РОДИОНОВ Е.М.

Конспект лекций по курсу

«Технологические основы конструирования деталей оптических приборов»

Раздел – «Технологические основы конструирования деталей, изготавливаемых методами обработки давлением»

Редакция 2009 года

1. Изготовление заготовок методами обработки давлением и технологические основы их конструирования

Обработка давлением это частичное или полное изменение формы исходной заготовки под действием внешних сил. К этому виду обработки относят горячую и холодную ковку, листовую и объемную штамповку, прокатку, волочение и многие другие операции.

Широкое использование заготовок и деталей, полученных обработкой давлением (особенно штамповкой), объясняется, прежде всего, их малой стоимостью, большой производительностью изготовления, малой материалоемкостью, высокой точностью и высоким качеством поверхности.

В оптическом приборостроении обработкой давлением получают крышки фотоаппаратов, детали кинокамер, лепестки диафрагм и многие другие детали.

1. Физические основы обработки давлением

Свойства кристаллов.Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, которое характеризуется закономерным и периодическим расположением атомов кристалла в пространстве. Они могут состоять из одного или нескольких кристаллов-зерен, отличающихся друг от друга взаимным расположением в пространстве. В таком случае тело называют поликристаллическим. Можно вырастить или найти в природе одиночный кристалл (монокристалл) любого кристаллического тела.

Понятие об упругой и пластической деформации.Деформацией называют процесс изменения формы и размеров металлического тела, под воздействием приложенных к нему нагрузок, при этом необходимо различать упругую (обратимую) и пластическую (остаточную) деформацию. Если после снятия внешних сил деформированное тело полностью восстанавливает свои размеры и форму, то такую деформацию называют упругой.Пластическойдеформацией называют такую, при которой после снятия внешней нагрузки тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры.

Рисунок 1

Рисунок 2

Сущность упругой деформации. Между атомами твердого теласуществуют силы взаимного притяжения и отталкивания: первые стре­мятся сблизить атомы, вторые - удерживают их от тесного сближе­ния. При этом вся система атомов находится в положении устойчи­вого равновесия. При наложении внешних сил атомы смещаются, рас­стояние между ними изменяется и равновесие нарушается.

При снятии внешних сил вся система атомов возвращается в ис­ходное положение.

Следовательно, механизм упругой деформации заключается в отклонении от положения устойчивого равновесия.

Деформация тела сопровождается изменением свойств тела: цвета, электропроводности, растворимости в кислотах, магнитнойпроницательности. При упругом деформировании изменение свойств обратимо.

Механизм пластической деформации. Пластическая деформация происходит в результате относительного перемещения атомов в но­вые положения устойчивого равновесия на расстояние, значительнопревышающее расстояние между атомами в кристаллической решетке.

Пластическая деформация монокристалла происходит в основном двумя путями: скольжением и двойникованием.

Скольжение представляет собой параллельное смещение тонких слоев кристалла относительно смежных. Пересечение поверхностей сколь­жения с поверхностью кристалла называютполосой скольжения(рисунок 1,а). Расстояние между слоями (по экспериментальным измерени­ям) ~ I мк, а расстояние между соседними атомными плоскостями 10^-4 мк. Обычно плоскостями скольжения в кристаллах являются плоскости наибольшей упаковки атомов. Скольжение атомов начина­ется в одном или нескольких участках плоскости скольжения и за­тем распространяется на всю плоскость.

Для объяснения процесса скольжения пользуются теорией дисло­каций. Дислокации - это области с дефектами кристаллической ре­шетки, имеющие линейные размеры. Дислокации являются причиной уменьшения прочности материала во много раз.

Двойникование - это механизм пластической деформации, при­водящей к симметричному изменению ориентировки одной части крис­талла относительно другой. В результате первая часть становится зеркальным отображением второй (рисунок 1,б).

Пластическая деформация при этом механизме деформации невелика. Иногда двойникование сопровождается значительным увеличением объема тела (на 50%), что объясняется образованием в некото­рых случаях пустот.

Пластическая деформация поликристалла.При деформации монокристалл разделяется плоскостями скольжения и двойникования наотдельные блоки, имеющие внутри правильное кристаллическое строе­ние. Таким образом монокристалл превращается в поликристалл, состоящий из зерен.

Дальнейшая деформация складывается из деформации зерен и межзеренной деформации.

Различие деформации поликристалла от деформации монокристал­ла заключается в том, что плоскости скольжения (наибольшей упа­ковки атомов) в отдельных зернах ориентированы не одинаково. В результате приложения внешних сил деформация в зернах будет происходить не одновременно. Сначала - в зернах с благоприятнойориентировкой по отношению к сдвигающему (касательному) напряже­нию, а затем постепенно во всех остальных, когда величина каса­тельного напряжения и для их положения достигнет максимальной величины. В результате процесса скольжения в поликристаллическом теле, как и в монокристалле, на поверхности появляется линия сколь­жения. След скольжения часто портит внешний вид деталей. С целью предупреждения возникновения линий скольжения заготовки передформоизменением подвергают дрессировке - небольшой степени деформации по толщине, так как линии скольжения возникают при небольшой степени деформации. При дальнейшем увеличении степени деформации вся поверхность тела покрывается линиями скольжения, и поэтому их следов заметить нельзя.

Дальнейшее увеличение деформации поликристаллического тела кроме этого приводит к тому, что зерна получаютвытянутуюформув направлении интенсивного течения. Определенная ориентировка вытянутых при пластической деформации зерен называется полосча­тостью микроструктуры.

Одновременно с изменением формы зерен происходит поворот кристаллографических осей отдельных зерен. По мере протекания пластических деформаций разница в направлениях кристаллографиче­ских осей уменьшается. Это приводит к тому, что при значительной пластической деформации возникает преимущественная ориентировка кристаллографических осей поликристалла, которую называют текстурой. Возникновение текстуры приводит к анизотропии свойств поликристалла. Так прокат листового материала часто ведут в одном направлении; при этом возникает анизотропия механических свойств. Анизотропия отрицательно сказывается на качестве изделий. В некоторых случаях требуется дополнительная операция (например, обрезка торца).

Упрочнение при холодной пластической деформации и выделение тепла.Пластическая деформация поликристалла приводит не только к изменению механических свойств, но и физических и химических.

С увеличением степени деформации: увеличиваются пределы уп­ругости, текучести и прочности, увеличивается твердость металла, уменьшаются показатели пластичности (относительное удлинение и сужение, ударная вязкость); увеличивается электросопротивление, уменьшается сопротивление коррозии, теплопроводность, изменяются магнитные свойства ферромагнитных материалов и т.д. Совокупность всех явлений, связанных с изменением механических и физико-хими­ческих свойств материалов, называется упрочнением (наклепом). В настоящее время природа упрочнения полностью не выяснена. Изменение механических свойств, связанное с увеличением прочностных характеристик, объясняют искажением пространственной решетки, искажением плоскостей скольжения, концентрацией обломков зерен на поверхностях скольжения.

С изменением степени деформации величина сопротивления деформированию увеличивается по сравнению с начальным сопротивлением в 2 и более раз. При пластической деформации вследствие внутреннего трения значительная часть работы (до 90%) переходит в тело, 1 температура может значительно повыситься.

Влияние холодной пластической деформации на физико-механические свойства.Холодная пластическая деформация влияет не толь­ко на механические, но и на другие свойства, зависящие от структуры металла.

Так, например, с увеличением холодной пластической деформа­ции магнитная проницаемость, магнитная восприимчивость, магнит­ное насыщение и остаточная индукция уменьшаются,коэрцитивная си­ла и гистерезис -увеличиваются. Это является следствием нарушения распределения магнитных полей кристаллической решетки.

При холодной пластической деформации увеличивается электри­ческое сопротивление, так у вольфрамовой проволоки оно повышается на 30-50%, кроме того: уменьшается теплопроводность, повышается обрабатываемость резанием, увеличивается химическая активность и т.п.