(1)УДК 621.777
Спусканюк В.З., Янчев А.И. (Донецк, ДонФТИ НАН Украины)
УСЛОВИЯ ГИДРОПРЕССОВАНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
В статье рассматривается влияние условий гидропрессования на силовой режим и характер течения компонентов биметаллической заготовки. Получены выражения для теоретической оценки давления гидропрессования и условий пропорционального течения компонентов.
Hydroextrusion conditions influence on the processing force and on the bimetallic billet components flow has been described Relationships for the theoretical estimation of hydroextrusion pressure and for the proportional flowing of the components have been obtain.
В [1] при установлении критерия прессования биметаллической заготовки без разрушения принято условие пропорционального течения металлов. Известно, однако, что нарушение пропорционального течения компонентов биметаллической заготовки не всегда приводит к разрушению сердечника либо оболочки. Поэтому разработанные критерии, очевидно, можно использовать только для выявления условий нарушения пропорционального течения. Недостатком указанной работы является использование модели идеально пластического материала. Следует отметить также, что практическое использование предложенных критериев затруднено в связи со сложностью математической модели. В данной работе предложены более простая модель процесса гидропрессования биметаллической заготовки и критерий нарушения пропорционального течения идеально пластических либо упрочняемых материалов.
В пластической зоне, ограниченной сферическими поверхностями, течение материалов радиальное (рис.1).
Рисунок 1 - Схема процесса
Усилие гидропрессования биметалла равно:
(1)
где:
F0- составляющая усилия для совершения деформации заготовки без учета сил трения;
FT1- составляющая усилия для преодоления сил трения на конической поверхности матрицы;
FT2- составляющая усилия для преодоления сил трения по пояску матрицы;
FТ3 - составляющая усилия для преодоления взаимодействия металлов;
Pb - давление гидропрессования биметаллической заготовки.
Аналогичные индексы имеют составляющие Р0, РT1, РT2,РТ3 полного давления гидропрессования Рb, соответствующие указанным составляющим полного усилия Fb , то есть Рb= Р0+ РT1+ РT2+ РТ3
Согласно [2] давление гидропрессования монометаллической заготовки равно:
, (2)
где
a м - образующий угол матрицы;
R - коэффициент вытяжки заготовки;
m - коэффициент трения;
e 1=0,462(a /sin2a -ctga ) - избыточная деформация при пересечении материалом границы очага деформации ;
e 2=e 1+lnR, здесь lnR- деформация в пластической зоне;
e 3=2e 1+lnR- эквивалентная одноосная деформация, которой подвергается материал в процессе гидропрессования.
С использованием такого подхода усилие F0 для деформации биметаллической заготовки без учета сил трения и взаимодействия компонентов равно:
, (3)
где:
s c, s s- сопротивления деформации материалов сердечника и оболочки соответственно;
Sc, Ss, - начальные площади поперечных сечений сердечника и оболочки соответственно.
Давление, соответствующее удельной работе однородной и сдвиговых (на двух границах) деформаций, равно:
. (4)
Отношения площадей удобно выразить коэффициентами, отражающими относительную долю площадей поперечного сечения сердечника и оболочки
. (5)
Тогда
. (6)
Без учета сил трения между металлами (сердечником и оболочкой) и на контакте с матрицей при условии пропорционального течения (Rс
=Rs) равенство Р0=Рс=Рs возможно лишь при s с» s s (знак приблизительного равенства поставлен т.к. a с¹ a м). Другими словами, при s с¹ s s и отсутствии сил трения течение металлов не может быть пропорциональным, выравнивание давления происходило бы в результате большей степени деформации, а следовательно, большей скорости истечения менее прочного металла.Влияние сил трения на конической поверхности матрицы при гидропрессовании биметалла учетом аналогично [2], где рассмотрен процесс гидропрессования монометаллической заготовки. Нормальное давление q на контактной поверхности матрицы определяется из условия горизонтального равновесия заготовки для случая малого трения в виде:
. (7)
В данном случае в отличие от [2], учитывается влияние сопротивления деформированию материалов как оболочки, так и сердечника. Тогда по аналогии с
(2) составляющая полного давления, соответствующая трению на конической поверхности матрицы, равна:
. (8)
Согласно [3] составляющая давления, соответствующая трению металла по калибрующему пояску матрицы, определяется в виде
, (9)
где Н- высота калибрующего пояска. При этом считаем, что
, (10)
где С
s, ms- параметры аппроксимирующей функции кривой упрочнения металла оболочки.Если предположить, что составляющая давления
PT3, соответствующая затратам на преодоление сил взаимодействия компонентов биметалла, равна нулю, то полное давление равно
(11)
Рисунок 2 - Зависимость относительного давления гидропрессования от состава биметаллической заготовки
На рис2 представлена теоретическая зависимость относительного давления гидропрессования биметаллической заготовки от коэффициента К
s, отражающего относительную долю оболочки в площади поперечного сечения заготовки. Рассмотрен случай, когда оболочка изготовлена из более прочного материала, а относительное давление представлено в виде соотношения давления гидропрессования биметаллических заготовок Рб к давлению гидропрессования монометаллической заготовки из материала оболочки Рs. При Кs=0 относительное давление Р равно отношению давления гидропрессования монометаллических заготовок из менее и более прочных материалов, при Кs=1 имеем Р=1. В связи с малым влиянием затрат на преодоление сил трения в калибрующем пояске матрицы (9) при гидропрессовании наблюдается практически пропорциональная зависимость Р от Кs. На рис2 приведены также экспериментальные данные для случая гидропрессования монометаллических заготовок из алюминия, меди и биметаллических заготовок с наружным медным слоем различной относительной толщины при коэффициенте вытяжки R=100, представленные в [4]. Наблюдается хорошее соответствие теоретической и экспериментальной зависимостей Р от Кs. Таким образом, выражение (11) может быть рекомендовано для определения давления гидропрессования биметаллических заготовок с учетом упрочнения материалов аппроксимирующими функциями типа (10).При гидропрессования биметаллической заготовки, как известно, возможно непропорциональное течение металлов. Если материал сердечника менее прочный, чем оболочки, то при определенных условиях возможно его истечение с большей скоростью по сравнению с материалом оболочки. Процесс опережающего истечения сердечника относительно оболочки условно можно моделировать подобно процессу прессования монометаллической заготовки через жесткую матрицу. Существенным различием этих процессов являются условия на контактной поверхности. Перемещение пограничного слоя металла сердечника относительно оболочки возможно при высоком уровне касательных напряжений, достигающем в предельном случае значения напряжения пластического сдвига менее прочного материала, в данном случае - металла сердечника.
Составляющая давления РТ3
, обусловленная силами трения при перемещении сердечника относительно оболочки, определяется из условия баланса мощностей сил аналогично решению [2], где учитывалось трение на поверхности матрицы
(12)
где
b, a - радиусы сердечника на входе и выходе из очага деформации соответственно;
u - скорость прессования;
t - касательное напряжение на контактной поверхности.
В отличие от модели [2], где рассматривался случай малого трения монометаллической заготовки по поверхности конической матрицы с углом a м , в данном случае поверхность раздела компонентов биметаллической заготовки определяется углом a с , а касательное напряжение оценивается в виде:
t с= m п s ,
где m п
- коэффициент пластического трения (0 £ m п £ 0,58).Из (12) следует
. (13)
С использованием аппроксимирующих функций типа s
= s o+Сe m зависимость напряжения пластического течения от радиуса может быть представлена в виде:
. (14)
Учитывая, что величина e
1 при a с £ 45 о мала, зависимость (14) может быть представлена в виде:
.
Тогда из (13) и (15) следует:
. (16)
Полное давление, при котором возможно смещение сердечника относительно оболочки, определяется с учетом (13) выражением:
. (17)
Можно полагать, что течение материала сердечника относительно оболочки становится возможным тогда, когда давление гидропрессования биметаллической заготовки достигает по каким-либо причинам величины, равной (17). Другими словами равенство давления гидропрессования биметаллической заготовки Рб
с пропорциональным течением материала по выражению (11) и давления Рс по (17) можно использовать для выявления момента нарушения пропорционального течения металлов.При сопоставлении значений Рб
и Рс в выражении (11) последней член, учитывающий влияние сил трения в калибрующем пояске, опускаем для удобства последующего анализа, учитывая его малый вклад в величину полного давления. Тогда получаем равенство:
. (18)
В момент нарушения пропорционального течения для неупрочняемых материалов соотношение имеет вид:
(19)
После обозначения:
, 
(20)
и преобразований имеем:
(21)
Полученные выражения позволяют оценить влияние прочностных свойств неупрочняемых металлов либо их доли в биметаллической заготовке на условие нарушения пропорционального течения.
С учетом упрочнения материалов и (16) условие (18) преобразовывается к виду:
(22)
Соотношение (22) позволяет оценить момент нарушения пропорционального течения металлов с учетом их упрочнения в процессе деформации.
При анализе условий гидропрессования биметаллической заготовки следует иметь ввиду, что пропорциональное течение будет сохраняться до тех пор, пока значение Рс
по (17) больше, чем Рб по (11). Уменьшить значение Рс можно было бы за счет снижения сил трения на контакте сердечника и оболочки, чтобы сердечник мог легче скользить по поверхности оболочки, если бы была такая необходимость. Перед технологом стоит обратная задача - предотвратить непропорциональное течение, и для этого принимаются всевозможные меры на стадии подготовки исходной биметаллической заготовки [5]. Вместе с тем, значение коэффициента трения не может быть более m п=0,58, при котором касательные напряжения достигают значения максимального напряжения сдвига материала. Учитывая высокий уровень гидростатического давления в очаге пластической деформации, условие нарушения пропорционального течения по (19) или (22) следует оценивать при значении m п=0,58.
Рисунок 3 - Зависимость
n= n(Ks) при R =100 и a м=10 - 45о
На рис.3 приведена теоретическая зависимость коэффициента
n, рассчитанного по (21), от коэффициента Кs при значении коэффициента пластического трения m п=0,58 и различных углах воронки матрицы.Результаты теоретического анализа соответствуют известным экспериментальным данным. Как известно [6], практически пропорциональное течение компонентов биметалла достигается, если сопротивление деформации металлов различается примерно до 50%
, то есть n ³ 0.5. При большем различии сопротивлений деформации металлов, то есть при малых значениях n результат зависит от таких основных факторов как соотношение размеров компонентов, угла матрицы и коэффициента вытяжки заготовки.ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
Авицур Б., Ву Р., Талберг С., Чжоу И. Теоретическое исследование разрушения сердечника при прессовании биметаллических прутков. - Конструирование и технология машиностроения, 1985. №3, с. 203-216.
Пью Х.Л. Механические свойства материалов под высоким давлением, - М.:. Мир, 1973. - 374 с.
Губкин С.И. Пластическая деформация металлов, - М:., Государственное научно-техническое издательство по черной и цветной металлургии, 1960. - 306с.
Hornmark N., Nilson J. O. H., Mills C.P.// Metall Form. 1970/ Vol 37, №8. Р. 227-233.
Кобелев А.Г., Потапов И.Н., Кузнецов Е.В. - Технология слоистых металлов. - М.: Металлургия, 1991. - 268с.
Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Машиностроение, 1975. - 448с.
