~| М. В. СТОРОЖЕВ, Е. А. ПОПОВ

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ L

Издание четвертое, переработанное и дополненное

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «.Машины и технология обработки металлов давлением»

Куйбышевский

авиационный институт

У

Учебны.i фонд

1 Москва 2' «машиностроение» I 19 7 7

Г.П4.2

С82

УДК 621.77.001.1 (075.8)

Рецензент кафедра «Оборудование и технология ковки и штамповки» Московского станкоинструментадышго института

Сторожев М. В., Попов Е. А.

С82 Теория обработки металлов давлением. Учебник для/ вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Машино­строение»-, 1977.-

423 с. с ил.

Книга содержит изложение элементов теории обработки металлов давле» нием в объеме программы, утвержденной для политехнических и машино­строительных втузов.

Книга предназначена для студентов, специализирующихся по кузнечно-штамповочному пронзводству, а также может быть использована аспирантами и научно-техническими работниками.

© Издательство .«Машиностроение», 1977 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Теория обработки металлов давлением как отдельная инже­нерная дисциплина и предмет преподавания в значительной сте­пени обязана своим становлением академику АН БССР С. И. Губ­кину (1898—1955). В 1947 г. он написал первый учебник по ука­занной дисциплине [12].

Этот учебник более всего подходил для студентов металлурги­ческих вузов, поскольку даваемые в нем сведения по физико-химии пластической обработки в значительной степени превали­ровали над сведениями по механике деформирования. Между тем в машиностроительных и политехнических вузах утвердилась специализация с механическим уклоном. Кроме того, работы Е. П. Унксова, А. Д. Томленова, И. Я. Тарновского и др., вы­полненные в начале 50-х годов, внесли значительный вклад в теорию расчета усилий и деформаций при обработке металлов давлением.

Эти обстоятельства побудили авторов, имевших многолетний опыт преподавания именно в машиностроительных вузах (МВТУ, Мосстанкин), написать учебник по теории обработки металлов давлением, соответствующий учебным программам этих вузов.

В учебнике в основном рассмотрена механика пластической деформации и ее положения и методы иллюстрируются на приме­рах расчетов усилий и деформаций при операциях ковки, объем­ной и листовой штамповки.

Первое издание учебника вышло в свет в 1957 г., затем учеб­ник переиздавался в 1963 и 1971 гг.

В настоящем четвертом издании добавлены сведения о сверх­пластичности, переработан параграф, посвященный пластическому трению, значительно переработан расчет усилий при закрытой прошивке, приведено решение задачи по определению усилий штамповки методом верхней оценки, внесены коррективы в главу-

относящуюся к листовой штамповке, а также внесен ряд исправ­лений и уточнений в другие разделы книги.

Авторы глубоко благодарны В. Г. Березкину, Д. И. Васильеву, Ю. П. Глебову, А. 3. Журавлеву, С. Б. Кирсановой, А. Д. Мат­вееву, Г. А. Навроцкому, А. Г. Овчинникову, П. М. Рыбакову, П. И. Середину, С. С. Соловцову, Е. П. Унксову, В. Я. Шехтеру и др., а также рецензенту всех изданий — кафедре «Оборудова­ние и технология ковки и штамповки» Московского станкоинстру-ментального института, руководимой В. Т. Мещериным.

Главы 1, 2 (большая часть) и 8 написаны Е. А. Поповым, остальные — М. В. Сторожевым.

ВВЕДЕНИЕ

Задачей дисциплины «Теория обработки металлов давлением» является анализ и разработка общих принципиальных основ рационального построения процессов обработки металлов дав­лением, которая не только обеспечивает получение заготовок, а часто и готовых деталей требуемой формы, но и вызыва­ет в металле качественные изменения. Теория обработки ме­таллов давлением является научной базой технологии этой обработки.

ТеорияТкэработки металлов давлением рассматривает и изу­чает:

1. термические и механические условия, при которых обеспе­чивается возможность наибольшего формоизменения металла, что необходимо для установления оптимальных режимов техно­логических процессов;

2. влияние обработки давлением на механические и физиче­ские свойства металлов в целях получения наилучших эксплуа­тационных характеристик заготовок и деталей;

3. характер формоизменения заготовок при различных опера­циях в целях отыскания наиболее благоприятных соотношений между размерами и формой исходных заготовок и заготовок или деталей, получаемых после обработки давлением;

4. сопротивление металла пластическим деформациям при операциях обработки давлением, т. е. распределение напряжений, необходимые усилия и работы для осуществления этих операций, В нолях правильного выбора оборудования и прочностного расчета рабочего инструмента.

Основной базой для теории обработки металлов давлением яв­ляется наука о пластической деформации металлов. Эта наука развивается совокупно в трех взаимно связанных основных на-нривлениях, имеющих одинаково важное значение для теории обработки металлов давлением.

1. Фп.-шка процесса пластической деформации металла. Это мииранлеппс изучает экспериментально и теоретически механизм пластического формоизменения металла, устанавливает влияние различных факторов на этот процесс, в основном температуры, rii'iiviin и скорости деформации и вида напряженного состояния,

к а равно устанавливает условия, при которых металл переходит из состояния упругого в состояние пластическое.

2. Физико-химия процесса деформации, рассматривающая связь пластической деформации с химическим составом и фазо­вым состоянием металла.

3. Механика пластической деформации, математически раз,-, рабатывающая вопросы напряженного и деформированного со­стояния, величины и распределения напряжений и деформаций в пластически деформируемом теле, анализирующая условия перехода тела в пластическое состояние.

Первыми работами, положившими начало научной теории пластичности, можно считать работы французского ученого Г. Треска, который в конце 60-х годов прошлого века начал экс­периментально изучать поведение металла при пластическом те­чении и высказал утверждение, что пластическая деформация начинается при возникновении в металле максимального касатель­ного напряжения определенной величины, постоянной для данных условий. Учитывая это положение, Б. Сен-Венан и М. Леви раз­работали системы уравнений, относящихся к «внутренним дви­жениям, возникающим в пластических телах».

Дальнейшее развитее теория пластичности получила лишь в начале текущего столетия благодаря работам М. Губера, Р. Ми-зеса, Г. Генки, Л. Прандтля, Т. Кармана, А. Надаи, Г. Гейрин-гер и др., и с тех пор теория пластичности непрерывно разви­вается (Р. Хилл, В. Прагер и др.).

Отечественные ученые внесли огромный вклад в науку о пла­стических деформациях.

В области физики и физико-химии пластической деформации капитальные труды создали В. Д. Кузнецов, Н. С. Курнаков, который является зачинателем физико-химической теории пла­стичности («Давление течения и твердость пластических тел», 1913 г.); Н. Н. Давиденков, исследовавший, в частности, вопросы, относящиеся к скорости деформации; А. А.. Бочвар, открывший рекристаллизационный и растворно-осадительный механизмы пластической деформации; С. И. Губкин, обобщивший основные положения физико-химической теории пластичности, и ряд дру­гих ученых.

В области механики пластической деформации советским ученым также принадлежит ведущая роль. Здесь надо указать, для примера, такие имена, как С. А. Христианович, развивший применение метода характеристик к плоской задаче теории пластич­ности, А. Ю. Ишлинский, решивший осесимметричную задачу, А. А. Ильюшин, придавший законченную форму теории малых упругопластических деформаций, В. В. Соколовский, Л. М. Ка-чанов и др.

Основоположником теории обработки металлов давлением по справедливости следует считать Д. К. Чернова, который не только поставил, но и научно решил ряд вопросов, касающихся существа обработки металлов давлением, и предугадал направле­ние их разрешения в будущем. После годичной работы в молото­вом цехе Обуховского завода Д. К- Чернов опубликовал статью «О выделке стальных осей для подвижного состава железных дорог» (1867 г.), высказав в ней мысли, которые и ныне лежат в> ©снове правильного подхода к рациональному выполнению ряда процессов обработки металлов давлением. «Постепенность нагре­вания, — пишет Д. К- Чернов, — необходима для того, чтобы не было большой разницы в деформации внешних и внутренних слоев», — принцип, на котором строятся режимы нагрева. «Круг-ление на вырезной наковальне имеет большие преимущества перед подобною работой на плоской наковальне, в последнем случае, как доказано опытом, центральные части металла разрыхляются, образуя столб рыхлости» — теперь мы говорим о схеме всесторон­него сжатия как условии максимальной пластичности ма­териала.

Теория обработки металлов давлением создана трудами мно­гих ученых. Среди зарубежных ученых можно в первую очередь указать Э. Зибеля, Г. Закса, Т. Кармана, В. Джонсона, Э. Том-сена и др. К плеяде советских ученых относятся С. И. Губкин, Е. П. Унксов, И. М. Павлов, А. И. Целиков, Н. И. Корнеев, В. П. Северденко, Г. А. Смирнов-Аляев, В. С. Смирнов, И. Л. Пер-лин, А. Д. Томленое, Л. А. Шофман, В. Т. Мещерин, И. А. Но-рицын, И. Я. Тарновский, И. П. Ренне, О. А. Ганаго и др.

Значение этих трудов нельзя переоценить. Они обеспечили создание научной базы технологии обработки металлов давле­нием как инженерной дисциплины, позволяющей творчески и ос­мысленно совершенствовать технологические процессы, подни­мать на более высокую ступень технику нашей социалистической промышленности.

Роль теории обработки металлов давлением в отечественной промышленности будет неуклонно возрастать в связи с непре­рывно растущим значением кузнечно-прессового производства. Эта теория располагает современными методами исследования механики процессов ковки и штамповки. В каждом отдельном случае следует применять тот метод (или ту комбинацию методов), который обеспечивает наиболее простые, удобные и достоверные решения, что и будет показано далее.

В настоящее время считается бесспорным, что пластичность является состоянием вещества, зависящим от условий деформи­рования: механической схемы деформации, температуры, ско­рости и степени деформации и внешних условий (трения, среды).

Согласно учению о механической схеме деформации пластич­ность металла возрастает с увеличением гидростатического дав­ления, наложенного на основную схему напряжений. Путем создания схем напряженного состояния с большим гидростати­ческим давлением удалось деформировать малопластичные в обычных условиях сплавы и вещества

Изучение совместного влияния температуры и скорости де­формации на вид процесса деформации показало, что даже при весьма низкой соответственной (гомологической) температуре (меньше 0,3) может происходить разупрочнение и, наоборот, при большой скорости деформации упрочнение наблюдается при высоких температурах. Вместе с тем при значительных скоростях деформации большее значение приобретает температурный эффект, что необходимо учитывать при деформировании на машинах с вы­сокими скоростями рабочего органа. Таким образом, можно говорить о термомеханическом факторе (температуре, скорости и степени деформации).

Для установления термомеханического режима обработки ме­таллов давлением необходимо знать изменение механических свойств металла с температурой при разных скоростях деформи­рования. Истинное напряжение при деформировании растяжением или сжатием (с приведением к линейной схеме) представляет со­бой напряжение текучести и определяет сопротивление металла деформированию. Эта величина входит во все формулы для опре­деления усилий, необходимых для осуществления ковочно-штам-повочных операций. Наиболее сложным оказывается учет влияния скорости деформации на напряжение текучести при различных температурах.

Не меньшее значение имеют показатели пластичности (отно­сительное сужение поперечного сечения при растяжении, относи­тельное обжатие при осадке статической и динамической до появления первой трещины и относительная деформация при кручении, получаемая при разрушении образца, относительное удлинение и ударная вязкость), определение которых для разных сплавов при различных температурах с нанесением результатов на графики имеет исключительно важное значение для установле­ния термомеханического режима обработки. Большое число та­ких диаграмм уже получено советскими исследователями.