Research of the influence of the wall thickness variation of blanks punched by drawing with parts thinning on the uneven distribution of mechanical properties in the cross-sections

全文:

Введение В современном машиностроении предъявляются высокие требования по механическим свойствам к деталям ответственного значения, работающих под внутренним давлением, например, корпусам баллонов для хранения жидкостей и газов, тонкостенным оболочкам боеприпасов и т.п. Поэтому актуальной задачей является обеспечение требуемых по условиям эксплуатации значений характеристик механических свойств. Постановка задачи. Характерной особенностью штампуемых способами вытяжки с утонением заготовок и деталей является наличие разностенности (разнотолщинности в поперечных сечениях), которая может составлять 10-25%, а в отдельных случаях превышает эти значения (рисунок 1). Представленное на рисунке 1 поперечное сечение детали имеет минимальную толщину в продольном сечении А , а в противоположном продольном сечении В – максимальную . Относительная разностенность определяется по следующему соотношению: (1) где – абсолютная разностенность, Smax, Smin – максимальная и минимальная толщина стенки соответственно; – средняя толщина стенки. Рисунок 1. Поперечное сечение разностенной детали На основе статистических исследований авторами предложена модель формирования относительной разностенности в многооперационных процессах вытяжки с утонением, учитывающая влияние геометрии рабочего инструмента и накапливаемой деформации: (2) где технологически наследуемая после первой вытяжки и прогнозируемая после любой i-й операции разностенности в j-м сечении заготовки; коэффициент изменения (увеличения) наследуемой относительной разностенности на последующих вытяжных операциях; eioj ,eiBj, eiij – cтепени деформации в сечении j предварительная, в верхней матрице, после i-й операции;αi, βi – углы конусности матрицы и пуансона. В качестве примера ниже дана модель коэффициента для стали 11ЮА, построенная на основе активного планируемого эксперимента [1]: (3) Принятый в эксперименте диапазон изменения уровня факторов: eiB = 0…80%; ei0 = = 0…80%; α = 5…25°; β = 0,5…1,5°. При функционировании тонкостенных оболочек под давлением наибольшие напряжения возникают в продольных сечениях с наименьшей толщиной стенки. В предельных случаях в этих сечениях возможно появление продольных трещин. Следовательно, для оценки условий прочности разностенных оболочек представляет интерес исследование влияния разностенности штампуемых деталей на неравномерность распределения механических свойств в поперечных сечениях штампуемых деталей. Основными факторами, влияющими на формирование механических свойств штампуемых заготовок и деталей при вытяжке, являются: структура и механические свойства материала исходной заготовки, ее разностенность, степень накопленной эффективной деформации и соответственно неравномерность ее распределения в поперечных сечениях, условия деформации (температура, скорость деформации, условия монотонности процесса и контактного трения, геометрия рабочего инструмента, реализуемая в зоне очага пластической деформации, схема напряженного состояния). Авторами выполнено экспериментальное исследование влияния разностенности отштампованных деталей на неравномерность распределения степени деформации и твердости в поперечных сечениях после последней вытяжки с утонением в 4-х операционном технологическом процессе. Согласно маршрутному процессу между вытяжками введена термообработка – отжиг, закалка и отпуск, низкотемпературный отпуск. Проведение исследований включало в себя следующие виды работ: − подготовка полуфабрикатов и разметка контролируемых сечений и точек; − разрезка полуфабрикатов вытяжки на кольцевые образцы; − измерение толщин стенок кольцевых образцов в контролируемых сечениях согласно разметке; − измерение твердости (HRA) образцов в контролируемых сечениях согласно разметке; − статистическая обработка полученных результатов измерения толщин стенок и твердости в соответствии с известными методиками [2]; − определение поля деформации в поперечном сечении методом компьютерного моделирования. Исходными данными для проведения эксперимента были: технологический процесс изготовления полой тонкостенной цилиндрической детали с наружным диаметром 39,54 мм и чертежи рабочего инструмента. Для исследования были отобраны 30 полуфабрикатов после последней вытяжки. а) б) Рисунок 2. Схема расположения кольцевого образца (а) и контролируемых точек (б) Объемы выборок по измерению толщин в каждом расчетном сечении и твердости одинаковы и равны 240. Твердость измерялась в тех же контролируемых точках, что и толщина стенки образцов. Результаты. По результатам статистической обработки измерений толщин стенок в контролируемых точках с объемом выборки в 240 единиц построены для верхнего расчетного сечения гистограммы распределения (рисунок 3). По результатам статистической обработки измерений твердости образцов рассчитаны средние значения для каждого из выделенных на гистограмме интервала значений толщины стенки (рисунок 3). Полученную экспериментальную зависимость можно аппроксимировать полиномиальной кривой HRA = f(S) (рисунок 3в): (4) Схема, представленная на рисунке 4 отражает данные статистической обработки выборки всех исследуемых полуфабрикатов. Выполненное компьютерное моделирование процесса вытяжки с утонением заготовки с относительной разностенностью δS показывает неравномерность распределения степени деформации в поперечном сечении заготовки, причем в продольном сечении «А», соответствующем минимальной толщине стенки (Smin), степень деформации и твердость HRA имеют максимальное значение. Рисунок 3. Гистограмма распределения толщин стенок заготовок в верхнем расчетном сечении (а), кривая средних, по каждому интервалу толщин стенок, значений твердости HRA (б), кривая аппроксимации (в) функции HRA=f(S) Рисунок 4. Схема статистического распределения твердости HRA в зависимости от толщины стенок в верхнем поперечном сечении заготовок после вытяжки с утонением При принятии допущения о том, что минимальная и максимальная толщины стенок поперечного сечения j находятся в одной плоскости продольного сечения отношение толщин можно аппроксимировать в соответствии с [3] функцией: (5) где λ = Smax/Smin. Погрешность расчета толщин по формуле (5) не превышает – 2% в сопоставлении со статистическими данными (рисунок 4). Результаты моделирования вытяжки с утонением при разностенности ΔSmax = =0,10 мм, отвечающей условиям эксперимента показали выраженную неравномерность распределения деформации в рассматриваемом поперечном сечении при наибольшей интенсивности деформации в продольном сечении с наименьшей толщиной стенки. Выводы 1. Предложена математическая модель технологического наследования разностенности в заготовках и деталях, изготавливаемых с применением многооперационной вытяжки с утонением. 2. При проектировании полых тонкостенных изделий, изготавливаемых способами вытяжки с утонением и работающих при функционировании под внутренним давлением, необходимо учитывать их разностенность (разнотолщинность в поперечном сечении) и вызываемую ей неравномерность распределения механических свойств по периметру.

作者简介

N. Ageev

BGTU “Voenmeh” im. D.F.Ustinova

Email: bgtu_e4@mail.ru
Ph.D. Prof.; 8 (812) 251-84-67

E. Zateruha

BGTU “Voenmeh” im. D.F.Ustinova

Email: bgtu_e4@mail.ru
8 (812) 251-84-67

参考

补充文件