Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие методы формообразования полостных элементов в деталях с высокими эксплуатационными характеристиками 11
1.1. Область применения, конструктивные особенности и условия эксплуатации деталей с высокими эксплуатационными характеристиками 11
1.2. Существующие методы изготовления 23
1.3. Получение полостей методами пластического деформирования 34
1.4. Выводы 45
2. Методика анализа процесса выдавливания полостей переменного сечения 46
2.1. Основные положения теории плоской деформации. Метод «верхних» оценок 46
2.2. Подход к анализу нестационарных процессов выдавливания 66
2.3. Методика определения технологических возможностей процесса формообразования полостных элементов 68
2.4. Выводы 79
3. Анализ процесса формообразования полостных элементов задаваемой конфигурации с высокими механическими характеристиками металла 81
3.1. Анализ процесса выдавливания полости с различными геометрическими параметрами 81
3.2. Анализ процесса выдавливания с учетом контактного трения 102
3.3. Способы снижения удельного усилия на инструмент 111
4. Экспериментальное исследование и разработка технологического процесса выдавливания полости 118
4.1. Определение удельных усилий 118
4.2. Определение локальных деформаций с помощью делительной сетки 123
4.2.1. Метод делительных сеток 123
4.2.2. Методика расчета локальных деформаций 128
4.3. Разработка технологического процесса формообразования полости 136
4.4. Выводы 138
Основные результаты и выводы 140
Библиографический список 142
Приложение 152
- Существующие методы изготовления
- Подход к анализу нестационарных процессов выдавливания
- Анализ процесса выдавливания с учетом контактного трения
- Определение локальных деформаций с помощью делительной сетки
Введение к работе
Детали с полостями осесимметричной формы являются широко распространенными как в инструментальном производстве, так и в системах точного машиностроения. При изготовлении формообразующих деталей (ФД) пресс-форм и штампов значительное место занимают осесимметрич-ные детали с полостями (матрицы пресс-форм, холодной и горячей штамповки, в том числе для вытяжных, чеканочных, гибочных штампов и т.д.). В отрасли точного машиностроения также накоплен большой опыт по технологии изготовления полостньгх элементов в деталях с высокими эксплуатационными характеристиками (испытывающих высокие импульсные нагрузки, давления, тепловые удары, значительные деформации). Важной технологической задачей является снижение их себестоимости и обеспечение высоких эксплуатационных характеристик. Дію ее решения проводится исследование, разработка и внедрение прогрессивных технологий. Значительное место в них отводился процессам обработки давлением (ОД). Производственный опыт изготовления инструмента с использованием методов ОД свидетельствует о высокой технико-экономической эффективности технологических процессов ОД, позволяющих существенно повышать стойкость инструмента при значительном снижении трудоемкости его изготовления и снижении расхода дорогостоящих материалов по сравнению с традиционными технологиями. К ним относятся процессы выдавливания, позволяющие эффективно и с минимальными затратами получать детали с полостными элементами весьма сложной формы, которые обработкой резанием выполнить трудно или вовсе невозможно.
В справочной литературе приводится классификация форм изделий, получаемых вьщавливанием [4, 5, 20, 25-27, 37, 38]. Вьщавливанием можно получить либо стержневые детали (с головками, отростками, буртами, ступенями с различной формой сечения в ступенях, с неглубокими центровочными полостями и т.д.), либо трубчатые (с дном, с внутренней перемычкой, ступенчатые, с буртами и фланцами, со стержневыми или трубчатыми отростками и др.), либо детали, сочетающие трубчатую и стержневую части (стаканы со стержнями в дне, кольцевые стаканы или трубы с кольцевой полостью и т.д.). Таким образом, получаемые детали можно свести к трем видам воздействия инструмента на заготовку:
- внедрение инструмента в заготовку (для получения различных полостей);
- обжатие заготовки (для получения из вытесненного металла стержней и буртов различных форм);
- сочетание внедрения с обжатием (для получения всякого рода полых стержней, буртов и фланцев).
Быстрое развитие технологии выдавливания связано с ее большими возможностями, как, например, производством деталей с таким разнообразием сечений, которое не может обеспечить почти ни одна механическая обработка резанием. Необходимо добавить, что эта технология является практически идеальной, если необходимо получить длинное изделие с однородным переменным сечением. Детали с различным поперечным сечением можно изготовлять на том же оборудовании, сменив только штампы. В настоящее время эту технологию применяю! во всех передовых странах для изготовления дешевых изделий из стали и цветных металлов.
Детали точных размеров могут быть получены вьщавливанием или комбинацией выдавливания с другими способами обработки давлением, например, такими, как штамповка, высадка и др. Выдавливание нашло широкое распространение для изготовления в первую очередь осе симметричных деталей. Г.Д. Фельдман [73] предложил классификацию стальных деталей, изготовленных холодным вьщавливанием, которая представлена на рис. 1. Он подразделяет все многообразие деталей на следующие классы: а) с различной формой головок; б) с различной формой стержней; в) с различными формами головок и стержней; г) полые с днищами и без днищ; д) полые со сложной формой боковой поверхности; е) со сложной формой наружной и внутренней поверхностей. Разнообразие деталей из цветных металлов еще больше и включает детали с продольными пазами.
В последние годы, в связи с экономией материалов и повышением цен на них, интерес к пластическому деформированию и, в частности, к операциям выдавливания еще более увеличился. Пластическое формообразование металлов в массовом производстве обеспечивает высокую производительность и находит все большее распространение для изготовления деталей, заменяя механическую обработку резанием. Технология выдавливания позволяет быстро и экономично изготовлять детали, обладающие высокими механическими свойствами и высокой точностью размеров, причем последующая механическая обработка резанием либо не нужна, либо сведена к минимуму, что приводит к экономии металла.
Процесс выдавливания по сравнения с другими штамповочными операциями дает реальный ощутимый экономический эффект при использовании его в производстве деталей из различных материалов и сплавов. Этот эффект связан с сокращением длительности технологического цикла, с экономией метала, с получением качественных характеристик, повышающих эксплуатационные свойства изделий. Так анализ технологических процессов показывает, что 40-75% от общего времени изготовления деталей резанием идет на образование полости. При этом коэффициент использования материала очень не высок.
Экономия при изготовлении полости детали выдавливанием (вместо резания) определяется в основном сложностью формы полости и потребным количеством одинаковых деталей. Чем больше размер партии деталей и чем сложней профиль полостей, тем больше их экономический эффект. Применение процесса выдавливания экономически оправдано уже при изготовлении двух одинаковых деталей, имеющих относительно сложный профиль полости. Иногда изготовление деталей резанием требует создания специального дорогостоящего инструмента (специальные фрезы, шаблоны и др.) или большой затраты ручного труда. В таком случае различной формой головок; 6-е различной формой стержней; в с различными формами головок и стержней; г - полые с днищами и без днищ; д - полые со сложной формой боковой поверхности; е - со сложной формой наружной и внутренней поверхностей экономически целесообразным изготовление выдавливанием детали даже в единичном производстве.
Экономическая эффективность также зависит от стойкости деталей. Доказано, что стойкость деталей, изготовленных выдавливанием выше, чем деталей, изготовленных резанием. Например, стойкость матрицы для прессования корпуса электробритвы из аминопласта, изготовленной выдавливанием из сплава армко, составляет 48-52 тыс. штук, а той же матрицы, изготовленной только резанием из более прочной стали марки 12ХНЗА - 30-35 тыс. штук [33].
Наиболее изученными являются процессы формообразования полостей постоянного поперечного сечения. Большинство авторов рассматривают процесс формирования полости цилиндрическим пуансоном с плоским торцем. Ряд авторов исследовали процесс выдавливания пуансоном с малым углом конусности, одно- или двухступенчатым пуансоном или цилиндрическим пуансоном с коническим или сферическим торцем [2, 4, 7, 17, 20]. Однако количество таких работ на порядок меньше.
Значительно менее изученными являются процессы получения полостей переменного сечения. Нестационарный характер процесса пластического течения металла затрудняет проведение анализа напряженно-деформированного состояния. Данному вопросу посвящены работы А.В. Лясникова [37, 38], Д.П. Кузнецова [33], АИ. Хыбемяги [77-81], П.С. Лер-нера [34, 35] и др.
Учитывая перечисленные преимущества процесса выдавливания полостей переменного сечения и перспективы его использования для получения осесимметричных деталей разнообразных форм, в частности ФД пресс-форм и штампов, тему данной работы следует считать актуальной.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена оценке технологических возможностей пластического формообразования выдавливанием полостей переменного сечения в деталях штампов и пресс-форм на основе анализа напряженно-деформированного состояния.
Научная новизна. Определение напряженно-деформированного состояния и связанных с ним технологических параметров при формообразовании полостей переменного сечения.
Автор защищает:
- результаты анализа энергосиловых параметров нестационарного процесса формообразования полостей;
- результаты экспериментального исследования кинематики процесса с помощью метода делительных сеток;
- результаты по исследованию технологических возможностей процесса формирования полостей переменного сечения;
- разработанный технологический процесс изготовления матрицы для пресс-формы на деталь "уплотнитель".
В первом разделе диссертации рассматриваются существующие методы формообразования полостей в деталях с высокими эксплуатационными нагрузками на рабочий инструмент, анализируются их конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики. Обращается внимание на целесообразность изготовления деталей этого класса методами пластического деформирования по сравнению с другими методами изготовления.
Второй раздел посвящен методике определения технологических возможностей процесса выдавливания для полостей переменного сечения с помощью метода «верхних» оценок. Обращается внимание на необходимость поэтапного анализа процесса в связи с его не стационарностью.
В третьем разделе работы проводится анализ процесса формообразования полостных элементов задаваемой конфигурации. Анализируется изменение параметров процесса выдавливания в зависимости от угла конусности, соотношения внутреннего диаметра полости и наружного диаметра изделия при различных условиях контактного трения. Рассматриваются способы снижения локальных нагрузок на инструмент.
Четвертый раздел посвящен экспериментальному исследованию и разработке технологического процесса выдавливания полости. Получена экспериментальная оценка удельных усилий. С использованием метода делительной сетки установлены распределение деформаций в зоне формообразования и расположение зон интенсивной локальной деформации. На основе предлагаемых рекомендаций разработан технологический процесс формообразования выдавливанием матрицы для детали «уплотнитель». Приводятся данные по экономической эффективности технологического процесса.
В заключении приводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.
Приложение содержит программу для расчета деформаций в ячейках делительной сетки, координаты точек делительной сетки, методику и расчетные данные по учету эффекта тепловьщеления в интервале температур полугорячего выдавливания, а также справки об использовании результатов работы.
Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту кафедры ТМ Котлярову B.C. за оказанные помощь и консультации, способствовавшие выполнению данной работы.
Существующие методы изготовления
Для изготовления матриц штампов применяют следующие технологические приемы [34, 35, 77-81]:- разметка и сверление отверстия в матрице после слесарной приработки;- одновременная разметка и сверление отверстия матрицы за одну установку до слесарной приработки;- изготовление матрицы профильным шлифованием (без слесарных доработок); - электроэрозионная обработка матрицы также без слесарных доработок.
Основным способом получения полостей инструмента на предприятиях является слесарно-механический. Резанием изготавливают полости всех групп с любым соотношением поперечных и продольных размеров. Иногда, с целью удовлетворения требованиям технологии резания, ФД изготавливают составными. Для получения полостей пресс-форм и штампов асимметричной формы (группы 2-4 табл. 1.1 и 1-9 табл. 1.3) используют универсальные фрезерные станки, для изготовления матриц листовой штамповки (группы 1-8 табл. 1.2) и других - универсальные токарные и шлифовальные станки [34]. Для получения штампов горячей штамповки применяются копировально-фрезерные станки типа 65А. Фрезерование полостей требует применения большого числа специального инструмента. Необходимость частой смены инструмента и постоянного контроля размеров полости, плохая обрабатываемость штамповых сталей являются причиной низкой производительности труда. Для изготовления осесиммет-ричных глухих и сквозных полостей матриц листовой штамповки применяется различное универсальное оборудование. На предприятиях изготавливают матрицы с использованием следующего металлорежущего оборудования: фрезерно-отрезного, токарно-револьверного, токарно-винторез-ного, сверлильного, горизонтально-фрезерного, внутришлифовального и полировочного.
Процесс изготовления деталей штампов включает следующие этапы:- механическая обработка заготовок;- слесарная обработка рабочих деталей;- термическая обработка;- механическое шлифование деталей после термической обработки;- ручное шлифование и доводка рабочих поверхностей деталей. Обработка заготовок деталей штампов в зависимости от формы иразмеров, указанных на чертеже, может включать следующие операции: координатное растачивание, контурное фрезерование, фасонное строгание, долбление отверстий, токарную обработку (обтачивание, растачивание, доводку, полирование), круглое, наружное и внутреннее шлифование, электроэрозионную или ультразвуковую обработку фигурных контуров полостей.
При изготовлении матриц штампов для холодной штамповки наиболее сложно выполнить рабочий профиль матрицы. Формообразующий контур и формообразующие отверстия матрицы обычно выполняют на ко-ординатно-расточном станке. Несложные и неточные формообразующие контуры матриц размечают и выполняют сверлением на обычном сверлильном станке. Механическую обработку матрицы после разметки и сверления (растачивания) обычно проводят на широко-универсальных фрезерных и вырезных станках. Контур матрицы следует фрезеровать в том случае, если какой-либо из габаритных размеров меньше 10x10 мм. Если габаритные размеры контура матрицы превышают эту величину, то рекомендуется проводить обработку на специальных вырезных станках ленточными пилами.
Изготовление матриц для штамповки деталей, имеющих круглую форму, не представляет технологических трудностей. Заготовку после отжига обтачивают и растачивают на токарном станке. После закалки окончательно обрабатывают на плоскошлифовальном, круглошлифовальном и внутришлифовальном станках [6].
Доводка и полирование являются операциями окончательной обработки деталей штампов. Особенно часто эти операции применяются при изготовлении вытяжных штампов и штампов для холодного прессования и выдавливания.
Доводке подвергают главным образом закаленные детали штампов. Сущность процесса доводки заключается в обработке поверхности детали твердыми и мягкими абразивными материалами. Чем точнее должна быть обрабатываемая поверхность, тем меньше должна быть скорость доводки.
Подход к анализу нестационарных процессов выдавливания
Процесс выдавливания полостей переменного сечения является нестационарным. В отличие от стационарного течения, когда границы пластической области с течением времени не изменяются, при нестационарном течении границы пластической области непрерывно видоизме ю ся. Это обстоятельство существенно усложняет решение технологической задачи, так как необходимо отслеживать изменение размеров и формы области пластической деформации.
Рассмотрим методику учета нестационарности для процесса выдавливания. Для того, чтобы отследить изменение размеров области пластической деформации, будем рассматривать весь процесс, состоящим из нескольких стадий. Количество стадий ограничивается сложностью расчета параметров процесса. Поэтому будем рассматривать начальную, конечную и одну промежуточную стадии (рис.2.11).
Одним из параметров, влияющих на величину усилия, является суммарная длина линий разрыва скорости. При переходе от одной стадии к другой видно, что суммарная длина линий разрыва скорости изменяется неоднозначно. Известно, что на величину суммарной длины значительное влияние оказывает площадь жесткой области под пуансоном [98, 20], т.е. с увеличением глубины внедрения пуансона площадь жесткой области уменьшается. Это влияние особенно заметно при отношении диаметра матрицы к диаметру торца пуансона DMldmopn 2 и при наличии контактного трения. В своих работах Р. Хилл [96-99], В. Джонсон и X. Кудо [15], А.К. Евдокимов [20] показали, что при выдавливании плоскокоігусньїм пуансоном уменьшение площади жесткой области в течение процесса приводит к значительному снижению удельного усилия.
Таким образом, при анализе процесса выдавливания плоскоконусным пуансоном нельзя ограничиваться рассмотрением начальной и конечной стадий из-за существенной нестационарности процесса. Количество рассматриваемых стадий ограничивается сложностью выбранного кинематически возможного поля скоростей и, соответственно, сложностью расче та параметров процесса. Большое количество рассматриваемых стадий влечет за собой существенное увеличение объема расчетов.
Прогрессивный технологический процесс образования полостей инструмента вьщавливанием (ОПВ) во многих случаях успешно конкурирует с другими технологиями: резанием, электроэрозионной обработкой, гальванопластикой. Однако этот процесс, также как и другие, обеспечивает точность в соответствие с чертежом и достаточно высокую стойкость инструмента только в определенной области. Параметрами, ограничивающими область использования процесса, являются удельное усилие деформирования, пластичность материала заготовки и качество полости (отклонение формы и размеров, шероховатость поверхности). Ограничивающее действие этих параметров весьма существенно из-за высокого сопротивления деформированию используемых материалов, их недостаточной пластичности, жестких требований к точности и качеству поверхности полости.
Точное определение потребных усилий деформирования при выдавливании формообразующих полостей является актуальной задачей. Известно, что удельные усилия при выдавливании полостей достигают 3,0 -3,5 ГПа [34], которые соизмеримы с прочностными показателями деформирующего инструмента. Таким образом, зная усилия деформирования, а также контактные удельные усилия на поверхности пуансонов, можно провести правильный прочностной расчет деформирующего инструмента.
Определение деформирующих усилий позволяет устанавливать влияние различных параметров на усилие деформирования с учетом схем обработки, а также рассчитать кинематические параметры течения материала [33].
Исследование процессов выдавливания показали, что эти процессы в определенной мере подчиняются законам гидродинамики. Известно, что процессы выдавливания относятся к мягкосхемным, т.е. к таким процессам, схема напряженного состояния которых характеризуется преобладанием сжимающих напряжений. А показателем жесткости схемы напряженного состояния по физическому смыслу является относительное гидростатическое давление. Так как процессы выдавливания характеризуются значительными гидростатическими давлениями, то актуальной является задача определения прочности и стойкости рабочего инструмента.
При разработке технологии формообразования полостей выдавливанием расчет удельного усилия на инструмент и усилия выдавливания особенно важен, так как во многих случаях их значения определяют не только выбор способа и приема выдавливания, но и возможность изготовления конкретной детали этим методом. Потребное удельное усилие выдавливания часто превосходит допустимые нагрузки на инструмент. Поэтому для практики крайне необходимо иметь возможность вычислять с наименьшей погрешностью удельное усилие на инструмент, чтобы правильно решать все другие вопросы технологии и предотвратить бесполезные затраты и возможные аварии.
Основными факторами, оказывающими влияние на величину удельного усилия на инструмент, являются: физико-механические свойства деформируемого материала, величина общей деформации, размер заготовки, форма изготавливаемой полости, способ выдавливания, контактные условия.
Физико-механические свойства материала являются главнейшим фактором, влияющим на величину удельного усилия. При деформации происходит интенсивное упрочнение деформируемого материала. Поэтому величина удельного усилия определяется не только сопротивляемостью материала в исходном состоянии, которая характеризуется пределом текучести, но и изменением сопротивляемости в процессе деформирования.
Исследования показали, что при деформировании сталей удельное усилие увеличивается с повышением твердости. Это обстоятельство было использовано при выводе расчетных формул для определения удельного усилия на инструмент. Согласно этим формулам удельное усилие прямо пропорционально твердости заготовки.
Для решения задач удобно использовать не величину удельного усилия, а его безразмерную характеристику. Задача определения безразмерного усилия деформирования р сводится к отысканию зависимостидеформирования; F- площадь активного контакта деформирующего инструмента с выдавливаемой заготовкой; as- истинное сопротивление материала заготовки пластическому деформированию при выдавливании полости; Т0,Те- тензоры напряжений и деформаций, условно обозначающие зависимость удельных усилий от схемы напряженного и деформированного состояний; Б- скорость деформации; ц.- коэффициент трения на поверхностях контакта заготовки и деформирующего инструмента; М - линейные размеры деформируемой заготовки; Еи, ци - показатели упругих свойств деформирующего инструмента.
Это выражение устанавливает зависимость удельных усилий деформирования (в безразмерном виде) от ряда факторов, к которым относятся схемы напряженного и деформированного состояния заготовки (определяемые технологической схемой деформирования и параметрами течения материала), силы трения (проявляющие активную и пассивную роль и оказывающие в отдельных случаях положительное или отрицательное влияние), скорость деформации и упругие характеристики инструмента. Однако влияние всех этих факторов на изменение удельных усилий деформирования ограничено.Влияние схемы напряженного и деформированного состояния на усилие деформирования может быть установлено лишь при оперировании
Анализ процесса выдавливания с учетом контактного трения
В процессе формообразования полости по схеме обратного выдавливания реализуется мягкая схема напряженного состояния с высоким гидростатическим давлением -a = -7j(ra)/3 (а- нормальное октаэдрическоенапряжение, 1\(Т0) - линейный инвариант тензора напряжений Га). Значительное по величине давление на деформирующий инструмент приводит к действию вдоль его контактной поверхности касательных напряжений хк. Экспериментальными исследованиями установлено, что в процессахпластического деформирования с мягкой схемой напряженного состояния реализуется, главным образом, закон контактного трения Прандтля [30] хк =mxs, где m - коэффициент пластического трения. На основе опытныхданных для процесса обратного выдавливания касательное напряжение контактного трения хк - (0,5...1,0)т5. Поэтому в последующих расчетахкоэффициент трения Прандтля принимаем m = 0,5...1,0.
Сначала рассмотрим случай, когда хк =0,5т5/и. Процесс нестационарного формообразования также рассматриваем состоящим из нескольких последовательных стадий.
Исходные данные: DM=70 мм, dn=30,5 мм, dm=\2,2 мм, Н=55 мм,Л =20 мм, hK =17,3 мм; a = 28 . Блочные структуры пластической области и разрывные поля скоростей для начальной {dlDM=,\1), промежуточной (d/DM=0,26) и конечной (d/DM=0,44) стадий выдавливания представлены на рис.3.18, 3.19, 3.20. Результаты расчетов энергосиловых параметров процесса выдавливания приведены в табл.3.4.
Далее рассмотрим случай, когда xK-xSm. Блочные структуры пластической области и разрывные поля скоростей для начальной (d/DM = 0,17), промежуточной (d/DM= 0,36) и конечной (d/DM=0,44) стадий процесса выдавливания представлены на рис.3.21, 3.22, 3.23. Графики зависимости удельного усилия от глубины внедрения пуансона при различных условиях трения представлены на рис.3.24. Как видно, силы контактного трения оказывают существенное влияние на удельное усилие процесса выдавливания.
Графики зависимости технологического усилия от глубины внедрения пуансона (рис.3.25) выявляют сильное влияние основных геометрических параметров полости.
Детальную оценку влияния условий контактного трения дают графики зависимости характеристики удельного усилия р12к от коэффициентапластического трения m для последовательных стадий процесса формообразования полости (рис.3.26). Как показал расчет энергосиловых параметров, основной проблемой применения процесса холодного обратного выдавливания для получения полостных элементов переменного сечения является превышение величины удельного усилия на инструмент р над предельной величиной [рпр\ Рассмотрим способы снижения величины удельного усилия на инструмент, применяемые в производстве.
Одним из основных факторов, влияющих на величину удельного усилия, является температурный фактор. Температура оказьшает сложное влияние на механические свойства металлов. Изменение температуры деформируемого материала вызьшает иногда в нем различные физико-химические процессы: полиморфные превращения, рост кристаллов, дис персионные выделения и их коагуляцию, диссоциацию химических соединений, оплавление легкоплавких составляющих окисление и т.п. В свою очередь, эти процессы повышают или снижают с различной интенсивностью механические характеристики материала. Например, из более чем семидесяти известных металлов, двадцать могут в зависимости от температуры принимать различные кристаллические формы. Повышение температуры приводит, как правило, к уменьшению величины механических характеристик.
Рассмотрим, как изменение температурного фактора процесса влияет на удельное усилие на примере процесса выдавливания полости со следующими начальными параметрами: хк =0, а = 28 ,dlD = 0,44При полугорячем выдавливании диапазон температур составляет600-800С. В данном диапазоне температур изменение величины вре 2 менного сопротивления а в для стали 45 будет в пределах 35-12 кг/мм .
Расчетные значения энергосиловых параметров для начальной, промежуточной и конечной стадий процесса представлены в табл.3.6.
Определение локальных деформаций с помощью делительной сетки
Теоретический анализ нестационарных процессов пластического течения связан с большими математическими трудностями. Анализ механики пластического формообразования материала в технологических процессах выдавливания связан с решением краевых задач с граничными условиями, заданными в сложной смешанной форме. Это обстоятельство приводит к необходимости применения приближенных методов решения технологической задачи. Применяемый метод «верхних» оценок является эффективным для определения энергосиловых характеристик процесса пластического формоизменения и связанных с ними технологических параметров, что подтверждают экспериментальные данные ряда авторов [14, 20].
Существенно необходимым для оценки допустимых возможностей формоизменения и качества получаемых изделий является изучение деформированного состояния обрабатываемого материала. Устанавливаемое распределение деформаций в меридиональных сечениях полуфабриката позволяет прогнозировать механические характеристики их материала, что важно для формирования показателей качества получаемых полостей матриц и пресс-форм. Кроме того, известное распределение деформаций позволяет устанавливать наиболее опасные зоны с большим локальным де формированием и по ним оценивать допустимые геометрические характеристики формообразования элементов полости.
В известных работах по изучению пластического формоизменения материалов установлено, что кинематика пластического течения и связанные с ней деформации и их скорости сильно различаются в процессах осе-симметричной и плоской деформации, даже при эквивалентных граничных условиях. Поэтому применение упрощенных схем для кинематически допустимых полей скоростей при анализе процессов осесимметрично деформированных тел может приводить к значительным погрешностям при расчете локальных накапливаемых деформаций и связанных с ними технологических параметров (предельной деформации, прогнозированию зон микро- и макроразрушения). В связи с этим целесообразным является использование экспериментальных методов анализа деформаций, обладающих высокой степенью достоверности получаемых с их помощью результатов. В теории обработки металлов давлением надежно зарекомендовал себя метод делительных координатных сеток. Наносимые на опытные образцы делительные сетки представляют собой сопутствующую систему координат ,1, 2,2 3 [55], жестко связанную с частицами деформированного материала. Использование в качесгве независимых переменных ,,- (j=l, 2, 3)и времени / (или «временеподобного» параметра, например, перемещения деформирующего инструмента) составляет точку зрения Лагранжа на изучение кинематики сплошной среды (деформируемого материала). Точка зрения Лагранжа существенно опирается на описание истории движения каждой частицы деформируемого материала.
Для качественной реализации метода делительных сеток существенное значение имеет техника проведения эксперимента. Рассмотрим способы нанесения делительной сетки. Известно много способов нанесения делительной сетки на характерные сечения опытного образца. К ним относятся способы:
Для нанесения сетки при исследовании процессов осесимметричной деформации приходится прибегать к предварительной разрезке полуфабриката по плоскости симметрии, т. е. пользоваться заготовкой, состоящей из двух половин.
Имеются попытки получения сетки внутри деформируемой заготовки без предварительной ее разрезки. С. И. Губкин и С. А. Довнар [11, 12] получали сетку с круглыми ячейками, плотно вставляя в предварительно просверленные в заготовке отверстия цилиндрические штифты, поверхность которых покрывалась слоем радиоактивных изотопов. Л. Г. Драпкин для этой же цели предложил использовать две идентичных по форме заготовки из многослойного металла, которые разрезались после деформации и фотографировались. В исходном состоянии в поперечном сечении одной заготовки слои образуют продольные, а в другой заготовке поперечные линии условной сетки. Наложение негативов при печатании снимков обеспечивает получение картины искажения делительной сетки.
Оба эти способа, разумеется, могут быть использованы только в том случае, когда сопоставляется форма и размеры ячейки до и после деформации, т. е. используется метод «конечных деформаций» и принимается гипотеза о простом нагружении. Как показывает практика, лучшие результаты по точности нанесения и измерения делительной сетки могут быть достигнуты при использовании метода царапания [11, 53, 54].
Рассмотрим методику проведения эксперимента. Особенностью экспериментального исследования процесса выдавливания с помощью делительной сетки является необходимость использования образцов, предварительно разрезанных по изучаемым плоскостям течения, в которых наносится делительная сетка. В связи с использованием составных образцов встает вопрос: насколько деформация составного образца отражает действительную деформацию (целого образца).
Так как нормальное напряжение по отношению к плоскости соединения двух частей образца является сжимающим, а касательные напряжения в этой плоскости отсутствуют (из условия симметрии), то наличие разреза не оказывает влияния на характер деформации. Наличие сжимающих напряжений устанавливается по образованию отпечатка сетки на противоположной части образца. В этом случае использовался способ нанесения сеток царапаньем рисок, а соединение составных частей образца между собой механическим способом.
С целью нанесения более качественной картины деформированной сетки для процесса выдавливания был предложен следующий способ приготовления составных образцов. Образец разрезался по сечению, на составные части. Затем плоскости сечения образца шлифовались до чистоты поверхности 1,25 - 0,32. На отшлифованной поверхности образца наносились риски, образующие делительную сетку. Сетка наносилась с помощью универсального микроскопа УИМ-23 (рис.4.6) Алмазный индентор укреплялся на специальном кронштейне вместо оптической головки ОГУ-21, что позволяет нанести сетку на значительной площади образца.
Образец помещался на предметный столик микроскопа. Расстояние между рисками устанавливалось с помощью микровинтов перемещения стола микроскопа и окуляра микроскопа. Для нанесения сетки применялсяалмазный индентор с углом при вершине 136 . Сетка наносилась с базой 1 х 1 мм, ширина рисок составляла 30 мкм (рис.4.7). Далее образцы помещались в обоймы и подвергались деформированию. , что основными факторами, влияющими на точность измерения координат узловых точек сетки, являются: угол, под которым пересекаются риски в узловой точке сетки, направление освещения при измерении, а также структурная неоднородность, проявляющаяся в волнообразном искажении рисок.
Количественная оценка влияния этих факторов, полученная по результатам статистической обработки измерений, показывает, что точность измерения координат узловых точек искаженной в результате деформации сетки практически не зависит от ее увеличения. Абсолютная погрешность измерения линейного размера в зависимости от степени деформации и искажения ячейки составляет примерно ± 3... 6 мк. Когда результаты измерения координат узловых точек и значений, вычисленных по ним размерных параметров ячейки делительной сетки, используются в виде графиков или таблиц в зависимости от параметра, определяющего процесс формоизме
