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

На контуре за счет значительного перераспределения полос и разгрузки отдельных участков от напряжений произошли измене­ ния в распределении мест концентрации и уровне действующих на­ пряжений. Наблюдается некоторое снижение напряжений по пло­ щади средних выступов. Напряжения концентрируются в углах вы­ точек. Углы выточек, близкие к оси штампа, нагружены практиче­ ски симметрично и в них наблюдается максимальная величина на­ пряжений по контуру (наибольший порядок полосы 11). Крайние выточки нагружены несимметрично, максимальная концентрация напряжений наблюдается в их наружных углах, где наибольший порядок полосы 9,5. Значительно вырос уровень напряжений, дей­ ствующих на боковых впадинах центрального выступа. В резуль­ тате незначительного перекоса при установке в приспособлении картина изохром несколько несимметрична.

Таким образом, в конечной стадии деформирования значитель­ но возрастает неравномерность распределения напряжений как вглубь так и вдоль контура модели. При этом отмечается возникно­ вение опасной концентрации напряжений в углах выточек, а также на боковых впадинах центрального выступа. Наблюдаемое в сред­ нем сечении штампа изменение напряжений несущественно.

На рис. 10.44 представлены эпюры контурных напряжений, вы­ раженных в безразмерном виде в долях ам /<7м для начального, про­ межуточного и конечного моментов заполнения ручья. Видно, что в начальной стадии деформирования величина и знак напряжений резко меняются при перемещении вдоль контура модели. Несмотря на ограниченную область действия приложенной гидростатической нагрузки, напряжения отсутствуют только на среднем выступе. На выпуклых участках контура отмечаются сжимающие, а на вогну­ тых — растягивающие напряжения. Растягивающие напряжения уже в начальный момент превосходят сжимающие по абсолютной величине.

На второй стадии заполнения (рис. 10.44, б) величины и харак­ тер распределения напряжений несколько меняются. Отсутствуют свободные от напряжений участки гравюры. Увеличились уровень и зоны действия растягивающих напряжений, причем на отдельных участках контура, близлежащих к углам выточек, произошла смѳна знака. Средний выступ подвергается действию напряжений сжатия.

В конечной стадии заполнения (рис. 10.44, в) значительно воз­ росла степень концентрации напряжений. Растягивающие напря­ жения, действующие в выточках штампа, увеличиваются в среднем в 3,5—4,5 раза [от величины (1,6—2,0) qM, соответствующей началь­ ному моменту загрузки, до величины (6,6—7,8) <7М в конечной ста­ дии]. При этом сжимающие напряжения, действующие на поверх­ ности центрального выступа штампа, несколько уменьшились, а на среднем выступе — увеличились от 0 до 2,2 qu-

Если в сжатых зонах штампа для всех стадий нагружения на­ пряжения изменяются незначительно, то растягивающие напряже­ ния заметно увеличиваются и их экстремальные значения теперь

518

приходятся на углы выточек; отмечается также расширение зоны действия растягивающих напряжений.

На рис. 10.45 приведены кривые изменения напряжений в ха­ рактерных точках гравюры в процессе деформирования. Видно, что зависимость величины напряжений от относительного перемещения

Рис. 10.44. Эпюры контурных напряжений, соответствующие различным ста­ диям заполнения ручья:

а — начальная; б — промежуточная; в — конечная стадия

штампа h/H первоначально имеет линейный характер, но к концу рабочего хода наблюдается резкое увеличение напряжений (Я — общий ход верхнего штампа в процессе заполнения гравюры ме­ таллом; h — величина хода с момента контакта с заготовкой до рассматриваемого промежутка времени).

Таким образом, в процессе деформирования по мере заполне­ ния гравюры штампа происходит перераспределение напряжений, сопровождаемое возрастанием величины и зоны действия растяги­ вающих напряжений, а концентрация напряжений достигает значи­ тельной величины. Резкое увеличение абсолютных значений и зоны

519

действия растягивающих напряжений в конечной стадии штампов­ ки повышает опасность образования трещин, так как сопротивле­ ние усталости металла уменьшается по мере увеличения объема материала, находящегося в зоне действия высоких напряжений [332].

значения давления деформируемого металла на различных стадиях деформиро­

деформирования на данной стадии штамповки, выраженное в долях от макси­

делив соответствующие значения величин çH /> получим для растягивающих на­ пряжений, действующих в начальной, промежуточной и конечной стадии дефор­ мирования в наружном угле выточки, близлежащей к оси штампа, соответственно величины 60—65 (6—6,5); 90—120 (9—12) и 800—1000 Мн/м? (80—100 кГ/см*) (рис. 10.46).

Из анализа напряженного состояния штампа при различных стадиях заполнения гравюры следует, что с точки зрения возмож­ ного образования трещин механической усталости наиболее опас­ ной является конечная стадия деформирования, характеризуемая высоким уровнем и неравномерностью распределения напряжений во всем объеме штампа; на механические напряжения накладыва­ ются температурные напряжения противоположного знака, также возрастающие в процессе деформирования. Однако величина пос­ ледних в углах ручья, где отмечается высокая концентрация напря­ жений от внешних нагрузок, невелика. Они мало влияют на уро­ вень действующих в этих местах напряжений, которые имеют один порядок с пределом текучести инструмента.

Фактически давление металла на стенки ручья распределяется неравномерно, так как возможны некоторые отклонения от техно­ логического режима в процессе штамповки. Поэтому напряжения в конечной стадии заполнения гравюры могут превысить указан-

520

ные значения и вызвать образование трещин в местах концентра­ ции. Обычно трещины появляются в наружных углах кольцевой вы­ точки по периферии, что, по-видимому, объясняется действием зна­ копеременных нагрузок в этих местах и повышенным давлением в результате значительных потерь нижних объемов металла заго­ товки.

штампов) одним из ведущих требований к штамповой стали яв­ ляется малая чувствительность к концентрации напряжений. При этом следует учитывать, что на чувствительность к концентрации напряжений заметно влияют условия эксплуатации инструмента.

Значительный интерес представляет изучение закономерностей распределения напряжений по рабочей поверхности штампа с уче­ том сил контактного трения. Располагая значениями нормальных и касательных напряжений в каждой точке контактной поверхности в процессе относительного скольжения металла по гравюре штампа, можно не только получить сведения о силовом режиме деформиро­ вания, но и судить с определенной полнотой о характере течения металла при формоизменении.

Авторами проведено подобное исследование нормальных и ка­ сательных напряжений, действующих на вертикальной стенке за­ крытого штампа, в зависимости от степени заполнения его углов. При этом использовали поляризационно-оптический метод исследо­ вания напряжений.

521

Д ля моделирования процесса штамповки стали в горячем сос­ тоянии, при котором происходит полное разупрочнение деформи­ руемого металла, использовали свинцовые образцы (плоские и ци­ линдрические), обработанные до заданных размеров резанием из

щего устройства, устройства для снятия противодавления и других узлов. В качестве упругого элемента противодавящего устройства использовался пакет тарельчатых пружин. Снятие (сброс) противо­ давления осуществляли путем вращения винта, приводящего к опусканию клина-опоры пакета тарельчатых пружин.

Экспериментальное устройство для нагружения образцов уста­ навливали в испытательной машине (конструкция Ц Н И И Т М А Ш а ) , развивающей усилие до 120 кн (12 000 кГ). Силоизмерительный механизм испытательной машины регистрировал усилие по шкале с ценою деления, равной 30 кГ. Скорость деформации образцов бы­ ла постоянной и равной 2 мм/мин. Низкая скорость и небольшой путь пуансона при нагружении позволяют уменьшить влияние де­ формационного и температурно-скоростного упрочнений материа­ ла образцов и считать, что изменение механических свойств по объему образца не происходит.

Набор сменных деталей (пуансонов, матриц, вкладышей) при наличии противодавящего устройства позволил осуществить моде-

522

лирование тех стадий безоблойной штамповки в закрытом штампе, которые предшествуют концу процесса деформирования. На рис. 10.47 представлены схемы формоизменения образцов в плос­

ния симметрии применяли две одинаковые по размерам и оптиче­ ским и механическим свойствам пластины из оптически активного материала*. Цена изохроматической полосы оптически активного материала была определена известным методом по формуле

относительно деформируемого образца путем поджатия их регули­

ния поляризованного света соответствовала фактическому размеру щели при собранном (рабочем) состоянии инструмента (толщина оптического датчика была доведена до соответствующей величины путем шлифования наждачной бумагой и последующей полировки).

Оптические датчики не имели начального двойного лучепрелом­ ления, поскольку были подвержены предварительному отжигу, а их плоскости были строго параллельны. Рабочая плоскость оптических датчиков, т. е. ребро, находящееся в контакте с деформируемым образцом, была обработана до того же класса чистоты ( V 6—7), что и внутренняя поверхность круглого контейнера, торцовые по­ верхности матриц и пуансонов. Необходимость в указанной обра­ ботке диктовалась тем обстоятельством, что рабочая плоскость оп­ тического датчика являлась как бы частью внутренней поверхности контейнера. Кроме того, при одинаковой чистоте инструмента и оп­ тического датчика фрикционные свойства поверхностей, контакти­ рующих с деформируемым металлом, выравниваются.

На рабочую поверхность оптического датчика смазка не наноси­ лась, что позволяло приблизить условия деформирования модели

* Применяли отвержденную метилтетрагидрофталевым ангидридом эпоксид­ ную смолу.

'523

(свинца) к реальным условиям деформирования натуры (стали) и исключить влияние скорости нагружения и масштабного фактора на силовые условия на контакте. Плоскости вкла­ дышей, образующие вер­ тикальные стенки плоско­ го контейнера, были от­ полированы, что при их смазывании позволяло создать условия двухмер­

ного течения металла.

примыкающей к рабочей плоскости оптического датчика, инстру­ ментом. В заданный момент нагружение образца прекращали, фик­ сировали усилие нагружения и фотографировали с оранжевым све­ тофильтром (на пленку с кадром 24X36 мм) семейство изохрома­ тических линий в плоскополяризованном монохроматическом свете при двойной экспозиции и двух положениях плоскости поляризации для исключения изоклинических линий. При этом отпадала необхо­ димость в пластинках «четверть волны», применяемых в случае соз­ дания круговой поляризации, и, следовательно, увеличивалась ин­ тенсивность поляризованного света.

Изоклины фотографировали без светофильтра в белом плоскополяризованном свете при синхронном вращении поляризаторов че­ рез каждые 9° (а = 0°, а = 9 ° , а = 81° — параметры изоклины). Та­ ким образом, система изохром (одна картина) и изоклин (10 кар­ тин), отображающая плосконапряженное состояние нагруженного в эксперименте оптического датчика, дает все необходимые данные для определения нормальных и касательных напряжений на по­ верхности испытуемого образца.

524*

давления на вертикальную стенку штампа после прекращения на­ гружения образца можно косвенно объяснить установленным в работе [322] фактом независимости характера пластического тече­ ния металла от перерыва процесса формоизменения.

При больших деформациях оптического датчика, когда реактив­ ное усилие, приходящееся на единицу площади, много больше пре­ дела текучести материала образца, может произойти пластическая деформация образца в результате упругой разгрузки оптического датчика. В этом случае будет наблюдаться изменение картин изохром и изоклин.

В частности, в работе [322] показано, что при разгрузке образца пластическая деформация в приконтактных к вертикальной стенке инструмента слоях металла может происходить в обратном направ­ лении, т. е. в направлении упругой разгрузки инструмента. При этом разность между величинами давления при нагрузке и разгруз­ ке вертикальной стенки будет приблизительно равна 2as (as — пре­ дел текучести). Очевидно, неизменность порядка полос и положе­ ния изоклин при разгрузке образца не будет иметь места, если оптический датчик будет выполнять роль давящего, т. е. принуди­

В качестве исходных данных при интегрировании принимали нормальные напряжения в тех точках свободного (ненагруженного) контура оптического датчика, в которых не сказывались мест­ ные возмущения. Для проведения графического интегрирования на совмещенных и увеличенных (применялся 10-кратный и 20-кратный

526