книги из ГПНТБ / Дзугутов, М. Я. Напряжения и разрывы при обработке металлов давлением

катки 8цр, при которой начинают возникать внутренние разрывы является функцией:

этого отношения не оказывает заметного влияния наекр. При наличии свободного течения металла из осевой зо­ ны к периферии, которого можно достичь при отсутствии в каждый данный момент жесткой формы, развитие ра­ диальных растягивающих напряжений в осевой зоне ог­ раничено п величина их не превосходит величины сопро­ тивления металла отрыву. В этом случае образование внутренних разрывов было исключено. Более того, при отсутствии жестких полуколец, распираемых зонами за­ торможенной деформации, возникновение значительных внутренних радиальных растягивающих напряжений ис­ ключается вообще.

При вертикальной осадке квадратной или круглой заготовки, а также при поперечной ковке квадратной за­ готовки распирающее действие зон заторможенной де­ формации передается на близлежащие зоны, в которых достигается наибольшее уширение. При ковке круглой заготовки па плоских бойках наибольшее уширение име­ ет место не в зоне заторможенной деформации, а в зо­ нах, наиболее отдаленных от них (см. рис. 90, б ). О бра­ зованию внутренних радиальных растягивающих напря­ жений в осевой зоне заготовки предшествует создание в самих жестких полукольцах тангенциальных сжимаю­ щих напряжений, без чего невозможно было бы распирание их в горизонтальном направлении.

При деформации цилиндра на плоских бойках (см. рис. 90, а) основной силой, приводящей к созданию внут­ ренних радиальных растягивающих напряжений, явля­ ется горизонтальная составляющая Р т. Под действием вертикальной составляющей Р п происходит вертикальное (радиальное) сжатие круглой заготовки, величина кото­ рого максимальна в зоне приложения внешней силы и убывает по мере приближения к осевой зоне заготовки. Обе составляющие возникают в результате удара бойка

160

одновременно, по действуют в следующих направлениях: первая — по горизонтальному диаметру заготовки, рас­ тягивая его, вторая —•по вертикальному диаметру, сжи­ мая его. Очевидно, если за каждый удар бойка величи­ на растяжения в горизонтальном направлении была бы равна величине сжатия в вертикальном направлении, то значительные внутренние радиальные растяжения и раз­ рывы в осевой зоне круглой заготовки не возникали.

В действительности в силу жесткости формы круглой заготовки и других условий величина растяжения в го­ ризонтальном направлении оказывается больше вели­ чины сжатия в вертикальном направлении. Этим и обус­ ловлено постепенное возрастание величины внутренних растягивающих напряжений в осевой зоне круглой заго­ товки, завершающееся образованием внутренних разры­

вов.

Принципиальная схема напряженного состояния круглой заготовки в процессе обкатки ее на плоских бойках (поперечный разрез) показана на рис. 91. Здесь через од обозначены радиальные равнодействующие нормальных напряжений, передаваемых боковым полу­ кольцам через поверхности зон заторможенной дефор­ мации, обусловливающие течение металла из осевой зо­ ны заготовки к периферийной и образование в ней внут­

ренних разрывов.

Теперь рассмотрим механизм течения металла вдоль оси заготовки. Экспериментально показано, что при ков­ ке круглой заготовки на плоских бойках под действием

радиальных растягивающих напряжений сокращаете# длина осп заготовки и увеличивается длина периферий­ ной зоны.

На рис. 92 показана принципиальная схема напря­ женного состояния круглой заготовки, подвергаемой по­ перечной ковке на плоских бойках (продольный разрез). Эта схема деформации справедлива и для случая про­ дольной ковки круга на плоских бойках.

Как следует из схемы, в отличие от поперечной про­ катки наибольшему удлинению чаще всего подвергается не поверхностная зона заготовки, а зона, расположенная на некотором расстоянии от нее. Опыты также показы­ вают, что в выпуклых частях торцов, не подверженных непосредственному действию внешнего трения, элемен­ тарные частицы металла находятся в состоянии объем­ ного сжатия благодаря действию нормальных условий Он, в то время как во всем остальном объеме заготовки, не подверженном влиянию внешнего трения, действует схема всестороннего растяжения.

Влияние различных факторов па процесс образования внутренних разрывов при ковке на плоских бойках

Влияние жесткости формы сечения заготовки на про­ цесс возникновения в ней внутренних разрывающих на­ пряжений и разрывов исследовано па образцах, пред­ ставленных на рис. 93. В шайбе (диаметром 260 мм и толщиной 60 мм) просверлили отверстия (рис. 93, а), в которые вставляли прутки. Затем боковые зоны шай­ бы срезали (пунктирная линия); оставшаяся часть шай­ бы получала форму, показанную сплошной линией. Н а ­ гретую шайбу деформировали (рис. 93,6). Конечная форма ее показана на рис. 93, в. В результате обкатки уменьшилась высота поковки и сократились расстояния между отверстиями, а также увеличилась ширина поков­ к и — незначительно в средней зоне (113 мм) и значи­ тельно в поверхностных (135 мм), расположенных вбли­ зи зоны приложения внешней силы.

Удалением боковых полуколец и получением свобод­ ного уширения под контактной поверхностью было ис­ ключено образование внутренних растягивающих напря­ жений. Вместо них в осевой зоне отмечено действие сжи-

162

мающих напряжений, как и при обычной вертикальной осадке. Прутки не только не выпали из отверстий, но оказались плотно зажатыми (рис. 94).

Роль жестких полуколец в процессе возникновения внутренних растягивающих напряжений изучали также

Рис. 9-1. Макроструктура в плоскости вставленных прутков образца, показанного па рис. 93, после ковки

при помощи других экспериментов. В центре шайб (диа­ метр 134 мм и высота 28 мм) просверлили отверстия диаметром 17 мм, в которые вставляли стержни. Чтобы нарушить жесткую форм)- сечеппя шайб, в них сделали

пазы (рис. 9 5,я). Затем шаіібы нагревали и подвергали обкатке под плоскими бойками до круга диаметром 120 мм (рис. 95,6). В результате обкатки не произошло уменьшения длины оси шайб, а также увеличения диа­ метра отверстия в осевой зоне ее. Вставленные стержни оставались плотно зажатыми. Опыт показывает, что вследствие нарушения цельности жесткой формы круга

обкатываемой заготовки или шайбы исключается воз­ можность образования внутренних радиальных растяги­ вающих напряжений, а также внутренних продольных разрывов.

Степень жесткости формы, деформируемой плоскими бойками круглой заготовки, также характеризуется фор­ мой вогнутой торцовой лунки (см. рис. 92). Чем больше глубина лунки или чем меньше величина угла а, тем больше затруднена возможность дальнейшего течения металла из осевой зоны к периферии, быстрее образуют­ ся внутренние продольные разрывы и тем меньше крити­ ческая деформация eh-p

Весьма большое влияние на степень жесткости фор­ мы оказывает отношение длины заготовки к ее диамет­ ру и (при поперечной ковке) или величина подачи L J D (при продольной ковке).

Чем больше 'значение этих величин, тем больше сте­

164

пень жесткости формы деформируемой заготовки, мень­ ше возможность свободного течения металла из осевой зоны к периферии и меньше критическая деформация вкр, вызывающая образование внутренних продольных разрывов.

Влияние ширины площади контакта и величины однозначного обжатия на характер внутренних напряжений

В начальной стадии процесса единичного обжатия, пока малы величина обжатия и глубина проникновения зон заторможенной деформации, возникают радиальные растягивающие напряжения. Но по мере увеличения ра­ бочего хода бойка и проникновения зон заторможенной деформации до осевой зоны заготовки уменьшаются и затем полностью устраняются растягивающие напряже­ ния; вместо этого создается трехосное сжатие по всему ее сечению. Величина этих кратковременно действующих радиальных растягивающих напряжений достаточно ма­ ла, и поэтому они не могут приводить к разрушению осевой зоны заготовки. Такие значительные единичные обжатия, в процессе которых первоначально возникаю­ щие радиальные растягивающие напряжения сменяются трехосным сжатием, обычно наблюдаются только при перековке круглой заготовки на заготовку другой фор­ мы, например на квадратную или плоскую. Д аж е при ковке заготовки восьмигранного сечения на плоских бойках, вследствие недостаточной ширины контактной поверхности, сохраняются внутренние радиальные рас­ тягивающие напряжения, о чем свидетельствует нали­ чие внутренних разрывов в заготовках такого сечения.

При ковке восьмигранной заготовки наряду с ради­ альными растягивающими напряжениями внутри ее на­ чинают действовать скалывающие напряжения, величи­ на которых возрастает по мере увеличения глубины проникновения зон заторможенной деформации. Обычно продолжительная ковка восьмигранника на плоских бойках может приводить к образованию внутренних тре­ щин в результате одновременного действия радиальных растягивающих и скалывающих напряжений. Вследст­ вие этого заготовки из малопластичных сталей восьми­ гранного сечения на плоских бойках деформировать не гледует.

165

Рнс. 97. Влияние относитель­ ной ширины контактной по­ верхности (лмскп) на напря­ женное состояние стержней при ковке их плоским ин­

струментом [33]:

а — круглые стержни диамет­ ром 40 мм: б — квадратные стержни, обжатие вдоль диа­

гоналей; в — восьмигранные стержни, обжатие по грани

168

При дальнейшем увеличении ширины контактной по­ верхности (например, перековка круглой заготовки на квадратную) полностью устраняются внутренние ради­ альные растягивающие напряжения, пока ковка произ­ водится по схеме рис. 62. Поэтому протяжку металла путем ковки на плоских бойках следует вести в квадрат­ ном сечении. Однако иобходнмо учитывать, что при та­ ком способе ковки скалывающие напряжения достигают наибольшего значения и могут приводить к образованию нарушения сплошности металла путем среза по диаго­ налям сечения.

Описанное изменение напряженного состояния ме­ талла осевой зоны круглой заготовки по мере возраста­ ния ширины контактной поверхности, выявленное с по­ мощью экспериментов, подтверждается также данными, приведенными в работе Е . П . Унксова и В. М . Заварцевой [32].

Распределение напряжений в круглом вале при де­ формировании его плоскими бойками авторы изучали при помощи поляризационно-оптического метода. Так как этот метод не применим для исследования значи­ тельных по величине пластических деформаций, авторы использовали следующий искусственный прием. Н а диа­ метрально противоположных сторонах вала сострагива­ ли поверхность до образования плоскости — лыски, ко­ торая в дальнейшем контактнровалась с поверхностью плоского бойка. Ширина лысок изменялась от 0 до 35 мм. После этого модель деформировали на плоских бойках до напряжений, близких к предельным, в нор­ мальном направлении к плоскости лысок (рис. 96). И з­ менение распределения напряжений и знака напряжен­ ного состояния осевой зоны по мере возрастания условной деформации (с увеличением ширины лыски) иллю­ стрирует рис. 96. Полное устранение внутренних растя­ гивающих напряжений достигается при условном обж а­ тии 70% (а = 2 8 мм и а = 9 0 °) . К аналогичным выводам пришел также В. С . Смирнов [27] на основе исследова­ ний, проведенных применительно к условиям поперечной прокатки, а также ковки мелких образцов. Согласно его данным, по мере увеличения единичных обжатий и ширины контактной поверхности уменьшается склон­ ность к образованию внутренних разрывов.

Влияние ширимы контактной поверхности на напря­ женное состояние образцов диаметром 40 мм исследо­

169