Вибір режиму зміни швидкості деформації при високотемпературному торцьовому осадженні заготовок циліндричної форми

Abstract

The paper considers the problem of ing a rational mode of strain rate change during high-temperature isothermal flat-die upsetting of cylindrical billets. The object of the study is the hot upsetting process; the subject is the law of strain rate change at the critical point of the billet and the corresponding law of motion of the deforming tool. The relevance of the work stems the fact that upsetting is one of the most energy-intensive forging operations, while the tool speed is in practice assigned as a constant value based on equipment capabilities rather than on conditions for the fullest use of the plastic capacity of the material. Known results on the optimization of the rate mode of multistage hot deformation have been obtained for processes with a homogeneous stress-strain state, for which the stress triaxiality ratio remains unchanged. During flat-die upsetting this ratio at the critical point on the equator of the lateral surface changes during the process due to barrelling, which formally makes the direct transfer of known results impossible. To overcome this obstacle, a hypothesis is formulated on the weak dependence of the limiting strain on the stress triaxiality ratio during high-temperature deformation for a certain class of materials. It is shown that a weakened form of the hypothesis is sufficient for a correct transfer of the results, requiring independence the triaxiality ratio only for the strain rate sensitivity exponent. It is established that the resource dependence parameter enters exclusively into the scale factor of the solution and does not affect the shape of the optimal trajectory, while the relative error of the limiting strain is smaller than the relative error of this parameter. The problem of matching the optimal law of strain rate change with the tool kinematics is solved. A closed-form analytical expression for the tool speed is obtained, which does not require numerical inversion of the dependence of strain intensity on the upsetting ratio. For exponential and polynomial trajectories the law of tool motion is presented in explicit form. An estimate of the strain rate deviation within a stage is proposed, which gives the number of stages a specific technological meaning. A numerical calculation for 14Kh17N2 steel at 1150 °C established that the plastic resource of the material is not exhausted during flat-die upsetting, i.e. the process is limited geometrically rather than by deformation. For such materials the problem of minimizing the process time is meaningful. A relation is obtained linking the reduction of deformation time with the increase of the limiting strain; it is shown that an increase of the limiting strain by 5.9 % corresponds to a reduction of the upsetting time by 47 %. The conditions for applicability of the obtained results to processes of local deformation by roller burnishing are determined.У статті розглянуто задачу вибору раціонального режиму зміни швидкості деформації при високотемпературному ізотермічному торцьовому осадженні заготовок циліндричної форми. Об\"єктом дослідження є процес гарячого осадження, предметом — закон зміни швидкості деформації в критичній точці заготовки та відповідний йому закон руху деформівного інструмента. Актуальність роботи зумовлена тим, що осадження належить до найбільш енергоємних операцій кування, а швидкість руху інструмента на практиці призначають сталою, виходячи з можливостей обладнання, а не з умов найповнішого використання пластичних можливостей матеріалу. Відомі результати оптимізації швидкісного режиму багатоступеневого гарячого деформування отримано для процесів з однорідним напружено-деформованим станом, для яких показник жорсткості напруженого стану залишається незмінним. При торцьовому осадженні цей показник у критичній точці на екваторі бічної поверхні змінюється по ходу процесу внаслідок бочкоутворення, що формально унеможливлює пряме перенесення відомих результатів. Для подолання цієї перешкоди сформульовано гіпотезу про слабку залежність граничної деформації від показника жорсткості напруженого стану при високотемпературному деформуванні для певного класу матеріалів. Показано, що для коректного перенесення результатів достатньо послабленої форми гіпотези, яка вимагає незалежності від показника жорсткості лише показника швидкісної чутливості. Установлено, що параметр ресурсної залежності входить виключно до масштабного множника розв\"язку і не впливає на форму оптимальної траєкторії, а відносна похибка граничної деформації є меншою за відносну похибку цього параметра. Розв\"язано задачу узгодження оптимального закону зміни швидкості деформації з кінематикою інструмента. Отримано замкнений аналітичний вираз для швидкості руху інструмента, який не потребує чисельного обернення залежності інтенсивності деформацій від ступеня осадки. Для експоненціальної та поліноміальної траєкторій закон руху інструмента подано у явному вигляді. Запропоновано оцінку відхилення швидкості деформації в межах ступеня, яка надає кількості ступенів конкретний технологічний зміст. Числовим розрахунком для сталі 14Х17Н2 при температурі 1150 °C встановлено, що пластичний ресурс матеріалу при торцьовому осадженні не вичерпується, тобто процес обмежений геометрично, а не деформаційно. Для таких матеріалів змістовною є задача мінімізації часу процесу. Отримано співвідношення, яке пов\"язує скорочення часу деформування з приростом граничної деформації; показано, що приріст граничної деформації на 5,9 % відповідає скороченню часу осадження на 47 %. Визначено умови застосовності отриманих результатів до процесів локального деформування обкаткою роликами.