СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА НА ПРУЖИНЕНИЕ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИ ВЫТЯЖКЕ СТАКАНА С ФЛАНЦЕМ (ВАРИАНТЫ)
TEST METHOD OF PLATE MATERIAL FOR SPRINGING, AND PARAMETER LIMITS AT DRAWING OF SHELL WITH FLANGE (VERSIONS)

Изобретение относится к листовой штамповке и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для оценки параметров деформирования и штампуемости различных листовых материалов (металлов и неметаллов) при проектировании технологических процессов изготовления разнообразных деталей и изделий из этих листовых материалов, преимущественно для оценки штампуемости материалов из листового проката металла (в виде листа, полосы, ленты или рулона) перед гибкой и вытяжкой из этих материалов деталей автомобилей, тракторов, сельхозмашин, бытовой и другой техники на прессах простого, двойного и тройного действий, а также на многопозиционных прессах-автоматах, например, для гибки и вытяжки кузовных деталей автомобилей.
Известен способ технологического испытания листового материала на пружинение после загиба угла листового материала, например угла верхнего не прижатого листа в пачке листов при помощи прибора “Flex” (Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. - с.495). Прибор “Flex” устанавливается полкой на лист так, чтобы угловой конец листа вошел в прорезь планки. Поворотом скобы угол листа загибается на 60 градусов до определенного положения. Упругое смещение пластины отмечается индикатором. Прибор снабжается таблицами упругих отклонений для различных материалов и толщин.
Недостатки этого способа следующие. Низкие точность и надежность результатов испытания, т.к. прибор невозможно точно зафиксировать в углу листа. Когда после гибки угла этот угол обратно выпрямляется, то в месте изгиба остается неровность, которая может осложнить последующее изготовление деталей из этого листа. Невозможность вручную изогнуть угол достаточно толстого листа. Изгиб листа при помощи данного прибора не соответствует производственным способам гибки листа при помощи пуансона и матрицы штампа.
Известен способ технологического испытания листового материала на пружинение при гибке по Эйлеру (Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. - с.495). В прибор вставляется полоса в виде образца из листового материала. Далее производится изгиб этой полосы, вставленной в паз поворотно-сменного пуансона прибора с заданным отношением радиуса пуансона к толщине полосы. По шкале отсчитывается угол пружинения для различных отношений радиуса пуансона к толщине полосы и различных углов изгиба.
Недостатки этого способа следующие. Низкая точность результатов испытания, т.к. угол определяется визуально по грубой шкале в градусах. Невозможность вручную изогнуть образец из достаточно толстого листа. Изгиб листа при помощи данного прибора не соответствует производственным способам гибки листа при помощи пуансона и матрицы штампа.
Известен способ технологического испытания листового материала на пружинение А.Е. Розенбелова (Розенбелов А.Е. Прибор для испытания листового материала на пружинение. Авторское свидетельство СССР 296023, G01N 3/26, опубл. 12.11.71, бюллетень №8). В этот прибор вставляется полоса из листового материала. Далее производится изгиб этой полосы вокруг пуансона с заданным отношением радиуса изгиба к толщине полосы. После освобождения полосы по шкале отсчитывается угол пружинения для различных отношений радиуса изгиба к толщине полосы и различных углов изгиба.
Недостатки этого способа следующие. Низкая точность результатов испытания, т.к. угол определяется визуально по грубой шкале в градусах. Невозможность вручную изогнуть образец из достаточно толстого листа. Изгиб листа при помощи данного прибора не соответствует производственным способам гибки листа при помощи пуансона и матрицы штампа.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу (по технической сущности и достигаемому эффекту) является способ испытания на вытяжку цилиндрического колпачка (Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. - с.496). Испытание служит для определения предельного коэффициента вытяжки. Однако этот способ не предназначен для определения пружинения стенки стакана после вытяжки. Кроме того, для осуществления этого способа применяют специальные установки (Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. - с.500, рис.399) ограниченной мощности, которые не могут вытягивать стаканы из заготовок больших толщин и диаметров, изготовленных из высокопрочных листовых материалов.
Целью изобретения является разработка нового способа технологического испытания листового материала на пружинение и предельные параметры при вытяжке стакана с фланцем, в большей мере, чем известные способы, соответствующего схеме формоизменения заготовки в производственных условиях на операциях вытяжки разнообразных деталей из заготовок больших толщин и размеров, изготовленных из высокопрочных листовых материалов, и позволяющего более строго определить пригодность материала для штамповки деталей повышенной точности на данных операциях.
Поставленная цель достигается тем, что образец в виде плоской круглой заготовки укладывают в штамп-прибор, прижимают краевую часть, вытягивают заготовку в отверстие матрицы при помощи пуансона не на проход, а оставляя край заготовки плоским и не изогнутым, и с помощью пяти индикаторов определяют параметры пружинения фланца, стенки и дна стакана в процессе вытяжки и после разгрузки стакана.
На фиг.1 показаны два этапа испытания на вытяжку стакана наиболее распространенным способом дном вниз в штампе-приборе:
I - начало вытяжки плоской заготовки 1, показанной пунктирной линией, пуансоном диаметром "р";
p
m
m
II - конец вытяжки заготовки в стакан по закругленным кромкам пуансона радиуса r и закругленным кромкам матрицы радиуса r на максимальные углы левого и правого участков стенки стакана, близкие к 90° и равные соответственно 90°-γ и 90°-ω; левый и правый края заготовки не доходят до закругления матрицы радиуса r; в этот момент левый и правый участки стенки стакана отклонены от вертикали в зазоре z между пуансоном и матрицей на исходные углы γ и ω.
3
4
3
4
На фиг.2 показано сечение штампа-прибора вертикальной плоскостью, проходящей через ось штампа-прибора перпендикулярно предыдущему сечению, показанному на фиг.1. Виден этап III испытания на вытяжку стакана в штампе-приборе, когда после окончания процесса вытяжки поднимают прижим 3 на прокладки 15; при этом освободившийся фланец пружинит и край заготовки поднимается на величины δ и δ за счет действия упругих деформаций; величины δ и δ измеряют по индикаторам 13, 14, установленным в матрице 2 на расстоянии "е" от края матрицы.
На фиг.3 показан стакан вне штампа-прибора после разгрузки. Виден этап IV испытания, когда стакан разгрузился и под воздействием упругих деформаций его стенки разошлись в четырех углах. При помощи измерительных приборов определяют углы β и ϕ отклонения участков стенки стакана от вертикали, углы λ и η отклонения левого и правого краев стакана от горизонтали, прогибы ,  левого и правого участков стенки стакана после разгрузки и прогиб  участка стакана под торцом пуансона.
p
m
Способ осуществляется следующим образом. Из испытуемого материала (в виде листа, полосы, рулона или ленты) изготавливают образец 1 в виде плоской круглой заготовки толщиной s и диаметром D, который в первом приближении рассчитывают из условия равенства срединных поверхностей стакана и заготовки. В дальнейшем при проведении испытания диаметр плоской заготовки уточняют. Для статистической обработки результатов испытания таких заготовок изготавливают несколько штук (например, шесть). Данный способ может быть применен не только для испытания листового материала, но и для физического моделирования заданного технологического процесса вытяжки. В последнем случае целесообразно выдержать постоянство следующих безразмерных параметров процесса вытяжки конкретной детали и испытания образца: r/s, r/s, p/s, D/s, µ, где µ - коэффициент трения, выбираемый по справочной литературе. Листовой материал модели (образца) и натуры (вытягиваемой детали) должен обладать одинаковыми упругими и пластическими свойствами. После такого моделирования оценивается возможность вытяжки детали с заданными по чертежу отклонениями и параметрами точности. По данному способу можно испытать материал нескольких марок и толщин с различными механическими свойствами и выбрать наиболее подходящий материал с минимальным пружинением. В этом случае необходимо задаться определенными размерами стакана и штампа-прибора и оценивать пружинение и предельные параметры вытяжки по результатам следующего испытания.
m
p
Для испытания в качестве устройства используют штамп-прибор с расположенной внизу матрицей 2 с закругленной рабочей кромкой радиуса r, установленной на стойках 6, закрепленных на нижней плите 11, с расположенным вверху на расстоянии зазора z от отверстия матрицы цилиндрическим пуансоном 4 с плоским торцом и закругленной рабочей кромкой радиуса r, установленным на верхней плите 10, и прижимом 3 для прижима краевой части заготовки. Зазор "у" между матрицей и прижимом обеспечивают прокладкой 5.
Для уменьшения отрицательного воздействия на результат испытания сил трения между рабочими поверхностями матрицы и прижима и поверхностями заготовки в процессе ее перемещения во время испытания величина этого зазора "у" должна быть гарантированно больше номинальной толщины заготовки s с учетом верхнего предельного отклонения Δ, а также с учетом утолщения края заготовки в процессе вытяжки. Однако зазор должен быть минимальным, чтобы угол изгиба заготовки был как можно ближе к прямому углу в 90° и чтобы в процессе вытяжки в зазоре не образовывались складки во фланце заготовки. Величина зазора зависит от диаметра и высоты стакана, толщины и диаметра заготовки и многих других факторов. Для наиболее распространенных материалов и условий вытяжки наименьший предельный зазор "у" задают на 15% больше наибольшей предельной толщины заготовки s+Δ, а именно у=1,15(s+Δ). Наибольший предельный зазор "у" задают на 30% больше наибольшей предельной толщины заготовки s+Δ, а именно у=1,3(s+Δ).
Под матрицей 2 на уровне середины стенки стакана устанавливают два индикатора 7, 9 с горизонтальными осями и началом отсчета от касательной к наружному контуру стенки стакана (фиг.1). Эти два индикатора 7, 9 служат для измерения с двух сторон слева и справа прогиба стенки стакана от этой касательной по горизонтали до наружного контура стенки в любой момент испытания до разгрузки образца. Под матрицей 2 устанавливают два индикатора 13, 14 с вертикальной осью на расстоянии "е" от края матрицы; начало отсчета этих двух индикаторов задают от рабочей поверхности матрицы. Внутри пуансона 4 по его оси симметрии размещают индикатор 8 с вертикальной осью. Начало отсчета этого индикатора устанавливают от горизонтальной плоскости торца пуансона 4. Точность изготовления штампа-прибора-повышенная.
Плоскую заготовку укладывают на рабочую поверхность матрицы 2 симметрично относительно вертикальной оси штампа-прибора. Затем на прессе или испытательной машине задают вертикальное перемещение или только одному пуансону, или только матрице, или и пуансону и матрице навстречу друг другу. Рабочие поверхности пуансона и матрицы входят в контакт с заготовкой и постепенно втягивают заготовку в зазор 2 между пуансоном и матрицей, оставляя в конце испытания плоским край заготовки.
По мере вытяжки заготовки боковая поверхность вытягиваемого стакана касается двух индикаторов 7, 9 с горизонтальным осями, которые показывают прогибы стенки заготовки после изгиба частиц заготовки при перемещении на закругление матрицы и после спрямления частиц заготовки при сходе их с закругления матрицы. Чтобы в начальный момент вытяжки заготовка не смещалась по отношению к пуансону и оставалась в контакте с пуансоном, ее поддерживают снизу подпружиненными толкателями 12. Сила, с которой толкатели воздействуют на заготовку, небольшая, чтобы не вызвать деформирование заготовки.
Процесс вытяжки заготовки прекращают, когда ход пуансона h станет равным заданной величине, высота стакана будет равна h+s, а края заготовки останутся не изогнутыми плоскими, равными заданной ширине фланца. По формуле
рассчитывают одинаковые исходные углы γ и ω отклонения левой и правой частей стенки стакана от вертикали в зазоре z между пуансоном и матрицей при максимальной глубине вытяжки. По индикаторам 7, 9 определяют исходные прогибы участков стенки стакана  и  после их изгиба и спрямления при перемещении во время испытания по закругленной кромке матрицы до разгрузки. По индикатору 8 внутри пуансона 4 определяют исходный прогиб  участка стакана под торцом пуансона.
3
4
3
4
После окончания процесса вытяжки выполняют этап III испытания (фиг.2), а именно поднимают прижим 3 на прокладки 15. При этом освободившийся фланец пружинит и поднимает край заготовки на величины δ и δ за счет действия упругих деформаций; величины δ и δ определяют при помощи индикаторов 13, 14, установленных в матрице 2 на расстоянии "е" от края матрицы. Индикаторы 13, 14 установлены в сечении штампа-прибора вертикальной плоскостью, проходящей через ось штампа-прибора перпендикулярно предыдущему сечению, показанному на фиг.1.
По формулам
,
рассчитывают углы ν и ξ, отклонения левой и правой частей фланца заготовки от горизонтальной плоскости матрицы.
Выполняют этап IV испытания, а именно стакан вынимают из штампа-прибора. Стакан разгружается и под воздействием упругих деформаций его стенки начинают расходиться в четырех углах, как показано на фиг.3. Стакан укладывают в контрольное приспособление и при помощи измерительных приборов определяют углы β и ϕ отклонения участков стенки стакана от вертикали, углы λ и η отклонения краев стакана от горизонтали, прогибы участков стенки стакана после разгрузки ,  и прогиб участка стакана под торцом пуансона .
Окончательно два угла пружинения α и φ двух участков стенки стакана слева и справа от оси стакана после изгиба по закругленным кромкам пуансона и матрицы на углы, близкие к 90° и равные соответственно 90°-γ и 90°-ω, рассчитывают по формулам
,
1
2
Действительные прогибы δ, δ у обоих участков стенки стакана, полученные после их изгиба и спрямления при перемещении во время испытания по закругленной кромке матрицы, после разгрузки рассчитываются по формулам
,
Действительный прогиб δ участка стакана под торцом пуансона равен
В безразмерных переменных относительные углы пружинения стенки стакана  и  рассчитывают как отношение угла пружинения к углу изгиба по формулам
,
1
2
В безразмерных переменных относительные прогибы δ, δ у обоих участков стенки стакана рассчитывают по формулам
,
Относительный прогиб δ участка стакана под торцом пуансона рассчитывают по формуле
На производстве при проектировании технологических процессов листовой штамповки деталей из- рассчитанных в результате испытания двух углов пружинения  и  для двух симметричных участков стенки стакана, а также двух прогибов  и  для этих же участков стенки стакана учитывают либо максимальное значение, либо минимальное, либо среднее в зависимости от технических условий на деталь.
Чтобы вытяжка стакана происходила без принудительного утонения стенки стакана, зазор z между пуансоном и матрицей должен быть больше номинальной толщины заготовки s с учетом верхнего предельного отклонения Δ, а также с учетом утолщения краевой части заготовки в процессе вытяжки. Зазор z между пуансоном и матрицей устанавливают по приведенным выше рекомендациям для назначения зазора "у" между поверхностями матрицы и прижима. Если высота стакана достаточно велика, например равна 100 номинальным толщинам заготовки, то даже для наибольшего предельного зазора z между пуансоном и матрицей после вытяжки угол наклона стенки стакана к горизонтали весьма близок к 90°, и с погрешностью до 0,2% принимают, что исходные углы γ и ω отклонения левого и правого участков стенки стакана от вертикали равны нулю, а углы изгиба всех участков стенки стакана равны 90°.
По варианту 2 (фиг.4, 5, 6), образец укладывают не на матрицу 2, а на прижим 3.
На фиг.4 показаны два этапа испытания на вытяжку стакана дном вверх в штампе-приборе:
I - начало вытяжки плоской заготовки 1, показанной пунктирной линией, пуансоном диаметром "р";
p
m
m
II - конец вытяжки заготовки в стакан по закругленным кромкам пуансона радиуса r и закругленным кромкам матрицы радиуса r на максимальные углы левого и правого участков стенки стакана, близкие к 90° и равные соответственно 90°-γ и 90°-ω; левый и правый края заготовки не доходят до закругления матрицы радиуса r; в этот момент левый и правый участки стенки стакана отклонены от вертикали в зазоре z между пуансоном и матрицей на исходные углы γ и ω.
3
4
3
4
На фиг.5 показано сечение штампа-прибора вертикальной плоскостью, проходящей через ось штампа-прибора перпендикулярно предыдущему сечению, показанному на фиг.4. Виден этап III испытания на вытяжку стакана в штампе-приборе, когда после окончания процесса вытяжки поднимают прижим 3 на прокладки 15; при этом освободившийся фланец пружинит и край заготовки поднимается на величины δ и δ за счет действия упругих деформаций; величины δ и δ измеряют по индикаторам 13, 14, установленным в матрице 2 на расстоянии "е" от края матрицы.
На фиг.6 показан стакан вне штампа-прибора после разгрузки. Виден этап IV испытания, когда стакан разгрузился и под воздействием упругих деформаций его стенки разошлись в четырех углах. При помощи измерительных приборов определяют углы β и ϕ отклонения участков стенки стакана от вертикали, углы λ и η отклонения левого и правого краев стакана от горизонтали, прогибы ,  левого и правого участков стенки стакана после разгрузки и прогиб  участка стакана под торцом пуансона.
m
p
Для испытания в качестве устройства используют штамп-прибор с расположенной вверху матрицей 2 с закругленной кромкой радиуса r, с расположенным внизу на расстоянии зазора z от отверстия матрицы цилиндрическим пуансоном 4 с плоским торцом и закругленной кромкой радиуса r и прижимом 3 краевой части заготовки. Зазор между матрицей 2 и прижимом 3 обеспечивают прокладкой 5 толщиной, большей номинальной толщины заготовки с учетом верхнего предельного отклонения, а также с учетом утолщения края заготовки в процессе вытяжки. Прижим 3 опирают через толкатели 12 на пружины штампа-прибора или подушку пресса. Штамп-прибор оснащают двумя индикаторами 7, 9 с горизонтальным осями на расстоянии середины стенки стакана по вертикали вверх от рабочей поверхности матрицы 2. Начало отсчета этих индикаторов устанавливают от касательной к наружному контуру стенки стакана (фиг.3). Под матрицей 2 устанавливают два индикатора 13, 14 с вертикальной осью на расстоянии "е" от края матрицы (фиг.4); начало отсчета этих двух индикаторов задают от рабочей поверхности матрицы. Внутри пуансона 4 по его оси симметрии размещают третий индикатор 8 с вертикальной осью. Начало отсчета этого индикатора устанавливают от горизонтальной плоскости торца пуансона 4.
Способ осуществляется следующим образом. Из испытуемого материала (в виде листа, полосы, рулона или ленты) изготавливают образец 1 в виде плоской круглой заготовки толщиной s и диаметром D. Образец 1 укладывают на прижим 3 симметрично относительно вертикальной оси штампа-прибора при помощи прокладки 5 (фиг.4). Затем начинают испытание (этап I на фиг.4), в конце вытяжки измеряют прогибы стакана (этап II на фиг.4), опускают прижим 3 на прокладки 16, тем самым освобождают фланец стакана и измеряют пружинение края фланца (этап III на фиг.5), вынимают вытянутый стакан из штампа-прибора и измеряют его (этап IV на фиг.6) аналогично тому, как делают по варианту 1.
Аналогично по этим вариантам за счет изменения зазора между пуансоном и матрицей и хода пуансона или матрицы изменяют угол изгиба участков стенки стакана и определяют такой предельный параметр, как максимально допустимый до трещины угол изгиба стенки стакана. За счет использования наборов пуансонов и матриц с различными радиусами и кривыми закруглений определяют такой предельный параметр, как минимально допустимый до трещины радиус изгиба заготовки при перемещении в стенку стакана. Варьируя диаметром заготовки, по данному способу можно определить предельный, до разрушения, коэффициент вытяжки, равный отношению диаметра заготовки к диаметру стенки стакана по средней линии. Если требуется определить вид трещины и характер излома в месте разрушения заготовки, то за счет указанных факторов доводят образец до полного разрушения.
Все варианты данного способа испытания соответствуют производственным процессам вытяжки листового материала при помощи пуансона, матрицы и прижима штампа для вытяжки и позволяют с высокой точностью определить параметры пружинения вытянутой детали и предельные параметры вытяжки. Использование для проведения испытания мощного прессового оборудования дает возможность применять заготовки больших толщин и диаметров, изготовленных из высокопрочных листовых материалов.