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.