Вінницький державний технічний університет

Сивак Роман Іванович

УДК 621.73.011

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ХОЛОДНОГО КОМБІНОВАНОГО ВИДАВЛЮВАННЯ НА ОСНОВІ ТЕОРІЇ ДЕФОРМУЄМОСТІ

Спеціальність 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2000 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Огородніков Віталій Антонович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри опору матеріалів та прикладної механіки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент, Пшенишнюк Олександр Сидорович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри обробки металів тиском;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Марченко Віталій Леонідович, Технологічний університет Поділля (м. Хмельницький), старший науковий співробітник кафедри машинознавства.

Провідна установа:

Національна металургійна академія України, кафедра обробки металів тиском, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “ 31“ січня 2001р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 Вінницького державного технічного університету; за адресою 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного технічного університету; за адресою 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “29“ грудня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дерібо О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності виробництва за рахунок розвитку, удосконалення існуючих та розробки й упровадження нових ресурсозберігаючих технологій є важливими задачами сучасного машинобудування. Один із шляхів розв’язку цих задач полягає в подальшому розвитку методів оцінки деформуємості заготовок, які дозволяють при проектуванні технологічних процесів прогнозувати рівень пошкодженності виробів дефектами руйнування. Точність прогнозування якості та технологічної спадщини готових виробів у значній мірі визначається достовірністю та повнотою вихідних даних про залежність пластичності деформуємих металів від схеми напруженого стану, а також історією навантаження, для визначення якої необхідна повна інформація про напружено-деформований стан у процесі формозміни.

В даний час найбільш поширеним способом обробки металів тиском є холодна об’ємна штамповка, яка дозволяє звести до мінімуму або повністю виключити необхідність послідуючої обробки деталей різанням. Подальший розвиток методів холодної штамповки та більш широке впровадження їх у виробництво можливі на основі використання досягнень теорії деформуємості як при розробці нових способів холодної пластичної формозміни так і при раціональному, із точки зору деформуємості, об’єднанні існуючих операцій та створенню на цій основі нових комбінованих процесів.

Одним з ефективних методів відновлення запасу пластичності та розширення можливостей комбінованих процесів холодної штамповки є проміжні відпали, ефективність яких залежить, в основному, від величини використаного ресурсу пластичності. Відомі критерії руйнування не дозволяють оцінювати комплексний вплив немонотонності навантаження та проміжних відпалів на пластичність. У зв’язку з цим проблема прогнозування пластичності металів при розробці комбінованих процесів холодного видавлювання з проміжними відпалами є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі опору матеріалів та прикладної механіки Вінницького державного технічного університету. Тема роботи відповідає науковому напрямку кафедри “Розвиток феноменологічних теорій руйнування матеріалів при великих пластичних деформаціях та застосування їх для розробки маловідходних технологій обробки металів тиском”. Роботу виконано згідно з координаційними планами університету і Міносвіти України (наказ ВПІ №7 від 14.01.1994р., наказ ВДТУ №33-0 від 09.02.1996р., наказ Міносвіти України №37 від 13.02.1997р.)

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в якісному та кількісному визначенні впливу немонотонності пластичної деформації та проміжних відпалів на пластичність металів та удосконалення на цій основі процесів холодного комбінованого видавлювання.

Для досягнення поставленої мети були розв’язані наступні задачі:

- удосконалити експериментально-розрахункові методи досліджень кінематики пластичної деформації суцільних та пористих тіл при стаціонарних та нестаціонарних процесах формозміни;

- розробити методику розрахунків компонент девіатора напружень при немонотонній деформації на основі моделі Г.Бакхауза та методику визначення компонент тензора напружень з урахуванням ефектів запізнення;

- удосконалити методику побудови поверхонь граничної пластичності для суцільних та пористих матеріалів;

- установити закономірності накопичення пошкоджень при немонотонній пластичній деформації та удосконалити на цій основі методи оцінки деформуємості;

- розробити методику оцінки використаного ресурсу пластичності при немонотонному навантаженні з проміжними відпалами;

- виконати дослідження деформуємості суцільних та пористих заготовок у процесах холодного комбінованого видавлювання з проміжними відпалами та без них;

- на основі теоретичних та експериментальних досліджень розробити методику оцінки придатності заготовок до процесу прямого видавлювання та послідуючого радіального видавлювання з контурною осадкою при допомозі теорії деформуємості та рекомендації по використанню проміжних відпалів.

Об’єкт дослідження – процес пластичної деформації металів при немонотонному навантаженні з проміжними відпалами.

Предмет дослідження – деформуємість заготовок при холодному комбінованому видавлюванні.

Методи дослідження. Поставлені задачі вирішувалися шляхом аналізу відомих методів, приведених у літературних джерелах, та використання оригінальних методів досліджень впливу історії навантаження та термообробок на пластичність металів при немонотонному навантаженні. Експериментальні дослідження виконувались в лабораторних умовах із застосуванням спеціально розроблених пристроїв та використанням стандартного обладнання. Обробка експериментальних даних та перевірка адекватності теоретичних залежностей здійснювались на ПЕОМ із використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Отримав подальший розвиток метод дослідження напружено-деформованого стану при немонотонній пластичній деформації.

2. Побудовано експериментальні залежності граничної деформації від показника жорсткості напруженого стану та параметра Надаі-Лоде для сталі 10, алюмінію АД-1 та пористого матеріалу на основі мідного порошку ПМС-1.

3. Експериментально визначені закономірності відновлення запасу пластичності при пластичній деформації з проміжними відпалами. Установлено, що ефективність проміжних відпалів зменшується з ростом величини використаного ресурсу пластичності перед відпалом та з ростом числа проміжних відпалів.

4. Розроблено метод визначення пористості по відомій кінематиці процесу. Установлено, що для пористих матеріалів кінематика процесу пластичної деформації залежить від початкової пористості. Тому при моделюванні процесів пластичної деформації пористих тіл необхідно враховувати вплив початкової пористості.

5. Отримано критерій деформуємості для оцінки пластичності при немонотонному навантаженні з проміжними відпалами.

6. Розроблено метод оцінки придатності суцільних та пористих матеріалів до процесів видавлювання з послідуючим радіальним видавлюванням із контурною осадкою, який можна використовувати при проектуванні таких процесів для нових матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів.

- на основі теоретичних та експериментальних досліджень накопичення пошкоджень та їх заліковування при пластичній деформації з проміжними відпалами розроблено науково обгрунтовану інженерну методику оцінки впливу основних параметрів процесу на деформуємість заготовок, яка дозволяє при проектуванні комбінованих процесів холодної пластичної формозміни оцінювати величини допустимих деформацій за одну операцію;

- побудовано поверхні граничної пластичності для сталі 10, алюмінію АД1 та пористого матеріалу на основі міді, які описують залежність граничної деформації від показника жорсткості напруженого стану та параметра Надаі-Лоде ;

- розроблено методику оцінки використаного ресурсу пластичності при немонотонному навантаженні з проміжними відпалами, яку можна використати для кількісної оцінки придатності суцільних або пористих матеріалів до операцій холодної пластичної деформації як при проектуванні окремих операцій так і їх оптимальних комбінацій;

- розроблено технологічний процес виготовлення стовщень шляхом об’єднання операцій прямого видавлювання, радіального видавлювання та контурної осадки як із проміжними відпалами так і без них;

- методика оцінки деформуємості та технологічної спадщини металів при холодній пластичній деформації з проміжними відпалами прийнята до впровадження на НВО “Форт” (м.Вінниця).

Особистий внесок здобувача полягає в складанні та аналізі теоретичних моделей; постановці та проведенні експериментальних досліджень; обробці отриманих результатів; формулюванні висновків та пропозицій; розробці рекомендацій по впровадженню результатів досліджень в виробництво.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації докладено і обговорено на наступних конференціях та семінарах: Республіканська науково-технічна конференція “Социально-экономические аспекты и ресурсосбережение на автомобильном транспорте, м. Вінниця, 1992р.; ІІ Міжнародна науково-технічна конференція “Применение колебаний в технологиях. Расчёт и проектирование машин для реализации технологий, м. Вінниця, 1994р.; Міжнародна науково-технічна конференція “Новые технологии и организационные структуры на автомобильном транспорте, м. Вінниця, 1994р.; міжвузівська науково-технічна конференція молодих вчених та спеціалістів “Проблемы техники, технологии и экономики машиностроительного производства, м. Краматорськ, 1996р.; міжнародний семінар “Реологічні моделі та процеси деформування пористих і композиційних матеріалів, Луцьк, 1997р., 1999р.; Всеукраїнська науково-технічна конференція “Перспективні технології та обладнання обробки тиском в машинобудуванні та металургії, м. Краматорськ, 1998р.,1999р.,2000р.; V Міжнародна науково-технічна конференція “Контроль і управління в складних системах, м. Вінниця, 1999р.; обласні науково-технічні конференції (1992-1994р.р., 1996-2000р.р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 15 друкованих працях, в тому числі в 3 статтях у наукових журналах, в 6 статтях у збірниках наукових праць, в 6 матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів і додатку. Обсяг роботи 218 сторінок, 66 рисунків на 40 сторінках, додаток на 2 сторінках, список використаних джерел з 178 джерел на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведено загальну характеристику роботи, обгрунтовано актуальність проблеми дослідження пластичності металів при немонотонному навантаженні з проміжними відпалами, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність, наведені відомості про методи досліджень.

У першому розділі розглянуто стан питання з розробки та дослідження процесів холодного комбінованого видавлювання, виконано аналіз методів вивчення механіки деформування суцільних та пористих матеріалів; розглянуто методи розрахунків напружень при немонотонному навантаженні; проведено аналіз відомих моделей накопичення пошкоджень при монотонній і немонотонній пластичній деформації й основаних на цих моделях критеріїв руйнування. Визначено можливості та проблеми багатоперехідних процесів холодної пластичної деформації.

Для підвищення ефективності вказаних процесів необхідний подальший розвиток теорії деформуємості та методів розв’язку краєвих задач сучасної теорії обробки металів тиском. Важливий внесок у розвиток теорії деформуємості та технологічної механіки зробили Ю.А.Алюшин, Я.Є.Бейгельзимер, С.І.Губкін, Г.Я.Гун, В.М.Данченко, Г.Д.Дель, А.М.Дмітрієв, Є.А.Дорошкевич, Б.А.Друянов, Є.В.Звонарьов, А.А.Костава, В.Л.Колмогоров, Ю.Г.Калпін, В.С.Ковальченко, О.М.Лаптєв, Н.Н.Малінін, Є.М.Макушок, І.Ф.Мартинова, В.М.Михалевич, А.А.Нотич, А.Г.Овчінніков, В.А.Огородніков, О.С.Пшенишнюк, Є.О.Попов, А.А.Поздєєв, Г.Л.Петросян, І.П.Рене, О.А.Розенберг, В.Д.Рудь, Г.П.Сердюк, В.В.Скороход, Г.А.Смірнов-Аляєв, Л.Г.Степанський, Д.В.Хван, Є.П.Унксов, Ю.К.Філіпов, Н.А.Шестаков, М.Б.Штерн, С.П.Яковлєв, Р.Дж.Грін, У.Джонсон, М.Ояне та інші.

До основних задач, які необхідно вирішувати для оцінки деформуємості металів у процесах холодної пластичної деформації, відносяться задачі визначення напружено-деформованого стану, розв’язок яких дозволяє визначити траєкторії та оцінити на цій основі вплив історії навантаження на пластичність. Більшість задач обробки тиском не вдається сформулювати в виді математичної задачі теорії пластичності, так як наявність багатьох факторів та їх вплив на процес формозміни не завжди вдається відтворити в розрахунковій схемі. Тому найбільш достовірними виявилися експериментально-розрахункові методи.

Для оцінки ймовірності руйнування при немонотонному навантаженні використовувалися критерії деформуємості, в основу яких покладено тензорну модель накопичення пошкоджень. При визначенні компонент девіатора пошкоджень у цих моделях не враховується вплив об’ємності схеми напруженого стану на інтенсивність накопичення пошкоджень. Недостатньо досліджено вплив проміжних відпалів та їх числа на величину використаного ресурсу пластичності. Відсутність необхідних досліджень стримує використання ефектів немонотонності деформування та проміжних відпалів для удосконалення існуючих та проектування нових процесів холодної пластичної деформації.

З виконаного аналізу загальних тенденцій і проблем процесів холодного видавлювання, а також відповідно до мети даної роботи, визначені задачі дослідження.

У другому розділі розглянуто методику проведення досліджень напружено-деформованого стану при немонотонній пластичній деформації. Для визначення компонент тензора швидкостей деформацій у стаціонарних процесах використовували метод функцій току. При дослідженні нестаціонарних процесів осесиметричної деформації компоненти тензора швидкостей деформацій визначали по спотворенню координатної сітки. Функції ейлерових координат від лагранжевих та лагрнжевих від ейлерових отримували шляхом апроксимації експериментальних даних кубічними сплайнами.

Компоненти девіатора напружень при монотонному навантаженні визначали по теорії течії. Компоненти тензора напружень визначали шляхом інтегрування диференціальних та інтегральних рівнянь рівноваги. При такому методі одно з диференціальних рівнянь рівноваги залишається незадовільненим. Тому для уточнення розв’язку використовували методику Г.Д.Деля.

Розв’язок краєвої задачі теорії пластичності для немонотонного навантаження практично неможливий. Тому в даній роботі отримала подальший розвиток математична модель анізотропного зміцнення, запропонована Г.Бакхаузом. Компоненти девіатора напружень розраховували по формулі

(1)

де eu – накопичена деформація, - параметр Баушингера, u – інтенсивність напружень, - спадкова функція.

В роботі одержані експериментальні залежності (eu), по методиці Д.В.Хвана для сталі 10 та алюмінію АД1. Експериментальні результати для алюмінію АД1 та їх апроксимації приведено на рис.1,2.

Функція описує спадковий вплив історії деформування на даний стан матеріалу при пластичній деформації і дозволяє оцінити вплив немонотонності на значення компонент девіатора напружень.

Створена математична модель та складено програми, які є досить ефективними для розрахунків на ЕОМ напружено-деформованого стану.

У третьому розділі виконано дослідження процесу виготовлення стовщень шляхом послідовної формозміни в процесах видавлювання, радіального видавлювання та контурної осадки.

При монотонному та немонотонному навантаженнях пластичність металу характеризували накопиченою до моменту руйнування деформацією

, (2)

де - інтенсивність швидкостей деформацій, tp–час деформування до руйнування.

Для оцінки залежності пластичності металів від схеми напруженого стану використовували поверхні граничної пластичності ер(,), які описують залежність ер від показників напруженого стану =3/u та параметру Надаі-Лоде . Отримані експериментальні залежності ер(,) приведені на рис.3.

Експериментальні дослідження по прямому видавлюванню проводили на зразках з алюмінію АД1 та сурм’янистого свинцю (d0=40мм, h=50мм). Зразки розрізали на дві половинки і на меридіональний переріз однієї з них наносили координатну сітку з кроком 2мм на фрезерному станку з ЧПУ. Видавлювання реалізували на пресі ПММ-125 за допомогою спеціально сконструйованого пристрою через конічну матрицю з кутом воронки 2=900 від діаметра 40мм до діаметра 20мм.

Розрахунок напружено-деформованого стану виконували по методиці, розглянутій у другому розділі. Одержані розподіли накопиченої деформації eu, показника напруженого стану та параметру Надаі-Лоде по меридіональному перерізу для алюмінію АД1 і сталі 10 свідчать про те, що ці характеристики та характер їх розподілу практично не залежать від механічних властивостей матеріалів. Траєкторії навантаження eu(,) для частинок, які в початковому стані знаходились на осі заготовки (r=0), в середній частині (r=R/2) та на поверхні (r=R) для сталі 10 та алюмінію АД1 приведено на рис.3.

Процес радіального видавлювання проводили за 3 етапи. Перші три зразки видавлювали до розмірів першого етапу, другі 3 зразки видавлювали до розмірів другого етапу, треті 3 зразки видавлювали до розмірів третього етапу. При проведенні контурної осадки всі зразки видавлювали до розмірів радіального видавлювання третього етапу, а контурну осадку отриманих зразків виконували за 3 етапи, аналогічно радіальному видавлюванню. Таким чином, дослідження проводили без розриву процесу деформації і кожний зразок характеризує деформований стан у кінці даного етапу. Розходження між значеннями напружень, розрахованих по співвідношеннях теорії течії і співвідношеннях (1) в розглянутому випадку не перевищують 20%.

Дослідження радіального видавлювання з контурною осадкою виконані для випадку коли відносна товщина фланцю h/2R0=0.141, а відносне значення радіусу закруглення перехідної кромки r/2R0=0. Отримана траєкторія частинок небезпечної зони еu(,) для сталі 10 та алюмінію АД1 представлена кривою 1 (див.рис.3).

Для оцінки впливу параметрів процесу на пластичність нами виконані дослідження ще двох випадків: r/2R0=0.106, h/2R0=0.236 (крива 2, див.рис.3); r/2R0=0.213, h/2R0=0.33 (крива 3, див.рис.3).

Використаний ресурс пластичності визначали по критерію

де k – номер етапу деформування, 0(k-1) – використаний ресурс пластичності на попередньому етапі пластичної деформації, - ступінь деформації на попередньому етапі, - ступінь деформації на даному етапі, - компоненти девіатора пошкоджень на к-ому етапі.

Значення та розподіл використаного ресурсу пластичності для останнього етапу пластичної деформації приведені на рис.4 для сталі 10 і АД1. Для стальних та алюмінієвих заготовок максимальні діаметри стовщень однакові і дорівнюють dmax=42мм. Початковий розмір заготовок, отриманих після прямого видавлювання, дорівнює d0=20мм. Однак для стальних заготовок це максимальний розмір, який можна одержати в даному технологічному процесі, так як величина використаного ресурсу пластичності в небезпечній зоні складає max=0.95 При експериментальних дослідженнях тріщина на вільній поверхні заготовки мала місце при dmax=45…48мм. Для алюмінієвих заготовок max=0.8, тобто можливості даного процесу повністю не вичерпані. Аналіз розподілу свідчить про те, що в готовому виробі цей розподіл більш рівномірний, ніж розподіл після прямого та радіального видавлювання. Тому таку послідовність операцій пластичної деформації можна вважати доцільною.

Одним з ефективних шляхів підвищення пластичності сталей є як попередня, так і проміжні термічні обробки. Крім того, проміжна та кінцева термічні обробки значно покращують технологічну спадщину готових виробів.

Для оцінки впливу проміжних термообробок на відновлення запасу пластичності нами проведено дослідження на розтяг та кручення циліндричних зразків із сталі 10. Дослідження виконували з однією, двома та трьома проміжними термообробками. Режим термообробки зразків у вихідному стані був таким самим як і після деформування, тобто температура 8600С, витримка при цій температурі 1 година та охолодження разом із піччю.

Експериментальна залежність відносної величини використаного ресурсу пластичності / після першого відпалу від величини використаного на першому етапі ресурсу пластичності приведена на рис.5, крива 1. З аналізу цієї залежності випливає, що енергетично стійкі дефекти, які не заліковуються при відпалі, виникають при 0.3…0.35. Аналогічні результати отримані в роботах А.А.Богатова і С.В.Смірнова.

Ту частину зразків, яка була доведена до різних ступенів деформації на першому етапі, після відпалу деформували до різних ступенів деформації на другому етапі. Після другого відпалу частину зразків залишали для подальших досліджень, а частину доводили до руйнування. Одержана експериментальна залежність відносної величини використаного ресурсу пластичності / від після другого відпалу приведена на рис.5, крива 2. Аналогічно визначали залежність від після третього проміжного відпалу (крива 3, див.рис.5).

Аналіз одержаних залежностей / від свідчить про те, що величина відновленого запасу пластичності залежить від перед відпалом, від кількості проміжних відпалів, але не залежить від схеми напруженого стану.

Використаний ресурс пластичності при видавлюванні з проміжними відпалами визначали по критерію (3), в якому при визначенні 0(к-1) використовували результати розрахунків на попередньому етапі та визначали величину відновленого запасу пластичності при черговому відпалі по експериментальних залежностях від (див.рис.5).

Результати розрахунків величини використаного ресурсу пластичності після прямого видавлювання та радіального видавлювання з контурною осадкою і двома проміжними відпалами приведені на рис.6.

Аналіз значень та розподілу у кінці процесу комбінованого видавлювання без проміжних відпалів (див.рис.4), та після немонотонної пластичної деформації з проміжними відпалами (див.рис.6) показує, що використаний ресурс пластичності у найбільш небезпечних точках зменшився на 25…30%, а в тих точках, де значення відносно низькі, використаний ресурс пластичності зменшився на 30…40%. Тобто можна зробити висновок, що з ростом та числа проміжних відпалів, ефективність останніх зменшується. Результати розрахунків використаного ресурсу пластичності (див.рис.6) одержані при пластичній деформації з проміжними відпалами для радіального видавлювання з контурною осадкою для випадку, коли відносна товщина фланцю h/2R0=0.141, а відносне значення радіусу закруглення перехідної кромки r/2R0=0.

Пластичну деформацію заготовок із сталі 10 із проміжними відпалами проводили також для випадків, коли r/2R0=0.106, h/2R0=0.236 та коли r/2R0=0.213, h/2R0=0.33. Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що найбільш оптимальним є третій випадок. В цьому випадку використаний ресурс пластичності в найбільш небезпечній точці зменшився на 38%. Для першого випадку таке зменшення складає 25…30%. Тобто на ефективність відновлення запасу пластичності впливають як значення використаного ресурсу пластичності перед відпалом, номер відпалу так і вид траєкторії навантаження, яка визначається параметрами процесу.

Таким чином, розроблена методика дозволяє оцінювати використаний ресурс пластичності при немонотонному навантаженні з проміжними відпалами. Експериментально підтверджено доцільність використання процесів комбінованого видавлювання з проміжними відпалами для виготовлення стовщень великих діаметрів із необхідною технологічною спадщиною. Експериментально підтверджена також доцільність заміни компонент девіатора пошкоджень у критерії руйнування компонентами тензора пошкоджень, що дозволило оцінити вплив проміжних відпалів на пластичність при дробній деформації.

У четвертому розділі приведені результати досліджень пластичної деформації спечених пористих заготовок на основі міді в процесі прямого видавлювання з послідуючим радіальним видавлюванням і контурною осадкою.

Експериментальні дослідження по прямому видавлюванню виконували на зразках із спеченого пористого матеріалу з мідного порошку ПМС-1. Вихідні заготовки мали початкову пористість 0=0.2 та розміри h0=60мм, d0=20мм. Зразки розрізали на дві половинки і на меридіональний переріз однієї з них наносили сітку з кроком 0.7мм на фрезерному станку з ЧПУ. Зовнішній діаметр заготовки, тобто діаметр після розпресовки в контейнері дорівнює d0=20мм, а зовнішній діаметр випресованого прутка дорівнював d=15.08мм.

Координати вузлів вихідної сітки z0,r0 заміряли на інструментальному мікроскопі, потім половинки складали і зразок видавлювали. На стаціонарній стадії визначали величину сили Р та швидкість пуансона v0, потім деформування припиняли. Зразок випресовували з матриці і заміряли координати вузлів деформованої сітки z,r. Таким чином були одержані у вузлах сітки експериментальні функції ейлерових координат від лагранжевих z=z(z0,r0), r=r(z0,r0) або лагранжевих координат від ейлерових z0=z0(z,r), r0=r0(z,r).

Швидкості течії частинок матеріалу vz,vr при стаціонарній деформації обчислювали за формулами

(4)

де . (5)

Функції пористості В.В.Скорохода уточнювали експериментально. В результаті отримано залежності

, (6)

Для розрахунку розподілу пористості по деформованій координатній сітці використовували рівняння

(7)

де 0(z0(z,r),r0(z,r)) – вихідна пористість зразка, z0(z,r),r0(z,r) – функції вихідних (лагранжевих) змінних від текучих (ейлерових).

Аналіз отриманих результатів показує, що при даних параметрах процесу видавлювання початкова пористість зменшилась майже в 2.5 рази. Накопичену деформацію матеріалу основи обчислювали по формулі

(8)

вздовж траєкторій частинок матеріалу (уздовж лінії координатної сітки).

Компоненти тензора напружень визначали по співвідношеннях В.В.Скорохода та М.Б.Штерна. Використовували також формули

де 0(Г0) – експериментальна крива течії матеріалу основи.

Отримані в результаті розрахунків траєкторії навантаження частинок матеріалу основи, які знаходяться на осі r=0, на відстані r=R/2 та на контактній поверхні r=R приведені на рис.7.

Зразки, одержані після прямого видавлювання, використовували для радіального видавлювання з контурною осадкою. Так як даний процес не стаціонарний, то для отримання траєкторій навантаження частинок небезпечної зони спочатку проводили радіальне видавлювання за 3 етапи, а потім контурну осадку за 3 етапи.

Закон зміни пористості в небезпечних точках визначали шляхом чисельного розв’язку на ЕОМ методом Рунге-Кута диференціального рівняння

(9)

При отримані рівняння (9) враховано, що на вільній поверхні r=0.

Одержана в результаті виконаних розрахунків траєкторія навантаження частинок небезпечної зони Г0(0,) приведена на рис.7. Показник жорсткості матеріалу основи 0 розраховували по формулі

(10)

де , (11)

- швидкість об’ємної деформації.

Використаний ресурс пластичності визначали по критерію (3), який для пористого тіла приймає вигляд

(12)

де ,, - накопичена деформація матеріалу основи після прямого видавлювання, радіального видавлювання та контурної осадки, відповідно;

- компоненти тензора пошкоджень; 0(1), 0(2) – використаний ресурс пластичності після прямого та радіального видавлювання, відповідно.

Поверхню граничної пластичності Г0р(0,) (див.рис.7) для пористого матеріалу побудовано по методиці І.О.Сивака.

Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що критерій (12) задовільно описує процес накопичення пошкоджень при немонотонній пластичній деформації пористого тіла. Розходження між експериментальними та розрахунковими значеннями складають від 10% до 22%.

Крім комбінованого видавлювання нами проведено також досліди по радіальному видавлюванню з контурною осадкою вихідних заготовок із початковою пористістю 0=0.2. При цьому виявилося, що пластичність таких заготовок на 15…30% менша ніж пластичність заготовок, які були одержані після прямого видавлювання. Збільшення пластичності можна пояснити позитивною дією усестороннього нерівномірного стиску при досить великих деформаціях зсуву на механічні характеристики пористого тіла.

У п’ятому розділі на основі проведених досліджень розроблено загальну методику раціонального проектування процесів холодного комбінованого видавлювання з проміжними відпалами. Обгрунтовано придатність механічного моделювання для процесів немонотонного навантаження суцільних тіл. Визначено границі придатності моделювання немонотонної пластичної деформації пористих тіл, в залежності від початкової пористості. Розроблена методика дозволяє покращити фізико-механічні характеристики деформованих матеріалів та технологічну спадщину готових виробів за рахунок оптимальної комбінації операцій холодної пластичної деформації та проміжних відпалів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В роботі доведена доцільність розробки процесів прямого видавлювання з послідуючим радіальним видавлюванням та контурною осадкою з проміжними відпалами. Такі технології сприяють розширенню можливостей процесів холодної штамповки за рахунок оптимального розподілу ресурсу пластичності по переходах та відновленню запасів пластичності при проміжних відпалах.

2. Отримав подальший розвиток експериментально-розрахунковий метод оцінки напружено-деформованого стану при немонотонній пластичній деформації. В основу методу покладена математична модель анізотропного зміцнення Г.Бакхауза. Для сталі 10 та алюмінію АД1 отримані закони зміни параметру Баушингера та спадкової функції в процесі пластичної деформації.

3. Одержала подальший розвиток методика побудови поверхонь граничної пластичності для суцільних та пористих тіл. Побудовано поверхні граничної пластичності для сталі 10, алюмінію АД1 та пористого матеріалу на основі мідного порошку ПМС-1.

4. Узагальнено метод Г.Д.Деля оцінки використаного ресурсу пластичності при немонотонному навантаженні шляхом заміни компонент девіатора пошкоджень компонентами тензора пошкоджень, що дозволило більш ефективно врахувати вплив величини на інтенсивність накопичення та заліковування пошкоджень в багатопереходних процесах обробки тиском.

5. Експериментально виявлено закономірності відновлення запасу пластичності при пластичній деформації з проміжними відпалами. Установлено, що ефективність проміжних відпалів зменшується з ростом величини використаного ресурсу пластичності перед відпалом та з ростом числа проміжних відпалів при інших рівних умовах.

6. Проведено дослідження радіального видавлювання з контурною осадкою пористих заготовок отриманих після прямого видавлювання і на цій основі розроблено комплексну методику оцінки деформуємості пористих заготовок при немонотонній пластичній деформації. Отримано методику визначення пористості по відомій кінематиці. Установлено, що для пористих тіл кінематика процесу пластичної деформації залежить не тільки від параметрів процесу, але і від початкової пористості. Тому при моделюванні процесів обробки тиском пористих матеріалів необхідно враховувати вплив початкової пористості.

7. Розроблені методики оцінки придатності суцільних та пористих матеріалів до процесів видавлювання з послідуючим радіальним видавлюванням із контурною осадкою на основі теорії деформуємості та рекомендації по використанню проміжних відпалів для покращення фізико-механічних характеристик деформованих матеріалів та технологічної спадщини готових виробів. Технологічні розробки прийняті до впровадження в промислове виробництво.

Основні положення дисертації надруковані в таких працях:

1.

2. Алиев И.С., Сивак И.О., Сивак Р.И. Пластичность металла при многократной холодной деформации с промежуточнми отжигами // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении. - Краматорск: ДГМА. - 1998. - Вп.№4. - С.203-207.

3. Сивак И.О., Огородников В.А., Сивак Р.И., Ивацко В.Т. Влияние геометрии траектории деформации на пластичность // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії. - Краматорськ: Донбаська державна машинобудівна академія. - 1999. - С.5-8.

4. Сивак И.О., Огородников В.А., Сивак Р.И., Мысловский А.Я. Ресурс пластичности заготовок при последовательных операциях пластического формоизменения // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. - 2000. – С.29-33.

5.

6. Алиев И.С., Чучин О.В., Сивак Р.И. Совершенствование процессов выдавливания на основе регулирования кинематики течения // Тезисы докладов межвузовской НТК молодых ученых и специалистов “Проблемы техники, технологии и экономики машиностроительного производства”. – Краматорск: ДГМА. - 1996 . - С.38-39.

7. Ивацко В.Т., Сивак Р.И., Корж В.Г. Оценка пластичности пористых заготовок при выдавливании // Тези доповідей міжнародного семінару “Реологічні моделі та процеси деформування пористих і композиційних матеріалів”. – Луцьк. - 1997. – С.3.

8. Огородников В.А., Сивак И.О., Ивацко В.Т., Сивак Р.И. Контактные напряжения при холодном деформировании пористых заготовок // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении. - Краматорск: ДГМА. - 1998. - Вып.№4. - С.240-245.

9. Ивацко В.Т., Сивак Р.И. Моделирование процессов холодного деформирования пористых тел // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении. - Краматорск: Донбасская государственная машиностроительная академия. - 1998. - Вып.№4. - С.262-264.

10. Огородніков В.А., Сівак І.О., Сівак Р.І. Моделювання процесів немонотонної пластичної деформації // Книга за матеріалами п’ятої міжнародної науково-технічної конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-99). - Том 1. - Вінниця: ВДТУ. - 1999. - С.195-197.

11. Огородніков В.А., Сивак І.О., Івацько В.Т., Сивак Р.І. Оцінка деформованості пористої кільцевої заготовки під час осадки в закритому штампі // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 1999. - №1(22). - С.65-69.

12. Sivack I.O., Sakharov D.V., Babjuck T.I., Sivack R.I. The determination of porousity functions for sintering powder materials // Optimum technologies, technologic systems and materials in the machines building field. - 1998. - Р.170-175.

13. Сивак Р.І. Пластичність пористих тіл при комбінованому видавлюванні // Матеріали міжнародного семінару “Реологічні моделі та процеси деформування пористих і композиційних матеріалів”. – Луцьк: Інститут проблем матеріалознавства НАН України. – 1999 . – с.31-33.

14. Сивак І.О., Мисловський А.Я., Сивак Р.І., Шестаков С.М. Визначення кінематичних характеристик пластичної деформації пористих тіл // Матеріали міжнародного семінару “Реологічні моделі та процеси деформування пористих і композиційних матеріалів”. – Луцьк: Інститут проблем матеріалознавства НАН України. – 1999 . – с.33-36.

15. Сивак И.О., Огородников В.А., Сивак Р.И., Алиев И.С. Оценка использованного ресурса пластичности при комбинированном выдавливании с промежуточными отжигами // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – Краматорськ–Слов’янськ: Донбаська державна машинобудівна академія. - 2000. – С.165-167.

АНОТАЦІЯ

Сивак Р.І. Удосконалення процесів холодного комбінованого видавлювання на основі теорії деформуємості. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском. – Вінницький державний технічних університет, Вінниця, 2000.

Дисертація присвячена теоретичним і експериментальним дослідженням процесів прямого видавлювання з послідуючим радіальним видавлюванням та контурною осадкою з проміжними відпалами та без них. В дисертації розроблено методику оцінки деформуємості металів при немонотонному навантаженні з проміжними відпалами. Установлено, що ефективність проміжних відпалів зменшується з ростом величини використаного ресурсу пластичності перед відпалом та з ростом числа проміжних відпалів. Обгрунтовано придатність механічного моделювання для процесів немонотонного навантаження суцільних тіл. Визначено границі придатності моделювання пластичної деформації пористих тіл залежно від початкової пористості. Запропоновано методи оцінки деформуємості суцільних та пористих заготовок на стадії проектування комбінованих технологічних процесів холодного видавлювання з проміжними відпалами. Основні результати роботи знайшли промислове застосування.

Ключові слова: відпал, пластична деформація, пластичність, пористість, руйнування, ресурс пластичності, траєкторія навантаження, видавлювання, пошкодження.

АННОТАЦИЯ

Сивак Р.И. Совершенствование процессов холодного комбинированного выдавливания на основе теории деформируемости. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. – Винницкий государственный технический университет, Винница, 2000.

Диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям пластичности металлов при немонотонном нагружении с промежуточными отжигами. В работе выполнен анализ известных методов оценки деформируемости заготовок при немонотонной деформации. Установлено, что упрощённый учёт влияния термообработок на восстановление запаса пластичности, особенно при немонотонном нагружении, приводит к расхождению результатов теоретических и экспериментальных исследований. Отсутствие исследований комплексного влияния немонотонности деформации и промежуточных отжигов на интенсивность процессов накопления и залечивания повреждений сдерживает расширение возможностей существующих технологий и разработку принципиально новых способов обработки давлением. Поэтому решение этих проблем и разработка на этой основе инженерных методов оценки влияния основных параметров процесса сложного нагружения и промежуточных термообработок на деформируемость заготовок является актуальной задачей.

В данной работе для оценки напряжённо-деформированного состояния использована модель анизотропного упрочнения Г.Бакхауза. На основе этой модели получены физические уравнения для расчёта компонент девиатора напряжений, в которых влияние эффектов запаздывания и истории нагружения при немонотонной деформации учтены при помощи экспериментально полученных законов изменения параметра Баушингера и специальной функции, которая учитывает наследственное влияние истории деформирования на данное состояние материала.

В диссертации получили дальнейшее развитие методы построения поверхностей предельной пластичности сплошных и пористых материалов в координатах: предельная деформация, показатель жесткости напряжённого состояния, параметр Надаи-Лоде. Обобщены известные методы оценки использованного ресурса пластичности при немонотонной пластической деформации путём замены компонент девиатора повреждений компонентами тензора повреждений, что позволило учесть влияние величины использованного ресурса пластичности на предыдущих этапах формоизменения на интенсивность накопления повреждений на данном этапе.

Выполнены экспериментальные исследования закономерностей восстановления запаса пластичности при пластической деформации с промежуточными отжигами. Установлено, что эффективность промежуточных отжигов уменьшается с ростом значений использованного ресурса пластичности перед отжигом и с увеличением числа промежуточных отжигов. Разработан метод оценки влияния параметров процесса на величину использованного ресурса пластичности при немонотонном нагружении с промежуточными отжигами. Установлено, что на эффективность восстановления запаса пластичности влияют как значения использованного ресурса пластичности, номер промежуточного отжига, так и характер траектории нагружения. В результате исследований пластической деформации пористых тел установлено, что кинематика пластической деформации этих тел зависит не только от параметров процесса, но и от начальной пористости. В работе установлены границы пригодности механического моделирования процессов пластической деформации пористых тел в зависимости от начальной пористости.

На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований предложены методы оценки деформируемости сплошных и пористых заготовок при комбинированных технологических процессах холодного деформирования с промежуточными отжигами. Сформулированы рекомендации по выбору основных параметров комбинированных процессов выдавливания с последующим радиальным выдавливанием и контурной осадкой сплошных и пористых тел при их проектировании. Разработаны методы, которые позволяют улучшить физико-механические характеристики деформированного металла и технологическое наследие готовых изделий при комбинированном выдавливании за счёт рационального использования промежуточных отжигов. Основные результаты работы приняты для внедрения в производство.

Ключевые слова: отжиг, пластическая деформация, пластичность, пористость, разрушение, ресурс пластичности, траектория нагружения, выдавливание, повреждения.

SUMMARY

Sivack R.I. The improvement of the cold combined outpressing processes on a base of the theory of deformability. - Manuscript.

Thesis on competition of a science degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.03.05 - Processes and machines of pressure treatment.

- Vinnitsa state technical university, Vinnitsa, 2000.

Thesis is devoted to theoretical and experimental investigations of the processes of direct outpressing with subsequent radial outpressing and contour besiege with intermediate annealing and without them. There is developed the method of the metal deformability at nonmonotonous loading with intermediate annealing evaluation in dissertation. Is established, that the efficiency of intermediate annealing decreases with growth of the value of preannealing used plasticity resource and with growth of number of intermediate annealing. There is proved the suitability of mechanical modeling for nonmonotonous loading processes in continuous media. The limits of suitability of porous bodies plastic deformation modeling in dependence on initial porousity are determined. There are proposed methods of evaluation of deformability of bulk and porous preparations at a stage of designing of cold outpressing with intermediate annealing combined technological processes. The basic results of work are accepted for introduction on manufacture.

Keywords: annealing, plastic deformation, plasticity, porousity, failure, resource of plasticity, the trajectory of loading, outpressing, damages.

Підписано до друку 26.12.2000. р. Формат 29.742 1/4

Наклад 100 прим. Зам №2000-0129

Надруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького державного технічного університету.

м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 93. Тел.: 44-01-59