CC BY
27
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.73.011:539.374
Влияние условий штамповки на величину разностенности при вытяжке с утонением через две матрицы
А. М. Попов, Г. А. Данилин
Ключевые слова: вытяжка, межматричная сила, модель, разностенность, степень деформации, утонение, эксперимент.
Введение
Вытяжка с утонением стенки является одним из наиболее эффективных процессов холодной штамповки высоких осесимметричных деталей с толстым дном. Этот способ штамповки применяют для достижения большой степени деформации, уменьшения разностенности и кривизны деталей. Исследованием технологических возможностей процесса вытяжки с утонением с помощью одной, двух и более матриц занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Е. А. Попов, Л. А. Шофман, И. П. Ренне, Л. Е. Басовский, В. Л. Гельфонд, Н. П. Агеев, Г. А. Данилин, Б. Авитцур, К. Ланге и др. В большинстве из-
а)
в)
Рис. 1. Вид полуфабриката после вытяжки с утонением в продольном (а) и поперечном (б) сечении, а также корпус гильзы с продольной трещиной (в), образовавшейся в процессе функционирования и связанная с наличием разно-стенности:
®в.тах> ®в.тт — максимальная и минимальная толщина стенки в верхнем сечении; Н — высота полуфабриката; ®н.тах> ®н.тт — максимальная и минимальная толщина стенки в нижнем сечении; в — внешний диаметр полуфабриката
вестных работ основная цель исследований — получение зависимостей допустимой и предельной степеней деформации от изменения технологических факторов. В настоящей статье речь пойдет о такой важной задаче, как повышение качества изделий и стабильности процесса, которые характеризуются проявлением разностенности и другими дефектами штампуемых изделий.
Разностенность есть переменная толщина
стенки поперечного сечения ДО =
где £тах, — максимальная и минимальная толщина стенки поперечного сечения заготовки соответственно (рис. 1). Наличие этого дефекта в деталях, работающих при значительных внешних и внутренних нагрузках, вынуждает конструктора назначать большую толщину стенки, что ведет к увеличению массы детали, а следовательно, и расхода металла. Снижение разностенности, установление рациональных режимов обработки являются актуальными задачами для производства.
Постановка задачи
Анализ кинематики процесса вытяжки с утонением стенки через две матрицы (рис. 2) показал, что в результате разности скоростей выхода металла из верхней и входа в нижнюю матрицы в межматричном пространстве возможно возникновение и действие силы Рг0 на кольцевом участке заготовки, величина и знак этой силы зависят от режимов вытяжки [1]. Если данная сила — сжимающая, ее действие аналогично эффекту, получаемому в условиях приложения дополнительного силового воздействия от буфера к свободному торцу заготовки [2] с той лишь разницей, что подпор создается не на торце, а в стенке полуфабриката между матрицами. Поэтому в очаге пластической деформации на нижней матрице реализуется схема всестороннего
|20
№ 6 (54)/2009
в
в.тах
Рис. 2. Схема процесса вытяжки с утонением стенки через две матрицы:
— толщина стенки исходной заготовки; Р — усилие деформирования; dв.м — диаметр верхней матрицы; Нм — расстояние между матрицами; dн.м — диаметр нижней матрицы
неравномерного сжатия. Если осевые сжимающие напряжения близки к пределу текучести, то создаются условия для перераспределения металла по периметру перед входом в нижнюю матрицу и последующего снижения разностенности. Кроме того, переход от схемы растяжения (на выходе из верхней матрицы) через разгрузку к схеме сжатия (на входе в нижнюю матрицу) ведет к проявлению эффекта Баушингера. В работах [3, 4] показано, что при знакопеременном нагружении предел текучести материала уменьшается в среднем на 10 %. Следовательно, снижение сопротивления материала пластической деформации повышает вероятность тангенциального течения металла.
В работах [5, 6] было установлено, что при определенном соотношении степеней деформации на верхней и нижней матрицах в межматричном пространстве действует сжимающая осевая сила, и, когда осевые сжимающие напряжения близки к пределу текучести при ев = (0,2 -г 0,4)в; где ев — степень деформации при вытяжке с утонением на верхней матрице; в; — суммарная степень деформации; появляется возможность для перераспределения металла по периметру перед входом
в нижнюю матрицу и последующего снижения разностенности. Экспериментально доказано, что разностенность полуфабрикатов минимальна при в*5 = (0,2 -г 0,5)в^;.
В настоящем исследовании поставлены следующие задачи:
• ограничить диапазон значений степени деформации на верхней матрице, при которых достигается минимальная разностенность;
• установить влияние предварительного упрочнения при различных суммарных степенях деформации в;
• построить математическую модель зависимости относительной разностенности ДО>/Л80 от различных факторов, которая позволяет оценить не только влияние каждого фактора в отдельности, но и их взаимовлияние.
Методика экспериментального исследования
Для исследования применяли полые цилиндрические заготовки с дном из латуни Л70 и стали 18ЮА. Первая партия заготовок подвергалась рекристаллизационному отжигу, заготовки второй партии предварительно упрочнялись, предварительная степень деформации вю = 45 % (для латунных заготовок) и вю = 57,3 % (для стальных заготовок). Разностенность измерялась на специальной оправке, в расчетных сечениях при помощи микрометра часового типа. По результатам измерений заготовки были разделены на группы по величине разностенности.
Использовалась методика планируемого од-нофакторного и многофакторного эксперимента [7], позволяющая получить математические модели показателей разностенности, зависимые от комплексного влияния технологических факторов. Откликом, или функцией, зависимости, характеризующей точность и качество штампованных деталей, в исследовании является относительная разностенность Д5/ДЙ0:
ДО = с _ с . . "" "шах "шш'
ДО0 = О0шах °0шт,
(1) (2)
— максималь-
где О0шах, °0шш, Ошах, °г ная и минимальная толщина стенки заготовки до и после вытяжки, Д&0, ДО — разно-стенность полуфабриката до и после операции вытяжки.
Технологическими факторами, выбранными для исследования в многофакторном эксперименте, являются:
• степень деформации при вытяжке с утонением на верхней матрице в* = 1,15 1п ^о/^, где
^0, Fl — площади поперечного сечения заготовки до и после деформации в верхней матрице;
• исходная разностенность
В качестве варьируемого фактора в одно-факторном эксперименте выбрана степень деформации на верхней матрице вв. Для каждого образца проводилось по три серии вытяжек:
■ для заготовок из латуни:
• подвергшихся отжигу, при суммарной степени деформации в^ = 143,0; 97,0; 70,0%;
• имеющих упрочнение (в^ = 45,0 %), при суммарной степени деформации в^; = = 97,0; 70,0; 50,0 %;
■ для заготовок из стали:
• подвергшихся отжигу, при суммарной степени деформации в; = 64,0 %;
• имеющих упрочнение (в^ = 57,3 %), при суммарной степени деформации в¿^ = = 28,0; 52,0 %.
В результате математической обработки полученных результатов построены математические модели зависимости относительной разностенности от относительной степени деформации на верхней матрице б^/в^Е и исходной разностенности Д80 в виде полинома второй степени для каждого сечения и в; В качестве образцов представлены:
• Латунь Л70:
• в¿2 = 97,0 %; вю = 0 %; нижнее сечение;
• интервал варьирования
Дв0 = 0,07 г 0,16 мм;
• вв/в>Е = 5,3 г 94,0 %;
• да/дао = 2,1-0,9в1в/в¿2 - 17,9Д80 +
+ 1,3^/^0 +0,8вв/в^22 +69,6ЛЭ02; (3)
• Латунь Л70:
• в1; = 97 %; вю = 45 %; нижнее сечение;
• интервал варьирования
Д80 = 0,08 г 0,14 мм;
• вв/в>Е = 2,4 г 93,7 %);
• Д8/Д80 = 1,5-0,2^^ - 11,3Д80 -
- 3,8^/^0 + 0,8ввЛ^2 + 64,4ЛЭ02; (4)
• Сталь 18ЮА:
• в¿2 = 64,0 %; вю = 0 %; нижнее сечение;
• интервал варьирования
Д80 = 0,08 г 0,16 мм;
• вв/в>Е = 4,8 г 81,3 %;
• Д8/Д80 = 3,7 - 2,3вв/в^; - 42,1 Д£0 +
+ 4,3^/^0 + 1,8в?/в^22 + 167,3ДЯ02; (5)
• Сталь 18ЮА:
• в; = 52,0 %; в^0 = 57,3 %; нижнее сечение;
• интервал варьирования
Д80 = 0,12 г 0,19 мм;
• вв/в>Е = 5,9 г 72,0 %;
• Д8/Д80 = 4,23 - 0,1 ввД-Е — 40,0Д80 -
- 8,5вв/в^;Д80 + 2,1вв/в^22 + 133,3Д802. (6)
Расчет коэффициентов уравнения регрессии осуществлялся методом наименьших квадратов, а оценка их значимости — по критерию Стьюдента. В результате все коэффициенты во всех моделях оказались значимыми. Все модели являются статистически значимыми и могут быть использованы для оценки величины разностенности при вытяжке с утонением через две матрицы.
Результаты экспериментального исследования
На рис. 3, 4 представлены результаты од-нофакторного эксперимента. На рис. 5 показаны результаты расчетов Д8/Д80 по полученным моделям (3)-(6). Общая закономерность изменения Д8/Д80 представляется в виде кривых, имеющих минимум (рис. 3, 4). Наиболее рельефно показано изменение разностен-ности для меньших степеней деформации. Уменьшение разностенности интенсивно происходит вплоть до достижения диапазона соотношений вв/в^2 = 40,0 г 60,0 %. Данное явление прослеживается для заготовок, деформированных при различных степенях деформации в¿2 = 70,0 г 143,0 % независимо от расположения сечений. Для заготовок, имеющих предварительный наклеп, закономерности изменения разностенности сохраняются, но их интенсивность изменения снижается (рис. 3, б; 4). Если на верхней матрице сосредоточена малая деформация, усилие Рг0 велико и может достигнуть предельного значения, при котором происходит частичная потеря устойчивости стенки кольцевого участка. Это ведет к увеличению поперечного сечения заготовки
[22
№ 6 (54)/2009
а) Д8/Д80 3,0-1
2,52,01,51,00,5-
б) Д8/Д80 3,0-,
2,52,01,51,00,5-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1г0/1гХ
Д8/Д80 3,0 ~
2,52,01,51 0 0,5-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1го/1гт
Рис. 3. Изменение относительной разностен-
ности Д8/Д80 в зависимости от е^/е^. Материал — латунь, среднее сечение:
а — его = 0 %:
1 — ег! = 143,0 %; 2 — ег! = 97,0 %; 3 — ег! = 70,0 %;
б — ег0 = 45,0 %: 1 — ег! = 97,0 %; 2 — ег! = = 70,0 %; 3 — ег! = 50,0 %
и резкому возрастанию степени деформации, что способствует повышению разностенно-сти (рис. 3, 4). Большая деформация на верхней матрице ведет к уменьшению усилия Рг0, и разностенность начинает расти (рис. 3, 4). Следует подчеркнуть, что наличие предварительного наклепа затрудняет снижение разно-стенности даже в условиях оптимальной деформации на верхней матрице.
Рассмотрим рис. 3, а. Чем меньше суммарная степень деформации, тем меньше величина разностенности. При ец = 143,0 % минимум составляет Д8/Д80 - 0,8 в диапазоне значений евАч£ - 38 г 48,0 %. При ег! = 97,0 % он находится на уровне Д8/Д80 - 0,7, диапазон значений смещен влево ев/ец - 30,0 г 40,0 %. При ец, = 70,0 % минимум составляет Д8/Д80 - 0,65 в диапазоне значений ев/ец - 40,0 г 50,0 %.
Предварительное упрочнение сохраняет зависимость при которой большей степени деформации соответствует меньшее изменение разностенности (рис. 3, б). Характер изменения Д8/Д80 аналогичен по диапазону значений еТ/ег! отожженной латуни (рис. 3, а). Кривые при всех степенях деформации лежат выше, чем на рис. 3, а, то есть упрочнение затрудняет уменьшение разностенности. В случае, когда
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ыкт
Рис. 4. Изменение относительной разностенности Д8/Д80 в зависимости от е^/ец- Материал — сталь 11ЮА; нижнее сечение: 1 — ег! = 52,0 %, ег0 = 57,3 %; 2 — ег! = 28,0 %, ег0 = = 57,3%; 3 — ег! = 64,0 %; ег! = 0
ец, = 97,0 %, минимум составляет Д8/Д80 - 1,3 и вписывается в диапазон значений ев/ец -
- 35,0 г 45,0 %. Если ег! = 70,0 %, минимум снижается до Д8/Д80 - 0,9 в диапазоне ев/ец -
- 30 г 40,0 %. При малой суммарной степени деформации ец = 50,0 % изменение разностенности достигает значения Д8/Д80 - 0,85 и при этом попадает в диапазон значений егв/ег2 «
- 30,0 г 40,0 %.
На рис. 4 представлены кривые для стали в отожженном и упрочненном состоянии. Все зависимости, характерные для латуни на рис. 3, а, б, сохраняются для стали, а именно для ец = 52,0 % и ею = 57,3 % минимальное значение Д8/Д80 - 1,1 в диапазоне ев/ец -
- 30 г 40,0 %. При ег! = 28,0 %, ег0 = 57,3 % изменение разностенности начинает снижаться до значения Д8/Д80 - 0,9, не выходя при этом за пределы егв/ег2 - 35,0 г 45,0 %. Отсутствие упрочнения ец = 64,0 %, ем = 0 позволяет достичь величины Д8/Д80 - 0,7 в рамках ¿Г/ец -
- 35,0 г 45,0%.
Изменение относительной разностенности А5/Д80, рассчитанное по моделям (3)-(6) для ниж-
Д8/Д80 3,0
2,52,0-
1,51 0 0,5-
3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1г0/1Е
Рис. 5. Изменение относительной разностенности Д8/Д80 в зависимости от е^/ец при Д80 = = 0,14 г 0,16 мм, рассчитанные по формулам: 1 — (3); 2 — (4), 3 — (5); 4 — (6)
1
2
1
3
1
2
3
1
него сечения, взятое в определенном диапазоне е^/е^ и для определенного значения Авд, представлено на (рис. 5). В нижнем сечении наиболее активно действует сжимающая сила, она способна уменьшить и даже «исправить» исходную разностенность (см. кривые 1 и 3 на рис. 5). Общая закономерность изменения АЯ/АЯо в многофакторном эксперименте (рис. 5) сохраняется такой же, что и в однофакторном (рис. 3, 4). Кривые 1—4 даны с учетом относительно большой исходной разностенности Айд = = 0,14-^0,16 мм. Отожженные латунь и сталь, обозначенные кривыми 1 и 3 соответственно, находятся ниже, чем в случае упрочненного состояния кривые 2 и 4 (рис. 5). Для отожженного состояния материала (е;0 = 0) получены следующие минимумы по разностенности для таких материалов, как сталь 18ЮА (е^ = 64,0 %), латунь Л70 (еЕ = 97,0 %): Ай/Айо ~ 0,8 «
~ 38,0-^45,0 %). В случае упрочненного состояния материала (е;о = 45,0 % для латуни и е;о = = 57,3 % для стали) минимумы по разностенности для стали 11ЮА (е^ = 52,0 %) и латуни Л70 (ег = 97,0 %): АБ/АБо «1,1 (е,в/ег- » « 30,0-^38,0 %).
Выводы
Экспериментально установлено, что наиболее рельефно происходит изменение разностенности для меньших степеней деформации. Уменьшение разностенности интенсивно до диапазона соотношений = 40,0-^60,0 %. Такой характер прослеживается для заготовок, деформированных при различных
степенях деформации ец = 70,0 -г-143,0 % для всех сечений. Для заготовок, имеющих предварительный наклеп, закономерности изменения разностенности сохраняются, но их интенсивность изменения снижается. Разностенность полуфабрикатов минимальна при ef/ец = 20,0-^60,0 %. Общая закономерность изменения Ай/Айо в многофакторном эксперименте сохраняется такой же, что и в однофакторном.
Литература
1. Данилин Г. А., Огородников В. П. Теория и расчеты процессов комбинированного пластического формоизменения. СПб.: БГТУ, 2004. 304с.
2. Жвик И. М., Шаров А. С. Повышение точности и степени деформации при вытяжке с утонением // Кузнечно-штамповочное производство. 1975. № 2. С. 17-19.
3. Москвитин В. А. Пластичность при знакопеременных нагружениях. М.: Изд-во МГУ, 1965. 265 с.
4. Гудьер Дж. Н., Ходж Ф. Г. Упругость и пластичность. М.: Изд-во иностр. лит., 1965. 192 с.
5. Борисова О. В. Повышение качества изделий, изготавливаемых вытяжкой с утонением стенки // Вестник молодых ученых. Технические науки. 1999. № 1. С. 54-61.
6. Борисова О. В. О некоторых возможностях процесса вытяжки с утонением стенки через две матрицы // Вестник молодых ученых. Технические науки. 1999. № 2. С. 19-26.
7. Агеев Н. П., Данилин Г. А., Спинул Г. П. Интенсификация процесса вытяжки с утонением при изготовлении полых деталей. Л.: Ленингр. дом. науч.-техн. пропаганды, 1984. 40 с.
