Напряженное состояние деформирующего инструмента. Методы исследования

В процессах формоизменения изделий деформирующий инструмент испытывает значительные силовые нагрузки, которые в большинстве случаев обуславливают необратимые деформации. Уровень силового воздействия на инструмент обычно характеризуется либо величиной давления на контактные поверхности, либо величинами нормальных и касательных напряжений. Действующие в процессе работы деформирующего инструмента напряжения складываются из следующих составляющих:

, где

σ^т – температурные напряжения;

σ^Р – рабочие напряжения от внешних нагрузок, их разделяют по нормам σ_к и σ_τ .

σ^О – остаточные напряжения, возникающие при изготовлении инструмента (шлифование, термообработка, дробеструйная обработка). Они существуют при отсутствии внешних нагрузок.

Для определения остаточных напряжений первого рода используется, чаще всего, рентгеноструктурный метод, основанный на том, что действующие в поверхностном слое напряжения и меняют межплоскостные расстояния в направлении, перпендикулярном поверхности образца. В соответствии с законом Гука

где — коэффициент Пуассона; Е—модуль упругости; находят по съемке напряженного и ненапряженного образцов.

Кроме рентгеноструктурного метода часто используется механический метод Н.Н. Давиденкова. Суть метода заключается в том, что исследуемый образец разрезают в определенной плоскости. После чего покрывают кислотоупорным лаком не исследуемую поверхность. Исследуемая поверхность подвергается травлению. При этом часть металла с поверхности удаляется и происходит перераспределения остаточных напряжений первого рода, которое меняет первоначальную величину зазора. По жесткости исследуемого образца и по абсолютной величине изменения зазора судят о величине остаточных напряжений. Этот метод позволяет определить распределение остаточных напряжений в приповерхностном слое, что очень важно.

Рисунок 29 - Метод Давиденкова Н.Н.

Методы определения рабочих и температурных напряжений условно можно разделить на механические, электрические, магнитные и оптические.

а) Метод фольговых датчиков для определения нормальных напряжений на контакте основан на измерении высоты отпечатков h на фольге, из пластичного металла толщиной S, перекрывающей гнезда (калиброванные измерительные отверстия диаметром 1,0...2,0 мм) на поверхности инструмента (рисунок 30). По высоте отпечатков судят о распределении нормальных напряжений по поверхности контакта

.

Рисунок 30 - Схема фольгового датчика

Тарировка датчиков производится резиной в замкнутом объеме при различных значениях гидростатического давления 0. Получают график глубины отпечатка h—-σ (рисунок 31).

Рисунок 31 – Тарировочный график

б) Метод точечных месдоз предназначен для измерения локальных напряжений. В качестве регистрирующего элемента используют гидравлические, оптические, индуктивные, емкостные и датчики сопротивления. На рисунке приведена схема замера нормальных контактных напряжений с помощью датчика сопротивления. При нагружении месдозы нормальным давлением меняется величина сопротивления за счет удлинения и уменьшения сечения проводника, намотанного на штифт. Напряжение определяют по изменению сопротивления и тарировочному графику, построенному заранее.

Рисунок 32 - Метод точечных месдоз

в) Поляризационно-оптический метод для моделирования напряженного состояния элементов деформирующего инструмента основан на способности прозрачных изотропных материалов временно приобретать свойство двойного лучепреломления при наложении силового поля. Сущность этого явления заключается в разложении поляризованного луча на два луча, распространяющихся в оптически чувствительном материале в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях с различными скоростями. Поскольку скорости различные, то после прохождения лучей через нагруженную модель обнаруживается разность хода , где с — оптический коэффициент; d — толщина модели.

Располагая картинами изохром (геометрическое место точек постоянной разности хода лучей), а также граничными условиями в напряжениях, можно определить компоненты напряжений и для каждой внутренней точки модели инструмента.

Для моделирования напряженно-деформированного, состояния инструмента используется также метод конечных элементов (МКЭ). В соответствии с МКЭ конструкция инструмента (рисунок 34) аппроксимируется элементами конечных размеров, соединенных в узлах. При этом каждый элемент является частью заменяемой среды, т. е. сплошное тело условно делится на элементы конечных размеров, имеющие те же физические свойства, что и рассматриваемая среда в "месте расположения элемента. Напряжения, деформации и перемещения для каждого элемента находятся из условия равенства работы внешних сил на возможных перемещениях и работы внутренних сил.

Рисунок 33 – Разбиение сечения волоки на треугольные элементы

Большое значение имеет выбор твердости материала инструмента. Назначение норм твердости является методом, повсеместно принятым в отечественной практике.