СПОСОБ ОЦЕНКИ ШТАМПУЕМОСТИ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для оценки штампуемости листового металла в машиностроении, автомобилестроении, авиастроении и других отраслях промышленности.

Известен способ оценки штампуемости листового металла, заключающийся в том, что заготовку в виде пластины устанавливают на матрицу, нагружают металлическим пуансоном со сферической рабочей поверхностью до разрушения, определяют момент разрушения по трещинам на выпучиваемой части заготовки, фиксируют глубину образовавшейся лунки и по полученным данным судят о штампуемости испытанного металла [1]. Недостатком этого способа является невозможность проведения испытаний в условиях однородного двухосного растяжения вследствие неравномерности условий нагружения заготовки.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ оценки штампуемости листового металла, представленный в [2].

В данном способе листовую заготовку из испытуемого металла, с предварительно нанесенной координатной сеткой, устанавливают на матрицу, имеющую эллипсную в плане рабочую полость и формуют металлическим пуансоном до разрушения. В результате формовки получают куполообразное изделие эллипсной формы в плане с отношением длин малой и большой осей, равным 0,4-1,0. По координатной сетке устанавливают предельные деформации, сопоставляют их величину с накопленными деформациями для какой-либо детали и по их отношению оценивают пригодность испытанного металла для изготовления данной детали.

Известное техническое решение имеет следующие недостатки:

- низкая точность, обусловленная существенным влиянием на результаты испытания сил трения между заготовкой и пуансоном, вследствие чего центральная часть заготовки деформируется в условиях неоднородного двухосного растяжения;

- большая трудоемкость и значительный расход материала, связанные с необходимостью изготовления отдельных пуансонов для различных отношений длин малой и большой осей эллиптической матрицы.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение точности способа оценки штампуемости листового металла, снижение его трудоемкости и уменьшение расхода материала.

Это достигается тем, что в способе оценки штампуемости листового металла согласно изобретению для обеспечения условий однородного двухосного растяжения, снижения трудоемкости испытания и уменьшения расхода материала заготовку до ее разрушения нагружают универсальным эластичным пуансоном с полусферической формующей поверхностью.

Применение при испытании универсального эластичного пуансона с полусферической формующей поверхностью позволяет изначально локализовать деформацию металла в центральной зоне заготовки, создать на ней преднамеренное утонение и обеспечить разрушение заготовки в ее центральной зоне. При этом со стороны эластичной среды на заготовку создается гидростатическое (равномерное) давление, существенно уменьшается величина сдерживающих сил трения между заготовкой и пуансоном и сводится до минимума их влияние на распределение деформаций в центральной части заготовки. Вследствие этого центральная часть заготовки при ее нагружении деформируется в условиях однородного двухосного растяжения.

Кроме того, применение при формовке универсального эластичного пуансона с полусферической формующей поверхностью позволяет исключить необходимость изготовления отдельных металлических пуансонов для различных отношений длин малой и большой осей эллиптической матрицы и тем самым снизить трудоемкость испытания и уменьшить расход материала.

На чертеже представлена схема осуществления способа: слева от оси симметрии - исходное положение заготовки перед формовкой, справа - положение заготовки после формовки.

Способ осуществляют следующим образом. Из листа испытуемого металла вырезают заготовку в форме пластины. На заготовку фотоконтактным способом наносят координатную сетку. Затем заготовку 1 размещают на зеркале матрицы 2 с эллипсной в плане рабочей полостью. К контейнеру 3, в который помещен универсальный эластичный пуансон 4 с полусферической формующей поверхностью, расположенный соосно с матрицей, прикладывают усилие пресса и производят нагружение заготовки до разрушения. В результате формовки получают куполообразное изделие эллипсной формы в плане с отношением длин малой и большой осей, равным 0,4-1,0.

После формовки заготовку извлекают из матрицы, методом координатных сеток устанавливают ее деформированное состояние и рассчитывают предельную интенсивность логарифмических деформаций ε_0пр, накопленную к моменту разрушения.

Сопоставляя значения ε_0пр с рассчитанной или экспериментально установленной величиной накопленной интенсивности логарифмических деформаций ε₀ для какой-либо детали, устанавливают степень близости деформированного состояния в проблемной с точки зрения возможного разрушения зоне формуемой детали к предельному, определяют запас пластичности испытанного металла и оценивают его пригодность для изготовления данной детали.

Реализация предлагаемого металлосберегающего способа позволит по сравнению с известным техническим решением повысить точность и достоверность оценки способности штампуемого листового металла к формовочным операциям со схемой неравномерного двухосного растяжения, снизить трудоемкость испытания и уменьшить расход материала.

Пример конкретной реализации способа

Реализацию способа осуществляли на стандартной испытательной машине ЦД-40. Формовке подвергали три плоские заготовки прямоугольной формы с размерами в плане 100×180 мм и толщиной 1,5 мм, изготовленные из алюминиевого сплава Д16АМ. Нагружение заготовок до разрушения производили в экспериментальном вытяжном штампе. До начала испытаний на зеркало круглой матрицы диаметром 80 мм устанавливали сменное переходное кольцо с эллипсным отверстием, имеющим размеры осей 35 и 70 мм. Формовку производили эластичным пуансоном с полусферической формующей поверхностью, изготовленным из полиуретана марки СКУ-7Л. Перед испытаниями на формующую поверхность эластичного пуансона было нанесено антифрикционное покрытие на основе фторопласта-4. Для уменьшения влияния сил трения между образцом и матрицей помещали полиэтиленовую пленку толщиной 0,1 мм.

Для установления предельной интенсивности логарифмических деформаций ε_0пр, накопленной к моменту разрушения, и проверки реализации в центральной части заготовки условий однородного двухосного неравномерного растяжения после испытания определяли деформации по предварительно нанесенной на образец фотоконтактным способом координатной сетке из системы пересекающихся окружностей диаметром d=2,6 мм. С этой целью на инструментальном микроскопе УИМ-22 с точностью ±0,001 мм по обе стороны от образовавшейся трещины (по нормали к ней) измеряли наибольший a и наименьший b размеры ячеек деформированной координатной сетки. Измерения начинали с ближайшей к трещине целой ячейки, соседней с ячейкой, рассеченной возникшей трещиной.

Наибольшую ε₁ и наименьшую ε₂ главные логарифмические деформации рассчитывали с учетом кривизны поверхности заготовки по формулам

где R₁, R₂ - радиусы кривизны поверхности заготовки в направлениях, соответствующих деформациям ε₁, ε₂.

По рассчитанным значениям деформаций определяли параметр вида деформированного состояния α=ε₁/ε₂. Практически на всей центральной части каждой из испытанных заготовок параметр α оставался постоянным и равным 0,26, что свидетельствовало о том, что эта зона заготовки при ее формовке деформировалась в условиях однородного деформированного состояния. Разрушение всех трех испытанных заготовок происходило вблизи их центра, это также подтверждало, что при формовке реализуются условия однородной деформации.

Для установления предельных значений главных деформаций ε_1пр и ε_2пр, соответствующих разрушению материала заготовки, строили графики изменения деформаций ε₁, ε₂ в зависимости от расстояния от трещины. Экстраполируя полученные зависимости на край трещины, устанавливали предельные значения главных логарифмических деформаций ε_1пр, ε_2пр.

Предельную интенсивность логарифмических деформации ε_0пр, накопленную к моменту разрушения, рассчитывали по формуле

Величина ε_0пр, усредненная по результатам формовки трех заготовок, оказалась равной 0,34.

О штампуемости испытанного металла и пригодности его для изготовления какой-либо детали можно судить по результату сопоставления ε_0пр с рассчитанной или экспериментально установленной величиной накопленной интенсивности логарифмических деформаций ε₀ для этой детали.

Таким образом, представленные экспериментальные данные позволяют сделать заключение о возможности реализации с достаточной степенью точности предлагаемого способа оценки штампуемости листового металла.

Использование предлагаемого способа позволит производить оценку штампуемости листовых металлов, применяемых в различных отраслях промышленности путем проведения испытаний в механических лабораториях промышленных предприятий и НИИ.

Источники информации

1. Авдеев Б.А. Техника определения механических свойств материалов. М.: Машиностроение. 1965. С. 391-397.

2. А.С. СССР 1618483, кл. В21D 22/20, G01N 3/28, 07.01.91. БИ №1.