Пластическое формоизменение анизотропных листовых материалов

Совершенствование технологии обработки металлов давлением является важной проблемой машиностроения, ставшей особенно актуальной в настоящее время. Одним из путей ее решения является разработка автоматизированных систем проектирования технологических процессов, внедрение которых позволяет сократить сроки подготовки производства, обеспечить стабильность технологического процесса, улучшить культуру производства, а в конечном итоге повысить производительность труда.

Для повышения точности расчетов, выполняемых при автоматизированном проектировании операций листовой штамповки, улучшения качества получаемых изделий и снижения процента брака необходимо применение более современных математических моделей, точность которых была бы адекватна точности базирующихся на них методов расчета. От надежности применяемых определяющих уравнений и точности установления параметров материала, входящих в эти уравнения, в значительной мере зависит эффективность всего процесса компьютерного проектирования. Необходимость применения в расчетах более сложных математических моделей материала связана также с требованиями более полного использования технологических возможностей обрабатываемого давлением материала с целью уменьшения числа переходов и повышения точности получаемых изделий.

Технология производства листовых материалов обуславливает анизотропию их механических свойств, которая может оказывать неоднозначное влияние на предельные параметры технологических процессов, распределение напряжений и деформаций в заготовке и качество получаемых изделий.

Различают анизотропию сопротивления пластической деформации характеризуемую зависимостью от направления кривой деформирования и коэффициентов поперечной деформации (начальная или исходная анизотропия) и анизотропию деформационного упрочнения, одним из проявлений которой является снижение сопротивления деформированию при смене знака нагружения. Выделяют еще и анизотропию деформации при разрушении, то есть зависимость предельной пластичности материала от направления. Анизотропия сопротивления пластической деформации и анизотропия предельной пластичности часто не взаимосвязаны. Так, например, изотропный материал может обладать существенной анизотропией предельной пластичности.

В большинстве случаев материал прокатного листа можно считать начально ортотропным — главные оси анизотропии для него совпадают с направлениями вдоль и поперек проката и с нормалью к плоскости листа. В том случае, когда свойства материала не зависят от направления в плоскости листа, но различны со свойствами в направлении толщины, его считают трансверсально изотропным.

Учет анизотропии пластического деформирования листовых материалов является столь же важным как и принятие в расчет влияния истории деформирования и вида напряженного состояния. При расчете формообразующих операций из листа, реализуемых в условиях простого или близкого к нему нагружения, бывает достаточно учесть только начальную анизотропию. Для процессов же немонотонного деформирования используемая в расчете математическая модель материала должна учитывать как исходную, так и деформационную анизотропию.

Таким образом, одним из важных аспектов в разработке и совершенствовании математической модели материала является учет его анизотропии, причем как начальной, так и развивающейся в ходе формоизменения, а также учет влияния истории деформирования на свойства материала. Особенно актуальной эта проблема становится в силу широкого использования в промышленности высокотехнологических алюминиево-литиевых сплавов, обладающих ярко выраженной анизотропией механических свойств. В связи с этим, возникает необходимость экспериментального обоснования возможности применения для этих материалов как уже известных" зарекомендовавших себя, так и новых, более совершенных математических моделей.

Большой вклад в исследования пластического деформирования анизотропных листовых материалов и их предельных параметров внесли отечественные и зарубежные ученые: Арышенский Ю. М., Губкин С. И., Иевлев Д. Д., Колмагоров В. Л., Микляев П. Г., Талыпов Г. Б., Фридман Я. Б., Шевелев С. П., Бакхауз Г., Р. Хилл, Л. Ху и Ж. Мэрин, Норис и Ман-Кипен, Яковлев С. П., а также Г. Д. Дель, В. Д. Головлев, Н. Н. Малинин, А. Д. Матвеев, А. Г. Овчинников и др.

Реализация той или иной операции формообразования детали из листа ограничивается, как правило, появлением различного рода браковочных признаков деформационного характера, приводящих либо к нарушению целостности материала, либо к возникновению дефектов, снижающих качество и эксплуатационные характеристики детали.

Одним из основных браковочных признаков в листовой штамповке является разрушение заготовки, связанное с исчерпанием пластичности материала. В связи с этим, при проектировании таких операций листовой штамповки как гибка, отбортовка и т. п., при реализации которых не наблюдается локализация пластической деформации, а также при расчете операций получения деталей из малопластичных листовых материалов необходимо знание их предельной пластичности. Причем, для рационального проектирования операций листовой штамповки необходимо располагать зависимостями величины предельной деформации разрушения не только от вида напряженного состояния, но и от направления деформирования. Эти зависимости, называемые диаграммами разрушения, являются характеристиками листовых материалов и строятся в координатах — предельная деформация (разрушения) — отношение главных деформаций в плоскости листа в момент зарождения трещины (начало разрушения).

Диаграммы разрушения (ДР) строятся обычно по результатам испытаний при различных видах напряженного состояния в интервале от одноосного растяжения до равномерного двухосного растяжения. Реализация таких видов деформирования требует разработки специальных устройств и методик испытаний.

Наличие информации об анизотропии предельной пластичности особенно актуально при автоматизированном проектировании технологических процессов и синтезе управляющих программ для оборудования с програмным управлением.

Для реализации компьютерных технологий необходимо проведение паспортизации материалов с целью формирования банка данных, включающего характеристики сопротивления материалов пластической деформации и их предельные параметры, а также коэффициенты анизотропии. Существующие методы механических и технологических испытаний листовых материалов, в силу отсутствия достаточно простых и надежных способов и устройств, не позволяют решать указанные задачи. В связи с этим, возникает необходимость разработки новых способов и методик испытаний листовых материалов и создания устройств для их реализации.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме повышения эффективности процессов обработки металлов давлением на базе совершенствования используемых при автоматизированном проектировании операций листовой штамповки математических моделей материала, учитывающих его начальную и деформационную анизотропию, а также анизотропию предельной пластичности.

Цель данной работы заключается в комплексном исследовании анизотропии листовых материалов, экспериментальной проверке моделей анизотропных листовых материалов для обоснования возможности их использования при расчете процессов обработки металлов давлением и их применении в расчетах конкретных операций листовой штамповки.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи исследования:

1. Провести комплексное исследование анизотропии листовых материалов: начальной анизотропиидеформационной анизотропиианизотропии предельной пластичности.

2. Выполнить экспериментальную проверку математических моделей анизотропных листовых материалов с целью выяснения возможности их использования при расчете операций листовой штамповки.

3. Разработать методики и способы испытания листовых материалов при различных видах нагружения, а также простые и надежные устройства для их реализации с целью определения комплекса параметров, входящих в математические модели анизотропных листовых материалов.

4. Исследовать деформированное состояние при вытяжке деталей из анизотропных листовых материалов.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование анизотропии листовых материалов (начальной, деформированной и анизотропии предельной пластичности). Выполнена экспериментальная проверка моделей анизотропных листовых материалов с целью выяснения возможности их использования при расчете операций листовой штамповки.

Практическая ценность. Разработаны методики и способы испытания листовых материалов при различных видах нагружения, а также устройства для их реализации, позволяющие определить комплекс параметров математических моделей листового материала. Применение новых, экспериментально обоснованных математических моделей материала, учитывающих анизотропию его механических свойств, позволяет более точно предсказать наступление предельного состояния листа в операциях листовой штамповки. Определены кинематические параметры процесса вытяжки деталей сложной формы из анизотропных листовых материалов.

Внедрение результатов. Разработанные методики и устройства для определения параметров математических моделей использованы при разработке технологического паспорта листового материала, переданного научно-исследовательскому институту технологии и организации производства (НИАТ)г.Москва и применяются при разработке технологии изготовления деталей из листа. Технологический паспорт листового материала внедрен на Саратовском авиационном заводе и входит в состав автоматизированного рабочего места технолога заготовительно-штамповочного производства. Результаты работы использованы АО «Воронежтяжмехпресс» при автоматизированном проектировании операций вытяжки деталей сложной геометрии в инструментальных штампах.

Основные положения, выносимые на защиту: методики определения деформационных параметров, характеризующие анизотропию листовых материаловспособы определения параметров математических моделей анизотропных материаловрезультаты экспериментальной проверки математических моделей анизотропных листовых материалов, учитывающих их начальную и деформационную анизотропию;

Результаты исследований деформированного состояния при вытяжке деталей из анизотропных листовых материалов.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы.

б. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫВОДЫ.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и практические выводы.

1. Разработаны методики построения кривых течения анизотропных листовых материалов по результатам испытаний на растяжение, сжатие, сдвиг и растяжение в условиях близких к плоской деформации. Для широкого круга листовых материалов, различающихся различной степенью начальной анизотропии исследована зависимость кривых течения от направления вырезки образцов. Для исследованных материалов определены параметры анизотропии и кривых течения с соответствующими статическими характеристиками.

2. Изучена зависимость параметров анизотропии сталей и алюминиевых сплавов от степени деформации при различных видах нагружения.

Установлено, что стабилизация параметров анизотропии имеет место при величине деформации порядка 0,03. В связи с этим их значения рекомендуется определять при любом фиксированном уровне деформации, превышающем указанную величину. Показано, что в исследованном интервале толщин листовых материалов параметры анизотропии и кривых течения слабо зависят от толщины листа. Установлено, что история деформирования оказывает слабое влияние на величину параметров анизотропии.

3. Для алюминиево-литиевых сплавов, обладающих ярко выраженной анизотропией механических свойств, установлена зависимость кривых течения от направления как в обычных, так и в эквивалентных координатах, что свидетельствует о неприменимости для этих сплавов широко распространенной теории пластической анизотропии Р.Хилла. Предложена математическая модель начально анизотропного материала с изотропным упрочнением, в которой эквивалентное напряжение является функцией направления деформирования. Модель удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными для алюминиево-литиевых сплавов.

4. Спроектировано и изготовлено простое в обслуживании оригинальное устройство для растяжения листовых материалов в условиях стеснения поперечной деформации, применение которого позволяет проводить испытания по изучению влияния истории деформирования на параметры материала.

5. Выполнено исследование анизотропии упрочнения начально анизотропных листовых материалов. Изучены свойства модели ор-тотропного материала с анизотропным упрочнением. Установлено, что при пропорциональном деформировании анизотропия упрочнения не влияет на поведение материала, а параметр эффекта Баушингера и функция наследственности не зависят ни от направления деформирования, ни от вида напряженного состояния. Экспериментальная проверка основных положений модели ортот-ропного материала с анизотропным упрочнением, выполненная при различных путях деформирования образцов из сплавов АМцМ и 1420 подтвердила их достоверность и позволяет сделать выводы об адекватности модели реальным свойствам начально анизотропных материалов. Модель может быть использована при расчетах операций листовой штамповки анизотропных материалов.

Разработаны методики определения параметров материала, входящих в модель начально анизотропного материала с анизотропным упрочнением при линейном напряженном состоянии в цикле растяжение-сжатие.

6. Исследована анизотропия предельной пластичности листовых материалов.

Разработана методика определения деформации разрушения для материалов с различной степенью анизотропии пластичности-по результатам испытаний на одноосное растяжение узких плоских образцов, у которых ширина не более чем втрое превышает их толщину. Для широкого круга листовых материалов установлена зависимость предельной пластичности при одноосном растяжении от направления вырезки образцов.

7. Для экспериментального определения деформации разрушения в условиях плоского деформирования предложено использовать испытание по определению минимального радиуса гиба. Разработаны конструкция гибочного штампа и методика проведения испытаний по определению минимального радиуса гиба. Наличие гаммы пуансонов и соответствующих им матриц позволяет производить испытания листовых материалов в широком интервале толщин. Выполнены экспериментальные исследования зависимости предельной деформации и минимального радиуса гиба от направления для материалов с различной степенью анизотропии пластичности.

8. Разработана методика построения экспериментальных диаграмм разрушения по результатам испытаний плоских образцов при различных отношениях главных деформаций в плоскости листа в интервале от одноосного растяжения до двухосного равномерного растяжения, реализованная для листовых материалов с различной степенью анизотропии предельной пластичности. Исследовано влияние истории деформирования на деформацию разрушения алюминиево-литиевого сплава 1420. Установлено, что в случае немонотонного деформирования предельная пластичность сплава 1420 оказывается выше, чем при монотонном.

9. Выполнена экспериментальная проверка модели анизотропии предельной пластичности, описывающей разрушение широкого класса листовых материалов с различной степенью анизотропии. Модель основана на тензорном описании накопления повреждений при пластическом деформировании. Она позволяет осуществлять прогнозирование разрушения с учетом анизотропии сопротивления пластической деформации и анизотропии пластичности. Разработана методика определения постоянных материала, входящих в модель анизотропии предельной пластичности.

10. Отдельные результаты комплексного исследования анизотропии листовых материалов нашли свое приложение при разработке технологического паспорта листового материала, позволяющего оценить возможность реализации проектируемой операции, предназначенного для использования в качестве модели материала на входе в систему автоматизированного проектирования операций листовой штамповки.

11. Проведено экспериментальное исследование деформированного состояния при вытяжке боковины автомобиля, отштампованной в производственных условиях. Сопоставление полученных результатов экспериментальных данных с теоретическим расчетом, выполненным с использованием модели начально анизотропного материала с изотропным упрочнением подтвердило возможность применения принятой в работе методики расчета й модели материала.

12. Проведена серия испытаний по протягиванию листовых образцов из различных материалов через перетяжное ребро, вытяжного штампа. Установлены зависимости величины зазоров между плоскостями прижима и матрицы от усилия прижима. На основе модели начально изотропного материала с анизотропным упрочнением расчитаны усилия торможения фланца заготовки в зависимости от усилия прижима для сталей 08кп и 08ю различной толщины. Получено удовлетворительное соответствие результатов расчета и экспериментов.

13. Для оценки влияния начальной анизотропии на деформированное состояние и утяжку фланца выполнено экспериментальное исследование вытяжки коробчатых деталей из материалов с различной степеныоанизотропии сопротивления деформированию. Установлено, что слабая начальная анизотропия не оказывает заметного влияния на кинематические параметры вытяжки коробчатых деталей.

14. Математические модели анизотропного листового материала, получившие в работе свое экспериментальное обоснование, а также разработанные методики и результаты определения параметров анизотропии кривой течения и характеристик предельной пластичности нашли свое приложение при разработке программного обеспечения автоматизированного рабочего места технолога заготовительно-штам-повочного производства (АРМ ТЗШП) и входят в качестве модели материала в его раздел — технологические характеристики листового материала. АРМ ТЗШП прошло апробирование на ряде заводов авиационной и автомобильной промышленности.

Разработанный совместно с сотрудниками кафедры ПМ ВГТУ технологический паспорт листового материала (ЖИМ) передан научно-исследовательскому институту технологии и организации производства (НИАТ г. Москва) и внедрен на Саратовском авиационном заводе, где используется при разработке технологии изготовления деталей из листа. Внедрение ТПЛМ позволило учесть реальные свойства анизотропных листовых материалов и сократило сроки проектирования оп раций листовой штамповки.

Отдельные результаты исследования кинематических и силовых параметров вытяжки деталей сложной формы из анизотропных листовых материалов используются АО Воронежтяжмехпресс при автоматизированном проектировании операций листовой штамповки в инструментальных штампах.