Полный текст

Введение При производстве прутковых изделий из труднодеформируемых металлов и сплавов, к которым относится ряд цветных металлов, находит применение гидромеханическое прессование как одна из разновидностей процесса прессования. Как и для других видов прессования, для гидромеханического характерна благоприятная схема напряженного состояния с преобладающим действием сжимающих напряжений, что способствует повышению пластических свойств обрабатываемого материала и росту возможности реализации значительных пластических деформаций без опасности разрушения заготовки [1-7]. Положительным моментом гидромеханического прессования является возможность контролировать движение заготовки и предотвращать ее выстреливание в конечной стадии прессования, что характерно для других видов прессования [3-4]. Данные преимущества позволяют деформировать такие материалы и сплавы на их основе, как молибден, вольфрам, тантал, ниобий и др., которые имеют низкую пластичность при традиционных методах обработки металлов давлением. Преимуществом гидропрессования применительно к тугоплавким металлам является возможность формирования новой структуры, обеспечивающей комплекс высоких физико-механических и эксплуатационных свойств [2]. При гидропрессовании, происходящем при комнатной температуре или незначительном подогреве, обеспечивается дробление зерен металла на мельчайшие блоки размером до 0,2-0,3 мкм [8], что приближает данные технологии к современным нанотехнологиям. Актуальной задачей при этом является обеспечение минимальных усилий деформирования. 1. Методика исследования Одной из актуальных проблем гидромеханического прессования является оптимизация геометрии технологического инструмента, обеспечивающей минимальные энергозатраты при прессовании. Схема гидромеханического прессования приведена на рис. 1. Прутковая заготовка 1 с диаметром d0 помещается в контейнер 2 с внутренним диаметром dk и прессуется с помощью пуансона 3 через коническую матрицу 4 до диаметра d1 усилием Р. Зазор 5 между заготовкой и контейнером заполняется рабочей средой, выполняющей одновременно и роль смазки. Наличие данного зазора, заполненного смазкой, также является весьма перспективным, поскольку заполненный смазкой зазор может выполнять функцию нагнетателя смазки в зону деформации, обеспечивая при определенных условиях гидродинамический режим смазки с минимальным коэффициентом трения [9]. Рис. 1. Схема гидродинамического прессования Основными параметрами, определяющими энергосиловые характеристики гидродинамического прессования, являются усилие прессования, коэффициенты вытяжки и трения в зоне деформации, угол наклона образующей матрицы к оси прессования, сопротивление деформации материала заготовки. Усилие прессования приводится при этом к среднему напряжению прессования: , (1) где F0 - площадь сечения исходной заготовки. Полное усилие прессования определяется суммой отдельных составляющих [10]: , (2) где Ткр - результирующая сил трения на поверхности контейнера; Тм - результирующая сил трения в зоне деформации на поверхности контакта прессовой матрицы и заготовки; Тпл - усилие, затраченное на пластическую деформацию; Тк - результирующая сил трения на поверхности калибрующего пояска матрицы. Рассмотрим по отдельности составляющие уравнения (2). Результирующая сил трения на поверхности контейнера равна (3) где - длина рабочей части пуансона; - касательные напряжения трения на контакте пуансон - контейнер. Между пуансоном и контейнером существуют некоторый зазор, через который при прессовании будет выдавливаться излишний объем рабочей среды. Для рабочей среды, описываемой уравнением ньютоновской среды, среднее касательное напряжение будет равно , (4) где - динамическая вязкость рабочей среды; - скорость перемещения пуансона; - зазор между пуансоном и контейнером. Тогда из соотношения (3) с учетом выражения (4) имеем: , где - свободная длина заготовки. Данному значению соответствует напряжение . (5) Напряжение, затрачиваемое на пластическую деформацию заготовки, составит [10] , (6) где - сопротивление деформации прессуемого материала; - степень деформации при прессовании. Средняя по сечению степень деформации в коническом прессовом инструменте определяется коэффициентом вытяжки и дополнительными деформациями сдвига на входе и выходе заготовки из конического инструмента [9]: (7) где - коэффициент вытяжки; - диаметры заготовки на входе и выходе соответственно; - угол наклона образующей конического канала матрицы к оси прессования. Для усредненного значения сопротивления деформации обрабатываемого материала определяется напряжение, связанное с пластической деформацией. С учетом соотношения (7) напряжение пластического деформирования будет равно (8) В свою очередь, проекция результирующей силы трения на ось прессования для конической поверхности рабочей части матрицы выглядит так: , (9) где - среднее напряжение трения на контакте заготовка - матрица; - площадь поверхности конической части матрицы, контактирующей с поверхностью заготовки; - коэффициент трения в зоне деформации. Из геометрических соотношений для конической части матрицы имеем: (10) что после подстановки в соотношение (8) дает . (11) Составляющая напряжения от сил трения в матрице в общем напряжении прессования при этом будет равна . (12) Результирующая сил трения на поверхности калибрующего пояска матрицы равна где - длина калибрующего пояска матрицы, откуда следует, что . (13) В итоге среднее напряжение гидродинамического прессования будет определяться суммой выражений (5), (8), (11) и (13). При пластической деформации в конических инструментах (волочение, прессование) существуют оптимальные углы конусности инструмента, при которых энергозатраты будут минимальны. При гидромеханическом прессовании углы конусности матрицы входят в напряжения и поэтому для определения оптимальных углов используем условие . (14) Продифференцировав выражения (8) и (11) по , получим после преобразований следующие: . (15) Из выражения (15) следует, что оптимальный угол конусности матрицы не зависит от сопротивления деформации прессуемого материала и определяется лишь коэффициентом трения в зоне деформации и коэффициентом вытяжки. Соотношение (15) положено в основу патента РФ «Способ прессования заготовок»[1]. 2. Результаты исследования и их обсуждение По формуле (15) рассчитаны оптимальные значения углов при гидромеханическом прессовании. На рис. 2 приведены результаты расчета отношения в зависимости от вытяжки для различных коэффициентов трения. Из рис. 2 следует наличие оптимальных углов конусности прессовых матриц. Рис. 2. Зависимость : 1 - λ = 5; 2 - λ = 4; 3 - λ = 3 Заключение В данной работе получена аналитическая зависимость удельного давления при гидромеханическом прессовании, учитывающая основные параметры технологического процесса. Предложена формула для определения оптимального угла конусности технологической матрицы, защищенная патентом Российской Федерации.

Об авторах

Г. Л Колмогоров

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: dpm@pstu.ru

А. О Уткин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: Flaymel@yandex.ru

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 52

PDF (Russian) - 60

Ссылки

• Ссылки не определены.