Үшарналы жабық матрицада дайындаманың кернеулі-деформациялық күйі

В статье изложено результаты исследования напряженно-деформированного сосотояния заготовок при интенсивной пластической деформаций (ИПД) в трехканальной закрытой матрице. Экспериментальное исследование показало, что при многоцикловой деформации значение ИПД достигает. В очаге деформаций значения напряжения определенный, методом линий скольжения сжимающий благоприятно влияющий на закрытие внутренних дефектов и формирование ультрамелкозернистой структуры.

Түйін сөздер: матрица, пуансон, дайындама, деформация, кернеу, сырғу сызықтары.

Қарқынды пластикалық деформация әсерінен (ҚПД) наноқұрылымды материалдарды алу тәсілдері өткен ғасырдың жетпісінші жылдардың басында (1973 ж) дами бастады деуге болады. Осы тәсілдердің ішінде ең бір дамытылған теңарналы бұрыштық престеу (РКУП) матрицасында денені өңдеу тәсіліне тоқтап кетейік [1]. Бұл матрицада екі бір-біріне 90⁰ тікелей бұрышымен қиылысатын көлденең қималары теңарналарынан өңделінетін дайындама өткен кезде дене ҚПД-ға шалдығады және матрицаның арналары қиылысатын жазықтық бойында барлық дененің ішкі ақаулары пісіріліп жабылады. Нәтижесінде ұсақтүйіршікті наноқұрылымды материалдар алуға мүмкіндік туады, ал оны қарқындататын ҚПД әсерін бағалайтын дәрежесін келесі формула бойынша анықтауға болады:

мұндағы – матрицаның екі арнасынан бір өтудегі деформация қарқындылығының өзгеру дәрежесі, θ – арналардың қиысу бұрышы (РКУП – де ), сонда бір өтуде деформация қарқындылығы 2 (екіге) тең болады, ал бір неше рет көп өтуде (циклде) 2*N, мұнда N – өтулер саны. Бірнеше рет қайталанып өту нәтижесінен ұсақтүйіршікті наноқұрылым түзіледі, нәтижелі деформация қарқындылығы N тең болады.

Міне, осы дәрежесін артыратын және ҚПД -ны іске асыратын тәсілдер мен құрал жабдықтарын жасау және құру өзекті мәселенің бірі болып табылады. Осы мақсатпен берілген жұмыста ҚПД-ны іске асыратын үшарналы жабық матрица мен тәсілі ұсынылып отыр. Көлденең қималары тең үш арна бір-бірімен 120° бұрыш бойымен қиылысады (1-сурет).

1-сурет. Үшарналы жабық матрицада дайындаманы өңдеу сұлбасы

Үшарналы матрица келесі негізгі элементтерден тұрады: 1 – орталық пуансоннан; 2 – теңарнаны түзейтін үш сегменттерден; 3 – екі бүйір пуансоннан; 4 – бүйірлі пуансондар тіреліп матрицаны ұстап тұратын ойық тоқпақтарынан; 5 – бастапқы кезде матрицаны ұстап тұратын сақиналы қойылымнан; 6 – өңделінетін дайындама.

Үшарналы матрицада денені ҚПД – ға шалдықтыруы келесі бойынша іске асырылады: бастапқы дайындама 6 пеште өңдеу температурасына дейін қыздырылған соң жабық матрицаның тұйық арнасына орналастырылады; кейін пресстің әсерінен орталық пуансондар 1 денені бүйір арналарына сығымдай бастайды, бұл жағдайда бүйір пуансондар ойық тоқпақтар 4 қабырғасына тірелгенше кері бағытында жылжиды; бүйір пуансондар 3 тірелгеннен соң төменгі сақиналы қойылым 5 алынып матрицаның жоғарғы жағына қойылады және матрицаның иіндеріне әсер етіп матрицаны төмен қарай жылжыта бастайды; бұл жағдайда бүйір пуансондар денені кері бағыты бойында деформацияланайды. Міне, осылай деформациялайтын дене көп циклді деформацияға шалдығады, нәтижесінде ұсақтүйіршікті дәншіктер алынуына мүмкіндік береді.

2-сурет. Бір циклден кейін әртүсті пластилин қабаттарының қиғаштануы

Алынған тәжірибе мәліметтері бойынша үлгілер қабаттарының қиғаштануы бір цикл аралығында орташа 55°÷60° аралығында болады. Сонда бір цикл деформациялау нәтижесінен ығыстыру деформация қарқындылығы , ал көп циклді деформацияда 1,60*N болады. Егер, мысалы 10 цикл берілсе, онда тең болады. Айтып кету керек, ығыстыру деформация қарқындылығының дәрежесі металл сапасына қарқынды әсер ететін ең бір басты көрсеткіші болып табылады. Бұл көрсеткіш неғұрлым жоғары болса, соғұрлым металл жақсы өңделініп, сапасы жоғары болады. Мысалы, үшарналы үлгілерді өңдеуде тең, немесе бұл шама теңарналы бұрыштық матрицадағы мәніне жақын. Сондықтан ұсынылып отырған үшарналы жабық матрицада ұсақтүйіршікті наноқұрылымды матриалдарын алуға мүмкіндік бар деуге болады.

Енді үшарналы жабық матрицадағы деформацияланатын дененің кернеулі күйін анықтайық. Ол үшін сырғанау сызықтары әдісін қолданайық [2]. Деформацияланатын дене матрица арналарынан көлденең қималары өзгертілмей бір тұтас жылжиды. Сондықтан пластикалық деформация тек матрица арналары қиылысатын учаскесінде шоғырланады деп қабылдаймыз (3-сурет).

Сонымен, сырғанау сызықтары осы қиылысу зонасының 0.0 нүктесінде қиылысады. Енді кернеулі күйін анықтау үшін сырғанау сызықтарының 0.0÷0.3 түйінді нүктелері бойындағы жүктелген күштерінің тепе тендік шартынан анықтаймыз:

мұндағы: σ – 0.0 және 0.2. түйінді нүктелері бойында әсер ететің орташа нормальді кернеу; σ_0.2 – 0.2 түйінді нүктесіндегі орташа нормальді кернеу; y_0.3 және x_0.3– сәйкес 0.3 түйінді нүктесінің координаталары; y_0.2 – 0.2 түйінді нүктесінің координатасы; k – пластикалық тұрақты, немесе ығыстыру аққыштық шегі.

3-сурет. Үш арналы матрицада денедегі сырғанау сызықтарының өрісі

Келесі келтірілген [2] Генки, немесе қатынастарын пайдаланып:

σ_0.2 – σ_0.0 = ±2k∆β_0.2, мұндағы ∆β және ∆β_0.2 0.0 түйінді нүктесінен осы 0.0 және 0.2 түйінді нүктелері аралығындағы түйінді нүктелеріне өткенде сырғанау сызықтарының бұралу бұрыштары.

Міне осы қатынастарын алдыңғы тепе тендік теңдеуіне қойсақ келесіні жазуға болады:

-(σ_0.0+2k∆β)*у_0.2 + (σ_0.0 +2k∆β_0.2)*(-у_0.3+у_0.2) + kx_0.3 =0.

Жақшаны ашып 2k мәніне қысқартып және бір қатар түрлендірген соң 0.0 түйінді нүктесіндегі орташа кернеуін анықтайтын қатынасын аламыз:

Осы теңдеуге 3-суретке сәйкес мәндерін қойсақ нәтижесінде келесіні аламыз:

oсыдан,

егер мәні алюминий үшін 35 МПа тең болса, онда орташа мәні келесіге тең болады

Осы 0.0 түйінді нүктесіндегі σ _x0.0 және σ _у0.0 кернеулер құраушыларын келесі қатынастар арқылы анықтауға болады:

σ _x0.0 =σ_0.0 + ksin2β_0.0;

σ _y0.0 = σ_0.0 – ksin2β_0.0, мұндағы β_0.0-0.0 түйінді нүктесіндегі бас остерімен және сырғанау сызықтары аралығындағы бұрышы 45⁰ тең. Сонда кернеулер құраушыларын жоғары анықталған мәндері арқылы анықтауға болады:

σ _{x 0.0} =-0,421*2k+ ksin90⁰= 0,158k;

σ _{y 0.0} = -0,421*2k– ksin90⁰= -1,842k.

Егер алюминийді үшарналы матрицада өңделсе, онда келесі кернеулер мәнін аламыз:

σ _{x 0.0} = 0,158k = 0,158* = 3,2 МПа;

σ _{y 0.0} = -1,842k = -1,842* = -37,22 МПа

Алынған мәндерін талдасақ орталық 0.0 түйінді нүктесінде у осі бойында сығу, ал х осі бойында созу кернеуі пайда болуын байқауға болады. Осы нүктедегі орташа кернеуі σ_0.0 сығымдайтын теріс мәніне ие болады, осы зонадағы ішкі ақауларын пісіріп жабуына және қарқынды пластикалық деформациясын дамытуына оң әсерін береді. Айтып кету керек, у осі бойындағы сығу кернеуімен салыстырғанда х осі бойында сығу кернеуінің мәні өте аз (σ _{x 0.0} =3,2 МПа) болады. Сондықтан деформация зонасында сығу кернеулері басым деп қорытындаймыз.

Қорытынды: тәжірибелік және сырғу сызықтары әдістерімен жабық үшарналы матрицада дайындамаларды өңдеудегі дененің кернеулі – деформациялық күйі анықталады. Анықталған деформация қарқындылығы дәрежесі мен деформация зонасындағы кернеулер мәні ішкі құрылым ұсақтүйіршікті қалыптасуына оң әсер береді.

1. Рааб Г. И., Валиев Р. З. Получение наноструктуры в титане методом равноканального углового прессования, Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 9.
2. Громов Н. П. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия. 1983. 358 с.