|
|
|
|
|
|
|
|
сти. Во-первых, на эпюрах |
касательных |
напряжений |
обнаружи |
ваются |
два |
участка с |
противонаправленными |
векторами тк . Оба |
участка |
имеют общую |
точку |
х = х0, в которой |
касательное напря |
жение |
равно |
нулю. Из |
анализа эпюр т к |
следует, что |
положение |
-0,8-0,8-0,1-0,2 0 |
0,2 OA 0,6 0,8 |
7,2 |
-0,8 -0,4- О OA 0,8 1,0 |
|
^н,Мн/м^/0-'(кГ/ммг) |
Ік,Мн/мг-10'' |
(кГ/ммг) |
|
I
-1,6 -1,2 -0,8 -OA 0 |
0,k 0,8 1,0 |
1,2-0,8 -OA О OA |
0,8 1,0 |
%к, Мн/м*-10'* |
(кГ/ммг) |
%к, Mи/мг-10'' |
{кГ/мм2) |
m |
|
TS |
а |
,пн-пи |
П (ПЛИТ ~°'в |
О О.Ц. 0,8 -0,8 -0,1 0 |
0,4 0,8 |
Рис. 10.50. Эпюры контактных напряжений (номера образцов соответствуют номерам, указанным в табл. 10.13)
общей точки, или, что равносильно, относительная протяженность участков, зависит от конечных размеров образца (высоты, наличия фасок и их размера). В частности, отмечается уменьшение протя женности верхнего, т. е. примыкающего к пуансону, участка по мере заполнения верхних углов полости (это соответствует умень шению конечных размеров фасок). Однако оба участка сохраняют ся даже в случае отсутствия на образце только верхних или только нижних фасок. Этот факт обусловлен образованием торцового зау сенца между пуансоном и рабочей плоскостью оптического датчика.
|
|
|
|
|
|
|
Д а ж е в случае нагружения |
образца без фасок в замкнутой |
полости |
на эпюре т к наблюдается |
также |
два участка с |
противонаправлен |
ными векторами касательного напряжения |
(см. рис. 10.52). |
|
|
Величина |
и характер |
распределе |
|
ния |
касательных |
напряжений |
могут |
|
быть |
использованы |
не только |
при за |
|
дании граничных |
условий, |
но и при |
|
рассмотрении многих вопросов, связан |
|
ных с кинематическим состоянием при |
|
штамповке в закрытом штампе. Напри- |
|
-0,4 |
0 |
0,4 |
0,6 |
•-0,4 |
|
0 |
OA |
|
|
|
Г„, |
|
Мн/м'^кГ/мм1) |
|
|
|
Гк, Мн/мгЮ-'(кГ/ммг) |
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 10.51. Эпюра контакт |
Рис. 10.52. Эпюра контактных напряжений при |
ных напряжений при дефор |
деформировании |
образца без фасок (в замкну |
мировании |
высокого |
образ |
|
|
той |
полости) |
|
|
|
|
ца |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Размеры |
образцов и условия |
нагружения |
Т а б л и ц а |
10.13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатели |
|
|
|
|
|
Величина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фасок |
(после |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
нагружения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
образца), мм |
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к.ср |
образца |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
верхней нижней |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о. |
|
|
|
|
|
|
I |
1350 |
2,75 |
3,80 |
0,54 |
5,72 |
0,328 |
2,34 |
0,298 |
0,290 |
0,41 |
I I |
1350 |
3,40 |
3,55 |
0,43 |
5,95 |
0,395 |
3,45 |
0,598 |
0,521 |
0,57 |
I I I |
2040 |
0,90 |
2,30 |
0,33 |
7,87 |
0,438 |
5,30 |
0,674 |
0,646 |
0,67 |
IV |
1650 |
0,00 |
2,90 |
0,77 |
6,09 |
0,107 |
3,70 |
0,618 |
0,402 |
0,61 |
V |
1350 |
0,00 |
6,05 |
0,77 |
4,98 |
0,138 |
3,06 |
0,340 |
0,390 |
0,61 |
V I |
1350 |
4,50 |
0,00 |
0,82 |
6,35 |
0,118 |
1,38 |
0,472 |
0,234 |
0,22 |
V I I |
1650 |
1,20 |
0,00 |
0,83 |
6,47 |
0,194 |
1,85 |
0,447 |
0,433 |
0,29 |
Пр и м е ч а н и я .
1.Величина верхней и нижней фасок дается по катету.
2.Іів —протяженность верхнего участка на эпюрах (см. рис. 10.50—10.52).
мер, наличие на боковой поверхности образца двух участков с про
тивонаправленными |
векторами т к свидетельствует о |
существовании |
поверхности раздела |
течения металла, о положении |
которой |
можно |
с достаточной для расчета точностью судить по координате |
общей |
точки хо. В связи с этим необходимо сделать вывод |
о существова |
нии верхнего и нижнего очагов деформации, примыкающих к боко вым стенкам штампа. Дальнейший анализ показывает, что, распо лагая эпюрами касательных напряжений, являющимися отражени
ем |
режима деформирования, можно |
достаточно |
полно судить |
о |
взаимосвязи между кинематическими |
и силовыми |
условиями в |
объеме деформируемого металла и на его поверхности.
Второй отличительный признак обнаруживается при совместном рассмотрении эпюр касательных и нормальных напряжений. Он заключается в совпадении координат х общей точки на эпюре т к и абсолютного максимума на эпюре сгк. Следует заметить, что этот признак характерен и для симметричных относительно геометри ческой оси образца эпюр, которыми описываются контактные на пряжения при осадке между параллельными плитами.
Из дальнейшего сравнения полученных эпюр с эпюрами, ото
бражающими |
напряжение |
при осадке, |
проявляется третий приз |
нак — отсутствие строгой симметрии в |
распределении |
контактных |
напряжений на боковой поверхности образца в стадии |
заполнения |
углов |
полости. |
|
|
|
|
Из |
анализа |
эпюр т к (см. рис. 10.50, образцы /, //, / / / ) , получен- |
ных |
при деформировании |
низких ( |
Н—гв—гя |
превосходит |
не |
|
|
|
|
А |
|
0,54) |
образцов |
с верхними |
и нижними |
фасками, следует, что зоны |
постоянных касательных напряжений отсутствуют, а особенностью
этих |
эпюр |
является увеличение т к |
на участках, |
примыкающих |
к |
свободной |
поверхности образца. В одном |
|
случае |
(образец / / / ) |
т к |
превысило |
величину постоянной пластичности свинца (k). |
Однако |
относительный |
показатель средних |
сил трения, определяемый как |
tj)B = |
— ^ |
для |
верхнего участка и гЬн =' |
k |
для |
нижнего |
участка |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
эпюры Тк, не превосходит единицы, |
хотя |
|
и увеличивается |
с умень |
шением высоты образца. С уменьшением высоты образца увеличи вается также и показатель бокового давления, исчисляемый в виде
отношения - ^ с р , |
где ок .ср — среднее |
нормальное давление, опре |
деленное делением |
площади эпюры ак |
на величину Я ( Я — г в — г в ) ; |
Р — удельное усилие при нагружении.
При деформировании высокого образца ( Я = 4 5 , 5 мм) на эпюре
т к обнаруживается зона |
постоянного касательного напряжения |
(см. рис. 10.51), при этом |
г)зв = 0,477 и і|)н =0,460. В данном случае |
распределение контактного нормального напряжения не отличает ся значительной выпуклостью эпюры ак , как это имеет место при деформировании низких образцов. Незначительное изменение ве личины ак на участке контактной поверхности, который соответ ствует зоне постоянного касательного напряжения, можно объяс-
нить наличием лишь переносного движения частиц металла вдоль рассматриваемого участка контактной поверхности.
Возникновение зон постоянного касательного напряжения за
фиксировано и при деформировании образцов |
с нижними фасками |
(см. рис. 10.50, образцы IV, V). Как |
видно из эпюр, протяженность |
этой зоны тем больше, чем больше |
заполнение нижних углов (т. е. |
меньше г н ) . Полученная эпюра ак , |
максимум |
которой смещен от |
торца пуансона, не подтверждает решения [335], согласно которому максимальное значение а к соответствует верхней (угловой) точке контактной поверхности.
В распределении контактных касательных напряжений при де формировании образцов с верхними фасками ( г н = 0 ) резкое воз растание т к на эпюре наблюдается только на верхнем участке кон тактной поверхности (образцы VI, VII). Особенностью эпюр ак является падение контактного нормального напряжения на участке контактной поверхности, примыкающем к дну полости, до величи ны, меньшей 2k. Это следует объяснить отсутствием заметной де формации в нижних углах образцов.
Полученные результаты могут быть использованы при расчете силовых условий работы штампового инструмента и для задания граничных условий в анализе напряженного состояния при штам повке. Приведенная выше методика эксперимента может быть также применена при моделировании процессов деформирования в штампах, содержащих различные устройства (элементы) для ком пенсации металла.
ГЛАВА XI
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСЛОВИЯ СЛУЖБЫ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ
1. УСЛОВИЯ СЛУЖБЫ ИНСТРУМЕНТА
Горячее прессование является прогрессивным и эффективным методом обработки металлов и сплавов давлением. С каждым го дом этот метод получает все большее развитие: увеличивается чис ло наименований прессуемых материалов, расширяется сортамент профилей, производится прессование биметаллических и много слойных изделий. В ряде случаев горячее прессование является единственным методом получения изделий из металлов и сплавов, не поддающихся прокатке, ковке и другим видам обработки дав лением.
Процесс выдавливания цветных металлов и сплавов известен давно. Начавшееся в течение последнего десятилетия бурное разви тие горячего прессования сталей и труднодеформируемых сплавов стало возможным в результате решения трех основных вопросов: использования высоких скоростей выдавливания, применения при осуществлении процесса эффективной смазки и разработки изно состойкого инструмента из высокопрочных хромовольфрамовых сталей и жаропрочных материалов.
В настоящее время горячее прессование сталей и сплавов нахо дит все более широкое применение как в промышленно развитых капиталистических странах, так и в СССР; для этой цели исполь зуют мощные гидравлические прессы. В конце 1961 г. на Никополь ском Южнотрубном заводе был введен в эксплуатацию первый в нашей стране цех по производству труб и профилей из высоколеги рованных и труднодеформируемых сталей методом прессования. Отечественный опыт эксплуатации инструмента при горячем прес совании сталей невелик и проблема стойкости прессового инстру мента в практике прессования остается еще не решенной.
Основные изделия, получаемые в настоящее время прессова нием, по сложности сечения и связанной с ней стойкости прессово го инструмента можно классифицировать на несколько групп:
1)прутки круглые и простых сечений всех размеров;
2)гладкие трубы с наружным диаметром свыше 20 мм и со стенками толщиной не менее 0,5 мм;
3)гладкие трубы малых сечений;
4)ребристые трубы;
5)профили различных сечений.
Набор инструмента, необходимого для прессования, его форма и размеры регламентируются видом прессуемых изделий. Так, при изготовлении труб на горизонтальных гидравлических прессах к основному инструменту, стойкость которого лимитирует процесс прессования, относятся матрицы, иглы, пуансоны, шплинтоны, прессшайбы, втулки контейнеров. Схема расположения инструмен та при прессовании труб представлена на рис. 11.1.
Условия работы инструмента при горячем выдавливании харак теризуются интенсивным воздействием в течение значительного промежутка времени весьма высоких температурно-силовых нагру зок. Зачастую воздействие нагрузок носит мгновенный характер. Развиваемые в процессе прессования удельные давления иногда превышают допустимые значения напряжений для металла инстру мента. Рабочий цикл выдавливания продолжается от нескольких се кунд до минуты и более. Вследствие значительной продолжитель ности контактного теплообмена между прессуемым металлом и инструментом в объеме инструмента возникают переменные темпе ратурные поля, отличающиеся, как правило, большой неравномер ностью по сечению и цикличностью. Циклические температурные напряжения приводят к быстрому возникновению трещин в приконтактной зоне инструмента. Особо высокие тепловые нагрузки, со провождаемые значительными температурными градиентами по сечению, испытывает инструмент при высокотемпературном прессо вании тугоплавких металлов.
В процессе прессования развиваются значительные силы тре ния; их воздействие не только способствует повышенному разогре
ву |
инструмента, но |
и вызывает преждевременный выход |
оснастки |
из |
строя по другим |
причинам (например, обрыв игл при |
выдавли |
вании труб). Особо тяжелые условия эксплуатации оснастки при горячем прессовании приводят к быстрому выходу инструмента из строя вследствие смятия рабочих кромок, образования глубоких трещин и хрупкого разрушения, значительных повреждений поверх ности в результате появления рисок и царапин в направлении те чения металла или развития процесса схватывания. Отдельные час ти прессового инструмента подвергаются также осевому изгибу, искривлению опорных плоскостей, налипанию прессуемого металла, развитию сетки разгарных трещин. Стойкость инструмента часто составляет несколько сот прессовок; в случае особо тяжелых усло вий работы инструмент выдерживает не более десятка или даже 1—2 прессования. Наиболее низкая стойкость характерна для мат риц и игл.
2. МАТРИЦЫ
По конструкции различают конические, плоские, плоскокониче ские, радиальные, язычковые, составные и многоканальные матри-
цы. Наиболее распространенные типы матриц представлены на рис. 11.2 и 11.3 [337].
Характер износа и разрушения матриц может в значительной мере варьировать в зависимости от материала, конструкции и усло вий прессования. Основ ными причинами выхода матриц из строя являют ся потеря формы и разме ров рабочего профиля и хрупкое разрушение. Про филь матрицы изнашива ется неравномерно. Наи более интенсивное изна шивание отмечается в мес те перехода входной части матрицы к калибрующе му пояску, воспринимаю щему максимальные теп ловые нагрузки.
При прессовании про филей износ обычно бо лее интенсивен на высту пах формующей части от верстия матрицы (рис. 11.4). Это связано с мест ным увеличением напря
жений в деформируемом металле и повышенным местным разогре вом металла инструмента вследствие худшего, чем в других частях профиля, теплоотвода и обедненного слоя смазки. Износ калибрую щего пояска выражается в развитии процессов схватывания, плас-
Рис. 11.3. Основные типы комбинированных мат риц:
а — с двухопорным открытым рассекателем; б — с закры
тым рассекателем; |
в — многоканальные; |
/ — корпус; 2 — втулка; |
3 — гребень; 4 — канал |
тической деформации очка, сопровождаемой отделением и уносом частиц металла и образованием рисок, задиров и наплывов.
Возможно и другое распределение износа, связанное с иными условиями прессования и характером взаимодействия прессуемого металла с инструментом. Например, прессование титанового профи-
Р и с 11.4. Расположение участков интенсивного износа (а) по контуру матрицы
ля таврового сечения сопровождалось интенсивным износом матри цы с наружной стороны основания тавра [336]. Износ выступающих участков матрицы в данном случае не является преобладающим.
0»ffC,T
25,3
Рис. 11.5. Варианты калибровки матриц из стали марок Р18
и ЗХ2В8Ф
Износ матриц тесным образом связан со свойствами инструмен тальных материалов. При прессовании профилей из нержавеющей стали твердосплавный инструмент (материал ВКЗО) выходил из строя из-за сколов, возникающих, как полагают авторы работы [336],
при извлечении пресс-остатка; в остальных случаях отмечался иной характер износа. Конструкция матрицы и способы ее крепления должны выполняться с учетом физико-механических свойств мате риала, из которого предполагается изготовление матрицы. Установ лено, что стойкость конических матриц с углом 30° из стали ЗХ2В8Ф выше, чем цилиндрических. Матрицы из стали Р18 и спла ва ВНИИ-1 целесообразно изготавливать с радиусным переходом от торца к калибрующему пояску (рис. 11.5), так как они выходят из строя из-за разгарных трещин и последующего выкрашивания мате риала. Матрицы из стали ЗХ2В8Ф теряли свою форму из-за появле ния наплывов на рабочем пояске.
Неправильная калибровка матриц приводит к затрудненному в отдельных местах течению металла и интенсивному износу. В связи с этим на основе производственного опыта разработаны рекоменда ции по выбору радиусов перехода в зависимости от размеров про филя [337].
Кинетика изменения рабочего профиля матрицы в процессе го
рячего прессования |
подробно изучена |
В. И. З а л е с с к и м и |
Д. И. В а с и л ь е в ы м |
[338]. Исследования |
выполнялись на матри |
цах с наружным диаметром 170 и 120 мм при выдавливании прут ков и труб из мельхиора, меди, латуни и никеля диаметром от 50 до
|
|
|
|
|
|
100 мм. Для замера профиля была сконструирована |
специальная |
установка (рис. 11.6). Латунные |
сплавы |
прессовали с рубашкой, |
остальные — без нее. Продолжительность |
цикла выдавливания сос |
тавляла 6—7 сек, соприкосновение |
металла с матрицей |
продолжа |
лось в течение 28—30 сек, общая длительность цикла |
прессования |
1 мин 10 сек. Исследования выполняли |
на конусных |
матрицах с уг |
лом входного конуса от 0 до 40° (через |
каждые 10°). |
На рис. 11.7 |
показана последовательность изменения рабочего профиля матрицы из стали марки ЗХ2В8Ф с углом 10° при прессовании прутка из мельхиора (цифрами по сечению матрицы обозначена твердость по Виккерсу металла после прессования).
Отмечался следующий характер изменений рабочего профиля в процессе последовательных прессований. Приконтактный слой ме талла матрицы в районе очага деформации увлекается прессуемым материалом, образуя округление переходной части контура и на плыв внутри очка, приводящие к уменьшению диаметра. Подобный характер деформирования контура сохранялся постоянным после ряда переточек; при этом отмечалась тенденция рабочего контура приобрести форму, характерную для профиля естественного износа. С ростом числа переточек высота калибрующего пояска уменьшает ся вплоть до момента, когда последующая его деформация вызыва ет увеличение диаметра отверстия матрицы. Это явление отмечалось для всех исследуемых матриц с углами в пределах 0—30°. Резуль таты металлографического анализа приконтактной зоны изношен ных матриц из стали ЗХ2В8Ф указывают на повышенный разогрев поверхностных слоев инструмента. Это способствовало процессу пластического течения в локальных участках профиля под действи ем высоких рабочих давлений при прессовании.
