СПОСОБ ОБТЯЖКИ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК Российский патент 1996 года по МПК B21D11/20 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам интенсификации операций обтяжки листовых заготовок из авиационных материалов по пуансону двойной кривизны, и может найти применение в авиационной промышленности и смежных с ней отраслях машиностроения.

Известно, что при обтяжке по пуансону двойной кривизны имеет место существенная неравномерность деформации удлинения по ширине в листовой заготовке. Причем указанная неравномерность тем больше, чем меньше радиус второй кривизны R₂. Возникновение такой неравномерности можно рассмотреть на следующем примере.

Процесс обтяжки по пуансону двойной кривизны принято разбивать на три стадии:
изгиб заготовки,
обтяжка до полного прилегания заготовки к пуансону по радиусу второй кривизны,
окончательная обтяжка.

Таким образом, закрепленная в зажимах обтяжного пресса заготовка на начальном этапе деформирования, изгибается по обтяжному пуансону. При этом контакт заготовки с пуансоном двойной кривизны происходит по линии, соответствующей углу облегания в осевом направлении ψ_i, равному ψ₁ 0. При сообщении перемещения пуансону обтяжного пресса начинает деформироваться именно прилегающая к этому сечению часть заготовки. В дальнейшем центральная (по ширине) часть заготовки испытывает все большее растяжение, тогда как периферийные части заготовки начинают прилегать к обтяжному пуансону, а затем деформироваться. В конце обтяжки при полном прилегании заготовки к пуансону двойной кривизны центральные части заготовки оказываются растянутым больше, чем периферийные. На третьем этапе обтяжки вся заготовка по ширине деформируется одинаково. Имеющая место неравномерность в последнем случае объясняется действием силы трения между заготовкой и пуансоном, распределенной неравномерно в тангенциальном направлении.

Возникающая в процессе обтяжки двойной кривизны неравномерность деформации удлинения в осевом направлении, особенно при обтяжке листовых заготовок из труднодеформируемых сплавов, в значительной степени лимитирует процесс формоизменения. Указанная неравномерность с учетом неравномерности от действия силы трения в тангенциальном направлении может привести к потере устойчивости пластического течения в зоне передачи усилия и соответствующей ψ_i 0 с последующим разрушением заготовки в этой зоне.

Известен способ формообразования деталей двойной кривизны, в соответствии с которым для уменьшения неравномерности деформации удлинения и, следовательно, увеличения точности изготовления деталей обтяжку производят с применением неравномерного в тангенциальном направлении нагрева заготовки до температур, обеспечивающих увеличение пластичности материала [1]
К недостаткам данного способа следует отнести: значительные затраты на изготовление нагревательных устройств, обеспечивающих требуемую неравномерность разогрева, существенные потери энергии для нагрева пуансона обтяжного пресса, значительное увеличение цикла производства одной детали. Кроме того, следует отметить, что указанный способ не предусматривает компенсацию неравномерности деформации удлинения, возникающую в осевом направлении.

Известен также способ формообразования деталей двойной кривизны, в соответствии с которым для уменьшения неравномерности деформации удлинения, производят обтяжку заготовки предварительно подготовленной формы (с переменной шириной и толщиной).

Основным недостатком указанного способа является значительная трудность изготовления заготовки требуемой формы, что не позволяет применить его в производстве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к изобретению относится способ обтяжки листовых заготовок по пуансону двойной кривизны, включающий изгиб заготовки, обтяжку до полного прилегания заготовки к пуансону по радиусу второй кривизны и окончательную обтяжку [2]
К числу недостатков данного способа, принятого за прототип, относятся:
в способе не предлагается формоизменение заготовки с электроимпульсной пластификацией ее локальной зоны, что не позволяет создать требуемое распределение пластических свойств материала,
в способе не рассматривается возможность использования собственного деформирующего (силового) действия тока.

Указанные недостатки технического решения, принятого за прототип, обусловлены тем, что применение способа не предусматривалось в целях интенсификации таких операций листовой штамповки, как обтяжка.

Технической задачей изобретения является расширение технологических возможностей операций обтяжки двойной кривизны, повышение качества деталей и снижение производственных затрат.

Указанная задача решается тем, что в способе интенсификации операций обтяжки, преимущественно из авиационных материалов, по пуансону двойной кривизны, включающем изгиб заготовки, обтяжку до полного прилегания заготовки к пуансону по радиусу второй кривизны и окончательную обтяжку, на стадии обтяжки до полного прилегания заготовки по пуансону производят обработку заготовки импульсным электрическим током для деталей выпуклой формы центральной по ширине части заготовки, соответствующей углу облегания в осевом направлении ψ_о, равного ψ _о(0,5-0,6) ψ_к, для вогнутых деталей седловидной формы краевых по ширине частей заготовки, соответствующих углам облегания в осевом направлении ψi1

равных ψ i1 [1-(0,4-0,5] ψ_к, где ψ_к конечный угол облегания в осевом направлении.

На фиг. 1 изображена стадия обтяжки по пуансону двойной кривизны при контакте заготовки с пуансоном по линии, соответствующей углу облегания в осевом направлении ψ₁ 0; на фиг.2 график усредненных опытных значений радиуса R₁ и остаточной кривизны y₁ в зависимости от уровня удельной электрической энергии обработки q; на фиг.3 усредненные значения радиусов R₁, R₂ и кривизны y₁ при обработке зоны заготовки, соответствующей 0,7 от ширины В_к; на фиг.4 представлены зависимости остаточного радиуса R₂ при значениях q 2,1 Дж/мм³, q 2,6 Дж/мм³, q 3,2 Дж/мм³ от величины зоны обработки В_об, на фиг. 5 график зависимостей остаточной кривизны у₂ от величины зоны обработки при значениях q 2,1 Дж/мм³, q 2,6 Дж/мм³; на фиг.6 -% график усредненных значений уточнений в осевом направлении по ширине заготовок, полученных различными способами обтяжки.

При реализации способа обтяжки по изобретению имеет место неравномерная в осевом направлении обработка импульсным электрическим током.

При изготовлении деталей выпуклой формы центральная по ширине часть заготовки обрабатывается практически с одинаковой интенсивностью, тогда как краевые части обрабатываются по мере рассеивания линий тока с уменьшением интенсивности. Таким образом, центральная часть заготовки пластифицируется с большей степени, чем краевые, в результате чего происходит компенсация неравномерности деформации удлинения в осевом направлении.

Кроме того, взаимодействие магнитных и электрических полей при протекании больших кратковременных токов по проводникам приводит к возникновению полей механических, электродинамических и термических напряжений. Величины этих напряжений при некоторых значениях удельной электрической энергии q могут превышать предел текучести и обуславливать возникновение остаточного формоизменения большинства металлов. Так, например, при осуществлении равномерной электроимпульсной обработки в жесткоустановленных токопроводящих пластин из различных материалов, при некоторых значениях q, имеет место значительный изгиб заготовки (см. пример). При осуществлении же неравномерной электроимпульсной обработки листовых заготовок те зоны, которые обрабатываются с большей интенсивностью, изгибаются на большие радиусы, а зоны, обрабатываемые с меньшей интенсивностью, изгибаются на меньшие радиусы. Таким образом, в результате осуществления неравномерной обработки могут быть получены листовые полуфабрикаты, характеризуемые двойной кривизной (см. пример). Использование же способа для интенсификации операций обтяжки на стадии растяжения до полного прилегания заготовки к пуансону позволяет при существенном снижении усилия деформирования в значительной мере компенсировать неравномерности деформации удлинения в осевом направлении и изготавливать качественные детали двойной кривизны даже из труднодеформируемых титановых сплавов. Последнее достигается не только тем, что наиболее растянутые зоны обтягиваемой заготовки пластифицируются в большей степени, но и тем, что в процессе обработки импульсным электрическим током возникает структура сил, компенсирующая неравномерность деформации удлинения в осевом направлении.

П р и м е р. Были проведены эксперименты по определению величины остаточного радиуса и остаточной кривизны листовых заготовок при осуществлении их равномерной обработки импульсным электрическим током в жесткоустановленных токоподводах. В процессе экспериментов использовались образцы из сплавов ОТ-4 и ВТ-20.

Обработка импульсным электрическим током заготовок осуществлялась в специальном универсальном токоподводящем устройстве. Величина зоны обработки l_об составляла 110 мм. Источник импульсов электрического тока включал низковольтный трансформатор мощностью 180 кВт и прерыватель тока ПСЛТ-1200. Кроме того, для регистрации параметров тока использовался запоминающий осциллограф С8-13.

В результате воздействия возникающих полей электродинамических и термических напряжений в процессе обработки импульсным электрическим током листовая заготовка изгибалась.

В ходе экспериментов фиксировались значения прогиба центральной части заготовки после пропускания через нее импульсов электрического тока. По величине прогиба определялись значения остаточного радиуса R₁ и остаточной кривизны y₁.

Анализ приведенных данных показывает:
1. При малых значениях уровня удельной электрической энергии q(q 0,2-1 Дж/мм³) обработки возникающие электродинамические и термические напряжения не превышают предела текучести и, следовательно, образования остаточной кривизны заготовки не наблюдается.

2. При значениях энергии q (q 1,1-3,8 Дж/мм³) наиболее употребимых в целях пластификации титановых сплавов имеет место существенное искривление обрабатываемых заготовок. Причем, чем больше уровень энергии обработки q, тем выше величина остаточной кривизны y₁.

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о том, что собственное силовое действие тока при равномерной обработке вызывает существенное формоизменение обрабатываемых заготовок.

Кроме того, были приведены исследования по изучению влияния собственного силового действия тока при осуществлении неравномерной обработки листовых заготовок из тех же сплавов.

Обработка импульсным электрическим током заготовок осуществлялась в специальном универсальном токоподводящем устройстве. Для создания требуемой неравномерности обработки током использовались разноразмерные токоподводящие прокладки. Указанные прокладки позволили осуществлять обработку зон В_об, соответствующих 0,3, 0,4, 0,5. 0,6, 0,7, 0,8, от ширины заготовки В_к. Ширина заготовок, использовавшихся в экспериментах, составляла 100 мм, причем обрабатывалась из центральная часть, соответствующая указанным выше зонам. Длина обрабатываемой заготовки, как и в первом случае была 110 мм, что позволяло сопоставлять результаты первого и второго экспериментов.

Установлено, что в процессе неравномерной обработки импульсным током более значительно изгибается центральная часть заготовки, т.е. зона, в которой плотность тока максимальна. Краевые же части заготовки, обрабатываемые по мере рассеивания линий тока, изгибаются с меньшей кривизной, с уменьшением ее величины по мере удаления от границ токопровода. Таким образом, в результате неравномерной обработки импульсным электрическим током были получены листовые полуфабрикаты двойной кривизны.

В ходе экспериментов фиксировались значения: остаточных радиусов в продольном R₁ и поперечном R₂ направлениях: остаточных кривизн y₁ и y₂ в соответствующих направлениях.

Из анализа представленных результатов следует.

1. Зависимость радиуса R₁ и кривизны y₁ в продольном направлении от величины q соответствует вышеописанным зависимостям при равномерной обработке заготовок.

2. Величина радиуса R₂ в поперечном направлении несущественно зависит от уровня удельной электрической энергии q, что объясняется незначительностью неравномерности распределения линий тока при обработке вышеуказанной зоны (В_об0,7 В_к).

Представленные графические зависимости на фиг.4 и фиг.5 свидетельствуют:
1. Уменьшение зоны обработки приводит к существенному увеличению кривизны у₂ в поперечном направлении;
2. Наибольшие значение кривизна у₂ приобретает при осуществлении обработки импульсным током в зонах В_об (0,4-0,6) В_к;
3. При уменьшении зоны обработки до величины В_об 0,3 B_к происходит уменьшение кривизны в поперечном направлении у₂. Это может быть объяснено тем, что при существенном уменьшении зоны обработки плотности линии тока в результате рассеяния в краевых частях заготовки незначительна.

4. При уменьшении зоны обработки меньше 0,5 В_к возникает значительная концентрация тока в зоне контакта заготовки с токопроводом, что может приводить к перегреву и последующему разрушению ее в указанной зоне (штриховые линии на фиг.4).

Таким образом, наиболее приемлемым для получения листовых полуфабрикатов, характеризуемых двойной кривизной, является диапазон зон обработки, соответствующий ширине В_об (0,5-0,6) В_к.

Кроме того, были проведены исследования по неравномерной электроимпульсной обработке краевых по ширине частей листовых заготовок с широким, так же как и в первом случае, диапазоном зон обработки.

Основные результаты, полученные в этом исследовании, аналогичны описанным выше по пропусканию тока в центральной части заготовки. Различия заключаются в том, что в последнем случае наиболее изгибаются краевые части заготовки, что приводит к образованию листового полуфабриката седловидной формы. При этом диапазоном зон обработки Вiоб

, в котором получаемый полуфабрикат приобретает минимальный радиус поперечной кривизны, соответствует величинам Biоб. [1-(0,4-0,5)] В_к. Ограничение минимальной величины зоны обработки значением В_об (1-0,5) В_к, так же, как и в первом случае, объясняется значительной концентрацией тока в зоне контакта заготовки и токоподвода.

Представленные результаты свидетельствуют о возможности использования электроимпульсной обработки в целях формоизменения листовых заготовок в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Применение описанного способа обработки импульсным электрическим током в процессе обтяжки листовых заготовок позволяет существенно его интенсифицировать.

Поэтому были проведены эксперименты по обтяжке модельных обшивок из титановых сплавов ОТ-4 и ВТ-20 с обработкой импульсным электрическим током различных, в осевом направлении, зон обтягиваемой заготовки.

Размеры модельных заготовок составляли 250х135х0,8 мм.

Обтяжка выполнялась на гидропрессе с максимальным усилием 300 кН и регулируемой скоростью перемещения рабочих органов в диапазоне 0,1-20 см/мин. Использовалась экспериментальная оснастка, включающая обтяжные пуансоны и устройство для закрепления кромок листовых заготовок с поворотными рычагами. Пуансоны имели двойную кривизну с различными радиусами в продольном R₁ и поперечном R₂ направлениях. Так для пуансонов выпуклой формы значения радиусов были R₁ 55 мм. R₂ 220 мм. Для пуансонов седловидной формы -R₁ 60 мм, R₂ 310 мм.

Импульсы электрического тока вводились в заготовки от источника питания описанного выше и дооснащенного блоком коммутации, обеспечивающим подведение тока к различным зонам в осевом направлении обтягиваемой заготовки.

Обтяжка заготовок производилась вначале до полного разрушения в целях выявления предельных возможностей, а затем до величин хода пуансона h_о, составляющего 0,8 от предельного h_пр. Каждый опыт дублировался 3 раза.

Обтяжка выполнялась по трем смехам:
1. Без электроимпульсной пластификации;
2. С электроимпульсной пластификацией центральной части заготовки деталей выпуклой формы с широким диапазоном варьирования величиной зоны обработки, соответствующей углу облегания в осевом направлении ψ_о от 0,4 ψ_к до 0,8 ψ_к;
3. С электроимпульсной пластификацией краевых частей заготовки деталей седловидной формы с широким диапазоном варьирования величиной зон обработки, соответствующих углу облегания в осевом направлении ψi1

от (1-0,6) ψ_к до (1-0,20) ψ_к.

В результате проведения экспериментов определялись значения остаточных радиусов кривизны в различных направлениях: R_1ост в продольном, R_2ост в поперечном. Вычислялись отношения величин радиусов получаемых деталей и величин радиусов пуансонов в соответствующих направлениях, т.е. R₁/R_1ост, R₂/R_2ост. По величинам этих отношений можно судить о точности изготовления обшивок, получаемых обтяжкой. Кроме того, фиксировались максимальные усилий R_к деформирования заготовок, возникавшие при осуществлении различных схем обтяжки.

Сопоставление указанных величин для обтяжки деталей выпуклой формы приведены в табл.1; для седловидных деталей в табл.2.

Приведенная в таблицах в графе "примечание" пометка "разрушение" подразумевает прогары заготовок по границе контакта с токоподводом.

Анализ данных, приведенных в табл.1 показывает:
1. При обтяжке без электроимпульсной пластификации (схема 1) получаемая деталь обладает низкой точностью. Формоизменение же заготовок из сплава ВТ-20 вообще не происходит;
2. При осуществлении обтяжки с электроимпульсной обработкой центральной в осевой направлении зоны заготовки точность полученных деталей существенно возрастает;
3. При уменьшении зоны обработки величина отношений радиусов стремится к единице. Это свидетельствует о том, что точность изготовления деталей повышается с уменьшением зоны обработки импульсным током.

4. Наибольшие значения отношения радиусов приобретают при обтяжке заготовок с электроимпульсной обработкой зон, соответствующих диапазону углов облегания ψ_о (0,4-0,6) ψ_к;
5. Величина максимального усилия деформирования Р_к уменьшается при осуществлении обтяжки с электроимпульсной обработкой по мере уменьшения величины зоны обработки. Это свидетельствует о том, что структура сил, возникающих при протекании тока по заготовке, способствует формоизменению.

Однако следует отметить, что при величине зоны обработки, соответствующей углу ψ_о 0,4 ψ_к, возникает значительная концентрация тока в зоне контакта заготовки с токоподводом, что приводит к перегреву и в некоторых случаях, к разрушению обтягиваемой заготовки в указанной зоне. Поэтому целесообразно не уменьшать зону обработки ниже величины, соответствующей углу ψ_о 0,5 ψ_к.

После выполнения модельной обтяжки с электроимпульсной обработкой центральной части заготовки производилось измерение толщин S_к в осевом направлении по полюсу детали.

На графике (фиг. 6) приведены усредненные значения уточнений в осевом направлении по ширине заготовки для обшивок:
полученных без электроимпульсной пластификации (поз.1, фиг.6);
полученных с электроимпульсной обработкой центральной зоны заготовки, ограниченной углом ψ_о 0,8 ψ_к;
полученных с электроимпульсной обработкой зоны, соответствующей углам ψ_о (0,5-0,6) ψ_к.

Как видно из графика, при обработке зон, в процессе обтяжки, ограниченных углами ψ_о (0,5-0,6) ψ_к деталь получается более равнотолщинной и следовательно, равнопрочной.

Таким образом представленные результаты подтверждают диапазон угла ψ_о, приведенный в первом пункте формулы изобретения.

В результате анализа данных, приведенных в табл.2, можно сделать выводы, аналогичные описанным выше по анализу данных табл.1. Разница заключается лишь в том, что в последнем случае обрабатываться и, следовательно, деформироваться в большей степени будут краевые части заготовки. Ограничение минимальной зоны обработки величиной ψi1

(1-0,5) ψ_к, так же как и в первом случае, обуславливается значительной концентрацией тока в зоне контакта заготовки и токоподводов.

Таким образом, представленные результаты подтверждают диапазон угла ψ₁, приведенный во втором пункте формулы изобретения. Абсолютно аналогичные результаты были получены при обтяжке листовых заготовок из алюминиевых сплавов Д16 и 01420 с электроимпульсной обработкой соответствующих их зон в осевом направлении.

Применение данного способа, как видно из примера, позволяет расширить технологические возможности операций обтяжки листовых заготовок по пуансону двойной кривизны, повысить качество изготавливаемых деталей (точность и равнопрочность).

Способ обеспечивает снижение производственных затрат, так как позволяет изготавливать обшивки за один переход вместо двух или большего числа переходов с промежуточными термообработками при изготовлении их традиционными способами.

Использование: область обработки металлов давлением. Цель: повышение технологических возможностей обтяжки обшивок, повышение их качества, снижение производственных затрат. Сущность изобретения: на стадии обтяжки до полного прилегания заготовки к пуансону производят обработку импульсным электрическим током для деталей выпуклой формы - центральной по ширине части заготовки, соответствующей углу облегания в осевом направлении Ψ_o, равного Ψ_o=(0,5...0,6)Ψ_к; для вогнутых деталей седловидной формы - краевых по ширине частей заготовки, соответствующих углам облегания в осевом направлении Ψi1

, равных Ψi1=(1-(0,4...0,5)Ψ_к, где Ψ_к конечный угол облегания в осевом направлении. Положительный эффект: повышение точности и равнопрочности получаемых деталей, возможность изготовления обшивки за один переход вместо двух или большего числа переходов с промежуточными термообработками при изготовлении традиционными способами. 6 ил., 2 табл.

СПОСОБ ОБТЯЖКИ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК преимущественно из авиационных материалов по пуансону двойной кривизны, включающий изгиб заготовки, обтяжку до полного прилегания заготовки к пуансону по радиусу второй кривизны и окончательную обтяжку, отличающийся тем, что на стадии обтяжки до полного прилегания заготовки по пуансону производят обработку заготовки импульсным электрическим током для деталей выпуклой формы центральной по ширине части заготовки, соответствующей углу облегания в осевом направлении ψ_o, равному ψ_o= (0,5...0,6)ψ_к, для вогнутых деталей седловидной формы краевых по ширине частей заготовки, соответствующих углам облегания в осевом направлении ψi1

, равным ψi1= 1-(0,4...0,5)ψ_к, где ψ_к конечный угол облегания в осевом направлении.