Механика обработки металлов давлением. Учебник для вузов. Колмогоров В. Л. М.: Металлургия, 1986. 688 с.




УДК 621.771(075.8)
Изложены теория пластичности и в общих положениях теория обработки металлов давлением. Показано единство расчетных и экспериментальных методов, их сочетание в инженерной работе. Изложены новые направления в теории обработки металлов давлением. Материал иллюстрирован примерами, снабжен методическими указаниями, приведены решения конкретных практических задач. Учебник предназначен для студентов, специализирующихся в области обработки металлов давлением, может быть полезен аспирантам. Ил. 228, Табл. 4. Библиогр. список: 77 назв.
Книга объединяет тесно связанные друг с другом предметы «Тео-рия пластичности» и «Теория обработки металлов давлением» в общих их положениях в рамках учебного плана по специальности «Обработка металлов давлением». В книге освещены некоторые вопросы, входящие в новые предметы «Организация эксперимента» (гл. 8, 9) и «Теория
систем» (гл. 13).
В основу книги положены материалы лекции для инженеров-производственников и инженеров-исследователей и результаты многолетнего преподавания указанных выше предметов в Уральском орденов Трудового Красного Знамени СССР и МНР политехническом институте им. С. М. Кирова. Опыт показал, что содержание лекций хорошо усваивается студентами II—III курсов.
Современная отечественная наука об обработке металлов давлением развилась благодаря усилиям крупных научных школ, находящихся в Москве, Ленинграде, Минске, Свердловске, Днепропетровске, Туле, Магнитогорске, Новокузнецке и других городах СССР. Имея общую платформу, каждая школа развивает преимущественно какую-то определенную сторону науки. В книге рассмотрены, по мнению автора, все основные положения, составляющие общую платформу отечественной теории обработки металлов давлением.
Курс математики, читаемый в вузах, довольно широкий и общий, поэтому некоторым частным положениям, которые особенно нужны в той или иной прикладной науке, не уделено должного внимания. Автор в книге обратился к некоторым математическим вопросам, чтобы избежать разрыва между общностью преподавания математики по программе, утвержденной в 1979 г., и конкретной потребностью в ряде специальных приложений. Автор полагает, что книга может быть полезной при формировании рабочих программ спецкурсов высшей математики на последних семестрах ее изучения студентами, специализирующимися в области обработки металлов давлением. Материал, относящийся к математике, выходящий за рамки программ указанных теоретических курсов специальности и носящий вводный характер, выделен петитом (гл. 1, 5, частично 4, 7 и 13).
В книге помещены дополнительные материалы, предназначенные для аспирантов и преподавателей и для проведения факультативных занятий.
Эти разделы также выделены петитом. В конце каждого пункта приведены упражнения, а в конце глав — контрольные вопросы.
Во второй части (гл. 7) материалу придано более общее и строгое изложение.
В некоторых случаях даны математические выкладки, необходимые для того, чтобы не создавать читателю дополнительные трудности при освоении такого сложного курса, как «Теория обработки металлов давлением».
Автор признателен А. В. Коновалову, С. И. Паршакову, Ю. Н. Логинову, Б. А. Мигачеву, которые оказали помощь в создании книги. Особенно благодарен А. В. Выдрину, Р. Е. Лаповок, В. Г. Зубаревой и Ь. А. Воробьевой за помощь в оформлении рукописи.
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 одной 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» — предме-
ты 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 приня тия специальных гипотез и постановки соответствующих экспериментов. Такие физические уравнения называют феноменологическими уравнениями1. Разделы механики 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 предмет «Сопротивление материалов» — прикладной раздел теории 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».