Исследование пластической осадки кольцевых заготовок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.735.32

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОМ ОСАДКИ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК Д.В. Хван, В.В. Ковалев, П.М. Панин

Представлены экспериментальные данные, свидетельствующие о монотонности процесса осадки кольцевой заготовки, что противоречит принятому в ОМД предположению о немонотонности указанного процесса

Ключевые слова: напряжение, пластическая осадка, твердость, кольцевая заготовка

В инструментальной промышленности придается большое значение разработкам инновационных технологий для повышения стойкости мерительных и режущих инструментов. При этом получили хорошее экспериментальное обоснование технологии термомеханической обработки (ТМО) и ее разновидности предварительная ТМО (ПТМО) [1 - 4],

подтверждающие их достаточную эффективность. В связи с этим нами рассматривается технология ПТМО применительно к инструментам в форме кольца: плашки, резьбонакатные ролики, дорны и др.

С целью оптимизации технологии ПТМО необходимо в операции пластической обработки заготовок указанных инструментов правильно оценивать напряженно-деформированное состояние (НДС). В работах [5 - 6] отмечено, что в осаживаемых кольцевых заготовках реализуется неоднородное НДС, основанное на предположении

о том, что внутренний и наружный радиусы заготовки соответственно уменьшается и увеличивается. В связи с этим процесс осадки колец является немонотонным. Данное обстоятельство значительно усложняет теорию осадки колец, что может быть неадекватным реальному процессу.

Целью работы является представление опытных данных по пластической осадке кольцевых заготовок, свидетельствующие о необоснованности принятой в указанных работах рабочей гипотезы.

Эксперименты выполнены нами на заготовках из стали 20 с размерами Ео х го х Н 0 мм (наружный х внутренний радиус х высота заготовки). Из указанных размеров в опытной партии изменяли только радиус - го: Ео = 20 мм, Но = 40 мм, го = 4, 5, 6, 8 мм; а = го / Ео = 0,2; 0,25; 0,30; 0,40 .

Осадка заготовки производилась на гидропрессе ГМС-250 ступенями (с шагом А8 ~ 0,1 до 8 = 0,5), изменяя при этом прокладки из

Хван Дмитрий Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473)252-74-80

Ковалев Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473)252-74-80

Панин Петр Михайлович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(473)252-74-80, e-mail: tpm@vorstu.ru

фторопластовой пленки толщиной ~ 0,1 мм на торцах заготовок с целью устранения бочкообразования.

На рис. 1 - 4 представлены графики изменения приращений координат Др7- = рі - г точек (с исходным (г) и текущим (рі) радиусами) поперечного сечения заготовки в зависимости от относительной деформации а. Здесь: 1 -

Г = го = 4мм, • ; 2 - Г2 = 10,4мм, Д; 3 -гз = Rо = 20мм , X .

Рис. 1. График изменения Ap, а = 0,20

Ар,мм

Рис. 2. График изменения Ap, а = 0,25

А р,мм

Рис. 3. График изменения Ар , а = 0,30 Ар, мм

/ (

2 / /

3 /

X

/ / Л

0.1 0.2 0.3 04 0.5

Рис. 4. График изменения Ар , а = 0,40

Как видим, текущие радиусы р( всех указанных точек монотонно увеличиваются, что и доказывает необоснованность принятых в работах [5, 6] предположений.

На этом рисунке представлены также расчетные данные (сплошная линия), определенные по полученной из условия пластической несжимаемости материала [7] формуле

р\ = ггЩ^) (1)

Из сопоставления расчетных и опытных данных следует, что отклонение их относительно друг друга находится в пределах ~ 10%, и тем самым можно считать соотношение (1) достаточно приемлемым для оценки деформированного состояния в кольцевой заготовке при ее осадке.

Для иллюстрации на рис. 5 представлена фотография заготовок (а = 0,4), осаженных до различных степеней относительной деформации 8 :

1 - 0; 2 - 0,15; 3 - 0,30; 4 - 0,45.

Таким образом представленные опытные данные позволяют заключить о монотонности процесса пластического деформирования при осадке колец, и в связи с этим можно использовать при оценке НДС деформационную теорию пластичности или теорию течения [7].

Рис. 5. Фотография осаженных колец с го = 8мм , а = 0,40 ; 1 - 8 = 0; 2 - 8 = 0,15 ; 3 - 8 = 0,3; 4 -8 = 0,45

В работе [8] дается экспериментальное обоснование возможности определения

интенсивностей напряжений ст, и деформаций в( по распределению твердости НУ в деталях. При этом используется тарировочный график « сI - НУ - в(», построенный по данным испытаний цилиндрических образцов на сжатие или растяжение. В указанной работе на основе полученных опытных данных делается вывод о независимости этого тарировочного графика от вида напряженного состояния.

В связи с этим нами были выполнены исследования по определению твердости в пластически осаженной заготовке. При этом твердость измеряется на твердомере по Викерсу с

нагрузкой 300Н . На основе анализа полученных результатов измерения твердости в деформированной заготовке можно сделать приближенный вывод о постоянстве твердости металла по всему поперечному сечению кольца, а, следовательно, и независимости интенсивностей напряжений и деформаций от координаты р(, характеризующей положение точек в поперечном сечении заготовки. А согласно деформационной теории пластичности [5] можно считать, что и напряженное состояние будет линейным и однородным в осаживаемой кольцевой заготовке. Поэтому процесс осадки колец можно также считать монотонным.

С целью дополнительного обоснования полученных нами результатов был построен тарировочный график « ст, - НУ - в(» (рис. 6) по данным испытаний на сжатие цилиндрических заготовок размером 0 20х30 мм, выполненных в соответствии с рассмотренной в [8] методики. На этом рисунке точками отмечены данные,

полученные по результатам пластической осадки кольцевой заготовки с Го = 4мм .

HV

Рис. 6. Тарировочные графики

Из этого рисунка следует, что полученные испытанием двух видов образцов (цилиндрические без отверстия - сплошная линия) опытные данные с отклонением ~ 5 % совпадают между собой, и тем самым еще раз свидетельствуют о правильности сделанных нами выше выводов.

Однако, в случае существенного изменения твердости в заготовке можно НДС в последней определять согласно изложенной в работе [8] методике. В связи с этим ниже представлены следующие полученные на основе деформационной теории пластичности соотношения для расчета компонентов деформаций и напряжений в цилиндрической системе координат г , р , ф :

eP =

л/3^

-ez + V3д/ez2 -e2

ez -

e. =

Єі - ez

3ei

3ei

-3^-V3Ve2 -e2

3ez +

2 „2 - ez

(2)

В этих соотношениях осевая деформация ег и осевое напряжение с2 определяются по следующим формулам

1 Но

ez = ln—°;

z н

а =

(3)

Здесь Но, Н - соответственно исходная и текущая высота заготовки; Р - сжимающая сила; F = Fо/(1 - а), F, Fо - текущая и исходная площади поперечного сечения; а - относительная деформация заготовки, определяемая по формуле Но - Н

s =

н

(4)

При выводе соотношений (2) использовались условия пластической несжимаемости материала

[7].

еф ^ ег ^ ер = с . (5)

Таким образом, выполненные нами исследования по осадке кольцевой заготовки позволяют значительно упростить расчет НДС в последней, и тем самым облегчить процесс оптимизации инновационных технологий ПТМО для повышения стойкости инструментов в форме кольца.

Литература

1. Бернштейн М. Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия. Т.1. 1968. - 596 с.

2. Токарев А. В. Разработка процессов и определение параметров осевого инструмента на основе пластической деформации. Диссертация кандидата технических наук. Вороне. 2006 . - 160 с.

3. Хван Д.В., Токарев А.В, Кефели В. В. Повышение стойкости инструментов осадкой с кручением / Д.В. Хван, А.В. Токарев, В.В. Кефели // Кузнечно-штамповочное производство. - 2002. - №11. - С. 44-46.

4. Хван Д.В., Токарев А.В., Попов А.В. Влияние механотермической обработки на стойкость инструментов / Д.В. Хван, А.В. Токарев, А.В. Попов // Извести ТулГУ. Серия: Механика твердого деформируемого тела. ОМД. -ТулГУ. Выпуск 2, 2004. - №8. - С. 156-160.

5. Шофман Л. А. Основы расчета процессов штамповки и прессования. М.: Машгиз. 1961. - 340с.

6. Унксов Е. П. Инженерная теория пластичности. М.: Машгиз. 1960. - 530 с.

7. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение. 1975. - 398 с.

8. Дель Г. Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение. 1971. - 197 с.

Воронежский государственный технический университет

RESEARCH PLASTIC DEPOSITS OF RING PREPARATIONS D.V. Khvan, V.V. Kovalev, P.M. Panin

The experimental data testifying to monotony of process a precipitation of ring preparation that contradicts, to the assumption accepted in OMD of not monotony of the specified process are presented

Key words: tension, plastic deposit, hardness, ring preparation

2

2

ар = az +

ar = az -