СПОСОБ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗАГОТОВОК Российский патент 1998 года по МПК B21C23/08 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в прутках и трубах из труднодеформируемых материалов.

Известен способ горячей экструзии (наиболее благоприятный метод деформирования дисперсно-упрочненных композиционных материалов (ДУКМ), обеспечивающий большие степени обжатия [1]. После горячей экструзии холодную или теплую деформацию (волочение, прокатка) проводят в несколько переходов с целью создания оптимальной дислокационной структуры, чем обеспечивают существенное повышение длительной прочности и высокотемпературной стабильности ДУКМ. Обжатие за переход составляет 5-25%, суммарное обжатие может превышать 95%. С целью повышения жаропрочности и пластичности проводят термообработку изделий. Однако, как показала практика, разрушение металлоизделий из ДУКМ происходит и после обработки за счет остаточных напряжений, формирующихся в процессе пластического деформирования.

Указанный недостаток частично устраняется в известном технологическом процессе получения изделий из ДУКМ методом гидроэкструзии [1]. Осесимметричную заготовку, полученную горячим прессованием из ДУКМ, нагревают в индукционной печи до заданной температуры и загружают в контейнер пресса, где осуществляют гидроэкструзию изделия (прутка или трубы), деформируют заготовку из ДУКМ в матрицах с коническим рабочим каналом. Однако при этом вытяжку заготовки осуществляют без учета механизма формирования остаточных напряжений, без оценки влияния уровня остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость изделий.

Предлагаемый способ деформирования осесимметричных заготовок позволяет получать сплошные качественные заготовки из ДУКМ за счет предотвращения последеформационного разрушения изделий от остаточных напряжений.

Это достигается тем, что в известном способе деформирования осесимметричных заготовок из дисперсрно-упрочненных композиционных материалов, включающем деформирование в матрицах с коническим рабочим каналом, суммарную допустимую вытяжку определяют из условий предотвращения последеформационного разрушения от остаточных напряжений по формуле
,
где
- суммарная вытяжка;
d₀, d_k - начальный и конечный диаметры заготовки;
μ - коэффициент Пуассона материала заготовки;
ψ^* - параметр, характеризующий долю энергии пластического деформирования, пошедшую на формирование остаточных напряжений;
α_b - угол наклона образующей рабочего конуса матрицы к оси деформирования;
n - количество переходов при многопереходном деформировании.

Как известно, в процессах пластического деформирования часть затрачиваемой на деформацию энергии выделяется в виде тепла пластического деформирования, а часть энергии сохраняется в деформируемом теле в виде потенциальной энергии остаточных напряжений U_o [2].

При этом U₀ = ψ•U_деф, (1)
где
U_деф - энергия пластического деформирования;
ψ - коэффициент, определяющий долю энергии остаточных напряжений.

Потенциальную энергию напряжений находят при известных компонентах тензора напряжений σ_ij и тензора деформации ε_ij , связанных между собой с помощью обобщенного закона Гука
, (2)
где
V - объем изделия.

Величину энергии пластического деформирования определяют по технологическим параметрам волочения
, (3)
где
σ_S - - сопротивление деформации обрабатываемого материала;
ε - степень деформации.

Усредненную по сечению прутка степень деформации рассчитывают по формуле [3]
, (4)
где
d₀, d₁ - диаметр заготовки до и после перехода соответственно.

При производстве осесимметричных изделий после пластического деформирования под действием остаточных напряжений реализуется схема плоского упругого деформированного состояния. Характерным для этой схемы является отсутствие осевых деформаций ε_z = 0 , а также условия осевой симметрии
Систему дифференциальных уравнений для упругого состояния, соответствующего действию остаточных напряжений в цилиндрической системе координат r, z, θ , записывают в упрощенном виде

где
σ_r,σ_θ,σ_z,σ_rz - радиальные, окружные, осевые и сдвиговые напряжения соответственно.

Из условия
,
получили σ_z = μ(σ_r+ σ_θ), (7)
где
E - модуль упругости обрабатываемого материала.

Из (5) следует, что τ_rz = 0 . Продифференцировав (6) по r, определяют

и получают дополнительное уравнение связи напряжений и

Из решения дифференциальных уравнений (8) и (9) определяют σ_r и σ_θ при заданном распределении напряжений σ_z .

Задают σ_z в виде ряда

содержащего неизвестные параметры a₀ и a₁. Исключив a₀ из условия самоуравновешенности остаточных напряжений
,
где
2R - диаметр изделия, из уравнений (8) и (9) получают

где

Из решения (1) с учетом (2), (3), (4) и (10) определяют

здесь λ - вытяжка за переход.

Как показала оценка напряженного состояния осесимметричной заготовки с точки зрения прочности, наибольшую опасность представляют растягивающие окружные остаточные напряжения σ_θ в поверхностных слоях проволоки, где они достигают наибольшей величины. Допустимую вытяжку при деформировании заготовок из ДУКМ определяют с учетом условия прочности σ_θ ≤ σ_S .

При многопереходном волочении, прессовании суммируют степень деформации по переходам и получают формулу для определения суммарно допустимой вытяжки при деформировании осесимметричных заготовок из ДУКМ в матрицах с коническим рабочим каналом

На чертеже приведены значения величины суммарной вытяжки осесимметричной заготовки из ДУКМ с ψ^* = 0,3389 в зависимости от технологических параметров обработки (количества переходов, угла наклона образующей рабочего конуса матрицы к оси деформирования).

Пример конкретного выполнения.

Из прутка диаметром 12 мм необходимо получить пруток диаметром 6 мм. Материал прутка - дисперсно-упрочненный композиционный материал с ψ^* = 0,3389 , μ = 0,31 . Угол наклона образующей рабочего конуса матрицы - 10^o.

Обычно вытяжку определяют . После деформирования осесимметричной заготовки за один проход обнаружили, что на поверхности заготовки появились продольные трещины.

Определили допустимую вытяжку по предложенной формуле (12) или по чертежу. При n = 1 она составила 3,56, следовательно, за один переход можно получить пруток диаметром 6,36 мм, а необходимый размер изделия - за 2 перехода. При этом получен пруток с гладкой сплошной качественной поверхностью.

При использовании предлагаемого способа деформирования осесимметричных заготовок из ДВУКМ повышаются надежность, прочность, долговечность и эксплуатационная стойкость готовых изделий вследствие благоприятного распределения остаточных напряжений, уменьшаются отходы металла в брак.

Изобретение может быть использовано для производства прутков и труб из труднодеформируемых материалов. Способ деформирования осесимметричных заготовок из дисперсно-упрочненных композиционных материалов включает деформирвание в матрицах с коническим рабочим каналом. При этом суммарную допустимую вытяжку определяют из условий предотвращения последеформационного разрушения от остаточного напряжения по формуле

где - суммарная вытяжка; d_o, d_k - начальный и конечный диаметр заготовки; μ - коэффициент Пуассона материала заготовки; ψ^* - параметр, характеризующий долю энергии пластического деформирования, пошедшую на формирование остаточных напряжений; α_в - угол наклона образующей рабочего конуса матрицы к оси деформирования; n - количество переходов при многопереходном деформировании. Данный способ позволяет повысить прочность, долговечность и эксплуатационную стойкость готовых изделий. 1 ил.

Способ деформирования осесимметричных заготовок из дисперсно-упрочненных композиционных материалов, включающий деформирование в матрицах с коническим рабочим каналом, отличающийся тем, что суммарную допустимую вытяжку определяют из условий предотвращения последеформационного разрушения от остаточных напряжений по формуле

где суммарная вытяжка; d_o, d_k - начальный и конечный диаметр заготовки; μ - коэффициент Пуассона материала заготовки; ψ^* - параметр, характеризующий долю энергии пластического деформирования, пошедшую на формирование остаточных напряжений; α_b - угол наклона образующей рабочего конуса матрицы к оси деформирования; n - количество переходов при многопереходном деформировании.