Развитие новых процессов ОМД и применение новых материалов в машиностроении обусловливают актуальность проблемы анализа локальных явлений при пластической деформации.
Сущность пластического потокообразования. Потоком пластического течения называют однонаправленное макро движение металла, происходящее в результате деформационных (и жестких по контактной поверхности) перемещений. Предписанные потоки пластического течения V обусловлены деформационным воздействием инструмента на заготовку, пластические потоки вытеснения Q развиваются вследствие не сжимаемости материала заготовки. В частном случае может быть предписано запрещение потока (потоков) вытеснения по какой-либо оси или по какому-либо направлению (так называемое отсутствие свободы для потоков вытеснения посредством преград пластическому течению) — рис. 1.1. Совокупность предписанных потоков V и потоков вытеснения Q образует схему пластического течения металла. Схема пластического течения является макро характеристикой очага деформации в отличие от схем напряженного и деформированного состояния, относящихся к элементарным объемам. Схемы пластического течения металла для отдельной кузнечной операции называют простой схемой течения, а для нескольких последовательно выполненных операций ОМД — комбинированной схемой течения. В схеме пластического течения направление потоков V и Q устанавливают по отношению ко всему объему очага деформации. Эти потоки могут быть однонаправленными. При взаимно сбалансированных потоках пластического течения соблюдаются равенства \VX\ = | —Vx\ и | Qx | = у—Qx\, кроме того, между потоками обязательно существуют поверхности раздела или стыка течения (нейтральные поверхности), которые могут вырождаться в плоскости, линии, точки. Методика фиксирования и анализа потоков пластического течения Q включает следующие этапы: выявление на контактных поверхностях линий раздела течения (по оптической анизотропии или методами аналогии с песчаной насыпью), исследование полей траекторий z = z (х, у) в деформируемом объеме, отделение жестких С и деформационных Vt (х, у, z) перемещений, установление зон нулевых и неопределенных значений смешанных компонент скоростей (одна из компонент «dvjdy» или «dvjdx» равна либо О, либо со). Характеристики пластических потоков, предписанных движением инструмента, преград — элементов формы инструмента и внешних (не обжимаемых) зон заготовки, а также потоков вытеснения металла, составляют существо описания операций ОМД. Перечисленные сочетания, дополненные характеристикой нормального и сдвигового внешнего силового воздействия на заготовку, позволяют не только описать существующие операции, но сконструировать новые процессы ОМД. Например, схема течения металла с организацией потоков вытеснения, направленных под углом к главной оси заготовки, позволяет получать «закручивание » макроструктуры и заданную анизотропию металла, не свойственную обычным деформированным заготовкам. Структура очагов деформации. Трудности, возникающие при строгой постановке задач, преодолевают применительно к технологическому исследованию по следующей схеме: выделить основные деформационные стадии конкретного процесса, проанализировать конфигурацию и структуру очага деформации для каждой стадии в условиях плоской деформации, детализировать граничные условия в соответствии с изучаемым технологическим процессом, учесть деформации по третьей оси, оценить деформационную эффективность инструмента в организации потоков пластического течения металла, исследовать поведение элементов макро строения объекта деформирования, оценить механические свойства и другие параметры качества металла. Разнообразие схем течения металла при обработке давлением сочетается с различным характером полей сил трения на контактных поверхностях. В свою очередь, регулирование полей сил контактного трения представляет собой источник влияния на распределение потоков пластического течения металла. Для основных типов эпюр контактного трения установлена связь их с распределением нормальных напряжений и кинематическими зонами на контактных поверхностях обжимаемой заготовки. В последнее время получают распространение процессы обработки металлов давлением, в которых на обычное поле контактных сил трения наложены дополнительные однопоточные сдвиги. Следствием наложения дополнительного однопоточного сдвига является смещение границы раздела пластических потоков в направлении, противоположном сдвигающему усилию. Вызванные таким образом значительные дополнительные деформации сдвига могут видоизменить характер граничных условий вплоть до однопоточной схемы сил активного трения. Это зависит от причины дополнительных деформаций сдвига: при потоках вытеснения металла, обусловленных постоянством объема деформируемой заготовки, действуют сопротивляющиеся силы трения; предписанные касательные потоки металла с дополнительными однопоточными деформациями сдвига происходят в граничных условиях активного трения. Установление характерных стадий процесса деформирования позволяет решить вопрос о сохранении и длительности применения принятых граничных условий и кинематической схемы течения металла. При построении очага деформации необходимо учесть форму заготовки. В частности, следует определить относительные размеры контактных поверхностей.
Для нахождения поверхностей контакта заготовки с рабочими поверхностями инструмента пользуются вариационным принципом Лагранжа в форме H = 0 и методом решения Ритца применительно к не упрочняющейся жесткопластической среде. Определение этих величин с помощью вариационных уравнений дает возможность анализировать очаг деформации методом линий скольжения, построенных для геометрических элементов поперечного сечения заготовки, полученного при трехмерной деформации. Существенным моментом, выявленным при анализе полей линий скольжения, построенных по предложенной методике, является взаимосвязь контактных условий трения и соотношения размеров заготовки. Разрывная эпюра с наибольшими контактными касательными напряжениями может существовать и искусственно поддерживаться лишь у заготовок с отношением размеров 6,05 эпюра касательных напряжений разрывная, но уменьшается в направлении середины контактной поверхности; при 6,05 имеет место, непрерывная эпюра касательных напряжений с переходом через нуль (здесь «В» и «И»-соответственно ширина и высота заготовки). Анализ эпюр касательных напряжений и полей линий скольжения показывает, в свою очередь, их согласование с естественным изменением кинематических условий на контактной поверхности: при осадке высоких заготовок — прилипание металла к бойкам; при осадке средних заготовок — контактное скольжение; при осадке низких заготовок в середине контактных поверхностей вновь появляется зона прилипания (в связи с возрастанием пути трения). Модель жесткопластического тела без упрочнения, использованная при анализе ковки круглых заготовок, даже при отсутствии сил контактного трения не показывает проработки осевой зоны заготовки при обжатии бойками с углом выреза 90 до тех степеней деформации, пока имеет место соизмеримое течение металла как в вырез бойков, так и в пространство между ними.
При обжатии круглой заготовки комбинированными (верхний — плоский, нижний — вырезной) бойками стыковка участков полей линий скольжения (по условию одинакового гидростатического давления в стыкуемых узлах двух полей) выполнена прямыми линиями. Развитие поля линий скольжения по прямым линиям определяет однородность напряженного состояния без растягивающих напряжений. В этом состоит отличие построенной сетки линий скольжения от полей, приведенных для радиального нагружения круглой заготовки тремя независимыми силами. Реализуемость предложенных полей была подтверждена специальной методикой выявления физических линий скольжения, основанной на исследовании оптической анизотропии поверхности деформируемых заготовок. Аналогичная структура очага деформации в других процессах ОМД гарантирует возможность уменьшения растягивающих напряжений, в частности при раскатке. Построение полей линий скольжения сделано для двух конфигураций инструмента — плоского и ромбического вырезного бойков. Раскатка плоским бойком протекает в условиях действия растягивающих напряжений от начального момента обжатия до некоторой степени деформации, меньшей 5% . Принципиальное отличие характера поля линий скольжения при обжатии ромбическим вырезным бойком заключается в двух очаговой структуре его под верхним бойком и стыковке верхних и нижнего элементов поля по прямым линиям. Последнее является следствием формы инструмента (ромбического бойка) и невозможно при ковке вырезным радиусным бойком. Выгодное отличие ромбического бойка заключается в его универсальности для любых типоразмеров заготовки и для стадий процесса раскатки. Причем вдоль прямых линий стыковки элементов поля напряженное состояние неизменно и соответствует действию только сжимающих напряжений (от начала обжатия до любой стадии раскатки). Очаг деформации для четырехстороннего симметричного нагружения заготовки при радиальной ковке отличается от очага для высотно-поперечной прокатки и обычной ковки вырезными бойками наличием симметричных двух поточных полей сопротивляющегося трения, которое в поперечном сечении заготовки не становится активным ни при каких соотношениях размеров инструмента и ни на каких стадиях процесса деформирования. Таким образом, кинематически независимое нагружение по четырем площадкам при ограниченной возможности Штоков вытеснения металла обеспечивает лишь схему напряженного состояния сжатия, пластические деформации в осевую зону по поперечному сечению не проникают. Для прогнозирования возможных эксплуатационных характеристик металла изделий и построения заданного очага деформации заранее оценивают механические свойства металла в различных зонах деформации. Результаты испытаний на растяжение образцов, вырезанных из поковки диска, полученного осадкой, позволили сделать заключение, что в зонах локализации сдвиговых деформаций предел текучести наиболее высок (в 1,5 раза выше, чем в зонах затрудненной деформации); наибольшее повышение получено на образцах, ориентированных в радиальном, а меньшее — в продольном направлениях. Сравнение показателей относительного поперечного сужения образцов позволило установить, кроме обычного повышения их вдоль направления течения металла, увеличение в зонах локализованных сдвиговых деформаций в 2—2,5 раза по сравнению с зарегистрированными значениями в зонах затрудненной деформации. Влияние локализации сдвиговых деформаций, таким образом, может быть полезным.
