Силы, напряжения и деформации при обработке давлением

При обработке давлением пластическая деформация осуществляется за счет системы внешних активных сил, создаваемых машиной- орудием (прессом, молотом и др.) и с помощью инструмента прикладываемых к деформируемой заготовке. При ручной ковке металл деформируется под действием ударов кувалдой, гладилкой и другого кузнечного инструмента.

Рассмотрим силовое взаимодействие между инструментом и заготовкой при наиболее часто применяемой операции — осадке (рис. 2.5).

Силовое воздействие инструмента на обрабатываемую заготовку определяется усилием, действующим на единицу площади контакта между инструментом и заготовкой. Это усилие называется удел ь- ным усилием деформирования или контактным напр я- Р ж е н и е м и определяется по формуле стк = p/fk, где р

полное усилие деформирования, FK — площадь поверхности контакта между инструментом и заготовкой.

Течение металла при деформировании сопровождается скольжением его частиц по поверхности инструмента. В результате между инструментом и заготовкой возникают напряжения контактного трения г, направление которых противоположно течению металла. Наличие трения вызывает увеличение необходимого усилия дефор мирования, повышает износ инструмента, является причиной неоднородной деформации. Например, при осадке цилиндрическая заготовка приобретает бочкообразную форму, а различные ее объемы подвергаются различным по значению деформациям. В большинстве случаев трение является вредным и его стараются уменьшить, применяя различные виды смазок и уменьшая шероховатость рабочей поверхности инструмента.

Под действием внешних сил в деформируемой заготовке возникают внутренние силы, противодействующие внешним и уравновешивающие их. Внутренняя сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения заготовки, называется напряжением а. Являясь векторной величиной, напряжение определяет не только значение внутренних сил, но и их направление.

Выделим в деформируемой заготовке (см. рис. 2.5) малый элемент в виде кубика со стороной, равной единице. На его грани в общем случае действуют напряжения а,, а2 и а3, определяющие напряженное состояние металла в выбранной точке тела.

При действии на материальную точку одного напряжения оi (рис. 2.6,1) напряженное состояние называют одноосным или л и- н е й н ы м, при одновременном действии двух напряжений а, и а2 (рис. 2.6, ii) — двухосным или плоским, при действии трех напряжений а,, а2 и а3 (рис. 2.6, iii) — трехосным или объемным. Напряженное состояние металла зависит от выполняемой операции, формы заготовки, значения трения на контактной поверхности и др.

Так, при растяжении длинного стержня (рис. 2.1, а) металл деформируется в условиях линейного (одноосного) напряженного состояния.

Плоская пластина (рис. 2.7, б), растягиваемая, например, в двух взаимно перпендикулярных направлениях, находится в условиях плоского (двухосного) напряженного состояния. В большинстве случаев обработки давлением и особенно при выполнении операций ковки металл деформируется в условиях объемного напряженного состояния. Так, при осадке цилиндрической заготовки металл в центральной части (см. рис. 2.5) деформируется в условиях объемного (трехосного) напряженного состояния сжатия. Слои металла периферийной части заготовки деформируются по схеме трехосного напряженного состояния с двумя сжимающими и одним растягивающим напряжением.

Рассмотрим условия, при которых совершается пластическая деформация.

При одноосном сжатии или растяжении (см. рис. 2.6,7) состояние текучести в металле наступает, когда напряжение о1 достигает некоторой вполне определенной для данного металла величины ат, называемой пределом текучести. Эта величина, количественно определяющая сопротивление металла деформированию, является характеристикой материала и зависит от температуры, степени и скорости деформации, т. е. от условий деформирования. Дня большинства применяемых в машиностроении металлов и сплавов предел текучести определяют экспериментально на испытательных машинах путем растяжения специальных образцов при соответствующих температурах.

Для различных напряженных состояний условия текучести можно выразить следующим образом: для одноосного Оу = ат; для двухосного Оу + а3 2 — ох а3 = ат 2 ; для трехосного (at — а2) 2 + (а2 — а3) 2 + (а3 — ог) 2 = ат 2 . Интересным является тот факт, что если металл деформировать в условиях трехосного равномерного сжатия (a, = а2 = а3), то как бы ни велики были эти напряжения, металл пластически деформироваться не будет, наблюдаются только упругие деформация и уменьшение объема. Так, при всестороннем сжатии стального образца под давлением 1000 МН/м 2 (например, в специальном контейнере с жидкостью) объем его упруго уменьшается примерно на 0,6 %. Чем ближе напряженное состояние к схеме всестороннего сжатия, тем большие удельные усилия деформирования требуются для выполнения операции.

Для определения полного усилия деформирования выведены специальные теоретические формулы применительно к различным операциям обработки давлением. Эти формулы приводятся ниже при рассмотрении соответствующих операций ковки.

Перейдем к изучению деформаций металла при обработке давлением. Рассмотрим деформацию цилиндрической заготовки (см. рис. 2.5) высотой #0 и диаметром D0 при ее осадке. Под действием усилия Р высота заготовки уменьшается с Н0 до Ну, а диаметр D0 увеличивается до D1. Величина АН = На — называется абсолютной

деформацией. При осадке абсолютная деформация определяет абсолютное изменение линейного размера, не характеризуя степени воздействия на металл.

Деформация металла при растяжении может быть определена также величиной, называемой относительной поперечной деформацией или коэффициентом вы тяжки: ц = (F0 — Fx) /F0, где F0 и Fi — площади поперечного сечения заготовки соответственно до и после деформации.

В кузнечном производстве широко применяют операцию п р о- т я ж к и, которая состоит в уменьшении площади поперечного сечения заготовки и увеличении ее длины путем нанесения ударов по боковой поверхности заготовки или нажатий на нее. Деформацию заготовки в этом случае принято определять коэффициентом У =F0/Fi, называемым степенью укова или у к о в о м (рис. 2.8).

Сопротивление металла деформированию во многом зависит от скорости деформации, 1/с. Средняя скорость деформации е = е/Дг, где е и At — соответственно степень и время деформации. Скорость деформации не следует отождествлять со скоростью деформирования, т. е. скоростью движения деформирующего инструмента относительно заготовки, м/с.

Обрабатываемые в кузнечном производстве металлы и сплавы обладают различными пластическими свойствами, или п л а с т и ч- н о с т ь ю. Наиболее распространенным и удобным методом определения пластичности является испытание на растяжение, которое проводится на образцах, форма и размеры которых должны соответствовать ГОСТ 1497—84. Пластичность при растяжении оценивают какой-либо из двух величин — относительному удлинению 5 или относительному сужению ф образца, %: 5 = [(/к -/0)//0] • ЮО; ф = [ (F0 — FK)IF0] х х 100, где /к и FK — соответственно длина образца после разрыва и площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Показатели пластичности, определенные по результатам испытаний на сжатие (5СЖ) или растяжение (5), недостаточно полно характеризуют способность металла подвергаться тем или другим методам обработки давлением и, в частности, операциям ковки (прошивке, гибке, скручиванию и др.). Более близкими к действительности и полезными для практики являются испытания на технологическую пластичность. Они состоят в том, что пластичность определяется в условиях выполнения той или иной конкретной операции. Например, пластичность при протяжке определяется путем поперечного обжатия длинной заготовки (а не продольного, как при осадке) . Чем выше технологическая пластичность, тем большей степени деформации можно подвергнуть металл в процессе выполнения данной операции.

Наряду с пластичностью и технологической пластичностью для оценки степени обрабатываемости металлов давлением используют такое понятие, как ковкость, одновременно характеризующую и пластичность металла, и его сопротивление деформированию. Чем выше пластичность металла и меньше его сопротивление деформированию, тем выше ковкость.

Для осуществления пластической деформации необходимо затратить определенную механическую энергию, знание величины. которой помогает правильно выбрать необходимое оборудование и определить трудоемкость обработки.