CC BY
16
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.981
М. В. ШПОШКИН, В. И. ФИЛИМОНОВ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИАЛА С ПОКРЫТИЕМ В КОНТАКТНОЙ ЗОНЕ ПРИ ПРОФИЛИРОВАНИИ
Напряженно-деформированное состояние в контактной зоне при профилировании определяет степень повреждения покрытия. Предложена процедура определения предельных возможностей процесса, установлено, что локальный обжим заготовок с органическим покрытием допустим в пределах степени обжима 10 % практически для всех материалов. Покрытие толщиной более 50 мкм не допускает степени обжима, превосходящие (20 - 30) %.
Изготовление методом интенсивного деформирования в роликах гнутых профилей из материалов с покрытием может приводить к нарушению последнего как из-за его низкого качества, так и в связи с жесткими режимами формообразования, присущими указанному методу. В этом плане для разработки способов интенсивного формообразования необходимы исследования напряженно-деформированного состояния материала в контактных зонах.
На рис. 1 схема «а» соответствует условиям формообразования профиля при свободной гибке в открытом калибре или условиям формообразования сложного профиля в закрытом калибре без приложения торцовых сил. Схема «б» характерна для гибки в закрытых калибрах с приложением торцовых сил сжатия. По схеме «в» выполняют локальный обжим заготовки для выравнивания продольных деформаций подгибаемых полок с целью предотвращения скрутки профиля или же для калибровки элементов двойной толщины. Схем)' «г» применяют при формовке петельных элементов, законцовок сайдинга и размерной посадки элемента двойной толщины. Хотя приведенные схемы и не исчерпывают всего многообразия типоразмеров профилей, при формообразовании которых могут возникнуть напряжения и деформации, близкие к критическим, все же представленные на рис. 1 схемы являются наиболее характерными. Именно на указанных на рис. 1 элементах в реальности наблюдались нарушения покрытия при отработке технологии производства различных профилей в ФГУП «Ульяновский НИАТ».
Оценку напряжений и деформаций целесообразнее всего производить по их интенсивностям, поскольку при этом учитывается суммарный эффект от воздействия инструмента. Для заготовок с покрытием первостепенное значение имеет интенсивность деформаций на уровне слоя покрытия, которая при сравнении с допустимыми деформациями материала покрытия позволяет выявить предельные параметры
процесса. Напряженное состояние выявляется лишь в связи с определением деформаций.
На схеме «а» рис. 1 указаны две опасные зоны: внутренний контур, вступающий в контакт с верхним роликом, и зона, непосредственно примыкающая к криволинейному участку заготовки со стороны наружного контура зоны сгиба. В обеих зонах наряду с нормальными контактными напряжениями действуют и касательные напряжения (перпендикулярно плоскости представленного сечения).
Для определения радиальных напряжений в сжатой контактной уголковой зоне решение уравнения равновесия совместно с условием пластичности при соответствующих граничных условиях приводит к следующей зависимости:
а (р)= - ак - 2 • к • 1п —, (1)
гь
где стр(р) - радиальное напряжение, МПа; ак - контактное напряжение на внутреннем контуре, МПа; к -максимальное касательное напряжение, МПа; р, гь -текущий и внутренний радиус зоны сгиба соответственно, МПа.
Касательные напряжения на наружном контуре определяются из закона Амонтона-Кулона с учетом зависимости (1):
стт(р) = ар(рИ, (2)
где f- коэффициент трения.
Будем считать погонную силу подгибки сосредоточенной в малой области вблизи точек сопряжения прямолинейного и криволинейного участков наружного контура и равной ц. Тогда ак-гь=ц
Рис. 1. Характерные зоны повреждения покрытий заготовок при формообразовании профилей в роликах: I - верхний ролик; 2 - нижний ролик; 3 - заготовка; 03 - опасная зона
Из зависимостей (1) и (2) и последнего соотношения определяется касательное напряжение
Я
ат
(3)
Значения напряжений (1) справедливы лишь для основного материала, в то время как формула (3) применима и к слою покрытия, для которого легко определить деформации сжатия на внутреннем контуре, примерно совпадающие с деформациями крайнего волокна основного материала заготовки:
Ее * ~ 0 * > (4)
где с0 - окружная деформация слоя покрытия, мм; э -толщина заготовки, мм.
Радиальную деформацию слоя покрытия вг, к сожалению, невозможно определить из условия несжимаемости как для металла, однако можно найти экспериментальным путем по зависимости
(5)
ег =
где Д11, Ь - изменение толщины слоя покрытия в результате деформации и значение его толщины до деформации соответственно, мкм.
Для заготовки в целом справедливо условие плоской деформации, а деформация сдвига покрытия ет вследствие действия сил трения
8Т =ат -в, (6)
где в - модуль сдвига материала покрытия, МПа.
С использованием зависимостей (4) - (6) можно определить интенсивность деформаций
-£г)2+(£о-£Т)2 + (*, -*г)2 • (7)
Проведя эксперименты по одноосному растяжению образцов и установив предельную деформацию покрытия 8пред, можно определить технологические
возможности процесса формообразования по критерию
(8)
г. < г
1 — °пред •
Для контактной зоны на наружном контуре Со = 0 и зависимость (7) упрощается. Аналогичный подход справедлив и для схемы «б» на рис. 1. В этом случае следует только учитывать комбинацию сил подгибки я и торцового поджатая р.
По схемам «в» и «г» рис. 1 обжим заготовки приводит также к возникновению нормальных и касательных напряжений. Разрешающее уравнение для определения контактных напряжений имеет вид:
с!р 2-М1 _ 4-к- Х|
с!х
-2~'р = 2
К-8к 4-Х] 8к
(9)
где - зазор в роликовом калибре, мм; к - максимальное касательное напряжение (к = о\-/ ^3), МПа.
Уравнение (9) по виду несколько отличается от упрощенного уравнения Кармана [3], для которого известна асимптотическая оценка, а замкнутое решение получено лишь при весьма упрощающих предположениях. Граничные условия для уравнения (9) следует взять нулевыми в начальной точке контакта заготовки и формующего ролика. Интегрирование уравнения (9) и иоследующиенесложные, но трудоемкие преобразования приводят к следующему результату:
4к
РОО = — ехР(277(х1))
Ж
лю
ехр(-77(х10) - х, ехр(-77(х,) + | ехр( -ф))йх
где Г|(х) = Г
Я
• агс^
л1
Г >
х
V
х10 «т/Я ■ (б -Бк) ; х - текущая координата, мм; Бк -
Результаты экспериментального исследования качества поверхности заготовок при локальном
обжиме
Материал покрытия So, мм н, мкм Степень обжима 6, %
2 10 20 40
1 2 1 2 1 2 1 2
Полиэстер 0,53 25 - - + - + - + -
Полиэстер 0,95 25 - - + - + - + -
Полиэстер* 1,61 25 - - + - + - + -
Полиуретан 0,63 70 - - - - + - + +
Пластизоль 0,68 80 - - - - + - + +
* - без цинкового покрытия 1 - наличие продольной текстуры покрытия 2 - наличие отслоения покрытия.
зазор в калибре, мм; R - радиус формующего ролика, мм.
К сожалению, последний интеграл в решении (10) нельзя вычислить аналитически, однако само решение легко табулируется, например, с помощью программы MathCAD 2001 Pro. Для оценки решения уравнения (10) производили локальный обжим заготовок с покрытием в роликах диаметром 150 мм на профилегибочном станке ГПС-500М6 со степенью обжима 2, 10, 20 и 40 %. Из заготовок вырезали тем-плеты размером 15x20 мм, заливали их в эпоксидную смолу, шлифовали и исследовали состояние поверхностного слоя на микроскопе МИМ-8М с увеличением в пределах от 340 до 1000. Прочность слоя покрытия оценивали методом царапания иглой с последующим сравнением прикладываемых к игле усилий.
Механические характеристики субстратов всех исходных материалов укладывались в пределы заданного допуска (табл.).
Данные таблицы свидетельствуют о слабой зависимости прочности покрытия от толщины субстрата (см. свойства полиэстера в первых трех строках таблицы). Из рис. 2, на котором показан микрошлиф образца толщиной 0,53 мм при степени обжима 37 %, видно, что отслоения покрытия отсутствуют.
Однако толщина покрытия имеет существенное значение. Расчет по формуле (10) показывает, что контактные давления могут превосходить предел текучести без существенного нарушения покрытия, если оно относительно тонкое (см. также табл.). При толщине покрытия более 50 мкм возможно его по-
вдВЯ
. VT * .
Sflj
Рис. 2. Зона сцепления субстрата и покрытия после обжима в роликах
1 * ••. - ■ «* * .. г. f • • ~ . у/', f * Я%л
• ' -V'--vBf.-.Jt /
Ч - • -w * J • i . ••x.i^V »X-i_
* 1Ш'
99 ■ ."ptr. i • J.
)
'ж'»«. • - • > •
\v • • i% • • v . , ^ - . »¡.пай
• - • — •
Рис. 3. Наплывы покрытия из полиуретана и пла-стизоля толщиной более 50 мкм после обжима в роликах при £-> « 50 %
вреждение в виде наплывов и разрушений (рис. 3). Что касается влияния текстуры покрытия (вследствие обжима) на служебные характеристики профиля, то данный вопрос может быть прояснен с помощью соответствующих испытаний. Метод царапания показывает, что при степенях обжима более 30 % происходит некоторое разрыхление покрытия (усилие царапания несколько снижается по сравнению с исходным материалом).
Таким образом, в результате выполненных исследований установлено, что локальный обжим заготовок с органическим покрытием допустим в пределах степени обжима 10 % практически для всех материалов. Покрытие толщиной более 50 мкм не допускает степеней обжима, превосходящих (20 - 30) %.
Плюшкин Максим Валерьевич, аспирант кафедры «Обработка металлов давлением» (ОМД) УлГТУ. Занимается исследованием процессов профилирования.
Филимонов Вячеслав Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры ОМД УлГТУ, Работает в области обработки металлов давлением и производства летательных аппаратов.
