Исследование процесса инкрементального формообразования металл-полимерного композиционного материала

Интерес к использованию слоистых металл-полимерных композиционных материалов в качестве конструкционных материалов обусловлен, в первую очередь, сочетанием высоких механических свойств при сравнительно низких весовых характеристиках. Наиболее перспективным направлением применения слоистых композитов является изготовление из них обшивок и профилей традиционными методами обработки давлением [1].

Однако, формообразование изделий из таких материалов часто сопровождается появлением различных дефектов: расслоениями, разрушением, появлением трещин в области очага деформации, что связано с ограниченными деформационными возможностями этого материала [2].

Более того, высокая стоимость штамповой оснастки, необходимой для изготовления изделий из таких листовых заготовок с помощью операций листовой штамповки, существенно увеличивает себестоимость получаемых деталей, особенно в условиях единичного и мелкосерийного производства.

В связи с этим, остро встает вопрос о необходимости использования гибких производственных технологий, что позволит не только использовать универсальный инструмент, но оперативно осуществлять переналадку с одного изделия на другое, тем самым существенно сократить время подготовки производства [3].

Одной из таких гибких технологий является инкрементальное формообразование [4]. Суть технологии заключается в локальном поэтапном деформировании отдельных частей листовой заготовки по заданной траектории, разработанной на основании геометрии конечного изделия. Применение технологии позволяет быстро реагировать на изменение производственной программы при значительном снижении трудоемкости подготовки производства и затрат на штамповую оснастку. Главной особенностью инкрементального формообразования относительно традиционных процессов листовой штамповки, является более высокие значения предельных деформационных возможностей материала [5].

Несмотря на большое количество преимуществ, использование технологии инкрементального формообразование ограниченно, в виду ряда недостатков, таких как относительно не высокая точность геометрии получаемой детали, длительность процесса изготовления, ограничение по из готовлению изделий связанного с предельным углом инкрементального формообразования [6-8].

Петров Илья Николаевич, научный сотрудник отдела металлофизики и авиационных материалов.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что исследованию предельных деформационных возможностей при инкрементальном формообразовании полимерных слоистых композиционных материалов по прежнему уделяется недостаточное внимание [9].

В настоящей работе представлены результаты по определению взаимосвязи предельного угла инкрементального формообразования металл-полимерного композиционного материала от шага перемещения деформирующего инструмента.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследование деформированного состояния при инкрементальном формообразовании проводилось на специальном стенде, состоящем из промышленного робота KR 160 R1570 nano, рамы для фиксации заготовки и оптической системы бесконтактного измерения деформаций Vic 3D (рисунок 1).

Исследовался процесс формообразования осесимметричной детали - конуса с переменным углом наклона образующей (40о- 85°), как показано на рисунке 2.

В качестве заготовки использовался трехслойный металл-полимерный композиционный материал, состоящий из чередующихся слоев листов из низкоуглеродистой стали (таблица 1) и полиэтиленовой пленки, свойства которых представлены в таблице 2.

Таблица 1. Химический состав низкоуглеродистой стали

Fe, %	C, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %	V, %	Al, %	B, %	прочее, %
93,5	<0,14	< 0,8	< 2	< 0,08	< 0,015	< 0,2	< 2	< 0,005	Cr+Mo<1; Nb+Ti<0,15

Таблица 2. Механические свойства композиционного материала

Слои композиционного материала	Толщина слоев, мм	Общая толщина , мм	Доля пленки, мм	Е, ГПа	^ 0,2 , МПа	С в МПа	^ р %	£f %	n
Низкоуглеродиста я сталь + полиэтиленовая пленка	0,5/0/0	0,5	0	206±1 5	360±5	520±1	15	21±1	0,19
	0,5/0,3/0,5	1,3	0,24
	0,5/0,6/0,5	1,6	0,38	124±2	249±2	342±3	14	19±1	0,18
	0,5/1,1/0,5	2,1	0,53
Полиэтиленовая пленка	0/0,6/0	0,6	1	1,9	27	30	-	>100	-

Рис. 1. Экспериментальный стенд инкрементального формообразования: 1 – промышленный робот манипулятор KUKA KR 160 R1570 nano;

2 – рама для фиксации заготовок;

3 – оптическая система бесконтактного измерения деформаций Vic 3D; 4 – деталь

Траектория перемещения пуансона – криволинейная спираль, для построения которой использовалась программа SprutCAM. Шаг (расстояние между соседними витками спирали вдоль оси конуса) равнялся 25%, 50%, и 75% от толщины заготовки. Формообразование производилось

Рис. 2. Геометрия детали пуансоном диаметром 12 мм. Деформированное состояние определялось с помощью оптической системы бесконтактного измерения деформации Vic 3D.

Предельные деформации материала при инкрементальном формообразовании оценивались по углу наклона образующей детали в месте возникновения разрушения [10].

Характер распределения толщины слоев определялся на оптическом микроскопе ZeissAxioVert. A1 Mat в светлом поле с увеличением х50 с помощью панорамной съемки поперечного сечения вдоль образующей конической детали. Последующий анализ изображения производился в специализированном программном комплексе SIAMS 800. Замер толщины внутреннего и наружного слоя осуществлялся с шагом 3 мм, от кромки к центру получаемой конической детали. Так как контур получаемой детали криволинейный, для замера толщины использовалась функция «размер между двумя кривыми».

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке 3 показана зависимость главных деформаций от шага перемещения пуансона. Во всех случаях деформации увеличиваются от края к центру детали, то есть с ростом угла наклона касательной к образующей. На определенном расстоянии от края деформации достигают максималь- ного значения, что соответствует положению разрушения и затем немного снижаются.

a

б

Рис. 3. Распределение главных деформаций по образующей детали для толщины заготовки: 1,3 мм (а); 1,6 мм (б); 2,1 мм (в)

в

По полученным результатам можно судить о том, что с уменьшением шага перемещения деформирующего инструмента максимальное значение главных деформаций увеличивается, при этом место разрушения смещается ближе к вершине получаемого изделия. С увеличением толщины заготовки этот эффект увеличивается. Полученные результаты согласуются с результатами измерения толщины металлического листа с наружной и внутренней стороны композита (рисунок 4).

a

б

Рис. 4. Распределение толщины металлических слоев композиционного материала толщиной 1,3 мм (а); 1,6 мм (б); 2,1 мм (в)

в

Из рисунка 4 видно, что характер распределения толщины по образующей конической детали наружного и внутреннего металлического слоя композита отличается незначительно. Толщина слоев уменьшается при перемещении от кромки получаемой конической детали к вершине, достигая предельных значений. При увеличении шага перемещения деформирующего инструмента положение минимального значения толщины смещается ближе к центральной части получаемой детали. Наружный слой утоняется немного интенсивнее, в следствии чего разрушение наступает на наружной поверхности металл-полимерного композита (рисунок 5).

Рис. 5. Характер разрушение металл полимерного композиционного материала

Такой характер разрушения наблюдается на большинстве изготовленных инкрементальным формообразованием конических деталей. Полученные результаты распределения толщины по образующей согласуются с законом косинуса [10].

Далее был определен предельный угол инкрементального формообразования - угол между касательной к образующей детали в области разрушения и горизонтальной прямой [10] (рисунок 6).

20      30      40      50      60      70      80 ДгЛ5 %

Рис. 6. Зависимость предельного угла при инкрементальном формообразовании от шага смещения пуансона для трех толщин

По полученному графику можно сделать вывод, что влияние шага на предельный угол имеет обратную зависимость (рисунок 6), с увеличением шага перемещения пуансона предельный угол уменьшается. Таким образом, меньший шаг пуансона обеспечивает более высокие деформационные возможности при инкрементальном формообразовании слоистых металл-полимерных композиционных материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате экспериментального исследования процесса инкрементального формообразования трехслойного металл-полимерного композиционного материала установлены следующие основные закономерности:

С уменьшением шага перемещения деформирующего инструмента предельный угол инкрементального формообразования увеличивается. Зависимость носит обратный характер: наименьший шаг обеспечивает наибольшие деформационные возможности материала. Кроме того, определено, что с уменьшением толщины листовой заготовки предельный угол увеличивается.

Уменьшение шага перемещения деформирующего инструмента приводит к росту максимальных главных деформаций. При этом положение максимума деформаций смещается ближе к вершине конической детали. Данный эффект усиливается с увеличением толщины заготовки.

Характер утонения наружного и внутреннего металлических слоёв композита по образующей детали различается незначительно. Толщина слоёв уменьшается от кромки к центру, достигая минимальных значений в зоне разрушения. При увеличении шага перемещения деформирующего инструмента положение минимума толщины смещается к центральной части детали. Наружный слой утоняется несколько интенсивнее, что приводит к разрушению детали по наружному слою композита. Такой характер разрушения соответствует механизму деформирования - изгиб с растяжением. С увеличением шага перемещения преобладающий механизм деформирования меняется и стремится к однооснному растяжению, что подтверждается снижением предельных деформационных возможностей металл-полимерного композиционного материала.

Таким образом, изменение шага перемещения деформирующего инструмента является эффективным способом регулирования напряжённо-деформированного состояния и позволяет увеличить показатели технологической пластичности слоистых металл-полимерных композиционных материалов в процессах инкрементального формообразования.