Исследование влияния скорости деформирования на силовые характеристики процесса трехточечной холодной ломки изгибом

обработка металлов давлением

УДК 620.178.7

Исследование влияния скорости деформирования на силовые характеристики процесса трехточечной холодной ломки изгибом

С. Г. Карнаух, Д. С. Карнаух

Ключевые слова: качество, коэффициент динамичности, ломка изгибом, пластическая деформация, сила, скорость.

Важным направлением совершенствования машиностроительного производства является разработка путей снижения расхода металла в заготовительном производстве, а также повышение точности и производительности раскроя проката. Указанные факторы существенно влияют на технико-экономические показатели последующих процессов изготовления изделий.

Среди известных безотходных методов раскроя сортового проката особое место занимает холодная ломка, в основу которой положено направленное разрушение надрезанного проката при изгибе. Способ холодной ломки изгибом отличается низкой энергоемкостью, простотой реализации, предоставляет возможность разделения твердых и высокопрочных материалов без нагрева. Однако в полной мере использовать преимущества ломки изгибом можно только при условии, что приняты дополнительные меры для радикального улучшения качества скола и уменьшения энергоемкости процесса разрушения. Упруго-напряженное состояние создается на участке проката длиной в несколько диаметров и лишь небольшая часть упругой энергии идет на развитие трещины. Остальная часть упругой энергии расходуется на пластическую деформацию в макрообъеме — в зоне контакта с ударяющим телом и опорами [1]. Кроме того, в результате анализа закономерностей формоизменения и разрушения проката выявлено, что развитие геометрических дефектов при ломке также вызвано пластическим течением в процессе разделения.

Одним из перспективных направлений уменьшения уровня пластической деформации является использование высоких скоростей на-гружения. Большая заслуга в изучении вопросов влияния скорости деформирования на прочностные свойства металлов принадлежит ученым А. Ф. Иоффе, Н. Н. Давиденкову, Е. М. Шевандину, Д. Гопкинсону, Е. Эрдогану,

Т. Екобори, Д. Пирсону, Л. Д. Соколову, П. И. Полухину, Г. Я. Гуну, А. М. Галкину, В. З. Партону и др. [2].

Разработка новых высокоскоростных процессов разделения сортового проката на мерные заготовки должна быть основана на современных методах экспериментального анализа. Знание поведения материала при ударном нагружении — одно из необходимых условий правильного выбора технологических режимов процесса разделения.

Однако определение величины возникающего при ударе усилия представляет известную проблему ввиду весьма малой длительности соударения. Кратковременность действия нагрузки и появление волновых эффектов при увеличении скорости деформирования значительно затрудняют анализ поведения материалов и влияние скорости нагружения на механические свойства этих материалов.

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о чувствительности материалов к скорости нагружения. Последняя способна увеличивать и уменьшать прочностные характеристики в зависимости от структуры, состава и технологии их получения. Однако опубликованные экспериментальные данные сами по себе противоречивы, и их объем недостаточен для анализа процессов разделения сортового проката на мерные заготовки.

Для получения таких сведений проведены экспериментальные исследования трехточечной холодной ломки изгибом образцов из сталей разных марок при статическом и ударном нагружениях. В качестве оборудования использовался пресс-молот, сконструированный в Донбасской государственной машиностроительной академии. Он обеспечивает возможность создания квазистатических, ударных и комбинированных нагрузок в широком диапазоне скоростей, энергий и сил и имеет следующие характеристики:

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

МЕТ^^БРД^К)!

• максимальная энергия удара — 1,3 кДж;

• сила, развиваемая прессовой частью, — 106,0 кН;

• максимальная теоретическая скорость подвижных частей машины — 24,6 м/с;

• соответствующий ход штока — 114,6 мм;

• объем аккумулятора — 12 . 10-3 м ;

• максимальное рабочее давление — 18,0 МПа;

• масса подвижных частей — 6,25 кг.

Для проведения экспериментов спроектирована и изготовлена установка (рис. 1) для разделения образцов способом холодной ломки изгибом, состоящая из станины 8, в направляющих которой размещаются механизмы зажима проката, ломателя и опор, установленных так, что они имеют возможность совершать возвратно-поступательное движение, ограниченное упорами 1 и накладками 14, которые крепятся к станине 8 болтами. Положение механизмов зажима, ломателя и опор фиксируется с помощью болтов 6, вкрученных в упо-

ры 1, гаек 7 и проставок 15. Механизм зажима проката состоит из корпуса 9, в отверстии которого размещается образец 3 между полувтулками 10, которые зажимаются с помощью болта 2, вкрученного в корпус 9. Механизм ломателя состоит из корпуса 4, собственно ломателя 5, совершающего возвратно-поступательное движение в направляющих корпуса. Механизм опоры состоит из корпуса 13 и опорной пластины 12, которая удерживается накладкой 11 с помощью болтов с шайбами. Конструктивная схема экспериментальной оснастки приведена на рис. 1. Фотографии экспериментального оборудования и оснастки показаны на рис. 2.

В качестве тензодатчиков для регистрации усилий на ломателе и опорах оснастки применялись фольговые тензорезисторы ФКТК 10-200 С—1, включенные по полумостовой схеме. Информация с тензодатчиков через регистрирующее универсальное устройство многоканального

1

2

3

4

5

г

гтЬ4 нф -гт+п

\ -£ ! 1

1 1

Рис. 1. Конструктивная схема

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

а) F, кН

432-

1 -

Рис. 2. Экспериментальное оборудование

сбора информации Е-440 подавалась в ПЭВМ, где после обработки с использованием оригинальной программы хранилась в табличном и графическом виде, удобном для последующего анализа.

В эксперименте использовались цилиндрические образцы из проката диаметром 16 мм и длиной 150 мм из разных марок сталей, находящихся в пластическом (Ст3), упругоплас-тическом (20, 45, 40Х) и хрупком состояниях (60С2, ШХ15). Предварительно с помощью токарного резца на образцы наносили концентраторы напряжений в форме кольцевой канавки треугольного профиля с параметрами: глубина Дй = 1 мм, Дй = 3 мм, радиус при вершине — 0,15 мм. Плечи приложения нагрузки — 50 мм.

Измерение геометрических параметров, характеризующих геометрическую точность разделенных образцов, производили методом мак-роструктурного анализа с измерением абсолютных и относительных величин искажений

б)

F, кН

8-

7-

6-

5-

4-

3-

2-

1 I I I г

2 4 6 8 10

Ь, мс

А

/ /К

111\ /

3

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Ь, мс

Рис. 3. Зависимость силы на ломателе F от времени Ь для образцов из разных марок сталей при Дй = 3 мм: а — статическое нагружение; б — ударное нагружение;

1 — сталь 40Х; 2 — сталь 20; 3 — сталь ШХ15; 4 — сталь 45

геометрической формы, для чего использовали универсальный измерительный инструмент. Типовые графики изменения энергосиловых параметров процесса трехточечной холодной ломки изгибом от времени при разделении образцов из разных марок сталей с концентратором напряжений Дй = 3 мм при статическом и ударном нагружениях представлены на рис. 3.

0

2

4

1

0

F, кН 20151050

t, мс

Рис. 4. Зависимость статической силы на ло-мателе F от времени t для разных марок сталей при Ah = 1 мм:

1 — сталь 60С2; 2 — сталь 45; 3 — Ст3

Изменения F (£) при трехточечной холодной ломке изгибом образцов с концентратором напряжений АН = 1 мм при статическом и ударном нагружениях представлены на рис. 4, 5. Анализ

v

/Ч

t, мс

0

б)

^ кН 35 30 25 20 15 10 5

полученных результатов представлен в табл. 1. Фотографии заготовок из разных марок сталей, разделенных по схеме трехточечной холодной ломки изгибом при статическом и ударном нагру-жениях, а также описание показателей их геометрической точности представлены в табл. 2.

Анализ экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы:

1. Сравнение максимальной силы ломки при статическом и ударном нагружениях оценивалось коэффициентом динамичности кд = где ^лу — сила ломки при ударном нагруже-нии; /л.с — сила ломки при статическом на-гружении. Для разных марок сталей он составил соответственно: ШХ15 — 0,7; 60С2 — 1,6; 45 — 2,0...2,2; 40Х — 1,8...2,1; 20 — 1,6...1,8. Полученные результаты не противоречат экспериментальным данным, приведенным в литературе [3], что объясняется начальными

в)

кН

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 09

t, мс

г)

кН

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ^ мс

\

1} мс

Рис. 5. Графики изменения F(t) на ломателе и опорах (показания с трех каналов, снимаемых одновременно) для разных марок сталей при ударном нагружении V = 18 м/с по схеме трехточечной холодной ломки изгибом при АН = 1 мм: а — сталь 60С2; б — сталь 45; в — сталь 40Х; г — сталь 20; 1 — сила на ломателе; 2 — сумма сил на опорах; 3 — сила на опоре 2; 4 — сила на опоре 1

Таблица 1

Результаты экспериментов

1

1

0

Марка стали Максимальная сила ломки Fл, кН Коэффициент динамичности кд

Глубина АН = 3 мм Глубина АН = 1 мм

Статика Динамика Статика Динамика

ШХ15 3,8 2,7 - - 0,7

60С2 - - 22,0 35,0 1,6

45 3,9 8,6 16,0 32,0 2,0-2,2

40Х 3,9 7,0 21,0 45,0 1,8-2,1

20 4,2 7,5 22,0 35,0 1,6-1,8

IЛЕТАШ100 ЬРА0ТКА

Таблица 2

Результаты измерений геометрической точности заготовок

Марка стали Образец Описание заготовки

60С2 Статическое нагружение Участки заготовок, примыкающие к концентратору напряжений, пластически деформированы. Имеется небольшой вырыв в зоне напряжений сжатия (со стороны ломателя). Поверхность матовая, полосчатая, размер фракции — 0,10...0,15 мм. Качество торца удовлетворительное

45 Участки заготовок, примыкающие к концентратору напряжений, пластически деформированы. Поверхность скола вначале матовая (в зоне растяжения в начале движения трещины), на остальном участке — перьевая, полосчатая, шероховатая, размер фракции — 0,3.0,4 мм. Качество заготовок удовлетворительное

40Х Поверхность разрушения сильно шероховатая, имеются вырывы, борозды глубиной 0,4.0,5 мм. Траектория трещины прямолинейная. Качество заготовок удовлетворительное

20 ф Участки заготовок, примыкающие к концентратору напряжений, пластически деформированы. Поверхность скола вначале матовая (в зоне растяжения в начале движения трещины), на остальном участке — перьевая, полосчатая, шероховатая; размер фракции — 0,2.0,3 мм. Качество заготовок удовлетворительное

Ст3 60С2 Дг Образец не разрушился. Участки, примыкающие к концентратору напряжений, сильно пластически деформированы намическое (ударное) нагружение Участки заготовок, примыкающие к концентратору напряжений, практически не деформированы. Разрушение хрупкое, поверхность разрушения матовая, имеется небольшой вырыв со стороны зоны сжимающих напряжений, траектория трещины прямолинейная. Качество заготовок высокое

45 Участки заготовок, примыкающие к концентратору напряжений, практически не изогнуты. Разрушение хрупкое, поверхность разрушения полосчатая, шероховатая; размер фракции — 0,2.0,3 мм, траектория трещины прямолинейная. Качество заготовок удовлетворительное

40Х Участки заготовок, примыкающие к концентратору напряжений, деформированы слабо. Разрушение вязкоупругое, поверхность разрушения полосчатая, крупнозернистая с вырывами; размер фракции — 0,6.0,8 мм. Качество заготовок удовлетворительное

20 Ф Участки заготовок, примыкающие к концентратору напряжений, деформированы слабо. Разрушение вязкоупругое, поверхность разрушения полосчатая, крупнозернистая с вырывами; размер фракции — 0,6.0,8 мм. Качество заготовок удовлетворительное

Ст3 Образец не разрушился. Участки, примыкающие к концентратору напряжений, очень изогнуты

процессами разрушения в металле и позволяет считать структурный фактор определяющим на начальном диапазоне высокоскоростных испытаний материалов.

2. С повышением скорости деформирования геометрическая точность заготовок, получаемых из образцов из разных марок сталей, улучшается, но незначительно.

Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования технологии процесса разделения сортового проката на мерные заготовки способом холодной ломки изгибом.

Литература

1. Финкель В. М., Головин Ю. И., Родюков Г. Б.

Холодная ломка проката. М.: Металлургия, 1982. 192 с.

2. Полухин П. И., Горелик С. С., Воронцов В. К.

Физические основы пластической деформации: Учеб. пос. для вузов. М.: Металлургия, 1982. 584 с.

3. Харченко В. В., Кондряков Е. А., Жмака В. Н. и др. Влияние температуры и скорости нагруже-ния на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей // Проблемы прочности. 2006. № 5. С. 120-127.

УДК 621.785: 621.789.004

Проблемы повышения стойкости чеканочных штемпелей

В. А. Маковей, В. Л. Калюжный, В. М. Горностай, Н. П. Стародуб

Ключевые слова: стойкость, структура, ударная вязкость, штемпель.

Введение

Стойкость чеканочных штемпелей зависит от целого ряда факторов, связанных с характеристиками металла, особенностями конструкции, технологии и эксплуатации изделий [1-7]. В статье, предлагаемой вниманию читателей, рассматривается один из них — возникновение трещин на рабочих поверхностях пуансонов и штемпелей. В большинстве случаев трещины возникают в местах концентрации напряжений. Нередко они образуются на торце штемпеля, на элементах изображения, или в районе галтельных переходов в поперечном направлении. В отдельных местах на штемпеле наблюдается выкрашивание или поперечный излом.

Макроскопический анализ поверхности излома свидетельствует о разрушениях, связанных с усталостью материала [2]. Отличительной особенностью таких разрушений является то, что материал разрушается под действием циклических нагрузок, которые не превышают номинальной границы выносливости материала штемпеля. Данное явление связано с влиянием концентрации напряжений, например в зоне галтельного перехода, на рабочей поверхности штемпеля. Как показали исследования [2, 3], при нагружении в узкой полосе, которая примыкает к концентратору, возникают микротрещины, обусловленные разрушением карбидов. Трещины в поверхностном слое

приводят к разрушению пуансонов и штемпелей. В еще более сложных условиях работает чеканочный инструмент, у которого на рабочей поверхности есть гравировка с острыми переходами [4].

Эффективным способом управления структурой и физико-механическими свойствами инструментальных сталей является термомеханическая обработка, которая предполагает предварительное пластическое деформирование [5, 8] в холодном или полугорячем состоянии. Большие пластические деформации в холодном состоянии проводят до формирования субзеренной структуры в сталях. При этом образовавшиеся субзерна приобретают минимальный размер, характерный для каждого конкретного материала, и в дальнейшем, при увеличении деформации, он практически не уменьшается. Необходимо дальнейшее совершенствование методов термомеханической обработки чеканочных штемпелей для уменьшения влияния усталости и изнашивания на их стойкость.

Проектирование оснастки для холодного выдавливания и чеканки требует применения методов оперативного определения силовых режимов деформирования и распределения удельных усилий на поверхностях штемпелей, которые контактируют с деформируемым металлом. Информация о распределении удельных усилий при чеканке позволяет выполнить моделирование условий нагружения

№ 1 (55)/2010

39