Правила выполнения лабораторных работ
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
ОБЩАЯ ЧАСТЬ В ходе выполнения лабораторных работ студенты самостоятельно анализируют полученные результаты, устанавливают количественные и качественные взаимосвязи отдельных явлений, сопровождающих процесс прокатки. Все работы носят исследовательский характер. Правила выполнения лабораторных работ 1 Лабораторные работы выполняются по утвержденному кафедрой графику, который вывешивается в лаборатории на доске объявлений кафедры. 2 К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, ознакомившиеся заблаговременно с ее содержанием и методикой выполнения, изучившие соответствующие разделы теоретического курса. 3 Перед началом лабораторных работ распределяются обязанности между членами бригады (академическая группа разбивается на 4…5 бригад). Лабораторные работы в группе могут также проводиться по нескольким дисциплинам специальности одновременно. 4 Работы выполняются в последовательности, приведенной в методических указаниях. Заключительным этапом каждой работы является обработка и анализ экспериментальных данных, сравнение их с теоретическими, анализ причин расхождения этих данных, выводы по результатам работы. 5 По завершении работы до окончания занятий студенты приступают к составлению отчета. 6 Отчет о выполненной лабораторной работе предъявляется преподавателю в конце занятия или перед началом очередного занятия. В противном случае студент к последующим занятиям не допускается. При наличии правильно оформленного отчета разрешается защита лабораторной работы. 7 При защите лабораторной работы студент обязан знать основные теоретические положения по данной работе, методику тех или иных измерений, уметь объяснить значение полученных зависимостей и их характер. К работе в лаборатории допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Правила по технике безопасности при выполнении лабораторных работ 1 Запрещается включать лабораторные установки без разрешения руководителя занятия. 2 При работе лабораторного стана разрешается находиться только со стороны обслуживания. 3 Задачу образцов в рабочие валки стана производить только при помощи специального деревянного толкателя. 4 Запрещается включать нажимной механизм в период вращения валков прокатного стана. 5 На работающие установки нельзя опираться и без надобности трогать их руками. 6 Запрещается уходить со своего рабочего места и переходить на другое без разрешения преподавателя. 7 Рабочее место необходимо содержать в чистоте и порядке. 8 После проведения работы необходимо отключать электрооборудование от источников питания. Общие указания по оформлению отчетов 1 Отчеты о лабораторных работах оформляются в специальной тетради (журнале) в порядке очередности выполнения работ. 2 Схемы и графики выполняются карандашом, обязательно с применением чертежных принадлежностей. 3 Элементы схем должны быть выполнены в соответствии с требованиями ЕСКД. 4 Графики рекомендуется выполнять на миллиметровой бумаге. Значения аргументов следует откладывать по горизонтальной оси, а значения функции – по вертикальной. 5 Вдоль осей следует наносить масштабные шкалы, деления которых должны быть равномерными. 6 Отчет должен содержать цель работы, краткое описание основных теоретических положений, описание лабораторной установки и порядок проведения эксперимента, обсуждение результатов эксперимента и выводы. 1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ НА ХАРАКТЕР И УСИЛИЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ОСАДКЕ. ЗАКОН НАИМЕНЬШЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПРАВИЛО НАИМЕНЬШЕГО ПЕРИМЕТРА Цель работы – практическое ознакомление с особенностями деформации образцов различной геометрической формы, изучение проявления закона наименьшего сопротивления, а также правила наименьшего периметра и подобия, определение протяженности зон скольжения и прилипания для различных условий контактного трения. Общие указания В настоящее время известно и широко используется в технике большое количество методов обработки металлов давлением, основанных на пластическом деформировании материала. При всем разнообразии этих методов им свойственны общие закономерности течения материала, с которыми удобно знакомиться на простейшем методе обработки давлением – осадке между параллельными бойками. При осадке образца между бойками пресса уменьшается высота образца и увеличивается два других размера, при этом частицы металла перемещаются относительно поверхности бойков. В процессе деформации на поверхностях контакта деформируемого тела с бойками возникают нормальные рх и касательные τ напряжения. Контактные касательные напряжения влияют на величину и распределение нормальных напряжений, равнодействующая которых составляет усилие деформации. С ростом касательных напряжений на контактной поверхности усилие деформации возрастает. По сравнению с внутренним объемом Внешние силы трения препятствуют деформируемого металла перемещению обрабатываемого материала по контактной поверхности бойка и тем самым вызывают неравномерную деформацию образца (рисунок 1.1). Неравномерность деформации нежелательна, так как при этом ухудшаются свойства обрабатываемого материала, увеличивается вероятность появления трещин, сопротивление деформации возрастает Характер деформации в объеме тела зависит от его геометрических параметров и условий трения на контактных поверхностях. При некотором обжатии и наличии сил трения на контакте происходит бочкообразование (двойное или одинарное), которое выражается тем сильнее, чем больше препятствие течению частиц металла на контактной поверхности. Течение металла в плоскости, перпендикулярной направлению осадки, можно было бы изобразить схемой (рисунок 1.2), называемой радиальной. τ τ p τ τ p Рисунок 1.1. – Схема осадки цилиндрического образца Рисунок 1.2 – Схема течения металла при отсутствии трения на контакте Практически устранить трение невозможно, но можно свести его к минимуму путем использования качественных смазок. Очевидно, в этом случае деформация при осадке будет происходить равномерно и поперечное сечение образцов при различных степенях деформации будет иметь вид подобных фигур (рисунок 1.3). В этом и состоит правило подобия. Контактные силы трения существенно усложняют картину течения при осадке. Естественно, что каждая точка объема деформируемого тела будет перемещаться в процессе деформации в том направлении, в котором ее перемещению оказывается наименьшее сопротивление. Рисунок 1.3 – Схемы, иллюстрирующие правило подобия Такими направлениями являются кратчайшие нормали к периметру сечения, и схемы течения металла в этом случае называют нормальными. Этот закон известен в обработке металлов давлением как закон наименьшего сопротивления. На рисунке 1.4 представлен примерный вид в плане образцов, осаженных при наличии на контактных поверхностях значительного трения. Очевидно, чем дальше отстоит частица материала (А 1 , А 2 , А 3 ) от края образца, тем большее сопротивление трения ей приходится преодолевать при перемещении в процессе деформации. С другой стороны, на частицы материала, расположенные на биссектрисах углов прямоугольного и квадратного в плане образцов, действуют в направлении краев образцов одинаковые силы сопротивления так, что в процессе деформации эти частицы перемещаются вдоль биссектрис и, следовательно, эти линии сохраняют свою прямолинейность. Такое же отображение справедливо и в отношении прямой ВВ 1 (см. рис 1.4), равностоящей от границ исходной контактной поверхности. Рисунок 1.4 – Вид образцов после осадки с трением на контактных поверхностях Так как по обе стороны от указанных выше линий металл течет в существенно разных направлениях, они называются линиями раздела течения. В направлении большей оси при осадке параллелепипеда действует большая сила сопротивления перемещению, в направлении меньшей оси – меньшая сила. Это приводит к тому, что в процессе деформации меньшие размеры увеличиваются быстрее и происходит выравнивание размеров образца. В результате прямоугольная в начале деформации площадь контакта превращается в несколько искаженный эллипс, все больше в процессе деформации приближающийся к кругу, то есть к фигуре с наименьшим периметром. Таким образом, это правило, называемое правилом наименьшего периметра, вытекает из закона наименьшего сопротивления и является его следствием. Если размер b во много раз больше l , перемещение в направлении стороны b настолько затруднено, что размер b практически не изменяется и деформация образца происходит в условиях, близких плоскому деформированному состоянию, когда одна из главных деформаций равна нулю. В этом случае при прочих равных условиях нормальные контактные напряжения согласно теоретическим выводам должны быть на 15% выше по сравнению с деформацией в условиях линейного деформированного состояния. Наличие контактного трения затрудняет перемещение деформируемого материала относительно рабочей поверхности инструмента. При некоторых соотношениях геометрических размеров и определенных значениях коэффициента трения величина касательных напряжений сил трения достигает значения К (сопротивление чистому сдвигу) и перемещение металла на контактной поверхности становится невозможным. Наряду с зоной скольжения на контактной поверхности образуется зона прилипания. Контактные силы трения определяют характер распределения контактных нормальных напряжений, действующих на рабочую поверхность инструмента (см.рис.1.1). В первом приближении картину их распределения можно получить, деформируя образец бойком, имеющим вертикальную щель. Тогда, если считать, что поведение материала в пластическом состоянии может быть в некоторой степени уподоблено поведению вязкой жидкости, высота затекания материала в щель должна определяться давлением, действующим у края щели, и профиль выдавленного в щель гребня должен соответствовать характеру распределения контактных давлений. Материальное обеспечение 1 Лабораторный гидравлический пресс усилием 39,2 кН. 2 Штангенциркуль, линейка, рейсмус. 3 Образцы из технического свинца со следующими формой и размерами: цилиндрические – h 0 =20 мм, d 0 =20 мм – 2 шт. h 0 =15 мм, d 0 =40 мм - 1 шт.; кубические – h 0 =15 мм, b 0 =15 мм l 0 =15 мм - 2 шт. образцы в форме параллелепипеда– h 0 =15 мм, b 0 =15 мм l 0 =30 мм - 2 шт. Порядок проведения экспериментов Опыт 1. Для выяснения характера поперечной деформации осаживаются образцы круглого, квадратного и прямоугольного сечений с обжатием ε=0,5 , со смазкой и без нее. Перед осадкой образцы тщательно измеряют, а на торцах образцов квадратного и прямоугольного сечений с помощью линейки и рейсмуса наносят линии раздела течения. При осадке образцов фиксируют усилие деформации, величину которого определяют по формуле 4 / 2 n qd P π = , (1.1) где q – давление жидкости в полости пресса; d n - диаметр плунжера пресса. Для выявления влияния трения на характер течения металла и усилие деформации при осадке этот опыт повторяют со смазкой. После осадки эскизируют формы образцов в плане и заполняют таблицы 1.1 и 1.2. Относительное обжатие ε при осадке определяют по формуле 0 1 0 h / ) h h ( − = ε , (1.2) где h 0 , h 1 – высота образца до и после деформации. Опыт 2. Для выявления распределения нормальных контактных напряжений при осадке на прессе осаживают образец (d 0 =40мм и h 0 =15мм). При осадке используют бойки, один из которых имеет вертикальную щель. Форма гребня, полученного в результате осадки, некоторым образом соответствует эпюре нормальных контактных напряжений. В журнале необходимо сделать эскиз образца после деформации. Обработка результатов эксперимента Количественные результаты опытов занести в таблицы 1.1 и 1.2. Проанализировать влияние условий трения на контакте на характер пластического течения металла, на протяженность зон скольжения и прилипания на контактной поверхности, на усилие деформации Р при осадке. Дать объяснения установленных закономерностей и выводы по результатам опытов. Таблица 1.1 – Экспериментальные данные осадки цилиндрических образцов Опыт , его условия D 1, мм h 1, мм D/h Δ h 1, мм P 1 ,кН D б, мм D к, мм d 1, мм d 2, мм d 3, мм d 4, мм d ср , мм ε ,% F к, мм 2 P ср МПа Таблица 1.2 – Экспериментальные данные осадки образцов с прямоугольными и квадратными основаниями Условия опыта h 0 ,мм b 0 ,мм L 0 ,мм h 1 ,мм Δ h 1 ,мм b 1 ,мм B 2 ,мм b 3 ,мм l 1 ,мм L 2 ,мм l 3 ,мм l 4 ,мм ε ,% F , мм P , кН P ср МПа Величину контактной поверхности найти исходя из закона постоянства объема: 1 h / V к F = , (1.3) где V – объем образца. Величину средних контактных напряжений подсчитать по формуле к F / P ср p = . (1.4) На основе анализа результатов эксперимента сделать вывод об особенностях течения металла при осадке образцов различной геометрической формы в различных условиях трения, показав проявление правил подобия и наименьшего периметра. Объяснить различие величин Р ср , возникающих при осадке образцов различной геометрической формы и при осадке одинаковых образцов, но с различными условиями трения. Контрольные вопросы 1 Как влияет трение на контактной поверхности на характер течения металла и усилие деформации при осадке параллельными штампами? 2 В чем проявляется правило наименьшего периметра при осадке образцов прямоугольных сечений? 3 В чем заключается закон наименьшего сопротивления и каково его влияние на характер течения частиц осаживаемого металла? 4 Как определить усилие деформации, что для этого надо знать? 5 Что представляет собой лабораторная установка? 6 Как определяется зона прилипания на контактной поверхности? Чем она характеризуется? 7 Какие условия необходимо создать на контактной поверхности, чтобы уменьшить неравномерность деформации образцов? 8 Каков знак напряжений, возникающих в средней части образцов при образовании бочки? 9 Чем объясняется возможность появления трещин на боковой поверхности образца при образовании бочки? 10 Какова связь между неравномерностью деформации при осадке и механическими свойствами деформированного металла? 11 Зависит ли характер деформации в объеме тела от геометрических параметров очага деформации? 12 В каком случае возможно двойное бочкообразование при осадке цилиндрического образца? 13 В каком случае осадки для реальных условий имеет место радиальная схема течения металла? 2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПРОКАТКЕ. ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА ОБЪЕМА. НАСТРОЙКА СТАНА НА ПРОКАТКУ Цель работы – изучение параметров, характеризующих очаг деформации при прокатке, и закона постоянства объема при пластической деформации; приобретение навыков настройки стана на прокатку полос нужной толщины; построение упругой характеристики рабочей клети стана. Общие указания Параметры очага деформации Рисунок 2.1 – Схема очага деформации при прокатке Часть объема, заключенного между валками и соответствующего объему АВВ 1 А 1 (рисунок 2.1), называют очагом деформации. Экспериментальными исследованиями установлено, что пластическая деформация распространяется также и на зоны, прилегающие к этому объему. В связи с этим объем АВВ 1 А 1 принято называть геометрическим очагом деформации, или контактной зоной деформации. Геометрический очаг деформации характеризуют следующие величины: • высота полосы на входе в валки h 0 и выходе из валков h 1 ; • абсолютное обжатие Δh=h 0 -h 1 ; (2.1) • относительное обжатие ε=Δh/h 0 ; (2.2) • начальная b 0 и конечная b 1 ширина полосы; • абсолютное уширение Δb=b 1 -b 0 ; (2.3) • диаметр рабочих валков D; • угол контакта α, определяемый по формулам D / h 1 cos Δ − = , (2.4) R h 2 1 2 sin Δ = α , (2.5) где R – радиус рабочих валков; горизонтальная проекция дуги контакта l, определяемая по формуле hR l Δ = , (2.6) коэффициенты вытяжки полосы, поперечной и высотной деформаций: 0 l / 1 l F / 0 F = = λ ; 0 1 b b = β ; 0 1 h h = η , (2.7) где F 0 , F 1 – площади поперечного сечения полосы до и после прокатки; средняя высота полосы 2 / ) h 0 h ( cp h 1 + = (2.8) Геометрические характеристики очага деформации (l/h cp , α, b 0 /h 0 или l/h cp , α, b 0 /l) и условия трения на контактной поверхности определяют напряженно-деформированное состояние и кинематику течения металла в очаге деформации. Равенство этих относительных величин (при различных абсолютных размерах очага деформации, но сохранении условий трения на контактных поверхностях) определяет идентичные условия деформации, что может использоваться при моделировании процессов прокатки. Такие величины называют критериями подобия. Закон постоянства объема Опытами установлено, что объем металла в результате пластической деформации практически не изменяется. Незначительное изменение объема при горячей прокатке литого металла связано с его уплотнением, так как завариваются раковины, пустоты, микротрещины. При дальнейшей прокатке уплотненный металл уже сохраняет постоянный удельный вес. Поэтому допускают, что объем металла при обработке давлением остается постоянным. Для тела, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, закон постоянства объема выражается следующим равенством: h 0 b 0 l 0 =h 1 b 1 l 1 , (2.9) где h 0 ,b 0 ,l 0 – высота, ширина и длина параллелепипеда до деформации; h 1 ,b 1 ,l 1 – высота, ширина и длина параллелепипеда после деформации. При прокатке является заданной наперед высотная деформация полосы h 0 /h 1 . Продольная деформация, или вытяжка, λ=l 1 /l 0 может быть определена вполне точно лишь при знании величины поперечной деформации b 1 /b 0 В некоторых случаях (прокатка широких полос, листов 5 h / b 0 0 > ) величиной уширения можно пренебречь. То есть полагать b 0 =b 1 . Тогда из выражения (2.9) находим: h 0 /h 1 =l 1 /l 0 При прокатке толстых листов из слябов, когда ширина сляба недостаточна для того, чтобы прокатать лист требуемой ширины, процесс прокатки ведут в две стадии. Сначала производят прокатку сляба в поперечном направлении до получения необходимой ширины. Для этого раскат прокатывают с "выверсткой", то есть с поворотом в горизонтальной плоскости на 90 0 , при этом вследствие удлинения происходит раскатка исходной ширины, а начальная длина практически не изменяется. Затем, после получения необходимой ширины, раскат опять поворачивают на 90 0 и прокатку ведут в продольном направлении. На практике закон постоянства объема используют при прокатке с "выверсткой" когда необходимо расчетом определить промежуточную толщину h пр , при которой ширина раската достигнет требуемого размера b пр =b 1 . Это можно сделать, используя условие постоянства объема h0b0l0=hпрbпрlпр=h1b1l1. (2.10) Расчет ведут без учета уширения, принимая l0=lпр: hпр=h0 b0 / b1. (2.11) Конечную длину полосы также определяют из уравнения (2.10): ll=hпрbпрlпр/h1b1. (2.12) Настройка стана Настройка стана заключается в регулировке валков и установке требуемого расстояния между валками для получения полосы заданного размера. Регулировка валков с гладкой бочкой сводится к достижению параллельности осей валков. Если валки непараллельны, то одна кромка прокатанной полосы получается тоньше другой. Вытяжка отдельных элементов металла по ширине полосы зависит от величины обжатия, следовательно, после прокатки кромки полосы будут разной длины и поэтому она искривится, Искривление происходит в сторону большей толщины полосы (в сторону меньшей вытяжки). При наличии искривления полосы производят регулировку валков, то есть поджатие одной стороны валков по отношению к другой. Это может быть осуществлено путем раздельной работы нажимными винтами. Регулировка калиброванных валков наряду с установкой валков параллельно друг другу предусматривает совмещение ручьев верхнего валка с соответствующими ручьями нижнего валка. После регулировки валков необходимо установить раствор валков, обеспечивающий прокатку полосы заданной толщины. При этом нужно учитывать, что под действием силы прокатки элементы рабочей клети упруго деформируются. Суммарная упругая деформация состоит из следующего: • упругого прогиба валков и упругого радиального сжатия их бочек и шеек; • упругого сжатия вкладышей, подушек, нажимных винтов; • упругого растяжения (с изгибом) стоек станин; • упругого изгиба верхней и нижней поперечин станин. В результате всех перечисленных деформаций расстояние между валками при прокатке увеличивается и толщина полосы становится больше, чем установленный до прокатки зазор. Следовательно, чтобы получить требуемую толщину полосы h 1 ,необходимо установить раствор валков: h=h1-fc, (2.13) где f с – суммарная упругая деформация клети. При этом упругой деформацией самой полосы, ввиду ее незначительности, можно пренебречь. Величина f с обычно находится из зависимости f с =f(Р), (2.14) которая иногда называется "упругой характеристикой стана". Получают эту зависимость для каждого стана в отдельности экспериментально, путем измерения усилия прокатки и величины упругой деформации рабочей клети. Материальное обеспечение 1 Лабораторный прокатный стан. 2 Микрометр, штангенциркуль. 3 Образцы из технического свинца: h0=8 мм, b0=40 мм, l0=80 мм - 1 шт; h0=5 мм, b0=60 мм, l0= 80 мм - 1 шт. 4 Прямоугольные полосы из алюминия толщиной 1,0…1,5 мм, шириной 20 мм (3 шт.) и 40 мм (3 шт.), длиной 100 мм Порядок проведения экспериментов Работа состоит из трех частей. В первой части изучают геометрические параметры, характеризующие очаг деформации при прокатке, приобретая навыки практического их определения (опыт 1). Во второй части осуществляют опытную проверку закона постоянства объема и применяют его при прокатке с "выверсткой" (опыты 2 и 3). В третьей части приобретают навыки настройки стана на прокатку полосы нужной толщины, определяют упругую деформацию рабочей клети (опыт 4). |