Рельеф поверхности – фактор снижения металлоемкости деталей из тонколистовой стали

Выводы

1. Применение СТД прессования позволило получить из порошка бронзы с дендритной формой частиц образцы с пористостью до 1 %, а из сферического -до 4,5 %.

2. Прирост прочности неспеченных прессовок, полученный за счет ударной доштамповки (образцы № 3 и № 6), составил 31 %. По сравнению с прессованием сферического порошка бронзы (53 % прироста прочности в аналогичных условиях), увеличение прочности за счет СТД прессования порошков со сложной формой частиц снижается, что обусловлено влиянием на прочность прессовок механического зацепления частиц.

3. По сравнению со статическим прессованием прирост прочности прессовок при СТД прессовании за счет изменения характера нагружения составил для порошка бронзы с дендритной формой частиц 16,6 % при одинаковой плотности образцов (образцы № 3 и № 5).

4. В качестве рационального режима получения прессовок из порошка бронзы с дендритной формой частиц, как и для сферического порошка, может быть рекомендовано СТД прессование с удельным усилием 1145 МПа и энергией удара Е = 1,3 кДж. Дальнейшее увеличение параметров прессования приводит к

снижению КПД ударной доштамповки и стойкости штамповой оснастки, а для сферического порошка увеличение параметров прессования свыше указанных значений приводит к снижению прочности брикетов.

Перечень ссылок

1. Шакиров А.М. Изготовление шестерен масляных насосов из низколегированных порошковых сталей // Порошковая металлургия, № 3. - 1989. - С. 92-95.

2. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Влияние высоких скоростей деформации на деформирование пористых заготовок при динамическом нагружении // Удосконален -ня процеав та обладнання обробки тиском в металургй та машинобудуванш: Темат. Зб. наук. пр. - Краматорськ-Слов'янськ, 2003. - С. 246-251.

3. Тарасов А.Ф., Роганов Л. Л., Соннов А.П. Исследование статикодинамического брикетирования порошковых материалов // Сб. науч. ст. /Крамат. индустр. ин-т. -Краматорск, 1993. - Вып. 1. - С.26-34.

4. Тарасов А.Ф., Бурлей П.А. Влияние параметров стати-кодинамического нагружения на изгибную прочность неспеченных прессовок // Вюник Схщноукрашського нацюнального ушверситету iменi Володимира Даля. В 2-х ч. - Ч. 1. - Луганськ: вид-во СНУ iм. В. Даля, 2006. - № 6 (100). - С.61-67.

Одержано 10.12.2007

Виконано експериментальне до^дження MexaHi4Hux властивостей неспечених пресовок, як одержанi i3 бронзового порошку з дендритною формою частинок, як одержанi при статичному та статикодинамiчному пресуваннi.

The experimental research of mechanical properties of non-coagulated compact received from bronze powder with dendritic particle shape obtained by static and static-dynamic pressing was carried out.

УДК 621.983

Канд. техн. наук Е. Т. Белый Национальный технический университет, г. Запорожье

РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ - ФАКТОР СНИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТОНКОЛИСТОВОЙ СТАЛИ

Приведен анализ и исследования влияния нерегулярного и регулярного рельефа поверхности листа на металлоемкость штампованных деталей. Установлена зависимость регулярного макрорельефа листа и металлоемкости деталей. Определены режимы прокатки и параметры макрорельефа листа для уменьшения металлоемкости деталей.

Основные направления улучшения металлических материалов [1] для автомобилестроения на период 2006-2015 гг. - это:

- совершенствование топографии по параметрам шероховатости, волнистости, плотности пиков, лицевой поверхности и листа в целом;

- применение консервационно-технологических масел, микролегированных сталей повышенной прочности;

- повышение коэффициента использования материалов;

- совершенствование нормативной документации на металлопрокат, в т.ч. ГОСТ 9045-93 и ТУ

Тенденции снижения расхода металла и массы изделий стимулируют применение тонколистовой холод-нокатанной стали повышенной прочности. С уменьшением толщины листов успешность их применения в значительной степени зависит от решения технологических вопросов контактного взаимодействия металла с инструментом при штамповке и специфики процессов формообразования деталей.

© Е. Т. Белый, 2008

Различия в требованиях к качеству нелицевой и лицевой поверхности листа для лицевых кузовных деталей автомобилей отражено в существующих стандартах только с позицией требований к качеству их покрытий.

Анализ контактных условий деформирования при штамповке деталей [2] позволил дифференцировать поверхности взаимодействия листа с инструментом по характеру их влияния на успешность процесса штамповки и в зависимости от варианта формообразования оболочковых деталей, установить позитивное и негативное влияние сил трения в каждом из процессов. Более полное обеспечение дифференциации сил контактного трения в каждом из процессов формообразования существенно увеличивает возможности получения оболочковых деталей из тонколистовых материалов, т. к. доля сил трения [3] составляет от 27 до 45 % от усилия деформирования в зависимости от условий смазки.

Формирование сил контактного трения в значительной степени определяет шероховатость поверхности листа [4] и инструмента. Рифления на поверхности пуансонов [5] создают локальные зоны затрудненного течения металла с уменьшением деформаций в опасных сечениях деталей. Увеличение шероховатости поверхностей листовой стали [4, 6] обеспечивает снижение сил трения во всех зонах контактирования листа с инструментом, в том числе и тех, где оно негативно влияет на эффективность процесса формообразования деталей. В результате общий эффект от снижения сил трения в этом случае не значительный.

Применение листовой стали с различной шероховатостью поверхностей [7, 8] существенно увеличивает эффективность процесса формообразования и качество деталей. Появляется возможность не только учесть существенно различные требования к поверхностям деталей с точки зрения качества покрытий, но и обеспечить дифференциацию сил трения по контактным зонам в соответствии с необходимостью их увеличения или снижения.

Однако и в этом варианте возможности уменьше -ния сил трения ограничены случайным нерегулярным характером рельефа поверхностей листа, который формируется в процессе его дрессировки в валках после дробеструйной или электроэрозионной обработки поверхности. Характеристика такого рельефа по стандарту - среднеарифметическое отклонение профиля поверхности - Яа, мкм не позволяет оценить фрикционные свойства рельефа поверхности. В этом плане важными трибологическими характеристиками рельефа поверхности листа являются регулярность неровностей и кривая опорной поверхности - относительный показатель распределения металла и вершин по высоте профиля.

Нерегулярный рельеф поверхности листа (рис.1, а) можно характеризовать как совокупность точечных выступов со случайным распределением их по высоте профиля. При осадке выступов под действием нормальной - Еп и сдвиговой - ^ нагрузки в контактных процессах при формоизменении листа смазка практически свободно перетекает между неровностями микрорельефа. Вероятность «блокирования» ее микрообъемов между сминаемыми вершинами мала (рис. 2, б), а их количество незначительно.

С увеличением шероховатости поверхности (рис. 2, а) вероятность роста микрообъемов «блокированной» смазки и их количество растет, что обуславливает соответствующее уменьшение сил контактного трения, т.к. доля поверхности, на которой преимущественно формируются силы трения, по сравнению с поверхностью воспринимающей нормальную нагрузку, уменьшается (рис. 2, б). Одновременно, как следует из рис. 1, б, с увеличением высоты неровностей - Ятах изменяется распределение материала по высоте рельефа шероховатости поверхности, что указывает на возможность снижения металлоемкости листа при его неизменной толщине.

Рис. 1. Профиль (а) и кривые опорной поверхности (б) зависимостей п = /(е) относительной площади сечения п = —~ от

относительного сближения (уровня сечения) е =

Ят

для нерегулярного микрорельефа поверхности листовой стали:

а

1 - 0,8... 1,6 мкм Яа ; 2 - 3,7... 4,0 мкм Яа ; 3 - 4,4... 5,0 мкм Яа

Рис. 2. Характерные профилограммы нерегулярного микрорельефа листовой стали (а) и схемы взаимодействия нерегулярного (б) и регулярного (в) рельефов с поверхностью инструмента , %:

а) вертикальные увеличения х 1000, горизонтальные х 40; б) 1 - участки «блокированной» смазки; 2 - участки свободного перетекания смазки; 3 - участки непосредственного контакта; 4 - участки контактной поверхности разделенные выдавливаемой из «блокированных» микрообъемов смазки

Наиболее полно эффект «блокирования» смазки и возможности снижения металлоемкости листа проявляются при создании на его поверхности регулярно-ячеистого макрорельефа [9, 10, 11, 12]. Основа эффекта в перераспределении материала по высоте рельефа, увеличении и расположении выступов, образующих регулярный ячеистый рельеф (рис. 2, в).

В этом варианте рельеф срабатывает на «блокирование» смазки в начальный момент контактирования листа с инструментом. Осадка макрорельефа в процессе деформирования поверхности приводит к выдавливанию «заблокированной» в ячейках смазки, разделению поверхностей листа и инструмента в течение практически всего процесса.

Первичными критериями при определении параметров макрорельефа поверхности тонколистовой стали групп ГВ для глубокой вытяжки и ОСВ для особо сложной вытяжки были: эффективность листа при формообразующих операциях и отсутствие следов продавливания рельефа на лицевую поверхность деталей.

Получение макрорельефа с шагом неровностей 0,5.1,25 мм различной высоты [13] осуществлялось в процессе прокатки листовой стали 08 Ю толщиной 1 мм с обжатиями от 2 до 12 % в валках с соответствующей обработкой для формирования нелицевой ячеистой поверхности и лицевой с шероховатостью случайного микрорельефа в пределах требований ГОСТ.

Величина обжатий контролировалась степенью

деформаций по длине листов - е1. С учетом закона постоянства объемов 61 + е 2 +63 = 0. В условиях отсутствия деформаций по ширине листов е2 = 0, 61 = -63. Однако при макропрофилировании поверхности равенство по абсолютной величине деформаций

по длине и толщине листов нарушается, т.е. 61 Ф -63. В этом случае удлинение листа является суммарным

результатом его утонения '1

г 0

измеренного по вер-

шинам неровностей поверхностей, и формирования ячеек макрорельефа - М. Влиянием формирования микрорельефа лицевой поверхности листа, вследствие его малости, можно пренебречь.

Увеличение шага неровностей макрорельефа - р приводит к увеличению деформаций по толщине листа (рис. 3) и высоты неровностей (рис. 4) с увеличением обжатия при макропрофилировании.

Рис. 3. Зависимость относительной толщины от

/'0

степени продольной деформации - 61 листовой стали в процессе обжатия при макропрофилировании поверхности прокаткой. Шаг макрорельефа: 1 - 0,5 мм; 2 - 0,75 мм;

3 - 1,0 мм; 4 - 1,25 мм; 5 - микрорельеф 0,8. 1,6 мкм Яа

Рис. 4. Зависимость высоты макрорельефа - Rmax от степени деформации - 61 листовой стали при прокатке. Шаг макрорельефа: 1 - 0,5 мм; 2 - 0,75 мм; 3 - 1,0 мм; 4 - 1,25 мм

Рис. 5. Зависимость доли снижения металлоемкости за счет формирования ячеек макрорельефа -

M =-

•1°°% от величины шага макрорельефа при

макропрофилировании листовой стали

1 °3

Е

При постоянном обжатии, например 6 %, с увеличением шага с 0,5 до 1,25 мм глубина ячеек (высота

профиля Rmax) уменьшается с 65 до 28 мм. Доля удлинения листа за счет формирования ячеек -

6] -63

M = —-3 -100 % падает с 53 до 23 % (рис. 5), что

61

связано с уменьшением доли канавок на контактной поверхности валков, для затекания металла, формирующего высоту профиля макрорельефа.

Из характера кривых опорной поверхности макрорельефа (рис. 6, б) следует, что с увеличением шага макронеровностей - p с 0,5 до 1,25 мм (рис. 6, а), количество материала, формирующего вершины, уменьшается почти на треть, а объем впадин соответственно возрастает. Еще более существенное перераспределение материала происходит при перехо-

де от случайного микрорельефа к макрорельефу поверхности.

Некоторое увеличение объема металла в верхней части макрорельефа по сравнению со случайным микрорельефом К(1 = 0,8... 1,6 мкм позволяет оптимизи-

б).

ровать см и н а е м ость рельефа поверхности ( рис . 6, I.

Формирование макрорельефа сопровождается ростом предела прочности - ст в в диапазоне обжатий 8...10 % на 10...12 %, предела текучести на 64...66 %, что свидетельствует о потере пластичности металла в связи с его упрочнением (рис. 7).

Оценка штампуемости металла по методу Свифта путем вытяжки цилиндрического колпачка и формовки лунки по методу Эриксона позволила установить существенное влияние макропрофиля поверхности на условия контактного трения в процессах деформирования листов.

А.

> ' 1 , ----------------------------/г?

>ттпг,-/-/г" >/> >> /гг/г// __Рэ _ I

' .'///.' • 1 '/''// ^ / ////// / ] _Рл__,

^777^777777777777777

.........г;

7777777777

!-£

0.8 0,6

ОМ 02

1 \д

1 \ 3\ Ч * V

Л

ОД ф 0,6 Ц8 Г/

Рис. 6. Относительные размеры сечений макрорельефа и кривые опорной поверхности рельефов листовой стали. Шаг макрорельефа: 1 - 0,5 мм; 2 - 0,75 мм; 3 - 1,0 мм; 4 - 1,25 мм; 5 - поверхность с нерегулярным микрорельефом 0,8-1,6 мкм КС1

Рис. 7. Зависимости предела текучести - ат и предела прочности - а в тонколистовой стали толщиной 1 мм от степени деформации - Е] при формировании макрорельефа с шагом: о - 0,5 мм; О - 0,75 мм; А - 1,0 мм; х - 1,25 мм

Рис. 8. Зависимости степени вытяжки - к по Свифту от степени деформации - 61 тонколистовой стали толщиной 1 мм при формировании макрорельефа поверхности (МП) с шагом: о - 0,5 мм; О - 0,75 мм; А - 1,0 мм; х - 1,25 мм; 1 - поверхность с МП контактирует с пуансоном; 2 - с матрицей

Установлено (рис. 8), что в процессах формообразования детали за счет перетекания металла с фланцевых частей заготовки - вытяжкой, штампуемость металла, макропрофилированного с обжатиями до 6 %, растет при расположении поверхности с макропрофилем к матрице (рис. 8, кривая 2) и падает при обратном расположении (рис. 8, кривая 1).

В варианте 1 падение штампуемости происходит в связи со снижением пластичности металла и неблагоприятными контактными условиями деформирования в виде снижения трения в зонах контакта пуансона с макропрофилированной поверхностью и повышения трения в зонах контакта с матрицей лицевой

поверхности с шероховатостью 0,8.1,6 мкм Яа .

В варианте 2 влияние снижения пластичности металла перекрывается реализацией позитивных для вытяжки условий трения - уменьшения при контактировании матрицы с макропрофилированной поверхностью листов и увеличения между контактной поверхностью пуансона и лицевой поверхностью листа.

Результаты испытаний при формовке (рис. 9) находятся в полном соответствии с ранее изложенными при вытяжке с учетом специфики влияния сил трения при формовке. Увеличении глубины лунки - Нэр наблюдалось (рис. 9, кривая 1), при расположении макропро-филированной поверхности листа к пуансону и уменьшение при обратном расположении (рис. 9, кривая 2).

Рис. 9. Зависимости глубины лунки по Эриксену - Нэр от степени деформации - 61 тонколистовой стали толщиной 1 мм при формировании макрорельефа поверхности (МП) с ш том : о — 0,5 мм; О - 0,75 мм; А - 1,0 мм; х -1,25 мм; 1 - поверхность с МП контактирует с пуансоном; 2 - с матрицей

Увеличение обжатий при макропрофилировании до 10-12 % приводит штампуемость листа на исходный до макропрофилирования уровень, что обусловлено преимущественным влиянием, в этом диапазоне обжатий, потери пластичности листа в балансе факторов, определяющих его штампуемость.

По результатам исследований для листовой стали толщиной 1 мм применение листов с шагом макрорельефа 1,25 мм нецелесообразно для лицевых деталей по причине его возможного продавливания при штамповке на лицевую поверхность, а листов шагом рельефа 0,5 мм как менее эффективного для снижения металлоемкости деталей.

Результаты исследований [12, 13] и решений в соответствии с авторскими свидетельствами и патентами [7, 9, 10, 11] легли в основу разработанных технологий, оборудования и инструмента для получения тонколистовой стали с макрорельефом поверхности в линиях штамповки деталей и предварительного макропрофилирования поверхности листов в кузовном производстве «ЗАТ ЗАЗ».

Выводы

Применение технологий получения и штамповки листа с макропрофилем поверхности обеспечивает снижение металлоемкости деталей на 4-8 % при одновременном повышении их прочности на 8-10 %. Результаты исследований и технологии могут использоваться в прокатном производстве тонколистовой стали.

Перечень ссылок

1. Основные направления развития металлических материалов для легкого автомобилестроения на период 20062015 г. / С.З. Афонин, А.К. Тихонов // Сталь, 2006. -№ 11. - С. 146-148.

2. Исаченков Е.И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением. - М.: Машиностроение, 1978. - 208 с.

3. Белый Е.Т. Влияние различной шероховатости поверхности сторон тонколистовой холоднокатаной малоуглеродистой стали на ее штампуемость: Автореферат дис. ... канд. техн. наук. Спец. 05.16.05. - Днепропетровск. 1976. - 23 с.

4. Влияние микрогеометрии поверхности холоднокатаной малоуглеродистой тонколистовой стали на ее штампу-емость. / С.З. Юдович, Л.И. Живов, Д.Е. Цивирко, Е.Т. Белый // Гос. регистрация № 50144, М., 1964 г.

5. А.с. 489608 СССР. В23р. 1/00. Способ получения шероховатой поверхности/ С.З. Юдович, П.А. Михайлов, Е.Т. Белый, Л.И. Живов и др. - № 2006932; Заявлено 21.03.74, Опубл. 30.10.75, Бюл. № 40.

6. Шероховатость поверхности листа для глубокой вытяжки. // А.П. Чекмарев, В.И. Мелешко, А.П. Кагайлов, В.Л. Мазур // Сталь. - 1969. - № 12. - С. 1108-1111.

7. А.с. 260575 СССР В21в. Способ изготовления листового металла / С.З. Юдович, Л.И. Живов, Е.Т. Белый, Н.А. Шулико и др. - № 1288811; Заявлено 10.12.68, Опубл. 6.01.10, Бюл. № 4.

8. Влияние различной шероховатости поверхности сторон холоднокатаной листовой стали на ее свойства /А.П. Чекмарев, С.З. Юдович, В.И. Мелешко, Е.Т. Белый // Сталь. - 1971. - № 6. - С. 530-532.

9. А.с. 427749 СССР В21в 1/38 Способ поверхностной обработки листового металла давлением. / С.З. Юдо-вич, П.А. Михайлов, Л.И. Живов, Е.Т. Белый и др. - № 1860668, Заявлено 28.12.72, Опубл. 1974 г., Бюл. №18.

10. А.с. 1084091 СССР В21в 1/38 Способ обработки поверхности листа /Е.Т. Белый, Л.М. Белач, С.И. Кравчун и др. - № 3552468, Заявлено 17.02.83, опубл. 17.04.84. № 13

11. Патент Украши 18803 В21в 1/38. Споаб обробки по-верхш листа /С.Т. Бший, B.C. Бший, С.1. Кравчун, М.А. Потш. - № 4782382, Заявл. 15.01.90, Надрук. 25.12.97, Бюл. № 6.

12. Исследование возможности использования листовой стали со специальным макропрофилем поверхности для снижения металлоемкости кузовных деталей автомобилей ЗАЗ-966 и ЗАЗ-968. (Закл. отчет) /Запорожский машиностроительный институт им. В.Я. Чубаря; Руководитель темы Е.Т. Белый. - № ГР 01820077180. - Запорожье, 1982 г. - 43 с.

13. Разработать оптимальные параметры макропрофиля поверхности холоднокатаной тонколистовой стали для снижения металлоемкости деталей автомобиля и проверить технологический процесс изготовления деталей в условиях опытного производства (Отчет) / Запорожский машиностроительный институт им. В.Я. Чубаря; Руководитель темы Е.Т. Белый. - № ГР 01820077180. -Запорожье, 1984 г. - 74 с.

Одержано 17.12.2007

Наведено аналiз та дослiдження впливу нерегулярного i регулярного рельефу поверхш листа на металомiсткiсть штампованих деталей. Установлена залежнiсть регулярного макрорельефу листа i металомiсткостi деталей. Визначенi режими прокатки та параметри макрорельефу листа для зменшення металомiсткостi деталей.

Research and analysis of influence of regular and irregular profile applied on a surface of thin sheet steel over stamping parts mass reduction are performed. The dependence of regular macroprofile parameters and stamping parts mass reduction is established. The appropriate regimes of sheet rolling and parameters of mаcro profile for stamping parts mass reducing are founded.