Вытяжка листовых материалов с плоскостной анизотропией механических характеристик

Современные тенденции развития различных отраслей промышленности характеризуются резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям и реализующих экономию материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат. Процессы обработки металлов давлением (ОМД) относятся к числу высокоэффективных, экономичных способов изготовления металлических изделий.

В точном машиностроении, приборостроении, электронной промышленности, автомобильном, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении и в других отраслях получили широкое распространение цилиндрические изделия, изготавливаемые методами глубокой вытяжки из листового материала. К ним предъявляются повышенные требования к механическим характеристикам, размерной точности и качеству поверхности. Значительную роль в формировании показателей качества изготавливаемых цилиндрических деталей играет первая операция вытяжки.

Листовой прокат, подвергаемый штамповке, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением, в частности операций глубокой вытяжки. При вытяжке плоскостная анизотропия проявляется в образовании фестонов (неровного края), что вызывает необходимость в обрезке края деталей и при этом — потерю металла. Образование фестонов сопряжено с неравномерностью толщины стенок деталей и трудностями, связанными со съемом их с пуансона после вытяжки, а также приводит к проявлению расслоений и наплывов.

При разработке технологических процессов глубокой вытяжки из листовых. материалов, обладающих плоскостной анизотропией механических свойств, в настоящее время используют эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитывают механические свойства материала. Во многих случаях это приводит к необходимости экспериментальной отработки процесса вытяжки, что удлиняет сроки подготовки производства изделия.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Минобразования РФ, подпрограммой «Транспорт».

Цель работы. Повышение эффективности процесса вытяжки цилиндрических деталей из ортотропного листового материала с плоскостной анизотропией на основе выявления особенностей формоизменения, позволяющие предсказать их геометрические показатели качества, уменьшить трудоемкость и металлоемкость деталей, сократить сроки подготовки производства.

Расширение представления о механизме формоизменения ортотропных листовых материалов с плоскостной анизотропией механических свойств при вытяжке цилиндрических деталей позволяет на стадии проектирования нового технологического процесса рассчитать напряженное и деформированное состояния, геометрические показатели качества (продольную и поперечную разнотолщинности, степени фестонообразования).

Автор защищает расчетную модель формоизменения фланца при вытяжке в условиях плоского напряженного состояния заготовкирезультаты теоретических и экспериментальных исследований деформированного и напряженного состояния заготовки, геометрических показателей качества деталей (разнотолщинности стенок деталей в окружном и продольном направлениях, степени фестонообразования) на первой операции вытяжки без утонения стенки листового материала с плоскостной анизотропиейметодику построения контура профильной заготовки, который исключает фестонообра-зование деталиэкспериментальные данные об анизотропии механических свойств и константах кривых упрочнения алюминиевого сплава АДО, меди Ml, латуни J163, титанового сплава ВТ1 и стали 0Х18Н10Т с различной исходной толщинойалгоритмы и программы для ЭВМ IBM PC по расчету технологических параметров и показателей качества изготавливаемых деталей на первой операции вытяжки и разработанные технологические процессы изготовления цилиндрических изделий при снижении трудоемкости их изготовления и обеспечения их качества. Научная новизна:

Разработана математическая модель, разработанная на основе метода конечных элементов, формоизменения фланца при вытяжке на первой операции вытяжки цилиндрических деталей из листовых материалов, обладающих плоскостной анизотропией механических свойств, в условиях плоского напряженного состояния заготовки.

Установлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояния заготовки, показателей качества изготавливаемых деталей по критериям разнотолщинности стенок в окружном и продольном направлениях и фестонообразованию от анизотропии механических свойств исходного материала, технологических параметров. Методы исследования. Теоретические исследования процессов глубокой вытяжки выполнены с использованием основных положений механики сплошных сред и теории пластичности анизотропного упрочняющегося телаанализ напряженного и деформированного состояния заготовки на первой операции вытяжки осуществлен методом конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью, использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также использованием результатов работы в промышленности.

Практическая ценность и реализация работы.

• На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и созданы пакеты прикладных программ для ЭВМ IBM PC по расчету технологических процессов глубокой вытяжки цилиндрических изделий из ортотропного материала, обладающего плоскостной анизотропией механических свойств.

• Получены экспериментальные данные об анизотропии механических свойств, константах кривых упрочнения алюминиевого сплава АДО, меди Ml, латуни JI63, титанового сплава ВТ1 и стали 0Х18Н10Т с различной исходной толщиной.

• Разработаны новые технологические процессы изготовления деталей «Корпус колбы» дорожного электронагревателя и «Свисток» бытового чайника методами глубокой вытяжки, которые приняты к внедрению в производство с экономическим эффектом, полученным за счет снижения трудоемкости изготовления и обеспечения их качества.

• Результаты исследований использованы в учебном процессе. Апробация работы. Результаты исследований доложены на отчетной конференции-выставке подпрограммы 205 «Транспорт» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (г. Москва, 2002 г.), на XXVIII и XXIX международных молодежных научных конференциях «Гага-ринские чтения» (г. Москва, 2001 и 2002 г. г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2000 — 2002 г. г.).

Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 7 статьях в межвузовских сборниках научных трудов и в 4 материалах и тезисах Всероссийских и международных научно-технических конференций.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С. П. Яковлеву, д.т.н., доценту Е. М. Селедкину и д.т.н., профессору С. С. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 121 наименования, 3 приложений и включает 120 страниц основного машинописного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы. Общий объем — 176 страниц.

5.4. Основные результаты и выводы.

1. Предложена приближенная методика оценки предельных возможностей формоизменения на первой операции вытяжки цилиндрических деталей из листового материала, обладающего плоскостной анизотропией механических свойств.

2. Установлено, что предельные возможности формоизменения материала необходимо определять не только с учетом известных факторов: минимального значения коэффициента анизотропии, сил трения, напряжений, вызванных изгибом, спрямлением и прижимом, но и учетом таких факторов, как влиянием относительного радиуса закругления пуансона, показателя степени кривой упрочнения. Показано, что предельные возможности формоизменения увеличиваются пропорционально уменьшению относительного радиуса закругления пуансона, поэтому при многооперационной технологии изготовления полых цилиндрических деталей целесообразно использовать пуансоны с наименьшими радиусами закругления. Важным фактором, оказывающим влияние на предельные возможности формоизменения, является упрочнение материала, который характеризуется показателем степени кривой упрочнения. Чем выше показатель степени, тем меньше влияние относительного раднуеа закругления пуансона, тем выше предельные возможности формоизменения.

3. Выполнены экспериментальные исследования первой операции вытяжки цилиндрических деталей из листовых материалов, обладающих существенной анизотропией механических свойств. Исследовались механизмы образования фестонов и изменения толщины стенки деталей из стали 08КП и алюминиевого сплава АМцАМ, обладающих существенной анизотропией механических свойств.

Установлено, что при вытяжке цилиндрических деталей с увеличением степени вытяжки к величина фестонообразования интенсивно возрастает.

Экспериментально подтверждена связь между расположением фестонов относительно направления прокатки и формой изменения коэффициента анизотропии гр. Показано, что при вытяжке в связи с фестонообразованием толщина заготовки по фестону и впадине изменяется неодинаково: по впадине утолщение больше, чем по фестону. Причем степень изменения толщины по впадине и фестону зависит от коэффициентов анизотропии в направлениях образования фестонов и впадин и степени вытяжки к. Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных указывает на хорошее их согласование.

4. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров процесса глубокой вытяжки цилиндрических деталей, которые использованы при разработке новых технологических процессов изготовления деталей «Корпус колбы» дорожного электронагревателя и «Свисток» бытового чайника.

5. Материалы диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в ряде лекционных курсах при подготовке бакалавров направления 551 800 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 651 400 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 120 400 «Машины и технология обработки металлов давлением».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в повышении эффективности процесса вытяжки цилиндрических деталей из ортотропного листового материала с плоскостной анизотропией на основе выявления особенностей формоизменения, позволяющие предсказать их геометрические показатели качества, уменьшить трудоемкость и металлоемкость деталей, сократить сроки подготовки производства.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Разработаны основные уравнения и соотношения, необходимые для теоретического анализа процессов пластического формоизменения анизотропного упрочняющегося материала, реализуемых в условиях плоского напряженного состояния заготовки, методом конечных элементов.

2. Выполнены экспериментальные исследования по определению коэффициентов анизотропии, условных пределов текучести, временного сопротивления, относительного удлинения после разрыва, относительного максимального сужения площади поперечного сечения, равномерного относительного удлинения, равномерного относительного поперечное сужение и констант кривых изотропного упрочнения алюминиевого сплава АДО, меди Ml, латуни JI63, титанового сплава ВТ1 и стали 0Х18Н10Т с различной исходной толщиной 5оПоказано, что для большинства исследуемых листовых материалов величина коэффициента анизотропии гр существенно зависит от угла вырезки образца относительно направления прокатки (3. Хорошее согласование (с погрешностью в среднем до 5%) экспериментальных данных по изменению сопротивления материала пластическому деформированию а5р в зависимости от степени логарифмической деформации 8р и угла вырезки, образца Р с расчетными позволило судить о справедливости принятой выше гипотезы об изотропном упрочнении анизотропного материала.

3. Создана расчетная модель формоизменения фланца при вытяжке в условиях плоского напряженного состояния круглой заготовки с плоскостной анизотропией механических свойств. Выявлена рациональная аппроксимация конечными элементами расчетной области. Выбран рациональный тип КЭ, способ разбивки на элементы, число КЭ, сгущение сетки в заданных местах и некоторые другие факторы. Предложен алгоритм расчета поставленной задачи исследования.

Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по формоизменению фланца круглой заготовки, при вытяжке которой образуются четыре фестона.

4. Выявлен механизм образования фестонов, который связан с неоднородным характером течения материала во фланце. Радиальные скорости течения по осевой впадины больше, чем по осевой фестона. Установлено, что направления образования фестонов зависит от характеристик анизотропии, а их высота также зависит и от степени деформации. В зависимости от величин коэффициентов анизотропии гр высота всех фестонов может быть равной при т" о = год (сплав АМцАМ) или попарно равной (сталь 08КП). Фестоны образуются в направлении максимальных величин коэффициентов анизотропии и.

Установлены закономерности образования разнотолщинности стенок цилиндрических деталей в окружном и продольном направлениях на первой операции вытяжки. Показано, что при вытяжке толщина заготовки по фестону и впадине изменяется неодинаково: по впадине утолщение больше, чем по фестону. Причем степень изменения толщины по впадине и фестону зависит от коэффициентов анизотропии в направлениях образования фестонов и впадин и степени вытяжки к. Изменение толщины стенки стакана по образующей во впадине увеличивается с ростом степени вытяжки и достигает величины более 50% для сплава АМцАМ и более 30% для стали 08КП при значениях степени вытяжки ?>1,7. Максимальная степень изменения толщины стенки по периметру уменьшается с уменьшением степени вытяжки. Величина степени изменения толщины стенки стакана по периметру составляет более 40% при коэффициенте вытяжки к> 1,7 как для стали 08КП так и для сплава АМцАМ.

На основе решения обратной задачи построен контур профильной заготовки, который исключает фестонообразование детали на первой операции вытяжки.

Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных указывает на хорошее их качественное и количественное согласование.

5. Исследовано распределение радиальных, окружных, сдвиговых деформаций и соответствующих напряжений во фланце заготовки на различных стадиях формоизменения фланца.

Установлено, что анизотропия механических свойств в плоскости листовой заготовки оказывает существенное влияние на величину распределение деформаций и напряжений во фланце при его деформировании.

6. Предложена приближенная методика оценки предельных возможностей формоизменения на первой операции вытяжки цилиндрических деталей из листового материала, обладающего плоскостной анизотропией механических свойств. Установлено, что предельные возможности формоизменения материала необходимо определять не только с учетом: минимального значения коэффициента анизотропии, сил трения, напряжений, вызванных изгибом, спрямлением и прижимом, но и учетом таких факторов, как влиянием относительного радиуса закругления пуансона, показателя степени кривой упрочнения. Показано, что предельные возможности формоизменения увеличиваются пропорционально уменьшению относительного радиуса закруг.

144 ления пуансона, поэтому при многооперационной технологии изготовления полых цилиндрических деталей целесообразно использовать пуансоны с наименьшими радиусами закругления. Важным фактором, оказывающим влияние на предельные возможности формоизменения, является упрочнение материала, который характеризуется показателем степени кривой упрочнения. Чем выше показатель степени, тем меньше влияние относительного радиуса закругления пуансона, тем выше предельные возможности формоизменения.

7. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров процесса глубокой вытяжки цилиндрических деталей, которые использованы при разработке новых технологических процессов изготовления деталей «Корпус колбы» дорожного электронагревателя и «Свисток» бытового чайника.

8. Материалы диссертационной работы также использованы в учебном процессе.