Загиров Н.Н. Теория обработки металлов давлением
Подождите немного. Документ загружается.
101
Рис. 19.1. Схема процесса штамповки в открытом штампе
Металл в начальный период штамповки начинает вытекать в стороны
за пределы гравюры штампа в зазор между верхним и нижним штампами.
Заполнение же элементов полости штампа возможно, если сопротивление
течению металла в разъем между штампами становится больше
сопротивления течению в те или иные участки полости. По мере смыкания
половин штампа зазор между ними уменьшается, сопротивление течению в
него металла возрастает, что и обеспечивает заполнение всех элементов
полости.
Для практического применения закона наименьшего сопротивления
необходимо знать направление траектории, по которой для точек, на ней
расположенных, сопротивление течению будет наименьшим.
Для случая сжатия призматических и цилиндрических тел между
параллельными плитами при наличии трения по плоскостям контакта эти
траектории определяются по принципу кратчайшей нормали,
заключающемуся в том, что перемещение любой точки тела в плоскости,
перпендикулярной к действию внешней силы, происходит по кратчайшей
нормали к периметру сечения.
Пусть, например, осаживается призма с прямоугольным основанием,
какое-то сечение которой плоскостью, нормальной к направлению
действующего усилия, представлено на рис.19.2.
102
Рис. 19.2. Направление движения точек при осадке призмы
с прямоугольным основанием в условиях значительного трения
Согласно указанному принципу, прямоугольник можно разделить на
два треугольника и две трапеции линиями, представляющими собой
граничные линии или линии раздела сечения, поскольку длина профилей к
периметру сечения по обе стороны из каждой точки, лежащей на этих
линиях, будет одинаковой. Направление движения точек показано на рис. 1.2
стрелками.
Нетрудно представить, что при увеличении степени осадки тела,
рассматриваемого в нашем примере, контур сечения первоначально
стремится к эллипсу, а эллипс в дальнейшем преобразуется в круг, после чего
движение точек происходит по радиусам.
Траектория, по которой движутся точки деформируемого тела,
подчиняется принципу наименьшего периметра, который можно
сформулировать так: любая форма поперечного сечения призматического
или цилиндрического тела при осадке его в условиях максимального
контактного трения стремится принять форму фигуры, имеющей при данной
площади наименьший периметр, т.е. в пределе стремится к кругу.
Этот принцип позволяет наиболее рационально подбирать форму
поперечного сечения исходных заготовок для конкретных случаев
пластического деформирования. Так, например, действие принципа может
быть реализовано для получения осадкой круглых в плане поковок из
заготовок квадратного поперечного сечения.
Следует отметить, что последние два принципа справедливы для
случая, когда трение на поверхностях контакта металла с инструментом
изотропно, т.е. одинаково по всем направлениям, и значительно.
При осадке же, например, прямоугольного параллелепипеда плоскими
бойками без контактного трения движение частиц в плоскостях нормальных
103
к направлению внешней силы, носит радиальный характер (рис.19.3), и
поперечные сечения в процессе деформации будут оставаться подобными
исходным.
Рис. 19.3. Направление движения точек при осадке призмы
с прямоугольным основанием в условиях минимального трения
Возможны и промежуточные схемы течения между изображенными на
рис. 19.2. и 19.3.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается принцип наименьшего сопротивления?
2. Что необходимо знать для практического применения закона наименьшего
сопротивления?
3. В чем заключается принцип кратчайшей нормали?
4. В чем заключается принцип наименьшего периметра?
5. Какое должно быть трение на поверхностях контакта металла с
инструментом, чтобы принцип кратчайшей нормали и принцип
наименьшего периметра были справедливы?
6. К какой геометрической фигуре стремиться контур сечения
деформируемого тела согласно принципу наименьшего периметра?
104
Раздел 6. Методы исследования процессов ОМД.
Экспериментальные методы определения усилий и деформации
ЛЕКЦИЯ 20
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЙ, НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ.
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
План лекции:
1. Общая характеристика экспериментальных методов определения усилий,
напряжений и деформаций.
2. Метод измерения твердости.
При разработке технологических процессов ОМД и проектировании
оборудования наряду с аналитическими методами определения усилий и
деформаций большое значение имеют экспериментальные методы
определения этих величин. Экспериментами проверяют принципиальную
правильность аналитических методов, уточняют поправочные коэффициенты
в формулах применительно к конкретным условиям.
С помощью экспериментальных методов решают следующие
практические задачи:
- определяют полное усилие, необходимое для деформации;
- устанавливают распределение нормальных и касательных напряжений на
поверхности контакта деформируемого тела с инструментом;
- находят распределение деформаций и напряжений по объему.
При обработке металлов давлением диапазон деформаций, условий
деформирования и применяемых материалов чрезвычайно разнообразен.
Процессы обработки металлов давлением характеризуются значительной
неравномерностью напряженного и деформированного состояния и
сложностью граничных условий. Пластическое деформирование
сопровождается комплексом явлений, приводящих к изменению физико-
химических свойств и структуры металла.
Сложность процессов обработки металлов давлением приводит к тому,
что во многих случаях их теоретический анализ оказывается чрезмерно
трудоемким, а иногда и вовсе невыполнимым. Поэтому в обработке металлов
давлением наряду с теоретическими методами большую роль играют
экспериментальные методы исследования.
105
Экспериментальные исследования, прежде всего, являются основным
способом изучения свойств материалов, основой для понимания и описания
процесс; формоизменения. Экспериментальные исследования природы
пластической деформации, исследования напряженного и деформированного
состояния и контактных условии в разнообразных процессах обработки
металлов давлением позволяют формулировать физически и математически
корректные задачи, направляют развитие теории. Важной задачей
экспериментальных исследований является проверка правильности
отдельных теоретических допущений и результатов теоретического анализа в
целом.
В последние годы техника экспериментальных исследований получила
большое развитие и обогатилась целым рядом новых методов, связанных в
первую очередь с применением самой современной аппаратуры и ЭВМ. В
настоящем конспекте лекций рассмотрены лишь сравнительно простые в
техническом отношения и в то же время получившие широкое
распространение (в том числе и в заводской практике) методы.
Метод измерения твердости основан на предположении о том, что
между твердостью деформированного металла Н и интенсивностью
напряжении а, при его деформировании существует однозначная
функциональная зависимость. Предположение о существовании такой
функциональной зависимости было подтверждено многими
исследователями.
Таким образом, если заранее установить для исследуемого металла
функциональную связь между его твердостью Н и степенью деформации ε
i
, а
следовательно, и интенсивностью напряжений σ
i
, то по замеренной
твердости в исследуемых зонах деформированной заготовки из данного
металла можно судить об интенсивностях деформаций и напряжений в
соответствующей стадии формоизменения.
При исследовании напряженно-деформированного состояния
используют различные методы определения твердости. Выбор метода
измерения твердости зависит от размеров исследуемой модели или области
пластической деформации, степени неоднородности; деформаций и т.п.
Условия проведения испытаний по измерению-твердости определены ГОСТ
9012-59 (по Бринеллю), ГОСТ 2999-75 (по Виккерсу) и ГОСТ 9450-76
(микротвердость).
Методика исследования напряженно-деформированного состояния
металла едина для любых способов измерения твердости.
106
По результатам испытания металла на растяжение или сжатие строится
диаграмма зависимости σ
i
= Ф(ε
i
). При испытании на сжатие необходимо
принять меры для исключения влияния сил трения на контактных
поверхностях. Для этого можно использовать, например, цилиндрические
образцы с выточками на торцах, заполняемые во время испытания густой
смазкой.
После испытания на растяжение образцы разрезают по диаметральному
сечению и в различных сечениях шейки замеряют твердость. Степень
деформации в данном сечении определяется выражением
0
ln
d
d
i
i
=ε ,
где d
i
– диаметр шейки в данном сечении;
d
0
— диаметр образца до испытания.
При испытании на сжатие необходимо осадить несколько образцов с
разными степенями деформации и выполнив несколько замеров твердости в
диаметральном сечении, определить ее среднее значение для каждой степени
деформации. Степень деформации в этом случае определяется формулой
0
ln
h
h
i
=ε
где h и h
0
– высота образца соответственно после и до осадки.
По результатам замеров твердости строят кривые Н = Ф
1
(ε
i
).
Имея указанные зависимости и измерив твердость деформированной
заготовки в интересующих зонах, можно определить величины
интенсивностей напряжений и деформаций в этих зонах.
Детального анализа напряженно-деформированного состояния металла
с помощью этого метода выполнить нельзя, однако в силу сравнительно
небольшой трудоемкости он находит применение в экспериментальных
исследованиях в тех случаях, когда определение двух параметров
напряженно-деформированного состояния – интенсивностей деформаций ε
i
и
напряжений σ
i
– достаточно для решения поставленных задач.
К таким исследованиям относятся определение границ очага
деформации, если он занимает только часть объема деформируемого тела, а
107
также определение линий равного уровня напряжений и деформаций но
объему очага деформации.
Контрольные вопросы
1. Какие практические задачи в ОМД решают с помощью
экспериментальных методов?
2. На каком предположении основан метод измерения твердости?
3. Какие бывают методы измерения твердости?
4. От чего зависит выбор метода измерения твердости?
5. Как определяют степень деформации при испытании на растяжение?
6. Как определяют степень деформации при испытании на сжатие?
7. В каких случаях используется метод измерения твердости в ОМД?
ЛЕКЦИЯ 21
ТЕНЗОМЕТРИЯ
План лекции:
1. Тензометрия.
2. Принципы измерения механических величин.
3. Тензоэффект.
4. Месдоза для измерения контактных напряжений.
5. Преимущества и недостатки использования данного метода.
В настоящее время полное усилие (усилие пресса при осадке, давление
металла на валки при прокатке, тяговое усилие при волочении и т.п.) не
измеряют непосредственно, так как это трудно осуществить, а во многих
случаях практически невозможно. Для их определения применяют различные
силоизмерители (месдозы), которые вместе со вспомогательными и
регистрирующими приборами в целом называют тензометрической
аппаратурой.
Месдозы преобразуют действующую на них нагрузку в упругую
деформацию, фиксируемую в виде электрического сигнала. На рис. 21.1
показан один из вариантов исполнения точечного силомера, получивший
название штифтовой месдозы. Она состоит из штифта 1 с пружиной 2, полого
стального стаканчика 3 с наклеенными на него тензодатчиками и
фиксирующей месдозу в корпусе гайкой 4.
108
Рис. 21.1. Штифтовая месдоза для измерения нормальных напряжений
Датчик сопротивления (рис. 21.2) представляет фольговый или
проволочный проводник, который вклеивают между двумя слоями тонкого
диэлектрика (бумага и т.п.). Размеры датчика таковы, что l >> a. Фольга или
проволочка датчика выполнены из сплава, обладающего тензоэффектом
(например, константана).
Рис. 21.2. Датчик сопротивления
Тензоэффектом называют обратимое изменение сопротивления
проводника от механических упругих деформаций. Обратимое изменение
сопротивления происходит не только вследствие изменения размеров, но и за
счет удельного сопротивления. Растяжение датчика вдоль направления l
сопровождается увеличением его сопротивления, а сжатие - уменьшением
109
Датчики, наклеенные на упругий элемент месдозы, включают в
мостовую схему (рис.21.3), принцип работы которой заключается в
следующем.
Рис. 21.3. Мостовая электрическая схема соединения тензодатчиков
В исходном состоянии, когда на месдозу не действуют нагрузки,
сопротивления плеч моста AB, BC, CD, DA сбалансированы
вспомогательными сопротивлениями R
D
так, что по диагонали BD ток не
течет. Направление движения тока, вызванного напряжением на клеммах A и
C, показано на рис. 21.3 пунктирными линиями.
Сила P, действующая на месдозу, приводит к уменьшению
сопротивления R
с
сжатого датчика, наклеенного вдоль образующей, и
увеличению сопротивления R
р
растянутого датчика, наклеенного по
окружности цилиндра. Балансировка моста от нагрузки P будет нарушена и
возникает ток через диагональ BD, направление которого на схеме показано
сплошными стрелками.
Свойства датчиков и жесткость упругого элемента месдозы подбирают
таким образом, чтобы сила тока была пропорциональна нагрузке Р.
Ток, возникающий в диагонали BD моста фиксируют в простейшем
случае с помощью осциллографа, записывающего отклонение луча
малоинерционного гальванометра на движущуюся фоточувствительную
бумагу. Для расшифровки показаний осциллографа применяют
тарировочные графики, связывающие показания приборов с величиной
известной градуировочной нагрузки.
110
При использовании полумостовой схемы вторая половина моста
собирается в тензостанции, в которой происходит усиление сигнала.
Практика показала, что удовлетворительные результаты при определении
напряжений могут быть получены в том случае, если кольцевой зазор между
концом штифта и корпусом месдозы составляет 0,03...0,05 мм. При больших
значениях металл может затекать в зазор, что приводит к заклиниванию
штифта. Если зазор слишком мал, то трение штифта о стенки металла может
искажать результаты.
При нагружении штифта неизбежно некоторое утапливание или
выступание торца штифта относительно корпуса месдозы. Чтобы
погрешность измерения давления не превышала 3 %, величина утапливания
или выступания штифта не должна быть больше 0,02 мм.
Диаметр штифта желательно иметь как можно меньше. Однако
практически изготовить прочный и жесткий штифт диаметром менее 2 мм с
небольшими допусками и чистотой поверхности трудно. Поэтому обычно
диаметр штифта выбирают в пределах от 1,5 до 2,5 мм.
Конфигурация поверхности корпуса месдозы выполняется в
соответствии с формой той части рабочего инструмента, где она применяется
(например, в соответствии с поверхностью штампа или прокатного валка).
Отметим, что при помощи точечной месдозы иной конструкции, у
которой измерительный штифт выполнен заодно со стаканчиком, можно
измерять не только нормальные, но и касательные напряжения. С этой целью
на поверхность стаканчика наклеивают из тензодатчиков два
самостоятельных мостика. Один из них измеряет нормальную силу,
приложенную к штифту, второй - приложенную к нему касательную силу,
так как под действием этой силы стаканчик изгибается. Изготовление
точечной месдозы такого типа требует высокой точности, поскольку при
затяжке гайки штифт должен располагаться точно посередине отверстия, в
которое он проходит.
Описанный выше способ определения внешних поверхностных
напряжений не лишен недостатков, к числу которых относят:
1. ограниченные возможности для исследования напряженного состояния,
позволяющие определить напряжения только на поверхности контакта
металла с инструментом;
2. методика сложна и требует ювелирной работы при изготовлении деталей,
их монтаже и проведении опытов;