Moskva, Moscow, Russian Federation
UDK 621.7.011 Свойства материалов при обработке. Обрабатываемость. Деформируемость, напряжения, способность металла заполнять форму, течение материала и т.д.
Abstract. Results of workpiece thickness variations due to sheet metal stamping job, that is: tube bending, pressing, stretching, drawing-out, ironing are presented in the paper. The necessity in such work is fuelled by the contemporary increasing requirements for parts strength resulted from sheet metal stamping. Much attention is paid to tube bending, for it is bending that changes not only form of the section of the tube billet, but also leads to a thickness loss in a tensile layer together with an increase in thickness of a compression zone. The methods of reducing tube thickness variation are proposed. Results of changes in workpiece thickness under drawing-out are given. It is shown that increasing the punch radius can reduce the thickness variation by 10 %. In most studies on sheet stamping, the thickness of the primary blank and rolled iron is not taken into account, while the primary part thickness can vary by 20 % when ordering metal of single precision. A thick-sheeted drawing-out in the AutoForm program is simulated in order to determine the possibility of the program in predicting changes in the shape of the sheet and thickness due to the action of bending. It is shown that AutoForm models the shape of the part well enough after stamping. According to the specification, AutoForm and the experiment showed similar results in thickness and also revealed areas with minimal thickness. For the selected stamping parameters, the minimum thickness is observed at the point of transition of the cylindrical surface to the punch radius and at the point of transition of the punch radius to the bottom plate. Since most metals subjected to sheet stamping have anisotropy properties, it has been shown by experiments and has its theoretical proof that thickness can vary significantly along the perimeter. It has been proven that the thickness variation along the perimeter of the part may exceed 35 %
sheet stamping, thickness variation, tube bending, drawing-out
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. Anuriev V.I. Handbook of mechanical engineering designer: In 3 volumes. T. 1. M.: Mashinostroenie, 1979. 728 p.
2. Romanovsky V.P. Handbook of Cold Forming. L.: Mechanical Engineering, 1979. 520 p.
3. Demin V.A. Intensification of high temperature bottom plates forming / Science intensive technologies in mechanical engineering. 2023. № 12 (150). P.9–14.https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-9-14
4. S.I. Vdovin, K.S. Lunin, D.N. Maltsev Tube Wall Tapering When Bending With Copying Template № 3 (299) 2013. P. 57–60.
5. Popov I.P., Maslov V.D., Popov A.D., Nikolenko K.A. Directional change in the thickness of the workpiece during the formation of steeply curved bends. V sbornike: METALLOPHYSICS, MECHANICS OF MATERIALS, NANOSTRUCTURES AND DEFORMATION PROCESSES. METALDEFORM 2009. Proceedings of the 3rd International Scientific and Technical Conference. In 2 volumes. Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolev, Volga branch of the A.A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences. 2009. P. 221–226
6. Kaybarov A.P., Surkov S.A. Study of billet Reduction to Obtain Wall Thickness. Science intensive technologies in mechanical engineering. 2021. T. 19 № 8. P. 362–364.
7. Evsyukov S.A., Solaiman A.A. Study of extracting combined with swaging and distribution Science and Education Science and Education of the Bauman MSTU # 11, November 2013 DOI:https://doi.org/10.7463/1113.0636247
8. Mikheev V.A. Directed change in the thickness of the workpiece wheh shape forming double curvature dump shells with covering In the collection: Problems and prospects for engine building development. Proceedings of the international scientific and technical conference. Ser. «Bulletin of the Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolev» Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolev. 2003. pp. 158–164.
9. Kohun L.S., Shul’gin A.V., Krutina E.V.,Morozov Yu.A. Hange of Thickness of Walls of Cylindrical Glasses at an Extract Without Clip Structural mechanics of engineering structures and structures, 2014, No. 5. P. 9–13 p.
10. Nepershin R.I., Prusakov M.A. Modeling of thin walled half sphere deep drawing. Vestnik MGTU «Stankin» 2016. № 1 (36). P. 14–20.
