Теория ОМД

Теория ОМД

Введение

Обработка металлов давлением (ОМД) базируется на основных положениях механики сплошных сред и физике металлов. ОМД является завершающим этапом в производстве изделий из металлов и сплавов. Назначение этого этапа заключается в том, чтобы изменить геометрическую форму и размеры тела, а также придать ему определенные механические и физические свойства. Эта же цель может быть достигнута литьем или резанием. Выбор конкретного способа обработки зависит от технико-экономических показателей. Часто используют все три способа последовательно: литье - ОМД - резание.

Основные способы ОМД:

1. Ковка (наиболее древний способ) заключается в том, что вся заготовка или ее участки подвергается ударному воздействию бойка молота или пресса. Воздействие инструмента на боковые поверхности заготовки отсутствует.

Ковка делится на осадку, протяжку и прошивку. Осадку производят между параллельными поверхностями, поверхность которых шире, чем поверхность заготовки. Протяжку применяют для увеличения длины за счет уменьшения сечения. При протяжке заготовку обрабатывают участками, последовательно продвигая ее между бойками молота (при необходимости переворачивают – кантуют). Прошивка делится на открытую и закрытую. Открытую прошивку применяют для получения цилиндрической заготовки с цилиндрической полостью или сквозным отверстием. При закрытой прошивке заготовку помещают в полость матрицы и прошивают пуансоном (ковка + прессование).

2. Штамповка – разновидность ковки в замкнутой полости штампа. Под воздействием давления заготовка деформируется и заполняет полость штампа. Сложные изделия получают последовательной штамповкой в ряде штампов, форма полости которых постепенно приближается к форме готовой поковки.

Различают штамповку объемную и листовую. Для объемной штамповки используют нагретую заготовку. При этом необходимо обеспечить возможность вытекания излишка металла либо путем образования облоя (заусенца), либо оставляя зазор между частями штампа. Листовая штамповка представляет собой процесс получения полых изделий из листа или полосы. Листовой штамповкой изготовляют преимущественно изделия из листов толщиной 0,05-4 мм пластичных материалов и сплавов (медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая и нержавеющая сталь) без нагрева.

3. Прессование – выдавливание слитка или катаной заготовки под воздействием пуансона через отверстие матрицы. При этом сечение изделия приобретает форму отверстия. Используется для производства прутков с различной формой поперечного сечения и труб, в том числе с внутренними и наружными ребрами.

Различают прессование прямое и обратное. При прямом прессовании истечение металла происходит в направлении давления, т.е. заготовка перемещается относительно стенок контейнера и на контактной поверхности появляются силы трения. Матрица остается неподвижной. К прямому прессованию относится прессование с боковым истечением и гидропрессование. При обратном прессование направление давления и направление течения металла – противоположны. При этом заготовка не перемещается и трение на поверхности минимально. Возможно одновременное использование прямого и обратного прессования.

4. Волочение – протягивание изделия через отверстие в волоке, имеющее меньшее сечение, а иногда и иную форму. В результате сечение уменьшается, а длина увеличивается. Применяют при производстве проволоки, прутков и труб. Используют для получения точных размеров и чистой поверхности, а также с целью упрочнения изделия.

Волочение труб делится на безоправочное, на короткой неподвижной оправке и на длинной движущейся оправке. Используется также раздача труб волочением, а для снижения трения используют вращающиеся волоки.

5. Прокатка – обжатие металла между вращающимися валками с изменением формы поперечного сечения или соотношения геометрических размеров сечения. Слиток или заготовка благодаря действию сил трения втягивается валками в зазор между ними, обжимается по высоте и вытягивается по длине и ширине. При этом заготовка принимает форму зазора между валками, называемого калибром.

По характеру протекания деформации различают продольную, поперечную и поперечно-винтовую прокатку. При продольной прокатке валки вращаются в разные стороны, при поперечной – в одну. В обоих этих случаях оси валков параллельны. При поперечно-винтовой (косой) прокатке заготовка получает вращательное движение от валков, вращающихся в одну сторону и имеющих скрещенные оси. Кроме того, заготовка получает поступательное движение в направлении своей оси, т.е. каждая точка заготовки движется по винтовой линии. При косой прокатке валки имеют бочкообразную или грибовидную форму или форму диска. Косой прокаткой получают пустотелые трубные заготовки.

По форме прокатываемого изделия прокатка делится на листовую и сортовую. В первом случае прокатка проводится на гладких валках, во втором – на валках, имеющих сложную форму. Продольной прокаткой получают сортовой и листовой прокат. Поперечной прокаткой производят специальные периодические профили, изделия представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни.

6. Объединенные процессы ОМД: закрытая прошивка (ковка + прессование), дисковые волоки (прокатка + волочение), валковая штамповка (прокатка + прошивка), гибка (прокатка + листовая штамповка).

 

При прокатке, волочении и прессовании инструмент действует на обрабатываемый металл непрерывно, а при ковке и штамповке – периодически (ударом). Последовательные процессы являются более совершенными, чем периодическими. При последовательных процессах можно применять высокие скорости обработки, их легче автоматизировать и механизировать.

 

По температуре, при которой происходит обработка металла, различают холодную и горячую ОМД. Холодная ОМД происходит при температуре ниже 0,3Т_пл, т.е. без подогрева. Горячая ОМД происходит при температуре выше 0,7Т_пл.

Практически трудно создать условия для холодной и горячей обработки давлением в чистом виде. Поэтому часто наблюдается неполная холодная и неполная горячая обработка. Температура неполной холодной обработки давлением равна 0,3-0,5Т_пл. Нагрев в этом случае может происходить как в результате выделения тепла при деформации, так и от внешних источников (так называемая теплая обработка). Температура неполной горячей обработки – 0,5-0,7Т_пл. Такая обработка приводит к неоднородной структуре материала и пониженным механическим свойствам и поэтому нежелательна.

 

Теория ОМД формирует основные закономерности, которым подчиняются эти технические процессы. Кроме того, в ОМД разрабатываются методы расчета напряжений и деформаций, возникающие в металле при его обработке. На этой основе строятся расчеты режима деформаций (обжатий, вытяжек), давлений на инструмент, затрачиваемой работы, моментов и мощности, необходимых для осуществления процесса.

В задачи теории ОМД входит определение условий деформации, обеспечивающих:

1. наивысшую пластичность металла и тем самым возможность максимальной деформации в каждой операции;

2. получение заготовок или изделий с оптимальным сочетанием физико-механических свойств;

3. обработку при наименьших усилиях и расходе энергии

 

Теория ОМД тесно связана с другими смежными ей науками и в первую очередь с теорией упругости, теорией пластичности, физикой металлов и металловедением. Теория упругости изучает действие сил на упругие тела и определяет возникающие при этом напряжения и деформации. Теория пластичности – на пластичные тела. Теория ОМД объединяет эти знания, а также изучает условия перехода одной деформации в другую.

Основы теории упругости и пластичности

Упругая и пластическая деформация

Деформация – изменение формы и размеров тела в результате действия на него внешних сил. Деформация представляет собой совокупность трех взаимно… Если тело после снятия сил, вызывающих деформацию, полностью восстанавливает… Если после удаления приложенных сил тело не восстанавливает полностью первоначальные форму и размеры, то такая…

Дефекты в кристаллах

Точечные дефекты: Вакансия (дырка) – простейший дефект кристаллической решетки, когда вышедший… Свободный (внедренный) атом – лишний, по сравнению с идеальной решеткой атом.

Дислокации

Краевая (прямолинейная) дислокация – недостаток или избыток одной атомной полуплоскости. Лишняя по сравнению с идеальной решеткой плоскость… Винтовая(спиральная) дислокация – дефект кристаллической решетки, при котором… Осью краевой и винтовой дислокации является прямая линия. В общем случае ось дислокации может быть и не прямой. Если…

Изменение свойств наклепанного металла при нагреве

При повышении температуры нагрева происходитрекристаллизация металла. Температура начала рекристаллизации зависит от степени предшествующей… Таким образом, конечный размер зерна и прочностные характеристики металла…  

Теория деформаций и напряжений

Величины, характеризующие деформацию тела

О величине деформации судят по изменению размеров деформируемого тела. Существует несколько вариантов характеристики деформации. Пусть размеры тела… Абсолютные деформации: по толщине – обжатие ;

Закон постоянства объема

Не смотря на то, что при обработке давлением объем заготовки изменяется (металл уплотняется, завариваются или появляются пустоты и трещины), в теории пластической деформации принимается условие постоянства объема:

Объем тела при пластической деформации остается постоянным, т.е.

В случае прямоугольной заготовки закон постоянства объема имеет вид: . Поделив обе части уравнения на объем тела до деформации, получим: ,

Смещенный объем

Для более точных расчетов необходимо интегрировать по всему диапазону изменений высоты:

Общий случай деформации

Рассмотрим деформацию элемента прямоугольной формы, расположенного в окрестностях произвольной точки (см. рисунок). Растяжение элемента вдоль трех… где u – проекция перемещения точки на ось x, v – на ось y, w – на ось z.

Скорость деформации

, где Из формул видно, что размерность скорости деформации – c-1. Скорость деформирования – скорость хода инструмента. Единица измерения – м/с. Скорость деформации зависит от скорости…

Правило наименьшего сопротивления

В общем случае объемной деформации сложно определить соотношение деформаций. Например, при ковке образца, имеющего форму параллелепипеда с заданной… Если бы возможно было производить ковку без трения, то течение металла в… Такая схема течения металла называется радиальной. При этом форма поперечного сечения сохраняется, соотношение сторон…

В случае возможности перемещения точек деформированного тела в различных направлениях каждая точка перемещается в направлении наименьшего сопротивления.

При ковке сопротивление будет наименьшим в направлении кратчайшей нормали к периметру.

Квадратное сечение делится диагоналями на участки, в которых направления кратчайших нормалей к периметру параллельно, а значит, все частицы этого участка перемещаются в одном направлении.

Если сечение не квадратное, то его разделяют биссектрисами углов и линией, соединяющей пересечение этих биссектрис. Линии, разделяющие сечение на участки с разным направлением сечения называют линией раздела. Такая схема течения металла называется нормальной.

Площади участков 1 малы по сравнению с участками 2. Поэтому деформация в этом направлении будет меньше, чем в направлении длинной стороны прямоугольника. Чем больше разница длин сторон, тем больше разница деформаций. При большом отношении размеров деформацией в направлении меньшей из сторон можно пренебречь и схему деформаций считать плоской.

Чем длиннее нормаль, тем больший объем обеспечивает течение металл, тем больше деформация. Чем ближе элемент находится к углу сечения, тем меньшее удлинение он получит. Поэтому стороны сечения получат выпуклую форму. Квадратное сечение будет приближаться к круговому, а прямоугольное – сначала к эллипсу, а затем все равно к кругу. Отсюда правило наименьшего периметра: при ковке с трением поперечное сечение любой формы стремится к круговому, имеющему наименьший периметр при данной площади сечения.

А.Ф. Головин предложил упрощенное решение задачи о соотношении деформаций в продольном и поперечном направлении при ковке образца с прямоугольным и эллиптическим сечением.

; ;

Из формул Головина следует, что чем меньше отношение _, тем меньше , т.е. меньше деформация в направлении длинной стороны. При L₀ = b₀ . Чем больше осадка, т.е. чем меньше , тем больше отношение , а значит, прямоугольник стремится к выравниванию размеров b и L, т.е. стремится к форме круга.

В реальных условиях ни радиальная, ни нормальная схема не наблюдаются в чистом виде, а имеет местопромежуточная - реальная. Чем меньше коэффициент трения, тем ближе реальная схема к радиальной; чем больше коэффициент трения, тем ближе реальная схема к нормальной. Следовательно, соотношение деформаций в длину и ширину зависит не только от соотношения исходных размеров, но и от коэффициента трения.

Таким образом, нормальную схему течения металла нельзя применять для количественных расчетов, и формулы Головина дают только качественное представление о соотношении деформаций. Более точными являются формулы И.Я. Тарновского, которые наряду с соотношением сторон заготовки учитывают и коэффициент трения. или .

Разделив одно выражение на другое, получаем: или

Следовательно, чем больше коэффициент трения, тем меньше истинная деформация в направлении длины прямоугольника. При отсутствии трения .

Примечание: формула Тарновского – эмпирическая. А значит, она справедлива только для тех условий экспериментов, на основании которых она выведена.

Величины, характеризующие напряженное состояние тела

При действии внешних сил на тело в нем появляются уравновешивающие их (внутренние) усилия. Их интенсивность называетсянапряжением. Необходимо уметь… Для этого выделим небольшой объем вокруг точки, в которой нужно вычислить… S2 = Sx2 + Sy2 + Sz2

Главные нормальные и главные касательные напряжения

Через точку тела, находящегося в напряженном состоянии, можно провести бесконечное множество взаимно перпендикулярных плоскостей. И только на… Различают 9 схем главных напряжений: 2 линейные (растяжение, сжатие), 3…  

Октаэдрические напряжения

Наряду с площадками, по которым действуют главные нормальные и главные касательные напряжения, большое значение в теории пластической деформации…    

Связь между напряжениями и деформациями

Экспериментально зависимость между деформациями и напряжениями в условиях линейного напряженного состояния получается при испытании стандартных… , (или в случае больших деформаций ) где – деформация в направлении действия силы,

Связь обобщенного напряжения с обобщенной деформацией

, где - интенсивность напряжений и интенсивность деформаций; - сопротивление деформации (предел текучести) и соответствующая ему деформация (предел упругой деформации;

Плоское напряженное и плоское деформированное состояние

При плоском напряженном состоянии напряжение по одной из осей отсутствует. Деформация при этом может происходить по всем трем осям. В других случаях…

Плоское напряженное состояние

Тогда или или в главных напряжениях

Плоское деформированное состояние

или в главных осях. Для остальных осей – аналогично. Тогда из соотношений напряжений и деформаций имеем: , т.е.

Сопротивление деформации и пластичность

Понятие сопротивления деформации и пластичности

Сопротивление деформации характеризует податливость обрабатываемого металла деформирующим усилиям в данных условиях обработки, т.е. это величина… Если из всего этого комплекса извлечь удельное усилие, необходимое для…

Сверхпластичность

- зерно должно быть очень мелким; - температура должна быть строго определенная, достаточно высокая и мало… - скорость деформации должна быть очень низкая (10-2-10-4 с-1).

Методы оценки пластичности

Для оценки пластичности используют следующие испытания: - испытание растяжением на разрыв; показателем пластичности в этом случае… - испытание осадкой (ковкой); показатель пластичности – относительная деформация по высоте до образования первой…

Факторы, влияющие на сопротивление деформации

, где –предел текучести материала, т.е. сопротивление деформации при… – коэффициенты, учитывающие влияние температуры, скорости и степени деформации, контактного трения и других факторов…

Факторы, влияющие на пластичность металла

Влияние природных свойств металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в… Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей… Влияние температуры. При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую…

Условие пластичности

Условие пластичности для линейного напряженного состояния

В линейном напряженном состоянии, например при растяжении образца, пластическая деформация начинается тогда, когда нормальное напряжение достигает… Примечание: в процессе деформации изменяется. Поэтому в теории пластичности… При объемном напряженном состоянии тоже должно быть определенное соотношение между сопротивлением деформации и…

Частные случаи условия пластичности

1) Плоское напряженное состояние. После подстановки этих данных в условие пластичности получим: . Или в главных напряжениях: .

Влияние механической схемы деформации на усилие деформирования и пластичность

, при разноименной схеме: . В первом случае усилие требуется для преодоления сопротивления деформации и напряжения : , а во втором случае : .… На пластичность оказывает влияние не только схема главных напряжений, но и их…

Трение при ОМД

Особенности трения при ОМД

Условия трения об инструмент во многом определяют эффективность ОМД. Трение играет роль сопротивления, которое необходимо преодолевать, т.е. оно… Однако, без трения невозможно обойтись, например, в прокатке. Прокатка полосы… Для ОМД характерно трение скольжения. Однако, это трение отличается от трения скольжения, возникающего в деталях…

Виды трения. Физико-химические особенности трения

1. Чистое: на поверхности трения нет ни окислов, ни смазки. Чистое трение может наблюдаться только в условиях физического опыта или при обработке в… 2. Сухое: на поверхности трения имеются пленки окислов и загрязнений, но нет… 3. Полусухое: между трущимися поверхностями имеются лишь отдельные участки, заполненные какой-либо вязкой средой.

Механизм сухого трения

Механизм граничного трения

В результате граничного трения и применения смазок с поверхностно-активными веществами происходит такое физико-химическое явление, как адсорбционное…

Механизм жидкостного трения

Отличительной особенностью жидкостного трения является давление в слое смазки. Оно должно быть таким, чтобы могло привести обрабатываемый металл в… .

Смазка при ОМД

Активность смазки – способность образовывать на поверхности трения прочный защитный слой из ее полярных молекул. Активность смазки зависит от… Вязкостьсмазки обеспечивает ее сопротивление выдавливанию из места контакта. … Смазка, обладающая высокой активностью и вязкостью, при высоком качестве отделки поверхности трущихся тел и высокой…

Факторы, влияющие на сухое и граничное трение

Закономерность скольжения деформируемого тела по инструменту зависит от формы зоны деформации, а в некоторых случаях и от формы деформируемого… Таким образом, внешнее трение при ОМД представляет собой сложный… Рассмотрим зависимость коэффициента сухого трения при пластической деформации от основных факторов.

Влияние твердости металла и внешнего давления

T = f*N, где f – коэффициент трения (константа) В ОМД используется формула Епифанова: ,

Факторы, влияющие на жидкостное трение

Очевиден и естественный критерий перехода от полусухого трения к гидродинамическому — это толщина смазочного слоя. Он определяется критической… hкр = 3 мкм + hш Таким образом, чем грубее поверхность, тем быстрее наступает переход от гидродинамического к граничному трению.

Трение при различных видах ОМД

В настоящее время горячую прокатку осуществляют в режиме сухого трения. Холодная прокатка осуществляется с применением смазок. При холодной прокатке… Наряду с задачей снижения трения, смазка при холодной прокатке выполняет и… Прокатка без трения невозможна, но трение должно быть умеренным, чтобы неоправданно не возрастали нагрузки на…

Неравномерность деформации

При неравномерной (неоднородной) деформации напряженное состояние и деформация различны в различных частях тела. При ОМД деформация всегда… Основные причины неравномерности деформации: 1. несоответствие формы инструмента форме деформируемого тела;

Влияние формы инструмента и заготовки на неравномерность деформации

Неравномерное обжатие ведет к неоднородности структуры, особенно на заключительных стадиях обработки. В результате неравномерной деформации в разных… Например, при прокатке крестообразного профиля из прямоугольной заготовки… Основные напряжения, суммируясь с дополнительными, составляют результирующие напряжения. Дополнительные напряжения…

Влияние внешнего трения на неравномерность деформации

Максимальная степень деформации и твердость наблюдается в центре образца. Наименьшая – в зонах затрудненной деформации, средняя – в боковых… При большом отношении высоты заготовки к его диаметру образуется двойная… Неравномерность деформации в результате трения приводит также к появлению дополнительных напряжений и может привести к…

Влияние неоднородности свойств на неравномерность деформации

При неравномерном нагреве нагретые слои как более мягкие деформируются в большей степени, чем холодные. Это приводит к появлению дополнительных… При деформации тела, составленного из металлов с разными механическими… При микроскопической неоднородности дополнительные напряжения возникают не во всем теле, а в пределах группы зерен…

Остаточные напряжения

Если при эксплуатации изделия напряжения от внешней нагрузки совпадут по знаку с остаточными, то результирующие напряжения могут превысить… Остаточные напряжения с течением времени частично снимаются, что может… Остаточные напряжения определяют механическим и рентгенографическим методами.

Методы устранения остаточных напряжений

Для достижения этого всю неравномерную деформацию необходимо осуществлять в начальной стадии обработки, особенно при горячей ОМД. В этих условиях… Иногда дополнительно создают неравномерность деформации, чтобы она… Если нельзя избежать появления остаточных напряжений (например, при холодной ОМД), то их можно снять дополнительной…

Список литературы

1. Рудской А.И., Лунев В.А. Теория и технология прокатного производства, С-Пб, «наука», 2005

2. Громов Н.П. Теория ОМД, М., «Металлургия», 1978

3. Смирнов В.С. Теория ОМД, М., «Металлургия», 1973

4. Смирнов В.С. Сборник задач по обработке металлов давлением, М., «Металлургия», 1973

5. Гун Теоретические основы ОМД. Теория пластичности, 1980

6. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория ОМД, М., 1977

 

Содержание

Введение. 1

Основы теории упругости и пластичности. 3

Упругая и пластическая деформация. 3

Дефекты в кристаллах. 3

Дислокации. 4

Упрочнение металла при холодной деформации (наклеп) 5

Изменение свойств наклепанного металла при нагреве. 5

Теория деформаций и напряжений. 6

Величины, характеризующие деформацию тела. 6

Закон постоянства объема. 7

Смещенный объем.. 7

Общий случай деформации. 8

Скорость деформации. 8

Правило наименьшего сопротивления. 9

Величины, характеризующие напряженное состояние тела. 10

Главные нормальные и главные касательные напряжения. 12

Октаэдрические напряжения. 13

Связь между напряжениями и деформациями. 14

Связь обобщенного напряжения с обобщенной деформацией. 15

Плоское напряженное и плоское деформированное состояние. 16

Сопротивление деформации и пластичность. 18

Понятие сопротивления деформации и пластичности. 18

Сверхпластичность. 18

Методы оценки пластичности. 18

Факторы, влияющие на сопротивление деформации. 18

Влияние природных свойств металла. 18

Влияние температуры. 18

Влияние наклепа (степени деформации) и скорости деформации. 18

Влияние контактного трения. 18

Факторы, влияющие на пластичность металла. 18

Условие пластичности. 18

Условие пластичности для линейного напряженного состояния. 18

Условие постоянства максимального касательного напряжения (условие пластичности Сен-Венана) 18

Энергетическое условие пластичности (условие пластичности Губера – Мизеса - Генки) 18

Частные случаи условия пластичности. 18

Влияние механической схемы деформации на усилие деформирования и пластичность. 18

Трение при ОМД.. 18

Особенности трения при ОМД.. 18

Виды трения. Физико-химические особенности трения. 18

Механизм сухого трения. 18

Механизм граничного трения. 18

Механизм жидкостного трения. 18

Смазка при ОМД.. 18

Факторы, влияющие на сухое и граничное трение. 18

Влияние твердости металла и внешнего давления. 18

Влияние состояния поверхности инструмента. 18

Влияние химического состава. 18

Влияние температуры.. 18

Факторы, влияющие на жидкостное трение. 18

Трение при различных видах ОМД.. 18

Неравномерность деформации. 18

Основные причины неравномерности деформации: 18

Влияние формы инструмента и заготовки на неравномерность деформации. 18

Влияние внешнего трения на неравномерность деформации. 18

Влияние неоднородности свойств на неравномерность деформации. 18

Остаточные напряжения. 18

Методы устранения остаточных напряжений. 18

Список литературы.. 18