Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к области листовой штамповки, в частности к исследованию механических свойств листовых материалов для оценки их штампуемости как возможности получения пластических деформаций без разрушения листовой заготовки, изготовленной из листового материала, на формоизменяющих операциях листовой штамповки, а также для использования в CAD/CAE-системах (Computer-Aided-Design/Computer-Aided-Engineering-системах) при компьютерном моделировании и проектировании формоизменяющих операций листовой штамповки перед их внедрением в автомобильной и других отраслях промышленности.

Известен патент RU №2134872 от 20.08.1999, G01N 3/28, «Способ построения диаграммы предельных деформаций и устройство для его реализации», в котором блок, собранный из образца, прижима и матрицы, устанавливают в контейнере и деформируют стальной дробью диаметром 0,5-1,5 мм с помощью пуансона в силовой установке. Недостатком известного аналога и прототипа является то, что требуется использование специального дорогостоящего оборудования и длительный срок проведения испытаний и построения диаграммы предельных деформаций, далее (ДПД).

Задача изобретения состоит в снижении трудоемкости, сроков и стоимости построения ДПД листовых материалов.

Задачу решают следующим образом. Для определения вероятности разрушения листовой заготовки на формоизменяющих операциях листовой штамповки, таких как вытяжка или формовка сложных деталей типа коробчатых или кузовных, растяжение или обтяжка листов, используют два критерия:

1) разрушение в результате деформаций: на каждом этапе деформирования листовой заготовки точки с координатами наименьшей главной деформации ε₂ и наибольшей главной деформации ε₁ для всех элементов листовой заготовки должны располагаться ниже ДПД листового материала ε₁=f(ε₂) с определенным запасом P_d пластичности по деформациям; при заданной абсциссе ε₂ принимают ординату ε₁ до ДПД за 1 или 100%;

2) разрушение в результате напряжений: точки с координатами главных напряжений σ₁ и σ₂ должны располагаться ниже диаграммы предельных напряжений, далее (ДПН), листового материала σ₁=f(σ₂) с определенным запасом P_s пластичности по напряжениям; ДПН строят с помощью ДПД по уравнениям связи между деформациями и напряжениями; ориентировочно ДПН соответствует предельному эллипсу пластичности σ₁ ²-σ₁σ₂=σ₂ ²=σ_s ².

Напряжение текучести σ_s в зависимости от интенсивности деформаций ε_i=ln(l+δ_p) рассчитывают с учетом упрочнения заготовки по формуле (Жарков В.А. Моделирование в системе Marc обработки материалов в машиностроении. Часть 1. Одноугловая гибка. - Вестник машиностроения, 2012, №8, с. 67-72):

где предел текучести физический σ_т или вместо него предел текучести условный σ_0,2, временное сопротивление, иначе, предел прочности σ_в, истинный предел прочности σ_в,t=σ_в(l+δ_p) и относительное равномерное удлинение δ_Р определяют по ГОСТ 11701-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент».

ДПД строят экспериментально для каждой марки, категории вытяжки и толщины листового материала. На сетке прямоугольной системы координат в положительном и отрицательном направлениях оси абсцисс откладывают наименьшую главную деформацию ε₂=ln(l_min/l₀), в положительном направлении оси ординат - наибольшую главную деформацию ε₁=ln(l_max/l₀) элементов образца, полученного из листового материала, где l₀, l_min и l_max - начальный, наименьший и наибольший размеры ячейки делительной сетки, касающейся зоны локального утонения и/или разрушения образца. На сетке прямоугольной системы координат зона ε₂>0 соответствует двухосному растяжению элементов листового материала, ось ε₂=0 - плоской деформации, зона ε₂<0 - растяжению со сжатием.

Для построения ДПД требуются длительные дорогостоящие испытания на специальной испытательной машине, которая имеется только на крупных предприятиях, а производители поставляют листовой материал с сопровождающей нормативно-технической документацией без ДПД и с указанием минимального количества механических свойств листового материала. Поэтому по данному способу строят ДПД на основе только одного стандартного свойства материала, а именно относительного равномерного удлинения δ_р по ГОСТ 11701-84. В частных случаях δ_р берут из нормативно-технической документации на листовой материал, а при отсутствии δ_р проводят только одно испытание на одноосное растяжение образца из листового материала по ГОСТ 11701-84 для определения только одного этого свойства δ_р.

Если для выбранного конструктором листового материала в нормативно-технической документации известно только относительное удлинение после разрыва δ по ГОСТ 11701-84, и не известно δ_р, при этом машина для испытания на растяжение образца из листового материала с целью определения δ_р отсутствует, то сначала для аналогичного по механическим свойствам листового материала с известными значениями δ_р и δ рассчитывают коэффициент С=δ/δ_р, а затем для выбранного конструктором листового материала рассчитывают δ_р=δ/С.

Перед построением ДПД вводят обозначения точки l(ε_2,1; ε_1,1): деформация в направлении длины l образца ε_р=ε_р,l=ε_1,1=ln(1+δ_р), деформация ε_р,b=ε_2,1=ln(l+δ_b), где δ_b - относительное равномерное сужение по ширине b образца, деформация по толщине s образца ε_р,s=ε_3,1; из условия несжимаемости листового материала ε_1,1+ε_2,1+ε_3,1=0 следует ε_3,1=-ε_1,1-ε_2,1; вторая цифра в индексах означает номер точки на ДПД. Обозначения остальных точек ДПД аналогичны, изменяется только вторая цифра в индексах.

Принимают модель линейного растяжения или сжатия изотропного образца, для которой ε_2,1=ε_3,1=-0,5ε_1,1 (Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для студентов вузов. - М.: Машиностроение, 1977, с. 117) и на ДПД строят точку l(ε_2,1; ε_1,1), фиг.

Из точки l(ε_2,1; ε_1,1) проводят прямую до пересечения с осью ε₁ в точке 2(ε_2,2; ε_1,2); эту прямую проводят под углом γ к оси ординат, который для широко применяемых в автомобильной и других отраслях промышленности листовых материалов равен 45°, при этом ε_2,2=0, ε_1,2=0,5ε_1,1. Таким образом, получают уравнение левого отрезка прямой ДПД:

Экспериментально установлено, что при испытании на двухосное растяжение изотропного листового материала, например жидкостью, предельные деформации ε₁ и ε₂ элементов вблизи зоны локального утонения и/или разрушения листового материала равны между собой и в два раза больше предельной деформации ε_р=ln(1+δ_р) элементов листового материала при его испытании на одноосное растяжение по ГОСТ 11701-84. Строят точку 3(ε_2,3; ε_1,3) с координатами ε_2,3=2ε_р=2ln(1+δ_р) и ε_1,3=2ε_p=2ln(l+δ_p) и получают уравнение правого отрезка прямой ДПД через две известные точки 2(ε_2,2; ε_1,2) и 3(ε₂,₃; ε_1,3):

Из условия ε₁≥ε₂ следует, что правая часть ДПД должна быть выше, касаться или совпадать с прямой ε₁=ε₂. Поэтому из точки 3(ε_2,3; ε_1,3) до точки 4(ε_2,4; ε_1,4) проводят отрезок прямой ДПД с уравнением:

где абсцисса и ордината ε_1,4=ε_2,4=ε_2,max=3ln(l+δ_р) равны с определенным запасом утроенному значению ε_p, поскольку расчетная в CAD/CAE-системах координата ε₂ в элементах листовой заготовки может быть больше ε_2,3.

Отрезок прямой, проходящей через первую и вторую точки, продлевают влево до пятой точки 5(ε_2,5; ε_1,5) с абсциссой ε_2,5=ε_2,min=-ln(l+δ_p), равной с определенным запасом удвоенной координате ε_2,1, поскольку расчетная в CAD/CAE-системах координата ε₂ в элементах листовой заготовки может быть больше (по модулю) ε_2,1.

Построенную по данному способу ДПД вводят в CAD/CAE-систему, например, в систему Marc корпорации MSC Software (USA), которая объединяет в себе CAD-программу и CAE-программу, или в программу AutoForm фирмы AutoForm (Suisse) в виде приведенных выше уравнений или в виде большого количества координат точек, полученных по этим уравнениям. По этим данным CAD/CAE-система строит ДПД в прямоугольной системе координат с заданным масштабом координатной сетки и на эту координатную сетку выводит массив точек с координатами ε₁ и ε₂ всех элементов листовой заготовки на всех этапах ее обработки. По номеру и цвету точек определяют те элементы на обрабатываемой листовой заготовке, которые близко расположены (с учетом запаса пластичности) или вышли за ДПД и где велика вероятность разрушения листовой заготовки, и разрабатывают мероприятия по уменьшению вероятности разрушения листовой заготовки в процессе обработки на производстве.

Построенная по данному способу ДПД изотропного листового материала является первым приближением. Со временем, по мере получения надежных экспериментальных свойств, например, δ_b по ГОСТ 11701-84 и других свойств, на ДПД изотропного листового материала накладывают ДПД анизотропного листового материала как последующие приближения для реального анизотропного материала, ДПД анизотропного листового материала вводят в CAD/CAE-систему и более точно, чем с ДПД изотропного листового материала, моделируют и проектируют процесс листовой штамповки, а также при помощи коэффициента анизотропии a_θ=(ε₃ ^_ε₂)/(0,5ε₁)100, ε₁=ln(l+δ_p), ε₂=ln(1+δ_b), ε₃=-ε₁-ε₂ (Жарков В.А. Моделирование в системе Marc обработки материалов в машиностроении. Часть 2. Двухугловая гибка без прижима заготовки. - Вестник машиностроения, 2012, №9, с. 61-67) для углов θ вырезки образцов по отношению к направлению прокатки листового материала получают качественную и количественную характеристику влияния анизотропии на предельное формоизменение данного листового материла.

Технический результат заключается в том, что, не дожидаясь проведения сложных и дорогостоящих испытаний листового материала на специальной испытательной машине, можно по данному способу быстро построить ДПД на основе только одного стандартного свойства листового материала, а именно относительного равномерного удлинения δ_р по ГОСТ 11701-84, и использовать эту ДПД как в CAD/CAE-системе, так и на производстве для расчета вероятности разрушения листовой заготовки на операциях листовой штамповки. Данный способ сокращает время и повышает качество проектирования технологических процессов и оснастки, дает экономию листового материала за счет сокращения процента брака при отладке технологических процессов, а также значительно упрощает выбор листового материала и оборудования для листовой штамповки деталей, например, кузовных деталей легковых автомобилей и другой техники.