Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория процессов ковки и штамповки. Учебное пособие.pdf
2.2. Осадка
r
На поверхности осаженной заготовки r = 0, тогда
2
z
1
32 1
k
н
43
h
2
zh
1.
2
h
31 2 31
22
222 222
zzr zzr
24 24
hh hh
2
h
На боковой поверхности заготовки (точка 4 на рис. 2.9)
1
k
н
0,285
. На контакте при r = R, z = h (точка 3) kн = 0.
23
Таким образом, для известной диаграммы пластичности величина
разрушающей деформации определяется при коэффициенте k
ного состояния равном нулю (k
= 0).
н
напряжен-
н
Поле напряжений и энергосиловые параметры при осадке низких
заготовок.
Задачу по отысканию поля напряжений решим с использовани-
ем инженерного метода (метода тонких сечений). Геометрическая модель
показана на рис. 2.12. Из условия Р = 0 получим дифференциальное
уравнение равновесия
d2
r
rrh
d
Рис. 2.12. Схема для определения поля
напряжений при осадке низкой
заготовки
r
H=2h
.
0
R
dr
Допустим, что
= , тогда
r
d2
r
rh
d
rzs
0
.
51
Г л а в а 2. Теория процессов ковки
s
R
R
R
p
Продифференцировав последнее уравнение системы, получаем
dd
rz
.
rr
dd
Приняв закон трения по Зибелю ( = m
22 2
mm m
d2
r
d
rh h h h
Из граничных условий
Тогда
zs
ss s
;d d; .
2
m
1,
zz
zs
получим
rR
r
а величина максимальных напряже-
h
ний, действующих в центре заготовки,
Давление осадки определим по формуле
А усилие осадки
R
21
p
0
PpFpR.
d2
rr mR
zs
2
R
2
), получим
s
rrC
2
.
C
mR
h
2
zs
max
r
0
3
.
h
m
1
h
s
.
r = R
r = 0
r = R
Рис. 2.13. Эпюры напряжений
при осадке низкой заготовки
Аналогичные выводы можно сделать, используя закон трения Амонтона – Кулона ( =
222
zs z s s
exp ; exp ; 1 .
hhh
). В результате получим следующие формулы:
z
Rr p
max
R
3
Графический анализ полученной зависимости представлен на рис. 2.13,
где показаны эпюры напряжений, полученные с использованием закона
Зибеля (кривая 1) и закона Амонтона – Кулона (кривая 2).
52
2.2. Осадка
Оценка температуры поковок при осадке. Важным параметром
при реализации технологического процесса оценки является температура
поковки. Она должна быть рассчитана и выбрана с учетом температурных
интервалов ковки.
Температуру в элементарном объеме пластически деформируемого
тела устанавливают по уравнению теплопроводности:
222
222
xyz
деф
,с W
где – теплопроводность; с – теплоемкость; – плотность; W
– мощ-
деф
ность деформации.
Приближенную оценку средней температуры деформированного
тела по его поперечному сечению S
дает уравнение баланса мощностей
L
в объеме, заключенном между двумя бесконечно близкими сечениями [6]:
cSdl S l W S l Ll ll
() d d d ()d,
11деф
tll
ddd
где – напряжение трения;
ddd
– скорость скольжения металла по инстру-
c
Lc к
nn
менту; L – длина контактных поверхностей; – коэффициент теплообмена;
– температура инструмента на контакте.
к
Для решения задачи введем допущения. Будем считать, что передача
теплоты в поковке теплопроводностью и теплообмен на ее боковой поверхности не существенны, а температура поковки в начальный момент
времени t=0 распределена равномерно. С учетом этого из последнего урав-
нения можно исключить слагаемое
dd
dd
ll
Sl
1
.
d
Тогда средняя мощность деформации при однородной осадке
h
Произведем замену S
l
Wz
деф
dl на 2rhdr и 2Ldl на 4rdr, а время dt выразим
1
hh
0
d.
si s
через изменение высоты: dh= – dt. Тогда, подставив выражения в условие
баланса мощностей, получим неоднородное дифференциальное уравнение:
ch m
Причем здесь использован закон трения = m
d2
d
2( ) (1 )
hh
ks
.
.
s
53
Г л а в а 2. Теория процессов ковки
Зададим начальные условия. Будем полагать, что в начальный момент времени (t
) h =h
0
, а = 0. Если считать = const, то решение по-
0
следнего уравнения даст следующее распределение температуры:
22
cc
() 12 12 .
кк
0
hmrhmr
hchhch
00
s
22 2
В случае малых значений коэффициента теплообмена (наличие
смазки) или высоких скоростей осадки (осадка на молоте) процесс происходит в условиях, близких к адиабатическим (т. е. когда рассеивания тепла
в инструмент и окружающую среду нет). Тогда получаем упрощенную
формулу для расчета температуры поковки при осадке:
0
chhh
h
s
0
l
n
mr h
1
.
0
Отсюда средняя температура по объему поковки диаметром D:
0
chhh
h
s
0
l
n
mD h
1
3
.
0
Расчетные формулы для выбора оборудования при осадке. Для то-
го чтобы выбрать оборудование для осадки требуется рассчитать усилия,
которые являются максимальными во всем технологическом процессе ковки.
Поэтому выбор молота или пресса для деформации металла является определяющим во всем технологическом цикле.
Выбор молота производится в зависимости от необходимой работы
деформации за последний удар. Для определения массы падающих
частей
молота используется формула
0,17 1 10 ,
GV
, H
где G – масса, кг; D
– размеры после ковки, мм; h – относительная де-
1
1
формация за последний удар (
D
1
взаг
H
1
= 0,025 – 0,06); V
h
h
3
– объем заготовки, мм3.
заг
0,17
Выбор пресса для осадки производится по усилию Р (МН), которое
определяется по формуле
0,17
D
H
1
в 1
1
PF
110,
6
где F
– площадь поперечного сечения после осадки, мм; – масштабный
1
коэффициент ( = 0,5–0,8).
54
2.3. Протяжка
LaH
L
L
B
2.3. Протяжка
Протяжка – это кузнечная операция, в процессе которой
производится удлинение заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжку применяют как формоизменяющую
операцию для получения поковок заданных форм и размеров и вспомогательную для устранения внутренних пустот и улучшения механических
свойств металла за счет разрушения литой структуры.
Протяжка
обжимов заготовки (рис. 2.14) с кантовкой ее после каждого обжима. Два
обжима с кантовкой называются переходом. Для анализа данного процесса
используются следующие показатели деформации: абсолютное обжатие
Н = Н0 – Н1; относительные деформации соответственно по высоте, ши-
рине и длине
в общем случае осуществляется путем последовательных
HH BB
hBL
01 10
,,;
00
Ba
1
коэффициент интенсивности уширения
У .
1
0
ΔL
H
a
0
L
Рис. 2.14. Схема протяжки бруса плоскими бойками
H
1
B
1
0
При построении технологического цикла протяжки необходимо учи-
B
f
и коэффициент укова
h
B
max
B
ср
тывать, что на каждом обжиме должно выполняться условие H
2 – 2,5,
0/B0
а выбор подачи и ширины бойков не должен приводить к вытеканию металла за боек и неконтролируемому формоизменению.
На рис. 2.15 представлены различные способы протяжки, применяемые при обработке металла в кузнечных цехах.
55
Г л а в а 2. Теория процессов ковки
Способ протяжки по винтовой линии (рис. 2.15, а), при котором после каждого обжатия следует кантовка в одну и ту же сторону, применяется для ковки твердых инструментальных сталей и уменьшает внутренние
напряжения. Второй способ протяжки проводится с кантовкой в обе стороны (рис. 2.15, б), при этом после каждого перехода следуют подача
, кантовка и очередной переход. Способ протяжки с кантовкой после прохода
на всю длину (рис. 2.15, в) применяется для мелких и средних по массе заготовок из углеродистых и легированных сталей.
а б в
Рис. 2.15. Разновидности способов протяжки
Особенности формоизменения и напряженно-деформированного
состояния при протяжке.
В общем случае заготовка прямоугольного се-
чения H
0B0L0
(см. рис. 2.14) продвигается при каждом обжатии на вели-
чину подачи (а), меньшую, чем ширина бойков (В). Геометрический очаг
деформации представляет собой объем V
мации равен V
= L1H1Bср.
1
= aH0B0, который после дефор-
0
Деформация в целом не является монотонной. Процесс протяжки
можно представить на каждом обжиме как последовательную осадку
смежных участков заготовки. К каждому осажденному участку примыкают
свободные, не находящиеся под воздействием бойков. Они задерживают
течение металла в горизонтальной плоскости по направлению, перпендикулярному оси заготовки, чем увеличивают неравномерность деформации
и силу протяжки.
Сложная схема деформации при протяжке характеризуется тем, что
обжимаемые участки, воздействуя на свободные, создают в переходных
зонах области пластической деформации, размер которых зависит от геометрических параметров процесса, трения и т. д. За ними следуют области
упругой деформации и свободные участки. Вопрос о расчете уширения
является ключевым при вычислении формоизменения металла
, так как
точные размеры очага деформации по ширине неизвестны и зависят от величины деформации по высоте (
), подачи (а), контактных сил трения.
h
Чем больше силы трения, тем больше выпуклость боковых граней в вертикальной плоскости. В расчетах деформации при протяжке используют ве-
56
2.3. Протяжка
личину коэффициента интенсивности уширения (f), которая зависит от отношений H
и a/B0 (относительная подача). При этом коэффициент f
0/B0
почти не зависит от величины обжатия, контактного трения, температуры
и химического состава. Чем меньше относительная подача (a/B
), тем
0
больше удлинение и меньше уширение. При f = 0 уширение отсутствует,
при f = 1 уширение максимальное. Для прямоугольной полосы коэффици-
ент интенсивности уширения
при H
B
0
= 2. Графиче-
0/B0
0,37 0, 042
f
ски зависимость коэффициента f от геометрического параметра протяжки
приведена на рис. 2.16.
a
Рис. 2.16. Графики зависимости
коэффициента интенсивности уши-
рения от геометрических параметров
протяжки
f
H
0 /B0 =1
H
0 /B0 =2
a
/B0
Для построения технологического цикла ковки необходимо назначать степень укова – важный параметр, определяющий уровень механических свойств поковки в продольном направлении после протяжки. При
обычных условиях ковки наибольшей деформации подвергается только
осевая зона, поэтому при протяжке с У < 2 волокнистое строение будет
только посередине деформируемого слитка. При У 2 – 4 (наиболее оптимальный диапазон) ярко выражена волокнистая структура по сечению
крупной заготовки. При величинах укова У > 4 возможна анизотропия механических свойств из-за их разности в продольном и поперечном направлениях. Значение коэффициента укова зависит от сплава, массы слитка,
величины обжатий и т. д. и выбирается с их учетом.
Для малопластичных слитков причиной
разрушения при протяжке
могут быть максимальные скалывающие напряжения, действующие под
углом 45 к контактной поверхности. Крестообразную область, в которой
они действуют, называют ковочным крестом. Установлено, что в цен-
тральной области креста деформация может в 2 раза превышать среднюю
по сечению.
Изменение выпуклостей после кантовки (рис. 2.17) приводит к искажению сетки, у
которой наибольшее изменение углов соответствует диа-
57
Г л а в а 2. Теория процессов ковки
x
x
гоналям поперечного сечения. При исчерпании деформации в области ковочного креста трещины располагаются в одной или обеих диагональных
плоскостях. С увеличением числа кантовок и обжатий область ковочного
креста увеличивается тем интенсивнее, чем больше отношение подачи
к высоте сечения, причем по И. Я. Тарновскому оптимальная область
лежит в пределах 0,8 > a/H
> 0,5.
0
Рис. 2.17. Формоизменение металла при протяжке с кантовкой
Анализ напряженного состояния, выполненный с помощью метода
линий скольжения (рис. 2.18), показывает, что вдоль линий скольжения
имеет место только сдвиговая деформация, а нормальные напряжения от-
сутствуют. В очаге деформации действуют два нормальных напряжения
, причем в центральной зоне полосы реализуются максимальные растя-
и
y
гивающиеся напряжения
0,63
10,6
.
1, 5 4
x
Т
1, 0 8
Т
h
=0,5H
ha
x
y
a
0
Рис. 2.18. Изменение напряжений x
по сечению очага деформации при протяжке
Т
ah
Напряжения зависят от величины H
ние узких бойков (с большим отношением H
максимальных растягивающих напряжений
/а (рис. 2.19), поэтому примене-
0
/а) обусловливает появление
0
, что, в свою очередь, приво-
x
дит к разрывам внутри заготовки. Поэтому на практике при протяжке по-
x
58
2.3. Протяжка
x
H
l l
ковок из малопластичных сплавов ковку ведут широкими бойками при
больших подачах.
y
H
/a
0
H
/a
0
Рис. 2.19. Зависимости напряжений x и y
от геометрических параметров протяжки
Снизить величину растягивающих напряжений можно путем применения вырезных бойков, так, например, использование радиусных бойков с
о
углом охвата 120
позволяет уменьшить их более чем в 2 раза.
Анализ формоизменения и энергосиловых параметров протяжки
с помощью математической модели.
Рассмотрим решение задачи на
примере протяжки бруса, при этом геометрическая модель очага деформации (рис. 2.20) представлена в виде трёх блоков: внешних жестких 1, 3
и центрального (пластическая область) 2; модель ограничена плоскостями
x = l, y = b, z = h. В блоке 2 поле скоростей непрерывно.
z
y
H
=2h
H
=2h
1
1
B
=2b
0
0
B
=2b
x x
0
=2h
0
Рис. 2.20. Геометрическая модель процесса протяжки бруса
Сформулируем допущения для решения задачи:
1. Деформация симметрична плоскостям y = 0, z = 0 относительно
срединных сечений поковки и на контактной поверхности относительно
плоскости x = 0.
2. Материал идеально пластичен.
59
Г л а в а 2. Теория процессов ковки
s
f
3. Влияние радиусов и скруглений бойков не существенно.
m
4. Закон трения принят по Зибелю:
5. Составляющие скорости зависят от соответствующих координат:
,,
xfyfz .
xyz
Для решения задачи запишем условие несжимаемости
dd
ddd
d
xz
y
, которое имеет следующее решение:
0
xyz
.
34
y
Cy C
;
,
где С
– постоянные интегрирования.
i
12
x
CCzC
z
Cx C
;
13 5
Последние найдем из граничных условий
, в соответствии с которыми
xyzz
получим
0; 0; 0;
0
x
245 13
0
y
0
zzh
0; .CCC CC
h
С учетом значений постоянных интегрирования поле скоростей за-
пишем в виде системы
x
y
Cx
1
Cy
3
;
;
.
Величину
z
Ch
3
, которая по физическому смыслу равна отноше-
CCz
13
нию потока металла, идущего на уширение Q
, к общему потоку металла,
у
перемещаемого бойками (Q), назовем коэффициентом уширения:
Q
y
;0 1
.
Q
Тогда, выразив постоянные интегрирования через , получим:
1, .CC
13
hh
Далее определим кинематически возможные скорости в поковке по
блокам. Так, в блоке 1 составляющие скорости будут следующие:
Поскольку блок 1 движется поступательно
xyz
111
60
1; 0.
h