CC BY
89
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.374; 621.983
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКЛАДКООБРАЗОВАНИЯ АНИЗОТРОПНОЙ ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ВЫТЯЖКЕ
С.С.Яковлев,К.С. Ремнев, А.Е.Калашников, В.А.Коротков
Изложены результаты экспериментальных исследований складкообразования анизотропных листовых заготовок при вытяжке. Установлено, что результаты экспериментальных исследований качественно и количественно согласуются с теоретическими данными.
Ключевые слова: анизотропия механических свойств, эксперимент, вытяжка, пуансон, матрица, напряжение, устойчивость, складкообразование, коэффициент вытяжки.
В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли осесимметричные детали, изготавливаемые методами глубокой вытяжки, к которым предъявляются высокие требования по качеству, точности геометрических размеров, чистоте поверхности, уровню механических свойств. Эти требования по экономическим причинам следует выполнять при минимальном количестве технологических операций.
В процессе пластического формообразования листовой заготовки ее сжато-растянутые участки могут потерять устойчивость вследствие пластического выпучивания с образованием волнистости. Возникновение волнистости приводит к нарушению нормального течения процесса формообразования, образованию складок и браку изделия [1 - 5].
Листовой прокат, подвергаемый штамповке, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением [5 - 11].
Целью экспериментальных исследований являлось определение предельных возможностей вытяжки плоских круглых заготовок без обра-
зования складок для материалов, имеющих плоскостную анизотропию механических свойств и изотропное упрочнение.
Эксперимент проводили на испытательном комплексе «ЩБТКОК 59-82» (рис. 1). Испытательный комплекс позволяет с высокой точностью регистрировать силу вытяжки, перемещение пуансона в процессе выполнения операции и полученные результаты выводить в виде графиков и таблиц.
Рис. 1. Испытательный комплекс «INSTRON 59-82» с установленной опытной штамповой оснасткой для вытяжки
Для проведения экспериментов использовалась опытная штамповая оснастка для вытяжки, показанная на рис. 2. Использовались радиальная матрица диаметром dм = 36,6 мм с радиусом закругления рабочего профиля гкм = 4 мм; пунсоны диаметрами dп = 33,6 мм или dп = 33,0 мм в зависимости от толщины исследуемого материала с радиусом закругления рабочего профиля гкп = 4 мм.
Выбор толщины листового материала проводился с использованием эмпирической формулы Шофмана
D - d1 < (18-22) • s0, (1)
где D - диаметр плоской заготовки; dl- диаметр матрицы; ^о- толщина. заготовки.
Опытная штамповая оснастка позволяла осуществлять вытяжку заготовок диаметром не более 60 мм. При соблюдении неравенства (1) процесс вытяжки проходит без образования складок для заготовок толщиной ^0 ^ 1,1... 1,3 мм.
I 2
Рис. 2. Опытная штамповая оснастка: 1 - матрицедержатель;
2 - матрица, 3 - пуансон; 5 - центратор
Исследования проводились на опытной штамповой оснастке без прижима листовых заготовок из материалов: сталь 08кп и латунь Л 63 соответственно толщиной ^о=1,2 мм и ^о = 1,42 мм.
Для определения влияния механических свойств и плоскостной анизотропии механических свойств материала на процесс складкообразования проводились экспериментальные исследования по одноосному растяжению плоских образцов, вырезанных в направлениях 0, 45, 90° относительно направления прокатки, на испытательном комплексе «ШБТКОК 59-82». В каждом направлении вырезалось не менее 10 образцов. По результатам испытания на растяжение определялись в соответствии с ГОСТ 11701-84 предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, коэффициенты плоскостной анизотропии (табл. 1).
Таблица 1
Результаты испытаний на растяжение плоских образцов из стали 08кп и латуни Л63 по ГОСТ 11701-84
Материал Направление Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относит. удлинение, % Коэффициент анизотропии
Сталь 08к 9 О о 183,1 315,3 50,4 1,450
0° 162,1 299,2 49,2
4 о 187,3 327,8 42,8 1,130
Латунь Л63 9 О о 106,5 308,8 69,5 0,943
0°
4 о
Из табл. 1 следует, что сталь 08кп обладает плоскостной анизотропией, а латунь Л63 - трансверсально-изотропна.
Использовалась кривая упрочнения вида
О = 0о + А , (2)
где оI о - интенсивность напряжений при пределе текучести, А - константа
материала, п - показатель деформационного упрочнения, 8/ - интенсивность деформаций. По результатам обработки графиков «сила-удлинение» рассчитывались интенсивности напряжений и интенсивности деформаций на различных этапах растяжения. Это позволило осуществить аппроксимацию экспериментальных точек кривой упрочнения вида (2) методом наименьших квадратов (рис. 3).
Для исследуемых материалов получены следующие кривые: для стали 08кп
ог = 178,87 + 478,23 8г0’502 ± 11,2(3,5 %), (3)
для латуни Л63
ог = 105,95 + 638,88ег0’665 ± 5,2 (1,8 %). (4)
МПа
400
300
200
&
/
О 0:1 0,2 0;3 £:
а
0 0,1 0,2 0,3 0,4
б
Рис. 3. Кривая упрочения: а - сталь 08кп; б - латунь Л63
Исследование устойчивости плоской заготовки к складкообразова-
нию при вытяжке проводили по следующей методике. Изготавливались кружки различного диаметра от 47 до 60 мм. Осуществлялась вытяжка кружков в 3 этапа на заданную глубину. Испытанию подвергалось не менее 6 кружков. После каждого этапа определялись: конечный диаметр, наличие, высота и количество складок. Результаты поэтапной вытяжки без прижима приведены в табл. 2.
Образцы из латуни Л63 после испытаний при различной глубине внедрения пуансона И представлены на рис. 4.
Таблица 2
Результаты поэтапной вытяжки без прижима
Материал Диаметр заготовки йо, мм Коэффициент вытяжки тй Г лубина внедрения пуансона И, мм Конечный диаметр йк, мм Высота гофр АИ, мм Число гофр і
Сталь 08 кп 59,5 0,590 3,5 58,6 0,9 4
6,0 56,8 1,9 5
55,0 0,638 3,5 54,0 0,1 2
6,0 51,8 1,1 7
50,0 0,702 3,5 48,8 нет нет
6,0 46,3 0,2 3
48,0 0,731 3,5 47,0 нет нет
6,0 44,2
до конца 35,1
Латунь Л63 59,9 0,581 6,0 57,2 1,5 6
9,0 54,8 1,9 8
6,0 55,5 0,8 6
9,0 52,5 1,5 9
6,0 53,4 0,6 5
9,0 50,0 1,3 9
54,0 0,644 6,0 51,3 0,2 8
9,0 47,8 1,0 8
49,0 0,710 9,0 41,4 нет нет
до конца 34,8 0,1 8
47,0 0,740 9,0 40,2 нет нет
до конца 34,8
Рис. 4. Образцы из латуни Л63 после испытаний: а - исходная заготовка; б - заготовка при И = 6,0 мм; в - заготовка при И = 9,0 мм; г - колпачок;
1 - йо = 59,9 мм; 2 - йо = 58,0 мм; 3 - йо = 56,0 мм; 4 - йо = 54,0 мм;
5 - й0 = 49,0 мм; 6 - й0 = 47,0 мм
Полученные результаты позволили определить зависимость высоты гофр АН от коэффициента вытяжки т^ при фиксированной глубине внедрения пуансона Н (рис. 5).
0.55 0,60 0,65 0,70 тА 0,55 0,60 0,65 0,70 т#
а б
Рис. 5. Зависимость высоты гофр от коэффициента вытяжки: а - сталь 08кп; б - латунь Л63;
1 - Н = 3,5мм; 2 - Н = 6,0мм; 3 - Н = 9,0мм
Из графиков следует, что высота гофр меняется практически линейно. Это позволяет провести аппроксимацию экспериментальных точек линейной функцией вида
АН = а ■ т^ + Ь (5)
методом наименьших квадратов. Константы линейной функции показаны в табл.3.
Таблица 3
Константы линейной функции (5) для определения высоты гофр АН
Материал Г лубина внедрения пуансона
Н = 3,5 Н = 6,0 Н = 9,0
а, мм Ь, мм а, мм Ь, мм а, мм Ь, мм
Сталь 08 кп -16,67 10,73 -15,12 10,79 - -
Латунь Л63 - - -13,70 9,05 -12,56 9,09
Проведенные эксперименты по вытяжке плоских заготовок, результаты которых приведены в табл. 4, позволяют определить такое геометрическое соотношение толщины заготовки к ее диаметру , при котором гофрообразование прекращается (АН = 0) при фиксированной глубине внедрения пуансона Н . Примем это геометрическое соотношение размеров заготовки как характеристику устойчивости материала заготовки при вы-
тяжке, которую назовем «относительная критическая толщина»:
^кр = Яо/3о . (6)
Таблица 4
Результаты исследований устойчивости к складкообразованию
Материал Толщина ^0, мм Диаметр заготовки ^0, мм Коэффициент вытяжки т^ Г лубина вытяжки Н , мм Относительная критическая толщина ? кр
Сталь 08кп 1,2 54,5 0,644 3,5 0,0220
49,2 0,714 6,0 0,0244
48,0 0,731 > 6,0 < 0,0250
Латунь Л63 1,42 52,7 0,661 6,0 0,0269
48,1 0,723 9,0 0,0295
47,0 0,740 > 9,0 < 0,0302
Из графиков (рис. 5) и табл. 4 видно, что на складкообразование оказывают влияние следующие факторы: коэффициент вытяжки, глубина внедрения пуансона и механические характеристики материала заготовки.
С увеличением коэффициента вытяжки при фиксированной глубине внедрения пуансона уменьшается высота гофр до момента прекращения гофрообразования. Например, для стали 08кп при глубине внедрения Н = 3,5 мм и коэффициенте вытяжки т^ = 0,644 высота гофр АН = 0 . Это позволяет найти относительную критическую толщину на рассматриваемом этапе вытяжки ? кр = 0,0220.
С увеличением глубины вытяжки момент прекращения гофрообра-зования наступает при больших значениях коэффициента вытяжки. Например, для стали 08кп при глубине внедрения Н = 6,0 мм и коэффициенте вытяжки тз = 0,714 высота гофр АН = 0 . Это позволяет найти относительную критическую толщину на рассматриваемом этапе вытяжки ? кр = 0,0244.
Из приведенных примеров видно, что с увеличением глубины вытяжки возрастает относительная критическая толщина заготовки, однако при дальнейшем увеличении коэффициента вытяжки наступает момент, при котором складкообразование отсутствует на всех этапах процесса вы-
тяжки. Примем эту величину как предельную относительную критическую
толщину ?материала. Для стали 08кп относительная критическая тол-
-пр
щина ґкр будет удовлетворять неравенству
0,0244 < гПР £ 0,0250
а для латуни Л63 -
0,0295 < гпр £ 0,0302. Из выражений (7) и (8) следует:
(7)
(8)
для стали 08кп ґПщ) = 0,0247 ± 0,0003;
для латуни Л63 ґ Пщ) = 0,0299 ± 0,0004.
По результатам эксперимента были получены различные значения
ґКр для стали 08 кп и латуни Л63, что связано с различными механическими характеристиками материала. Экспериментально установлено, что латунь Л63 менее устойчива к складкообразованию, чем сталь 08кп.
При вытяжке колпачков строили диаграмму «сила - перемещение» (рис. 6).
-пр
а
б
Рис. 6. Диаграмма «сила - перемещение»: а - сталь 08кп, т^ = 0,731, б - латунь Л63, т^ = 0,740.
Меньшие значения силы при вытяжке колпачка из латуни Л63 объясняются более низкими прочностными свойствами латуни, чем стали 08кп.
Результаты экспериментальных исследований качественно и количественно согласуются с теоретическими данными, опубликованными в
работах [1, 3, 5, 11 - 14].
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 1408-00066 а.
Список литературы
1. Шофман Л. А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1964. 365 с.
2. Бебрис А. А. Устойчивость заготовки в формообразующих операциях листовой штамповки. Рига: Зинатие, 1978. 125с.
3. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
4. Ковка и штамповка: справочник: Т. 4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
5. Головлев В. Д. Расчеты процессов листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1974. 136 с.
6. Адамеску Р.А., Гельд П.В., Митюшков Е.А. Анизотропия физических свойств металлов. М.: Металлургия, 1985. 136 с.
7. Микляев П.Г., Фридман Я.Б. Анизотропия механических свойств металлов. М.: Металлургия, 1986. 224 с.
8. Гречников Ф.В. Деформирование анизотропных материалов. М.: Машиностроение, 1998. 446 с.
9. Яковлев С.П., Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.
10. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 331 с.
11. Яковлев С.С., Кухарь В. Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2012. 400 с.
12. Кухарь В. Д., Яковлев С. С., Ремнев К. С. Влияние технологических параметров на образование складок при вытяжке осесимметричных деталей из анизотропного материала // Кузнечно-штамповочное производство. 2011. № 12. С.3-10.
13. Грязев М.В., Яковлев С.С., Ремнев К.С. Гофрообразование при вытяжке осесимметричных деталей из анизотропных материалов // Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии». Санкт-Петербург, 2013. С. 331-336.
14. Рузанов Ф.И. Определение критических деформаций при формообразовании детали из анизотропного листового металла // Машиноведение. 1974. № 2. С. 103 - 107.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой
[email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ремнев Кирилл Сергеевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Калашников Андрей Евгеньевич, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Коротков Виктор Анатольевич, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL RESEARCHES ANISOTROPIC FOLDING THE BLANK WORKPIECES
AT DRAWING
S.S. Yakovlev, K.S. Remnev, A.E. Kalashnikov, V.A. Korotkov
The results of experimental researches of anisotropic fold formation sheet preparations upon drawingare expounded. It is founded, that the experimental results quality and quantity are consistent with theoretical data.
Keywords: anisotropy of mechanical properties, experiment, hood, punches, dies, voltage, resistance, wrinkling, the reduction ratio.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, the head of chair, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Remnev Kirill Sergeevich, candidate of technical sciences, associate professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kalashnikov Andrey Evgenievich, postgraduate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korotkov Victor Anatolievich, candidate of technical sciences, Senior Researcher, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
