Резонансные явления в процессах формоизменения листовых заготовок

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.797:621.664

Резонансные явления в процессах формоизменения листовых заготовок

Драгобецкий В.В., Марцинюк О.Б., Троцко О.В., Костыренко С.В.

Кременчугский государственный политехнический университет

Одним из направлений исследований в области пластического деформирования является поиск возможности снижения величины работы пластического деформирования и, как следствие, уменьшение энергозатрат.

Анализ предыдущих исследований. Один из методов интенсификации процесса деформирования - это волновое воздействие на обрабатываемый материал [1]. Установлено, что при использовании продольных колебаний величина рабочего усилия уменьшается только в том случае, когда скорость колебательных движений значительно превышает скорость продольной подачи, т.е. применение низкочастотных колебаний эффективно лишь при малых скоростях деформирования.

Цель работы. Нахождение путей уменьшения величины работы пластической деформации в процессах формоизменения листовых заготовок.

Материал и результаты исследований. Пластическое течение представляет собой последовательность малых периодических элементарных сдвигов. Она развивается скачкообразно и обусловлена ее волновой природой. В соответствии с последними представлениями, пластическая деформация - это совокупность последовательно протекающих актов релаксации напряженного состояния, созданного в материале заготовки. В их ходе в области вблизи концентраторов напряжений зарождаются резонансные явления.

Одним из определяющих актов пластического формирования является смещение дислокации вдоль плоскости скольжения. Для перехода дислокации из одного равновесного состояния в другое ей необходимо преодолеть сопротивление сдвигу:

(1)

где K1 - константа;

- ширина дислокаций;

b - расстояние между атомами в направлении, перпендикулярном плоскости сдвига.

Энергия дислокации при движении ее со скоростью v можно оценить по формуле:

(2)

где E0 - энергия дислокации в покое.

С увеличением v энергия дислокации увеличивается и при v aсд, Ev . Ширина дислокации зависит от скорости движения:

(3)

где 0 - ширина дислокации в покое.

На конечной стадии микропластичности поведение сдвигов становится взаимно коррелированным так, что один сдвиг инициирует последующий. В результате развития множественного скольжения формируется волна пластической деформации. Она представляет собой временно-пространственную структуру, отражающую процессы самоорганизации диссипативных систем.

С точки зрения волновой теории пластического течения находит объяснение факт уменьшения величины формоизменяющего усилия при высокочастотном деформировании. В зоне дефектов кристаллической решетки происходит поглощение энергии колебаний. Это приводит к повышению потенциальной энергии дислокаций и уменьшению вызывающего их перемещения сдвигающего напряжения [2].

Теоретически и экспериментально обосновано явление резонансного вибропластического эффекта [1], заключающегося в снижении величины сопротивления пластической деформации вязко- упругих и вязкопластических сред, и возникающего в результате естественного согласования периодичности элементарных сдвигов пластического течения этих сред с синхронизацией волнового воздействия.

Знание оптимальной частоты приложения деформирующего вибрационного (волнового) воздействия позволяет существенно снизить его величину [2], а также решать некоторые технологические задачи обработки металлов и сплавов. Установлено [2], что в результате резонансного вибропластического эффекта имеет место уменьшение сохраняющихся в теле изделий остаточных напряжений. Это позволяет использовать эффект в процессах калибровки, гибки, вытяжки, формовки и др.

Таким образом, пластическое течение носит периодический характер и представляет собой последовательность элементарных сдвигов внутри одиночных кристаллов либо между отдельными кристаллическими зернами.

Собственная частота сдвиговой деформации [1] определяется как

(4)

где G - модуль сдвига, Па;

Q-1 - коэффициент внутреннего трения, кг/(мс).

Так как пластическое течение вызывается и поддерживается внешней нагрузкой, оно относится к разряду автоколебательных процессов, а сам деформируемый материал - к категории автоколебательных систем. При близости собственных частот взаимодействующих систем происходит подстройка энергетически менее мощной колебательной системы под параметры колебаний более энергетически мощной.

Установлено [2], что, зная частоту периодических элементарных сдвигов пластического течения и действуя на деформируемый объем внешней нагрузкой с той же или близкой частотой, можно согласовать ход пластического течения с характером приложения этой нагрузки и на основе сложения двух периодических процессов возбудить вибропластический резонанс. пластический резонансный вибропластический штамповка

Аналогичный эффект достигается в процессах гидровзрывной штамповки [2]. Предварительно сообщив заготовке кинетическую энергию, которая затем переходит в энергию изгиба, например, при соударении с жидкой передающей средой либо при создании импульсного разряжения в полости матрицы, стимулируем начальное пластическое течение. Начало изгиба осуществляется с определенной угловой скоростью , а деформация распространяется от периферии к центру заготовки. Дополнительный заряд взрывчатого вещества, обеспечивает получение нагрузки, равномерно распределенной по заготовке в течение малого промежутка времени . В результате заготовка не успевает в силу своей инерционности начать деформироваться под действием импульса q (движение деформирования должно начаться с бесконечно большим ускорением из-за малости ), т.к. получается разрыв в ускорениях (так называемый «мягкий удар»).

Импульс q накладывает на тонколистовую заготовку изгибный осесимметричный момент импульса:

, (5)

где q - нагрузка;

- промежуток времени;

R - радиус заготовки;

r - радиус текущего слоя.

Момент импульса уравновешивается изменением момента количества движения 

, (6)

где R - радиус заготовки;

r - радиус текущего слоя;

B - угловая скорость;

- толщина;

- удельный вес заготовки.

В результате на заготовку накладывается вынужденная частота колебаний изгиба.

Совпадение по модулю в сечении r* какого-либо слоя скоростей и c повлечет за собой возникновение в последнем режиме автоколебаний. В сечении r* образуется движущийся упругопластический шарнир определенной амплитуды, обеспечивающий упорядоченное деформирование.

Некоторые рассматривают остаточные напряжения в теле изделия после его деформирования как некоторое количество энергии в конкретном объеме.

Эта энергия расходуется на работу процессов, связанных с послеоперационным короблением. При согласовании внешнего воздействия с деформационным поведением материала последний оказывается в состоянии энергетически более стабильном, чем в случае воздействия нагрузки, характер приложения которой произволен или не соответствует деформационным процессам внутри материала. Стабильность энергетического (напряженного) состояния в материале определяет малую степень послеоперационного коробления.

Выводы. При деформировании с частотой, лежащей в пределах полосы синхронизации по отношению к частоте периодических элементарных сдвигов пластического течения, степень послеоперационного коробления оказалась минимальной, на один-два порядка меньшей, чем в предыдущих случаях. Также выявлено, что при использовании резонансных явлений в процессах формоизменения листовых заготовок выявлено значительное сокращение деформирующих усилий и, как следствие, - снижение работы пластической деформации.

Литература

1. Кузнецов В.Е. О возможности динамического воздействия на пластическое деформирование металлов. // Изв.вузов. Черная металлургия. 1993. - №5. - С.23-26.

2. Клименко В.М., Шаповал В.Н. Вибрационная обработка металлов давлением. - Киев: Техника, 1977. - 128 с.

Размещено на Allbest.ru