- •Материаловедение и технология конструкционых материалов
- •Часть II Обработка металлов резанием, давлением, СварКой
- •Введение
- •Раздел I. Обработка резанием
- •1. Характеристики способов обработки резанием, деформации и силы резания
- •1.1. Способы обработки резанием
- •1.2. Металлорежущие станки
- •1.3. Режущие инструменты, действительные углы режущего лезвия
- •1.4. Характеристики режима резания и сечения срезаемого слоя
- •2. Деформации, напряжения, силы и температуры при резании
- •2.1. Схематизация стружкообразования и характеристики деформаций при резании
- •2.2. Силы при точении
- •2.3. Схема и расчет сил при торцовом фрезеровании
- •2.4. Предел текучести и температура деформации при резании
- •2.5. Температура полуплоскости от равномерно распределенного быстродвижущегося источника тепла
- •2.6. Температура передней поверхности режущего лезвия
- •2.7. Температура задней поверхности режущего лезвия
- •3. Износостойкость инструмента и режимы резания, проектирование технологического процесса
- •3.1. Изнашивание и износостойкость режущих инструментов
- •3.2. Обрабатываемость материалов, характеристики обрабатываемости
- •3.3. Назначение режимов резания и параметров инструмента при обработке резанием
- •Раздел II. Обработка металлов давлением в металлургии и машиностроении
- •4. Горячая и холодная обработка металлов давлением. Прокатка
- •4.2. Нагрев заготовок перед обработкой давлением
- •4.3. Прокатка: схемы процесса, продукция, оборудование и инструмент
- •4.4. Деформации при прокатке
- •4.5. Мощность и усилия деформирования при прокатке
- •4.6. Теплообмен и температура при горячей прокатке
- •5. Волочение и прессование
- •5.1. Волочение: схема процесса, продукция, оборудование и инструмент
- •5.2. Деформации и напряжения при волочении
- •5.3. Работа, мощность и усилия при волочении
- •5.4. Температура при волочении
- •5.5. Прессование: схемы процесса, продукция, инструмент
- •5.6. Деформации, работа и усилия деформирования при прессовании
- •6. Способы обработки металлов давлением в машиностроении
- •6.1. Общая характеристика операций ковки и горячей объемной штамповки
- •6.2. Оборудование для ковки и штамповки
- •6.3. Деформации, работа и усилия при различных операциях ковки и штамповки
- •6.4. Нагрев и охлаждение штампов при горячей штамповке
- •6.5. Холодная листовая штамповка
- •Раздел III. Теплофизические основы и технологии сварочного производства
- •7. Характеристика способов сварки и схематизация сварочных процессов
- •7.1. Классификация и технологические характеристики различных способов сварки
- •7.2. Основные источники энергии, применяющиеся при сварке
- •7.3. Схематизации процессов распространения тепла при сварке
- •7.4. Тепловой баланс электрической дуговой сварки
- •8. Способы термической сварки
- •8.1. Ручная дуговая сварка
- •8.2. Автоматическая дуговая сварка под флюсом
- •8.3. Сварка в защитных газах
- •8.4. Плазменная сварка и резка
- •8.5. Электрошлаковая сварка
- •8.6. Газовая сварка
- •9. Термомеханические способы сварки
- •9.1. Электрическая контактная стыковая сварка
- •9.2. Электрическая контактная точечная сварка
- •9.3. Электрическая контактная шовная сварка
- •9.4. Конденсаторная сварка
- •9.5. Сварка трением
- •9.6. Ультразвуковая сварка
- •Раздел IV. Изготовление деталей из композиционных материалов, электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •10. Получение деталей методом порошковой металлургии
- •10.1. Технологический процесс получения деталей методом порошковой металлургии
- •10.2. Получение порошка исходного материала
- •10.3. Формование заготовок
- •10.4. Спекание и доводка заготовок
- •11. Производство изделий из полимерных материалов
- •11.1. Способы формообразования деталей из полимеров в вязкотекучем состоянии
- •11.2. Обработка полимеров в высокоэластичном состоянии
- •11.3. Обработка полимерных материалов в твердом состоянии
- •11.4. Сварка полимерных материалов
- •12. Электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •12.1. Классификация электро-физико-химических методов
- •12.2. Электроэрозионная обработка
- •12.3. Схемы наиболее широко применяемых методов электроэрозионной обработки:
- •12.3. Электрохимическая (анодно-химическая) обработка
- •12.4. Ультразвуковая размерная обработка
- •12.4. Схема ультразвуковой размерной обработки прошиванием (долблением):
- •12.5. Лучевая обработка
- •12.5. Концентрация энергии (плотность мощности) различных тепловых источников:
- •12.6. Комбинированные процессы обработки
- •12.7. Нетрадиционные методы обработки
- •12.8. Методы формирования изделий путем наращивания
- •12.9. Методы поверхностной модификации свойств изделий
- •Библиографический список
5.3. Работа, мощность и усилия при волочении
Удельная работа деформации в элементарном объеме с координатами может быть вычислена как произведение интенсивности деформаций на интенсивность напряжений
. (5.11)
Удельная работа при холодной деформации значительно больше, чем при горячей. Это связано с более высокими значениями предела текучести при холодной деформации.
Неоднородность деформации по объему заготовки вызывает и неоднородность интенсивности напряжений, которую также нельзя считать постоянной по всему деформированному объему. Так, например, при волочении углеродистой проволоки (C = 0,9 %) удельная работа вблизи оси проволоки при деформации и пределе текучести 1500 МПа равна 300 МПа, а на поверхности при и пределе текучести 2000 МПа равна 1200 МПа, т. е. в 4 раза больше.
Средняя удельная работа при волочении зависит и от изменяющейся интенсивности деформаций и от изменяющейся по объему интенсивности напряжений.
(5.12)
Мощность деформирования при волочении определим как произведение средней удельной работы на объем металла, проходящий через очаг деформации за единицу времени:
(5.13)
Часть мощности необходимо затрачивать на преодоление сил трения, возникающих в деформирующем конусе и на цилиндрическом калибрующем участке (рис. 5.9)
На цилиндрическом калибрующем участке сила трения равна:
(5.14)
Подставляя в (6.61) вместо площади поверхности цилиндрического пояска площадь поверхности усеченного конуса (рис.14.9), получим:
(5.15)
Рис. 5.9. Схема сил, действующих на проволоку в фильере при волочении
Мощность, затрачиваемая на преодоление трения, будет:
где – максимальный предел текучести на поверхности проволоки с учетом упрочнения, в МПа, d – диаметр проволоки, h – длина калибрующего пояска, в мм, – коэффициент трения.
Суммарная эффективная мощность, необходимая на преодоление трения и на деформацию равна:
(5.16)
Силу волочения вычислим как отношение мощности деформирования к скорости волочения, т. е.
(5.17)
Для практических расчетов возможно применение упрощенных формул, например:
, (5.18)
где – средняя величина предела текучести материала.
Из условий отсутствия пластических деформаций изделия вне очага деформации и прочности проволоки (или прутка, трубы) сила волочения не должна создавать в проволоке нормальных напряжений, близких к пределу текучести деформированного металла.
(5.19)
5.4. Температура при волочении
Температура протягиваемого материала при волочении определяется двумя источниками теплоты: неравномерно распределенной работой деформации и поверхностным трением материала на деформирующем и калибрующем участках.
Температура деформации в начальный момент тепловыделения может быть определена делением удельной работы на удельную объемную теплоемкость:
(5.20)
В последующие моменты эта температура выравнивается и приближается к средней (рис. 14.10).
Рис. 5.10. Влияние деформации и механических свойств стали с различным содержанием углерода на температуру деформации
Температура от трения может быть вычислена с помощью рассмотренного выше решения о температуре от равномерного быстродвижущегося источника тепла:
. (5.21)
В частности, при μ = 0,1, σТmax = 1500 МПа, СV = 5 МДж/(м3К), v = 0,5 м/с, (l+h) = 0,01 м, ω = 8·10–6 м2/с температура равна θ(l+h) = 500°С.
Таким образом, с учетом средней температуры деформации максимальная температура поверхности проволоки в рассматриваемом примере при выходе проволоки из фильеры равна 850 °С. Средняя температура контактной поверхности фильеры с проволокой существенно ниже. Такие температуры примерно соответствуют теплостойкости применяемых вольфрамокобальтовых твердых сплавов.
При волочении медной или алюминиевой проволоки механические характеристики ниже, а теплофизические характеристики значительно выше. Поэтому теплостойкость твердосплавных фильер допускает применение значительно более высоких скоростей волочения. С уменьшением диаметра проволоки значительно уменьшаются длины деформирующего конуса и калибрующего пояска, что также способствует уменьшению температуры или допускает применение более высоких скоростей волочения. Это и наблюдается на практике.
При многократном волочении последовательная деформация приводит к повышению температуры деформации. Кроме того, для натяжения проволоки в некоторых конструкциях волочильных станов предусматривается ее проскальзывание относительно поверхности барабана, что также вызывает ее дополнительный нагрев. Поэтому при работе с большими скоростями и многократном волочении требуется интенсивное охлаждение проволоки. Охлаждение проволоки осуществляется эмульсией, а барабанов – водой. При волочении высокоуглеродистой и легированной стальной проволоки применяется воздушное охлаждение проволоки.