Осадка металла

Осадка металла

Введение

осадка технологический заготовка

Задачей дисциплины «теория обработки давлением» является анализ и разработка общих принципиальных основ рационального построения процессов ОМД, которая не только обеспечивает получение заготовок, а часто и готовых деталей требуемой формы, но и вызывает в металле качественные изменения. Теория ОМД является научной базой технологии этой обработки.

Теория обработки металлов давлением рассматривает и изучает:

1.      термические и механические условия, при которых обеспечивается возможность наибольшего формоизменения металла, что необходимо для установления оптимальных режимов технологических процессов;

2.       влияние обработки давлением на механические и физические свойства металлов в целях получения наилучших эксплуатационных характеристик заготовок и деталей;

.        характер формоизменения заготовок при различных операциях в целях отыскания наиболее благоприятных соотношений между размерами и формой исходных заготовок и заготовок или деталей, получаемых после обработки давлением;

.        сопротивление металла пластическим деформациям при операциях обработки металлов давлением, т.е. распределение напряжений, необходимые усилия и работы для осуществления этих операций, в целях правильного выбора оборудования и прочностного расчета рабочего инструмента.

Основной базой для теории ОМД является наука о пластической деформации металлов.

Осадка металла - операция обработки металлов давлением, в результате которой уменьшается высота и одновременно увеличиваются поперечные размеры заготовок. Осадку применяют для получения формы поковки, с целью уменьшения глубины прошивки, для обеспечения соответствующего расположения волокон в будущей детали (при изготовлении шестерней обеспечивается повышенная прочность зубьев в результате радиального расположения волокон), как контрольную операцию (из-за значительной деформации по периметру на боковой поверхности вскрываются дефекты).

При выполнении осадки требуется, чтобы инструмент перекрывал заготовку. Вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает бочкообразную форму, это характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое качество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям.

1. Краткая характеристика процесса

Осадкой называют формоизменяющую технологическую операцию, при помощи которой уменьшают высоту исходной заготовки с одновременным увеличением площади ее поперечного сечения.

Схема осадки представлена на рис.1.

Рисунок 1 - Схема осадки: 1 - нижний неподвижный боек, 2 - заготовка, 3 - верхний подвижный боек, 4 - деталь.

Если осаждать прямоугольную заготовку, то в процессе осадки искажается форма не только вертикальных, но и горизонтальных сечений заготовки. Искажение формы тем больше, чем больше степень осадки, причем прямоугольник стремится перейти в эллипс.

Основной причиной искажения формы являются силы трения на контактных поверхностях бойка и заготовки. Силы трения вызывают бочкообразование тем в большей степени, чем больше коэффициент трения. При коэффициенте трения равном нулю прямоугольное сечение должно оставаться прямоугольным.

Если торцы заготовки некруглой формы, то металл течет по линии наименьшего сопротивления, стремясь принять круглую форму, чтобы силы трения выравнивались по всем направлениям.

При горячей деформации кроме сил трения на торцах на бочкообразование влияет также подхолаживание торцов заготовки в виду плотного контакта с бойками.

Зоны деформации вертикального сечения при осадке представлены на рис 2

Рисунок 2 - Зоны деформации вертикального сечения при осадке

Зоны 1 - зона затрудненной деформации, в которой движение представляет собой всестороннее сжатие. Эти зоны как бы расклинивают зону 2, которая интенсивно деформируется в осевом и радиальном направлении. Зоны 3 деформируются менее интенсивно, чем зона 2. Здесь наблюдается деформация растяжения кольцевой зоны 3.

Осадку применяют, когда необходимо: получить поковку или участок ее с поперечным сечением большим, чем сечение заготовки или слитка; увеличить уковку; уменьшить анизотропию механических свойств и улучшить эти свойства в осевом и поперечных направлениях поковки; более равномерно распределить и измельчить карбиды в сталях карбидного класса; выровнять торцевые поверхности заготовки и увеличить поперечное сечение перед прошивкой.

По схеме деформации осадка представляет собой сжатие - деформация в направлении активного усилия отрицательна, а две другие деформации положительны. Схема напряжений и деформаций представлена на рис.3.

Рисунок 3 - Схема напряжений и деформаций при осадке

2. Упрощенные уравнения равновесия и пластичности с учетом допущений рассматриваемого метода

Рассматриваемая заготовка прямоугольная, поэтому удобно ее рассматривать в декартовой системе координат (x,y,z).

Рисунок 4 - Схема осадки прямоугольной заготовки

Исходные уравнения равновесия для объемного деформированного состояния запишутся в виде:

 (1)

При этом

Исходное условие пластичности:

 (2)

. допущение.

Задачу приводят к одному из частных случаев напряженно-деформированного состояния, в нашем случае, плоскому деформированному состоянию: т.к l>>a, то деформацией по длине заготовки можно пренебречь ey=0, следовательно  (3)

Для плоского деформированного состояния:

 (4)

Подставляя условие (3) и (4) в исходные уравнение равновесия и условие пластичности, получим:

уравнение равновесия

 (5)

условие пластичности

,

После преобразований получим:

 (6)

. допущение

Распределение нормальных напряжений определяют только для контактной поверхности, отказываясь от распределения напряжений внутри тела.

Таким образом, напряжение  внутри тела считаем таким же как и на контактной поверхности, тогда  не зависит от координаты z , и производная

. (7)

. допущение

Касательные напряжения, вызванные трением на контактной поверхности, считаем изотропными.

Поэтому трение считаем независимым от x, следовательно

 (8)

4. допущение

Касательные напряжения изменяются в глубину тела, то есть вдоль координаты z, по линейному закону.

Поэтому на контактной поверхности ,

на середине заготовки напряжения переходят через 0, из этого следует:

 . (9)

Напряжение  зависит от х, следовательно

. (10)

После подстановки условий (7), (8), (9), (10) в систему уравнений (5), уравнения равновесия окончательно перепишутся в виде одного уравнения:

. (11)

. допущение

Примем, что касательные напряжения в условии пластичности изменяются 0<<0,7K, где - постоянная пластичности (для плоской деформации), тогда в условии пластичности  (12)

После подстановки условия (12) в (6), условие пластичности примет следующий вид:

,

.

Условие пластичности в дифференциальной форме:

 (13)

Приняв условие пластичности (13) для точек контактной поверхности в форме:

 , получим:

 (14)

Зададимся законом трения на контактной поверхности: касательные напряжения τК пропорциональны нормальным σZ:

 (15)

Подставляя (15) в (14), получим:

 (16)

При отсутствии трения на всей контактной поверхности напряжение σZ оставалось бы постоянным и равным по абсолютной величине σS*. В данном случае можно предположить, что в крайних точках контактной поверхности при х=0,5а начальное значение напряжений σZ также равно σS* и с этого значения σZ по абсолютной величине увеличивается по мере уменьшения координаты х. Итак полагая, что при х = 0,5а σZ = - σS* подставим в (16) и преобразуем относительно С и найдем σZ , получим:

;

 (17)

При  и 0<μ<0,5 эпюра напряжений состоит из трех участков.

Эпюра напряжений σZ по уравнению (17) представлена на рис.5 кривой а'b'O'''. Там же показана эпюра касательных напряжений τК = μσZ - кривая dem. Эпюры вычислены для случая a/h=10 и μ=0,2. В нашем случае a/h=3.75 и μ=0,3 но характер эпюры будет таким же, поэтому в качестве наглядного примера воспользуемся этой эпюрой.

Рисунок 5 - Эпюра напряжений σz по уравнению (17) [1]:

На рис.5

.

На рис.5 видно, что интенсивность роста напряжения σZ , а также τК увеличивается к оси симметрии сечения полосы z по мере удаления от края полосы. При этом в точке b контактной поверхности при х = хb касательное напряжение достигает значения τК = τb = 0,5σS*, а напряжение σZ - значения σZ = σb= , так как τb = μσb. Ближе к оси z при значениях х<хb абсолютная величина τк, если пользоваться для σz уравнением (17), получит значения, превышающие 0,5σs*.

При пластической деформации абсолютная величина касательного напряжения  [1]. Отсюда следует, что предпосылка τк=μσz, принятая при выводе формулы (17), равно как и сама формула (17), действительны лишь при таких значениях x, при которых  или тоже самое что . Для этого необходимо соблюсти неравенство:

Решая это неравенство относительно x, получим:

Обозначив ,

можно представить неравенство (18) в виде:

;

Таким образом,

а расстояние точки b от края контактной поверхности (от точки a):

Таблица. Вычисленные значения y приведены ниже[1]:

Для заданного μ=0,3 φ=0,85.

Чем больше коэффициент контактного трения, тем на меньшем участке контактной поверхности действительно выражение τК = μσS, т.е. тем скорее касательные напряжения достигают предельного значения |τК| = 0,5σS*. При μ=0,5 касательное напряжение τК будет оставаться постоянным, и, следовательно, для установления закона изменения нормальных напряжений для значений х0,5а - ψh необходимо в уравнение (14) подставить

τК = - 0,5σS*,

тогда получим

Интегрируя, имеем

При х=хb напряжение σZ=σ, откуда

Следовательно,

 (19)

Таким образом при τК=const нормальные напряжения σZ на контактной поверхности изменяются по линейному закону.При х=0 касательное напряжение τК должно перейти через 0. На эпюраx (рис.5) этот переход осуществляется с нарушением непрерывности функции τК.

На основании сказанного может возникнуть предположение, что в действительности вблизи оси z при каких-то значениях |х| > 0 будет начинаться падение значений τК с плавным переходом через 0 при х = 0. Если это предположить, то при τК=0, когда х=0, из уравнения (14) получим

.

С достаточным приближением к экспериментальным данным можно считать началом падения значений касательных напряжений точку с х = хС = h, а законом их изменения принять

,

где τС - касательное напряжение в точке х = хС = h.

Нормальные напряжения σZ определяются из уравнения (14) при подстановке τК для данного участка

,

откуда

Значение С найдем из условия, что при х = хС = h. Отсюда

 (20)

Здесь (см. кривую с'О' на рис.5) σZ изменяется в пределах от  при х = хС = h до  при х = 0.

В свою очередь, по формуле (19), принимая х = хС = h, получим

Таким образом, при осадке полосы эпюры напряжений, а соответственно и контактная поверхность разделяются в общем случае на три участка (зоны),как показано на рис.5:

Участок А - участок возрастания касательных напряжений τк или «зона скольжения» от х=0,5а до х=хb=0,5а-yh.

Касательные напряжения пропорциональны нормальным напряжениям τк=μσz .

Участок Б - участок постоянства касательных напряжений или «зона торможения» от х=хb=0,5а-φh до х=хс=h.

Касательные напряжения имеют постоянную величину .

Участок В - участок снижения касательных напряжений или «зона прилипания» от х=хс=h до х=х0=0.

Касательные напряжения снижаются по линейному закону

. Определение деформирующего усилия

В нашем случае закон распределения нормальных напряжений по поверхности заготовки изменяется по участкам А, Б, В по формулам (17), (19), (20). Тогда усилие вычисляется по формуле:

Из данного выражения видно, чтобы узнать усилие процесса осадки, необходимо вычислить три интегральных выражения. Для большей наглядности и простоты вычислим их поочередно.

Учитывая, что h=120 мм, а=450 мм,

σs=5кг/мм2=50*106Н/м2=50МПа предел текучести сплава АМЦм. Тогда подставим числовые значения и вычислим первый интеграл ( для участка А):

Вычислим второй интеграл (для участка Б), подставляя в данное интегральное выражение числовые значения (), получим:

Вычислим третий интеграл (для участка В), подставляя в данное интегральное выражение числовые значения и учитывая, что  получим:

Таким образом, подставив числовые значения в формулу для усилия процесса осадки, получим (при условии, что l в мм):

(кгс); (21)

В системе СИ Р= 2*l*103[м]*[(78774+1179+6540)*103Н/м]= 172986*l (Н);

Разделив выражение (21) на контактную площадь al, найдем удельное усилие деформирования

p= (кгс/мм2); В системе СИ p=60.5*106 Н/м2=60.5МПа

Заключение

осадка технологический заготовка

В данной курсовой работе был произведен расчет усилия процесса осадки прямоугольной заготовки методом совместного решения упрощенных уравнений равновесия и пластичности. Был подробно рассмотрен процесс осадки прямоугольной заготовки, с помощью которого определили, что эпюра напряжений состоит из 3 участков. Определены законы распределения нормальных и касательных напряжений по участкам заготовки, проанализирован характер изменения касательных напряжений от величины коэффициента трения, выведены упрощенные уравнения равновесия и пластичности, выведена формула для определения деформирующего усилия. Деформирующее усилие численно равно 60.5МПа.

Список использованных источников

. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением [Текст]: Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. -239 с.

. М.В. Мальцев Металлография промышленных цветных сплавов [Текст]. - М.: Металлургия, 1970. -364 с.

. Ковка, штамповка. Справочник под ред. Семенова [Текст]: I-й том. - М.: Машиностроение, 1985. -568 с.

осадный дело древний грек