книги из ГПНТБ / Мошнин Е.Н. Технология штамповки крупногабаритных деталей

подобной натурной из одинакового материала, деформируют в гео­ метрически подобном и материально одинаковом инструменте и с применением одинаковой смазки — масштабное моделирование.

Тогда отношения любых сходственных размеров (ширины, длины и др.) натуры и модели в течение всего процесса деформи­ рования будут равны масштабу моделирования 1

ний и деформации и, следовательно, формоизменение и устой­ чивость заготовок будут тождественны. Однако должны быть соблюдены также условия тождественности изменения механи­ ческих свойств материала и условия трения на контактных по­ верхностях заготовок и инструмента. Последние два условия

Учитывая, что равенство коэффициентов трения на контактных поверхностях модели и натуры требует помимо материального однообразия инструмента и условий смазки также равенства скоростей перемещения заготовок модели и натуры по инстру­ менту, имеем

Согласно уравнениям (122) и (124) для соблюдения тожде­ ственных условий в отношении напряжения текучести материала и трения на контактных поверхностях требуются разные ско­ ростные условия, и, следовательно, точное моделирование хо­ лодных процессов обработки металлов давлением на геометриче­ ски подобных моделях и из одинаковых материалов невозможно.

Однако при холодном деформировании металлических спла­ вов при скоростях инструмента прессового оборудования влияние скорости деформации на механические свойства материала незна-

1 Здесь и далее в этом разделе буквы, обозначенные со штрихом, относятся к модели.

90

чительно даже при изменении скорости деформации на один поря­ док, поэтому при моделировании холодных процессов листовой штамповки можно назначать скорость деформирования модели в соответствии с уравнением (124). Тогда будут обеспечены тожде­ ственные условия трения на контактных поверхностях.

В этом случае при экспериментальном определении на моделях

Моделирование горячих процессов на одинаковых материалах

осложняется необходимостью соблюдения подобия температурных полей в модели и натуре, а также температурных условий на контактных поверхностях заготовки с инструментом.

Условия теплового подобия (температуры в сходственных точ­ ках и в сходственные моменты времени, т. е. через одинаковые отно­ сительные промежутки времени, одинаковы, рис. 31) определяются зависимостями [11, 21]

ствуют условиям подобия тепловых процессов, т. е. уравнению (130), и, следовательно, скоростные условия — уравнениям (128) и (129).

Теплоотдача со свободных поверхностей заготовок зависит

91

Установим скоростное условие, обеспечивающее одинаковую температуру поверхности модели и натуры при остывании через свободные поверхности в сходственные моменты времени, т. е. при

и наружной поверхностью окалины можно определить уравне­ нием теплопроводности

по толщине слоев окалины и одинаковые физические свойства ее (теплопроводность и коэффициент теплоотдачи). Температурное поле в заготовке при теплоотдаче со свободных поверхностей по­ казано на рис. 32.

При контакте различно нагретых тел (заготовки и инстру­ мента) через прослойку из низкотеплопроводного материала (окалина, смазка) между контактными поверхностями тел возни­ кает температурный перепад в соответствии с уравнением (135).

92

Согласно рис. 33 можно записать известное уравнение плот­ ности теплового потока [11]

На рис. 34 показано примерное изменение плотности теплового потока во времени для трех случаев состояния контактных по­ верхностей (температурный перепад принят постоянным).

Таким образом, из рассмотренных условий, обеспечивающих тождественное влияние отдельных факторов при горячем деформи­ ровании геометрически подобных тел из одинакового материала, можно сделать следующие выводы:

1) условиям теплового подобия при тождественных внешних условиях (при отсутствии слоя окалины и смазки) соответствует

с контактных поверхностей. С повышением теплоизоляционных

93

жаться к условиям теплоотдачи со свободных поверхностей, вы­ раженных уравнением (131);

3) для соблюдения условий тождественного изменения меха­ нических свойств материала (равенство скоростей деформации) и условий трения на контактных поверхностях требуются ско­ ростные режимы [см. уравнения (122) н (134)], отличные от ско­ ростного режима, отвечающего условию подобия тепловых про­ цессов [уравнение (128)].

Из этих выводов следует, что при горячих процессах обработки металлов давлением подобные условия деформирования не могут быть соблюдены и по условиям подобия температурных полей

Рис. 34. Изменение плотности теплового потока. Контактные поверхности:

1 — идеально чистые; 2 — с небольшим слоем окислов и смазки; 3 — с толстым слоем окислов н смазки

в модели и натуре из-за различных условий теплоотдачи со сво­ бодных и контактных поверхностей и несоответствия их скоростным условиям тождественного изменения механических свойств ме­ талла заготовки. Тождественные условия нельзя обеспечить вы­ бором общего скоростного критерия. Следовательно, моделирова­ ние горячих процессов обработки металлов давлением возможно только как приближенное.

Изложенные теоретические выводы были проверены широкими экспериментами по проверке режимов охлаждения геометрически подобных и материально одинаковых заготовок. Некоторые ре­ зультаты экспериментов приведены в разделе 3 настоящей главы.

т. е. медленнее, чем в т раз по сравнению с остыванием малых. Это можно объяснить влиянием окалины на интенсивность охла­ ждения.

У большой заготовки благодаря большему в т раз времени остывания толщина слоя окалины, образовывающейся в процессе

94

эксперимента, была в сходственные моменты времени, большей, чем у малой заготовки. Следовательно, при моделировании не­ обходимо обращать особое внимание на тождественность слоя окалины в процессе деформирования.

2. Температурные перепады от охлаждения через контактные поверхности у больших и малых заготовок получились примерно одинаковыми. Это подтверждает справедливость зависимости, выраженной уравнением (130).

3.. Температурные перепады в заготовках, возникающие от теп­ лоотдачи через свободные и контактные поверхности, а следова­ тельно, и интенсивность теплоотдачи (плотность тепловых потоков) получаются соизмеримыми. При этом с увеличением размеров за­ готовки величина температурного перепада от теплоотдачи со свободных поверхностей интенсивно увеличивается, тогда как величина температурного перепада от теплоотдачи через контакт­ ные поверхности остается примерно постоянной.

Таким образом, принятые А. А. Ильюшиным при разработке метода моделирования упрощения, заключающиеся в пренебре­ жении теплоотдачей со свободных поверхностей и наличием слоя окалины и смазки на контактных поверхностях заготовок, нельзя признать-допустимыми при моделировании обычных про­ цессов обработки металлов давлением [21].

С целью приближения предложенного А. А. Ильюшиным ме­ тода моделирования [см. уравнения (128) и (129) ] к реальным усло­ виям процессов обработки металлов давлением С. А. Довнар рекомендовал компенсировать неидентичность влияния слоя ока­ лины и смазки на условия теплоотдачи с контактных поверхностей путем применения для модели условий смазки, отличных от усло­ вий смазки натурной заготовки [17]. Это предложение, по-ви­ димому, может быть целесообразным только в некоторыхслу­ чаях, так как, с одной стороны, практически трудно обеспечить у модели в /п раз меньшее влияние на теплоотдачу слоя окалины и смазки, чем у натуры, и, с другой стороны, это повлекло бы за собой серьезное нарушение тождественности условий трения на контактных поверхностях,- чего допустить нельзя. Кроме того, при этом условия теплоотдачи со свободных поверхностей попрежнему остаются нетождественными.

Н. М. Золотухин предложил при приближенном моделирова­ нии исходить из равенства скоростей деформаций и равенства средних температур модели и натуры [18], причем для обеспе­ чения последнего условия он рекомендовал применять искусствен­ ное охлаждение модели (деформирование модели и печи).

Из-за различных температур поверхностных слоев модели и натуры и несоблюдения равенства скоростей деформирования условия трения и условия теплоотдачи на контактных поверх­ ностях не будут тождественными. Проведение эксперимента по деформированию модели в печи при температуре 600—900° С вызовет большие трудности при практическом применении. Этот

95

способ моделирования может быть полезным, когда определяющим фактором являются структурные изменения в металле, происходя­ щие в процессе деформирования.

При моделировании горячих процессов обработки металлов давлением, которое ставится в целях изучения особенностей фор­ моизменения заготовки, автором данной книги было предложено (для соблюдения подобного формоизменения модели и натуры) в первую очередь обеспечивать тождественность температурных и скоростных условий поверхностных слоев модели и натуры [29, 30]. Эти условия оказывают решающее влияние на неравномер­ ность деформаций заготовки и, следовательно, должны являться критериями приближенного метода масштабного моделирования (модель выполнена из материала натуры).

Тогда при приближенном масштабном моделировании следует исходить из условия равенства температуры поверхностных слоев модели и натуры (в соответствии с зависимостью теплоотдачи со свободных поверхностей) и равенства условий трения на контакт­ ных поверхностях.

Оба принятых условия обеспечиваются одним скоростным кри­ терием, т. е. условиями равенства скоростей деформирования — уравнениями (124) и (134), а также температурным условием — равенством температур поверхностей модели и натуры в началь­ ный момент деформации.

При определении силовых параметров процесса нетождествен­ ное влияние других факторов предлагается учитывать числовыми коэффициентами.

При большинстве реальных процессов обработки металлов давлением условия теплоотдачи с контактных поверхностей у мо­ дели и натуры будут сравнительно близки к условиям теплоот­ дачи со свободных поверхностей вследствие наличия окалины и обильной смазки.

С достаточным основанием можно утверждать, что предложен­ ный метод можно применять для моделирования горячих процес­

1. Контактные поверхности заготовки малы по сравнению со свободными, и в процессе деформирования контактные поверх­ ности перемещаются по поверхности заготовки.

После выхода участка из зоны контакта его температура бы­ стро повышается до температуры заготовки за счет перетекания тепла с соседних участков.

2. Соприкосновение заготовки со штампом по контактным по­ верхностям сравнительно больших размеров происходит только в конечный момент деформирования, когда формоизменение соот­ ветствующего участка заготовки уже закончено.

Контактные поверхности инструмента, по которым проис­ ходит перемещение заготовки, относительно небольшие и обильно смазаны. В случае вытяжки с верхним прижимом плотный кон-

96

такт заготовки с прижимом и матрицей происходит также по уз­ кому кольцевому участку, находящемуся у кромки заготовки,

Большим преимуществом, вытекающим из принятого метода моделирования (равенство скоростей деформирования), является возможность использования обычного производственного обо­ рудования для деформирования модели.

Одинаковые температурные и скоростные условия и условия трения на поверхностных слоях модели и натуры позволяют по­ средством этого метода приближенного моделирования изучать не только силовые параметры процесса, но и вопросы, связанные с проверкой возможности получения деталей заданной формы, правильности запроектированного процесса, и другие вопросы, относящиеся к формообразованию детали и пластическим свой­ ствам ее материала.

Для определения на моделях силовых параметров деформи­ рования будут справедливы известные зависимости, установлен­ ные для упругого деформирования геометрически подобных тел [уравнения (125), (126) и (127)], но при условии введения попра­ вочных коэффициентов, учитывающих нетождественность ско­ ростей деформаций и температурных перепадов в модели и натуре.

Тогда силовые параметры, необходимые для деформирования натуры, можно определить через величины, полученные экспе­ риментально на моделях по следующим формулам:

Коэффициент kt предлагается выражать как отношение зна­ чений напряжения текучести металла, соответствующих средним температурам натуры и модели в характерных сечениях и сте­

Методика определения средних температур заготовки в по­ перечных сечениях и температуры натуры по замерам темпера­ туры модели приводится в разделе 3 настоящей главы.

Коэффициент ka целесообразно представить как отношение скоростных коэффициентов, соответствующих режимам деформи­ рования модели ir натуры [55], т. е.

В этой таблице указаны значения k при изменении скорости де­

тенсивность их увеличения резко снижается с увеличением ско­ рости деформации.

В соответствии с разработанным приближенным методом мас­ штабного моделирования были проведены экспериментальные работы по горячей штамповке толстостенных сферических и эл­ липтических днищ. »

Моделировали штамповку днищ со следующими размерами наружного диаметра и толщины стенки: сферические 0 1040X

Сравнение опытных данных по силовым параметрам и по из­ менению толщины стенки, полученных при штамповке моделей и при освоении изготовления промышленных партий днищ на Барнаульском котельном заводе, подтвердило приемлемость пред­ ложенного метода моделирования для толстолистовой горячей штамповки.

98

Моделирование холодных и горячих процессов на разных ма­

териалах часто применяют при исследованиях, например, при отра­ ботке процесса формовки изделий из дорогостоящих сплавов или при моделировании горячего процесса посредством выполнения опыта в холодном состоянии, что создает более удобные для экс­ периментирования условия. Во втором случае часто за материал модели принимают свинец, а также пластилин и пластмассы.

Обычно считают, что горячие процессы объемной штамповки и прессования достаточно хорошо имитируются при выполнении их в холодном состоянии с применением свинцовых заготовок.

Однако это мнение нельзя принять за правило и для указанных процессов. Так, например, проведенные опыты на свинцовых за­ готовках по исследованию заполняемости штампа при формовке деталей с двусторонним патрубком из заготовок, имеющих одно­ сторонний патрубок, показали хорошие результаты, тогда как при горячей штамповке на этом же штампе заготовок из низкоуглероди­ стой стали детали получались с большими утяжинами и зажимами.

Указанные дефекты при горячей штамповке возникли, повидимому, вследствие неравномерности температурного поля в за­ готовке, т. е. резкого подхолаживания поверхностных слоев за­ готовки на контактных участках.

А. А. Любченко отмечает, что при вытяжке эллиптических днищ из листовых свинцовых заготовок изменение толщины стенки заготовки получается на 5—10% большим, чем при горячей вы­ тяжке крупногабаритных изделий большой толщины [26].

Следует отметить, что при пластическом деформировании влияние механических свойств и, в частности, интенсивности упроч­ нения материала заготовки на ее формоизменение при разных схе­ мах напряженного состояния различное. Особенно влияние интен­ сивности упрочнения сказывается при технологических процессах, протекающих при одноосном или двухосном напряженном со­

смалой интенсивностью упрочнения нельзя править растяжением

[28].При растяжении таких заготовок пластические деформации локализуются на отдельных коротких участках и происходит образование шейки и разрыв прежде, чем пластические деформа­ ции распространятся по всей длине заготовки.

При вытяжке куполообразных деталей, которые являются наиболее распространенными деталями, штампуемыми из толсто­ листовых заготовок, напряженное состояние на значительной части средней зоны заготовки соответствует неравномерному двух­ осному растяжению и формоизменение заготовки в значительной мере происходит за счет утонения стенки.

Неравномерность напряженного состояния при вытяжке ку­ полообразных деталей возникает в основном вследствие различ­ ной величины площади поперечных сечений заготовки, перпен-