CC BY
9
УДК 621.771(075); 621.73
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-29-35
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТИСНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ НА ПРОЦЕСС ВЫТЯЖКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ
Г.В. Чертков, А.О. Кузин, И.Н. Петров, В.А. Разживин
В данной статье рассмотрена технологическая возможность уменьшения растягивающих напряжений в опасном сечении при глубокой вытяжке цилиндрической детали, приводящих к утонению и последующему разрыву ее стенки. Как известно, с этой целью целесообразно уменьшить величину сил трения в зоне прижима фланца заготовки к зеркалу матрицы. Уменьшение величины сил трения было достигнуто за счет предварительного тиснения поверхности листовой заготовки, обращенной к зеркалу матрицы, в виде большого количества микроуглублений, которые несмотря на большую величину усилия прижима фланца эффективно удерживают смазку, что существенно снижает коэффициент трения.
Ключевые слова: глубокая вытяжка, напряжения, утонение стенки, коэффициент трения, тиснение поверхности, микроуглубления.
Полые тонкостенные осесимметричные детали, полученные из листа процессом вытяжки, имеют широкое применение в авиастроении [1]. Однако, по мере уменьшения толщины листа возникают серьезные проблемы, связанные с жесткостьюполучаемого изделия. Более того, при уменьшении относительной толщины заготовки коэффициент вытяжки снижается [2]. Объяснение этому явлению заключается в следующем: при вытяжке тонкостенных деталей требуется более сильный прижим для ликвидации гофро-образования фланца, что приводит к увеличению сил трения, росту напряжений в опасном сечении и преждевременному разрыву заготовки [1].
Чтобы устранить эти недостатки, необходимо уменьшить величину сил трения на контактной поверхности заготовки с матрицей и прижимом. К сожалению, применение различных видов смазок может стать неэффективным при увеличении усилия прижима, так как вэтом случае смазка выдавливается из зоны контакта.
Решение данной проблемы возможно за счет тиснения поверхности заготовки, обращенной к зеркалу матрицы. Получаемая поверхность с большим количеством микроуглублений, предварительно покрытая смазкой при сильном прижатии будет удерживать смазку на протяжении всего процесса. В результате напряжения трения уменьшаются и, соответственно, уменьшаются напряжения в опасном сечении вытягиваемой детали. Кроме того, жесткость и прочность повышаются, за счет эффекта деформационного упрочнения, который локально придается листу [3]. Это хорошо сочетается с результатами экспериментов по определению механических свойств, представленных в работах [4] и [5].
В работе [2] предлагается для нанесение такой поверхности использовать штам-повую оснастку, представленную на рис. 1. Глубина и форма образованных на заготовке углублений зависит от формы и геометрии использованного инструмента (двух частей штампа).
Однако проектирование и изготовление штамповой оснастки подразумевает использование дополнительного финансового ресурса, а также трудо- и энергозатрат.
В связи с этим для формирования микроуглублений на поверхности заготовки был предложен альтернативный способ тиснения листов путем ее прокатки в гладких цилиндрических валках с использованием «спутника» в виде листа наждачной бумаги различной степени зернистости (рис.2) [6].
т77777777777777
Рис. 1. Оснастка для тиснения листовых заготовок
Рис. 2. Поверхность алюминиевого листа после прокатки с обжатием 10% совместно с листом офисной бумаги
Перед началом исследования для оценки влияния тиснения на процесс вытяжки был проведен тестовый эксперимент, который состоял в изучении характера распределения толщины по образующей на донной и боковой части полученного стаканчика. Вытяжке подверглись 3 заготовки из сплава АД0 в виде диска диаметром 160 мм, толщиной 1,78 мм:
с гладкой двусторонней поверхностью;
с односторонним тиснением после прокатки с офисной бумагой;
с односторонним тиснением после прокатки с мелкой наждачной шкуркой.
После проведения эксперимента проводились замеры толщины стенки полученного стакана из заготовки с гладкой и тисненой поверхностями. Результаты представлены на рис. 3.
Как видно из рисунка разнотолщинность стенки у деталей, полученных из заготовок с тисненой поверхностью, значительно меньше, чем у деталей, полученных из заготовки с гладкой поверхностью. Следовательно, наличие микроуглублений на заготовках с тисненой поверхностью оказывает положительное влияние на величину и характер распределения напряжений трения на контактной поверхности заготовка - зеркало матрицы.
На основании проведенного анализа отечественной и зарубежной литературы, а также результатов тестового эксперимента, было решено оценить целесообразность применения листовой заготовки с тисненой поверхностью для операций глубокой вытяжки.
Кроме того, осуществить оценку влияния вида тиснения, то есть глубины микроуглублений по толщине листа на величину коэффициента трения.
С этой целью методом прокатки были подготовлены листовые заготовки со следующими параметрами:
материал-алюминиевый сплав марки А5; геометрические размеры заготовки - 1x100x200 мм; обжатие при прокатке - 10%.
Рис. 3. Изменения толщины стенки цилиндрической детали вдоль образующей после вытяжки.
Прокатка листов осуществлялась на лабораторном прокатном стане КВАРТО 300 (рис. 4).
Рис. 4. Лабораторный прокатный стан КВАРТО 300
Для формирования тисненой поверхности в качестве «спутника» были выбраны офисная бумага и несколько листов наждачной бумаги различной зернистости. В табл. 1 приведены размеры зерна используемой наждачной бумаги.
Таблица 1
Зернистость наждачной бумаги_
Наименование (маркировка по ШО-6344) Размер зерна, мкм
Р40 400-500
Р120 100-125
Р220 63-80
Р600 20-28
После прокатки с выбранными типами «спутника» поверхность заготовок приобрела соответствующий вид (рис. 5).
д)
Рис. 5. Поверхность алюминиевых листов после прокатки: а — с офисной бумагой; б — с наждачной бумагой Р40; в — с наждачной бумагой Р120; г — с наждачной бумагой Р220; д — с наждачной бумагой Р600
Вытяжка цилиндрических стаканчиков с прижимом осуществлялась на испытательной машине ZWICK/ROELL ВЦР 200 (рис. 6), где из подготовленной заготовки вырубался диск и затем производилась последующая вытяжка.
Исследования проводились с использованием смазывающего вещества, предварительно нанесенного на матрицу. В качестве смазки использовалось индустриальное масло марки 20-А. Важно отметить, что шероховатая поверхность алюминиевых листов обращена к матрице, чтобы смазка попадала и задерживалась в микроуглублениях. Параметры процесса приведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры процесса вытяжки_
Диаметр заготовки, мм Диаметр пуансона, мм Усилие прижима, кН
60 33 2; 10
В результате эксперимента получены значения усилий вытяжки и усилий прижима для всех видов заготовок, подготовленных для эксперимента (табл. 3).
Рис. 6. Испытательная машина ZWICK/ROELLBUP 200
Расчет коэффициента трения осуществлялся косвенным путем с использованием выражений для расчета усилия вытяжки и максимального значения растягивающих напряжений:
, (1)
Fornax = °s fln (—) + r , -, (2)
ртах ^ yRJ 2rM+SJ v '
где P - усилие вытяжки; ap - радиальное напряжение; Rh - радиус заготовки; Ru - радиус вытягиваемого стакана; Q - усилие прижима; гм - радиус закругления матрицы; д - коэффициент трения; s - толщина материала; as - предел текучести материала.
Очевидно, что решая уравнения (1) и (2) относительно д можно определить коэффициент трения. Однако точнее можно определить коэффициент трения по методу разности усилий [7], то есть по изменению усилия вытяжки при изменении на известную величину усилия прижима. Тогда используя уравнения (1) и (2), принимая
к ^
«1 + р—, после несложных математических преобразований получим:
Д = ^ ^ ^ (3)
В табл. 3 представлены экспериментальные данные и значения коэффициента трения после расчета по формуле (3).
На основе значений, представленных в табл. 3, был построен график изменения величины коэффициента трения на поверхности контакта зеркала матрицы и фланца прижатой к нему заготовки (рис. 7).
Как видно, наименьшие значения коэффициента трения получено при вытяжке стаканчиков из листов, прокатанных с офисной бумагой и наждачной бумагой Р600.
Заключение
1. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что наличие микроуглублений на поверхности плоской заготовки понижает коэффициент трения на матрице при вытяжке цилиндрических деталей, что уменьшает величину растягивающих напряжений в опасном сечении вытягиваемой детали. При этом
шероховатость поверхности должна соответствовать шероховатости с микроуглублениями размером порядка 25 мкм, либо шероховатости поверхности офисной бумаги. Это позволяет большему количеству смазки участвовать в скольжении фланца по зеркалу матрицы при вытяжке.
0,17 0,15 0,13 0,11 0,09 0,07 0,173
^0,146
0,123
0,105
0,079
0,087
Бумага Р40 Р120 Р220 Р600 Гладкая
-Ц 0,087 0,173 0,146 0,105 0,079 0,123
Рис. 7. Зависимость коэффициента трения о т шероховатости поверхности заготовки
Таблица 3
Результаты эксперимента и определения коэффициента трения
Шероховатость поверхности заготовки Усилие вытяжки P, кН Усилие прижима Q, кН Коэффициент трения д
Бумага 14,8 10,3 0,087
13,66 2,6
P40* 15,54 7,15 0,173
13,82 1,9
P120 16,21 10,4 0,146
14,04 2,3
P220 15,35 10,4 0,105
13,86 2,2
P600 14,96 10,6 0,079
13,86 2,3
Гладкая 16,52 10,7 0,123
14,66 2,2
* - при вытяжке стаканчика из листа, прокатанного с наждачной бумагой Р40, при значении усилия прижима Q=10,4 кН произошел разрыв стаканчика в донной части, поэтому было установлено меньшее значение усилия прижима.
2. Снижение опасности разрыва стенки цилиндрической детали при вытяжке с прижимом позволит повысить качество изготавливаемых деталей и увеличить значение коэффициента вытяжки, что в совокупности приведет к получению соответствующего экономического эффекта.
Список литературы
1. Романовский, В.П. Справочник по холодной штамповке [Текст] / В.П. Романовский и др. - 6-е издание перраб. и доп. Л. Машиностроение. Ленингр. отделение, 1979. 520 с.
2. Namoco C.S. Jr., Iizuka T., Narita K., Takakura N., Yamaguchi K. Effects of embossing and restoration process on the deep drawability of aluminum alloy sheets Journal of Materials Processing Technology. Volumes 187-188, 2007. P. 202206.
3. Liu W., Iizuka T. Fundamental apparent plastic anisotropy of duplex embossed aluminum sheet International Journal of Mechanical Sciences 163 (2019). P. 105-125.
4. Yamaguchi K., Narita K., Takakura N., Iizuka T., Hatanaka N. Mechanical properties of restored aluminum alloy sheets Proceedings of the 54th Japan Joint Conference on Technology of Plasticity, 2004. P. 63-64.
5. Yamaguchi K., Sagrado R.C., Takakura N., Iizuka T. A simple method for strengthening and decorating of sheet metals Proceedings of the 22nd IDDRG Biennial Congress, 2002. P. 9-18.
6. Чертков Г.В., Лаврин А.В., Пилла К.К., Батурин А.П. Исследование коэффициента трения смазанных микроструктурированных поверхностей образцов из материала АД0.
7. Чертавских А.К. Трение и технологическая смазка при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. 364 с.
Чертков Геннадий Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, chertkovgv@ inhox.rH, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Кузин Александр Олегович, ассистент, alexandrkuzin88@,gmail. com, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева,
Петров Илья Николаевич, аспирант, ilpetrof110895@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Разживин Василий Андреевич, аспирант, vasia.razzhivin@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
EVALUATION OF THE INFLUENCE OF THE SURFACE STAMPING OF A SHEET BILLET ON THE EXTRACTING PROCESS OF A CYLINDRICAL PART
G.V. Chertkov, A.O. Kuzin, I.N. Petrov, V.A. Razzhivin
Chertkov Gennady Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, chertkovgv'ainhox.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva,
Kuzin Alexander Olegovich, assistant, alexandrkuzin88@gmail.com, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva,
Petrov Ilya Nikolaevich, postgraduate, ilpetrof110895@yandex.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva,
Razzhivin Vasily Andreevich, postgraduate, vasia. razzhivin@,yandex. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva
