Задачей дисциплины «Теория обработки металлов давлением» является анализ и разработка общих принципиальных основ рационального построения процессов обработки металлов давлением, которая не только обеспечивает получение заготовок, а часто и готовых деталей требуемой формы, но и вызывает в металле качественные изменения. Теория обработки металлов давлением является научной базой технологии этой обработки.
Теория обработки металлов давлением рассматривает и изучает:
1) термические и механические условия, при которых обеспечивается возможность наибольшего формоизменения металла, что необходимо для установления оптимальных режимов технологических процессов;
2) влияние обработки давлением на механические и физические свойства металлов в целях получения наилучших эксплуатационных характеристик заготовок и деталей;
3) характер формоизменения заготовок при различных операциях в целях отыскания наиболее благоприятных соотношений между размерами и формой исходных заготовок и заготовок или деталей, получаемых после обработки давлением;
4) сопротивление металла пластическим; деформациям при операциях обработки давлением, т. е. распределение напряжений, необходимые усилия и работы для осуществления этих операций, в целях правильного выбора оборудования и прочностного расчета рабочего инструмента.
Основной базой для теории обработки металлов давлением является наука о пластической деформации металлов. Эта наука развивается совокупно в трех взаимно связанных основных направлениях, имеющих одинаково важное значение для теории обработки металлов давлением.
1. Физика процесса пластической деформации металла. Это направление изучает экспериментально и теоретически механизм пластического формоизменения металла, устанавливает влияние различных факторов на этот процесс, в основном температуры, степени и скорости деформации и вида напряженного состояния, а равно устанавливает условия, при которых металл переходит из состояния упругого в состояние пластическое.
2. Физикохимия процесса деформации, рассматривающая связь пластической деформации с химическим составом и фазовым состоянием металла.
3. Механика пластической деформации, математически разрабатывающая вопросы напряженного и деформированного состояния, величины и распределения напряжений и деформаций в пластически деформируемом теле, анализирующая условия перехода тела в пластическое состояние. Первыми работами, положившими начало научной теории пластичности, можно считать работы французского ученого Г. Треска, который в конце 60-х годов прошлого века начал экспериментально изучать поведение металла при пластическом течении и высказал утверждение, что пластическая деформация начинается при возникновении в металле максимального касательного напряжения определенной величины, постоянной для данных условий. Учитывая это положение, Б. Сен-Венан и М. Леви разработали системы уравнений, относящихся к «внутренним движениям, возникающим в пластических телах».
Дальнейшее развитие теория пластичности получила лишь в начале текущего столетия благодаря работам М. Губера, Р. Мизеса, Г. Генки, Л. Прандтля, Т. Кармана, А., Надаи, Г. Гейрингер и др., и с тех пор теория пластичности непрерывно развивается (Р. Хилл, В. Прагер и др.). Отечественные ученые внесли огромный вклад в науку о пластических деформациях.
В области физики и физикохимии пластической деформации капитальные труды создали В. Д. Кузнецов, Н. С. Курнаков, который является зачинателем физико-химической теории пластичности («Давление течения и твердость пластических тел», 1913 г.); Н. Н. Давиденков, исследовавший, в частности, вопросы, относящиеся к скорости деформации; А. А.. Бочвар, открывший рекристаллизационный и растворноосадительный механизмы пластической деформации; С. И. Губкин, обобщивший основные положения физико-химической теории пластичности, и ряд других ученых.
В области механики пластической деформации советским ученым также принадлежит ведущая роль. Здесь надо указать, для примера, такие имена, как С. А. Христианович, развивший применение метода характеристик к плоской задаче теории пластичности, А. Ю. Ишлинский, решивший осесимметричную задачу, А. А. Ильюшин, придавший законченную форму теории малых упругопластических деформаций, В; В. Соколовский, Л. М. Качанов и др.
Основоположником теории обработки металлов давлением по справедливости следует считать Д. К. Чернова, который не только поставил, но и научно решил ряд вопросов, касающихся существа обработки металлов давлением, и предугадал направление их разрешения в будущем. После годичной работы в молотовом цехе Обуховского завода Д. К. Чернов опубликовал статью «G выделке стальных осей для подвижного состава железных дорог» (1867 г.), высказав в ней мысли, которые и ныне лежат в основе правильного подхода к рациональному выполнению ряда процессов обработки металлов давлением. «Постепенность нагревания, — пишет Д. К. Чернов,—необходима для того, чтобы не было большой разницы в деформации внешних и внутренних слоев», — принцип, на котором строятся режимы нагрева. «Круг ленре на вырезной наковальне имеет большие преимущества перед подобною работой на плоской наковальне, в последнем случае, как доказано опытом, центральные части металла разрыхляются, образуя столб рыхлости» — теперь мы говорим о схеме всестороннего сжатия как условии максимальной пластичности материала.
Теория обработки металлов давлением создана трудами многих ученых. Среди зарубежных ученых можно в первую очередь указать Э. Зибеля, Г. Закса, Т. Кармана, В; Джонсона, Э. Томсена и др. К плеяде советских ученых относятся С. И. Губкин» Е. П. Унксов, И, М. Павлов, А. И. Целиков, Н. И. Корнеев, В. П. Северденко, Г. А. Смирнов-Аляев, В. С. Смирнов, И. Л; Перлин, А. Д. Томленое, Л. А. Шофман, В. Т. Мещерин, И. А. Норицын, И. Я. Тарновский, И. П. Ренне, О. А. Ганаго и др. Значение этих трудов нельзя переоценить. Они обеспечили создание научной базы технологии обработки металлов давлением как инженерной дисциплины, позволяющей творчески и осмысленно совершенствовать технологические процессы, поднимать на более высокую ступень технику нашей социалистической промышленности.
Роль теории обработки металлов давлением в отечественной промышленности будет неуклонно возрастать в связи с непрерывно растущим значением кузнечнопрессового производства. Эта теория располагает современными методами исследования механики процессов ковки и штамповки. В каждом отдельном случае следует применять тот метод (или ту комбинацию методов), который обеспечивает наиболее простые, удобные и достоверные решения, что и будет показано далее. В настоящее время считается бесспорным, что пластичность является состоянием вещества, зависящим от условий деформирования: механической схемы деформации, температуры, скорости и степени деформации и внешних условий (трения, среды). Согласно учению о механической схеме деформации пластичность металла возрастает с увеличением гидростатического давления, наложенного на основную схему напряжений. Путем создания схем напряженного состояния с большим гидростатическим давлением удалось деформировать мало-пластичные в обычных условиях сплавы и вещества. Изучение совместного влияния температуры и скорости деформации на вид процесса деформации показало, что даже при весьма низкой соответственной (гомологической) температуре (меньше 0,3) может происходить разупрочнение и, наоборот, при большой скорости деформации упрочнение наблюдается при высоких температурах. Вместе с тем при значительных скоростях деформации большее значение приобретает температурный эффект, что необходимо учитывать при деформировании на машинах с высокими скоростями рабочего органа. Таким образом,- можно говорить о термомеханическом факторе (температуре, скорости и степени деформации).
Для установления термомеханического режима обработки металлов давлением необходимо знать изменение механических свойств металла с температурой при разных скоростях деформирования. Истинное напряжение при деформировании растяжением или сжатием (с приведением к линейной схеме) представляет собой напряжение текучести и определяет сопротивление металла деформированию. Эта величина входит во все формулы для определения усилий, необходимых для осуществления ковочно-штамповочных операций. Наиболее сложным оказывается учет влияния скорости деформации на напряжение текучести при различных температурах. Не меньшее значение имеют показатели пластичности (относительное сужение поперечного сечения при растяжении, относительное обжатие при осадке статической и динамической до появления первой трещины и относительная деформация при кручении, получаемая при разрушении образца, относительное удлинение и ударная вязкость), определение которых для разных сплавов при различных температурах с нанесением результатов на графики имеет исключительно важное значение для установления термомеханического режима обработки. Большое число таких диаграмм уже получено советскими исследователями.
