Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании
Методом жестких блоков исследовано влияние конструкции штампа для равноканального углового прессования (РКУП) на напряжение, необходимое для реализации процесса. Среди рассмотренного класса конфигураций найдена такая, которая обеспечивает наименьшее давление прессования. Для этой конфигурации опреде...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70371 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании / А.М. Лаптев, Е.Ю. Вяль // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 3. — С. 97-102. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-70371 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-703712014-11-04T03:01:52Z Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании Лаптев, А.М. Вяль, Е.Ю. Методом жестких блоков исследовано влияние конструкции штампа для равноканального углового прессования (РКУП) на напряжение, необходимое для реализации процесса. Среди рассмотренного класса конфигураций найдена такая, которая обеспечивает наименьшее давление прессования. Для этой конфигурации определена деформация, получаемая за один проход прессования. The influence of equal-channel die configuration on stress necessary for process realization was investigated by rigid blocks method. Within the examined class of configurations the one providing the lowest process pressure was found. For this configuration the deformation obtained in one pressing pass was determined. 2007 Article Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании / А.М. Лаптев, Е.Ю. Вяль // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 3. — С. 97-102. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.Jj http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70371 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Методом жестких блоков исследовано влияние конструкции штампа для равноканального углового прессования (РКУП) на напряжение, необходимое для реализации процесса. Среди рассмотренного класса конфигураций найдена такая, которая обеспечивает наименьшее давление прессования. Для этой конфигурации определена деформация, получаемая за один проход прессования. |
| format |
Article |
| author |
Лаптев, А.М. Вяль, Е.Ю. |
| spellingShingle |
Лаптев, А.М. Вяль, Е.Ю. Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Лаптев, А.М. Вяль, Е.Ю. |
| author_sort |
Лаптев, А.М. |
| title |
Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании |
| title_short |
Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании |
| title_full |
Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании |
| title_fullStr |
Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании |
| title_full_unstemmed |
Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании |
| title_sort |
влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2007 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70371 |
| citation_txt |
Влияние конфигурации штампа на напряжения и деформации при равноканальном угловом прессовании / А.М. Лаптев, Е.Ю. Вяль // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 3. — С. 97-102. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT laptevam vliâniekonfiguraciištampananaprâženiâideformaciipriravnokanalʹnomuglovompressovanii AT vâlʹeû vliâniekonfiguraciištampananaprâženiâideformaciipriravnokanalʹnomuglovompressovanii |
| first_indexed |
2025-07-05T19:38:10Z |
| last_indexed |
2025-07-05T19:38:10Z |
| _version_ |
1836837021756162048 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3
97
PACS: 81.40.Jj
А.М. Лаптев, Е.Ю. Вяль
ВЛИЯНИЕ КОНФИГУРАЦИИ ШТАМПА НА НАПРЯЖЕНИЯ И
ДЕФОРМАЦИИ ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ
Донбасская государственная машиностроительная академия
ул. Шкадинова, 76, г. Краматорск, 84313,Украина
E-mail: laptev@gmx.net
Статья поступила в редакцию 15 августа 2006 года
Методом жестких блоков исследовано влияние конструкции штампа для равнока-
нального углового прессования (РКУП) на напряжение, необходимое для реализа-
ции процесса. Среди рассмотренного класса конфигураций найдена такая, которая
обеспечивает наименьшее давление прессования. Для этой конфигурации определе-
на деформация, получаемая за один проход прессования.
Введение
Способ РКУП был предложен В.М. Сегалом как метод достижения
больших деформаций и изменения микроструктуры массивных металличе-
ских заготовок [1]. Принципиальная схема РКУП показана на рис. 1.
Заготовка, как правило, прямо-
угольного сечения, помещается в
штамп с каналом, изогнутым под
прямым или другим углом. Попе-
речное сечение канала остается не-
изменным вдоль его длины. Под
действием давления р1, прилагае-
мого со стороны пуансона, заго-
товка перемещается и пластически
деформируется в канале в услови-
ях, близких к простому сдвигу. При
выходе из штампа заготовка при-
обретает форму и размеры, близкие
к исходным, но ее микроструктура
и свойства существенно изменяют-
ся в результате пластической де-
формации. Еще большего измене-Рис. 1. Принципиальная схема РКУП
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3
98
ния микроструктуры и свойств можно добиться, если данную заготовку по-
следовательно деформировать в штампе РКУП несколько раз, накапливая
пластическую деформацию материала. Для предотвращения разрушения за-
готовки процесс рекомендуется вести с наложением противодавления р2 на
выходе из канала.
Уже на ранних стадиях исследования РКУП было установлено, что ин-
тенсивная пластическая деформация заготовок из армко-железа и меди при-
водит к неожиданно небольшому снижению пластичности при очень суще-
ственном увеличении прочности [1]. В качестве вероятной причины такого
аномального поведения материалов предполагалось изменение механизма
пластической деформации в результате интенсивного дробления зерен при
РКУП. В последнее время в связи с возросшим интересом к материалам с
нанокристаллической структурой исследование технологии РКУП получило
новый импульс к развитию. Предполагается с помощью такого прессования
получать заготовки больших размеров с величиной зерна менее 1 μm [2].
Значимость РКУП для производства материалов с уникальным сочетани-
ем свойств стимулировала исследования в области механики пластической
деформации при реализации данного процесса. Так, для варианта РКУП,
представленного на рис. 1, методом линий скольжения были получены фор-
мулы, устанавливающие зависимость между давлением прессования на ли-
нии CG−p и фактором трения m в законе трения Зибеля [3,4]. При отсутст-
вии противодавления р2 эти формулы имеют вид
2 (1 2 )ctg
2 2
p m
k
π
= α − + + α , (1)
где k – постоянная пластичности для деформируемого материала,
1 arccos (2 )
2 2
mπ
α = − . (2)
Также была определена угловая деформация за один проход РКУП, которая
рассчитывается из зависимости
2ctg arccos (2 )
2
mπ
γ = + α − . (3)
Теоретический анализ РКУП методом линий скольжения является абсолют-
но точным в рамках принятых допущений о схеме плоской деформации и об
идеальной пластичности материала [5].
Нами было показано [4], что применение метода жестких блоков теории
пластичности [5] к анализу процесса РКУП позволяет находить хотя и при-
ближенные решения, но очень близкие к решениям, полученным по методу
линий скольжения. Этот результат является основанием для применения ме-
тода жестких блоков при определении параметров РКУП в штампах с более
сложной конфигурацией, например имеющих скругленные или скошенные
углы. В подобных случаях использование метода линий скольжения затруд-
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3
99
нено и для теоретического анализа обычно применяется метод конечных
элементов (МКЭ) [6]. Используя МКЭ, можно учесть упрочнение и опреде-
лить локальные характеристики напряженно-деформированного состояния.
Однако, как известно, ход решения задач по МКЭ не является наглядным, и
получаемые числовые результаты не всегда легко проанализировать. Поэто-
му наряду с МКЭ для изучения механики процессов обработки металлов
давлением, к которым относится РКУП, целесообразно применять аналити-
ческие методы. Помимо самостоятельного значения, получаемые при этом
результаты могут использоваться для тестирования решения подобных задач
по МКЭ. В данной работе мы стремились показать возможности применения
метода жестких блоков к анализу процесса РКУП в штампах с усложненной
конфигурацией. Были найдены зависимости, описывающие влияние скоса
угла штампа на давление прессования, и определен скос, при котором дав-
ление прессования становится наименьшим. Для этого случая проанализи-
ровано деформированное состояние заготовки после РКУП.
Теоретический анализ. Расчетная схема процесса РКУП представлена на
рис. 2,а. Равноканальный штамп имеет скос по линии АВ, величина которого
характеризуется параметром h. Будем рассматривать процесс пластического
деформирования при РКУП как результат перемещения жестких треуголь-
ных блоков 1, 2 и 3 относительно друг друга и относительно штампа 4. Де-
формация считается плоской. Возможность образования застойных зон не
предусматривается. Примем также для упрощения, что р2 = 0. Напряжение
трения между заготовкой и штампом зададим согласно закону Зибеля τ = 2mk
и определим давление прессования р на линии CG. Годограф скоростей пе-
ремещений рассматриваемых жестких блоков приведен на рис. 2,б.
Для выбранной схемы разбивки на блоки уравнение баланса мощностей
внешних и внутренних сил имеет вид
а б
Рис. 2. Схема разбиения на блоки (а) и годограф скоростей (б) при анализе РКУП
по методу жестких блоков: 1, 2, 3 − блоки, 4 − штамп
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3
100
[ ] [ ]( ) [ ]1 1 2 1 2 2 3 2 3 2 4 2 4 12 4 ( )paV k l V l V mkl V mk a h V− − − − − −= + + + − , (4)
где li−j, [Vi−j] – длины общих границ блоков i и j и скорости их взаимного пе-
ремещения.
Выразим линейные размеры в формуле (4) через h, а скорости − через V1,
используя подобие треугольников на схеме процесса и на годографе. Полу-
чаемые при этом результаты приведены в работе [4]. Подставляя соответст-
вующие данные в формулу (4), после преобразований получаем
21 (1 ) 2 2 (1 )
2 2
p x mx m x
k x
+ − +
= + −
−
, (5)
где x = h/a. Анализ выражения (5) на экстремум показывает, что p/2k имеет
минимум при скосе x = 2 − 2 ≈ 0.586 независимо от величины фактора
трения m. Подставляя это значение x в (5), находим
min
2( 2 1)(1 2 )
2
p m
k
⎛ ⎞ = − +⎜ ⎟
⎝ ⎠
. (6)
Обсуждение результатов теоретического анализа. На рис. 3,а пред-
ставлены зависимости относительного давления прессования p/2k от вели-
чины фактора трения m, рассчитанные по методу линий скольжения для
штампа без скоса (1) и по методу жестких блоков для штампа со скосом (5).
Здесь же приведено относительное расхождение получаемых значений, оп-
ределенное по формуле
100%R R
R
′−
δ =
′
, (7)
где R и R′ – расчетные значения для штампа со скосом и без скоса. Сравне-
ние показывает, что при характерной для РКУП со смазкой величине фак-
тора трения m = 0.1 снижение давления прессования при скосе h = 0.586a
составляет не менее 15.8%. Данная величина является по существу нижней
а б
Рис. 3. Зависимости относительного давления прессования (а) и угловой деформа-
ции (б) от фактора трения для штампа со скосом (−●−) и без скоса (−■−); δ – отно-
сительное изменение давления и деформации (−▲−)
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3
101
оценкой снижения p/2k, так как оптимизация решения по методу жестких
блоков нами не проводилась. Отсутствием оптимизации и, в частности, не-
учетом возможности образования застойных зон объясняется, по-видимому,
превышение расчетного давления прессования в штампе со скосом над рас-
четным давлением прессования в штампе без скоса в случаях, когда значе-
ния m близки к 0.5. Оптимизацию решения задачи по методу жестких бло-
ков мы планируем выполнить в последующих работах.
Для определения угловой деформации при РКУП при ее расчете по ме-
тоду жестких блоков была использована формула (8), полученная нами ра-
нее в работе [4]:
22[1 (1 ) ]
2
x
x
+ −
γ =
−
. (8)
Для скоса, обеспечивающего минимальное значение давления прессования,
из (8) получаем ( )4 2 1γ = − . Соответствующая этому значению линия пред-
ставлена на рис. 3,б. Здесь же приведены величины угловой деформации в
штампе без скоса, рассчитанные по методу линий скольжения (формула (3)),
и относительное изменение γ, определенное по формуле (7). Как следует из
этого рисунка, наличие скоса снижает угловую деформацию при m = 0.1
примерно на 9.7%. С увеличением фактора трения влияние скоса на угловую
деформацию уменьшается.
Выводы
1. Показана возможность применения метода жестких блоков для анали-
за процесса РКУП в штампе со скосом угла. Для уточнения решения в даль-
нейшем необходимо учесть возможность образования застойных зон.
2. Установлено, что оптимальный скос угла штампа приводит к сниже-
нию базового давления прессования до 20%. С увеличением трения эффек-
тивность применения скоса для понижения давления прессования уменьша-
ется.
3. Наличие скоса приводит к снижению угловой деформации за один
проход РКУП до 20%. Влияние скоса уменьшается при увеличении трения.
1. В.М. Сегал, В.И. Резников, А.Е. Дробышевский, В.И. Копылов, Изв. АН СССР.
Металлы № 1, 115 (1981).
2. R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, I.V. Alexandrov, Prog. Mater. Sci. 45, 103 (2000).
3. V.M. Segal, Mater. Sci. Eng. A345, 36 (2003).
4. А.М. Лаптев, Е.Ю. Вяль, А.В. Периг, в сб.: Удосконалення процесів і обладнан-
ня обробки тиском в металургії і машинобудуванні, ДГМА, Краматорск (2006),
c. 316.
5. В. Джонсон, Х. Кудо, Механика процесса выдавливания металла, Металлургия,
Москва (1965).
6. I.Y. Suh, H.S. Kim, I.W. Park, J.Y. Chang, Scr. Mater. 44, 677 (2001).
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3
102
A.M. Laptev, E.Yu. V′yal
INFLUENCE OF DIE CONFIGURATION ON STRESS AND STRAIN
AT EQUAL-CHANNEL ANGULAR PRESSING
The influence of equal-channel die configuration on stress necessary for process realiza-
tion was investigated by rigid blocks method. Within the examined class of configura-
tions the one providing the lowest process pressure was found. For this configuration the
deformation obtained in one pressing pass was determined.
Fig. 1. Basic scheme of ECAP
Fig. 2. Scheme of dividing in blocks (а) and velocity hodograph (б) at analysis of ECAP
by rigid blocks method: 1, 2, 3 − blocks, 4 − die
Fig. 3. Dependence of relative pressure (а) and angular deformation (б) on friction factor
for a die with slant (−●−) and without it (−■−); δ – relative change in pressure and de-
formation (−▲−)
|