Лабораторные работы: Исследование процессов обработки металлов давлением

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. УСЛОВИЕ ПОСТОЯНСТВА ОБЪЕМА И КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЕФОРМАЦИИ

Цель работы: проверка опытным путем выполнения условия постоянства объема и знакомство с величинами, характеризующими деформацию тела.

Общие сведения

Холодная деформация металла вследствие внутризеренного и межзеренного скольжения, механического дробления кристаллов на части и образование обломков приводят к появлению микропустот в структуре: плотность металла может уменьшиться на 0,1 – 0,2 %. Однако при последующей рекристаллизации холоднодеформированному металлу возвращается прежняя плотность. Подобная общая картина имеет место при горячей обработке, которую можно представить себе как наложение в известной последовательности указанных процессов (упрочнения и рекристаллизации), что обеспечивает сохранение плотности деформированного в горячем состоянии металла.

Если принимать во внимание тот факт, что под действием высоких давлений, возможных в условиях пластической обработки, может иметь место некоторое снижение объема металла благодаря упругому уменьшению межатомных расстояний, а также пренебречь незначительными изменениями плотности при холодной деформации и все относить к уже в достаточной мере продеформированному телу, то допустимо считать объем деформируемого металла сохраняющимся неизменным. Данное положение, которое при обработке металла давлением называют условием постоянства объема, имеет важное значение при расчетах технологических операций и анализе процессов деформации, так как позволяет связать между собой размеры тела до пластической обработки, в момент обработки и после.

Деформация тела при обработке металлов давлением определяется абсолютными и относительными величинами. Введем обозначения для тела прямоугольной формы сечения: H, B, L – высота, ширина, длина тела до деформации; h, b, l – высота, ширина, длина тела после деформации.

Абсолютная деформация

Абсолютная деформация представляет собой разность конечного и исходного размеров и характеризует абсолютное изменение тела.

• Δh = H — h, мм – абсолютное обжатие
• Δb = b — B, мм – абсолютное уширение
• Δl = l — L, мм – абсолютное удлинение

Абсолютные деформации просты и наглядны, но не дают возможности сравнить деформации тел различных исходных размеров.

Относительная деформация

Относительная деформация характеризует относительное изменение размеров тела. В соответствии с этим различают: относительную деформацию первого вида, относительную деформацию второго вида, действительную (логарифмическую) относительную деформацию.

Относительная деформация первого вида: Δh/H (высотная), Δb/B (поперечная), Δl/L (продольная).

Относительная деформация второго вида: Δh/h (высотная), Δb/b (поперечная), Δl/l (продольная).

Действительная деформация: δh = ln(h/H), δb = ln(b/B), δl = ln(l/L).

По условию постоянства объема действительные главные деформации связаны условием: δb + δh + δl = 0. Для установления соотношений между характеристиками деформации используют условие постоянства объема тела: HBL = hbl = const, откуда (hbl)/(HBL) = 1.

Коэффициенты деформации

Коэффициент деформации определяется как отношение конечного размера тела к первоначальному:

• γ = h/H – коэффициент высотной деформации
• β = b/B – коэффициент поперечной деформации
• μ = l/L – коэффициент продольной деформации

По условию постоянства объема коэффициенты деформации связаны между собой формулой: γβμ = 1.

Объемы, смещенные при деформации

Смещенные при деформации объемы определяются как произведение объема на соответствующую действительную деформацию:

• Vh = HBL ln(h/H), мм³ – объем, смещенный по высоте
• Vb = HBL ln(b/B), мм³ – объем, смещенный в поперечном направлении
• Vl = HBL ln(l/L), мм³ – объем, смещенный в продольном направлении

Объем, смещенный по высоте, распределяется на развитие поперечной и продольной деформаций, т.е. -Vδh = Vδb + Vδl.

Порядок выполнения работы

Для проведения работы необходимо иметь один прямоугольный образец и измерительный инструмент. Образец перед прокаткой необходимо разметить для замера его размеров как указано на

. Замер размеров производится штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Высота и ширина образца измеряются посередине в трех местах и берется средний результат.

Длина образца, для исключения влияния неравномерности деформации по концам, измеряется по рискам, нанесенным на боковой грани образца на расстоянии 10-15 мм от его концов. Данные размеров занести в таблицу. Работа проводится на лабораторном стане. Перед началом работы необходимо протереть валки бензином и дать им высохнуть. Затем установить валки в рабочее положение и прокатать образец в четыре пропуска с обжатием за каждый пропуск Δh=1,5-2,5 мм. После каждого пропуска измерить все основные размеры образца и данные занести в таблицу.

Содержание отчета

1. Написать название и цель работы.
2. Для характеристики деформации прямоугольного свинцового образца определить все величины, указанные в табл. Привести соответствующие расчеты, а результаты расчетов занести в таблицу.
3. По данным расчетов построить графики зависимостей различных видов деформации от относительной высотной деформации первого рода (см.
   

   

   ).

4. Сделать выводы по проделанной работе.

Таблица для заполнения

№ п/п	Исходные размеры, мм	Конечные размеры, мм	Абсолютная деформация, мм	Относительная деформация первого вида	Относительная деформация второго вида	Действительная относительная деформация	Коэффициент деформации	Смещенный объем, мм³
1-4	H, B, L	h, b, l	Δh, Δb, Δl	Δh/H, Δb/B, Δl/L	Δh/h, Δb/b, Δl/l	δh, δb, δl	γ, β, μ	Vδh, Vδb, Vδl

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. ТРЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Цель работы: проверка опытным путем влияния условий контактного трения на потребное усилие деформирования.

Общие сведения

Процесс возникновения и преодоления сопротивления при сдвиге одного тела по поверхности другого называют контактным или внешним трением. Для обработки металлов давлением (ОМД) в целом характерно трение скольжения. За исключением отдельных операций, трение при ОМД является вредным фактором, и предпринимаются все возможные меры для его снижения. От условий трения на контакте зависят: напряженное состояние деформируемого тела, сопротивление металла деформации, расход энергии, износ инструмента, качество поверхности изделия.

В отдельных случаях развитые силы трения являются необходимым условием осуществления процесса (например, захват металла валками при прокатке). Различают три вида трения: сухое, граничное и жидкостное. На практике наблюдается преимущественно граничное трение.

Законы трения

В 1699 г. Амонтон предложил для определения силы сухого трения выражение: Pт = f · N (закон Амонтона–Кулона). Однако в условиях ОМД это соотношение не выполняется. В 1781 г. Кулон предложил: Pт = f N + Q. В 1934 г. Б.В. Дерягин предложил: Pт = f (N + qFq).

Согласно закону трения Амонтона-Кулона, напряжение трения τ пропорционально нормальному напряжению σn: τ = f · σn. Ряд ученых считают более целесообразным использовать закон трения по Зибелю: τ = m · σn, где m — показатель трения, изменяющийся в пределах от 0,2 до 1.

На величину показателя трения оказывают влияние: состояние поверхности инструмента, состояние поверхности и химический состав металла, температура деформации, скорость скольжения, наличие смазки. При повышении температуры коэффициент трения сначала растет, достигает максимума, а затем уменьшается из-за размягчения окалины.

Порядок выполнения работы

Три одинаковых цилиндрических образца последовательно обжимают под прессом с деформацией 10…80 % при различных условиях трения (сухие плиты; плиты, смазанные маслом; плиты, натертые мелом). Перед началом опыта рассчитывают величину абсолютного обжатия. Одновременно с достижением каждого обжатия фиксируют показания манометра пресса, по которым рассчитывают удельные давления. Данные замеров заносят в таблицу.

Содержание отчета

1. Написать название и цель работы.
2. Определить все величины, указанные в табл. Привести соответствующие расчеты.
3. По данным расчетов построить графики зависимости среднего удельного давления от соотношения d/h для трех условий.
4. Сделать выводы по проделанной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Цель работы: ознакомление с основными видами неравномерной деформации при прокатке.

Общие сведения

При неравномерной (неоднородной) деформации напряженное состояние и деформации различны в разных частях тела. Основные причины неравномерности: несоответствие формы инструмента форме тела, наличие контактного трения, несимметричность нагрузки, неоднородность свойств тела. Неравномерность деформации приводит к появлению дополнительных напряжений, которые могут вызывать остаточные напряжения, снижение пластичности, повышение усилия деформирования и искажение формы.

С.И. Губкин сформулировал закон дополнительных напряжений: «В слоях и элементах деформируемого тела, стремящихся в данном направлении к большему изменению размеров, возникают дополнительные напряжения, знак которых отвечает уменьшению размеров в рассматриваемом направлении. В слоях и элементах, стремящихся к меньшему изменению размеров, возникают дополнительные напряжения, знак которых отвечает увеличению размера».

Виды неравномерности

Неравномерность по ширине: проявляется в неравномерном распределении обжатия. Выравнивание вытяжек приводит к появлению дополнительных напряжений растяжения в слабо обжатых участках (возможны трещины) и сжатия в сильно обжатых (возможна волнистость).

Неравномерность по толщине: проявляется как неодинаковое обжатие горизонтальных слоев. Часто приводит к разрывам внутренних слоев (например, при прокатке биметаллов).

Неравномерность по длине: в процессе прокатки каждый участок проходит через очаг деформации, поэтому в установившемся процессе деформация по длине считается равномерной. Неравномерность возникает при колебаниях упругих деформаций валков.

Остаточные напряжения: возникают в результате неравномерной деформации и могут достигать значений, близких к пределу текучести, что опасно при эксплуатации изделий.