Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 621.7.011 Свойства материалов при обработке. Обрабатываемость. Деформируемость, напряжения, способность металла заполнять форму, течение материала и т.д.
Представлены результаты исследований изменения толщины заготовки в результате выполнения технологических операций листовой штамповки, таких как: гибка труб, обжим, обтяжка, вытяжка, вытяжка с утонением. Необходимость таких работ связана с тем, что сегодня повышаются требования к прочности деталей, получаемых листовой штамповкой. Большое внимание уделено гибке труб, т. к. при изгибе меняется не только форма сечения трубной заготовки, но происходит уменьшение толщины в растянутом слое и увеличение толщины в сжатом. Предложены способы уменьшения разнотолщинности трубы. Приведены результаты исследований изменения толщины заготовки при вытяжке. Показано, что увеличение радиуса пуансона, может уменьшить разнотолщинность на 10 %. В большинстве исследований посвященных листовой штамповке не учитывается разнотолщинность исходной заготовки, проката, а толщина исходной заготовки при заказе металла нормальной точности может изменяться на 20 %. Выполнено моделирование толстолистовой вытяжки в программе AutoForm с целью определения возможности программы в прогнозирование изменения формы детали и толщины из-за действия изгибающих моментов. Показано, что AutoForm достаточно хорошо моделирует форму детали после штамповки. По утонению AutoForm и эксперимент показали близкие результаты по толщине и участки с минимальной толщиной. Для выбранных параметров штамповки минимальная толщина наблюдается в месте перехода цилиндрической поверхности в радиус пуансона и в месте перехода радиуса пуансона в донышко. Так как большинство металлов, подвергаемых листовой штамповке, обладают свойствами анизотропии, экспериментально и теоретически доказано, что толщина может существенно меняться по периметру. Было доказано, что разнотолщинность по периметру детали может быть более 35 %.
листовая штамповка, изменение толщины, гибка трубы, вытяжка
В настоящее время в машиностроении, авиации и транспорте широко применяются детали, получаемые из листового материала листовой штамповкой, к которым, последнее время, предъявляются повышенные требования по надежности заготовок. Надежность или прочность заготовки зависит, в основном, от толщины и прочности материала, которая, как правило, характеризуется временным сопротивлением σв.
В дальнейшем, для наглядности, будем рассматривать сталь 08, как наиболее часто применяемую в листовой штамповке.
В справочниках временное сопротивление задается в очень широких пределах. Например в справочнике [1] величина
σв = 280…400 Н/мм2, а в справочнике [2]
σв > 300 Н/мм2. Измерения показывают, что в одной партии металла σв может изменяться в пределах 70 Н/мм2, по европейским требованиям эта величина не превышает 50 Н/мм2 .
В тоже время по ГОСТ 16523-97
«Прокат тонколистовой из углеродистой стали качественной и обыкновенного качества общего назначения. Технические условия» колебания σв зависят от группы прочности, табл. 1.
В соответствие с ГОСТ 9045-93
«Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки» для стали 08 в зависимости от группы штампуемости имеет следующие значения σв, представленные в табл. 2. Из нее видно, что σв может изменяться на 56 %.
Так как прочность материал задается конструктором, а для штамповки прочностные характеристики необходимы только для определения силы штамповки и соответственно для выбора кузнечно-штамповочного оборудования большинство работ посвящено изменению толщины в процессе штамповки. В этом плане характерна работа [3], в которой выполнено моделирование в программе QFORM горячей листовой штамповки детали получаемой вытяжкой. В результате расчета технологического процесса удалось уменьшить разнотолщинность получаемой детали.
В действующем производстве к расчетной толщине добавляют 15 % металла, для компенсации утонения. Снижение увеличения толщины позволило снизить себестоимость продукции, за счет уменьшения нормы расхода металла и одновременно увеличить стоимость изделия, т. к. детали с меньшей разнотолщинность стоят дороже.
В работе [4] авторами рассмотрен вопрос изменения толщины стенки трубы при гибке по копиру. В результате аналитического решения с использованием вариационных методов механики твердого деформированного тела, получены аналитические зависимости разнотолщиности от отношения R0/d, где R0 – радиус оси изгибаемой трубной заготовки; d – диаметр трубы. Однако отношение R0/d задается конструктором, и технолог не в состоянии его поменять. Поэтому полученное решение актуально для прогнозирования возможной разнотолщинности и появляется возможность заранее увеличить толщину трубной заготовки для обеспечения заданной минимальной толщины трубы.
Статья [5] посвящена формообразованию крутоизогнутых отводов из трубной заготовки. По существующей технологии разница по толщине между зоной сжатия и зоной растяжения превышает
30 %. Авторы предлагают проводить дополнительную операцию калибровки и провели математическое моделирование последовательного деформирования трубной заготовки в ANSYS/LS-DYNA. Это позволило получить разнотолщиность менее 24 %.
Интересно представление результатов расчета. Вместо расчета при номинальных значениях технологических и конструктивных параметров, было построено уравнение регрессии и построены графики изменения толщины по сечению с учетом колебания технологических и конструктивных параметров. Один из таких графиков представлен на рис. 1.
В литературе имеются работы по совмещению различных операций листовой штамповки для получения изделий с минимальной разнотолщиностью. Так в работе [6] предлагается за счет последовательного выполнения операций вытяжки, вытяжки с утонением и обжима, получать деталь с практически одинаковой толщиной. Суть метода заключается в том, что на участке, где будет проходить обжим, вытяжкой с утонением в конической матрице формируется участок с переменной толщиной (рис. 2). После обжима толщина на этом участке увеличивается, и разнотолщинность не превышает 2,2 %.
В работе [7] рассмотрен процесс совмещения операций вытяжки, обжима, раздачи. Особое внимание уделено вли-янию трения. Показано, что с увеличе-нием коэффициента трения в диапазоне от 0,15 до 0,36 может происходить уве-личение разнотолщинности от 16 до 29 %. Также исследовано увеличение тол-щины исходной заготовки в зависимости от коэффициента раздачи.
Интересный подход к исследованию поперечной разнотолщинности заготовки предложен в работе [8]. Разнотолщинность выражена в эквивалентной квадратичной форме, соответствующей гауссовым параметрам поверхности. Предложен критерий минимального изменения толщины в процессе обтяжки оболочки двойной кривизны.
В результате получены условия, при которых можно получить направленное изменение толщины заготовки, что особенно актуально в авиастроении.
На сегодняшний день достаточно много работ посвящено изменению толщины при вытяжке осесимметричных деталей. Так в работе [9] анализируется изменение толщины стенок цилиндрических стаканов при вытяжке без прижима. Анализ процесса вытяжки проведен с предположением, что образующая стенки стаканчика изгибается и сверткой получает готовое изделие.
Рассмотрены два случая: пуансон имеет плоское основание; штамповка пуансоном по форме близким к сфере. Расчетная схема показана на рис. 3.
По первой схеме минимальная толщина находиться в точке 2 и материал под пуансоном практически не деформируется. По второй схеме увеличивается очаг пластической деформации, минимальная толщина детали смещается к точке 3.
Показано, что разнотолщинность в этом случае уменьшается на 10 %.
Штамповка полусферы из тонкостенной листовой заготовки рассмотрена в работе [10]. Для решения поставленной задачи использовалась мембранная теория жесткопластических оболочек при условии пластичности Мизеса. Учитывалось изменение толщины и упрочнение металла.
Интегрирование уравнений равновесия выполнялось с использованием формул Рунге-Кутта второго порядка.
Расчетная схема показана на
рис. 4.
В результате автором на основе разработанной математической модели процесса удалось получить изменение толщины металла вдоль образующей с максимальной
разнотолщинностью в 12 %.
На окончательную толщину изготовленной детали существенное влияние оказывает исходная разнотолщинность заготовки.
В соответствии с ГОСТ 19904-79
«Прокат листовой холоднокатаный» предельные отклонения по толщине при ширине проката до 100 мм включительно для толщины проката от 0,9 до 1,2 мм не должны превышать:
– высокая точность ±0,05;
– повышенная точность ±0,08;
– нормальная точность ±0,10.
Таким образом, толщина исходной заготовки при получении металла нормальной точности может изменяться на 20 %.
В процессе штамповки листовой материал может значительно изменять свою толщину. Поэтому на деталях, получаемых из листовых заготовок, не рекомендуется указывать толщину металла, она указывается в угловом штампе в виде:
, где указано, что заказывается лист из стали 08Ю, толщиной 1,0 мм, шириной 1000 мм, длиной 2000 мм, повышенной точности, особо высокой отделки поверхности, матовая поверхность, особо сложная вытяжка.
Для анализа прочности колпачка воспользуемся рис. 1. В точке 1 толщина увеличивается, и может достигать S = 1,2S0, где S0 – начальная толщина заготовки. В точке 2 толщина уменьшается и может достигнуть величины S = 0,8S0.
Таким образом, конструктор рассчитывает, что данная деталь может выдержать силу P, а за счет уменьшения толщины и σв предельная нагрузка может быть уменьшена на 30 %.
Кроме этого, происходит увеличение веса изделия. На одном из авиационных заводов производят штамповку корпуса, по конструкторским расчетам требуется металл толщиной 2 мм, реально штампуют из листа толщиной 3 мм, для того чтобы обеспечить заданную толщину в опасном сечении. Такое существенное утонение вызвано, скорей всего, действием моментов. Поэтому было проведено исследование точности моделирования влияния моментов на форму детали и изменение толщины. Моделирование провели в программе AutoForm.
Заготовка и инструмент имели следующие размеры: толщина S = 1,8 мм; диаметр заготовки Dz = 67,8 мм; диаметр пуансона
dп = 38 мм; диаметр матрицы Dm = 44 мм; радиус скругления на пуансоне и матрицы
Rm = 2,5 мм; шаг измерения утонения – 2 мм.
Форма отштампованного перехода близка к расчетной, что видно из рис. 5.
При проектировании процессов вытяжки цилиндрических деталей необходимо учитывать изменение толщины по периметру заготовки. На рис. 7 показано характерное сечение, в котором появляется максимальная разнотолщинность. Теоретически и экспериментально получено, что максимальная разнотолщинность может быть более 35 %.
Заключение
- На разнотолщинность деталей, получаемых листовой штамповкой, существенное влияние может оказывать допуск на толщину листового проката.
- Перспективным направлением в листовой штамповке может быть снижение разнотолщинности, в отдельных случаях, это приводит к уменьшению себестоимости и увеличению стоимости штампуемых деталей.
- Необходимо учитывать изменение толщины по периметру детали, которая может превышать 35 %.
1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т. Т. 1. М.: Машиностроение, 1979. 728 с.
2. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
3. Демин В.А. Интенсификация горячей листовой штамповки днищ // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2023. № 12 (150). С. 9–14.https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-9-14
4. Вдовин С.И., Лунин К.С., Мальцев Д.Н. Утонение стенки трубы при гибке по копиру // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2013. № 3 (299). С. 57–60.
5. Попов И.П., Маслов В.Д., Попов А.Д., Николенко К.А. Направленное изменение толщины заготовки при формообразовании крутоизогнутых отводов. В сборнике: МЕТАЛЛОФИЗИКА, МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, НАНОСТРУКТУР И ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ. МЕТАЛЛДЕФОРМ - 2009. Труды 3-й МНТК. В 2 т. Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. 2009. С. 221–226.
6. Кайбаров А.П., Евсюков С.А. Исследование процесса обжима трубной заготовки с получением постоянной толщины стенки // Заготовительные производства в машиностроении. 2021. Т. 19. № 8. С. 362–364.
7. Евсюков С.А., Сулейман А.А. Исследование совмещенной операции вытяжки с обжимом и раздачей // Наука и образование: Научное изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 11. С. 17–24. DOI:https://doi.org/10.7463/1113.0636247
8. Михеев В.А. Направление изменения толщины заготовки при формообразовании обтяжкой обводообразующих оболочек двойной кривизны // В сб. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» / Труды МНТК. Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва. 2003. С. 158–164.
9. Кохан Л.С., Шульгин А.В., Крутина Е.В., Морозов Ю.А. Изменение толщины стенок цилиндрических листовых изделий при вытяжке без прижима // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2014. № 5. С. 9–13.
10. Непершин Р.И., Прусаков М.А. Моделирование глубокой вытяжки тонкостенной полусферы // Вестник МГТУ Станкин. 2016. № 1 (36). С. 14–20.
