Способ формообразования листовых деталей двоякой кривизны

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к изготовлению элементов штампосварных оболочек путем последовательных локальных нажатий. Задачей изобретения является обеспечение сохранности свойств материала и минимизация утонения заготовок при формообразовании. Формообразование осуществляют путем последовательных локальных нажатий с перемещением заготовки или формообразующего инструмента относительно друг друга. Перемещение заготовки производят с заданным шагом, при котором частично перекрывают каждое предыдущее пятно приложения формообразующего инструмента, а значения максимально возможной деформации растяжения, при которой сохраняются механические свойства материала заготовки, или поперечного и продольного заданных радиусов кривизны достигают в несколько этапов формования детали, равномерно распределяя эту величину по упомянутым этапам. Переход от одного этапа формообразования заготовки к другому осуществляют при достижении значения деформации растяжения не более 2% для стальных заготовок и 1% - для легких сплавов, а величина перекрытия каждого предыдущего пятна приложения пуансона составляет не менее половины диаметра. При применении этого способа формообразования детали двоякой кривизны равномерное распределение деформаций по площади заготовки и по этапам формообразования позволяет уменьшить величину наиболее значимых для сохранности свойств материала показателей: деформацию растяжения и величину утонения материала. Уменьшение опасных растягивающих деформаций позволяет исключить термообработку после формообразования для восстановления свойств металла и таким образом значительно удешевить и упростить процесс изготовления листовых заготовок двоякой кривизны. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к обработке деталей давлением, в частности к изготовлению элементов штампо-сварных оболочек двоякой кривизны путем последовательных локальных нажатий.

Известны способы формообразования элементов оболочек методом холодной гибки последовательными местными нажатиями с использованием универсальных и специальных штампов (Куклин О.С., Брук М.Б. Технология и оборудование для формообразования толстолистовых оболочек и их элементов, Л., ЦНИИ "Румб", 1986 г.).

Известен способ формообразования деталей двойной кривизны, преимущественно элементов сферической и тороидальной оболочки, при котором заготовку формообразуют в два перехода, на первом из которых придают кривизну в одном направлении, а на втором - окончательную форму, при этом на первом переходе образуют коническую поверхность, у которой по меньшей мере один радиус поперечного сечения равен радиусу оболочки в широтном направлении (авт. св. 1299656 от 19. 08. 85 г., МКИ 5 В 21 D 11/20, БИ 12, 1987 г.).

При использовании этого способа формования детали доведение ее до заданного радиуса проводят в два этапа, переформовывая уже полученные ранее радиусы. При этом возникают большие утонения материала заготовки и ее деформация, поэтому после формовки необходима термообработка полученной детали.

Известен способ формообразования изделий двойной кривизны из листа, включающий формообразование в два перехода, на первом их которых придают кривизну в одном направлении, а на втором - окончательную форму, причем формование на первом переходе осуществляют в направлении наибольшей кривизны изделия, обеспечивая кривизну, равную разности между наибольшей и наименьшей кривизной изделия, а окончательную форму на втором переходе получают сферическим инструментом, имеющим кривизну, соответствующую наименьшей кривизне изделия (авт. св. 1616747, от 18. 07. 88 г., МКИ 5 В 21 D 11/20, БИ 48, 1990 г.).

Однако для использования этого способа формообразования детали для каждого радиуса кривизны необходимо изготавливать свою оснастку, т. е. спаренные пуансон и матрицу, а кроме того, в процессе формообразования детали возникают деформации растяжения и утонения, значительно превышающие допустимые, вследствие чего появляется необходимость термообработки детали после ее формообразования.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является "Способ формообразования листовых заготовок двоякой кривизны" (авт. св. 1574316 от 16. 06. 88 г., В 21 D 11/00, БИ 48, 1990 г.).

Способ формообразования листовых заготовок двоякой кривизны с различной кривизной в продольном и поперечном направлениях осуществляется путем последовательных нажатий с перемещением заготовки, при котором одновременно получают кривизну в обоих направлениях.

Формообразование по этому способу осуществляют в два этапа, на первом из которых формуют сферическую поверхность с кривизной, равной меньшей из заданных, а на втором этапе осуществляют окончательное формообразование с увеличением кривизны до требуемой в соответствующем направлении при сохранении полученной ранее кривизны во взаимно-перпендикулярном направлении. Кроме того, с целью снижения усилия формовки и предотвращения гофрообразования по кромкам, формообразование заготовки начинают от торцевой короткой кромки, причем формование на первом этапе совмещают с правкой коробоватости, а на втором этапе - с правкой волнистости.

При использовании указанного способа формообразования на формуемой заготовке возникают деформация растяжения и утонение, опасные для сохранности механических свойств материала. Это вызывает необходимость термообработки детали после ее формообразования.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение сохранности свойств материала, минимизация утонения заготовок, упрощение операции формообразования и удешевление этого процесса, уменьшение его материало- и энергоемкости.

Поставленная задача решается следующим образом: По предлагаемому способу формообразование заготовки двоякой кривизны осуществляют путем последовательных локальных нажатий с перемещением заготовки или формообразующего инструмента относительно друг друга, причем последовательные нажатия проводят с заданным шагом, частично перекрывая каждое предыдущее пятно приложения паунсона, причем величина перекрытия каждого предыдущего пятна приложения пуансона составляет не менее половины его диаметра, а значения максимально - возможной деформации растяжения или поперечного и продольного заданных радиусов кривизны, при которых сохраняются все механические свойства материала заготовки, достигают в несколько этапов формообразования заготовки, равномерно распределяя эту величину по упомянутым этапам. Переход от одного этапа формообразования заготовки к другому осуществляют при достижении значения деформации растяжения не более 2% для стальных заготовок и 1% - для легких сплавов.

Технический результат, получаемый при использовании предложенного способа формообразования заготовки двоякой кривизны, выражается в равномерном распределении деформации растяжения материала заготовки по этапам ее формообразования. Этот результат контролируется по максимально-возможной деформации растяжения или по заданным значениям поперечного и продольного радиусов кривизны.

При использовании предложенного способа формообразования листовой детали двоякой кривизны, на каждом этапе ее формообразования достигается такая максимально-возможная величина деформации, при которой сохраняются все механические свойства материала заготовки, а равномерное распределение деформации по площади детали и по этапам формообразования позволяет уменьшить величину утонения материала.

Утонение материала заготовки в процессе формообразования листовой детали сопровождается объемной трехмерной деформацией (ε₁, ε₂, ε₃) и вызывает наибольшую интенсивность деформации, например, по Мизесу, в 2 раза большую, чем при растяжении образцов (Куклин О.С., Быков В.А. Деформируемость и работоспособность корпусных сталей, Л., ЦНИИ "Румб", 1989 г.; Малинин Н.М. Прикладная теория пластичности и ползучести, М., Машиностроение, 1975 г.). Уменьшение опасных растягивающих деформаций позволяет исключить термообработку после формообразования детали и таким образом значительно удешевить и упростить операцию формообразования листовой заготовки двоякой кривизны.

Способ формообразования листовой заготовки двоякой кривизны схематически поясняется на чертеже.

Формообразование заготовки 1, имеющей толщину S и заданные для формообразования радиусы поперечной R_пoп. и продольной R_пp. кривизны, осуществляют путем последовательных локальных нажатий с перемещением заготовки 1 относительно формообразующего инструмента 3 или инструмента относительно заготовки. При этом заготовка 1 располагается на опорах 2, а указанные нажатия формообразующим инструментом 3 (в данном случае пуансоном) производят с заданным шагом и при этом частично перекрывают каждое предыдущее пятно приложения пуансона. Значения максимально-возможной деформации растяжения материала заготовки, при которой сохраняются все механические свойства материала заготовки, или поперечного R_пoп. и продольного R_пp. радиусов кривизны достигают в несколько этапов формообразования заготовки 1, равномерно распределяя эту величину по упомянутым этапам. Усилия нажатия прикладывают по осям 4 и 5, расстояние между которыми должно быть не менее половины диаметра пуансона D_п. Кроме того, последовательные переходы от одного этапа к другому осуществляют при достижении значения деформации растяжения не более 2% для стальных заготовок и 1% - для легких сплавов, а величина перекрытия каждого предыдущего пятна приложения пуансона составляет не менее половины его диаметра D_п.

Максимально возможная деформация растяжения ε_max, при которой сохраняются механические свойства материала заготовки, может быть установлена по имеющимся зависимостям, например, для стальных деталей сферической формы рассчитывается по формуле: где S - толщина заготовки, мм; R = R_пoп. = R_пp.- радиус сферы заготовки, м; К_з - геометрический коэффициент, определяемый из соотношения геометрических размеров заготовки и расстояния между опорами.

Например, если ε_max = 6%, то необходимо для стальной заготовки выполнить три перехода по 2%. Величина 2% для заготовки из сталей и 1% - для легких сплавов установлена опытным путем и подтверждена при помощи компьютерного моделирования.

Использование компьютерного моделирования процессов формообразования деталей двоякой кривизны на основе метода конечных элементов с применением программного пакета ANSYS показало, что при последовательных переходах с пошаговым значением деформации растяжения для стальных заготовок, равной 2%, и при разнесенном шаге приложения нагрузок на расстоянии больше половины диаметра пуансона когда происходит частичное суммирование объемных деформаций, деформации растяжения заготовки и ее утонение уменьшаются в 1,5-2 раза.

Результаты компьютерного моделирования для торосферической детали приведены в приложении 1 к настоящей заявке. В приложении 1 даны составляющие напряженно-деформированного состояния: действующих деформаций (ε_x, ε_y, ε_z) и напряжений (σ_x, σ_y, σ_z) по осевому поперечному сечению детали. Из приведенных материалов видно, что максимальные деформации и напряжения сосредоточены в пределах половины диаметра, что подтверждает обоснованность одного из признаков изобретения.

Значительное, в 1,5-2 раза снижение деформаций и утонения заготовок позволит исключить термообработку после холодного формообразования и снизить, таким образом, трудоемкость процесса. Кроме того, отпадает необходимость изготовления оснастки для каждого радиуса гибки, что значительно снижает материало- и энергоемкость технологии формообразования.

Предлагаемый способ формообразования заготовки двоякой кривизны осуществлен при проведении опытно-штатных работ на ГУП "Адмиралтейские верфи". Формообразование торосферической заготовки проводили на прессе "Карбокс" (Швеция), пуансоном диаметром 1500 мм, путем последовательных локальных нажатий с заданным шагом и с перекрытием каждого предыдущего пятна приложения пуансона на 800 мм, что составляет 53% от диаметра пуансона (1500 мм).

Использовались листовые заготовки из высокопрочной стали марки АБ-2 и заготовки из алюминиевого сплава марки АМг-61.

Толщина заготовок составила δ₁ = 24 мм и δ₂ = 42 мм, площадь заготовок S > 2,5 м², причем формообразование осуществилось в несколько этапов, при этом значения деформации растяжения достигали на каждом этапе не более 2% для заготовок из стали и 1% для заготовок из легких сплавов.

Формула изобретения

1. Способ формообразования листовых деталей двоякой кривизны, включающий последовательные локальные нажатия инструментом по поверхности заготовки с одновременным перемещением заготовки или формообразующего инструмента относительно друг друга, отличающийся тем, что локальные нажатия осуществляют с заданным шагом и с частичным перекрытием каждого предыдущего пятна приложения формообразующего инструмента, величина которого составляет не менее половины его диаметра, а для достижения максимально возможной деформации растяжения или поперечного и продольного заданных радиусов кривизны, при которых сохраняются все механические свойства материала заготовки, формообразование осуществляют в несколько этапов, при этом равномерно распределяют величину максимально возможной деформации растяжения или поперечного и продольного заданных радиусов кривизны по упомянутым этапам.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переход от одного этапа формообразования к другому осуществляют при достижении деформации растяжения величины, не превышающей 2% для заготовок из стали, и 1% - из легких сплавов.

РИСУНКИ

Рисунок 1