Обработка листового металла

Контрольная работа

по технологии обработки металла

тема: Обработка листового металла

1. Определение пригодности листового материала для глубокой вытяжки испытаниями по методу Эриксена

2. Отбортовка круглых отверстий

3. Вырубка-пробивка эластичным инструментом

4. Определение параметров сверхпластичности металлов Литература

1. Определение пригодности листового материала для глубокой вытяжки испытаниями по методу Эриксена

Пригодность металла для вытяжки может быть установлена по показателям пластичности, определяемым по результатам испытаний образцов на линейное растяжение: отношению предела текучести к временному сопротивлению у_т/у_в, показателю упрочнения п, коэффициенту анизотропии R_б.

Высокую способность к вытяжке показывают металлы, имеющие

у_т/у_в = 0,65 — 0,75, п > 0,2, R_б? 1,0.

Проведение испытаний на растяжение и определение указанных выше показателей пластичности металла требует специального оборудования, высококвалифицированного персонала, а также значительных затрат времени. Поэтому такие испытания проводятся в лабораторных условиях. На производстве же проводят более простые и менее трудоемкие технологические испытания. Одно из таких испытаний — испытание на вытяжку сферической лунки по ГОСТ 10 510–80 (метод Эриксена) на приборе МЛТ-10Г.

Испытания листового материала по методу Эриксена относятся к технологическим пробам, под которыми понимается выявление способности листового металла подвергаться пластическим деформациям, аналогичным тем, которые он испытывает в процессе технологической обработки.

Для установления пригодности материала к вытяжным операциям листовой штамповки применяются три основных вида испытаний:

v испытания на глубину выдавливания сферической лунки;

v испытания на глубину вытяжки колпачка;

v растягивание отверстия.

Прибор МЛТ-10Г позволяет проводить все три вышеуказанных вида испытаний.

Метод Эриксена заключается в вытяжке сферической лунки в зажатом по контуру образце с помощью пуансона 3 со сферической рабочей поверхностью (рис. 1.1).

Образец зажимают между матрицей 1 и прижимным кольцом 2. Критерием окончания испытания служит момент образования трещины на поверхности образца. Мерой способности металла к вытяжке служит глубина h вытянутой лунки. В зависимости от глубины вытянутой лунки металл относят к той или иной категории вытяжки (табл. 1.1).

Рисунок 1.1 — Схема вытяжки сферической лунки: 1 — матрица; 2 — прижимное кольцо, 3 — пуансон Таблица 1.1 — Нормы при испытаниях материалов по методу Эриксена

В соответствии с ГОСТ 10 510–80 усилие прижима Q образца к матрице должно составлять 10 — 11 кН.

Кроме основного показателя испытания — глубины вытяжки сферической лунки — о качестве металла можно судить по характеру разрушения и состоянию поверхности вытянутой лунки. Разрыв образца по дуге окружности (рис. 1.2,а) указывает на изотропность металла. Разрыв по прямой линии (рис. 1.2,б) свидетельствует о полосчатости микроструктуры металла. Гладкая поверхность лунки указывает на мелкозернистую структуру, а шероховатая («апельсиновая корка») — признак крупнозернистой структуры металла.

Рисунок 1.2 — Виды разрушения заготовок при вытяжке (формовке) сферической лунки

Материальное обеспечение

v испытательная машина МТЛ-10Г (рис. 1.3);

v комплект оснастки для вытяжки (формовки) сферического сегмента: пуансон диаметром 20 мм, матрица, прижимное кольцо, штангенциркуль, микрометр;

v образцы из листовой углеродистой или конструкционной стали толщиной 0,8 — 2,0 мм в виде карточек размерами (70−100)х (70−100) мм или кружков диаметром 70−100 мм.

Рисунок 1.3 — Схема испытательной машины МТЛ-10Г: 1 — штурвал; 2 — шайба с разметкой; 3 — втулка с прижимным кольцом; 4 — сферический пуансон; 5 — вытяжное очко; 6 — зеркало; 7 — подпружиненный стопор; 8 — винт.

Машина МЛТ-10Г работает следующим образом. Вращением штурвала 1 перемещают вправо втулку 3, соединенную с корпусом резьбовым соединением, а также винт 8, застопоренный во втулке 3 подпружиненным стопором 7. При этом происходит жесткий прижим заготовки между прижимным кольцом втулки 3 и вытяжным очком 5.

Далее путем сжатия пружины высвобождают стопор 7 из глухого паза в винте 8. При дальнейшем вращении штурвала 1 винт 8 по резьбе в отверстии втулки 3 перемещается вправо при неподвижной втулке 3. Сферический пуансон 4, перемещаемый вместе с винтом 8, деформирует зажатую заготовку в полость вытяжного очка 5. Образование трещины в формуемой заготовке фиксируют визуально с помощью зеркала 6.

2. Отбортовка круглых отверстий

металл отверстие штамповочный сверхпластичность

Отбортовка отверстий широко используется в штамповочном производстве, заменяя операции вытяжки с последующей вырубкой дна. Особенно эффективно применяется отбортовка отверстий при изготовлении деталей с большим фланцем, когда вытяжка затруднительна и требует нескольких переходов. В настоящее время путем отбортовки получают отверстия диаметром 3 ч 1000 мм и толщиной материала 0,3 ч 30 мм.

Под отбортовкой понимают операцию холодной листовой штамповки, в результате которой по внутреннему (внутренняя отбортовка) или наружному (наружная отбортовка) контуру заготовки образуется борт. В основном выполняют внутреннюю отбортовку круглых отверстий. Образование борта в этом случае осуществляется за счет вдавливания в отверстие матрицы части заготовки с предварительно или одновременно с отбортовкой пробитым отверстием. Схема отбортовки круглых отверстий показана на рисунке 2.1. Разновидностью отбортовки является отбортовка с утонением стенки.

Рисунок 2.1 — Схемы отбортовки круглых отверстий: а) сферическим пуансоном; б) цилиндрическим пуансоном Отбортовку круглых отверстий выполняют сферическим (рисунок 2.1а) или цилиндрическим пуансоном (рисунок 2.1б). В последнем случае рабочий конец пуансона выполняют в виде фиксатора (ловителя), обеспечивающего центрирование заготовки по отверстию, с коническим переходом к рабочей части диаметра d_п.

Деформация металла при отбортовке характеризуется следующими изменениями: удлинением в тангенциальном направлении и уменьшением толщины материала, о чем свидетельствует радиально-кольцевая сетка, нанесенная на заготовку (рисунок 2.2). Расстояния между концентрическими окружностями остаются без значительных изменений.

Рисунок 2.2 — Заготовка до и после отбортовки Степень деформации при отбортовке отверстий определяется соотношением между диаметром отверстия в заготовке d и диаметром борта D или так называемым коэффициентом отбортовки:

К = d/D,

где D определяется по средней линии (см. рисунок 2.2).

Если коэффициент отбортовки превышает предельную величину К_пред, то на стенках борта образуются трещины.

Предельный для данного материала коэффициент отбортовки может быть аналитически рассчитан по формуле:

где h — коэффициент, определяемый условиями отбортовки;

d — относительное удлинение, определяемое из испытаний на растяжение.

Величина предельного коэффициента отбортовки зависит от следующих факторов:

1) характера обработки и состояния кромок отверстий (сверление или пробивка, наличие или отсутствие заусенцев);

2) относительной толщины заготовки s/D;

3) рода материала и его механических свойств;

4) формы рабочей части пуансона.

Существует прямая зависимость предельно допустимого коэффициента отбортовки от относительной толщины заготовки, т. е. с уменьшением d/s величина предельно допустимого коэффициента отбортовки К_пред уменьшается и увеличивается степень деформации. Кроме того, величина К_пред зависит от способа получения отбортовываемого отверстия, что показано в таблице 2.1 для малоуглеродистой стали. В таблице 2.2 приведены предельные значения коэффициента отбортовки для цветных материалов.

Допустимая величина утонения стенки борта при отбортовке вследствие дефектов края отверстия (заусенцы, наклеп и т. п.) значительно ниже, чем величина поперечного сужения при испытании на растяжение. Наименьшая толщина у края борта составляет:

.

Таблица 2.1 — Расчетные значения К_пред для малоуглеродистой стали

Расчет технологических параметров отбортовки круглых отверстий осуществляют следующим образом. Исходными параметрами являются внутренний диаметр D_вн отбортованного отверстия и высота борта Н, заданные чертежом детали. По указанным параметрам рассчитывают требуемый диаметр d технологического отверстия.

Таблица 2.2 — Значения К_пред для цветных металлов и сплавов

Для относительно высокого борта расчет диаметра d выполняют исходя из равенства объемов заготовки до и после отбортовки:

где D₁ = d_п + 2(r_м + s).

В данной формуле геометрические параметры определяются согласно рисунку 2.1.

Для низкого борта расчет можно выполнять из условия обычной гибки в радиальном сечении:

d = D + 0,86r_м — 2Н — 0,57s.

Затем проверяют возможность отбортовки за один переход. Для этого сравнивают коэффициент отбортовки (см. стр.14) с предельным значением К_пред: К > К_пред.

Усилие отбортовки круглых отверстий цилиндрическим пуансоном может быть приближенно определено по формуле

где s_Т — предел текучести материала.

Характер изменения усилия при отбортовке показан на рисунке 2.3 в зависимости от формы очертания рабочей части пуансона.

Рисунок 2.3 — Диаграммы усилия и переходы отбортовки круглых отверстий при различной форме пуансона: а) криволинейной; б) сферической; в) цилиндрической

3. Вырубка-пробивка эластичным инструментом

Использование традиционных методов листовой штамповки связано с изготовлением дорогой штамповочной оснастки и эффективно лишь при крупносерийном и массовом характере производства. В мелкосерийном и опытном производствах холодная листовая штамповка в случае применения обычных конструкций штампов экономически невыгодна, то есть затраты на штамповочную оснастку не окупаются.

Одним из экономически эффективных методов штамповки в условиях мелкосерийного и опытного производства является штамповка эластичным инструментом, когда один из рабочих инструментов изготовлен из резины или полиуретана. При этом значительно упрощается конструкция инструмента и удешевляется его изготовление, отпадает необходимость изготовления и пригонки второго рабочего инструмента, сокращаются сроки подготовки производства.

Штамповка эластичным инструментом применяется как для разделительных операций — вырубки-пробивки, так и для формоизменяющих операций — гибки, вытяжки и формовки.

В качестве эластичных сред для штамповки используются резины и полиуретаны. Резины менее износостойки и работают при сравнительно небольших давлениях, обычно не превышающих 20 ч 30 МПа.

В последнее время вместо резины все шире применяется полиуретан. Полиуретаны более износостойки и выдерживают давления порядка 1000 МПа (в закрытых объемах). Прочность полиуретана в 6 ч 8 раз выше, чем у резины, и достигает 600 МПа. Чаще всего используют полиуретаны марок СКУ-6Л, СКУ-7Л, СКУ-ПФЛ. Последняя марка обычно используется для разделительных операций.

Особенно эффективно используются эластичные среды при выполнении разделительных операций. При помощи полиуретана можно вырезать детали из алюминиевых сплавов толщиной до 3 мм; из стали (легированной и углеродистой), латуни и бронзы толщиной до 2 мм.

Типовая универсальная оснастка для вырубки-пробивки показана на рисунке 3.1. За один ход пресса производится вырубка детали по контуру и пробивка отверстий и пазов в соответствии с конфигурацией вырезного шаблона. Контейнер, в котором располагается эластичный инструмент, обычно изготавливают из стали 40Х с твердостью после нормализации HRC 28 ч 32.

Вырезные шаблоны простой конфигурации и толщиной более 2 ч 3 мм изготавливаются из углеродистых сталей марок У 8, У 8А, У 10, У 10А. Более тонкие и сложные по контуру шаблоны делают из легированных сталей марок Х 12, Х 12 М, Х 12Ф 1. Твердость шаблона после закалки составляет HRC 56 ч 60, шероховатость рабочей поверхности после шлифования Ra 0,25 ч 1,00.

Большое значение при вырезке деталей имеет высота вырезного шаблона, от которого зависит величина отхода материала и качество детали. Оптимальную высоту шаблона Н (в мм), обеспечивающую качественную вырезку заготовки из пластичного материала, можно определить по формуле

(3.1)

где d_р — относительное равномерное удлинение материала;

s — толщина материала, мм.

Рисунок 3.1 — Штамп для вырубки-пробивки эластичными середами: 1 — контейнер; 2 — шайба; 3 — эластичный инструмент; 4 — заготовка; 5 — вырезной шаблон; 6 — подштамповая плита Высота эластичного блока Н_э (мм) выбирается из условия

Н_э3H + 10, (3.2)

где Н берется в миллиметрах.

Необходимый припуск материала L (мм) при вырубке деталей с простым контуром определяется по формуле

(3.3)

где f — коэффициент трения между заготовкой и подштамповой плитой.

При вырубке деталей с криволинейным контуром величина припуска L (мм) определяется:

(3.4)

где R — где радиус кривизны контура детали (знак «плюс» берется для выпуклого контура, «минус» — для вогнутого).

Давление, необходимое для вырубки детали по контуру, зависит от механических свойств материала, его толщины и высоты вырезного шаблона. Для выпуклого (знак «плюс») или вогнутого (знак «минус») криволинейного участка давление вырезки q определяется по формуле

(3.5)

а для прямолинейного участка по формуле

q = ss_в/H. (3.6)

Для пробивки отверстий небольшого диаметра d давление составляет:

q = 3ss_в/d, (3.7)

а для вырезки небольших пазов с размерами а b

. (3.8)

При одновременной вырубке детали по контуру и пробивке отверстий и пазов необходимое давление следует определять по максимальной величине q_max, которое, как правило, соответствует пробивке отверстий и пазов с наименьшей площадью.

Усилие пресса Р, необходимое для осуществления разделительной операции, определяется с учетом коэффициента потерь на трение и сжатие эластичного инструмента по формуле

Р = 1,2Fq_max, (3.9)

где F — площадь рабочей поверхности эластичного инструмента.

4. Определение параметров сверхпластичности металлов

Сверхпластичностью называется состояние деформируемого материала с особой структурой, возникающее при высокой гомологической температуре и характеризующееся аномально высокими предельными степенями деформации без нарушения сплошности материала под влиянием напряжений, величина которых очень низка и сильно зависит от скорости деформации и структура материала.

Таким образом, необходимы три условия для перевода материалов в сверхпластичное состояние:

1. Особая структура — это ультрамелкое равноосное зерно с размером не более 25 мкм. Такая структура обеспечивает при температуре сверхпластичности иной механизм деформации — межзеренное скольжение.

2. Оптимальная температура Т = 0,7…0,85 Тпл. (Тпл — температура плавления металла). При Т < 0,7 Тпл диффузионная подвижность зерен невелика для реализации межзеренного скольжения. При Т > 0,85 Тпл происходит интенсивный рост зерен, тормозящий процессы межзеренного скольжения, что приводит к исчезновению эффекта сверхпластичности в металле.

3. Скорость деформации й: достаточно малая для полного прохождения диффузионных процессов и достаточно высокая, чтобы в условиях высоких температур предотвратить рост зерна; для материалов с ультрамелкозернистой структурой размером 1−10 мкм й = 10^-5…10^-3 с^-1, для материалов с субмикронным зерном 0,1−1 мк й = 10^-0…10^-3 с^-1, для материалов с нанокристаллической структурой 100−10 нм й = 10^-1…10¹ с^-1, для аморфных материалов 10³…10⁵с^-1.

Признаки состояния сверхпластичности:

1. Повышенная чувствительность напряжения течения S к изменению скорости деформации й, т. е. повышенная склонность к скоростному упрочнению. Скоростная чувствительность напряжения течения к скорости деформации определяется коэффициентом

m = dlnS /dln й > 0,3.

2. Большой ресурс деформационной способности (деформация квазиравномерная на сотни и тысячи процентов по принципу бегающей шейки).

3. Напряжение течения в состоянии СП в несколько раз меньше, чем предел текучести материалов при пластической деформации.

Связь между силовыми и деформационно-скоростными параметрами металлов и сплавов, обрабатываемых давлением, в общем виде выглядит следующим образом:

S = Cеⁿй^m, (4.1)

где е и й — логарифмические степень и скорость деформации;

С — коэффициент, зависящий от температуры и структуры металла.

Для сверхпластичных материалов деформационное упрочнение практически отсутствует, то есть n = 0, еⁿ = 1 и уравнение (1) принимает вид:

S = Кй^m, (4.2)

при этом К? С.

В основе всех методов определения параметра m лежит сравнение напряжения течения S минимум при двух скоростях деформации й.

Из формулы (2) показатель m можно определить по уравнению:

m = dlnS /dln й (4.3)

Процедура определения m состоит в том, что образец растягивают или сжимают до максимума усилия, а затем на участке установившегося течения (при постоянной или снижающей нагрузке) резко увеличивают скорость деформирования с v₁ до v₂ (рис. 4.1.).

Рисунок 4.1 — Схема кривой усилие-время для определения показателя m методом скачкообразного изменения скорости траверсы

По достижении нового максимума усилия и начала установившегося течения вновь изменяют скорость траверсы, уменьшая или увеличивая ее.

Стремление полнее удовлетворить требованиям одинаковой предварительной деформации и неизменности структуры привело к разработке разных способов расчета, использующих разные точки кривой на рис. 4.1. Рассмотрим некоторые из них.

1. По методу Бэкофена:

(4.4)

где Р_А — максимальное усилие при v₂, а Р_В — усилие, полученное экстраполяцией участка СD при скорости v₁ до деформации, равной деформации в точке при скорости v₂. Полученное по уравнению (4.4) значение m приписывается некоторой средней скорости деформации, вычисленной по v₁ и v₂ при условии равномерности деформации.

Способ Бэкофена неточен из-за ошибок экстраполяции.

2. Способ Моррисона не требует экстраполяции, так как m определяется по уравнению:

(4.5)

где S_A и S_C — истинные напряжения в точках максимальных усилий для сравниваемых скоростей;

S_A = 4Р_А/р (D²_А), D_А = DоvНо/(Н_о — Д_А);

S_С = 4Р_С/р (D²_С), D_С = DоvНо/(Н_о — Д_С),

D_о и Н_о — исходные размеры образцов;

Д_А, Д_С — абсолютная деформация образцов в точках, А и С.

й_А и й_С — истинные скорости деформации,

й_А= V_A /(Н_о — Д_А), с^-1;

й_С = V_С /(Н_о — Д_С), с^-1,

где V_A и V_С — скорости деформирования в точках, А и С, мм/с.

Однако точкам, А и С соответствуют разные деформации, а значения m, полученные при повышении и снижении скорости, различны.

3. По третьему способу величину m относят к скорости деформации перед скачком:

(4.6)

Здесь производят обратную экстраполяцию участка установившегося течения при скорости v₂ к деформации (точки Е и Е^!), при которой была переключена скорость.

Способ дает хорошую воспроизводимость результатов, но его физический смысл не ясен.

4. Способ Хедворса и Стоуэлла предполагает, что на прямолинейном участке DF структура металла еще не успевает измениться и тогда

(4.7)

Считается, что из вышеприведенных способ Хедворса и Стоуэлла наиболее приемлемый.

1. Новиков И. И. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном / И. И. Новиков, В. К. Портной. — М.: Металлургия, 1981. — 168 с.

2. Смирнов О. М. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности / О. М. Смирнов. — М.: Машиностроение, 1979. — 189 с.

3. Карабасов Ю. С. Новые материалы / Ю. С. Карабасов [и др.]. — М.: МИСиС, 2002. — 736 с.

4. Тихонов А. С. Эффект сверхпластичности металлов и сплавов / А. С. Тихонов. — М.: Наука, 1978. — 142 с.

5. Чумаченко Е. Н. Механические испытания и построение аналитических моделей поведения материалов в условиях сверхпластичности. Ч. 1 / Е. Н. Чумаченко, В. К. Портной, И. В. Логашина // Металлург. — 2014. — № 12. — С. 68−71.

6. Чумаченко Е. Н. Механические испытания и построение аналитических моделей поведения материалов в условиях сверхпластичности. Ч. 2 / Е. Н. Чумаченко, В. К. Портной, И. В. Логашина // Металлург. — 2015. — № 1. — С.76−80.

7. SSAB. Штамповка листовой стали: справочник. Резка на заданные размеры и пластическое формоизменение: пер. с англ. / под ред. Р. Е. Глинера. — Гетеборг: SSAB, 2004. — 153 с.

8. Беляев В. А. Холодная штамповка и проектирование штампов: методические рекомендации по выполнению лабораторных работ / В. А. Беляев. — Бийск: АлтГТУ им. Ползунова, 2007. — 37 с.

9. Анищенко А. С. Прогрессивные технологические решения в обработке металлов давлением: Конспект лекций в 3-х частях. Часть 1. Листовая штамповка подвижными средами. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности / А. С. Анищенко. — Мариуполь, ПГТУ, 2013. — 58с.

10. Беляев В. А. Холодная штамповка и проектирование штампов: методические рекомендации по выполнению лабораторных работ / В. А. Беляев. — Бийск: АлтГТУ им. Ползунова, 2007. — 37 с.

11. Григорьев Л. Л. Холодная штамповка: справочник / Л. Л. Григорьев, К. М. Иванов, Э. Е. Юргенсон. — СПб: Политехника, 2009. — 665 с.: ил.