Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория обработки металлов давлением. Учебное пособие
.pdf
71
Остаточные напряжения приводят к короблению изделий, вследствие того, что они частично снижаются с течением времени.
Вместе с основными напряжениями, возникающими от действия
внешних сил, остаточные напряжения могут привести к разрушению
тела под нагрузкой, значительно меньшей расчетной. Разрушение может произойти даже без приложения внешней нагрузки (например,
от действия неравномерного температурного поля).
Остаточные напряжения, как и дополнительные, бывают первого,
второго и третьего рода. Они могут возникнуть в результате фазовых
превращений при неравномерном нагреве или охлаждении.
Методом устранения остаточных напряжений является правильный
режим обработки, приводящий к минимальной неравномерности деформаций и снятию дополнительных напряжений.
В процессах горячей объемной штамповки это достигается, когда неравномерную деформацию осуществляют в начальной стадии обработки.
В процессах холодной штамповки напряжения первого и второго
рода снимаются при рекристаллизации или могут быть сняты обкаткой,
дробеструйной обработкой, правкой на роликах, выглаживанием.
5.7. Закон подобия
Закон подобия дает возможность по испытанию модели определить
необходимые параметры для осуществления процесса деформирования
реальных объектов.
Основные принципы подобия могут быть сформулированы следующим образом: если осуществлять в подобных условиях одинаковые процессы пластического деформирования геометрически подобных тел из
одинакового материала, то будут реализовываться следующие условия:
– необходимые удельные усилия деформирования будут равны
между собой;
– отношение полных усилий деформирования будет равно квадрату,
а затрачиваемых работ – кубу отношений соответствующих линейных
размеров.
Подобие условий пластической деформации включает в себя
3 вида подобий: геометрическое, физическое и тепловое.
72
Геометрическое подобие определяется следующим образом: тела
считаются геометрически подобными, если имеют одинаковую форму и
постоянные отношения сходных размеров.
Это определение можно записать формулой
(5.4)
где l, a, h – длина, ширина, высота «натуры» (н) и «модели» (к),
n – масштаб моделирования, или константа подобия.
При этих условиях отношение площадей поверхностей «модели» и
«натуры» будет прямо пропорционально квадрату, а отношение их объемов – кубу константы подобия (n).
С увеличением константы подобия (n) отношение площади тела к
его объёму у «натуры» и «модели» уменьшается обратно пропорционально константе подобия.
Формы рабочих частей инструмента для деформирования «натуры» и
«модели» должны быть геометрически подобны, а отношения их соответствующих размеров должны быть равны константе подобия (n) по
формуле (5.4).
Основным условием физического подобия является то, что физическое состояние, химический состав, фазовое состояние, макро- и микроструктура, а также механические свойства «модели» и «натуры» должны быть одинаковыми в исходном состоянии и в любой момент деформирования.
При физическом подобии должны выполняться условия, описанные ниже.
Степени деформации (ε) «модели» и «натуры» в сравниваемые моменты должны быть одинаковыми:
ɛ
м = ɛн
,
что соответствует одинаковому упрочнению и разупрочнению.
Должны быть одинаковыми условия трения между соответствующими контактными поверхностями инструмента и заготовки.
Все это должно соблюдаться только в том случае, если выполняются
условия:
– равенство температур для контактных поверхностей на протяжении всего процесса деформирования (t°
КМ
= t°КН);
– равенство скоростей скольжения (V
СМ
= VСН);
– равенство скоростей деформирования (V
ДМ
= VДН).
73
При этом скорость деформации должна определяться из уравнения
а время деформирования определяется соотношением вида:
При этом должна соблюдаться одинаковая идентичность трения на
контактных поверхностях «модели» и «натуры», а сами «модель»
и «натура» должны быть физически подобны.
Еще одним видом подобия является тепловое подобие. Оно возможно при следующих условиях:
– время деформирования «модели» и «натуры» определяется соотношением
,
– скорость деформации «модели» и «натуры» определяется соотношением
,
– скорость деформирования «модели» и «натуры» определяется соотношением
.
При моделировании процессов холодной пластической деформации, т. е. при условии незначительного влияния скорости деформирования на изменение температуры, условия физического подобия соблюдаются.
При горячей пластической деформации, а также при деформировании с высокими скоростями возможно только приближенное физическое моделирование процессов. В этом случае возможно его выполнение либо по температурному признаку, либо по трению, либо по скорости деформации.
Погрешность моделирования таких процессов, когда соблюдается
только одно из требований, учитывается коэффициентом несоответствия (η).
Различие в скоростях деформации учитывается с помощью скоростного коэффициента (
) по формуле
(5.5)
где Рн, Рм – усилие деформирования.
74
Различие в условиях теплоотдачи и температуры деформирования
учитывается с помощью масштабного коэффициента несоответствия
(φм) по формуле
. (5.6)
В этих формулах коэффициенты
и φм (см. формулы (5.5) и (5.6)
определяются экспериментально и приведены в справочной литературе.
5.8. Контактное трение при пластическом деформировании
Большинство операций обработки давлением происходит в условиях, когда деформируемый металл контактирует с инструментом. Частицы металла скользят по контактным поверхностям, в результате чего
возникает трение.
Величина сил, возникающих в процессе трения, оказывает влияние
на величину деформирующей силы, шероховатость и поверхностные
дефекты поковки, износ инструмента и формоизменение заготовки.
Контактное трение – это механическое взаимодействие между
твердыми телами, которое возникает в местах их соприкосновения и
препятствует (или стремится препятствовать) относительному перемещению тел в плоскости их соприкосновения.
Контактное трение формирует очаг деформации, обуславливает
неравномерное распределение деформации по объему тела, определяет
граничные условия, усилие деформирования, расход работы и мощности на проведение технологической операции.
Усилие трения и вызываемые им на контактных поверхностях касательные напряжения зависят от следующих параметров:
– прочностных показателей деформируемого материала, характеризуемых напряжением текучести или сопротивлением деформированию (σs);
– температуры деформирования (Т, С°);
– нормального к контактной поверхности напряжения (σn);
– шероховатости поверхности инструмента (Rи) и деформируемого
тела (Rз);
– скорости деформирования (v);
– соотношения контактной и свободной поверхностей (Fк / Fа);
75
– характеристик смазочной пленки (вязкости и прочности) или характеристик пленок окислов на контактной поверхности, влияющих
на коэффициент трения (μ);
– химического сродства металла инструмента и деформируемого тела.
Следовательно, усилие деформирования может быть определено
функцией вида:
P = f(σ
s
, Т, σn, R
и
, Rз, v, F
к
/ Fа, ∆μ).
Рассмотрим механизм взаимодействия двух элементов – заготовки
и инструмента на площадках ∆Fз и ∆Fи при осадке заготовки на шероховатых плитах (рис. 5.11).
Из рис. 5.11 видно, что силы взаимодействия двух элементов Rз и Rи
направлены под углом α к нормали n.
Касательная составляющая этой силы
(Тз) называется силой трения. На контактной поверхности заготовки (∆F3) возникает сила трения сопротивляющегося
действия (Тз), которая затрудняет перемещение заготовки относительно инструмента и сильно влияет на качество
детали. А на контактной поверхности
инструмента (∆Fи) возникает сила тре-
ния активного действия (Ти), которая
стремится увлечь инструмент в направлении движения заготовки и
обуславливает износ инструмента. Такое взаимодействие называется
положением о парности сил контактного трения сопротивляющегося
и активного действия.
Сила трения, отнесенная к единице площади ∆F, называется
контактным касательным напряжением. Она определяется по формуле
τк =
lim(Т/∆F),
где Т/∆F – контактное касательное напряжение.
В процессах обработки металлов давлением можно выделить три вида трения: сухое, гидродинамическое (жидкостное) и граничное трение.
Сухое трение возникает между заготовкой и инструментом в том
случае, когда их контактные поверхности не разделены каким-либо
третьим телом: смазкой, окислами, воздухом (когда слой смазки значи-
Рис. 5.11. Силы, действующие
на контактных площадках
заготовки (∆F3)
и инструмента (∆Fи)
при осадке
76
тельно меньше 10-6мм). При этом контакт осуществляется по небольшой поверхности, образуемой вершинами выступов, микронеровностей
заготовки, таких, как ∆Fi и ∆Fi+1 (рис. 5.12).
Рис. 5.12. Схема взаимодействия элементов поверхностей
деформируемой заготовки (З) и инструмента (И)
В этом случае поверхность контакта можно определять по формуле
F
кф
= ∆Fi.
В условиях сухого трения большое давление на контактных площадках (∆Fi) в сочетании с относительным перемещением и значительной местной пластической деформацией приводит к образованию узлов
схватывания.
Гидродинамическое трение (жидкостное) возникает при холодной
пластической деформации с обильной смазкой (например, при волочении прутков и проволоки, вытяжке листового металла, холодной осадке
заготовки на плоских плитах, гидропрессовании и т. д). Особенностью
такого трения является то, что во всех точках контактной поверхности заготовка и инструмент разделены толстой пленкой смазки, более 10-4мм.
В этом случае контактное касательное трение определяется
по формуле Ньютона:
τк = μс·
.
При гидродинамическом трении τк на два порядка ниже, чем при сухом трении. Это приводит к резкому снижению деформирующего усилия, повышению качества изделия, увеличению стойкости инструмента.
Для возникновения гидродинамического трения необходимо создать
условия, способствующие образованию «смазочного клина» (рис. 5.13).
77
В этом случае относительное перемещение деформируемой заготовки
по инструменту и вязкость смазки будут обуславливать вовлечение частиц
смазки в зону деформации. При движении вязкой жидкости в смазочном
канале давление повышается, что приводит к увеличению вязкости смазки.
Еще одним видом является
граничное трение. Оно встречается
чаще сухого и гидродинамического.
Характеризуется тем, что поверхности
инструмента и заготовки разделены
тончайшим слоем смазки, менее 10
-4
мм.
Контактное касательное трение (τк) при граничном трении на порядок больше, чем при гидродинамическом, но меньше, чем при сухом.
Причиной повышения контактного касательного трения является
то, что смазочные пленки (менее 10
-4
мм) отличаются качественно
от смазки при гидродинамическом трении и неровности контактирующих поверхностей, прорывая местами такую смазочную пленку, образуют в этих местах узлы схватывания (см. рис. 5.12).
5.9. Граничные условия
в процессах обработки металлов давлением
Граничные условия – это заданная закономерность, по которой изменяются касательные напряжения на контактных поверхностях деформируемой заготовки.
В зависимости от вида операции и состояния контактных поверхностей заготовки и инструмента граничные условия могут задаваться
различными параметрами. Обычно, согласно закону Амонтона–Кулона,
касательное напряжение на контакте считают пропорциональным нормальному напряжению на этой поверхности:
k
=
n
, (5.7)
где
n –
нормальное давление в плоскости контакта; – коэффициент
контактного трения при пластическом деформировании, определяемый экспериментально.
Рис. 5.13. Схема деформации
отдельного выступа
при гидродинамическом трении
78
Коэффициент контактного трения () в общем случае величина переменная и зависит от многих факторов, в числе которых скорость относительного скольжения, давление на контакте, свойства смазочного слоя и др.
Проведенные исследования в области обработки металлов давлением
показывают, что увеличение скорости снижает коэффициент трения.
Так, при штамповке на молоте трение обычно ниже, чем при штамповке на прессе. Кроме того, значительно снижают коэффициент контактного трения возникающие при штамповке вибрации.
Закон Амонтона–Кулона можно использовать при анализе операций обработки давлением только в некоторых случаях. Закон Амонтона–Кулона
ничем не ограничивает максимальную силу трения, т. е. чем больше нормальные напряжения, тем больше величина силы трения. В действительности при пластическом деформировании с ростом нормальных
напряжений касательные контактные напряжения возрастают первоначально по закону, близкому к линейному, а затем по кривой,
асимптотически приближаясь к некоторому постоянному значению.
Поэтому для расчетов используется осредненная величина касательных напряжений, которая определяется по формуле
τ
к
(5.8)
где
сопротивление деформации, которое в свою очередь можно
определять по формуле
= β · σт,
где β – коэффициент Лоде.
Следовательно, если совместить формулы (5.7) и (5.8), получим
математическое выражение для определения контактного касательного
напряжения:
τ
к
=
n
≤ (β · σт) / 2. (5.9)
Согласно полученному выражению можно сказать, что если нормальное напряжение (
n
) или коэффициент контактного трения () возрастают, то возрастает и контактное касательное напряжение (τк), но контактное касательное напряжение не может превышать значения βσт / 2.
Следовательно, закон Амонтона–Кулона применим только для не-
больших значений нормальных напряжений и контактного трения ≤ 0,5.
79
Граничные условия при решении задач обработки металлов давле-
нием задаются также по формуле Зибеля:
τ
к = s
·β·
s
, (5.10)
где
s
– фактор трения, принимаемый постоянным по всей поверхности
рения;
s
– сопротивление деформации, принимаемое осред-
ненным.
Подставив значение τк ≤ (β·σт) / 2 из формулы (5.9) в формулу (5.10),
получим величину фактора трения
s
0,5. Формула Зибеля применя-
ется для анализа следующих процессов обработки металлов давлением:
– процессов горячей объемной штамповки со всесторонним нерав-
номерным сжатием для процессов прессования, выдавливания, осадки
низких заготовок, прокатки или для процессов с большими степенями
деформации при условии, когда
ср
имеет большую отрицательную
величину;
– операций холодной листовой штамповки, а также для операций
со слабо выраженной схемой всестороннего сжатия при любых степенях деформации.
5.10. Полезное использование сил трения
В процессах обработки металлов давлением силы трения обычно от-
рицательно влияют на процесс деформирования. Они приводят к повыше-
нию технологического усилия, к увеличению неравномерности деформаций, снижающей качество изделий, к снижению стойкости инструмента.
Однако при определенных условиях силы трения влияют положи-
тельно на процессы обработки металлов давлением. В этом случае такие силы называются активными.
Влияние сил трения рассмотрим на примере процесса холодного
выдавливания детали типа стакан из короткой цилиндрической заготовки по двум схемам деформирования (рис. 5.14).
При выдавливании полости стакана в жесткой неподвижной матри-
це (см. рис. 5.14, а, в), при внедрении пуансона металл начинает перемещаться в сторону, противоположную движению пуансона. На боковой
поверхности матрицы силы трения начинают препятствовать смещению
приконтактных слоев металла, что приводит к увеличению сопротивления деформированию. Это повышает усилие деформирования заготовки.
80
а) б) в) г)
Рис. 5.14. Схемы действия сил трения
в зависимости от кинематики движения металла и инструмента:
а – матрица и нижний пуансон неподвижны (обратное выдавливание);
б – нижний пуансон неподвижен, направление движения металла
и пуансона противоположно: матрица движется в направлении течения металла;
в – матрица неподвижна: верхний и нижний пуансоны движутся вниз;
г – комбинированное выдавливание полости с двух сторон;
торец полости смещается вниз относительно стенок матрицы;
VИ – скорость истечения; VП – скорость пуансона; VM – скорость матрицы
Контактные касательные напряжения на поверхности матрицы со-
здают условия, при которых в очаге деформации возникает схема неравномерного всестороннего сжатия (см. рис. 5.14, а, в), которая приводит к
повышению пластичности материала, так как в этом случае показатель
напряженного состояния (П) будет отрицательным, а сама схема мягкой.
В схеме, приведенной на рис. 5.14, б, матрице сообщено переме-
щение в сторону перемещения металла. Причем скорость перемещения
матрицы (vм) больше скорости истечения металла (vс). В этом случае в
схеме напряженного состояния появляется одно растягивающее напряжение, что уменьшает пластические свойства, но снижает усилие деформирования на 20–30 %.
Следовательно, сделаем вывод, что во многих процессах обра-
ботки металлов давлением силы трения можно частично или полностью компенсировать за счет создания благоприятной схемы деформирования, когда инструмент принудительно перемещается в направлении течения металла.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]