Влияние формы инструмента и деформируемого тела

ТЕМА НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ОМД

ПРИЧИНЫ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМАЦИИ

При равномерной (однородной) деформации на­пряженное состояние во всех точках тела одина­ково, компоненты тензора напряженного состояния и направления главных осей не будут изменяться при переходе от одной точки тела к другой, плоско­сти и прямые линии в теле не изменяются.

При неравномерной (неоднородной) деформации напряженное состояние и деформации различны в разных частях тела. При обработке металлов давле­нием деформация всегда неравномерна. Однако при решении практических задач деформацию принима­ют равномерной по всему объему тела или тело раз­деляют на отдельные объемы, в пределах которых можно принять деформацию равномерной.

Основные причины неравномерности деформа­ции следующие: 1) форма инструмента и форма де­формируемого тела; 2) внешнее трение; 3) неодно­родность физических свойств деформируемого тела.

Неравномерность деформации при обработке давлением нежелательна, так как приводит к появ­лению дополнительных напряжений в процессе де­формации, которые снижают пластичность, повы­шают усилие, искажают форму тела. Неравномер­ность деформации приводит к неоднородности свойств готовых изделий.

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ИНСТРУМЕНТА И ДЕФОРМИРУЕМОГО ТЕЛА

В большинстве процессов обработки давлением форма заготовки (слитка) отличается от формы из­делия, определяемой формой инструмента. Обычно форма заготовки проще формы изделия, что и приводит к неоди­наковому обжатию отдельных частей заготовки, т. е. к неравно­мерной деформации. Так, при штамповке форма штампа и по­ковки отличается от формы заготовки; при прокатке фасонных профилей форма калибров обычно отличается от формы заго­товки.

Только в некоторых процессах обработки давлением форма инструмента и заготовки одинакова: осадка между параллельны­ми плитами, прокатка на цилиндрических валках прямоугольной заготовки, волочение круглой заготовки и др.

Влияние формы инструмента и заготовки на неравномер­ность деформации по ширине при прокатке И. М. Павлов иллю­стрирует следующими схемами (рис. 81).

Рис. 1. Схемы неравномерной деформации при прокатке (по И. М. Павлову)

На рис. 1, а представлена схема прокатки на цилиндрических валках полосы из прямоугольной заготовки; абсолютные и отно­сительные обжатия одинаковы по ширине полосы, деформация равномерная. На рис. 1, б показана схема прокатки заготовки квадратного сечения в калибре овальной формы. Здесь деформа­ция по ширине неравномерна из-за переменной высоты калибра при постоянной высоте заготовки; абсолютные и относительные обжатия минимальны на оси симметрии и увеличиваются к краям калибра. На рис. 1, в (плющение проволоки) неравномерность деформации обусловлена формой заготовки; обжатие максималь­но по оси симметрии и уменьшается к краям заготовки. На рис. 1, г показана схема прокатки овальной заготовки в квад­ратном калибре. Неравномерность деформации здесь обусловле­на совместным действием формы калибра и заготовки.

Неравномерное обжатие может привести к неоднородности структуры, особенно в заключительных стадиях горячей или не­полной горячей обработки давлением. В отдельных частях тела степень деформации может быть критической и в других — выше критической. Вследствие этого получаются крупные и мелкие зерна.

Неравномерная деформация сопровождается появлением до­полнительных напряжений. Внешние силы создают напряжения, которые называют основными. Если распределение основных напряжений вызывает такое изменение формы, которому препятст­вует целостность тела, то в нем появляются дополнительные на­пряжения разных знаков в различных частях тела.

Рассмотрим прокатку профиля крестообразного сечения из прямоугольной заготовки (рис. 2).

Рис.2 Схема прокатки крестообразного профиля из прямоугольной заготовки

Центральная часть заготов­ки / обжимается незначительно, края // получают большое обжа­тие. Внешние силы создают схему основных напряжений всесто­роннего сжатия: по вертикали от усилий осадки, в горизонталь­ной плоскости от сопротивлений трения. Если бы участки I и II могли деформироваться независимо, то они получили бы разную продольную деформацию (вытяжку). Но уча­стки I и II представляют одно целое и целост­ность тела не позволяет получить естественную вытяжку участков I и II. Слабо обжимаемый участок I сдерживает вытяжку сильно обжима­емых участков II, а они в свою очередь прину­дительно увеличивают вытяжку участка I. В результате длина всех участков получается одинаковой (I на рис. 2). Взаимодействие раз­лично обжимаемых участков вызовет появле­ние дополнительных напряжений растяжения в участке I и сжатия в участках II в направ­лении прокатки.

С. И. Губкин сформулировал закон дополнительных напряжений, на основании ко­торого определяется знак дополнительных на­пряжений: «В слоях и элементах деформируе­мого тела, стремящихся в данном направлении к большему изменению размеров, возникают дополнительные напряжения, знак которых от­вечает уменьшению размеров в рассматриваемом направлении. В слоях и элементах, стремящихся к меньшему изменению раз­меров, возникают дополнительные напряжения, знак которых от­вечает увеличению размера».

Основные напряжения, суммируясь с дополнительными, со­ставляют результирующие рабочие напряжения. Распределение рабочих напряжений в различных частях неравномерно деформи­руемого тела отличается от распределения основных напряже­ний.

Схема напряженного состояния в отдельных частях тела может отличаться от схемы напряженного состояния, обуслов­ленной внешними силами. Так, если в участке I (рис.2) в на­правлении прокатки дополнительные напряжения растяжения превысят основные напряжения сжатия, обусловленные силами трения, то схема напряженного состояния в этом участке ока­жется разноименной.

Принудительная вытяжка / участка вызовет перетекание ме­талла из сильно обжимаемых участков II в участок I и его утяж­ку по высоте, так как обычно перетекания бывает недостаточно для компенсации принудительной вытяжки участка I. При сильно выраженной неравномерности обжатия металл участка I может отстать от валков (рис.3, а). Принудительное сдерживание вы­тяжки участков II вызовет вынужденное их уширение: металл, не имея возможности деформироваться в продольном направле­нии в соответствии с обжатием, устремляется в стороны (рис. 3, а).

При сильно выраженной неравномерности обжатия дополни­тельные напряжения растяжения в участке I могут вызвать, по­мимо утяжки, разрывы, поперечные трещины; в участках II сдер-

живание вытяжки может вызвать, помимо вынужденного уширения, гофр (рис.3, б).

Рис. 3. Утяжка, вынужденное уширение, разры­вы и гофр при неравномерном обжатии при прокатке

Силы, создаваемые дополнительными напряжениями, взаимно уравновешиваются, поэтому величина- дополнительных напряже­ний зависит от площади сечения участка, на который они дейст­вуют: чем меньше площадь сечения участка, тем больше напря­жение. Степень развития утяжки и разрывов, характерных для слабо обжимаемых участков, или вынужденного уширения и гоф­ра, характерных для сильно обжимаемых, зависит от соотноше­ния площадей сечения этих участков.

Для иллюстрации этого применяют образцы из пластин с заг­нутыми краями (рис. 84, а). При прокатке такого образца обжа­тие по краям получается больше, чем в середине. При этом соот­ношение площадей сечения сильно и слабо обжимаемых участ­ков по длине образца непрерывно изменяется: в узком конце площадь сечения сильно обжимаемых участков значительно боль­ше площади сечения слабо обжимаемого центрального участка, а в широком конце — наоборот.

Ввиду малой толщины пластины высотная утяжка и вынуж­денное уширение выражены незначительно. В слабо обжимаемых участках в узком конце образца наблюдаются разрывы, а в силь­но обжимаемых участках в широком конце — волны (рис. 4, б).

Разновидностью неравномерности по ширине является несим­метричность деформации, когда форма инструмента или заготов­ки не имеет оси симметрии и с одной стороны сечения обжатия больше, чем с другой стороны. Несимметричность деформации по высоте создается, в частности, при прокатке в валках нерав­ного диаметра.

Одна из причин неравномерности деформации, вызываемая формой тела — надрезы, была рассмотрена выше. При растяже­нии надрезанных образцов в месте надреза линейная схема основ­ных напряжений переходит в объемную схему всестороннего растяжения

Рис. 4. Прокатанный образец с волнистыми кромками и разрывами середины.

за счет дополнительных напряжений в направлениях, перпендикулярных направлениям действия основных напряжений.

Неравномерность деформации вызывается также внешними частями тела при деформации его участками, например при прокатке, протяжке, ковке и т. п.

Неравномерность деформации приводит к снижению пластич­ности тела в результате действия дополнительных напряжений. Так как дополнительные напряжения создают взаимно уравно­вешивающиеся силы, в неравномерно деформируемом теле могут быть напряжения растяжения. Растягивающие напряжения, снижая пластичность, могут привести к разрушениям. Вероятность разрушений тем больше, чем резче выражена неравномерность деформации, меньше площадь сечения слабо обжимаемых частей и меньше пластичность деформируемого тела.

При неравномерной деформации повышается усилие и рас­ход работы в связи с неравномерным распределением напряже­ний и перетеканием металла из сильно обжимаемых частей в сла­бо обжимаемые.

Если температура в момент неравномерной деформации была недостаточно высокой, то дополнительные напряжения после де­формации могут вызвать в теле остаточные напряжения.