на главную

УДК 621.777.001

Янчев А.И. (Донецк, ДонФТИ НАН Украины)

Влияние условий гидропрессования на прочность сцепления компонентов биметаллической заготовки

Выполнен анализ влияния условий гидропрессования на прочность сцепления компонентов биметаллической заготовки. Предложены соотношения расчета для условий, обеспечивающих необходимую прочность сцепления компонентов.

Influence of the hydrostatic pressing conditions on the bimetallic wire components’ grip strength has been analyzed. Relationships for the conditions providing the necessary grip strength of components have been proposed.

Актуальной проблемой современного материаловедения является получение биметаллических и композиционных материалов с высоким комплексом свойств, которые необходимы для промышленности. Одной из основных операций при изготовлении такой продукции является совместная пластическая деформация исходных компонентов.

Характер истечения материалов в процессе прессования либо гидропрессования биметаллических заготовок зависит от многих факторов [1-5]. В случае опережающего истечения одного из компонентов в отстающих соседних слоях другого компонента возникают дополнительные растягивающие напряжения, которые могут изменить схему напряженного состояния и быть причиной разрушения материала.

Разработан ряд моделей прессования биметаллических заготовок, на основе которых прогнозируется нарушение условий пропорционального течения [1,3-5]. Однако, основным недостатком этих работ является использование модели идеально пластического материала. Для устранения этого недостатка в [6,7] предложена модель процесса гидропрессования биметаллической заготовки, проведена оценка условий пропорционального течения компонентов с учетом упрочнения материалов.

При анализе условий пропорционального течения компонентов биметаллической заготовки в процессе гидростатического прессования принято допущение о настолько прочном сцеплении оболочки и сердечника, что касательное напряжение на границе компонентов в случае возможного смещении сердечника относительно оболочки равно пределу текучести более мягкого материала при сдвиге [6,7]. Следует отметить, что условия, при которых касательное напряжение на границе компонентов достигает уровня предела текучести материала сердечника, более мягкого в сравнение с материалом оболочки, исследованы недостаточно. В данной работе рассматриваются условия гидропрессования биметаллических заготовок, при которых возможен такой подход.

В связи с вышесказанным используем результаты теоретического анализа условий образования связей между составляющими биметалла в процессе пластической деформации [8,9] Прочность сцепления компонентов на сдвиг определена в виде

(1)

где q - нормальное контактное давление; s тк - предел текучести материала в приконтактном слое; t тк - предел текучести материала в приконтактном слое при сдвиге; h оп - относительная площадь сварившихся участков контакта; Кп - константа поверхности

При рассматриваемых нами условиях гидропрессования полагаем h оп =0, тогда прочность сцепления определяется как

(2)

Известно, что проблема предотвращения непропорционального течения компонентов биметаллической заготовки возникает при различной прочности деформируемых материалов и становится тем актуальнее, чем больше это различие. Поэтому анализ условий пропорционального течения компонентов необходимо производить с учетом упрочнения материалов в результате пластической деформации [7].

В работе [8] приведены рекомендации по определению механических свойств приконтактного слоя металлов

(3)

где s т - предел текучести в объеме металла вблизи контактной поверхности; s тmax - предел текучести предельно упрочненного материала.

Обозначим s тmax = zs т , тогда

(4)

Параметр z изменяется в процессе гидропрессования биметаллической заготовки от максимального значения в начальной стадии упрочнения материала до единицы, когда будет достигнута предельная степень его упрочнения. Если использовать аппроксимирующую функцию типа , то в общем случае имеем

(5)

Согласно принятому в [6,7] условию прочность сцепления на сдвиге в контактной зоне, при которой возможно непропорциональное течение компонентов, характеризуется значением t £ t т , где t т - напряжение сдвига более мягкого материала. Рассматривая начальную стадию процесса гидропрессования биметаллической заготовки, из условия предельного состояния t = t т, (2) и (4) получим

откуда следует:

(6)

Приведенные зависимости позволяют оценить условия подготовки и гидропрессования биметаллических заготовок, при которых обеспечивается необходимая прочность сцепления компонентов, т. е. она достигает уровня, равного пределу текучести при сдвиге более мягкого материала. Если прочность компонентов биметаллической заготовки определяется выражением (2), то видно, что достижение такого состояния зависит, главным образом от константы поверхности Kп и предела текучести при сдвиге материала в приконтактном слое t тк, поскольку часть выражения (2), заключенная в скобках в большинстве случаев мало отличается от единицы. При шероховатости поверхности компонентов, обеспечиваемой токарной обработкой, обычно принимается Kп =0,5. Тогда при условие t = t т может быть обеспечено при t тк ³ 2t т, или t тmax ³ 3t т . При большем значении Kп различие между значениями t т и t тmax может быть меньше, так при Kп =0,8 достаточно t тmax ³ 1,5t т.

Наибольшее различие между t тmax и t т имеется на начальных стадиях пластической деформации материала. Поэтому, если степень упрочнения материала такова, что необходимое при заданном Kп соотношение t тmax/t т в принципе достигается, то прогнозируемая по (2) прочность сцепления компонентов достигает уровня t = t т уже во входной части очага пластической деформации.

Чем больше коэффициент вытяжки заготовки, тем больше нормальное контактное давление q, а величина А® 1. Поэтому при больших значениях коэффициента вытяжки R вероятность повышения прочности сцепления компонентов t до уровня t т зависит в основном от свойств материала и константы поверхности Kп. При малых значениях коэффициента вытяжки заготовки R величина А может отличаться от единицы и это необходимо учитывать в расчетах.

Для наглядности приведены (рис.1) результаты расчета зависимости от ln(R) предела текучести алюминия при сдвиге t т и прочности сцепления компонентов t , рассчитанной по (2) при А=1, для случая гидропрессования заготовки с алюминиевым сердечником и медной оболочкой. В расчетах приняты следующие исходные данные: Ks=0.2; a =20o ; m =0.58: m k=0.05; s тmax=300МПа; (обозначения соответствуют принятым в работах [6.7]).

Рис.1 – Зависимости величин t и t т от ln(R)

Видно, что прочность сцепления компонентов t может достичь уровня t т уже при малых значениях коэффициента вытяжки.

Как уже отмечено выше, при анализе рассматриваемых условий гидропрессования необходимо учитывать также влияние уровня нормального контактного давления q. При малом значении q величина А может существенно отличаться от единицы и это также повлияет на вероятность достижения равенства t = t т .

Значение нормального контактного давления q в (6) соответствует радиальному напряжению на границе контакта компонентов. Характер распределения радиальных напряжений в области матрицы при прямом прессовании монометаллической заготовки описан в [10]. Показано, что при прессовании без противодавления кривая радиального напряжения s r на оси в области матрицы имеет максимум, стремясь к нулю при выходе из нее, а в приконтактной зоне образующей конической матрицы значения s r незначительно отличаются по длине образующей. В связи с этим с точностью, приемлемой для данной оценки, значение нормального контактного давления q на поверхности контакта компонентов биметалла при Ks £ 0.3 может быть принятым равным нормальному контактному давлению q1 на конической поверхности матрицы. Согласно [11] это значение q1 определяется в виде

(7)

где, R – коэффициент вытяжки заготовки; m к - коэффициент трения по закону Амонтона-Кулона.

Давление гидропрессования биметаллической заготовки равно [6]

(8)

где Kc , Ks – коэффициенты, характеризующие относительную долю сердечника и оболочки в биметалле соответственно; D1 , H – диаметр и высота калибрующего пояска матрицы; m - коэффициент пластического трения.

На рис.2 приведена зависимость относительной величины q1/s тk от ln(R), полученная при тех же данных расчета. При минимальном значении q1/s тk= 4 часть выражения (2) в скобках, т.е. величина А ³ 0,99. Следовательно, при принятом значении s тmax прочность сцепления компонентов t , рассчитываемая по (2), определяется в основном величиной константы поверхности Kп (рис.1).

Рис. 2.- Зависимость величины q1/s тk от ln(R).

ВЫВОДЫ

Выполненный анализ показал обоснованность принятого в [6,7] допущения о достаточно прочном сцеплении компонентов при гидропрессовании биметаллической заготовки. Предложены соотношения для расчета условий, обеспечивающих необходимую прочность сцепления компонентов.

Литература

Могучий Л.Н. Процессы формоизменения металлов и сплавов М.-Наука, 1971. - с.85-90

Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия, 1975.- 344с.

Авицур, Ву, Талберт, Чжоу. Теоретическое исследование разрушения сердечника при прессовании биметаллических прутков // Конструирование и технология машиностроения.-1985, №3.- С. 203-217.

Авицур, Ву, Талберт, Чжоу. Критерий разрушения оболочки при прессовании биметаллических прутков // Конструирование и технология машиностроения.-1986, №3.- С. 72-83.

М.С.Гильденгорн. Совместная пластическая деформация разнопрочных сплавов при экструдировании.//«Цветные металлы». 1992. №8. с.52-55.

В.З. Спусканюк, А.И. Янчев. Моделирование процесса гидропрессования биметалических заготовок //ФТВД. 2000. т. 10, №3.-с. 39-47.

В.З. Спусканюк, А.И. Янчев. Исследование характера течения биметаллических заготовок при гидропрессовании с учетом упрочнения материалов// Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні. Краматорськ 2001. с.372-376.

Контактное трение в процессах обработки металлов давлением// А.Н. Леванов, В.Л. Колмогоров, С.П. Буркин, Б.Р. Кардак и др. – М.: Металлургия, 1976.-416с.

Давиденко А.А., Я.Е. Бейгельзимер. Анализ образования связей между составляющими биметалла в процессе пластической деформации // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні. Краматорськ 2001.-с.377-380.

Л.В. Прозоров, А.А. Костава, В.Д. Ревтов. Прессование металлов жидкостью высокого давления. М. Машиностроение. 1973.-с.152

Я.Е. Бейгельзимер, Н.А. Кулеско, Ю.А. Палант. Моделирование и проектирование процесса гидропрессования. Донецк: ТЕАН, 1994,-95с