Устройство для испытания листовых материалов

Изобретение относится к области листовой штамповки, а в частности к исследованию механических свойств листовых материалов для оценки их штампуемости как возможности получения пластических деформаций без разрушения листовой заготовки, полученной 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.

Известны устройства и способы испытания листовых материалов путем нанесения делительной сетки на заготовку из испытуемого листового материала, укладки заготовки в устройство, зажима края заготовки между матрицей и прижимом, формовки заготовки пуансоном до разрыва и построения точек на диаграмме предельных деформаций, далее по тексту ДПД, по результатам измерения делительной сетки после испытания (Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. - Л.: Издательство "Машиностроение", 1979, с. 500, рис. 397). Недостатки известных устройств и способов: отсутствие жесткого зажима края заготовки с помощью рифтов перед формовкой, вследствие чего требуются увеличенные размеры заготовки для испытания; не применяются современные антифрикционные прокладки, обеспечивающие получение большего количества точек на ДПД.

Известен способ построения диаграммы предельных деформаций и устройство для его реализации по патенту RU №2134872 от 20.08.1999, в котором блок, собранный из заготовки с прижимом и матрицы, устанавливают в контейнере, и заготовку деформируют стальной дробью диаметром 0,5 -1,5 мм с помощью пуансона в силовой установке. Недостатком известного патента является то, что требуется использование специального дорогостоящего оборудования и длительный срок проведения испытаний и построения ДПД.

Известен способ построения диаграммы предельных деформаций на основе относительного равномерного удлинения δ_Р по ГОСТ 11701-84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент" (Жарков В.А. Моделирование в системе Marc обработки материалов в машиностроении. Часть 7. Испытание и правка растяжением. - Вестник машиностроения, 2013, №3, с. 43-48). Однако этот способ основан на результатах испытания плоских образцов на одноосное растяжение, в то время как более полную ДПД строят на основе испытания образцов и заготовок и устройстве, содержащем пуансон, матрицу и прижим.

Задача изобретения состоит в повышения качества оснастки для листовой штамповки и проектирования технологических процессов, позволяющей снизить трудоемкость, сроки и стоимость построения ДПД листовых материалов, а также получить экономию листового материала за счет сокращения процента брака при отладке технологических процессов, упростить выбор оборудования и листового материала для штамповки деталей, например, кузовных деталей автомобилей и другой техники.

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=ƒ(ε₂) с определенным запасом P_d пластичности по деформациям; при заданной абсциссе ε₂ принимают ординату ε₁ до ДПД за 1;

2) разрушение в результате напряжений: точки с координатами главных напряжений σ₁ и σ₂ должны располагаться ниже диаграммы предельных напряжений (ДПН) листового материала σ₁=ƒ(σ₂) с определенным запасом P_s пластичности по напряжениям; ДПН строят с помощью ДПД по уравнениям связи между деформациями и напряжениями; ДПН соответствует предельному эллипсу пластичности σ₁²-σ₁σ₂+σ₂²=σ_s².

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 7. Испытание и правка растяжением. - Вестник машиностроения, 2013, №3, с. 43-48):

где предел текучести σ_0,2, предел прочности σ_в и относительное равномерное удлинение δ_p для начала образования шейки на образце определяют по ГОСТ 11701 -84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент".

ДПД листового материала в виде функциональной зависимости ε₁=f(ε₂) строят по точкам, базовые точки получают по данному способу испытания на одноосное и двухосное деформирование круглых, прямоугольных, квадратных или иной формы заготовок, вырезанных из этого же листового материала с помощью устройства, содержащего пуансон, матрицу и прижим, причем габаритные размеры заготовок превышают габаритные размеры расположенного на прижиме рифта, и жесткий зажим края заготовки выполняют по всей длине рифта. Для различных параметров испытания получают различные точки на ДПД.

На заготовку толщиной s₀ наносят ячейки делительной сетки, обычно в виде окружностей диаметром l₀. Диаметр ячеек подбирают таким образом, чтобы после испытания вблизи места разрыва заготовки окружности превращались в овалы или эллипсы с малой осью симметрии длиной l_min и большой осью симметрии длиной l_mах, а толщина s_f заготовки плавно увеличивалась в направлении от места разрыва контуру заготовки по нормали к линии разрыва. При этом сдвиговые деформации и касательные напряжения в направлении малой и большой осей овала равны нулю, вследствие чего линейные деформации ε₁ и ε₂ и напряжения σ₁ и σ₂ соответственно в направлении большой и малой осей овала являются главными. Третье главное напряжение аз в направлении толщины листового материала равно нулю. Оси овалов l_min и l_mах измеряют и рассчитывают ε₁=ln(l_max/l₀) и ε₂=ln(l_min/l₀) в центре ячейки. Третью главную деформацию ε₃=ln(s_f/s₀) рассчитывают или по результатам измерений толщины s_f в центре ячейки, или из условия ε₁+ε₂+ε₃=0 несжимаемости листового материала: ε₃=-ε₁-ε₂. Если измеряют все три деформации ε₁, ε₂ и ε₃, то условие несжимаемости используют для оценки точности измерений.

Для построения ДПД на сетке прямоугольной системы координат откладывают: в положительном и отрицательном направлениях горизонтальной оси абсцисс - наименьшую деформацию ε₂=ln(l_min/l₀); в положительном направлении вертикальной оси ординат -наибольшую деформацию ε₁=ln(l_max/l₀), причем из условия ε₁+ε₂+ε₃=0 несжимаемости листового материала следует, что из трех деформаций ε₁, ε₂ и ε₃, как минимум, одна деформация во время пластического деформирования листового материала имеет положительное значение. Так как разрушение заготовки в процессе испытания или заготовки из листового материала в процессе штамповки детали может происходить только вследствие утонения, то всегда s_f<s₀, и деформации δ_s,f=(s_f-s₀)/s₀, ε₃=ln(s_f/s₀)=ln(1+δ_s,f) ячейки вблизи места разрыва заготовки или заготовки всегда будут иметь отрицательные значения.

Левая половина ДПД при ε₂<0 соответствует одноосному растяжению со сжатием элементов листового материала, ось ε₂=0 - плоской деформации, правая половина ДПД при ε₂>0 - двухосному растяжению элементов листового материала.

На производстве для повышения точности и качества, а также для осуществления оценки штампуемости детали, на заготовку наносят делительную сетку, после штамповки в опасных местах детали по сеткам рассчитывают деформации, сравнивают их с ДПД, определяя запас пластичности до разрушения, и, в случае необходимости, назначают меры для уменьшения деформаций в опасных местах и сокращения процента брака при отладке технологических процессов. Часто расчет деформаций заготовки по сеткам заменяют или совмещают с CAD/CAE-моделированием, например, в системе Marc корпорации MSC Software (США) или в программе AutoForm фирмы AutoForm Engineering GmbH (Швейцария), при котором также необходима ДПД.

Устройство для испытания листовых материалов, содержащее пуансон, матрицу и прижим, отличающееся тем, что на прижиме выполнен рифт треугольного поперечного сечения в плане по окружности, концентричной круглому контуру пуансона, торец которого выполняют плоским с поднутрением и с закругленной по радиусу кромкой, на матрице выполнено соответствующее углубление под этот рифт с учетом толщины испытуемого листового материала таким образом, чтобы в зажатом состоянии боковые поверхности рифта и заготовки плотно прилегали к друг другу с наличием зазора между заготовкой и плоскостью прижима, из которой выступает рифт, устройство также содержит технологическую прокладку, размещенную под заготовкой с идентичными ей размерами из материала, показатели пластичности которого не ниже показателей пластичности испытуемой заготовки, технологическая прокладка содержит отверстие с диаметром, меньшим диаметру пуансона, с зачищенными и заполированными заусенцами по краю этого отверстия, между контактирующими обезжиренными поверхностями технологической прокладки и заготовки расположен (находится) порошок типа канифоль, между технологической прокладкой и пуансоном расположена антифрикционная прокладка, которая может быть выполненной из тефлона или полиэтилена.

Сущность устройства для испытательной машины показана на фиг. 1, слева от вертикальной оси - перед испытанием, справа - после разрыва заготовки в виде сквозной на просвет трещины: 1 - пуансон с плоским торцом диаметром D_p и закруглением кромки радиусом r_р, 2 - матрица с отверстием диаметром D_m и с закруглением кромки радиусом r_m, 3 - прижим, 4 - рифт, 5 - заготовка, 6 - антифрикционная пленка, 7 - технологическая прокладка с отверстием диаметром D_h.

На испытательной машине двойного действия с нижним приводом и двумя наружным и внутренним ползунами устройство с пуансоном с плоским дном, матрицей и прижимом для испытания листовых материалов формовкой заготовки дном вверх работает следующим образом. Из испытуемого листового материала вырезают круглую, прямоугольную, квадратную или иной формы заготовку 5 с минимальными габаритными размерами в плане на виде сверху, превышающими габаритные размеры рифта 4 в плане. На центральную часть заготовки диаметра D=2R, которая после жесткого зажима рифтом 4 формоизменяется пуансоном и матрицей, наносят делительную сетку для измерения ее до испытания и после испытания и проведения расчета предельных деформаций заготовки перед разрушением.

Для улучшения двухосного растяжения до разрушения центральной части заготовки под заготовку подкладывают технологическую прокладку 7 таких же размеров, как и заготовка, из материала, показатели пластичности которого в виде относительного равномерного удлинения и относительного удлинения после разрыва по ГОСТ 11701-84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент" не ниже показателей пластичности испытуемой заготовки. Если заготовка изготовлена из низкоуглеродистой стали, технологическую прокладку 7 выполняют также из низкоуглеродистой стали той же или более пластичной марки. Отверстие в технологической прокладке 7 диаметром D_h, меньшим диаметра D_p пуансона 1, зачищают от заусенцев и полируют, чтобы при испытании края отверстия прокладки не разрывались, а разрывалась только центральная часть заготовки над этим отверстием. Контактирующие поверхности технологической прокладки 7 и заготовки 5 обезжиривают и между ними насыпают порошок типа канифоли (на фигуре не показан) для увеличения трения, чтобы прокладка 7 за счет трения способствовала как можно большему деформированию центральной части заготовки 6 до разрушения.

Для уменьшения трения между технологической прокладкой 7 и пуансоном 1 укладывают антифрикционную прокладку 6 в виде тонкой пленки из полиэтилена или тефлона таких габаритных размеров, чтобы в процессе испытания технологическая прокладка 7 касалась поверхности пуансона 1 только через эту антифрикционную прокладку 6. На верхнюю и нижнюю поверхности антифрикционной прокладки 6 наносят смазочный материал (на фиг. не показан).

В частном случае, если силы испытательной машины, на которой установлена оснастка с заготовкой, недостаточно для формовки канавки рифтом 4 одновременно и на заготовке 5, и на технологической прокладке 7, то формовку выполняют на этой же испытательной машине до испытания или поочередно на технологической прокладке 7 и заготовке 5, или на отдельном прессе в этой же оснастке. Видеокамеры 8 фиксируют формоизменение заготовки и передают информацию в компьютер для построения ДПД.

Жесткий зажим края заготовки 5 выполняют рифтом 4 на прижиме 3, в плане по окружности, концентричной круглому контуру пуансона 1 в плане. Формовку заготовки 5 до разрыва в отверстие матрицы 2 диаметром D_m осуществляют дном вверх через антифрикционную пленку 6 и технологическую прокладку 7 пуансоном 1, торец которого выполнен плоским с закругленной радиусом r_р кромкой и поднутрением в центре для уменьшения трения между антифрикционной пленкой 6 и торцом пуансона 1 и за счет этого обеспечения двухосного растяжения центральной части заготовки 5 до разрушения. После зажима края заготовки, при испытании деформируется только центральная часть заготовки диаметром D=2R, в то время как вне этого диаметра заготовка не деформируется. Поэтому форма контура заготовки может быть любой, определенной из условия экономии листового материала и простоты отрезки заготовки от этого листового материала, лишь бы контур заготовки везде выходил за контур рифта 4 в плане.

Пуансон 1 закрепляют на внутреннем ползуне, а прижим 3 - на наружном ползуне испытательной машины. При ходе вверх наружного ползуна с прижимом 3 этот прижим 3 рифтом 4 жестко зажимает край заготовки, после чего наружный ползун останавливается. При последующем ходе вверх внутреннего ползуна с пуансоном 1 этот пуансон 1 выполняет формовку центральной части заготовки до разрушения. За процессом испытания наблюдают сверху через отверстие матрицы 2 визуально или с помощью видеокамер 8 и связанных с ними компьютером, и при начале разрушения, который характеризуется появлением видимой на просвет трещины на всю толщину заготовки и падением фиксируемой приборами силы формовки, испытание останавливают.

Данное устройство для испытания листовых материалов снижает трудоемкость, сроки и стоимость построения ДПД листовых материалов, сокращает время и повышает качество проектирования технологических процессов и оснастки для листовой штамповки, 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 автомобилей и другой техники.