Deformation determination of the layers in the axisymmetric forming a two-layer billet

Abstract

The paper describes the experimental study of an axisymmetric two-layer workpiece forming with viscoelastic bonding layer. It shows the distribution of thinning of layers in radial the direction is received. It is revealed that the distribution pattern of thinning of the outer and inner layers of the cross section of the billet significantly differ.

Full Text

В настоящее время улучшение эксплуатационных показателей продукции тесно взаимосвязано с применением новых материалов и технологий их последующей обработки, что в свою очередь непосредственно оказывает влияние на развитие инновационной экономики России [1]. Перспективными материалами, применения которых в промышленности постоянно возрастает, являются многослойные листовые материалы, совмещающие в себе чередующиеся слои металлов и полимеров. Распространение таких материалов обусловлено тем, что, в зависимости от вида используемых материалов слоев и последовательности их расположения в пакете, многослойный лист может сочетать в себе основные преимущества каждого слоя. Детали из такого материала не уступают по прочности, твердости и жесткости деталям из традиционных (монохромных) материалов и имеют меньший вес, обладают способностью гасить вибрационные и звуковые колебания, являются хорошими изоляторами теплового воздействия и агрессивных сред. В результате перечисленных преимуществ многослойные материалы находят широкое применение в автомобилестроении, авиастроении, строительстве, химической промышленности, производстве товаров народного потребления. Однако при изготовлении деталей сложной формы из многослойных материалов методом листовой штамповки производители сталкиваются с рядом технологических трудностей. Одна из них заключается в том, что деформации, возникающие в листовом материале, подчас приводят к разрушению промежуточных неметаллических слоев, имеющих меньшую склонность к пластическому формоизменению. Если же производить раздельную штамповку деталей и их последующее склеивание, то это приведет к существенному снижению производительности, неприемлемому для массового производства. Для определения закономерностей деформационных особенностей каждого слоя были проведены эксперименты с неотвержденным связующим слоем. Для проведения эксперимента были изготовлены квадратные листовые заготовки 140140 мм. В качестве неотвержденного промежуточного слоя был выбран клей ЭД 20 со спецдобавками [2, 5]. Схема деформации двухслойного материала показана на рисунке 1. В процессе формовки края заготовки жестко защемляются круговым рифтом, и изменение формы листа происходит за счет утонения материала. После деформирования склеенного пакета, листы разъединялись между собой для измерения изменений координатной сетки. Измерив изменения координатной сетке и толщину каждого слоя, определяли компоненты деформации. После обработки результатов эксперимента были получены данные, которые позволяют сравнить деформирование внутренних и внешних слоев заготовки (рисунок 2). На графике показаны изменения отношения утонения заготовки в процессе деформации ∆S к исходной толщине S в радиальном направлении (где N – номер координатной сетки в радиальном направлении). Так как нижняя часть двухслойной заготовки контактирует с пуансоном, происходит замедление течение металла под влиянием сил трения. Поэтому толщина в центральной части заготовки изменяется незначительно (около 5%). Интенсивное изменение толщины возникает на тороидальных и цилиндрических участках (от 15% ÷ 23%). Рисунок 1. Схема деформации двухслойного материала: 1–формуемая многослойная заготовка, 2 – матрица, 3 – пуансон, 4 – прижим, 5–клеевой слой Измерения координатной сетки верхнего листа позволили сделать следующий вывод. Деформирование происходит в гораздо более благоприятных условиях в сравнении с нижним листом, вследствие этого утонение в донной части по сравнению с нижней увеличивается в полтора два раза (утонение 8% ÷ 10%) в зависимости от нахождении измеряемых окружностей. Естественно, в торовой части интенсивность деформирования уменьшается и изменение толщины будет меньше (от 15% ÷18%), чем у внутреннего слоя. Это приводит к тому, что тороидальная часть заготовки, в отличие от нижнего слоя, находится в более благоприятных условиях. 1 2 Рисунок 2. Изменения относительной толщины нижнего и верхнего металлических слоев формуемой многослойной заготовки в радиальном направлении Толщина клеевого слоя при деформировании тоже изменяется. Значительное уменьшение клеевого слоя (более 30%) наблюдается на переходе торовой части в цилиндрическую. Изменение толщины на донной части не столь значительное (не более 5% от изначальной толщины). Для сравнения процесс формоизменения многослойной заготовки был промоделирован в программе Стампак (Stampack). В ходе моделирования контактное взаимодействие между металлическими составляющими имитировалось подбором коэффициента трения. Результаты моделирования изменения толщины листов представлены на рисунке 3. Рисунок 3. Визуальное представление изменения толщин заготовок (ход пуансона 14 мм) По окончании расчета были получены графики изменения толщины заготовок от оси симметрии (рисунок 4). Заключение Проведя компьютерное моделирование и сопоставив полученные данные с экспериментальными (рисунок 2 и 4), можно сделать вывод, что утонение наблюдается на одинаковых участках, а графики изменения толщин слоев, полученные в результате моделирования и эксперимента, имеют общий характер. Для получения достоверных данных необходимо только правильно подобрать контактные условия для взаимодействия между слоями [3-4]. Рисунок 4 – Изменение толщины внутреннего и внешнего листов заготовок, полученных моделированием: 1 - Верхний лист; 2 - Нижний лист Подбор коэффициентов контактного взаимодействия, сопоставимых с коэффициентами трения, можно получить сопоставлением экспериментальных и расчетных параметров в процессе деформирования простых процессов [6-10]. В связи с этим данный метод можно считать приближенным, однако более точно подобрать его не представляется возможным.