Выявление эспериментальных особенностей протекания последующих операций комбинированной вытяжки

УДК 621.983; 539.374

ВЫЯВЛЕНИЕ ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОТЕКАНИЯ ПОСЛЕДУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ

С.С. Яковлев, М.В. Грязев, В.Ю. Травин

Приведены результаты экспериментальных исследований силовых и деформационных параметров последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей. Показано удовлетворительное согласование экспериментальных и теоретических данных по силовым режимам и предельным возможностям формоизменения на последующих операциях комбинированной вытяжки.

Ключевые слова: комбинированная вытяжка, эксперимент, операция, анизотропия, матрица, пуансон, сила, деформация, разрушение, напряжение.

Вытяжка является одной из наиболее распространенных операций листовой штамповки для изготовления цилиндрических изделий с толстым дном и тонкой стенкой. Интенсификация процесса глубокой вытяжки может быть достигнута комбинированной вытяжкой, которая характеризуется одновременным изменением диаметра вытягиваемой заготовки и толщины стенки. Этот метод позволяет получать изделия с повышенными точностными характеристиками, более упрочненной стенкой, достигать больших степеней деформации по сравнению с методами вытяжки и вытяжки с утонением, что приводит к значительному сокращению числа операций технологического процесса.

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением.

Теоретические исследования силовых и деформационных параметров последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей из изотропного и анизотропного, неупрочняющегося и упрочняющегося материалов выполнены в работах [1-4].

При теоретических исследованиях предполагалось, что материал трубной заготовки несжимаем, обладает цилиндрической анизотропией механических свойств, анизотропно упрочняющийся, для которого справедливы условие текучести Мизеса-Хилла и ассоциированный закон пластического течения [5].

Механические свойства материала по образующей стакана однородные, а на контактных границах заготовки и инструмента реализуется закон трения Кулона. В основу анализа положен метод расчета силовых

параметров процесса, основанный на совместном решении приближенных дифференциальных уравнений равновесия и условий текучести с учетом сопряжений на границах участков, а также изменения направления течения материала.

Ниже приведены результаты экспериментальных исследований последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей.

Экспериментальные исследования второй операции комбинированной вытяжки осуществлялись на прессе двойного действия модели К471 в штампе. Полуфабрикаты для экспериментов изготовлялись из листовой заготовки диаметром 105,4 мм вытяжкой в матрицах с углом конусности 15° и диаметрами 62, 67 и 72 мм с последующим отжигом из латуни Л63, алюминиевого сплава АМг2М и стали 08кп, механические свойства которых приведены в работе [2].

На второй операции комбинированной вытяжки постоянными для всех опытов были следующие параметры инструмента: радиус закругления кромки пуансона Яп = 10 мм; диаметр матрицы dм = 50 мм; высота рабочего пояска матрицы Нр = 3 мм.

В процессе эксперимента изменялись угол конусности матрицы а, коэффициент вытяжки mdi и толщина стенки полуфабриката Sj. Коэффициент вытяжки mdi варьировался в пределах 0,7...0,8 за счет уменьшения диаметра полуфабриката, а коэффициент утонения т81 - в диапазоне

0,25... 1 путем изменения диаметра пуансона с шагом 0,15 мм. Вытяжка осуществлялась на конических матрицах с углом конусности 10, 20 и 30°. В качестве смазок применялись фосфатирование с последующим омыли-ванием для стали 08кп и омыливание для алюминиевого сплава АМг2М и латуни Л63. Слои смазки наносили на поверхность заготовок, обращенную к матрице. Вытяжка осуществлялась напровал.

Сила деформирования изменялось с помощью тензометрической аппаратуры и шлейфового осциллографа. Для каждой группы фиксированных параметров проводились по три опыта. За основу брались среднеарифметические данные силы. При расшифровке осциллограмм определялась величина сила операции в момент совпадения центра закругления пуансона с верхней кромкой рабочего пояса матрицы, соответствующая максимальной силе.

Предельный коэффициент утонения при заданном коэффициенте mdi в процессе комбинированной вытяжки определялся путем последовательного увеличения диаметра пуансона dп до разрушения изделия. Наличие обрыва наблюдалось визуально и подтверждалось особенностью осциллограммы. За предельную величину принималась наименьшая величина коэффициента утонения, при которой устойчиво проходил процесс вы-

тяжки без разрушения во всех трех опытах.

На рис. 1 представлены зависимости изменения относительных величин сил Р = Р/(2щя0о0 2х) в момент совпадения центра закругления

пуансона с верхней кромкой пояска матрицы от коэффициента вытяжки на последующих операциях вытяжки без утонения стенки и величины

Р = Р/Од 2х) от угла конусности матрицы а на последующих операциях вытяжки соответственно. Здесь Од 2х - условный предел текучести материала в направлении образующей стакана; яд, Я - начальная и получаемая толщина стенки детали; ц - радиус по срединной поверхности изготавливаемой детали. Экспериментальные данные обозначены точками, а сплошными линиями показаны результаты теоретических исследований.

Выполненные расчеты и экспериментальные исследования показали, что максимальная величина силы операции в основном имеет место в момент совпадения центра закругления пуансона с верхней кромкой рабочего пояска матрицы. Установлено, что относительные величины силы существенно зависят от коэффициентов утонения и вытяжки на последующих операциях комбинированной вытяжки. С уменьшением их сила деформирования растет. Выявлено существование оптимальных углов конусности матрицы а по величине относительной силы Р на второй операции комбинированной вытяжки (рис. 1).

Р 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2

10 20 а, градус

Рис. 1. Зависимости изменения величины Р от а на последующих операциях комбинированной вытяжки осесимметричных деталей

из латуни Л63

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных указывает на хорошее их согласование (до 5 %).

Предельные возможности последующих операций комбинирован-

ной вытяжки ограничиваются максимальной величиной растягивающего напряжения при учете упрочнения на выходе из очага пластической деформации (первый критерий), с величиной степени использования ресурса пластичности (второй критерий разрушения), а также с критерием локальной потери устойчивости заготовки при плоском напряженном и плоском деформированном состояниях заготовки (третий критерий) [2-4].

Зависимости изменения предельного коэффициента утонения т^Пр

от угла конусности матрицы а при фиксированных значениях коэффициента вытяжки ш^1 приведены на рис. 2. Здесь кривые 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют величинам коэффициентов утонения т81Пр, вычисленным по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации, по допустимой степени использования ресурса пластичности материала при ю = 1, ю = 0,65 и ю = 0,25 соответственно и по критерию локальной потери устойчивости.

Пунктирной линией (кривая 5) показаны величины предельных коэффициентов т81Пр, определенные по критерию локальной потери устойчивости. Экспериментальные данные обозначены точками.

Анализ расчетов и графиков (рис. 2) показывает, что наиболее благоприятные условия деформирования на последующих операциях комбинированной вытяжки реализуются с уменьшением угла конусности матрицы а и увеличением коэффициента вытяжки ш^1.

а

б

Рис. 2. Зависимость изменения т^р от а на последующих операциях

комбинированной вытяжки осесимметричных деталей из стали 08 кп:

а - тё1 =0,7 б - тё1 =0,8

Предельные возможности формоизменения на последующих операциях комбинированной вытяжки ограничиваются как первым критерием, так и вторым. Это зависит от технологических параметров и геометрии

матрицы. Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных указывает на хорошее их согласование.

На второй операции комбинированной вытяжки, как показали теоретические и экспериментальные данные, обнаружился один вид дефекта -обрыв стенки стакана в момент совпадения центра закругления пуансона с верхней кромкой рабочего пояска матрицы (рис. 3).

Рис. 3. Вид обрыва на второй операции комбинированной вытяжки

Результаты теоретических расчетов дают заниженные значения предельных коэффициентов утонения. Максимальная величина расхождения теоретических и экспериментальных данных не превышает 5.. .10 %.

Работа выполнена по государственному заданию Министерства образования и науки Российской Федерации на 2012-2014 годы и грантам РФФИ.

Список литературы

1. Валиев С. А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1973. 176 с.

2. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 331 с.

3. Яковлев С.С., Кухарь В. Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Маттти-ностроение, 2012. 400 с.

4. Травин В.Ю., Грязев М.В., Фан Дык Тхиен. Последующие операции комбинированной вытяжки осесимметричных деталей из анизотропных материалов // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 4. С. 315.

Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., тр№и1а@,гатЫег.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, тр^Ша^гатЫег.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Травин Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

IDENTIFICATION BULK OF EXPERIMENTAL FEATURES OF COURSE FOLLOW THE COMBINED OPERATIONS DOME

S.S. Yakovlev, M.V. Gryazev, V.Y. Travin

The results of experimental studies of power and of deformation parameters of subsequent operations combined extract-ing cylindrical parts are presented. Satisfactory agreement between the experimental and theoretical data on power modes and limiting possibilities formoizmene of the subsequent operations on the combined exhaust is shown.

Key words: composite hood, experiment, operation, anisotropy, matrix, punch, force, strain, fracture, stress.

Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Gryazev Mikhail Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, the Rector, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Travin Vadim Yurevich, candidate of technical sciences, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 539.374; 621.983

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, ДЕФОРМАЦИЙ И ПОВРЕЖДАЕМОСТИ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ОБРАТНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ АНИЗОТРОПНЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

В.И. Платонов, С.С. Яковлев, Я. А. Соболев, М.В. Ларина

Приведены результаты теоретических исследований распределения эквивалентных напряжений, деформаций и повреждаемости в очаге деформации при изотермическом обратном выдавливании анизотропных трубных заготовок.

Ключевые слова: обратное выдавливание, анизотропный материал, напряжение, деформация, вязкость, сила, повреждаемость, ползучесть.

В работе [1] рассмотрена операция обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок из анизотропного материала в режиме кратковременной ползучести (рис. 1) коническим пуансоном с углом конусности а и степенью деформации е = 1 - Fl/Fo , где Fo и Fl - площади поперечного сечения трубной заготовки и полуфабриката соответственно (рис. 1).