2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................4
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ..........................................9
1.1. Анизотропия листовых материалов и ее влияние на процессы обработки металлов давлением.....................................9
1.2. Математические модели упрочнения анизотропного материала.......................................................16
1.3. Основные выводы и постановка задач исследования.......21
2. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ И УРАВНЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА, РАЗН0С0ПР0ТЙВЛЯЮЩЕГ0СЯ РАСТЯЖЕНИЮ И СЖАТИЮ...........24
2.1. Условие текучести и ассоциированный закон пластического течения для тела, разносопротивляющегося растяжению и сжатию 24
2.2. Определение параметров анизотропии....................25
2.3. Условие текучести - центральная поверхность в пространстве напряжений.........................................26
2.4. Интенсивность напряжений и интенсивность приращения деформации......................................................30
2.5. Условие текучести, ассоциированный закон пластического течения и параметры анизотропии для несжимаемого материала 33
2.6. Плоское напряженное состояние анизотропного материала.......................................................42
2.7. Плоское деформированное состояние анизотропного материала.......................................................47
2.8. Математические модели упрочнения начально анизотропного материала.......................................................54
2.9. Основные результаты и выводы..........................57
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНИЗОТРОПИИ МАТЕРИАЛА, РАЗНОСОПРОТИВЛЯЮЩЕГОСЯ РАСТЯЖЕНИЮ И СЖАТИЮ...........59
3
3.1. Методика экспериментального определения характеристик анизотропии материалов, разносопротивляющихся растяжению и сжатию..........................................................59
3.2. Задача нелинейного оценивания параметров..............68
3.3. Результаты экспериментального определения характеристик анизотропного материала, разносопротивляющегося растяжению и сжатию..........................................................74
3.4. Основные результаты и выводы..........................83
4. ПЛАСТИЧЕСКИЙ ИЗГИБ ЛИСТА ИЗ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА, РАЗНОСОПРОТИВЛЯЮЩЕГОСЯ РАСТЯЖЕНИЮ И СЖАТИЮ......................84
4.1. Основные соотношения и уравнения......................84
4.2. Алгоритм расчета изгиба листа.........................90
4.3. Напряженное состояние и силовые режимы при изгибе листа...........................................................93
4.4. Основные результаты и выводы.........................105
5. ПЛАСТИЧЕСКИЙ ИЗГИБ БРУСА ИЗ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА, РАЗНОСОПРОТИВЛЯЮЩЕГОСЯ РАСТЯЖЕНИЮ И СЖАТИЮ.....................107
5.1. Основные соотношения и уравнения.....................107
5.2. Алгоритм расчета изгиба бруса........................112
5.3. Напряженное и деформированное состояния. Силовые режимы.........................................................113
5.4. Использование результатов исследований...............128
5.5. Основные результаты и выводы.........................129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................131
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................134
ПРИЛОЖЕНИЕ 1..............................................144
ПРИЛОЖЕНИЕ 2..............................................172
ПРИЛОЖЕНИЕ 3..............................................174
4
ВВЕДЕНИЕ
В отраслях машиностроения и приборостроения широкое распространение нашли изделия, содержащие криволинейные элементы, которые изготовляются изгибом из листового материала и проката прямоугольного сечения.
Материал заготовок, подвергаемый пластическому
деформированию, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения.
Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением.
При обработке давлением таких заготовок начальная анизотропия механических свойств изменяется, а также часто проявляется эффект Ваушингсра - различие механических свойств в зависимости от направления нагружения.
Указанные факторы могут оказать существенное влияние на силовые и деформационные параметры процессов пластической обработки, предельной степени деформации и качество получаемых изделий.
В связи с этим представляет значительный интерес развитие теории пластического деформирования такого материала при изготовлении изделий различного назначения в машиностроении с целью правильного выбора прессового оборудования, интенсификации технологических процессов, формирования заданного качества изделия, соответствующего техническим условиям его эксплуатации.
Кроме того, при изготовлении ряда изделий требуется сформировать такую заданную структуру анизотропии механических свойств материала изделий, которая благоприятно влияла бы на условия эксплуатации.
Работа выполнена в соответствии с заказ-нарядом ГК ВО РФ
5
"Повышение эффективности в изготовлении товаров народного потребления”, с Российской научно технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения”, грантом ’’Теория пластического формоизменения ортотропных тел и формирования анизотропии механических свойств заготовки в процессах обработки металлов давлением”, а также хозяйственными договорами с рядом предприятий России.
Цель работы. Решение научно-технической задачи, состоящей в разработке варианта теории пластического деформирования анизотропного упрочняющегося разносопротивляющегося материала, на базе которой развита теория изгиба листового и пруткового проката.
Автор защищает основные уравнения и соотношения, необходимые для исследования процессов пластического формоизменения начально анизотропного упрочняющегося разносопротивляющегося материала; математические модели упрочнения ортотропного материала; методику определения механических свойств материала,
разносопротивляющегося растяжению и сжатию; результаты исследований напряженно-деформированного состояния заготовки, силовых режимов.
Научная новизна.
1. Получены основные уравнения и необходимые соотношения для анализа процессов пластического формоизменения ортотропного упрочняющегося материала, проявляющего эффект Баушингера.
2. Разработана модель анизотропного упрочнения начально-ортотропного материала, связанная с перемещением центра поверхности нагружения и ее расширением.
3. Предложена методика экспериментального определения характеристик анизотропии механических свойств, параметров кривых анизотропного упрочнения.
4. В результате теоретических исследований установлены закономерности изменения силовых и деформационных параметров в зависимости от геометрических параметров детали, анизотропии механических свойств, характеристик упрочнения, эффекта Баушингера
6
при изгиба листа и бруса.
Методы исследования. Теоретические исследования процессов изгиба листа и бруса выполнены на базе теории пластичности ортотропных тел, разносопротивляющихся растяжению и сжатию. Анализ напряженного и деформированного состояний при изгибе листа и бруса выполнен путем решения приближенных уравнений равновесия совместно с условием текучести с привлечением численного метода конечных разностей для выполнения расчетов на ЭВМ типа 1ВМ РС АТ 486. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины, регистрирующая аппаратура, а экспериментальные зависимости получены с использованием математической статистики. Аппроксимация кривых упрочнения осуществлена методом Хука-Дживса.
Практическая ценность и реализация работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны пакеты прикладных программ по расчету напряженного и деформированного состояний анизотропных заготовок, силовых режимов в технологических процессах изгиба листа и бруса из анизотропного упрочняющегося материала, разносопротивляющегося растяжению и сжатию. Результаты исследований использованы при разработке новых технологических процессов изготовления корпусных деталей радиоэлектронной промышленности.
В результате экспериментальных исследований получены механические характеристики (характеристики анизотропии, параметры упрочнения и оценка эффекта Баушингера) ряда материалов, широко используемых в промышленности.
Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные разделы лекционных курсов "Теория обработки металлов давлением”, ’’Технолошя холодной штамповки”, "Механика процессов пластического формоизменения”, "Штамповка анизотропных заготовок”, а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.
В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны пакеты прикладных программ по расчету напряженного и
7
деформированного состояний анизотропных заготовок, силовых режимов в технологических процессах изгиба листа и бруса из анизотропного упрочняющегося материала, разносопротивляющегося растяжению и сжатию. Результаты исследований использованы при разработке новых технологических процессов изготовления корпусных деталей радиоэлектронной промышленности.
В результате экспериментальных исследований получены
механические характеристики (характеристики анизотропии, параметры упрочнения и оценка эффекта Баушингера) ряда материалов, широко используемых в промышленности.
Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные разделы лекционных курсов ’’Теория обработки металлов давлением”, "Технология холодной штамповки”, "Механика процессов пластического формоизменения", "Штамповка анизотропных заготовок", а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Межгосударственной научно-технической конференции “Проблемы
развития Урала на рубеже XXI века" (г. Магнитогорск, 1996г.), на II Межгосударственной научно-технической конференции “Проблемы
пластичности в технологии” (г. Орел, 1998г.), на Всероссийской молодежной научной конференции ’’XXIV Гагаринские чтения” (г. Москва, 1998г.), на Международной конференции ’’Итоги развития механики в Туле” (г. Тула, 1998г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного технического университета (1996 - 1998гг.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 10 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 3 таблицы и 122 наименований библиографического списка. Общий объем работы - 175 страниц.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе
8
задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание разделов диссертации.
В первом разделе выполнен анализ современного состояния теории пластического формоизменения анизотропного материала, существующих методик определения характеристик анизотропии, влияния анизотропии механических свойств материала на напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные степени деформирования в процессах пластического формоизменения металлов давлением. Рассмотрены существующие модели анизотропного упрочнения материала.
Во втором разделе приводятся основные уравнения и соотношения для анализа процессов пластического формоизменения начально-ортотропного упрочняющегося разносопротивляющегося материала.
В третьем разделе приведены методика и результаты экспериментальных исследований по определению параметров анизотропии материала, разносопротивляющегося пластическому деформированию на сжатие и растяжение.
Четвертый раздел посвящен теоретическим исследованиям изгиба листа из неупрочняющегося и упрочняющегося анизотропного разносопротивляющегося материала. Установлены зависимости изменения силовых режимов, напряженного и деформированного состояния от геометрических параметров детали, анизотропии механических свойств, характеристик упрочнения, эффекта Баушингера при изгибе листа.
В пятом разделе приведены результаты теоретического исследования процесса изгиба бруса из неупрочняющегося и упрочняющегося начально анизотропного материала,
разносопротивляющегося растяжению и сжатию.
9
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Анизотропия листовых материалов и ее влияние на процессы обработки металлов давлением
Листовой металл, используемый в процессах обработки металлов давлением, обладает начальной анизотропией механических свойств. Анизотропия проката является следствием образования текстуры предпочтительной ориентировки кристаллографических осей в зернах обрабатываемого материала, характера распределения и ориентировки фаз дефектов металла и остаточных напряжений, возникающих вследствие неоднородности пластической деформации при прокатке (8-10, 68]. При деформации зерна и включения приобретают вытянутую форму, которая после отжига переходит в строчечную структуру, в результате чего свойства, в том числе и механические, вдоль и поперек направления прокатки могут резко различаться.
Анизотропия листа зависит от режимов прокатки и последующей термической обработки [7-9, 109, 116].
Изучение кинетики развития текстуры при холодной прокатке показало, что анизотропия в общем случае возрастает с увеличением деформации до определенного предела, после которого изменяется уже мало [1, 8, 117-120]. Анизотропию механических свойств прокатанного листа можно уменьшить разбросом текстуры относительно направления прокатки. В работах (7-9, 109, 116] приведены оптимальные режимы прокатки и термической обработки алюминия, меди и латуни, позволяющие значительно снизить текстуру.
Анизотропия механических свойств металлов проявляется в различии пределов текучести СТ02, временного сопротивления разрыву Ов,
относительного удлинения 5 и других параметров в разных направлениях плоскости листа. Для характеристики анизотропии используют различные показатели.
10
Для оценки анизотропии механических свойств листового материала наиболее часто применяются коэффициенты анизотропии Яа, которые представляют собой отношение логарифмических деформаций по ширине и толщине 8, образцов, вырезанных под углами ОС по
отношению к направлению прокатки, при испытании .на растяжение
Для изотропного материала это отношение равно единице. Различают трансверсально изотропное тело, когда коэффициент анизотропии практически одинаков в различных направлениях по отношению к направлению прокатки листа, но отличен от единицы, и плоскостную анизотропию, когда коэффициент анизотропии различен в различных направлениях относительно направления прокатки в плоскости листа.
Влияние анизотропии механических свойств на штампуемость листовых материалов и качество получаемых изделий часто связывается с величиной среднего коэффициента анизотропии К, определяемого как среднее арифметическое коэффициентов анизотропии в разных направлениях в плоскости листа. 1
Целый ряд работ [1, 8, 109, 116] посвящен отработке методик и экспериментальному определению коэффициентов анизотропии.
Обычно величину коэффициента анизотропии определяют по
данным измерения ширины и толщины образца в зоне расчетной длины при деформации растяжения образца 15...20% в области равномерной
деформации. Часто величину Яа находят при максимальной
равномерной деформации образцов.
Ширину образцов рекомендуется брать не менее 15 мм, в противном
случае обнаруживается тенденция увеличения разброса величины /?а
[116]. Некоторые исследователи вместо замеров толщины определяли деформацию по длине и ширине образца, а затем, используя условие постоянства объема, вычисляли деформацию - по толщине. Этот способ позволяет исключить относительно большие погрешности измерений толщины.
II
В работе [109. 116] отмечается, что определение усложняется
неоднородностью материала, которая приводит к искажению боковой, поверхности образца даже в области квазиравномерной деформации.
Установлено, что величина коэффициента нормальной анизотропии для большинства листовых материалов изменяется в пределах от 0,2 до
3,5. Рекомендации ГОСТ 1497-84 для вычисления коэффициента анизотропии Яа не отражают современного состояния техники экспериментальных исследований механических свойств материалов.
Авторами целого ряда работ [1, 48, 117] экспериментально показано, что анизотропия упрочнения имеет место при одноосном растяжении
образцов, т.е. коэффициент анизотропии Яа зависит от степени
деформации образцов, при которой он определяется.
Отмечается, что если и наблюдается постоянство коэффициентов анизотропии в области равномерного удлинения, то только в частных случаях.
Для оценки анизотропии механических свойств материалов в тех случаях, когда нельзя изготовить стандартные образцы для растяжения, рядом исследователей предлагается испытывать кольце) на сжатие перпендикулярно его плоскости. При этом две главные оси анизотропии лежат в плоскости кольца, а третья ей перпендикулярна. Считается, что трением по поверхности кольца можно пренебречь и что в кольце реализуется состояние одноосного сжатия. Отмечается хорошее совпадение результатов экспериментов, полученных при растяжении образца и при сжатии кольца, вырезанных из полоски малоуглеродистой стали, подвергнутой холодной прокатке.
Описанные методы определения коэффициентов анизотропии отличаются большой трудоемкостью как при подготовке к испытанию, так и при обработке результатов испытаний. В целях устранения указанных недостатков разрабатываются методики определения анизотропии механических свойств на испытательных машинах с использованием специальных механических-устройств в тензоблоках [1, 116]. В настоящее время ведутся исследования по определению анизотро-
12
пии механических свойств материалов косвенными методами.
Анизотропию металлических изделий в ряде случаев можно приближенно характеризовать твердостью или микротвердостью, определяемую вдавливанием или царапанием на разных плоскостях детали. Для этого следует провести предварительные исследования с целью установления корреляции между анизотропией твердости и анизотропией пластических характеристик для данных материалов и видов изделий. 'Еще более удобен и перспективен метод электропроводности с использованием токовихревых приборов. Метод основан на том, что при наличии анизотропии структура электропроводности анизотропна. Метод является неразрушающим.
В процессе комбинированной вытяжки в заготовке реализуется плоское напряженное и плоское деформированное состояния. Поэтому для анализа процесса комбинированной вытяжки анизотропного материала необходимо иметь информацию об анизотропии механических свойств материала при плоском деформированном состоянии.
Основными характеристиками анизотропии материала в условиях плоского деформированного состояния, например, в плоскости хг являются характеристика анизотропии и сопротивление материала
пластическому деформированию при сдвиге Туг,-
Экспериментальные исследования показали [1, 48, 6р, 117], что наиболее сильное изменение характеристики анизотропии имеет место в начальный момент деформации образцов, а затем она плавно увеличивается или уменьшается с ростом деформации. При степени осадки свыше 12% для испытываемых материалов характеристика анизотропии ИС” остается практически постоянной.
Анизотропия механических свойств материала заготовки оказывает существенное злияние на силовые и деформационные параметры процессов обработки металлов давлением и ка качество получаемых изделий [7-9, 31, 38, 82, 83, 109, 116].
Исследования процесса вырубки круглых заготовок из листа показывают, что качество среза улучшается при увеличении величины Я, вследствие чего рекомендуется использовать листы с коэффициентами
13
анизотропии больше 1. Кроме того, при использовании трансверсально изотропного материала разделение металла получается наиболее однородным [8].
При вытяжке плоскостная анизотропия проявляется в образовании фестонов, что вызывает необходимость в обрезке края детали и потери металла. Фестонообразование сопряжено с неравномерностью толщины стенок деталей и трудностями, связанными со съемом их с пуансона ’ после вытяжки. В ряде случаев отмечается положительное влияние анизотропии на процесс вытяжки - обеспечивает большую степень вытяжки, препятствует потере устойчивости стенки вытягиваемой детали и позволяет получить детали с большей конструктивной жесткостью.
Результаты экспериментального исследования фестонообразования в зависимости от исходной анизотропии заготовок и технологических параметров вытяжки приводятся в работах [109, 116]. Установлено, что существенное влияние на фестонообразование оказывает степень исходной плоскостной анизотропии, коэффициент вытяжки и относительный зазор между матрицей и пуансоном. Другие факторы - геометрия инструмента, усилие прижима, смазка, толщина материала -влияют незначительно.
Уменьшению фестонов способствует принудительное утонение стенок вытягиваемой детали.
В работах [109, 116] даны конкретные рекомендации по построению профильной заготовки с целью уменьшения фестоноофазования при вытяжке и комбинированной вытяжке.
В основу теоретических исследований анизотропного тела положены различные условия пластичности ортотропных тел - Мизеса-Хилла, Ху и Мэрина, Нориса и Мак-Кинена, Ивлева, Прагера, Сен-Венана, Жукова, Бастуна и Черняка, Ашкинази [26, 37, 47, 58, 93, 99, 109]. При анализе процессов обработки металлов давлением наибольшее распространение получило условие пластичности Мизеса-Хилла и ассоциированный закон пластического течения [99, 116].
Основу теории составляют предположения о квадратичной относительно напряжений форме условия текучести, несжимаемости материала,
14
совпадении функции текучести с пластическим потенциалом скоростей деформации при изотропном упрочнении материала и отсутствии упрочнения.
Один из вариантов этой теории развит Ю.М.Арышенским. В рамках предложенной им теории разработаны инженерные методики для учета анизотропии и произведена реализация их при анализе силовых и деформационных параметров ряда операций листовой штамповки, в частности, вытяжки [6, 9).
Экспериментальная проверка условия пластичности Мизеса-Хилла при одноосном растяжении плоских образцов и, в случае сложного напряженного состояния, показывает удовлетворительное согласование расчетных и опытных данных.
Основные уравнения плоской деформации анизотропного тела получены Р.Хиллом [99]. В ряде работ [27-29] рассмотрены прикладные аспекты анализа процессов обработки металлов давлением: внедрение штампа в анизотропную среду, волочение полосы через клиновую матрицу, сжатие и перекусывание полосы и т.д.
В работах [19, 27-29, 109, 116] изучены волочение анизотропной полосы через клиновую матрицу и вытяжка с утонением стенки. Показано существенное влияние анизотропии на силовые параметры процесса, оптимальный угол матрицы, предельные степени деформации, равномерность распределения деформаций и относительную разностен-ность получаемых изделий.
Головлёвым В.Д. [31] установлено существенное влияние анизотропии ка образование складок при вытяжке. Им показано, что в некоторых случаях игнорирование анизотропии заготовки при расчетах процессов пластического формоизменения может привести к значительным отклонениям расчетных величин критических деформаций от действительных.
В процессе обработки давлением исходная анизотропия листовых материалов изменяется и развивается деформационная анизотропия [1, 8, 38, 117-120].
При анализе технологических процессов обработки анизотропных
15
металлов давлением в настоящее время учитывается начальная анизотропия механических свойств. Учет влияния начальной анизотропии осуществляется в рамках идеально пластического или изотропно упрочняющегося тела. Однако, указанные предположения не позволяют оценить изменение анизотропии механических свойств в процессе пластической обработки.
Анализ экспериментальных исследований, приведенных в работах [1, 7-9, 48, 68, 109, 116, 118-120], убедительно доказывает изменение этих свойств. В многооперационных технологических процессах обработки металлов давлением следует учитывать изменение анизотропии механических свойств при назначении технологических параметров промежуточных и окончательных операций пластического деформирования. Кроме того, технические условия работы изделия часто требуют формировать определенную анизотропию механических свойств деталей.
В работах [7-9, 109, 116] приведены результаты экспериментальных исследований изменения коэффициентов анизотропии ряда листовых материалов в зависимости от степени деформации при прокатке. Показано, что для исследуемых материалов с увеличением степени деформации величины коэффициентов анизотропии могут как возрастать, так и уменьшаться.
Термическая обработка металла после прокатки приводит к уменьшению различия анизотропии механических свойств в плоскости листа, а увеличением температуры нагрева сопровождается уменьшением исходной анизотропии листа. Бремя выдержки при термической обработке практически не влияет на величины I коэффициентов анизотропии.
Влияние температуры деформирования на изменение анизотропии механических свойств материалов при одноосном растяжении исследовалось в работе [116]. Отмечено, что увеличение температуры испытаний листовой заготовки приводит к значительному уменьшению различия механических свойств в плоскости листа.
- Київ+380960830922