Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время установлено, что практически любой материал может быть переведен в состояние сверхпластичности (СП), использование которого в обработке металлов давлением (ОМД) обеспечивает снижение деформирующих усилий, повышение коэффициента использования металла, уменьшение числа технологических переходов и улучшение качества деформируемых полуфабрикатов, что обусловливает значительный интерес к изучению природы СП.
На сегодняшний день хорошо развиты материаловедение и физика СП. Однако исследование реологического поведения металлов и сплавов в температурно-скоросгном интервале СП проводят, как правило, в испытаниях на одноосное растяжение сплошных цилиндрических или плоских образцов и ограничиваются анализом так называемой сипю-идальной кривой в логарифмических координатах lgo- - Igc. Вместе с тем известно, что процессы ОМД характеризуются объемной схемой напряженно-деформированного состояния, немонотонность» процесса де-форгирования, влиянием истории и вида нагружения. Моделирование таких процессов требует разработки новых методик определения реологических параметров материалов при различных схемах деформирования. При этом актуальной задачей является построение определяющих соотношений, адекЕатно описывающих реологическое поведение материалов в состоянии СП и выявление их области применимости.
Другая важная задача связана с необходимостью научно-- обоснованного выбора технологических параметров процесса и оптимизации режимов нагружения с целью максимального использования преимуществ пластического деформирования в состоянии СП. Она может быть решена на базе разработки соответствующих математических моделей, учитывающих как особенности реологического поведения материала при различных схемах деформирования, так и характер напряженно- деформированного состояния, имеющий место в процессах ОМД. Очевидно, что построение такого рода моделей представляет собой сложную задачу, которая не всегда может быть решена на базе имеющейся в распоряжении вычислительной техники. В этой связи весьма перспективным является построение з качестве первого приближения инженерных моделей процесса, которые позволили бы с приемлемой на практике точностью рассчитывать его технологические параметры и оптимизировать режимы нагружения.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом uayv-
но-исследовательских работ РАН ''Механика деформируемого тьердогч тела" (номер госрєгистрации 079223) и государственной научно-технической программой "Технологии, машины и производства будущего (проект 0'.06.01.0022Т).
Цель работы - выявление особенностей реологического поведение материалов в процессах сзерхпластического формоизменения и создание научных основ для выбора технологических параметров и оптимизациі -Процессов нагружения на базо разработки инженерных моделей технологических процессов ОМД.
При выполнении работы решались следующие задачи:
-
Заявить применимость известных определяющих соотношений, исполььуемых для описания реологии сверхпластичности, при различные видах нагружения.
-
Выявить особенности поведения СП материалов з схемах деформирования с известной кинематикой (растяжение-сжатие с. кручением, течение между двумя вращающимися коаксиальными цилиндрами) обусловленные поьышенной скоростной чувствительностью л неоодно сскостью яапря;кенно-деформированкого состояния.
-
Разработать методики экспериментального определения реологических параметров СП на базе различных схем деформирования и видов нагружения.
-
Разработать прикладные математические модели ряда технологических процессов обработки давлением, основанных на линейной, плоской и объемной схемах деформироЕаиия.
' 5. На основе полученных результатов создать Руководящие технические материалы по определению режимов нагружения к оценке экер-госилобых параметров з процессах обработки давлением в режиме СП.
Научная новизна На примере СП эвтектики слово-свинец показано, что определяющие соотношения типа Бингама неприменимы для процессов пассивного нагружения, включающих разгрузку (релаксацию).
На основе теоретического анализа поведения СП материала в схеме растпвкения-ежатия с кручением однородного цилиндрического стержня установлено, что влияние кручения на величину осевого усилия тем значительнее, чем ниже скоростная чувствительность материала ш. Для ньютоновской жидкости (ш=1) величина усилия растяжения не зависит от кручения, в то время как для идеально - пластического тела (ш=0)
Иод термином "СП материал" в данной работе имеется в виду материал со стабильной ультрамелкозеркистой структурой, способный в опроделенном температурно-скоростаом г.нтервале проявлять известные признаки сверхпластичности
это влияние максимально.
Методом верхней оценки решена задача осадки сплошного кругового цилиндра из материала, обладающего линейным скоростным упрочнение!/, плоскими вращающимися бойками. Полная мощность минимизируется по параметру проскальзывания между бойками и торцами заготовки. Получены аналитические выражения для определения усилия осадки и крутящего момента. Разработан алгоритм и составлена программа, позволяющая рассчитывать энергосилоЕые параметры процесса. Анализ . по-
лученных результатов показывает, что эффективность применения кручения для снижения величины осевого усилия растет с увеличением коэффициента грения на контактных поверхностях, скорости вращения инструмента и величины высотной деформации. Уточнен механизм снижения величины осевого усилия. Установлено, что падение величины деформирующего усилия связано не только с влиянием сил контактного трения, но также и с изменением схемы нагруженил.
Получено точное решение краевой задачи для поперечного течения СП материала между двумя коаксиальными вращающимися цилиндрами. На основе его анализа показано, что по мере увеличения параметра скоростной чувствительности материала п снижается степень неравномерности дефопмации. При этом меняется характер зависимостей величины крутящего момента и мощности внутренняя сил от величины параметра а: при малых скоростях вращения эти зависимости убывающие, а при больших - возрастающие,
Разработана математическая модель сэерхпластической формовки (СПФ) круглой мембраны с жестким защемленкэм фланца. Получены расчетные формулы для определения зависимости давления газа оа времени и распределения толщины по профилю изделия. Разработана математическая модель формовки сферообразных изделий из плоского пакета, позволяющая рассчитывать геометрию заготог"<иг закон подачи давления и ра'шотолщинность получаемого изделия. По сравнению с известными методами расчета предлагаемые подходы существенно сокращают затраты времени на проведение вычислений. Экспериментальное подтверждение адекватности моделей получено на примере широко распространенного и достаточно хорошо изученного листового титанового сплава ВТбс толщиной 1 и 5 мм (аналог известного зарубежного сплава Ti-6A1-4V, применяемого для изготовления сосудов давления).
Разработана математическая модель процесса СПФ в штампе с изменяющимся зазором, позволяющая определіть оптимальные режимы ке-
""Эффективность процесса осадки с кручением - степень снижения величины осевого усилия
гружения и прогнозировать рэзнотолтшность получаемых изделий.
Практкчг-.ская значимость
Разработаны новые методики определения реологических параметров: по степени падения растягивающего усллия при дополнительном подкручивании цклшдрического образца; по продолжительности формовки полусфер при постоянном давлеяии газа; по кривой зависимости крутящего момента or ckodocth относительного вращения двух коаксиальных цилиндроз, а такие по экспериментальным кривым ползучести и релаксации при одноосном нагруаении.
Предложен способ изготовления сферических оболочек из листовых заготовок, позволяющий повысить качество изделий, их эксплуатационные характеристики (допустимое внутреннее давление и усталостную прочность) на 20-30%, увеличить коэффициент использования металла до 0,75-0,80, а также снизить себестоимость деталей на 15-20%.
.Предложен способ подготовки структуры материала к СП деформации, позволяющий обрабатывать цилиндрические заготовки с широкой гаммой отношения высоты к диаметру (h/d=l-10) без изменения их форма, достигать больших степеней деформации (е=5-8) при ее однородности по высоте заготовки.
На основе полученных результатов разработаны Руководящие технические материалы по определению ренгимов нагружения и оценке энергосиловых параметров в следующих процессах обработки давлением: сверхпластическая формовка сферических оболочек, осадка цилиндрических заготовок плоскими вращающимися бойками, безволоковая деформация проволоки, раскатка дисков автомобильных колес.
Новизна предложенных технических решений защищена і авторским свидетельством и 3 положительными решениями'.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 12 юбилейной конференции молодых ученых института машиноведения им. А.А. Благонравова "Актуальные проблемы машиноведения", Москва, 1989; на научно - практической конференции "Применение САПР в машиностроении", Свердловск, 1990; на II Всесоюзном семинаре "Технологические задачи ползучести и сверхпластичности", Фрунзе, 199С; на пятой конференции "Сверхпластичность неорганических материалов", -Уфа, 1992; полностью работа обсуждалась на семинаре ИПСМ по технологическим проблемам обработки металлов давлением и на семинаре по механике деформируемого твердого тела Института механики МГУ.
Публикация. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5
глав, заключения, изложена на машинописных страницах, содержит
40 рисунков, 1 таблицу, библиографический список из 209 наименований и _ приложений.