Осадка металла

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

2. допущение

В соответствии с допущениями указанными в пункте 2 при применении метода совместного решения упрощенных уравнений пластичности и равновесия, ищем распределение нормальных напряжений только на контактной поверхности. На этой поверхности напряжения не зависят от координаты z, так как эта координата здесь постоянна и равна 0,5h. Следовательно, для контактной поверхности справедливы уравнения равновесия(11) и пластичности(13).

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

, получим:

(14)

Зададимся законом трения на контактной поверхности: касательные напряжения фК пропорциональны нормальным уZ:

 (15)

Подставляя (15) в (14), получим:

(16)

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

;

(17)

При и 0<м0,5 эпюра напряжений состоит из трех участков.

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

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

На рис.5

.

На рис.5 видно, что интенсивность роста напряжения уZ , а также фК 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 фК = фb = 0,5уS, а напряжение уZ - значения уZ = уb= , так как фb = муb. Ближе к оси z при значениях х<хb абсолютная величина фк, если пользоваться для уz уравнением (17), получит значения, превышающие 0,5уs.

При пластической деформации абсолютная величина касательного напряжения [1]. Отсюда следует, что предпосылка фк=муz, 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 приведены ниже[1]:

Для заданного м=0,3 ц=0,85.

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

фК = - 0,5уS*,

тогда получим

Интегрируя, имеем

При х=хb напряжение уZ=у, откуда

Следовательно,

(19)

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

На основании сказанного может возникнуть предположение, что в действительности вблизи оси z при каких-то значениях |х| > 0 будет начинаться падение значений фК с плавным переходом через 0 при х = 0. Если это предположить, то при фК=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 фС - касательное напряжение в точке х = хС = h.

В данном случае

Нормальные напряжения уZ определяются из уравнения (14) при подстановке фК для данного участка

,

откуда

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

(20)

Здесь (см. кривую с'О' на рис.5) уZ 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 фк или «зона скольжения» от х=0,5а до х=хb=0,5а-h.

Касательные напряжения пропорциональны нормальным напряжениям фк=муz .

Участок Б - участок постоянства касательных напряжений или «зона торможения» от х=хb=0,5а-цh 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

4. 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,

уs=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