Влияние анизотропии заготовок на разнотолщинность стенки изделия при вытяжке

Вследствие присущей листовым материалам анизотропии свойств детали, получаемые методами холодной штамповки, имеют целый ряд недостатков, которые приводят к снижению их качества и увеличению себестоимости изготовления. Так, при вытяжке анизотропных заготовок помимо фестонообразования наблюдается также разнотолщинность стенки изделия по образующей (до 25-38%) и по периметру (до 55-65%), что вызывает значительную неравно-прочность стенки [1-3].

Для устранения этого недостатка в данной работе на основе теории пластичности анизотропных сред выполнен анализ закономерностей влияния анизотропии на образование разнотол-щинности; намечены пути получения листовых заготовок, обеспечивающих постоянную толщину стенки детали при вытяжке; проведена опытная штамповка полученных заготовок.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

В работе [4] отмечается, что характер изменения толщины стенки по фестону и впадине определяется величиной анизотропии. В связи с этим рассмотрим взаимосвязь между толщиной стенки осесимметричной детали, полученной

вытяжкой, и показателями анизотропии материала.

Для количественного анализа деформированного состояния воспользуемся уравнениями связи напряжений и деформаций [4-5]:

А з ^£ eq

£0 = -13 — (Аз - ААр ),

А1 ^A eq

Цтх £eq

^£ р = -23     ( ^а р ^- Р 12 ^А 0 ) ,          (1)

А32 Aq           ’

£z = “eq" [( A3 - 1)Ар - Р13А0 ] ,

Aeq где Ар и Ар - главные радиальные и тангенциальные напряжения, действующие во фланце заготовки; £р, £6 и £z - радиальные,тангенци-альные деформации и деформации по толщине; £eq и Aeq - интенсивности деформаций и напряжений; pij - коэффициенты поперечной деформации:

£

M tj =- — ,            (2)

^£ j

£ i - поперечная деформация сжатия при одноосном растяжении плоского образца; £ j – деформация растяжения в направлении приложенной силы (1 – направление прокатки, 2 – поперечное направление, 3 – направление нормали).

Основываясь на уравнениях (1), проанализируем взаимосвязь между деформациями £₆ и £ _z в процессе вытяжки. Для этого выразим их следующим образом:

. _ А 31 z

М13

3   1 ) Р   ^p 13

А0

• ^{1    -} ^ 21 ^{Ар А}0

  ^£0 .

  
  
  
  

Так как на внешней кромке фланца О р = 0 , то из отношения (3) получим:

E = М^в .

Влияние анизотропии на изменение толщины внешней кромки фланца S (а в пределе и верхнего края изделия) можно оценить с помощью выражения (4). Для этого выразим деформации £₆ и £ _z через геометрические размеры заготовки:

SR

E z = ln^r ^е в = lnv ,

S ₀         R ₀

,

где S0 и R0 – начальные толщина и радиус заготовки; S и R – текущие толщина и радиус за- готовки.

Так как Ц 31 + Ц 21 = 1 [5], то подставляя (5) в (4) получим:

5 = 5 0

( R А^{1 -} ^ 21 I R 0 I

I R )

В работе [6] отмечено, что степень фестоно-образования определяется лишь максимальным М _тах и минимальным ^ _min значениями показателей анизотропии в плоскости заготовки. При этом в направлении ^ _min формируется впадина, а м _тах — фестон. Рассмотрим толщину стенки на краю фланца только в местах образования впадин S_в и фестонов S_ф , для этого в соотношении (6) необходимо принять R равным радиусу готовой детали R_д . С учетом изложенного выражение (6) запишем в виде:

( п A I^- A min ( n А 1 — А тах

R О I I R О I

— I ’ ^Sф = S О | ~ I ' ⁽⁷⁾ R d ) V R d )

Из соотношений (7) следует:

• 1.    Чем больше отличаются значения показателей анизотропии от единицы, тем значительнее будет изменение толщины. Следовательно, при вытяжке анизотропного листа наибольшая разнотолщинность всегда наблюдается в направлении образования впадин.

• 2.    Разнотолщинность по образующей будет наблюдаться при вытяжке любых материалов (так как у всех существующих полуфабрикатов ^ _min <  д _тах <  1). Разнотолщинность увеличивается с уменьшением показателей анизотропии.

• 3.    Для устранения разнотолщинности деталей по периметру необходимо равенство показателей анизотропии в плоскости листа, т.е. ^ 21 = М = ^ 12 ⁽ ^ min = ^ max ).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Согласно рекомендациям [4, 7], для проверки указанных положений были получены и исследованы листовые заготовки из сплава АД0 как с различной степенью анизотропии, так и близкие к трансверсально-изотропным.

Последующая вытяжка этих заготовок осуществлялась в экспериментальной штампе с коэффициентом вытяжки 1,85. Исходная толщина заготовок (от 0,78 до 4,78 мм) устанавливалась путем осреднения пяти размеров в радиальном направлении под углами 0°, 45° и 90° относительно направления прокати (НП). Толщина стенки вытянутых стаканов измерялась индикатором с точностью 0,01 мм. Замеры осуществлялись по образующей стакана в направлениях образования фестонов и впадин. Толщина стенки принималась средней по результатам трех замеров.

Разнотолщинность стенки стакана по образующей D_о и периметру D_n оценивалась по формулам [1]:

в _ve,          е,в _^ф n _ ^max ^min n _ ^max ^max

D o =     _c ’ D n = _c ’    ⁽⁸⁾

d О                 d О где Sвmax и Sвmin – максимальная (у края стакана) и минимальная (у радиуса перехода стенки в дно) толщины по впадине вдоль образующей; Sфmax – максимальная толщина стенки по фестону, измеряемая на той же высоте, что и Sвmax.

Данные по измерению D_о и D_n в зависимости от степени анизотропии исходной заготовки представлены в табл. 1. Для наглядности построены графики (рис. 1) изменения D_о и D_n в соответствии с кривыми изменениями показателей анизотропии в листе при отжиге.

Из графиков видно, что разнотолщинность стенки по периметру D_n практически равна нулю у стаканов, отштампованных из заготовок, отожженных в интервале температур 305-330°С, т.е. при ^ 21 ~ Ц 1 ~ Д 12 ~ 0,41 - 0,45. Значение раз-нотолщинности по образующей D_o в этом случае также уменьшается на 31,6% по сравнению с величиной D_o , полученной при штамповке листов, отоженных по стандартной технологии.

Это связано с тем, что при отжиге в указанном интервале температур показатель анизотропии ^ _mi_n = 0,41 имеет наибольшее значение. Его величина возросла в 1,85 раза по сравнению с холоднокатанным состоянием и в 1,3 по сравнению с заготовками, которые отжигались при температуре более 350 °С. В соответствии с этим, как следует из выражения (7), изменение толщины стенки по образующей также уменьшается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из приведенного материала следует, что рассмотренные режимы изготовления листов позволяют при последующей штамповке наряду с фестонообразованием устранить разно-толщинность стенки стакана по периметру и существенно снизить разнотолщинность по образующей.

Таблица 1. Изменение разнотолщинности стенки деталей при вытяжке в зависимости от обжатия и температуры отжига листов из АД0

Толщина заготовки, мм	Степень обжатия, %	Температура отжига , °С	Величина показателей анизотропии			Толщина стенки стакана, мм		Разнотол-щинность		Характеристика верхнего края стакана
			^ 21	А	Д 12	по фестону	по впадине	D o	D n
1,12	78	Без отжига	0,19	0,49	0,44	1,302 1,23 1,17 1,12 1,08	- 1,48 1,34 1,19 1,06	0,375	0,223	Фестоны под углом 45° к НП
0,78		350	0,45	0,48	0,46	0,902 0,86 0,77 0,72 0,70	0,94 0,82 0,78 0,71 0,69	0,321	0,038	Ровный край
1,16		450	0,45	0,36	0,5	1,25 1,22 1,11 1,06 1,01	- 1,5 1,17 1,05 0,97	0,454	0,242	Фестоны вдоль и поперек НП
2,94	64	Без отжига	0,23	0,55	0,46	3,4 3,1 3,02 2,93 2,84	- 3,98 3,32 2,86 2,61	0,464	0,299	Фестоны под углом 45° к НП
2,81		250	0,25	0,53	0,48	3,04 2,96 2,85 2,75 2,70 2,63	- 3,64 3,03 2,82 2,67 2,32	0,471	0,242	Фестоны под углом 45° к НП
2,83		325	0,41	0,44	0,45	3,48 3,32 2,91 2,8 2,73 2,61	3,61 3,41 2,88 2,77 2,69 2,62	0,352	0,046	Ровный край
2,83		400	0,41	0,31	0,46	3,1 2,82 2,76 2,71 2,58 2,45	- 3,73 3,26 2,83 2,52 2,281	0,514	0,321	Фестоны вдоль и поперек НП
4,78	38	Без отжига	0,25	0,56	0,48	5,0 4,5 4,26 4,12 4,08	- 6,12 4,82 4,48 3,9	0,465	0,339	Фестоны под углом 45° к НП

Таблица 1. Изменение разнотолщинности стенки деталей при вытяжке в зависимости от обжатия и температуры отжига листов из АД0 (окончание)

4,78		300	0,28	0,52	0,40	5,1 4,96 4,68 4,57 4,29	- 6,28 5,71 5,06 4,0	0,478	0,276	Фестоны под углом 45° к НП
4,78		320	0,4	0,43	0,39	5,52 5,41 5,12 4,93 4,62 4,32	5,72 5,53 5,18 4,89 4,53 4,1	0,334	0,038	Ровный край
4,78		450	0,39	0,28	0,41	5,18 4,97 4,76 4,5 3,98	- 6,34 4,92 4,48 3,89	0,512	0,287	Фестоны вдоль и поперек НП

Рис. 1. Изменение значений D и D в сопоставлении со значениями показателей µ о n                                                                                              ij сформированными в заготовках при различных температурах отжига