Пластический изгиб при восстановлении деталей

Изменение кривизны деталей пластическим изгибом всегда сопровождается упругим последействием и остаточными напряжениями, возникновение которых следует из схемы напряженного и деформированного состояния при изгибе.

Распределение напряжений по толщине изгибаемой полосы (рис.30) может быть найдено из совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и уравнения пластичности. При изгибе моментом уравнение равновесия в цилиндрической системе координат имеет вид:

Уравнение пластичности по гипотезе максимальных касательных напряжений может быть записано:

Где знак «+» относится к зоне растяжения, а знак «-» - к зоне сжатия.

Совместным решением этих уравнений с учетом граничных условий, по которым при ρ=R  и ρ=r напряжения σ_p=0, получим формулы, показывающие характер распределения напряжений по толщине полосы:

для зоны растяжения

 

для зоны сжатия

Радиусы кривизны при изгибе деталей (и их правке) относительно велики, поэтому можно считать отношения близкими к единице. В этом случае логарифм можно заменить первым членом его разложения в ряд по типу:

После этого формулы распределения можно несколько упростить. Например, для радиальных напряжений:

в зоне растяжения

в зоне сжатия

На нейтральной поверхности эти напряжения должны быть равны между собой, откуда можно определить радиус этой нейтральной поверхности:

На нейтральной поверхности действует наибольшее по абсолютной величине радиальное напряжение σ_p :

Выразив R=r+S ( S – толщина полосы) и разложив подкоренное выражение:

 

Получим упрощенное выражение для σ_pmax:

Из последнего выражения видно, что если , максимальное радиальное напряжение . Поэтому при анализе изгиба, возможного в процессе эксплуатации деталей и их последующей правки, когда радиусы кривизны имеют большую величину, влиянием радиальных напряжений на величину тангенциальных можно пренебречь. Таким образом, примем тангенциальное напряжение σ_ө постоянным, равным по абсолютному значению напряжению текучести σ_s, т.е. без учета упрочнения и зоны упругих деформаций (считая эту зону пренебрежимо малой по толщине)

Согласно принятой схеме распределения напряжений при разгрузке каждый слой заготовки должен упруго деформироваться по закону Гука на величину:

где Е – модуль упругости 1-го рода;

  l - длина слоя;

a - угол гибки.

Но с другой стороны, согласно принятой гипотезе плоских сечений, деформации слоев ε_ө должны быть в зависимости от расстояния до нейтральной поверхности, а не от координаты ρ. Поэтому, принимая во внимание сплошность заготовки, взаимосвязь ее слоев друг с другом, надо признать, что их упругие деформации полностью не снимаются и приводят к возникновению остаточных напряжений. Одни слои остаются несколько растянутыми, другие – сжатыми, чтобы изменение деформаций по толщине удовлетворяло линейной зависимости ε_ө от расстояния до нейтральной поверхности, которую в нашем случае можно считать совпадающей со срединной поверхностью.

Распределение остаточных напряжений можно найти с помощью теоремы о разгрузке, из которой следует, что величина остаточных напряжений определяется как разность напряжений, действующих при нагружении, и условных напряжениях σ_у, которые могли возникнуть в заготовке, если бы она получала только упругие деформации под действием момента, численно равному моменту при пластическом изгибе. Таким образом, на наружном слое заготовки, который при изгибе испытывал растяжение, после разгрузки будут остаточные напряжения сжатия (рис. 31), а на слое, который испытывал при изгибе сжатие – остаточные напряжения растяжения.

Приравняв момент пластического изгиба и фиктивного момента упругих деформаций изгиба, можно найти величину условного напряжения s_y=-3s_s/2 в поверхностных слоях заготовки и величину остаточных напряжений, в частности, на внешнем слое s_ост=- s_s/2.

Наружный слой заготовки, который при изгибе испытывал растяжение с напряжением s_s, после разгрузки будет испытывать сжатие с напряжением - s_s/2. Таким образом, деформация наружного слоя при разгрузке по закону Гука будет пропорциональна 3s_s/2. Если принять, что вследствие малости угол пружинения Da равен tgDa, а tgDa=2Dl/S, можно получить приближенную качественную зависимость для определения угла пружинения:

                       

Из формулы видно, что на величину угла пружинения существенно влияет отношение предела текучести к модулю упругости. Поэтому при гибке наклепанного металла с увеличенным пределом текучести пружинение будет больше, чем при гибке отожженного. С другой стороны, некоторые цветные металлы, имеющие предел текучести, близкий к пределу текучести стали, и небольшой модуль упругости, пружинят больше, чем сталь.

При дефектном изгибе деталей в процессе эксплуатации и изгибе с целью исправления кривизны отношение  велико и приводит к большим углам пружинения, но углы гибки a малы и соизмеримы с углами пружинения.

Вместе с тем при выводе этой формулы был принят ряд допущений, и не учтены особенности гибки усилием, имеющие значительное влияние на величину угла пружинения. Строгое аналитическое решение для расчета углов упругого пружинения с необходимой точностью практически невозможно.

Таким образом, из приведенного анализа следует, что при искривлении детали в процессе эксплуатации в ней всегда возникают остаточные напряжения. Изменяя действующие остаточные напряжения, можно это искривление уменьшить или устранить. Например, если устранить остаточные напряжения растяжения поверхностной пластической деформацией (поверхностным нагревом или силовым воздействием), кривизна детали уменьшится.

 

    1.3.2. Правка деталей с компенсацией упругого последействия

При исправлении кривизны деталей необходим пластический изгиб на очень небольшие углы при больших относительных радиусах кривизны; причем материал восстанавливаемых деталей чаще всего имеет отношение предела текучести к модулю упругости большее, чем в процессах формоизменения гибкой. Поэтому упругое последействие при правке деталей может иметь большую величину. О характере величин упругого пружинения можно судить на примере исправления кривизны прутка с поперечным размером до 25 мм на длине 1000мм.

В соответствии со стандартом допускаемая кривизна горячекатаного квадратного профиля составляет 5 мм, а такого же калиброванного по 11-му квалитету – 2 мм. Таким образом, речь идет о гибке с относительными радиусами порядка 1000 и углами порядка 1°. При таких параметрах гибки пластического изгиба не происходит, т.е. величина углов гибки-правки целиком лежит в упругой области. Следовательно, нужно компенсировать пружинение перегибом. Так же, если любую деталь, имеющую кривизну, приложением нагрузки полностью выпрямить, то после разгрузки из-за упругого пружинения какая-то кривизна останется, и для полного выпрямления детали нужен перегиб строго на величину этого пружинения. Но поскольку рассчитать величину угла пружинения с необходимой точностью практически невозможно, применяемые при восстановлении деталей способы правки внешним усилием основываются на конкретных экспериментальных данных и производственном опыте.

Правку статическим изгибом производят на прессах, устанавливая деталь 2 на призмы или опоры 3 (рис. 32) и осуществляя гибку нажатием пуансона пресса 1 через мягкую прокладку 5. Стрелу прогиба контролируют индикатором 4.

Очень малая величина пластической деформации при правке имеет своим следствием не только соизмеримость с ними упругих деформаций детали, но и соизмеримость упругих деформаций пресса. Поэтому регулирование величины прогиба за счет изменения усилия пресса не обеспечивает нужной точности. Упругие деформации пресса необходимо учитывать и при контроле прогиба индикатором, т.к. величина прогиба должна быть равной прогибу пружинения плюс упругая деформация пресса при соответствующем усилии. Практически требуемую величину прогиба приходится подбирать, производя несколько нажимов пуансоном и постепенно увеличивая перегиб детали. Для упрощения такой кропотливой работы на производстве часто используют более грубые варианты правки, устанавливая приближенно постоянную величину перегиба. Например, величину перегиба принимают равной максимальному упругому прогибу детали. Причем это имеет под собой основание, т.к. эксперименты показывают, что при изгибе с большим относительным радиусом кривизны упругая составляющая в определенных пределах практически не изменяется с увеличением общего прогиба (рис.33).

Холодная правка статическим изгибом является наиболее простым и распространенным способом. Однако холодная правка приводит к снижению усталостной прочности (на 15-35%) и зачастую не обеспечивает сохранения стабильной формы детали в процессе эксплуатации. Причиной этого являются остаточные напряжения, которые, как было отмечено выше, всегда сопровождают процесс гибки, а в условиях холодной деформации имеют большую величину и вызывают большую неоднородность свойств металла по сечению. Для снижения отрицательных последствий холодной правки после нее производят отпуск детали, реже применяют правку с нагревом – до 600…800 °С.

Правку растяжением   обычно применяют для деталей большой относительной длины и постоянным по длине сечением, т.е. типа прутка. Схема действующих остаточных напряжений изменяется при этом за счет растяжения детали до относительных удлинений 1…3%, благодаря чему нейтральная поверхность смещается за границы детали. Пружинение при этом значительно уменьшается, хотя полностью его устранить нельзя из-за неоднородности деформаций по толщине. Распределение относительных деформаций по толщине детали, учитывая, что речь идет об изгибе с большими относительными радиусами, можно принять по линейному закону (рис. 34, а); слои менее вытянутые получают при растяжении большее удлинение, чем слои более вытянутые. Зависимость напряжений от деформации, учитывая, что правку с растяжением производят при небольших относительных удлинениях, можно принять по диаграмме условных напряжений (рис. 34, б). Таким образом, большая деформация удлинения d_б вызывает напряжение s_б, а меньшая напряжение s_м . При снятии растягивающего усилия слои детали сократятся пропорционально напряжениям, действующим в конечный момент растяжения, и чем больше различие между этими деформациями, тем больше остаточная деформация детали. Следовательно, при правке растяжением нужно принимать величину растягивающего усилия из условия, чтобы зона относительных удлинений d_б – d_м соответствовала участку диаграммы напряжений, имеющему минимальный модуль упрочнения. Для малоуглеродистых сталей, например, это площадка текучести, где модуль упрочнения равен нулю; поэтому качество правки деталей из этих сталей высокое. Хуже подаются правке растяжением материалы с большим модулем упрочнения, например, высокоуглеродистые стали.

Правку местным наклепом обычно выполняют нанося удары деформирующим инструментом с небольшой контактной поверхностью (пневматическим или ручным молотком) по поверхности детали в месте ее наибольшей вогнутости (рис. 35,а). В результате силового воздействия деформирующего инструмента на поверхности происходит локальное пластическое деформирование и остается отпечаток. При сплошном покрытии отпечатками определенной поверхности можно считать, что сжатие металла на некоторой толщине h_пл в среднем соответствует деформациям осевого сжатия под одним отпечатком.

Схему формирования остаточных напряжений в пластически деформированном слое при одном цикле обработки можно представить, рассматривая цилиндрический элемент-отпечаток – результат обработки с поверхности на толщину пластически деформированного слоя h_пл (рис. 32, б). Окружающие рассматриваемый элемент необработанные участки играют роль упругой заделки. Поскольку размеры обработанного участка считаем неизменными, то деформацию элемента можно рассматривать как растяжение s_р под действием обработки в упругой заделке и последующее сжатие на ту же величину от окружающей упругой заделки. При этом возникают сжимающие напряжения s_сж (рис. 35,б). Если снять упругое ограничение, что происходит при обработке всей поверхности, то происходит разгрузка, по знаку совпадающая с первичным нагружением, и остаются результирующие остаточные напряжения s_ост и деформация e₁. Если жесткость детали позволяет, то происходит ее общая деформация и, вследствие этого, перераспределение остаточных напряжений. В пластически деформированном поверхностном слое остаточные напряжения будут определяться разностью сжимающих напряжений от поверхностного пластического деформирования и напряжений объемной деформации, а в остальной части остаточные напряжения будут соответствовать только напряжениям объемной деформации.

На практике правку местным наклепом чаще всего применяют для восстановления валов (в том числе коленчатых). Например, вал, имеющий шпоночный паз и вогнутый в его сторону, правят, нанося легкие удары молотком по закаленной пластинке, которую постепенно перемещают по дну паза.

Правка местным нагревом (термическая правка) используется для исправления кривизны конструкции из стержней балок и листовых конструкций. Правка происходит под действием термических напряжений, приводящих к остаточным (пластическим) деформациям. Например, правку стального бруса квадратного сечения (30 × 30 мм) длиной 2 200 мм проводили путем нагрева участка длиной 550 мм с одной стороны в центре бруса. Локальный нагрев (универсальной газовой горелкой №7) приводил к пластической деформации сжатия участка металла ограниченного не нагретой частью конструкции. При охлаждении металл нагретого участка сжимается, стараясь распрямить весь брус.

Правка тонколистовых конструкций имеет тот же механизм. Неровности, искажения листа (так называемая «бухтиноватость») образуется вследствие потери устойчивости от напряжений сжатия, а в результате термической правки в плоскости металла листа возникают пластические деформации укорочения, убирающие «лишний» металл. Традиционно при термической правке используют или круглые пятна нагрева (при толщине до 5мм), или полосы нагрева (обычно при толщине больше 5 мм). Длинные полосы нагрева считаются более эффективными при правке, но имеют повышенный риск потери устойчивости листа ( особенно тонкого). Полосы нагрева могут быть получены стационарным распределенным источником нагрева, когда нагрев осуществляют по всей полосе одновременно, например, индукционным нагревателем. Значительно более длинные полосы можно нагреть без угрозы потери устойчивости при движущемся концентрированном источнике нагрева, в качестве которого традиционно используют газопламенную горелку.

Эффективность термической правки (ЭТП), которую определяют как отношение объема остаточных пластических деформаций ко вложенной энергии нагрева, резко повышается с ростом максимальной температуры нагрева. Однако, нагрев сталей обычно ограничивают температурой 600…650^о С, т.к. при более высокой температуре нагрева возможно нежелательное изменение структуры металла и деградация его механических свойств.

ЭТП зависит от времени нагрева пятна до максимальной температуры: чем оно меньше, тем выше ЭТП. Это значит, что нужен мощный источник нагрева, который, однако, не должен приводить к расплавлению поверхности листа.

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: