книги из ГПНТБ / Головлев, В. Д. Расчеты процессов листовой штамповки. Устойчивость формообразования тонколистового металла

i H - m w f

Головлев В. Д.

Издательство «Машиностроение», 1974 г.

\

- ' т т к я в г & ъ ■"

*V ' Ц\Ѵ V’X SjC

/

ПРЕДИСЛОВИЕ

Листовой металл, полученный прокаткой, является хорошим конструкционным материалом, позволяющим изготовлять лег­ кие и прочные детали машин и устройств.

Производство листового металла в СССР, США и других крупных промышленных странах развивается ускоренными тем­ пами. Особенно быстро растет производство тонколистовой хо­ лоднокатаной стали.

Значительная часть листового металла подвергается штам­ повке— вытяжке, формовке, обтяжке. Поэтому одним из важ­ ных показателей качества тонколистового металла является его штампуемость. Штампуемость характеризуется способностью листового металла к пластическому формообразованию, опре­ деляемой совокупностью механических и физических свойств металла.

Листовая штамповка позволяет получать сложные по форме и точные по размерам изделия при значительной экономии ме­ талла и высокой производительности труда:

Большое значение приобретает дальнейшее совершенство­ вание процессов пластического формообразования листового ме­ талла, что невозможно без их теоретического и эксперименталь­ ного исследования.

Важной проблемой теории обработки металлов давлением является устойчивость процесса деформирования.

Устойчивость пластического формообразования листового металла — одно из основных условий получения штампованных изделий хорошего качества. Потеря устойчивости формообразо­ вания характеризуется возникновением больших местных де­ формаций, которые обычно приводят или к разрушению метал­ ла, или к образованию недопустимо больших искажений формы

.изделия. Повышение устойчивости формообразующих операций листовой штамповки обеспечивает снижение брака и значитель­ ную экономию металла, способствует увеличению надежности работы автоматических и поточных линий штамповки, улучшает качество продукции [41].

Устойчивость все еще остается сравнительно мало изученным разделом теории листовой штамповки. Это прежде всего отно­

3

Г л а в а I

ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ Ф О РМ О О БРАЗО ВАН И Я ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА

1. ВЫТЯЖКА ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Одним из наиболее рациональных способов изготовления крупногабаритных тонких металлических оболочек сложной формы является вытяжка тонколистового металла. Вытяжка позволяет получить легкие, прочные и технологичные детали, обладающие совершенными конструктивными формами. Основ­ ные трудности, возникающие в процессе вытяжки деталей сложной формы, связаны с обеспечением устойчивости формо­ образования тонколистовой заготовки.

Типичными примерами деталей сложной формы являются облицовочные детали кузова автомобиля. Процесс вытяжки подобных деталей состоит в следующем (рис. 1). Тонколисто­ вая заготовка, зажатая между прижимными поверхностями прижимного кольца 3 и матрицы 2, втягивается пуансоном 1 в проем матрицы и превращается в деталь 4. Прижимная по­ верхность штампа относится к классу развертывающихся по­ верхностей [50, 56]. Такая форма прижимной поверхности позволяет наложить тонколистовую заготовку на матрицу путем изгибания, без растяжения и сжатия ее серединной поверх­ ности.

Характерным для вытяжки деталей сложной формы яв­ ляется то, что под прижимом располагается сравнительно не­ большая часть заготовки. Это приводит к возникновению на начальных стадиях деформирования больших свободных (рас­ положенных между пуансоном и матрицей) участков листовой заготовки, находящихся в сжато-растянутом состоянии. Под действием сжимающих напряжений свободные участки заготов­ ки могут потерять устойчивость с образованием волнистости и складок. Формообразование центральных, охватывающих пуан­ сон, участков заготовки осуществляется в основном растяже­ нием. На этих участках возможна потеря устойчивости заготов­ ки из-за местного утонения, приводящего к разрыву металла. Повышение устойчивости деформирования при вытяжке дости­ гается увеличением натяжения заготовки, осуществляемым ре­ гулировкой силы зажатия фланца заготовки, установкой пере­ тяжных ребер 5 или перетяжных порогов.

При исследовании процессов вытяжки деталей сложной фор-

5

мы важное значение имеют расчеты на устойчивость пластиче­ ского формообразования.

Вновь изготовленные штампы для вытяжки деталей слож­ ной формы обычно проходят опробование и наладку. Правиль­ ный выбор приемов наладки оказывает существенное влияние на производительность штамповки. Поэтому при исследовании процессов вытяжки деталей сложной формы важно не только изучить причины воз­ никновения потери устойчи­ вости формообразования и связанных с неіі дефектов, но и наметить практические мероприятия по их быстро­ му устранению в ходе на­

ладки штампов.

При формообразовании деталей сложной формы де­ формирующее усилие пере­ дается на значительную часть поверхности листовой заготовки. Вследствие этого

с напряжениями по толщине листа, достигающими значе­ ний предела текучести. По­

цессе вытяжки деталей сложной формы из тонколистовой заго­ товки обычно происходит на начальных стадиях формообразо­ вания, при деформациях, не превышающих указанной величины. Поэтому в расчетах на выпучивание толщина заготовки прини­ мается постоянной, равной исходной толщине металла.

Предполагается, что процесс деформации является актив­ ным, а внешние силы, действующие на листовую заготовку, воз­ растают пропорционально. Из экспериментов следует, что' при

6

формообразовании деталей сложной формы величины дефор­

ских деформаций зависимость между интенсивностями напря­ жений и деформацией с достаточной степенью точности аппрок­ симируется степенной функцией. Поэтому принимается, что фор­ мообразование листовой заготовки протекает в условиях, близ­ ких к простому, пропорциональному нагружению, и может быть

(стержня, пластинки, оболочки) характеризуется способностью системы сохранять определенную форму равновесия при дейст­

(точка А ) происходит разветвление форм равновесия (бифурка­ ция), а сила Р достигает своего критического значения Рк. При Р<Рк устойчивой является невозмущенная, исходная (прямо­

7

линейная) форма равновесия, а при Р > Р К устойчивой стано­ вится одна из отклоненных (изогнутых) форм равновесия.

Потеря устойчивости в системах, для которых связь между нагрузкой Р и характерным перемещением ѵ выражается кри­

равновесия. В точке А нагрузка принимает стационарное зна­ чение, оставаясь постоянной при бесконечно малых из-

Рис. 3. Диаграммы состоянии равновесия:

менениях и, соответствующих смежным формам равновесия. Со­ стояние системы в точке А, согласно статическому критерию устойчивости (см. стр. 9), является критическим, а соответст­ вующие значения Р = Р К и ѵ= ѵк— критическими нагрузкой и характерным перемещением. Критическая нагрузка Р н совпа­ дает с максимальной, несущей нагрузкой системы .Р тах -

Следовательно, в системах, для которых зависимость Р —и выражается кривой типа, показанного на рис. 3,6, состояние равновесия возможно лишь при нагрузках, не превышающих определенный, критический уровень, зависящий от свойств си­ стемы.

Дальнейшее поведение системы (см. рис. 3,6), зависящее от способа нагружения, рассмотрим на примере деформации сферической оболочки при действии внутреннего гидростатиче­ ского давления. Возможны два способа нагружения оболочки:

1) силовой, при котором нагрузка Р (давление жидкости) монотонно возрастает;

2) деформационный, предусматривающий монотонный рост характерного перемещения ѵ (приращения радиуса оболочки); такое нагружение достигается постепенной подачей жидкости по мере увеличения размеров оболочки.

8

При силовом способе нагружения независимым переменным

ка /1) происходит неограниченный рост перемещения, как по­ казано штриховой прямой АС, приводящий к разрыву металла. Ниспадающий (штриховой) участок AB кривой соответствует неустойчивым формам равновесия и не реализуется. Следова­ тельно, при Р > Р К равновесие оболочки невозможно. При этом моменты возникновения максимума нагрузки Ртах==Л; и мак­ симума характерного перемещения цтах=Ук совпадают.

В случае деформационного способа нагружения независи­ мым переменным является количество жидкости, подаваемое в полость оболочки. С ростом количества жидкости приращение радиуса оболочки (характерного перемещения ѵ) монотонно увеличивается, а давление (нагрузка Р) сначала возрастает, а затем, после достижения в точке А максимума, падает. При этом система, вообще говоря, способна неограниченно деформи­ роваться без потери устойчивости в соответствии с ниспадаю­ щим участком AB кривой. Это означает, что максимальная ве­ личина характерного перемещения отах может превышать ее критическое значение ѵк, а момент возникновения итах соот­ ветственно запаздывать относительно момента достижения на­ грузкой максимума /3тах = Л;. Одиако материал деформируемой системы обычно имеет некоторые нарушения как геометриче­ ского, так и структурного характера. Эти нарушения, в случае неупрочняющегося материала, даже при самой малой их вели­ чине, после достижения нагрузкой максимума приводят к ло­ кальной потере устойчивости формы в виде местного утонения и выпучивания оболочки.

3. КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ

Задача об устойчивости равновесия упруго-пластических систем решается путем исследования движения системы вблизи данного состояния равновесия [4, 20].

Всоответствии с наиболее общим, динамическим критерием неустойчивым является такое состояние, при котором малые возмущения вызывают движение, выводящее систему из окрест­ ности равновесного состояния; если же малые возмущения при­ водят к колебаниям около данного состояния равновесия, то оно является устойчивым.

Вслучае, когда система загружена внешними силами, имеющими потенциал, т. е. силами, работа которых не зависит от характера пути, из динамического критерия следуют более простые статический и энергетический критерии устойчивости..

Согласно с т а т и ч е с к о м у к р и т е р и ю потеря устойчи­ вости возникает в момент, когда при неизменной внешней на­ грузке Р, соответствующей исходной, основной форме равно­ весия, возможна и другая, смежная форма равновесия. Следо­

9