Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Вытягивание листовых металлов

Вытяжка представляет собой процесс превращения плоской заготовки в полостную деталь любой формы (или дальнейшее изменение ее размеров) и проводится на штампах. На рис. 8.17 приведена схема вытяжки цилиндрической детали из плоской заготовки. Последнее характеризуется уменьшением внешнего диаметра фланца и перемещением элементов заготовки (1-5) по мере увеличения глубины извлечения.

При вытягивании, кольцевая часть заготовки (D - d) превращается в цилиндр диаметром d и высотой h. В связи с тем, что объем металла при этом процессе не изменяется, то при полной вытяжке цилиндра высота детали h будет больше ширины кольцевой части b и составит:

  • (8.22)

где K = D/d - степень вытяжки. При K = 2, h = 1,5b.

Следовательно, вытяжка происходит за счет пластической деформации, которая сопровождается смещением значительного объема металла в высоту. При большой степени деформации, соответствующей глубокой вытяжке, и при незначительной толщине материала смещенный объем является причиной образования гофров (волн) на деформированной заготовке. При малой степени деформации и при относительно большей толщине материала гофрообразование не происходит, так как в этом случае смещенный объем металла небольшой, а заготовка стойка.

Для предотвращения образования гофров и складок при вытягивании применяется прижатие заготовки и держателя.

Последовательность перемещения металла в процессе вытягивания
Рисунок. 8.17. Последовательность перемещения металла в процессе вытягивания

С помощью этого процесса изготавливается большое количество полостных деталей самой разнообразной формы, отличающиеся друг от друга как очертанием в плане, так и формой боковых стенок.

По геометрической форме все полостные детали могут быть разделены на три группы:

  • 1) осесимметричной формы (тела вращения);
  • 2) коробчатой формы;
  • 3) сложной несимметричной формы.

Каждая из групп подразделяется на несколько разновидностей. Например, тела вращения по форме могут быть цилиндрическими, коническими, криволинейными, ступенчатыми, выпукло-вогнутыми. Построение технологического процесса и технологические расчеты для них разные.

Установлено, что процесс глубокого вытягивания из прижиманием начинается не с пластической деформации фланца заготовки, а с предшествующей ей начальной стадии процесса, который заключается в местной пластической деформации кольцевой, не зажатой части заготовки.

Последовательность процесса глубокой вытяжки с прижимом заготовки
Рисунок. 8.18. Последовательность процесса глубокой вытяжки с прижимом заготовки.

На рис. 8.18 приведена последовательность процесса из прижиманием заготовки; на верхних схемах 1 показана начальная стадия процесса, которая состоит из локальной пластической деформации свободного кольцевого участка а, при зажатом фланце, который сохраняет свои первоначальные размеры dФ = Do. Эта стадия вытягивания осуществляется за счет растяжения и утончение кольцевого участка, причем наибольшее утончение возникает на границе этого участка с плоским дном.

По мере погружения пуансона тянущее усилие возрастает, а растяжение и истончение свободного участка заготовки увеличивается. К концу этой стадии происходит пластическая деформация донной части заготовки. После достижения равновесия между тянущим усилием и сопротивлением фланца деформированию, начинается вторая стадия процесса, которая заключается в пластической деформации фланца и втягивании его в матрицу (см. схемы II на рис. 8.18). Таким образом, процесс глубокого вытягивания с прижимом состоит из двух технологически различных стадий:

  • начальной
  • завершающей.

При вытягивании прижимом с малой степенью деформации, начальная стадия практически отсутствует.

Деформация элемента фланца (а) и схема образования гофров (б) при вытягивании
Рисунок. 8.19. Деформация элемента фланца (а) и схема образования гофров (б) при вытягивании

В начальной стадии процесса глубокого вытягивания возникает значительное истончение свободного участка, которое в процессе дальнейшей деформации превращается в опасное сечение. Во второй стадии вытягивания имеет место сложная пластическая деформация, в процессе которой элемент плоской заготовки I (рис. 8.19, а) изменяет свои размеры (Удлиняется в радиальном и укорачивается в тангенциальном направлении) и занимает положение 11, а затем подвергается изгибу и превращается в элемент боковой поверхности полостного изделия.

Условие пластичности деформируемого фланца, определяющее момент перехода его в пластическое состояние, выражается уравнением (с учетом знаков напряжений) σr + σt = 1,15 σr.

Сначала для элемента заготовки I, что находится вблизи внешнего края фланца (рис. 8.19, а), наибольшей является деформация тангенциального сжатия, средней - деформация удлинения в радиальном направлении, а наименьшей - утолщение металла.

В результате деформации тангенциального сжатия при вытягивании тонкого материала легко возникает потеря устойчивости фланца, благодаря чему на нем образуются гофры. В толстом материале, при тех же размерах заготовки и изделия, возникновение гофров затруднено благодаря большей устойчивости фланца заготовки.

При перемещении элемента к вытяжному ребру матрицы наибольшей становится деформация радиального удлинения, так как тангенциальное сжатия постепенно уменьшается. При переходе элемента через вытяжное ребро матрицы эта деформация элемента осложняется появлением дополнительной деформации пространственного изгиба. После этого элемент заготовки переходит в криволинейно-вертикальную стенку и получает небольшое осевое удлинение вдоль образующей, при утончении материала.

Дно изделий подвергается небольшому плоскому удлинению (1-3%) и истончение (2-5%), которыми в большинстве случаев практически нельзя пренебрегать.

Сделанные опыты показывают, что деформация цилиндрических стенок в зазоре и у донной закругления продолжается в течение всего рабочего хода, и сопровождается непрерывным уменьшением толщины материала.

Под действием напряжений тангенциального сжатия происходит потеря устойчивости фланца заготовки и образование волнообразных гофров (l1, этап I). В результате ударной составляющей нагрузки на заготовку, возникший гофр упруго деформирует с держателем и его креплением и увеличивает зазор между ним и матрицей. Дальнейшее действие тангенциального сжатия усиливается вследствие непрерывного уменьшения внешнего диаметра заготовки. Это приводит к сплющиванию гофрированной волны (этап 2), а затем к потере устойчивости плоской части гофра, что прогибается в обратную сторону (этап 3). В результате образуется более мелкий гофр, в котором вместо одной, возникли три полных волны длиной l2 (этап 4).

Процесс гофрообразования продолжается скачкообразно и дальше до тех пор, пока не образуется вполне устойчивый мелкий гофр. В зависимости от различной степени устойчивости фланца заготовки, характеризуемый отношением S/d, а также различным степеням деформации К = D/d, сначала возникает разное количество волн по окружности.

При достаточно большой относительной толщине заготовки гофробразования не происходит, потому что фланец не теряет устойчивости в процессе вытягивания.

Самым опасным местом детали является зона перехода от дна к стенкам вследствии возникновения здесь в начальной стадии вытягивания значительного утончения материала и больших растягивающих напряжений.

При большой степени деформации или в случае образования складок на заготовке растягивающие напряжение, в опасном сечении превышают его прочность и приводят к отрыву дна. Условие прочности опасного сечения определяет возможную степень деформации и выражается зависимостью:

  • (8.23)

для стали 08 - 10 σmax ≤ 1,2 σв; для стали 12X18H9 σmax ≤ 1,2 σв.
Здесь σmax - максимальное напряжение в опасном сечении; σр - действительное сопротивление разрыву.

Основное направление рационального построения или улучшения процесса вытягивания заключается в создании наиболее благоприятных условий деформации металла, с целью снижения растягивающих напряжений в опасном сечении:

  • 1) уменьшение напряжений в начальной стадии процесса;
  • 2) уменьшение сопротивления плоского фланца деформированию;
  • 3) повышение прочности металла в опасном сечении;
  • 4) снижение тангенциальных напряжений сжатия в деформируемом фланце, или повышение его устойчивости в целях предотвращения образования складок.

В результате выполнения указанных условий достигают:

  • увеличения глубины извлечения за одну операцию,
  • уменьшения количества операций,
  • улучшения процесса вытяжки деталей сложной формы.

Необходимо указать, что при различных способах вытяжки не все из указанных выше условий будут одинаково благоприятны.

В технологическом отношении способы вытяжки необходимо различать главным образом по виду напряженного состояния деформированной части заготовки. Геометрическая форма детали есть в этом отношении побочным признаком.

Следует различать три основных способа вытягивания.

1) Вытяжка полостных деталей путем преобразования плоского фланца в цилиндрическую или коробчатую форму, при создании во фланце плоского напряженного состояния по схеме сжатие-растяжение (рис. 8.18). Сюда относится вытягивание цилиндрических, овальных, коробчатых и других деталей с вертикальными или слегка наклонными стенками,

2) Вытяжка сферических, криволинейных и сложных форм деталей, в штампах с вытяжными (тормозными) ребрами. В этом случае под прижимом преобладают напряжения и деформации, растягивающие, а в другой деформированной части заготовки возникает напряженное состояние двустороннего растяжения.

3) Вытяжка эластичной матрицей и фрикционным вытягиванием, которые создают сталкивание заготовки, в результате чего снижаются растягивающие напряжения, в среде деформации и облегчается процесс вытяжки.

В первом способе наиболее благоприятные условия деформирования заключаются в максимально возможном уменьшении сопротивления плоского фланца деформированию. Это достигается путем:

  • применения металла пониженной прочности;
  • отжигом заготовки;
  • нагреванием фланца;
  • вытяжкой без прижима;
  • эффективной смазкой.

В результате снижаются растягивающие напряжения, в опасном сечении, улучшается условие прочности этого сечения и становится возможной более глубокая вытяжка.

Во втором способе значительная часть заготовки сначала находится вне контакта с рабочими частями штампа и легко образует гофры и морщины. Для их предотвращения приходится создавать повышенные радиальные растягивающие напряжения, и искусственно увеличивать сопротивление деформируемого металла, путем перетаскивания его через вытяжные (тормозные) ребра. При этом значительно возрастают растягивающие напряжения, в опасном сечении и ухудшается условие его прочности. Для того чтобы в этом случае создать благоприятные условия деформирования и избежать разрыва, надо обеспечить условие прочности опасного сечения. Это возможно только при применении металла повышенной прочности и укрепления, при достаточно высокой пластичности (вязкости).

Третий способ имеет наиболее благоприятные условия деформирования, поскольку в этом случае прочность опасного сечения позволяет получить значительную степень деформации.

Следовательно, для рассматриваемых способов вытяжки необходимо выбирать металл с различными механическими свойствами или в разном состоянии:

  • в первом способе - повышенной пластичности при пониженной прочности (стали 08 - 10 в отожженном или нормализованном состоянии с дрессировкой);
  • во втором способе - повышенной прочности при достаточно высокой пластичности и вязкости (стали 08 - 10 после специальной обработки, нержавейка 12Х18H9T);
  • в третьем способе применим металл без повышенных механических свойств.

На рис. 8.20 приведены схемы напряженно-деформированного состояния в различных участках изделия при обычной вытяжке с прижимом.

Для наглядного представления о характере деформации и возможности определения ее величины на отдельных участках применяют метод нанесения на заготовку прямоугольной или радиально-кольцевой координатной сетки, а затем изучают ее искажение при вытягивании. Измерения искажения сетки показывают, что при первой операции, деформация тангенциального сжатия превосходит деформацию радиального растяжения.

Схемы напряжений и деформаций при вытягивании
Рисунок. 8.20. Схемы напряжений и деформаций при вытягивании
(σ - напряжение; є - деформация; индексы в σ и є означают: r - радиальные; t - тангенциальные; s - осевые).

При вытяжке происходит изменение толщины стенок деталей. В случае вытягивания цилиндрических деталей без фланца наибольшее утончение составляет 10 - 18%, а утолщение края 20 - 30% от толщины материала. Толщина материала в месте перехода от дна к стенкам уменьшается с увеличением степени деформации, относительной толщины заготовки S/D, пластичности металла, количества операций вытягивания и с уменьшением радиусов закругления пуансона и матрицы.

Примерная толщина края определяется из следующих зависимостей:
для деталей без фланца S' = S;
для деталей с фланцем S' = S;
где S', S - толщина края детали и заготовки, мм;
D, d - диаметр заготовки и вытягивания, мм;
Dф - диаметр фланца, мм.

Удлинение в радиальном направлении:

  • (8.24)

где r0 - начальный радиус сетки на заготовки; r - конечный радиус той же сетки после вытяжки.

Сжатие (укорочение) в тангенциальном направлении:

  • (8.25)

где d0 - начальный, d - конечный диаметр сетки.

Изменение толщины:

  • = Ln (S/S0), (8.26)

При этом вследствии постоянства объема металла существуют зависимости (с учетом знаков деформации):

или

  • r/r0 • d/d0 • S/S0 = 1.

На рис. 8.21 приведены кривые изменения логарифмических деформаций () в разных точках вытянутого цилиндрического изделия А, В, С, D. Эти кривые показывают, что на участке донного закругления и чуть выше, где происходит утончение материала, деформация радиального удлинения превышает деформации тангенциального сжатия. На участке, где происходит утолщение материала, деформации тангенциального сжатия (укорочения) превышают по величине деформации радиального удлинения.

Деформации при цилиндрической вытяжке
Рисунок. 8.21. Деформации при цилиндрической вытяжке
Логарифмическими деформациями принято называть деформации, величина которых выражена в логарифмической форме.

Как видно из рис. 8.21, деформация при вытяжке в действительности является объемной, а не плоской, как чаще всего принимается при анализе процесса вытягивания.

В табл. 8.15 приведены основные, наиболее распространенные способы вытягивания и показана область их применения. Указанные способы применяются при вытягивании их из заготовок и в ленте, для изготовления полых деталей различной формы:

  • цилиндрической;
  • конической;
  • сферической;
  • прямоугольной;
  • сложной.

Читать далее >>

Источник [1] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Обработка металла давлением (ОМД)
Вернуться на главную: Черная металлургия