниц.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗГОТОВЛЕНИЮ КОРПУСНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ВЫСОКИМИ ПРОЧНОСТНЫМИ

СВОЙСТВАМИ

1.1. Корпусные осесимметричные детали

В конструкциях машин, оборудования, приборов и механизмов широко применяются втулки, кольца, полые пальцы, плунжеры, цилиндры и другие полые тела вращения, которые по общности конструктивно-технологических признаков объединяются в класс однотипных деталей — полые цилиндры [8, 9]. Эти детали выполняют разнообразные функции и эксплуатируются в жёстких режимах при высоких импульсных нагрузках, давлениях, тепловых ударах, значительных деформациях.

Рабочими и несущими поверхностями рассматриваемых деталей являются цилиндрические, конические, шлицевые и, реже, торцевые поверхности. Повышенные требования к точности, шероховатости, твёрдости и другим характеристикам нагруженных поверхностей устанавливаются в зависимости от условий и интенсивности их эксплуатации.

Особо следует остановиться на изделиях отрасли точного машиностроения с высокими прочностными свойствами (работающих в жёстких режимах и испытывающих интенсивные нагрузки, ударные воздействия, высокие давления и скорости деформации). Их прочностные характеристики во многом определяются механическими и физико-структурными свойствами материалов. К ним относятся, например, баллоны высокого давления (БВД), огнетушители.

Баллоны высокого давления (БВД) (рис. 1.1) предназначены для хранения и транспортирования сжатого воздуха, используемого в аппаратах для дыхания при пожаротушении, в аквалангах.

Основные характеристики баллонов определяются исходя из требований высокой конструктивной прочности и эксплуатационной надёжности, а также

эргономических требований (прежде всего, минимальных весовых характеристик) [10-17].

Рис. 1.1. Расчетная схема баллона с1 -диаметр баллона; 1б -длина баллона; а -длина горловины ; яст -номинальная толщина стенки цилиндрической части баллона; 5стек -толщина стеклопластика; $он - толщина дна баллона; 1Ц -длина цилиндрической части баллона под закатку

На надёжность функционирования корпусных осесимметричных изделий большое влияние оказывают механические характеристики. Расчёт и прогнозирование прочностных характеристик материала в задаваемых контрольных сечениях изделия осуществляется на основе кривых деформационного упрочнения. Подобный подход позволяет рассчитать и выбрать операционные степени деформации таким образом, чтобы обеспечить заданные стандартные механические характеристики материала (временное сопротивление сгв, предел текучести сгу, относительное удлинение епр, ударная вязкость ан и т.д.) в необходимом интервале их значений.

В связи с переходом на более жёсткие режимы эксплуатации изделий этот подход к обеспечению заданных прочностных характеристик изделий перестал полностью удовлетворяться [23]. При проведении эксплуатационных испытаний БВД наблюдаются случаи потери прочности (даже при достижении

высоких механических свойств материала). Эти результаты испытаний вполне согласуются с известными данными экспериментальных исследований в области механики разрушения [18]. Согласно этим результатам при решении задач обеспечения прочности конструкций, испытывающих интенсивные импульсные нагрузки, необходимо принимать во внимание деструкцию материала и образование нарушени