К расчету процесса формообразования изгиба деталей с учетом релаксации и упругой разгрузки в режимах ползучести близких к сверхпластичности

К расчету процесса формообразования изгиба деталей с учетом релаксации и упругой разгрузки в режимах ползучести близких к сверхпластичности.

, ,

Институт гидродинамики им. СО РАН, Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия

Современное проектирование и изготовление корпусных деталей изделий в авиа - и судостроении, общем машиностроении c целью снижения веса конструкций предполагает широкое использование монолитных оребренных панелей из современных высокопрочных труднодеформируемых металлических сплавов. В настоящее время наиболее рациональными с точки зрения сохранения остаточного эксплуатационного ресурса (живучести) после стадии изготовления являются технологические процессы формообразования крупногабаритных деталей в режимах ползучести и близких к сверхпластичности [1-3]. Экономическая целесообразность этих процессов обусловлена возможностью совмещения процесса формообразования с термообработкой заготовки, достаточно высокой степенью деформируемости материала при снижении усилий формообразования, увеличения точности геометрии и эксплуатационных характеристик получаемых деталей после формоизменения изгибом по сравнению с традиционным квазистатическим способом формоизменения за счет «мгновенных» пластических деформаций.

В рамках задачи определения формы отформованной детали после снятия нагрузки в режимах ползучести и близких к сверхпластичности проведена серия экспериментов по чистому изгибу тавровых балок из высокопрочного титанового сплава 17 в различных температурных условиях (Т=100, 450, 700 ºС) близких к сверхпластичности с различной постоянной нагрузкой. Построены диаграммы деформирования « кривизна – время ».

Сплав 17 (Ti-6Al-4V(ASTM, ISO)) является наиболее распространенным титановым сплавом класса α – β, это также самый распространенный из всех титановых сплавов. В обработанном виде этот сплав используется в аэрокосмической сфере, судостроении химической и других областях, требующих от материала хорошего соотношения показателей прочности, веса и коррозионной стойкости.

Эксперименты проводились на образцах вырезанных из плиты толщиною 64 мм. Согласно ГОСТ механические свойства плиты, определяемые на образцах, вырезанных поперек проката: временное сопротивление разрыву σв = 880 – 1080 МПа, относительное удлинение – 6%, относительное сужение – 16%.

По методике приближенного расчета чистого изгиба симметричной балки [4] в среде Mathcad была написана программа «чистый изгиб балок» (ЧИБ).

ã , , , 2013

В соответствии с [5 – 7] предполагается, что в нагруженном элементе конструкции имеется некоторая характерная точка (малая окрестность), положение которой при заданных граничных условиях практически не зависит от величины нагрузки, скорости деформации и температуры. При стационарных режимах нагружения напряжения в этой точке не меняются и вплоть до разрушения остаются равными упругим напряжениям. При изменении действующей нагрузки напряжения в характеристической точке (ХТ) меняются в соответствии с законом упругого деформирования, а деформации в ней определяют поведение всей конструкции. После снятия нагрузки напряжения в этой точке обращаются в нуль. Координата ХТ вычисляется, как координата пересечения эпюр упругого и установившегося распределений напряжений.

С помощью разработанной программы для расчета «ЧИБ» по вводимым данным размеров тавра, показателя ползучести и величины нагрузки определялись: δ0 - начальное положение нейтральной плоскости, δ – «установившееся» положение нейтральной плоскости, J - упругий момент инерции балки, - координата ХТ тавра симметричного сечения (положение которой зависит от показателя ползучести n и геометрических размеров балки). По заданному напряжению в ХТ вычисляется постоянно действующий внешний изгибающий момент М.

Задача определения формы отформованной детали после снятия нагрузки выглядит следующим образом:

- в начальный момент t=0 при отсутствии пластических деформаций находится кривизна балки ;

- при t=t1 общая кривизна балки равна ; напряжение в ХТ балки при изгибе постоянным моментом не меняется и в любой момент времени равно

, где .

В момент времени t1 прогиб балки фиксируется и наступает процесс релаксации напряжений: . В момент времени t2 происходит снятие нагрузки и кривизна балки изменяется на величину упругой разгрузки при этом она должна оказаться равной заданной кривизне детали . Вычислив , можно определить все параметры процесса.

Результатом работы компьютерной программы является определение упреждающего контура для формообразования изгибом в зависимости от значений действующего постоянного момента или кривизны во времени и последующей релаксации.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ -а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  , , Способ формообразования деталей двойной кривизны и устройство для его осуществления. Пат. РФ. № 000. Бюл. изобр. 1994. №11. с. 211. 6 с.

2.  , , , Технология формообразования крупногабаритных деталей из сплава 1561 в режиме сверхпластичности // Судостроит. пром-ть. Сер. Технология и организация производства. – Судоверфь, 1989. – Вып. 14. – С. 11-23.

3.  , Технологические процессы обработки металлов давлением в режимах ползучести и их моделирование // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Современные металлические материалы и технологии (СМТТ’ 2009)», СПб., 2009. Стр. 257-269.

4.  , Методика приближенного расчета чистого изгиба симметричной балки, с учетом необратимых деформаций. ПМТФ, 2002, Т.43, №6, С.166-169.

5.  , К определению координат характеристической точки в элементах конструкций при ползучести // Динамика сплошной среды: Сб. науч. тр. / АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т гидродинамики. 1977. Вып. 28. С. 143-151.

6.  К оценке ползучести и длительной прочности элементов конструкций по методу характеристических параметров. Сообщение 1 // Пробл. прочности. 1979. №4. С. 30-36.

7.  К обоснованию метода изгибных характеристик для расчетов на ползучесть изгиба элементов конструкций. // Динамика сплошной среды. Новосибирск.: ИГиЛ СО РАН, 2001, Вып.119, С. 36-42.