Уменьшение толщины металла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уменьшение толщины металла

Конструкция кузова автомобиля должна отвечать многим требованиям. С одной стороны, необходимо снижать его массу и улучшать аэродинамические качества, с другой стороны все большее значения приобретают факторы пассивной безопасности автомобиля [1].

Чтобы удовлетворить противоречивые требования используются следующие направления совершенствования конструкции:

-использование алюминиевых и магниевых сплавов;

-применение высокопрочного листового материала;

-оптимизация толщины панелей;

-новые технологии соединения деталей;

-достижение, по возможности, наименьших зазоров в соединениях.

Кузов проектируется таким образом, чтобы выдерживать нагрузки во время движения и обеспечивать безопасность пассажиров в случае столкновения. Он должен сминаться и поглощать максимальное количество энергии в случае серьезного столкновения и сводить к минимуму вероятность получения травм пассажирами. Поэтому кузов проектируют таким образом, чтобы при столкновениях передняя и задняя части кузова относительно легко деформировались, поглощая энергию удара, и одновременно с этим были прочными, защищая пассажирский салон.

Прогресс в машиностроении зависит от совершенствования технологии изготовления машиностроительных деталей, разработки новых способов обработки давлением, повышения интенсивности и надежности. Одним из эффективных способов изготовления деталей является листовая штамповка, широко применяемая в автомобилестроении и в других отраслях промышленности [4].

Листовая штамповка обеспечивает стабильное качество деталей, является ресурсосберегающей и энергосберегающей технологией. Наиболее сложными операциями листовой штамповки являются формоизменяющие операции, с помощью которых изготавливают детали кузовов автомобилей и других машин. Эти детали должны обладать высокой прочностью и малой массой. Для этого необходимо создавать новые технологические процессы. К таким процессам относятся формоизменяющие операции с предварительным деформированием исходной заготовки, которое позволяет увеличить ее площадь и экономить металл, а также увеличить прочность получаемых деталей. Предварительное деформирование позволяет также управлять анизотропией, имеющейся и изменяемой в заготовке. Однако подобные операции до сих пор недостаточно исследованы, что затрудняет их внедрение в производство.

Наиболее распространенными формоизменяющими операциями при штамповке крупногабаритных изделий из листа являются обтяжка с растяжением, вытяжка и формовка, основанные на двухосном растяжении листовых заготовок. Применение этих операций на практике требует проведения значительных временных и экономических затрат. Эффективно решить задачу изготовления деталей сложной геометрической формы с помощью данных операций можно только с использованием математической модели процесса. Поэтому необходимо исследование общей структуры модели процесса, установление критерия оптимизации процесса и способов его реализации. Особо актуальным для этих операций являются вопросы предельного формоизменения, недостаточная изученность которых сдерживает расширение применения этих операций. Это связано с отсутствием рекомендаций и методик, позволяющих выполнять эти процессы наиболее рационально.

В настоящее время не существует единого метода расчета формоизменяющих операций при листовой штамповке. Степень допустимого деформирования в формоизменяющих операциях листовой штамповки ограничивается или разрушением заготовки, или потерей ею устойчивости, приводящей к недопустимому искажению формы. Оптимизация процессов листовой штамповки предусматривает обеспечение необходимых перемещений в пластически деформируемой заготовке, докритических деформаций и напряжений и получение изделия с заданным качеством, которое во многом определяется штампуемостью металла, его прочностными и пластическими характеристиками.

Штампуемость металла связана с поисками критериев оценки поведения листового металла в процессах холодной штамповки. Но схемы напряженного и деформированного состояний при различных формоизменяющих операциях различны, а, следовательно, различны и условия возникновения разрушений и соответствующие им деформации. Следовательно, один и тот же материал может хорошо штамповаться (допуская значительное формоизменение) при одной операции, а при другой будет показывать худшую штампуемость. Это затрудняет отыскание единых критериев штампуемости.

Существует много способов и методик испытаний, служащих одной цели - оценке штампуемости. Однако отсутствует единая точка зрения, каким требованиям и предпосылкам должен удовлетворять оптимальный метод испытаний для той или иной операции листовой штамповки.

Одним из основных параметров определения пригодности листового металла к формоизменению является величина его предельной деформации. В настоящее время известно несколько методов расчета предельного формоизменения заготовок в процессах пластического деформирования.

Формоизменение ограничивает разрушение металла, но предсказания предельного формоизменения по теории разрушения металла при развитой пластической деформации не дают удовлетворительного результата, и порой находятся в противоречии с опытом. В практике листовой штамповки распространена местная формовка жестким инструментом. Этот процесс используют также для испытаний технологических свойств листового металла. В теоретических решениях задачи о формоизменении листового металла обычно ставится задача о предельном формоизменении.

Из анализа работ по неустойчивости двухосного растяжения плоского листа и тонкостенных оболочек и локализации деформации видно, что имеются различные критерии для определения момента возникновения неустойчивости.

Обзор литературы по предельному формоизменению включает также анализ работ по двухосному растяжению листовых заготовок жестким инструментом, упруго-эластичной средой, электромагнитной, электрогидравлической и формовке взрывом.

Проведенный анализ состояния вопроса позволил сформулировать цель работы и задачи исследования, а именно, теоретически и экспериментально исследовать влияние на возможности формоизменения заготовки технологических параметров и выявить их влияние на предельное формоизменение; разработать рекомендации по расчету параметров предельного формоизменения и оценке вероятности появления браковочного признака. листовой штамповка деформирование заготовка

Исследование напряженно-деформированного состояния формоизменяющих операций листовой штамповки основано на общей теории пластичности и ее раздела - теории обработки металлов давлением. Напряженно-деформированное состояние твердого тела определяется уравнениями равновесия и условиями пластичности. Рассмотрены теоретические методы, позволяющие выявить физические причины основных влияющих факторов процесса и, получить зависимости, дающие возможность оптимизировать проектирование технологических процессов, совершенствовать сами технологические процессы и способствовать созданию новых процессов.

Одним из эффективных формообразующих процессов листовой штамповки является процесс формовки элементов жесткости в листовых изделиях, совмещенных с их одноосным или двухосным растяжением. Выбор оптимальных технологических условий этого процесса связан с оценкой напряженного состояния материала в пластическом состоянии вблизи формуемого элемента.

Одним из наиболее распространенных методов изготовления изделий разнообразной конфигурации является процесс вытяжки деталей из листовых заготовок. При исследовании процесса вытяжки необходимо установление критерия оптимизации данного процесса и способов его реализации. Таким-образом, при разработке процессов вытяжки цилиндрических деталей обеспечение надежности технологического процесса связано, в первую очередь, с предотвращением разрушения заготовок в наиболее критичной к этому отказу области заготовки, противолежащей кромке пуансона.

При разработке технологического процесса вытяжки учет условия осуществляют выбором минимально допустимого коэффициента вытяжки, устанавливаемого экспериментально. В соответствии с экспериментальными данными, основными, факторами, влияющими на минимально допустимый уровень коэффициента при оптимальном уровне средних давлений прижима фланца являются отношение толщины материала к диаметру заготовки и средний коэффициент анизотропии.

Проведенные экспериментальные исследования по определению механических характеристик листового металла позволили разработать методику для получения деталей заданного качества:

- необходимую жесткость детали из менее прочной и тонкой стали, можно достигнуть за счет более высокого деформационного упрочнения в процессе пластического формоизменения, которое характеризуется показателем деформационного упрочнения, получаемого путем предварительного растяжения заготовки;

- для повышения прочностных свойств металла в деталях, необходимо использовать особенности характера пластического течения металла на границе перехода металла из упругого состояния в пластическое, заключающиеся в том, что при малых деформациях, возникает резкое изменение механических характеристик;

- предварительная деформация в зависимости от направления прокатки материала на пластичность металла оказывает различное влияние;

- использование численных методов возможно только при создании библиотеки данных, основанных на экспериментальных исследованиях различных механических характеристик и их изменениях по ходу нагружения, для заданного листового металла.

Листовая заготовка в процессе применения формоизменяющих операций подвергается неоднородному деформированию, в виду неоднородности полей напряжений и деформаций. При пластическом формоизменении заготовку подвергают немонотонному пластическому деформированию. Так, при обтяжке заготовку вначале растягивают до появления пластических деформаций. Поэтому эффекты упрочнения и деформационной анизотропии в различных точках объема проявляются поразному. Упрочнение и анизотропия материала по-разному влияют на утонение: анизотропия приводит к увеличению утонения, а упрочнение материала - к уменьшению.

Наиболее распространенными формоизменяющими операциями при штамповке крупногабаритных изделий из листа являются обтяжка с растяжением, вытяжка и формовка, основанные на двухосном растяжении листовых заготовок. Применение этих операций на практике требует проведения значительных временных и экономических затрат. Эффективно решить задачу изготовления деталей сложной геометрической формы с помощью данных операций можно только с использованием математической модели процесса. Поэтому необходимо исследование общей структуры модели процесса, установление критерия оптимизации процесса и способов его реализации. Таким образом, основной целью проектирования процесса является изготовление детали заданной геометрической точности при отсутствии признаков брака деформационного характера: разрыва заготовки, недопустимого пружинения, складкообразования, крупнозернистой структуры, недопустимого утонения материала. Эту формулировку можно считать критерием оптимизации процесса формоизменения. Под конечным состоянием процесса формоизменения понимают последний период деформирования, характеризующийся кинематическими и деформационными параметрами. После разгрузки, сопровождающейся пружинением, получают непосредственно деталь. Качество ее можно оценить по геометрическим параметрам. Точность формообразования зависит как от геометрических, так и от деформационных характеристик процесса. Деформационные - определяются программой деформирования. Для конкретной формоизменяющей операции необходимо выделить доминирующий признак брака и выполнить формообразование с минимальной вероятностью его появления, проверив отсутствия других. В частности, доминирующим признаком брака можно считать разрыв заготовки. В этом случае процессом необходимо управлять с учетом его минимальной вероятности. Достичь этого можно, задавая на каждом шаге процесса минимальное приращение деформации, необходимое для формоизменения. Деформационные характеристики процесса зависят также от начальных условий. На конечное их состояние оказывают влияние, как программа деформирования, так и исходные данные. Однако степень их влияния различна и зависит от того, насколько близки исходные и конечные параметры.

В основе технологичности задач формоизменяющих операций листовой штамповки необходимы решения согласно теории пластичности, в том числе для изготовления равнотолщинных сферических мембран, нужно реализовать идею предварительного деформирования. Предварительное деформирование листовой заготовки состоит в искусственном увеличении размеров ее поверхности, а также в перераспределении толщины вдоль образующей.

При автоматизированном проектировании операций листовой штамповки в качестве исходных данных, наряду с характеристиками материала заготовки и геометрией инструмента, применяют величины коэффициентов трения и силы пресса. При пластическом течении металла на контактной поверхности матрицы и прижима возникают значительные удельные силы, изменяющиеся по ходу деформирования; изменяется шероховатость заготовки и штамповочного инструмента. В этой зоне трение играет отрицательную роль: увеличиваются износ и общая сила деформирования. Трение же между пуансоном и штампуемой деталью играет положительную роль: уменьшает величину утонения металла в опасном сечении детали повышая ее устойчивость, а также уменьшает общую деформирующую силу.

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических характеристик также оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на протекание технологических процессов обработки металлов давлением. Поэтому, необходимо исследовать предельные возможности формоизменения, связанные с локализацией деформации (образованием шейки и ее разрушением).

При анизотропии тело в различных направлениях обладает различными свойствами. Чем в менее пластичном состоянии находится материал, тем резче проявляется анизотропия его сопротивления разрушению. В общем случае характеристики, связанные с разрушением, обычно показывают большую анизотропию, чем характеристики пластической области деформирования. В особенности это касается характеристик конечной пластичности.

Для представления об анизотропии механических характеристик материала необходимо провести испытания в различных направлениях и построить диаграммы зависимости их от угла между осью образцов и направлением прокатки в листовых заготовках.

Анизотропию механических свойств листовых материалов принято условно оценивать коэффициентом анизотропии. Коэффициент вычисляют непосредственно по экспериментальным значениям относительных или логарифмических деформаций образца в области равномерного удлинения по ширине и толщине.

В настоящее время не существует единого метода расчета процессов штамповки листовых материалов. В зависимости от конкретного типа материала, от схемы деформирования (обтяжка, гибка или локальное деформирование); от рассчитываемых параметров процесса (деформирующие силы, предельные возможности, оптимальные режимы) используют тот или иной расчетный метод, результаты которого согласуются с практикой, поэтому необходима информация о предельных характеристиках материала. Необходимо, также проведение исследований, позволяющих в полной мере оценить возможность и характер появления технологических отказов, под которыми подразумевают появление браковочных признаков в виде локализации деформации с последующим разрушением. Явление локализации ограничивает возможности формоизменения листа. Исследования ограничений, вносимых явлением локализации, особенно важны для листовых металлов повышенной прочности. Эти материалы находят все большее применение в кузовах современных легковых автомобилей, позволяя снизить толщину автокузовных деталей и массу кузова в целом. Однако поведение этих материалов при выполнении штамповочных операций исследовано мало, что сдерживает их широкое применение.

В связи с изложенным, возникает необходимость разработки инженерной методики, позволяющей осуществить проектирование операции достаточно быстро и эффективно. Эта методика должна базироваться на математической модели расчета процессов листовой штамповки. Для разработки такой модели необходимо проведение экспериментальных исследований процесса, результаты которых являются основой для построения самой модели. Полученные сведения являются исходными условиями для создания системы компьютерного моделирования и разработки технологических процессов штамповки деталей, таких как элементов кузова автомобиля современного дизайна и других деталей.

Явление неустойчивости растяжения и локализации деформации при пластическом формоизменении листового металла повышенной прочности и тонкостенных оболочек, обладающих исходными геометрическими несовершенствами и неоднородностью пластических свойств. Металл - анизотропный, пластичный, вязкий и вязкопластичный.

Установление влияния геометрических несовершенств, неоднородности металла и других факторов на возможности предельного формоизменения, а также влияние граничных условий, относительной толщины, градиента деформации на процессы развития локализации.

Эффективность применения листовой штамповки зависит от ряда факторов, в том числе от технологичности детали, экономичности технологического процесса, правильной конструктивной разработки и качественного выполнения штампов, рационального выбора прессового оборудования, характеристик механических свойств металла заготовки, схемы деформирования, применяемого состава смазочного материала и раскроя.

Одним из технико-экономических показателей штамповки является коэффициент использования листового металла, причем потери от 20 % до 40 % листового металла закладываются уже при разработке технологии. Основные трудности испытывают технологи при проектировании формоизменяющих операций листовой штамповки - вытяжки, формовки, обтяжки, раздачи - где могут быть завышены количество операций и расход металла.

При пластическом формоизменении листового металла возникают значительные градиенты полей напряжений и деформаций, неравномерно распределенные по объему, определяемому конфигурацией детали, и, учитывая структурные и геометрические неоднородности заготовки ресурс пластичности листа может быть исчерпан до возникновения сосредоточенных утонений и трещин, с одной стороны, и, наоборот, повышен за счет утолщений, вплоть до появления складок и гофров, которые также являются браком.

Оптимизация процессов листовой штамповки предусматривает обеспечение необходимых перемещений в пластически деформируемой заготовке, докритических деформаций и напряжений и получение изделия с заданным качеством, которое во многом определяется штампуемостью металла, его прочностными и пластическими характеристиками. Штампуемостъ - способность металла деформироваться при формоизменяющих операциях листовой штамповки без разрушения связана с поисками критериев оценки поведения листового металла в процессах холодной штамповки.

Определение механических характеристик металла дает возможность наиболее полно использовать его пластичность с максимальными возможностями и минимальными потерями от брака по разрывам, трещинам и по складкам. А требования стандартов на листовой прокат не всегда в полной мере определяют пригодность его для формоизменяющих операций. Поэтому оценка пригодности листового металла для формоизменяющих операций холодной штамповки является главной при контроле качества листа. Т.е. проблема штампуемости является актуальной и требует своего решения. Это необходимо не только для повышения надежности процессов, а как следствия и качества, но и производительности прессового производства. Но, в настоящее время отсутствует единая методика определения прочности листовых деталей, удовлетворяющая практику.

Все шире находят применение различные способы интенсификации процессов штамповки, основанные на преднамеренном изменении вида напряженного состояния очага деформации с целью повышения критической степени деформации, т.к. на допустимое формоизменение металла существенное влияние оказывает вид напряженного состояния очага деформации. Размещено на Allbest.ru