Оценка влияния лазерного излучения на анизотропию пластичности листовых материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

УДК 621.7:621.98.044:539.214

Оценка влияния лазерного излучения на анизотропию пластичности листовых материалов

Е. П. Орлова, В. В. Поветкин

В статье представлен метод снижения коэффициента анизотропии пластичности лазерным излучением металлов и сплавов, наиболее используемых в листовой штамповке. Дана оценка зависимости предельной пластичности и коэффициента анизотропии пластичности от времени воздействия лазерного излучения в плоскости листа.

Ключевые слова: листовая штамповка, анизотропия, пластичность, лазерное излучение.

Анизотропия механических свойств существенно влияет на силовые режимы, распределение деформации и напряжений в заготовке, технологические параметры процессов обработки металлом давлением, особенно листовой штамповки. В ряде случаев она приводит к затруднениям в создании устойчивых технологических процессов, а иногда оказывает положительное влияние, поэтому исследованию анизотропии уделяется все большее внимание.

В большинстве случаев листовые материалы, применяемые для листовой штамповки, в той или иной степени обладают анизотропией механических свойств, а от степени анизотропии зависят показатели штампуемости и устойчивость процессов, причем на степень анизотропии материала влияют режимы его прокатки и термической обработки [1].

При глубокой вытяжке полых деталей плоскостная анизотропия проявляется в образовании фестонов (неровных краев), что вызывает необходимость обрезки краев деталей и потери металла. Кроме того, образование фестонов приводит к появлению расслоений и наплывов, что связано с неравномерностью толщины стенок деталей и трудностями, возникающими во время съема их с пуансонов после вытяжки. Степень фестонообразования зависит от степени анизотропии материала и технологических параметров вытяжки. При вытяжке анизотропных материалов в связке с фестонообразованием, обусловленным различием механических свойств в разных направлениях, толщина стенки изменяется не только по образующей, но и по периметру,

причем в большей степени изменение толщины происходит по впадине и в меньшей — по фестону. Очевидно, что в этом случае разно-толщинность стенки по образующей и по периметру характеризует качество и точность вытянутого стакана.

Учитывая последствия анизотропии механических свойств листового металла для технологических процессов, становится очевидной актуальность поисков эффективных способов устранения или уменьшения анизотропии. Одним из прогрессивных методов улучшения физико-механических свойств металлических материалов является лазерное воздействие [2-4], к особенностям которого относят то, что плотность мощности сфокусированного излучения может превосходить все существующие источники нагрева. Целесообразность применения данного метода и его преимущества определяются возможностью бесконтактного, строго дозированного, интенсивного подвода энергии на поверхность изделия.

Цель работы — экспериментально определить характер влияния лазерного излучения на анизотропию металлов и сплавов, используемых в листовой штамповке.

Для получения заданной достоверности результатов проводилось планирование эксперимента [5], который рассматривался как двухфакторный: в качестве факторов были приняты время и интенсивность лазерного излучения. Неизменными оставались длина волны излучения и скорость деформирования. Использовался газовый лазер типа ЛГН-222, длина волны 0,63 мкм, мощность

ЧЕТАППООЕ

50 мВт. Время излучения варьировалось в интервалах 1, 10, 20, 30 мин.

Для проведения экспериментальных исследований спроектирована и изготовлена специальная лабораторная установка, состоящая из лазера и разрывной машины (рис. 1). Лазер 1 укреплен на регулируемой подставке. Излучение 2 попадает на зеркало 3 и, отражаясь, попадает на ленту или полосу металла 7. Для сканирования в плоскости листа призма с зеркалом движется в направляющих 4 под действием приводов 5 и 6. Металл движется в плоскости, перпендикулярной к чертежу. Таким образом, создается плоская развертка луча лазера. Скорость ю привода 6 и скорость подачи металла 7 подбирают таким образом, чтобы выдерживался интервал 10-20 мин обработки, установка может работать полностью в автоматическом режиме.

Исследовали стали 08кп, 12Х18Н10Т, медь М4, латуни Л90 и Л63, мельхиор МН19, наиболее используемые для листовой штамповки. Так, доля использования в процессах листовой штамповки стали 08кп составляет более 50 % от всего объема штампуемых деталей. Металлический лист — в состоянии поставки по ГОСТ 5582-75, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 9045-70 и ГОСТ 1050-74 толщиной 0,5 и 1,0 мм. Испытание на растяжение плоских образцов проводилось по ГОСТ 1497-84. Все образцы (по 90 каждого вида материала и толщины) вырезали в пределах одного листа под углами 0, 45, 90° по отношению к направлению прокатки.

Предварительно перед испытанием на рабочей длине образцов наносили размерную сетку с базой 0,2 мм, с ошибкой определения размеров, не превышающей 0,5 °%, по методике, изложенной в работе [6].

Поскольку коэффициент анизотропии не зависит от степени деформации [1] (при испытании на растяжение), то для получения наиболее точных результатов стороны размерной сетки измеряли по достижении предельно

7

возможной равномерной деформации, соответствующей разрыву образца. Вычисляли деформации образца по ширине еЬ, длине г1 и толщине ей:

еЬ = 1п

Ьк Ь

„ = Ь

= -(еЬ Ь

где Ьк, 1к — размеры сетки после деформации; Ь0, 10 — размеры сетки до деформации.

Для каждого вида металла и толщины проводилось по девять серий экспериментов (по десять образцов в каждой серии): разрыв образца без воздействий лазерного излучения, разрыв образца при лазерном воздействии с выдержкой 1, 10, 20 и 30 мин. Четыре последние серии повторяли дважды при различной интенсивности лазерного излучения.

Интенсивность изменялась специальным оптическим устройством и выражалась в изменении площади пятна излучения на плоскости образца. Использовалось четырехкратное изменение площади пятна (уменьшение диаметра пятна в два раза). Для получения однородности облучения применялось сканирование пятном лазера по плоскости листа.

Результаты экспериментальных исследований рассматривали в следующих аспектах: количественное влияние лазерного излучения на анизотропию пластичности и упрочнения и качественное объяснение механики этих эффектов исходя из изменения структуры металлов при лазерной обработке.

Для каждой серии экспериментов определяли логарифмические деформации и рассчитывали предельную пластичность и коэффициент анизотропии пластичности:

Ъ -] X . ;

(1)

хр =

)2 + (£ь ~Е1 )2 + (£1 ~ЕЬ )2, (2)

4 3

Рис. 1. Схема установки для образования развертки лазерного луча в плоскости листа

где Хр — интенсивность деформаций при разрушении (предельная пластичность); Ь, ] — направления в плоскости листа относительно линии прокатки; еЬ, ей, г1 — логарифмические деформации по ширине, толщине и длине листа.

По этим данным строились соответствующие графики (рис. 2-4 и табл.). Графики строились по результатам статистической обработки результатов экспериментов; значения пластичности и коэффициента анизотропии пластичности приняты среднестатистически-

6

р

0,5

0,45

0,35

0,3

0,25

12Х18Н10Т

Л63

Л90

08 кп

МН19

М4

0,15

0 5 10 15 2 0 2 5 3 0 35 40 45 50 55 6 0 65 70 75 8 0 85 90 I,

Рис. 2. Зависимость предельной пластичности от направления в плоскости листа без воздействия лазерного излучения для различных металлов

ми по каждой серии опытов. Среднеквадра-тическая погрешность для каждого металла в каждой серии экспериментов различна, но наибольшая из них не превышает 0,03 для коэффициента анизотропии и 0,005 для предельной пластичности при доверительной вероятности 0,95.

Анализируя зависимость на рис. 2, можно сделать следующие выводы.

Исходная толщина металла в пределах 0,51,0 мм не оказывает влияния на пластичность и ее распределение в плоскости листа, что хорошо согласуется с результатами других авторов [1, 7, 8].

Пластичность различных металлов в плоскости листа неодинаково зависит от направ-

ления относительно линии прокатки. Пластичность меди М4 монотонно возрастает, и наибольшее значение принимает в направлении, перпендикулярном к линии прокатки. Пластичность мельхиора МН19 и стали 08кп имеет максимум при направлении 45° к линии прокатки, а в направлении, перпендикулярном к линии прокатки, имеет значение, большее, чем вдоль линии прокатки.

Иную зависимость в плоскости листа имеет пластичность латуни Л90, томпака Л63 и стали 12Х18Н10Т. Наибольшее значение достигается вдоль линии прокатки, а наименьшее — поперек. Между этими значениями пластичность монотонно уменьшается, не имея экстремумов.

Таблица

Результаты экспериментальных исследований влияния лазерного излучения на анизотропию пластичности листового металла

Исследуемый материал Без воздействия лазера Время воздействия, мин

1 10 20 30

^0-45 ^0-90 ^0-45 ^0-90 ^0-45 ^0-90 ^0-45 ^0-90 ^0-45 ^0-90

08кп 0,85 0,87 0,98 0,98 0,99 0,99 1,01 1,01 1,02 1,02

М4 0,76 0,63 0,92 0,93 0,98 0,98 0,99 1,01 1,01 1,03

12Х18Н10Т 1,49 1,55 1,28 1,3 1,01 1,05 1,02 1,03 1,09 1,11

Л63 1,60 1,65 1,34 1,36 1,02 1,04 1,02 1,03 1,04 1,06

Л90 1,47 1,59 1,36 1,38 1,01 1,02 1,01 1,02 1,02 1,05

МН19 0,78 0,82 0,93 0,94 0,98 0,98 0,99 1,00 1,01 1,01

О,

Резко изменяется картина распределения пластичности в плоскости при воздействии лазерного излучения (рис. 3). Для всех металлов в этом случае наибольшая пластичность наблюдается вдоль линии прокатки, а наименьшая — поперек. Относительное изменение пластичности в плоскости листа зависит от времени воздействия лазерного излучения, особенно это заметно для стали 12Х18Н10Т. Наименьшее относительное изменение замечено в интервале 10-20 мин. Для установления более точной зависимости полученные результаты обрабатывались методом математической статистики.

В целях выяснения поведения кривых пластичности при £, равном 5, 15 и 25 мин, для определения «пиков» или «провалов» воспользуемся методом Монте-Карло. Суть метода заключается в следующем: на основе решения задачи в узкой известной области можно построить решения этой задачи в более широкой области с достоверностью, равной вероятности появления суммарных событий.

Для решения своей задачи воспользуемся методом полиномного моделирования, с помощью которого были получены значения предельной пластичности в заданных точках. Найденные значения не выбиваются из области ранее найденных значений X.

С уменьшением и увеличением времени воздействия излучения увеличивается раз-

брос значений пластичности в плоскости листа. Этот факт ярко выражен на рис. 4.

Прямыми линиями на графике отмечен доверительный интервал, равный 2|ст|, т. е. интервал значений коэффициента анизотропии пластичности Ъг_у-, в котором с заданной наперед точностью (3 %) находятся удовлетворяющие понятию изотропии значения этого коэффициента.

Изменение интенсивности излучения в пятне в проведенных исследованиях не дало заметных результатов.

Выводы

1. Лазерное излучение, воздействуя на металлы, позволяет создать изотропную структуру пластичности в плоскости листа для основной массы металлов, используемых в настоящее время в листовой штамповке.

2. В интервале времени (10-20 мин) воздействия лазерного излучения материал становится изотропным — коэффициент анизотропии пластичности становится равным единице.

3. Использование описанной методики повышения пластичности металлов и снижения коэффициента анизотропии пластичности обеспечивает получение качественных и точных вытянутых полуфабрикатов.

хр 0,45

0,35

0,25

Л63 (1 мин) Л63 (30 мин) Л63 (10 мин) 12Х18Н10Т (1 мин) 12Х18Н10Т (30 мин) 12Х18Н10Т (10 мин)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Ь, град Рис. 3. Распределение пластичности в плоскости листа при воздействии лазерного излучения

k

i = 45, 12Х18Н10Т i = 90, 12Х18Н10Т i = 012Х18Н10Т i = 0,08 кп i = 45,08 кп i = 90,08 кп

12,5 15 17,5

22,5 25 27,5 t, мин

Рис. 4. Зависимость коэффициента анизотропии пластичности от времени воздействия лазерного излучения в плоскости листа

Литература

1. Яковлев С. П., Кухарь В. Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.

2. Masaki K. Effects of laser peening treatment on high cycle fatigue properties of degassing — processed cast aluminum alloy // Materials science and engineering: A. 2007. Vol. 468-470. P. 171-175.

3. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки / Под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 664 с.

4. Мурзин С. П., Осетров Е. Л. Исследования температурных полей в конструкционной стали при воздействии лазерных потоков, сформированных фоку-

саторами излучения // Компьютерная оптика. 2007. Т. 31. № 3. С. 59-61.

5. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. М.: Мир, 1980.

6. О некоторых факторах, влияющих на точность измерения делительных сеток, используемых при изучении локальных деформаций / И. П. Ренне [и др.] // Изв. вузов. Машиностроение. 1965. № 6.

7. Galinowski J. Using the planar anisotropy in sheet metal to facilitate the production of deep-drawn cups // Sheet Metal Inds. 1975. Vol. 52. N 2-3. S. 28-44.

8. Kuppers W., Duchting W. Nutzung des anisotropen Verhaltens nichtrostender Feinbleche und Bander bei der Umformung // Blech. Rohre-Profile. 1973. Vol. 20. N 12. S. 471-475.

Сведения об авторах

Орлова Елена Петровна — канд. техн. наук, доцент кафедры станкостроения, материаловедения и технологии машиностроительного производства Казахского национального технического университета им. К. И. Сатпаева. Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Сатпаева, д. 22а; тел. 8-727-257-71-25, e-mail: lenochka_60@mail.ru

Поветкин Виталий Васильевич — д-р техн. наук, профессор кафедры стандартизации, сертификации и технологии машиностроения Казахского национального технического университета им. К. И. Сатпаева. Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Сатпаева, д. 22а; тел. 8-727-292-69-19, e-mail: vv1940_povetkin@mail.ru