ПРОТЯЖКА НА ОПРАВКЕ
с |
окращения поверхности трения оправки с внешними частями заготовки возможно при ковке - протяжке на ступенчатой оправке с углом конусности g = 7° рабочей поверхност. Макропотоки в очаге деформации сопровождаются увеличением горизонтальной составляющей макропотока в осевом направлении, что приводит дополнительно к уменьшению уширения полой заготовки.
При последующих обжатиях заготовок на ступенчатой оправке (у = 7°) с кантовками отмечено повышенное складкообразование со стороны внутреннего отверстия заготовки, что связано с увеличением уширения на торце оправки вследствие изменения площади контакта с ее стороны. Увеличение уширения привело к необходимости дальнейшего перераспределения течения металла с целью уменьшения макропотока в уширение. Это достигается при развороте верхнего плоского бойка на некоторый угол относительно продольной оси заготовки (рис. 4.18). На торце поковки, откованной по этой схеме, значительно уменьшено складкообразование и зажимы по внутренней поверхности. При обжатии на оправке приторцовых частей заготовки, когда граница бойка совпадает со свободной поверхностью (торец полой -заготовки), очаг деформации одной плоскостью выходит на свободную поверхность. Эта плоскость расположена перпендикулярно к продольной оси, вдоль которой при деформировании происходит продольное перемещение металла заготовки (удлинение). При обжатии полой заготовки с последующими ее кантовками на торец выходит столько плоскостей очагов деформации, сколько выполнено единичных обжатий. В зависимости от угла кантовки возможна суперпозиция отдельных очагов. Таким образом, неравномерность удлинения заготовки при единичном обжатии в сочетании с различным углом кантовок оказывает влияние на форму торца поковки, При углах кантовки, равных или больших половины центрального угла, опирающегося на контактную поверхность с верхним бойком на торце заготовки, получается волнистая поверхность с амплитудой, равной разности максимального и минимального удлинения.
Неравномерность удлинения при обжатии полых заготовок на оправке оценена для следующих сочетаний инструмента:
1) верхний боек плоский, нижний — вырезной с углом выреза aбн= 110°; оправка цилиндрическая;
2) верхний и нижний бойки вырезные aбн = 135°; оправка цилиндрическая;
3) верхний боек плоский, нижний— вырезной с aбн = 110°; оправка ступенчатая с углом наклона рабочей поверхности наибольшей ступени к продольной оси заготовки 7°;
4) верхний боек плоский, развернутый к продольной оси оправки под углом 30°, нижний вырезной с «aбн = 110°; оправка цилиндрическая;
5) верхний боек плоский с непрямолинейным фронтом подачи, угол непрямолинейности 2b= 900; нижний вырезной с углом вырезаaбн = 110°.
Заготовка, откованная по схеме 5 с применением верхнего плоского бойка с непрямолинейным фронтом подачи. Неравномерность удлинения у такой поковки в 3,5 раза меньше, чем у поковки, откованной комбинированными бойками. Зависимость неравномерного удлинения от соотношения размеров исходной заготовки показывает, что полые заготовки по характеру искажения торцов от поверхности при обжатии комбинированными бойками (с верхним плоским бойком, имеющим непрямолинейный фронт подачи), можно разделить на две группы—толстостенные и тонкостенные. Деформация толстостенных заготовок, у которых (D0 —do)/d0 > 1,5—2,0, характеризуется незначительной неравномерностью удлинения ÑL. При уменьшении толщины стенки полой заготовки неравномерность удлинения увеличивается. Предельное значение отношения (D0 —do)/d0, равное 1,5—2,0, служит границей раздела тонкостенных и толстостенных заготовок. Площадка контакта в форме равнобедренного треугольника с углом при вершине 2b= 900 в момент конечной стадии обжатия соответствует оптимальной форме верхнего бойка, при которой удлинение максимально (величина уширения является функцией угла непрямолинейности фронта бойка).
В процессе поперечного обжатия круглой полой заготовки плоским инструментом с непрямолинейным фронтом подачи распределение макропотоков (при постоянной длине контактной площадки) зависит от ее ширины, определяемой соотношением размеров заготовки, степенью деформации и углом 2b - непрямолинейности фронта подачи.
Изменение длины контактной площадки связано либо с заменой бойка, либо с величиной подачи, когда обжатие заготовки происходит не на всю длину бойка. Предельная длина деформирующего инструмента (или подача) есть функция ширины 2а площадки контакта с поверхностью обжимаемой круглой заготовки.
Рис. 4,20. Схема изменения ширины контактной площадки при обжатии |
|
Рассмотрим измерение ширины контактной площадки для случая равенства физического очага деформации геометрическому (рис. 4.20).
Расчетная схема выполнена для конечной стадии обжатия, когда ширина контактной площадки
. Для того чтобы обжатие заготовки проходило с преобладающим удлинением, необходимо, чтобы расчетная схема выполнялась хотя бы на половине пути перемещения инструмента, когда a = аТ Тогда объем, смещенный по высоте, переместится в продольном направлении, а поток, непосредственно направленный в уширение, мал или вообще отсутствует. Значение аТ взято заведомо меньше, чем физическая ширина контакта деформирующего инструмента а, что обеспечивает большую вероятность выполнения оптимальных соотношений удлинения и уширения (уменьшенный макропоток в уширение). Из подобия треугольников (рис. 4.20) следует
где D — внешний диаметр заготовки;
- средняя степень обжатия верхним бойком.
С учетом малой величины квадрата степени деформации ширина контактной площадки
.
Для длины деформирующего бойка (или подачи) в случае равенства физического очага геометрическому получены следующие выражения: верхний предел 
; нижний предел 
, где b — угол непрямолинейности фронта верхнего бойка; 
- угол наклона линии раздела течения металла в направлении уширения и удлинения (относительно оси заготовки). В реальных условиях ширина бойка (величина абсолютной подачи) должны соответствовать неравенствам 
<:B < 
При протяжке круглой заготовки относительную подачу определяют как отношение абсолютной начальной подачи или ширины бойка к высотному размеру исходной заготовки. При протяжке
на оправке полой заготовки комбинированными бойками очаг деформации от верхнего бойка оказывает большее влияние на формирование макропотоков металла, чем очаг от оправки.
В связи с этим за относительную подачу при протяжке на оправке принимают отношение абсолютной подачи к толщине исходной заготовки. В случае равенства физического очага деформации геометрическому, относительную подачу с учетом формул, полученных для длины бойка, определяют по формуле
Внешние явления при протяжке полой заготовки тесно связаны с внутренними потоками металла, для исследования которых заготовки обжимали постадийно с интервалом 10% до средней степени деформации е, ср == 40 % (скорость деформирования постоянна, бойки комбинированные, угол выреза нижнего бойка 90—150°). Траектории перемещения частиц в очаге деформации получили с помощью метода координатных сеток.
За неподвижный центр при построении полей приняли центр поперечного сечения оправки. Этим имитировали обжатие заготовки бойками, перемещающимися навстречу друг другу.
Анализ макроперемещений в поперечном сечении заготовки провели в два этапа: до и после заполнения металлом выреза нижнего бойка. Заполнение металлом полости выреза бойка зависит в основном от геометрических параметров инструмента. Чем больше угол выреза, тем меньше требуется обжатие заготовки для заполнения полости бойка. На практике заполнение металлом выреза бойка происходит при обжатии 10—15 % (в зависимости от угла выреза).
На поле траекторий, в поперечном сечении полой заготовки различают три макропотока: два предписанных макропотока от бойков и поток вытеснения, направленный в уширение по плоскости, расположенной под углом ^ (рис. 4.21) к горизонтальной оси симметрии. По этой плоскости наблюдается взаимодействие макропотоков, определяющее положение максимального уширения заготовки и отслоение внутренних слоев металла от оправки.
Кроме рассмотренных основных макропотоков, существует перемещение металла в вырез нижнего бойка. Если при обжатии сплошной круглой заготовки в вырезном бойке такое перемещение металла распространено на все поперечное сечение заготовки, то при деформации полой заготовки (из-за наличия жесткой оправки в ее середине) перемещение в вырез бойка сосредоточено в поверхностных слоях заготовки.
Рис. 4.21. Поле перемещений в поперечном сечении полой заготовки при постадийном обжатии на оправке
В этом случае площадь зоны, характеризующаяся направленным потоком в вырез бойка, у полой заготовки гораздо меньше, чем у сплошной круглой.
При деформации полой заготовки комбинированными бойками с контактом ее поверхности по всему зеркалу вырезного бойка макроперемещения в вырез бойка отсутствуют.
При решении задачи при протяжке полой заготовки на оправке комбинированными бойками макроперемещения в вырез бойка вследствие малой площади по сравнению с поперечным сечением заготовки не учитывали. В поле макроперемещений остается, таким образом, две зоны (рис. 4.22). Первая зона примыкает к верхнему бойку, вторая — к нижнему вырезному. Вследствие симметрии поперечного сечения заготовки относительно вертикальной оси достаточно рассмотреть перемещения металла для половины сечения.
Граничные условия по контактным плоскостям деформирующего инструмента с заготовкой характеризуются значительной зоной прилипания, поэтому на рабочих поверхностях бойков и на оправке приняли условие отсутствия перемещений, а работу сил трения учли работой среза приконтактных слоев металла.
Вертикальное перемещение для зоны 1 определяется перемещением верхнего бойка: 
. Равномерность перемещения можно допустить из условия, что соотношение (R — r)/ai велико. Компонент деформации по оси z при малых значениях определяется из уравнения
.
В результате наличия горизонтальной составляющей перемещения частиц в очаге деформации у верхнего бойка происходит вовлечение в пластическую деформацию внешних частей заготовки, ранее не участвующих в пластической деформации, траектории перемещений которых линейны и расположены под углом у (см. рис. 4.22): 
(знак «плюс» перед уравнением показывает увеличение размера).
Горизонтальное перемещение внешних частей определяется уравнением
. Компонент деформации 
Третью составляющую деформации eу находим из условия несжимаемости (полагая малые деформации):
. Продольное перемещение с учетом граничного условия 
при котором постоянная С равно 0 выразится 
Выбор линейных уравнений, оправдающиеся характером тракторий макроперемещений в поперечном сечении полой заготовки, позволяет упростить математическое выражение для работ деформирования.
Соответствующие компоненты сдвиговых деформаций при их малых значениях
Вертикальное перемещение в зоне 2 (см. рис. 3.18) определяется перемещением нижнего вырезного бойка:
.
Поперечное горизонтальное перемещение в зоне 2 с учетом поворота координатных осей на угол g до совмещения их с осями ХО определяется следующим уравнением:
удовлетворяющим граничному условию:
.
Соответствующие перемещениям компонент - деформации характеризуются уравнениями:
;
Третий компонент деформации определили из условия несжимаемости, полагая деформации малыми:
После интегрирования данного уравнения с учетом, что постоянная С2 = 0, получили:
Компоненты деформаций сдвига для зоны 2:
;
.
Зная функции перемещений в очаге деформаций, интенсивность главных деформаций и применяя приближенный метод вычисления интегралов, получили в итоге уравнение Лагранжа для работ деформаций, трения и пластического среза.
В качестве варьируемых параметров выбрали половину ширины контакта верхнего плоского бойка с заготовкой "а1" и рабочей поверхности нижнего ромбического "а2" . Среднее значение перемещений на поверхностях контакта определили, как:
,
где: аi - cм. рис. 3.18 (i =1,2);
ei — деформации, вызванные перемещением инструмента (i = 1,2);
l — подача.
Работу сил трения на площади контакта заготовки с оправкой определили из граничного условия о наличии на поверхности контакта оправки с заготовкой перемещений.
Ширину поверхности соответствующего контакта вычислили из условия равенства физического очага деформации геометрическому. Поверхность контакта по дуге ОК. заменили величиной хорды и получили:
,
где: aо — ширина площади контакта по хорде ОК.
При расчете работы пластического среза учитывали отсутствие перемещений на площади среза со стороны внешних недеформированных зон, граничащих с очагом деформации. После вычисления соответствующих работ в зонах 1 и 2, дефиринцируя уравнения по варьируемым параметрам аi, подстановки их значений в вариационное уравнение (уравнения и математические выкладки вследствие их громоздкости не приведены) и преобразований получили два уравнения четвертого порядка для вычисления ширины контактной поверхности заготовки с верхним бойком (а1) и нижним (а2).
 |
В процессе решения уравнений для аi необходимо установить соотношения вертикальных деформаций от верхнего e1 и нижнего e2 бойков относительно средней величины деформации, принятой как перемещение верхнего инструмента. При обжатии комбинированными бойками наблюдается три очага деформации: один под плоским верхним бойком и два от рабочих поверхностей нижнего вырезного (см. рис.3.14).
3.3.3. Соотношение высотных деформаций от технологического инструмента
Из условия сохранения сплошности металла по линии OX1 необходимо выполнение условия равенства величины перемещения Ux1 перемещению Ux2. Тогда вышесказанное равенство запишется в виде:
.
Выражая геометрические размеры заготовки через деформацию и пренебрегая величинами вследствие их малости деформаций высших порядков, получили уравнение, связывающее между собой нормальные деформации верхнего и нижнего вырезного бойков:
,
где: e1, e2 – высотная деформация соответственно от
верхнего плоского и нижнего ромбического бойков;
g - угол между направлением потока вытеснения и
горизонтальной осью;
a - половина угла выреза нижнего ромбического
бойка (можно принять g = a) .
Экспериментальные и расчетные данные ширины контактных площадок а1 и а2 при ковке комбинированными бойками с углом выреза 1100 нижнего ромбического бойка представлены на рис. 3.16).
Модель расчета ширины контакта инструмента при протяжке на оправке широко используется, в частности, при нахождении параметров бойков для регулирования схем пластических потоков вытеснения металла с целью управления качеством материала полых деталей и прогнозирования напряжений в очаге деформации (Рис. 4.24).
Рис. 4.24. Напряжения от деформации при протяжке на оправке плоскими бойками
Промышленная ковка полых заготовок массой 10—15 т из коррозионностойких сталей, проведенная с применением рассмотренных усовершенствований, показала увеличение производительности на 30%, уменьшение неравномерности
Ф |
ормоизменение при протяжке на оправке. При протяжке полой толстостенной заготовки на оправке плоскими, вырезными или комбинированными бойками образуются дефекты на торцах поковок за счет отставания заготовки от оправки и неравномерности удлинения в очаге деформации (работа была проведена при участии ). При ковке круглой заготовки плоскопараллельными бойками наблюдаются три пары зон: зона затрудненной деформации, зона пластической деформации и свободная зона, в которых под воздействием пластических макропотоков возникает жесткое перемещение металла к поверхности заготовки. Свободные зоны характеризуются тем, что в процессе поперечной деформации полой заготовки с жесткой оправкой су-щестбует разрыв нормальных составляющих скоростей перемещения металла заготовки и неподвижной оправки, а также перемещений в направлении, перпендикулярном к действию внешней силы. Разница между нормальными составляющими перемещении оправки (которая неподвижна) и пластической зоны приводит к отставанию слоев металла заготовки от поверхности оправки в горизонтальном направлении.
При. обжатии вырезными или комбинированными бойками, кроме зон, существующих при ковке полой заготовки на плоско-параллельных бойках, появляется зона, размеры которой ограничены углом охвата вырезного бойка и зонами пластической деформации.
Отставание металла от оправки приводит к возникновению зажимов с внутренней поверхности полой заготовки при дальнейших переходах обжатий. Величина зажима зависит от соотношения размеров исходной заготовки, абсолютной подачи, степени деформации, диаметра оправки. Диаметр оправки для протяжки полой заготовки определяют из соотношения dg = 0,94d.
С целью уменьшения разнотолщинности исходной полой заготовки после прошивки предусматривают операцию раскатки перед последующей протяжкой на оправке. При раскатке внутренний диаметр полой заготовки увеличивают на 50—100 мм. Это приводит к тому, что в первый момент протяжки до соприкосновения внутренней поверхности заготовки с поверхностью оправки происходит расплющивание заготовки.
При дальнейшем обжатии увеличение периметра внутреннего отверстия заготовки происходит за счет внедрения оправки в пластическую зону, сопровождающегося частичным отслоением металла от поверхности оправки. При этом отмечается неравномерность отставания металла по длине очага деформации: максимальное на торце заготовки и минимальное в месте стыковки очага деформации с внешним жестким концом. О соотношении ушире - ния и удлинения при отсутствии внешних частей, стыкующихся с очагом деформации, судили по результатам осадки квадратных образцов на круглой оправке. В результате обжатия по схеме, приведенной на рис. 4.15, квадратная заготовка получала неравномерное уширение и удлинение. При этом измеряли только максимальную ширину осаженного образца при заданной степени деформации. Максимальное уширение получили слои образца, непосредственно расположенные у поверхности оправки. Соотношение размеров осаживаемых образцов Н, а составляло 0,522; оправки имели различный диаметр. Уширение подсчитывали в процентах относительно высотной деформации Н” н
|
Относительное уширение В в большей степени
В= In |
|
ния и удлинения при отсутствии внешних частей, стыкующихся с очагом деформации, судили по результатам осадки квадратных образцов на круглой оправке. В результате обжатия по схеме, приведенной на рис. 4.15, квадратная заготовка получала неравномерное уширение и удлинение. При этом измеряли только максимальную ширину осаженного образца при заданной степени деформации. Максимальное уширение получили слои образца, непосредственно расположенные у поверхности оправки. Соотношение размеров осаживаемых образцов Н, а составляло 0,522; оправки имели различный диаметр. Уширение подсчитывали в процентах относительно высотной деформации Н” н
Рис. 4.15. Схема обжатий где ЯдИ^о— высота и ширина исходного
^^^ ^ °"Р^ образца; Н и b —наименьшая конечная
высота и наибольшая ширина образца.
Относительное уширение В в большей степени зависит от соот-
ношения размеров образцов и оправки и в меньшей мере от степе-
ни деформации (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Влияние соотношения размеров полой заготовки и оправки на уширение: d — диаметр оправки; е — степень деформации: Н1а — отношение размеров заготовки |
|
При обжатии образцов на оправке большого диаметра (D —>• оо), что соответствует осадке на плоских бойках, относительное уширение для квадратных образцов составляет 50 %. При обжатиях на оправках меньшего диаметра относительное уширение изменяется в зависимости от соотношения Н1а: при Н1а = 2 увеличивается, при Н/а=0,5 уменьшается и при Н/а=1 остается постоянным. Относительное уширение В незначительно зависит от степени деформации и в большей мере от соотношения размеров заготовки.
Чем больше диаметр оправки и отношение Н/а, тем больше относительное уширение. (Поэтому в процессе протяжки полой заготовки на оправке, характеризующемся последовательным изменением толщины стенки поковки от большего к меньшему, относительное уширение в начальный момент обжатия принимает максимальное значение, а затем уменьшается. Однако на всем протяжении деформирования максимальное уширение получают слои заготовки,
Рис. 4.17. Схема протяжки на ступенчатой оправке: / — деформирующий инструмент; 2 — заготовка; 3 — оправка |
|
расположенные в непосредственной близости к поверхности оправки.
Уширение полой заготовки при ковке-протяжке, а также отслоение внутренних слоев от поверхности оправки в горизонтальном направлении, увеличение периметра внутреннего отверстия в дальнейшем обусловливают складкообразование в полости заготовки. Уменьшить это явление посредством изменения технологических параметров (варьированием степени обжатия и подачами) невозможно вследствие особенностей обжатия при протяжке на оправке. Кроме того, течению металла в продольном "направлении (удлинению поковки) препятствуют силы трения, действующие по поверхности оправки и заготовки. Таким образом, с целью интенсификации удлинения за счет уменьшения сил трения необходимо, чтобы та часть оправки, которая в данный момент не участвует в пластической деформации, имела диаметр несколько меньше диаметра рабочей поверхности (рис. 4.17). Рабочая часть оправки шириной Вр имеет диаметр несколько больший ширины корпуса оправки и выполнена конической с углом у. Это позволяет за счет продольной составляющей макропотока еще больше интенсифицировать удлинение и тем самым уменьшить уширение заготовки при протяжке. Для того чтобы не происходило зажимов оправки во внутренней полости заготовки, ширина Яр рабочей ступени •должна быть несколько больше ширины (или абсолютной подачи) бойков Bg.
Экспериментальное деформирование с использованием ступенчатой оправки было проведено постадийно в комбинированных бойках (верхний — плоский, нижний — вырезной с углом выреза 110° на оправке ^ углом конусности 'рабочей поверхности у == 1,5; 7°). Обжимали приторцовые участки заготовок. Анализ данных показывает, что с увеличением обжатия уширение полой заготовки возрастает. Применение ступенчатой оправки с углом конусности у = 1,5°, равным углу конусности обычной оправки типа стержня, уменьшает уширение вследствие значительного
