Механика обработки металлов давлением

Колмогоров В. Л.

Металлургия, 1986 г.

ВВЕДЕНИЕ

Из курса «Введение в специальность» известно, что обработка металлов давлением является одним из основных и завершающих этапов (переделов) металлургического производства и предназначена для того, чтобы придать слитку или заготовке простейшего вида новую геометрическую форму и размеры, а также чтобы сформировать у изделия определенные физические свойства. Обработка металлов давлением, как и в целом металлургия, является од ной из основных отраслей народного хозяйства СССР. В итогах выполнения годовых и пятилетних планов в числе первых указываются задачи или достижения черной и цветной металлургии по производству проката, листов, труб и других изделий.

Инженерная деятельность специалистов по обработке металлов давлением, как впрочем и в других отраслях хозяйства, многообразна. Он должен быть организатором производственного коллектива; воспитателем и наставником своих подчиненных; первой инстанцией в научном анализе проблем, возникающих на производстве; рационализатором и изобретателем, постоянно совершенствующим технику и технологию; эрудитом, обеспечивающим использование на своем участке научно-технических новшеств. Современные учебные планы высшей школы, в основном, обеспечивают подготовку именно такого инженера.

Специалистам по обработке металлов давлением на производстве, в проектных и исследовательских организациях приходится решать широкий круг вопросов: какие силы развивает машина, обрабатывающая металл; как распределены эти силы по поверхности инструмента; какой мощности электродвигатель обеспечит нужную производительность машины; как будет менять форму металл, особенно в той части слитка или заготовки, которая не ограничена инструментом; как будут распределены деформации в объеме обрабатываемого изделия и к каким изменениям в свойствах металла это приведет; какие условия следует создать при обработке, чтобы получить нужную точность размеров профилей или деталей, требуемые физические свойства; как формируется качество поверхности деформируемого металла; какие условия необходимо создать, чтобы можно было пластически деформировать хрупкие (малопластичные) металлы и множество других подобных задач. Со способами их решения знакомят «Теория пластичности» «Теория обработки металлов давлением» — предметы, существо которых рассмотрено в настоящем учебнике.

Известно, что металлы представляют собой совокупность атомов, упорядоченно расположенных в кристаллической решетке. Они имеют дискретное (прерывистое) строение. Между атомами существует определенное силовое взаимодействие. Оно довольно сложное и не описывается законами классической (ньютоновской) механики. Казалось бы, что решать задачи, о которых шла речь, следует на базе представлений о дискретном строении металлов. Однако этот путь очень сложный и не разработанный должным образом современной физикой.

Практику пока не интересует движение отдельных атомов, ее вполне удовлетворяют средние показатели движения довольно больших групп атомов. Это позволяет строить теорию и расчетный аппарат не на атомном (субмикроскопическом), а на макроскопическом уровне. Для этого вводится гипотеза сплошности: металл (и другие тела) можно рассматривать как среду, заполняющую часть пространства не дискретным, а сплошным образом. Эта идеализация позволяет движение частиц металла описывать непрерывными функциями, а для их определения использовать аппарат дифференциального и интегрального исчисления. Для сплошной среды применима классическая механика. Специфические для сплошной среды уравнения и законы классической механики составляют науку — механику сплошных сред. Статика, динамика и кинематика сплошной среды будут рассмотрены в гл. 2.

Сплошной средой может считаться газ, жидкость, твердое тело, деформирующееся упруго или обратимо, твердое тело, которое деформируется пластически или необратимым образом. Отличие этих сплошных сред друг от друга проявляется в рамках механики сплошных сред в группе так называемых физических уравнений.

Отличие физических уравнений для газа, жидкости и твердых тел, деформируемых упруго или пластически, предопределяет выделение в механике сплошных сред ее разделов: аэродинамики, гидродинамики, теории упругости, теории ползучести и теории пластичности. В гл. 3 приведены физические уравнения для теории пластичности.

Физические уравнения механики сплошных сред устанавливают связь кинематичеких характеристик (деформированного состояния) с силовыми (напряженным состоянием). Эта связь получается не на основе изучения взаимодействия атомов деформируемого тела на субмикроскопическом уровне, а на макроскопическом, путем принятия специальных гипотез и постановки соответствующие экспериментов. Такие физические уравнения называют феноменологическими уравнениями. Разделы механику сплошных сред, основанные на феноменологических физических уравнениях, являются эффективными средствами решения практически важных задач, и полученные с их, помощью результаты хорошо согласуются с опытом. В этом! читатель имел возможность убедиться, изучая предмету «Сопротивление материалов» — прикладной раздел теория упругости. Кстати, формулы обобщенного закона Гука, связывающие напряжения и деформации, — это и есть физические уравнения теории упругости. Предположение о том, что связь между напряжениями и деформациями однозначно устанавливается, если известны две константы материала— модуль Юнга и коэффициент Пуассона, — это продуктивная гипотеза феноменологического характера. Константы материала, как известно, определяются в простых опытах по растяжению образцов в пределах их упругих деформаций.

В задачу теории пластичности входит расчет напряжений и деформаций при пластическом формоизменении твердого тела. Для решения этой задачи первоначально выводят соответствующие уравнения, затем разрабатывают методы решения уравнений. Теория пластичности развилась под сильным влиянием теории упругости и потребностей инженерной практики в расчете деталей машин и строительных конструкций. При достаточно высоких нагрузках детали, конструкции и т. п. испытывают деформации, которые не всегда будут обратимыми; прочностные расчеты должны учитывать в этом случае пластические деформации. Потребность в прочностных расчетах сказывается на содержании многих книг по теории пластичности, однако они не теряют от этого достаточной общности и могут служить отличными источниками для углубленного изучения предмета. Позже теорию пластичности стали применять для анализа технологических процессов пластического формоизменения тел — пластического течения. В настоящей книге теория пластичности изложена только исходя из потребностей пластической обработки металлов, которой свойственны большие (развитые) пластические деформации (пластическое течение).

Итак, первая часть книги дает расчетный аппарат теории обработки металлов давлением.

Решение вопросов, возникающих перед специалистом, должно производиться в соответствии с возможностями, которыми он располагает (временем на решение, степенью важности и ответственности за расчет, экспериментальными и вычислительными возможностями, наличием помощников и т. д.). Поэтому специалист должен наряду с теоретическими методами владеть методами современного эксперимента и быть всесторонне подготовленным. Как правило, инженеру приходится решать задачи оптимизации, выбирать лучшие параметры или условия. Об этих методах (теории моделирования, теории планирования и обработки экспериментальных данных, теории экспериментального и расчетного оптимума) говорится во второй части. Она содержит главы, в которых рассмотрены важнейшие вопросы, связанные с сопротивлением металла пластическим деформациям, со способностью металла деформироваться без разрушения или образования дефектов, с формированием нужных физических свойств изделий и со взаимодействием обрабатываемого металла и инструмента. Во второй части методами, изложенными в предыдущих главах, решаются различные технологические задачи, с которыми сталкивается специалист по обработке металлов давлением. Материал этих глав вводит читателей в предмет «Теория специализации».