Физико-механические основы обеспечения высоких показателей при обработке металлов давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физико-механические основы обеспечения высоких показателей при ОМД

Обработка методом ОМД и управление технологическим процессом изготовления изделия с целью достижения высоких технико-экономических показателей базируется на фундаментальных научных исследованиях, изучении механизмов, определяющих формирование структуры и свойств материалов.

Рассмотрим основные эффекты, сопровождающие процесс деформирования твердого тела.

1. Локализация деформации

Главной, отличительной особенностью пластической деформации является ее локальный характер, т.е. ограничение объема в котором она происходит.

Главным следствием из локализации деформации является резкое снижение напряжения, требуемого для поддержания процесса деформирования тела.

Известно, что под действием чистого растяжения или чистого сжатия, остаточная деформация в теле образоваться в теле не может, т.к. при удалении атомов друг от друга на величину более половины межатомного расстояния межатомная связь ослабевает и тело разрушается. При сближении атомов на расстояние меньше равновесного, возрастают силы отталкивания между атомами, и дальнейшее сближение атомов становится невозможным.

Единственным типом нагружения, способным вызвать остаточную деформацию, является сдвиг. При этом типе нагружения происходит относительное скольжение двух смежных плоскостей атомов в твердом теле. Такой тип остаточной деформации называется пластической деформацией. Механизмом, обеспечивающим пластическую деформацию, является дислокация. Дислокации имеют определенную кристаллографическую ориентировку, вследствие чего - пластическая деформация может происходить только в кристаллическом твердом теле.

Пластической деформацией в теле охватывается незначительное число атомов. Например, при предельно достижимой путем деформирования тела плотности дислокаций = 10¹² см^-2 число атомов, сдвинутых из положений равновесия составляет величину 10^-4 от общего числа атомов. Плотность тела при этом практически не меняется. Изменения плотности и разрыхление тела происходит при плотности дислокаций более 10¹⁵ см^-2, однако достигнуть такого уровня деформаций тела внешними усилиями невозможно, для этого требуются методы химико-термической обработки, ядерно-физического или лучевого воздействия.

2. Температурные эффекты

При повышении температуры подвижность атомов увеличивается и энергия тела повышается. это явление иллюстрирует график зависимости свободной энергии E при смещении атома из равновесного положения, r₀ на рис 5.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.1 Схема изменения свободной энергии при смещении атома из равновесного положения

Так как температура тела пропорциональна энергии

E = kT

(k - постоянная Больцмана), то из схемы на рисунке 5.1, следует, что температура тела повышается при смещении атома из равновесного положения.

Аккумулирование в металле энергии увеличивается с повышением степени деформации до некоторой величины (порядка 0.52.0 кал/ч) и ее действие складывается с воздействием внешней температуры, обеспечивая изменение структуры и свойств материала.

При повышении температуры уменьшается незначительно предел текучести. Наглядно температурные эффекты изменения прочности и пластичности показывает известная схема Иоффе, рис.5.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5.2 Зависимость предела прочности _В и предела текучести _Т от температуры

Т_ХП - температура хрупкости.

Т_ВП - температура вязко-пластического перехода.

Т_ПЛ - температура плавления.

Рассмотрим области, обозначенные на рисунке 5.2 римскими цифрами.

Ниже температуры хрупко-пластического перехода при нагружении тело может испытывать упругие деформации вплоть до достижения предела прочности и разрушиться при превышении этого предела. В области I тело обратимо деформируется, испытывая только упругую деформацию. Поэтому в области II тело не может находиться при нормальных условиях нагружения растяжения и может быть только в условиях всестороннего сжатия, что технически неосуществимо для кристаллических тел. В области III (выше Т_ХП) тело деформируется упруго и испытывает эффекты релаксации и ползучести, которые протекают во времени с определенной скоростью при пластическом механизме их действия.

В области IV напряжение превышает предел текучести и тело пластически деформируется.

В области V напряжение превышает предел прочности и тело разрушается. При этом достигается некоторая предельная степень деформации. Разрушение происходит сколом.

В области VI (выше Т_ПВ - или температуры рекристализации) тело деформируется упруго и испытывает эффекты релаксации и ползучести при вязком механизме их действия.

В области VII напряжение превышает предел текучести и тело деформируется при совместном действии вязкого и пластического механизмов течения.

В области VIII напряжение превышает предел прочности и тело разрушается. При этом предельная деформация существенно выше, чем в области V и тело разрушается срезом.

В области IX тело переходит в жидкое состояние и деформируется по вязкому механизму течения.

3. Временные эффекты

Любой процесс обработки материалов давлением проходит во времени и конечный результат деформирования определяется скоростью процесса. В конечном итоге оказывается, что переходы из одной области в другую на схеме рис.5.2 являются следствием не только воздействия температуры, но и скорости изменения напряжения и деформации. Изменяя скорость нагружения или деформации можно существенно корректировать воздействие температуры на тело. Сама Т_Х - температура хрупко-пластического перехода не может быть константой материала, так как значение этого температурного порога зависит от скорости деформации. Например, широко известные хрупкие материалы, такие как вольфрам, твердые сплавы, керамика, мрамор могут пластически деформироваться при низких температурах в условиях сверхмалых скоростей нагружения.

Контроль за состоянием материала при горячей обработке давлением можно осуществлять визуально по цвету материала, используя шкалу температур и цвета. Например, для стали можно использовать следующую шкалу температур и цвета, таблица 5.1.

Таблица 5.1

Таблица температур и цвета стали при термической обработке

Явления, определяющие кинетику поведения материалов, это релаксация и ползучесть.

Релаксация - уменьшение напряжения во времени от начального, повышенного значения до некоторого устойчивого уровня, соответствующего равновесному состоянию материала при данной температуре. Процесс релаксации во времени описывается экспоненциальной зависимостью, график которой приведен на рис. 5.3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.3 Графики релаксации при разных температурах

₀ - исходное напряжение

₁; ₂; ₃ - равновесное напряжение при температуре соответственно Т₁; Т₂; Т₃.

Т₃ > Т₂ > Т₁

Величину напряжения _t в момент времени t можно, определить из выражения

где - время релаксации при температуре Т (определяет период времени в течении которого напряжение ₀ уменьшается в e - раз, e основание натурального логарифма.)

Ползучесть - самопроизвольное удлинение тела во времени под действием приложенной постоянной нагрузки. Кривая ползучести представляет собой зависимость деформации от времени действия напряжения , рис.5.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.4 Графики ползучести: а) типичная кривая ползучести, б) кривые ползучести при разных напряжениях и в) при разных температурах

Отметим, что определение предела прочности при кратковременном испытании является частным случаем испытания на ползучесть.

Действительно, если увеличивать напряжение до некоторого предела, то долговечность тела будет стремиться к нулю в соответствии с схемой на рис.5.4, а). Таким образом, при достижении предела прочности _В кривая ползучести будет включать участок мгновенной деформации, а продолжительность остальных трех стадий кривой ползучести хотя и будет малой величиной, однако не равной нулю, так как любому разрушению реальных твердых тел всегда предшествует накопленная деформация.

Характерной особенностью процесса ползучести твердых тел является постоянство скорости установившейся ползучести на стадии II рис.5.4, а). С ростом напряжения скорость установившейся ползучести увеличивается в соответствии с выражением

где А - температурно зависимый член, n - показатель степени.

Поэтому с ростом скорости деформации напряжение в теле возрастает и наоборот, с уменьшением скорости деформации напряжение в теле уменьшается. Скорость деформации влияет и на температуру хрупко-пластического перехода. Математическое выражение этой зависимости следующее:

На рисунке 5.5 изображены зависимости T_X от скорости деформации для некоторых тугоплавких металлов - W, Мо, Сr.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.5 Зависимости температуры хрупкости от скорости деформации для тугоплавких металлов

Так, для Мо, повышение на порядок приводит к увеличению Тх на 20-30⁰. Переход от статических испытаний () к ударным () повышает Тх на 200⁰.

Аналогичным образом скорость деформации влияет на температуру вязко-пластического перехода (или температуру рекристализации - Тр). Поэтому при определении областной горячей обработки и холодной обработки и установлении температурного порога между этими областями следует регламентировать скорость деформации, которая будет использоваться в конкретном технологическом процессе.

Вязкость

Если твердое кристаллическое тело при деформации упрочняется, то жидкое тело нет. Когда же речь идет о твердом теле в различных условиях обработки - горячей или холодной, то неясно, почему выше температуры рекристаллизации Тр твердое тело не испытывает упрочнения.

Явление, при котором скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению, свойственно жидкостям, в которых энергия деформации рассеивается главным образом между молекулами. Такое поведение тела называется ньютоновское поведение, а тело называется ньютоновской жидкостью. Как мы видели, кристаллическое тело при деформации обязательно испытывает упрочнение, а твердое тело в области горячей обработки не испытывает упрочнения.

Следовательно, такое тело в области горячей обработки давлением теряет кристаллическую структуру и становится жидкостью - ньютоновской жидкостью.

Подробно эти эффекты описаны в специальной литературе по реологии.

4. Специальные структурные эффекты

Влияние размера зерна на Тх.

Экспериментально установлено уменьшение температуры хрупко-пластического перехода. Тх при уменьшении размера зерна d_ЭФ кристаллического твердого тела.

Математическое выражение, устанавливающее эту связь имеет вид,

.

Схемы зависимостей Тх (d_ЭФ) для тугоплавких металлов показаны на рис 5.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.6 Зависимости температуры хрупкости от размера зерна для тугоплавких металлов

d_ЭФ - эффективный размер зерна - зависит от реальной структуры сплава. Например, в перлитной стали это толщина пластинок цементита.

Влияние внешнего давления среды на Тх.

Установлено влияние гидростатического давления на температуру хрупко-пластического перехода. Так при деформации хрупких материалов в условиях гидростатического давления, начиная с некоторого порогового значения пластичность тела существенно возрастала.

На рисунке 5.7 показана схема изменения предельных характеристик _В и _Т при действии гидростатического давления Рг.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5.7 Схема изменения прочности при действии гидростатического давления

При увеличении гидростатического давления от Р_Г=1 до Р_Г>>1 предел прочности возрастает от _В до '_В, так как гидростатическое давление усложняет условия образования и раскрытия трещин. Эффективная величина температуры хрупко-пластического перехода снижается от Т_Х до Т_Х'. Описанное явление открывает перспективы для расширения возможностей прессования, гидроэкструзии.

Выводы. Рассмотренные в данном разделе явления позволяют рационально организовывать технологический процесс обработки материалов для получения изделия высокого качества при минимальных затратах на производство.

5. Принципы и приемы организации производства изделий высокого качества методами ОМД

обработка металл давление деформирование

Для обеспечения высокого качества изделий необходимо обеспечивать последовательность мероприятий по:

Проектированию технологического процесса

Проектированию технологической оснастки

Реализации технологического проекта в соответствии с разработанным проектом

Поддержание в работоспособном состоянии средств технологического оснащения.

Особенно важное место в этом ряду занимает проектирование технологической оснастки

Технологическая оснастка для различных способов обработки материалов давлением обличается большим разнообразием. Рассмотрим требования к конструкциям для наиболее употребляемых в машиностроении способов обработки материала.

Штамповая оснастка для холодной штамповки.

Применяемые для холодной штамповки штампы представляют собой инструмент, действующий под большими периодически меняющимися нагрузками. При правильной эксплуатации и нормальной конструкции инструмента наиболее часто выходит из строя основные рабочие части штампа - пуансон и матрица. Одной из основных причин выхода из строя штампа и снижения качества изделия является износ рабочих поверхностей. В этих случаях штамп снимают с пресса для переточки (перешлифовки) для восстановления размеров рабочих поверхностей. Существует два направления, используемые на практике для уменьшения затрат на процесс восстановления срока нормальной эксплуатации штампа.

Использование высококачественных материалов для изготовления пуансонов и матриц. Для этого используют легированные штамповые стали и твердые сплавы.

Использование износостойких покрытий на рабочих поверхностях штампов из конструкционных сталей. Для этого используют штампы из дешевых среднеуглеродистых сталей и покрытия из тугоплавких сплавов - керметов.

Способность штампа выдерживать определенное количество циклов нагружения от начала эксплуатации до перешлифовки определяет стойкость штампа. Например, стойкость вырубных штампов из стали составляет 10 - 30 тысяч ударов, а общий ресурс при 10 переточках составляет 10 - 300 тысяч ударов. Применение покрытий из твердых сплавов на рабочих кромках вырубных штампов увеличивает их ресурс в 2-3 раза и, что самое главное, в несколько раз увеличивает время между переточками, т.е. стойкость штампа.

При проектировании штампа наиболее ответственным этапом является определение действующих напряжений и расчет зазоров между пуансоном и матрицей.

Наиболее простым является расчет усилий при разделительных операциях холодной штамповки, например, вырубки, пробивки. При этом оценивают периметр образующегося контура изделия и по формуле:

рассчитывают усилие.

Точный расчет усилий при объемной обработке невозможен, поэтому возникающие ошибки приводят к погрешностям и браку штамповок.

6. Приложение. Примеры новых технологических процессов ОМД (материалы взяты из сети Интернет)

Штамповка

К наиболее значительным разработкам, реализованным в небольших сериях, можно отнести изготовление прямофокусных параболических отражателей для систем спутникового телевидения диаметром от 0,8 до 1,8 м из листа толщиной от 1 до 2 мм. Отличительной особенностью данной технологии являлось то, что необходимый для эффективного функционирования профиль изделия получили за счет трехосного растяжения металла за пределом упругих деформаций. В итоге конечная форма отражателей по точности соответствовала теоретическим требованиям. Аналогичную технологию применили при штамповке отражателей со смещенным фокусом для приемных систем спутникового телевидения с приведенным диаметром 0,8 м.

В последние несколько лет из-за изменения экономических факторов, влияющих на ценообразование промышленной продукции, существенно увеличились затраты на изготовление штамповой оснастки. Поэтому нашими технологами уделяется большое внимание разработке техпроцессов, позволяющих совместить две-три технологические операции за один переход, что соответственно позволяет уменьшить количество штампов и, тем самым, снизить затраты на производство деталей. Ряд таких техпроцессов освоен нами при штамповке сферических и цилиндрических деталей различных диаметров. При этом использование совмещенных штампов позволило снизить затраты на подготовку производства в 1,5-2 раза по сравнению с использованием классических схем.

Ротационная вытяжка

Разрабатываемые нами техпроцессы могут обеспечить получение деталей с переменной толщиной стенки, прежде всего с использованием прогрессивного метода ОМД - ротационной вытяжки.

Сущность этого метода - изготовление полых деталей типа тел вращения путем деформирования заготовок давильными роликами на вращающейся оправке со значительным утонением стенки. Благоприятная схема напряженно-деформированного состояния и локальный характер деформации позволяют обрабатывать малопластичные материалы. Возможность получения стенки переменной толщины вдоль образующей детали обеспечивает изготовление облегченных равнопрочных конструкций, а в некоторых случаях полное или частичное исключение сварных швов. Сочетание деформационного и термического упрочнения обеспечивает повышение прочностных харакВ течение сорока лет в условиях опытно-экспериментального производства института на базе участка листовой штамповки и ротационной вытяжки производилась отработка технологии и изготовление опытных образцов широкой номенклатуры деталей для изделий различного назначения с последующим освоением и внедрением технологий в серийное производство на предприятиях отрасли. Точность размеров и качество поверхности деталей, полученных ротационной вытяжкой представлены в таблице:

Технологические процессы ротационной вытяжки были внедрены на 15 предприятиях отрасли для изготовления деталей из алюминиевых сплавов АДО, АМцМ, АМг6, 1201, 01420, В96ц3, титановых сплавов ТС6, ВТ6, ВТ6С, ОТ4, высокопрочных конструкционных сталей типа СП и ЧС и нержавеющей стали.

В ряде случаев ротационная вытяжка позволяет значительно упростить изготовление целых сборочных единиц изделий, а иногда является и единственно возможным рациональным способом получения деталей.

Размещено на Allbest.ru