Оценка основных энергосиловых и деформационных параметров при равноканальном угловом прессовании Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.777

Л.М. Овечкин, мл. науч. сотр.,

8-926-336-47-29, leonid900@,rambler.ru (Россия, Москва, МГТУ «Станкин»)

ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ

И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ

Рассмотрена методика расчета сил, возникающих в канале матрицы при РКУП. Оценены геометрические параметры канала матрицы. Получена зависимость для нахождения деформационных параметров процесса РКУП.

Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация, равноканальное угловое прессование, сдвиг, заполнение канала.

Равноканапьное угловое прессование (РКУП) как разновидность методов интенсивной пластической деформации (ИПД) позволяет эффективно прорабатывать структуру деформируемых заготовок, тем самым достигая ее мелкозернистости и соответственно повышения уровня механических свойств [1].

При рассмотрении наиболее эффективной с точки зрения уровня накопления деформаций схемы РКУП, при которой каналы матрицы пересекаются под углом 90°, отмечается, что движение металла в канапе затруднено вследствие образования застойной зоны во внешнем углу канала [2]. Для нахождения сил, возникающих во время осуществления РКУП, целесообразно рассмотреть систему сил, действующих на обрабатываемую заготовку (рис. 1, а) [1].

При РКУП простой сдвиг осуществляется за счет воздействия каса-

!

тельных сил Т вдоль линии сдвига ОО . Кроме того, на линии сдвига действует равнодействующая гидростатических давлений N. Начальная величина осевой силы в рабочем канале, необходимая для деформирования заготовки, равна Р%о- На нижней стенке выходного канала действует

нормальная сила f N, а также сила трения \х- F n- Для полного заполнения канала необходима также сила противодавления .

В соответствии с работой [1], используя основные соотношения вдоль линий разрыва скоростей, можно определить минимально необходимую величину гидростатического давления р для заполнения внешнего угла канала:

р = к + 2- к- — = 2,51 к, (1)

4

где к = 0,5 • Gj - постоянная пластичности прессуемого материала; ат -предел текучести обрабатываемого металла, МПа.

V

О

р

а

б

Рис. 1. Схема осуществления процесса РКУП: а - система сил, действующих при РКУП; б - годограф скоростей

При полном заполнения внешнего угла канала и начале установившейся фазы процесса РКУП величина р будет действовать в очаге дефор-

мации, который располагается вдоль линии 00, соединяющей противоположные углы канала.

Составляя уравнения равновесия для части заготовки, расположенной в выходном горизонтальном канале и преобразовывая их, получаем выражение для определения нормальной силы ^дг:

где Т - касательная сила вдоль линии сдвига ОО , МПа; N - равнодействующая гидростатических давлений, МПа.

Также в соответствии с [1] возможно определить зависимости для следующих вышеописанных величин:

где Г N ~ нормальная сила, МПа.

Проводя преобразования выражений (3), (4), (5), получим зависимость для нахождения величины давления рр[ на нижнюю стенку выходного канала:

= Т БтфН- ТУсовср,

(2)

(3)

(4)

(5)

PH = sin 2ф (к + Р ' ctgy) , (6)

где ф - половина угла пересечения каналов, град.

Также, воспользовавшись выражениями (3), (4), (5) и проводя соответствующие преобразования, возможно получить зависимость для нахождения величины противодавления со стороны выходного горизонтального канала:

P0=P(1~ vctg<?) - к (м- + ctgq), (7)

где ¡I - коэффициент трения металла заготовки о стенки канала при РКУП.

Если известно значение противодавления р$, выражение (7) можно использовать для нахождения величины гидростатического давления р на линии сдвига по выражению:

„ _ Ро + Ф + с^ф) ,ол

р-—----------------• 1°)

1 - ц ctgq

Рассматривая часть заготовки, расположенную в приемном вертикальном канале матрицы и записывая уравнение равновесия на вертикаль-

ную ось Z (см. рис. 1), получим выражение для нахождения удельной осевой силы pío в нижней части приемного канала:

Ро + к (ц, + ctg®) .

PZO =-----:------------+ ^ С(8Ф • (9)

1 - ц Ctg(S?

Для улучшения кинематики течения металла в конструкцию матрицы целесообразно ввести внутренний и внешний радиусы сопряжения каналов г и R соответственно (см. рис. 1, а). Причем на кинематику течения металла оказывает в большей степени внешний радиус сопряжения.

От величины внешнего радиуса сопряжения каналов R зависит угол матрицы 20, который можно определить по выражению (10):

г \

20 = к - 2ф - 2 arccos

D2 +{D- R)2 j

(10)

где И - размер поперечного сечения каналов, мм; R - радиус сопряжения внешнего угла канала, мм.

Для оценки напряженного и деформированного состояний в пластической области, расположенной вблизи линии, соединяющей противоположные углы каналов, воспользуемся годографом скоростей (см. рис. 1, б).

!

На линии скольжения 00 нормальная компонента скорости уп непрерывна (см. рис. 1, а) и определяется по выражению

=У8Іп(ф+0), (11)

где V - скорость перемещения пуансона, мм/сек.

Касательная компонента скорости угв свою очередь складывается из участков от АВ-ЕР (рис. 2). Из равенства соответствующих участков, выражение для касательной компоненты скорости примет вид

2 С08(ф + 9) + 9'3,14 8ш(ф + 9)1 (12)

90 у

Приращение интенсивности деформаций сдвига АГ при этом определяется как отношение соответствующих скоростей:

Д/' = ^ = 2с#(ф + 9) + 3,14 ~9. V« 90

(13)

По полученным выражениям целесообразно построить зависимости с целью анализа изменения исследуемых величин. В качестве технологической смазки при осуществлении РКУП принимали воднографитовую суспензию, при которой коэффициент трения (I материала заготовки о стенки канала матрицы составляет 0,1. Также в матрице было выполнено сопряжение внешнего угла инструмента радиусом Я.

Зависимость внешнего угла пересечения каналов 2 0, определяемого по выражению (10), от внешнего радиуса сопряжения каналов Я при постоянном значении угла ф = 45° представлена на рис. 2.

ч

ГО

о

Рис. 2. Зависимость внешнего угла пересечения каналов 0 от внешнего

радиуса сопряжения каналов К

Отмечается увеличение значения внешнего угла канала при увеличении внешнего радиуса сопряжения каналов при неизменном угле пересечения каналов ф.

Зависимость приращения интенсивности деформаций сдвига АГ от внешнего радиуса сопряжения каналов Я при схеме оснастки с углом пересечения каналов 2ф = 90°, вычисляемая по выражению (13), представлена на рис. 3.

Радиус сопряжения К, мм

Внешний радиус сопряжения R, мм

Рис. 3. Зависимость приращения интенсивности деформаций от внешнего радиуса сопряжения каналов R

Данная зависимость характеризуется снижением уровня приращения интенсивности деформаций сдвига при увеличении внешнего радиуса сопряжения каналов.

Однако, принимая во внимание тот факт, что во внешнем углу канала движение металла при РКУП затруднено, необходимо конструктивно вводить внешний радиус сопряжения каналов.

По результатам проведенного анализа, а также данным работы [1] отмечается, что внешний радиус сопряжения каналов R значительно влияет как на значение внешнего угла канала 0, так и на приращение интенсивности сдвиговых деформаций при РКУП. Значение внешнего угла канала© находится в прямой зависимости от величины R. В свою очередь, величина приращения интенсивности деформаций АГ находится в обратной зависимости от величины R.

Список литературы

1. Процессы пластического структурообразования металлов. В.М. Сегал [и др.]. Минск: Наука и техника, 1994. 232 с.

2. Шейнман Е.М. Прессование через коленообразный канал // Заготовительные производства в машиностроении. №6. 2008. С. 5-8.

L.M. Ovechkin

THE ASSESSMENT OF THE MAIN ENERGY FORCEFUL AND DEFORMATION PARAMETERS DURING EQUAL CHANNEL ANGULAR PRESSING

The methodic of force analysis during equal channel angular pressing was considered. Geometrical parameters of the die channel were assessed. The dependence for finding deformation parameters of the equal channel angular pressing was received.

Key words: severe plastic deformation, equal channel angular pressing, shear, filling of channel.

Получено 15.08.11