книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

Т а б л и ц а 10.10

Максимальные температуры нагрева штампов, установленные при применении различных методов исследования

Средняя температура штампов при эксплуатации

не успевает произойти перераспределение напряжений за счет плас­ тической деформации. В связи с этим одной из мер повышения стойкости этих штампов является рациональное конструирование и обоснованный выбор штамповой стали на основе анализа напря­ женного состояния инструмента при штамповке.

Исследованию напряженного состояния инструмента посвящен ряд работ, в которых рассмотрены распределение нормальных на­ пряжений на торце пуансона и по поверхности матрицы или контей­ нера, зависимость условий штамповки от степени заполнения ручья штампа деформируемым металлом, влияние сил трения на величину усилия деформирования, характер распределения нор­ мальных и касательных напряжений по вертикальной стенке штам­ па при различных стадиях заполнения углов полости и др. [322, 323 и др.].

Для изучения напряженного состояния применяли методы фоль­ говых или штифтовых датчиков, искусственных дефектов, вставных штифтов или винтов, поляризационно-оптический метод и др. Об­ ласть применения, преимущества и недостатки этих методов под­ робно освещены в работах [138, 324—326 и др.].

508

Поляризационно-оптический метод исключает погрешности при измерении давления, имеющие место при использовании других ме­ тодов. Так, метод замера контактных напряжений при помощи штифтовых датчиков, основанный или на преобразовании упругой деформации упругих элементов (штифт, кольцо, стакан, концентри­ ческая втулка) в электрическое сопротивление проволочных датчи­ ков, или на получении отпечатка в пластичной плите под действием

мента. В противном случае, например, при утапливании торца на некоторую величину h (рис. 10.38, а, б) под воздействием деформи­ руемого металла, показание датчика является, как правило, зани­ женным. Перемещение металла при деформировании вдоль поверх­ ности стенки штампа также вносит в показания датчика некоторую погрешность. Кроме того, на чувствительность устройства влияет диаметр штифта.

При методе фольговых датчиков, основанном на измерении вы­ соты отпечатков на фольге, перекрывающей гнезда (калиброван­ ные измерительные отверстия) в штамповом инструменте, переме­ щение частиц металла по поверхности стенки штампа не может не повлиять на точность замера напряжения. Существенным недостат­ ком метода фольговых датчиков является неидентичность условий при образовании отпечатка на фольге в процессе тарировки и экс­ перимента (рис. 10.38, в, г). Тарировка фольговых датчиков осу­ ществляется путем наложения гидростатического давления в замк­ нутой полости. В этих условиях величина давления в каждой точке поверхности фольги (в том числе и в местах отпечатков) будет

509

равна гидростатическому давлению. Напротив, образование отпе­ чатка на фольге под действием затекающего в гнездо пластичного металла происходит при более сложном силовом режиме, чем в слу­ чае тарировки гидростатическим давлением. Действительно, при приложении гидростатического давления к поверхности фольги дав­ ления в любой точке над устьем и в окрестности гнезда будут оди­ наковыми, а силы трения возникнут только на контакте фольги со стенкой штампа вблизи устья гнезда. Наоборот, при проведении эксперимента распределение давления на поверхности, совпадаю­ щей со стенкой штампового инструмента, нельзя считать равно­ мерным. На рис. 10.38, в, г представлены схематические эпюры давления на рассматриваемых участках. Силы трения, возникаю­ щие на контакте фольги с деформируемым металлом, также не спо­ собствуют сохранению идентичности условий проведения экспери­ мента и тарировки.

правление), которые возникают в оптическом датчике при его на - гружении, позволяет определять напряжения в любой точке оптического датчика. В связи с этим безбазовость поляризационнооптического метода выгодно отличает его от других известных мето­ дов исследования напряжений. Для использования этого преиму­ щества необходимо учесть требования, обусловленные конечным размером оптического датчика в направлении прохождения поля­ ризованного света. Как показывает анализ, эти требования будут удовлетворены при условии, если на контакте деформируемого ме­ талла с оптическим датчиком изменение напряжений в направле­ нии прохождения поляризованного света не имеет места. Это усло­ вие легко выполняется при двухмерной и осесимметричной схеме течения металла, если положение оптического датчика в штамповом инструменте задано надлежащим образом.

При двухмерной схеме течения металла оптический датчик мо­ жет выполнять и роль штампового инструмента, в связи с чем отпа­ дает необходимость устранять или учитывать те погрешности в за ­ мере напряжений, которые вызываются его упругой деформацией. При объемной схеме течения металла имеется принципиальная воз­ можность избежать этих погрешностей, однако выполнить прочный штамповый инструмент, в котором упругая деформация оптическо­ го датчика не сказывалась бы на точности измерения, конструктив­ но трудно. В эксперименте же, поставленном при осесимметричной схеме течения металла и моделирующем процесс штамповки круг­ лых поковок, можно замерить напряжения при минимальных по­ грешностях.

510

Наконец, так как тарировка при поляризационно-оптическом •методе сводится к определению цены изохроматической полосы ма­ териала оптического датчика (например, при нагружении диска сосредоточенной силой в направлении диаметра или при чистом из­ гибе тарировочной балочки), исключается необходимость в сохра­ нении идентичности условий при тарировке и в процессе нагруже­ ния при эксперименте.

В настоящее время широко используют поляризационно-оптиче- ский метод при исследовании различных процессов обработки ме­ таллов давлением: осадки [326], штамповки [322], ковки [327], про­ катки [139, 141, 328] и др. В начальной стадии своего развития метод фотоупругости позволял проводить исследования лишь качественного характера, но в настоящее время в результате усо­ вершенствования техники эксперимента он является одним из на­ дежных способов количественного исследования распределения на­ пряжений. Современный уровень развития метода позволяет вы­ полнить полное исследование напряженного состояния модели при заданных граничных условиях, получать неискаженную картину на­ пряжений на контуре и уровень концентрации напряжений при не­ больших затратах средств и времени [138].

Как уже указывалось, метод основан на явлении двойного луче­ преломления, наблюдаемого в некоторых прозрачных изотропных материалах (стекло, целлулоид, бакелит и др.) под воздействием нагрузки. Основной закон фотоупругости, характеризующий зависи­ мость между главными нормальными напряжениями и оптической разностью хода, возникающей в модели при просвечивании плоскополяризованным светом, определяется следующим выражением:

•основные положения, преимущества и недостатки подробно осве­ щены в литературе [138, 139, 142, 329, 330).

При моделировании напряженного состояния необходимо разра­ ботать метод воспроизведения в модели нагрузок, подобных дей­ ствующим в реальных условиях, т. е. решить вопрос о нагружении с соблюдением основных требований теории моделирования, предъ­ являемых к моделям штампа и заготовок. Одним из условий моде­ лирования является выбор соответствующих материалов инстру­ мента и заготовки с определенным соотношением механических свойств, характерным для натурных условий [331]. Использование метода «замораживания» деформаций позволяет исключить из рас­ смотрения вопрос о соответствии соотношения модулей упругости материалов при моделировании и в натурных условиях.

511

Напряженное состояние инструмента при штамповке опреде­ ляется циклическим воздействием температурно-силовых нагрузок, изменяющихся в процессе деформирования по сложному закону,,

личных стадиях заполнения ручья деформируемым металлом с уче­ том только механических нагрузок. Сведения по этому вопросу, в значительной мере определяющему стойкость штампов, до настоя­

трещин механической усталости вызывается концентрацией радиаль­ ных и меридиональных напряжений, в то время как другие напря­ жения распределяются равномерно и не опасны по величине. Поэ ­ тому необходимые данные о напряженном состоянии осесимметричного штампа могут быть получены с некоторым приближением в сторону завышения величин действующих напряжений (приблизи­ тельно на 20—25%) при испытаниях плоских моделей.

Так как работоспособность штампа определяется состоянием по­ верхностного слоя, то особый интерес представляют характер рас­ пределения и величина напряжений, возникающих при штамповке в приконтактной зоне инструмента.

В качестве типового был рассмотрен процесс штамповки шестер­ ни. Полный цикл деформирования был разделен на три этапа:

начальная стадия заполнения ручья, когда предварительно оса­ женная заготовка при рабочем ходе пресса или молота контакти­ рует с инструментом по периферии ручья и поверхности централь­ ного выступа, производящего наметку под прошивку;

стадия, при которой ручей частично заполнен металлом; конечная стадия, соответствующая полному заполнению ручья

штампа.

На трех указанных стадиях моделировали процесс штамповки шестерни и исследовали характер распределения контактных на­ пряжений по гравюре штампа. Исследование выполняли на плос­ ких моделях, представляющих диаметральное сечение осесимметричного штампа. Задачу исследовали в статической постановке.

Модели штампа изготовляли из оптически активного материала на основе эпоксидной смолы марки ЭД-6, отвержденного с помощью метилтетрагидрофталевого ангидрида. Этот материал широка при­ меняют при статических исследованиях методом фотоупругости, так как для него характерны достаточно высокая оптическая чувстви­ тельность, механическая и оптическая изотропность, линейная за­ висимость между напряжением и порядковым номером полосы ин-

512

Процесс штамповки характеризуется плотным контактом де­ формируемого металла с инструментом по участку рабочей поверх­ ности гравюры, площадь которого увеличивается в ходе деформи­ рования. При моделировании необходимо выполнить сопряжение модели штампа с противотелом, моделирующим заготовку, по всей поверхности кон-такта, так как наличие контакта в отдельных точ­ ках искажает картину напряженного состояния и не обеспечивает идентичности условий при воспроизведении эксперимента. В про-

цессе исследования установлено, что механическим путем не удает­ ся изготовить противотело, полностью соответствующее профилю модели штампа.

Был испытан метод отливки профиля модели из различных лег­ коплавких материалов, однако вследствие разницы в коэффициен­ тах теплового расширения при остывании отливки возникали за­ зоры между моделью и противотелом. Изготовление противотела составным из отдельных секций путем разрезки отливок не обеспе­ чивало симметричного нагружения модели. Поэтому при модели­ ровании был принят способ нагружения гидростатическим давлени­ ем жидкости, подаваемой насосом внутрь тонкостенной манжеты из высокоэластичного материала на основе ревультекса. За счет ма­ лой жесткости материала и строгого соответствия формы манжеты испытуемой модели обеспечивали передачу давления масла на контур модели, равного давлению в гидросети, определяемому по манометру. Давление масла выбиралось из расчета получения в мо­ дели достаточно высокого порядка полосы при условии, что вели­ чина действующих в модели напряжений не превышает предела пропорциональности материала.

Манжеты получали осаждением тонкого слоя жидкого ревуль­ текса на восковой отливке профиля модели с последующим ее от-

514

ки. Картина полос одного из тарировочных образцов представлена на рис. 10.42.

Приведенные на рис. 10.43 картины полос (ai—02 = const) позво­ ляют оценить работу штампа на всех рассмотренных этапах дефор­

полос на контуре не превышает 2,2, а в центральной зоне модели — 1,4. В среднем сечении модели наблюдается постепенное увеличе­ ние напряжений от периферии к центру. Картина изохром симмет­ рична относительно вертикальной оси модели.

По мере дальнейшего заполнения гравюры (рис. 10.43, б, в) воз­ растают порядки полос, что свидетельствует о росте величины дей­ ствующих напряжений при примерно том же характере их распре­ деления.

дии характерно заметное увеличение порядка полос во всех зонах модели. На поверхности средних выступов, где первоначально на­ пряжения отсутствовали, теперь наблюдается значительная кон­ центрация полос. Максимальные контурные напряжения действуют в средних точках выточек с некоторым смещением экстремальных значений в сторону от средней линии штампа. Максимальный поря­ док полосы 3,5 приходится на контур ближайшей к оси выточки. Порядок полосы в средней точке модели равен 3; к периферии штампа постепенно понижается до 0. Картина полос характеризует­ ся высокой симметрией относительно оси штампа.

Конечная стадия деформирования (см. рис. 10.43, в), соответ­ ствующая полному заполнению гравюры, характеризуется еще бо­ лее резким изменением величины действующих напряжений. Кар­ тине изохром в этой стадии заполнения свойственна высокая насы­ щенность полос в приконтактной зоне, сопровождаемая заметно увеличенной неравномерностью распределения напряжений вдоль контура, при относительно низком уровне напряжений, действую­ щих в средней части штампа. По сравнению с промежуточной стадией заполнения величина и характер распределения напряже­ ний в среднем сечении не претерпели существенных изменений. Максимальный порядок полосы в центре несколько выше 3.

517