Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Сторожев Попов (черн).doc
Скачиваний:
4
Добавлен:
01.04.2025
Размер:
4.85 Mб
Скачать

8.5. Обжим

Анализ распределения напряжений в заготовке при обжиме приведен в работах [1, 33, 113]. Рассмотрим обжим цилиндри­ческой тонкостенной заготовки матрицей, образующая рабочей полости которой имеет постоянный радиус кривизны. На рис. 8.18 представлены схема деформирования заготовки в такой матрице и принятые обозначения размеров.

COS ОС,

Очаг деформации состоит из одного участка с постоянным радиусом кривизны срединной поверхности заготовки Rp — в ме­ридиональном сечении. В процессе деформирования заготовки край ее получает уменьшение радиуса г0 от r0 = R3 в начале деформирования до заданного г0. В соответствии с этим угол ос0 между касательной к срединной поверхности в меридиональ­ном сечении на крае заготовки и осью симметрии увеличивается от ос0 = О до значения, которое может быть выражено через R3, а и г„ достаточно очевидным соотношением

о

- ' г0 _ а + г0 _ (8 99)

Одновременно с этим в процессе деформирования заготовки радиус р любого ее элемента вследствие перемещения относи­тельно рабочей поверхности матрицы уменьшается, т. е. танген­циальная деформация элемента является деформацией сжатия.

Так как заготовка в процессе деформирования заталкивается в матрицу силой Робж, то в стенках исходной заготовки возни­кают сжимающие напряжения ар, которые в очаге деформации по мере уменьшения радиуса р рассматриваемого элемента умень­шаются до нуля на крае заготовки при р = г0. Учитывая то, что напряжения ар являются сжимающими, а тангенциальная де­формация е0 является деформацией сжатия, можно заключить, что напряжения а9 также являются сжимающими.

Как было отмечено ранее, при R

(8.100)

значениях-^- > 10 напряженное со­стояние в очаге деформации с доста­точной точностью может быть при­нято плоским. Поэтому, учитывая, что напряжение ар в очаге деформа­ции изменяется от нуля до некото­рого наибольшего значения аршах, можно заключить, что крайними глав­ными нормальными напряжениями бу­дут а0 и ан, причем аи я» 0. Условие пластичности по постоянству макси­мального касательного напряжения (5.22) для этого случая имеет вид

0п = —о\

Распределение напряжений ор в очаге деформации при об­жиме в матрице с криволинейной образующей (Rp = const) может быть получено путем совместного решения уравнения рав­новесия (8.6) и уравнения (8.100).

Рассмотрим вначале решение без учета влияния упрочнения и изменения толщины заготовки в процессе деформирования на величину напряжений ор, действующих в очаге деформации.

Для заданной формы очага деформации (Rp = const) спра­ведливы следующие очевидные соотношения: р = Rp cos а а;

dp Rp sin ada; Re = Rp со^д . Подставляя их в уравне- ние (8.6) и решая его совместно с уравнением (8.100), после не- сложных преобразований получаем

dap ( sin a \ sin a -\- jx cos a

da

/ sin a \ sin a -4- it cos a n , n,,

{ т и I—a, r ,—- = 0. (8.101)

P V cos a b ' / s cos a b v '

В уравнении (8.101) принято, что b = -75—. Уравнение (8.101)

является линейным дифференциальным уравнением первого по­рядка, решение которого имеет следующий вид:

С + о J sina + ^c°sa е~1 (гоГ^Ь - д) da da 1 ь J cos а b

X

»J \cosa ь '

xeJ\cosa-b . (8.102)

Выполняя интегрирование функций, входящих в показатель степени, получаем

о =Гс4-о f sin a + М- cos « ,n (cosa_b)+lia ja 1 e_ln (cosа_6)_дк _ p L J cos a — Ь j

C + osJ (sina-(-pcosa)e^daj—sa_& .

Для значений коэффициента трения р, < 0,2 без большой погрешности можно экспоненциальные функции е^а и е~^а заменить первыми двумя членами разложения их в ряд. Произ­водя указанную замену, раскрывая скобки в подынтегральном выражении и пренебрегая слагаемым, содержащим множитель ц2, получаем

Ор = [ С + о, j (sin а -f ц cos а + pa sin a) da] Js~^b , а после интегрирования получаем

ор = -f- os [2р sin a— (1 + pa) cos a]} 1 ~

cos a-

Произвольную постоянную интегрирования С находим из граничных условий, согласно которым при a = a0 (на крае заго­товки) напряжение ар = 0. Пользуясь этим граничным условием, определяем значение произвольной постоянной С:

С = os [2р sin а0 — (1 + И«о) cos ао 1.

и, наконец,

ор as [(1 -f- pa) cos a — (1 -f- иа0) cos a0 +

+ 2tx(sina0—slna)l ^"Ц" • (8.103)

Формула (8.103) позволяет установить распределение напря­жений 0р = / (а) в очаге деформации при обжиме в матрице с криволинейной образующей при Rp = const. Из формулы видно, что напряжение ор = 0 при a = an (на крае изделия); увеличи­вается по мере уменьшения угла а и достигает наибольшего зна­чения о'р при a = 0 (на границе между очагом деформации и недеформируемой частью исходной заготовки).

Подставляя в формулу (8.103) значение a = 0, получаем формулу (8.104) для определения величины напряжения ор,. действующего на границе очага деформации:-

ap = rzЈ-[l — 0 +Mao)cosa0-f 2pslna0]. (8.104)

В формуле (8.104) напряжение а'р дано в функции угла а0. Это же напряжение можно выразить в функции радиуса г0, для чего в формуле (8.104) тригонометрические функции необходимо заменить следующими очевидными выражениями:

р

cosa0= IT 0 ; sina0= =-

Ар кр

an = arccos

Rp '

Подставляя эти выражения в формулу (8.104), а также учи- тывая, что Ь — = ^3 , получаем «р «р

_ц *. + *р-*. arccos г. + Яр-*.) . (8.105)

A3 /

В тех случаях, когда угол а0 сравнительно мал, а0 < 40е,-без большого ущерба для точности можно принять, чтоа0 cos а0 — = sin а0, и тогда формула (8.104) получит более простой вид

о'р = пгтгО—cosa0-|- pislna0). (8.106)

Эту же формулу с помощью приведенных ранее выражений, связывающих тригонометрические функции g радиусами R3, Rp, г0, можно написать аналогично формуле (8.105)

oP = -os (\-JJL+-^-VRl-(r0-l-RP-R3r). (8.107)

Напряжение оршах, действующее в станках обжимаемой за­готовки, следует определять с учетом того, что у элементов за­готовки при перемещении из недеформируемого участка в очаг деформации уменьшается радиус кривизны срединной поверх­ности в меридиональном сечении от бесконечности до величины /?р. Таким образом, на входе в очаг деформации элементы заготовки получают изгиб, что должно оказывать влияние на величину на­пряжения оршах. В первом приближении можно принять, что изгиб элементов заготовки при их перемещении относительно матрицы обжима при резком изменении радиуса Rp вызовет уве­личение напряжения ор на Дггр, величина которого приближенно определяется по формуле (8.52). Тогда напряжение оршах будет равно сумме напряжения ор и приращения напряжения Дор.

Если величину ар определить по формуле (8.107), то получим

арШах = ~а6[1--^+^7Т/^-(/-о + ^р~^)2+1^].

(8.108)

Если обозначить отношение -^-= тоб, то формулу (8.108) можно записать несколько иначе:

1 — т06 + р У 2 (1 - mo6) g - (1 - тоб)3 + .

(8.108а)

Из формулы (8.108а) следует, что при постоянном значении

s Rn

пт-ав и с увеличением отношения -~- слагаемое, учитывающее

влияние трения на оршах, увеличивается, а слагаемое, учитыва­ющее влияние изгиба, уменьшается. Отсюда можно заключить, что при малых значениях коэффициента трения (д. < 0,1) уве-

личение отношения ~- может привести к незначительному умень-

АЗ

шению отношения шах-, в то время как при относительно больших значениях коэффициента трения (р > 0,2) увеличение приводит к увеличению отношения gp тах.

Лз ^>

Аналогичным образом можно получить расчетные формулы для случая обжима в конической матрице (рис. 8.19). Очаг де­формации в этом случае состоит из двух участков: /, в котором заготовка соприкасается с конической полостью матрицы, и

ж

г,

У/ к*

участка II свободного изгиба с ра­диусом Rp срединной поверхности, в котором заготовка не соприкасает­ся с матрицей.

р

cos ак

Распределение напряжений в ос­новном, коническом, участке очага деформации можно установить, под­ставляя значение ае = —а5 из усло­вия пластичности в уравнение (8.6) и учитывая, что а = const = оск;

оо и Rp. =

Р~^Г + °р + °» 0 + И ct§a^ = °-

Интегрируя это дифференциаль­ное уравнение с разделимыми пере­менными, находим

°р= — Ml + |ictgcg +

Произвольную постоянную инте- Рис. 8.19 грирования С можно найти из гра- ничного условия, согласно которому при р = г0 (на крае заго- товки) напряжение ор = 0:

С = r0as (1 + ctg ocj.

Подставляя значение С в предыдущее уравнение, получаем формулу (8.109), которая позволяет установить распределение напряжений в коническом участке очага деформации:

ae(l + HctgoK)(l--^-).

(8.109)

Напряжение о'р, действующее в коническом участке очага деформации на границе его с участком свободного изгиба, можно получить из формулы (8.109) при подстановке в нее значения Р = ri (рис. 8.19):

^ = _a,(l+nctgcg(l-l2-).

(8.110)

Распределение напряжений на участке // очага деформации находим, решая уравнение (8.6), в котором принято р. = 0 (кон­такт заготовки с инструментом отсутствует). Получающееся дифференциальное уравнение имеет вид

day 0Р + as

dp

Интегрирование его дает уравнение

При переходе элементов заготовки в процессе ее деформиро­вания из участка // очага деформации в участок / радиус средин­ной поверхности в меридиональном сечении увеличивается от Rp до бесконечности (спрямление), а при переходе из недеформи-руемой части заготовки в очаг деформации уменьшается от бес­конечности до значения Rp (изгиб). Считая, что изгиб и спрямле­ние вызывают увеличение напряжения ор на Дор, величина ко­торого определяется по формуле (8.52), заключаем, что в качестве граничного условия для участка // очага деформации можно при­нять, что при р = гх ор — ор+ Дор.

Используя это граничное условие, находим

+ М8«к)(1—^) + 11-]=-«,, + -£;

отсюда произвольная постоянная интегрирования С = 0/1[ 1 - (1 + ц ctg eg (1 - ) - .

Подставляя значение С в уравнение для определения вели­чины Ор в участке // очага деформации, получаем

°p = -^-f-Hl+HctgaK)(l-f)f + ]•

(8.111)

Значение напряжения Ор, действующего в участке // очага деформации на его границе с недеформируемой частью заготовки, определим по формуле (8.111) при подстановке в нее значения р = R3. Для упрощения в третьем и четвертом слагаемом примем

o; = -os[l--^+(l + pctgaK)(l--^) + 1|-r]. (8.112)

Напряжение оршах, действующее в стенках обжимаемой за­готовки, с учетом влияния изгиба определим как сумму напря­жения ор и приращения напряжения Дор:

<w = ~ °> [ 1 it + (1 + и ctg о,) (1 - -g-) + - 2^- ] •

(8.113)

Для определения ортах по формуле (8.113) при обжиме в ко­нической матрице необходимо знать величину радиуса участка свободного изгиба. В первом приближении можно принять, что величина Rp в участке // очага деформации определяется по фор-

392 .

муле (8.40), как в случае, когда меридиональное напряжение сравнительно велико:

К , МТ" . (8.114)

4ap(l-cosaK)

Подставляя значение Rp из выражения (8.114) в (8.113),

получаем

1 —

-^•+(l + l*ctg«B)(l—^-) +

+ -*-(!-COS од

(8.115)

Подставляя значение ор из (8.110) в (8.115), после несложных преобразований получаем

°ргак= -os[l --^ + (l + HCtgaK)(l--^-) (3-2cosaK)].

(8.116)

Так как при обжиме радиусы гх и Rb незначительно отлича­ются по величине один от другого, то без большого ущерба для точности формулу (8.116) можно записать в несколько ином виде

apmax = - °s (1 + И ctgaj ( 1 — (3 - 2cos а,). (8.1 17)

Формула (8.117) позволяет определить величину напряже­ния ортах, действующего в стенках заготовки при обжиме в ко­нической матрице.

Заметим, что этой формулой нельзя пользоваться для опреде­ления величины аршах при обжиме в конической матрице, когда обжатая часть заготовки выходит в цилиндрическое отверстие матрицы, так как в этом случае появится новый участок очага деформации (на скругленной кромке матрицы), на границах кото­рого элементы заготовки будут получать изгиб и спрямление [70].

Проведенный анализ обжима в конической матрице и в матрице с криволинейной образующей был выполнен без учета влияния упрочнения и изменения толщины заготовки в процессе деформи­рования на величину артах. Учтем, хотя бы приближенно, влия­ние упрочнения на величину аршах при обжиме в конической матрице, принимая, что напряжение текучести as связано с отно­сительным сужением при испытании на растяжение линейной зависимостью, и учитывая, что при обжиме тангенциальная де­формация ее = ^3 р эквивалентна относительному сужению.

A3

Из формулы (1.13) получаем уравнение для определения вели­чины os:

а, .-о10 + я(1--^-). (8.118)

1.4 l.il'i 393

Заменяя в дифференциальном уравнении для конического участка очага деформации напряжение текучести as его значе­нием из уравнения (8.118), получаем

р-|г + °р + (°*° +77 ~77 ж) V + •*= 0:

это уравнение можно записать в несколько ином виде: *тР ар , Т, + Я-Л-|-)(1 + ^е«к) dp Р Р

Уравнение является линейным дифференциальным уравне­нием первого порядка, решение которого можно написать в виде

°р = -7Г - Ко + Щ (1 -f р ctgод + Я (1 -f pctgaK) р

Произвольную постоянную интегрирования находим из гра­ничного условия, согласно которому при р = г0; ор = О

г2

с = г0 10 + Я) (1 + р ctg од - я (1 + р ctg од -г^-.

Подставляя значение С после преобразований, получаем

Op = -[oT0 + /7(l-^.)](l + [ictgaK)(l--a.). (8.119)

Подставляя в формулу (8.119) значение р = R3 и учитывая влияние изгиба на входе в матрицу множителем (3—2 cos оск) аналогично тому, как это сделано в формуле (8.117), получаем значение оршах, действующего в стенках обжимаемой заготовки с учетом влияния упрочнения:

Оршах = — [Чо + ^-)](l + |*ctgaj X

X (l — -^)(3-2cosaK). (8.120)

Легко убедиться, что множитель j^oT0 + ^ 1 j явля- ется по существу средним арифметическим максимального и ми- нимального значений напряжения текучести в очаге деформа- ции. Действительно, минимальное значение напряжения теку- чести os min = 0тО ^при ее = ^3 ~ ^3 = 0^ и максимальное зна-

чение напряжения текучести os шах = от0 -(- Я 3 ^ 0 (на кромке

обжимаемой заготовки при р == /"0). Среднее арифметическое этих двух значений

_ °"s min Q"s шах . /7 /1 ro \

us Ср — 2 0тО -Y 2 \ 1 R3 ) '

Таким образом, влияние упрочнения на величину аршах, действующего в стенках обжимаемой заготовки, приближенно можно учесть заменой в установленных ранее формулах напря­жения текучести as средним для очага деформации напряжением текучести, определяемым в предположении справедливости ли­нейной зависимости напряжения текучести от относительного сужения.

Рассмотрим теперь, каким образом можно учесть влияние изменения толщины заготовки в процессе деформирования на величину напряжения артах, действующего в стенках обжимае­мой заготовки. Рассмотрим прежде всего характер изменения толщины заготовки при обжиме. Соотношение между скоростями деформации в любой точке очага деформации в данный момент деформирования можно установить по известным значениям напряжений. Уравнение связи напряжений и скоростей дефор­маций для плоского напряженного состояния (он == 0) в приня­тых обозначениях можно написать

gp — ffe _ ер — е9 0е ёв — е„

Выражая скорость деформации вр = / (ее, е„) по условию постоянства объема ер = —ее — е„ и подставляя это значение ер в полученное уравнение, после преобразований находим

0е е„-ё8

Для конической части очага деформации напряжения ор в функции координаты р (без учета упрочнения) выражаются формулой (8.109); ае = —оь (по условию пластичности). Под­ставляя значения ае и ар в уравнение связи, после преобразова­ний получаем

l + (l+HctgaK)(l--^-) .

е„= )е. (8.121)

2-(l+nctgaK)(i--^j

Из формулы (8.121) видно, что скорости деформации е„ и е0 имеют обратные знаки, а так как скорость деформации ее отрицательна, то скорость деформации еп положительна. Другими словами, при обжиме толщина заготовки в любой точке очага деформации увеличивается.

Если принять в первом приближении, что соотношение между величинами напряжений ар и ае для любого элемента заготовки остается постоянным на протяжении всего процесса деформи­рования, то формулу (8.121) при замене скоростей деформации на деформации можно использовать для определения конечной

395

толщины стенки в обжатой части очага деформации. Так как при обжиме деформации значительны, то более правильные значения будет давать формула (8.121), если в ней использовать не отно­сительные деформации, а логарифмические

б„

In — и бя = In ■—.

sii а R3

Выполняя эти замены, получаем

l + (I+HcigaK) (l- -£-)

, 2-(l+nctgaK)(l~

-)

(8.122)

Эта формула позволяет определить значение конечной тол­щины в любой точке обжатой части заготовки, отстоящей на рас­стоянии р от оси симметрии.

Конечное значение толщины стенки по краю обжатой части заготовки (при р = г0) определяется более простой формулой

(8.123)

Конечная толщина стенки в обжатой части заготовки имеет наибольшее значение вблизи края заготовки и убывает по мере увеличения радиуса р, достигая минимального значения (s = sH)

при р = R3

На рис. 8.20 приведе­ны графики изменения тол­щины s вдоль образующей конической, обжатой части заготовки, полученные ра­счетом по формуле (8.122) и в опытах. Сопоставле­ние графиков показывает, что формула (8.122) пра­вильно отражает характер изменения толщины заго­товки при обжиме и дает вполне удовлетворитель­ную точность расчетных значений. Некоторая раз­ница между эксперимен­тальными и расчетными графиками, очевидно, объ­ясняется тем, что расчет­ное значение толщины определялось без учета 23 р,мм ВЛИЯНИя упрочнения и из­гиба, которые способст-

И 39 Рис. 8.20

396

г, мм

3,8

3,7

3,5

ЗА

3,3

з,г

3,1

^0,67

Обжим ак= const=15°

>

Г""

о

п

Г °У

/ >

/

о—о171' о

1=0,77

т0& =

0,82

' s

У о

Ра

f /

/

У//

3,8

33

31

37 35

вуют более интенсивному изменению толщины стенок заготовки при деформировании.

Приведенные графики показывают также, что без большой погрешности можно принять, что конечная толщина в обжатой части заготовки находится в линейной зависимости от радиуса р.

Выражение s f (р) и изменения толщины ds в этом случае можно записать

s = sH (Лр -f Л о); ds = sHAdp. (8.124)

Дифференциальное уравнение равновесия (8.7) для обжима в конической матрице с учетом изменения толщины заготовки в очаге деформации после использования условия пластичности имеет вид

Р^Г + °р(1 +-Ј|-) + Ml + HctgaK) = 0. (8.125)

Подставляя значения s и ds из (8.124) в (8.125), после неслож­ных преобразований находим

^ + <.Д^+^л) + «.^=-0. ,8.126,

Решение этого дифференциального уравнения первого порядка с использованием граничного условия при р = г0, ор = 0 при­водит к формуле

оР = - ± (1 + Р ctg од [ 1 + _ JJL ] . (8Л27)

Наибольшее значение ор артах получает при р = R3 на переходе от очага деформации к недеформируемой части заготовки (без учета влияния изгиба):

Os /1 I i \ /1 , А га Агв 0 \

op т„ = - - (I + р ctgaK) (l + ARs + Ao - -fi ARa + Au ) •

(8.128)

Используя формулы (8.122) и (8.123) для отыскания значе­ния s на границах очага деформации, находим, что при р = R3

s = sH и AR3 + А о = I, а при р = r0 s = sH ]/ -у3- и Ага +

+ л0 = ]/Ж.

Подставляя приведенные соотношения в формулу (8.128), а также определяя из них значения Л и Л0, после некоторых преобразований находим

opmax^-^(l + pctgaK)(l-]/^:+|/^-^).

(8.129) 397

Эта же формула может быть представлена в несколько ином виде:

apmax = --^(l + u.ctgaK) (l -Ь УЧг)" (8Л2-9-а)

Из формулы (8.129а) можно заметить, что множитель ~ + "^"Т2") по существу является отношением средней

для очага деформации толщины заготовки scp == -i- -f- su .

к ее исходной толщине sH.

Таким образом, влияние изменения толщины заготовки в про­цессе деформирования при обжиме на величину напряжения ортах> действующего в стенках обжимаемой заготовки, можно приближенно учесть введением в расчетные формулы, получен-

ные без учета изменения толщины, множителя -?jr(l + ]/ -7^*)'

Учет влияния упрочнения и изменения толщины заготовки в про­цессе обжима на величину артах позволяет установить расчет­ные формулы, отражающие влияние всех основных факторов.

Например, для обжима в конической матрице без образова- ния цилиндрического участка меньшего диаметра (см. рис. 8.19) такую расчетную формулу можно получить на основе формулы (8.120):

<w=- 4[>т0+4 (1 - + x

X (1 +fxctgaK) (l — -j^ ) (3 - 2 cos ocK). (8,130)

Формула (8.130) позволяет определить величину оршах е Уче_ том влияния трения, изгиба, упрочнения и увеличения толщины заготовки в процессе деформирования. Анализируя формулу (8.130), можно заметить, что напряжение ортах увеличивается

g уменьшением отношения —-, а также е увеличением коэффи­циента трения, экстраполированного предела текучести ат0 и модуля упрочнения 77, а кроме того, зависит от угла конусности матрицы. Зависимость opaax = f(aK) имеет сложный характер. Действительно, с увеличением угла конусности матрицы ах множитель, учитывающий влияние трения (1 + ц cxg au), умень­шается, в то время как множитель, учитывающий влияние изгиба (3 — 2 cos aK), увеличивается.

На рис. 8.21 показаны типовые графики зависимости Робж = = / (ак) для обжима в конической матрице \ Из графиков видно, что существуют оптимальные значения углов конусности матрицы,

при которых при прочих равных условиях (^jr-; I3! стю и ^)

кгс

гиоо

2000

напряжение o"p ma,i имеет ми­нимальную величину. Из тех же графиков можно заметить, что значение оптимального угла конусности матрицы увеличивается с увеличением коэффициента трения.

1600

1200

600

Рис. 8.21

Аналогичным образом вве­дением соответствующих мно­жителей в полученные ранее расчетные формулы можно .учесть влияние упрочнения и увеличения толщины за­готовки в процессе деформи­рования при обжиме в мат­рице с криволинейной обра­зующей.

Рассмотрим еще некоторые задачи, связанные с анализом операции обжима. Интересное решение может быть получено при допущении о том, что изменение толщины при обжиме может быть принято аналогичным изменению толщины в случае линей- ной схемы сжатия (допущение, приемлемое при обжиме с малыми обжатиями или для краевой части очага деформации, в котором напряжения ор сравнительно невелики).

В этом случае из формулы (8.122) следует, что s = sH|/r-^3-,

Vr

a ds

dp. Подставим найденные значения s и ds

Vp

в уравнение (8.125), которое при этом преобразуется к виду

dp

+ -у- ор + о, (1 + р ctgaK) = 0.

Интегрирование этого уравнения с использованием гранич­ного условия при р = г0, ор = 0 приводит к формуле

Сопоставление полученной формулы с формулой (8.109) пока­зывает, что изменение толщины заготовки при обжиме способ­ствует увеличению абсолютных значений меридионального сжи­мающего напряжения.

В действительности увеличение толщины заготовки при обжиме происходит более интенсивно, чем при допущении о равенстве меридиональной деформации и деформации изменения толщины (линейная схема), особенно в участках очага, где ор сравнительно велико.