Формование

Процессы формования (гибка, обтяжка, формовка и др.) наиболее широко применяются для изготовления деталей планера из листов, профилированных плит, профилей и тонкостенных труб.

Гибка

К гибке относят все процессы формообразования детален одинарной кривизны, основанные на упругопластическом изгибе внешними на­грузками листовой, профильной или трубчатой заготовки. Как известно, форма и размеры поперечного сечения заготовки в процессе изгиба из­меняются.

Рис. 68. Деформации и напряжения при гибке.

Если заготовка узкая, т. е. ее ширина b соизмерима с высо­той δ (рис. 68. а), деформированию материала в аксиальном направле­нии (в направлении оси z) почти нет препятствий. Поперечное сечение заготовки в результате деформирования приобретает форму, схемати­чески изображенную на рис. 68, б; нормальные напряжения в аксиальном направлении при этом практически отсутствуют. При изгибе ши­рокой заготовки (пластины или листа) деформации на всей ее ширине, за исключением участков, непосредственно прилегающих к концам, стес­нены. Вследствие этого в аксиальном направлении возникают нормаль­ные напряжения, которые вызывают искривление сечения детали в плоскости yz и приводят к образованию «седловины» (рис. 68, в).

Исследуя процесс гибки, принимают, что главные оси напряжений и деформаций совпадают соответственно с радиальным (по радиусу кривизны), тангенциальным (касательным к кривой) и аксиальным на­правлениями (рис. 68, а). Отсюда следует, что касательные напряже­ния на площадках, нормальных к этим направлениям, отсутствуют. Тео­ретический анализ в этом случае значительно упрощается. Весьма ча­сто пренебрегают также напряжениями аи, вызываемыми надавлива­нием волокон друг на друга, и напряженно-деформированное состояние в случае σ /δ > 3—5 условно считают линейным, т. е. при анализе изгиба учитывают только тангенциальные напряжения и деформации.

При больших пластических деформациях, как и при малых, остается справедливой гипотеза плоских сечений, согласно которой сечение, пло­ское до деформации, остается таковым и течение всего процесса изгиба. Это дает возможность легко выразить тангенциальную деформацию растяжения (сжатия) е_x в любой точке (рис. 68, а) через радиус кривизны изгибаемого элемента и расстояние рассматриваемой точки до нейтраль­ного слоя, представляющего собой совокупность материальных точек, в которых деформации в тангенциальном направлении отсутствуют:

Приняв приближенно, что нейтральный слой расположен по сере­дине толщины заготовки, получим (без существенной погрешности в оп­ределении деформации при σ /δ ≥ 3-5

где е_xн, е_xв —истинные деформации наружной и внутренней поверхно­стей заготовки;

q= σ /δ относительный радиус изгиба;

q -радиус кривизны срединной поверхности до снятия внеш­ней нагрузки; δ — толщина заготовки.

Из выражения следует, что величина деформации периферий­ных поверхностей детали определяется относительным радиусом изгиба q. Для деформируемых материалов (алюминиевых сплавов и сталей) q_min= 2÷ 7. При несоблюдении этого условия наружная поверхность за­готовки в процессе изгиба разрушается.

После снятия внешней нагрузки форма пластически изогнутого эле­мента вследствие упругого восстановления металла изменяется. Волокна растянутой зоны сокращаются, а сжатой — удлиняются в соответствии с величиной упругих деформаций е_упр (рис. 68, г). В результате каждое сечение изогнутой заготовки повернется на соответствующий угол. Та­кое явление называется пружинением. Остаточный радиус δ ₀ всегда будет больше радиуса кривизны р под нагрузкой (рис. 68, г), причем меж­ду ними существует зависимость

где М — изгибающий момент;

I-момент инерции поперечного сечения;

E- модуль упругости.

Из условия равновесия между внешними и внутренними силами из­гибающий момент М равен моменту внутренних напряжении, действую­щих в сечении (рис. 68, д). Определив изгибающий момент, можно най­ти усилие для изгиба заготовки, а также остаточные радиус кривизны δ ₀ и угол φ ₀ (рис. 68, г):

∆ q- изменения радиуса кривизны и угла изгиба вследствие пружинения после снятия внешней нагрузки;

A и m- константы деформируемого материала (при аппроксима­ции зависимости между интенсивностью напряжений q_i и интенсивностью истинных деформаций степенной функцией q_i=Ae_i^m , где e₁≥ e₂≥ e₃ -главные деформации).

Из этих выражений следует, что с увеличением относительного ра­диуса изгиба о и повышением склонности материала заготовки к упроч­нению при деформации, т. е. с уменьшением параметра т, вызываемые пружинением погрешности возрастают. Например, средние значения уг­ла пружинения ∆ φ при гибке деталей из алюминиевых сплавов в мягком состоянии 2—6°, а из высокопрочных материалов 15—18°.

Погрешности ∆ δ и ∆ φ необходимо учитывать при изготовлении ги­бочной оснастки и настройке оборудования, используемого для гибки. Однако этого недостаточно при изготовлении деталей, к точности кото­рых предъявляются повышенные требования, так как вследствие коле­баний механических свойств материала и размеров сечения заготовки параметры пружинения ∆ δ и ∆ φ являются переменными величинами. Лишь на станках с автоматическими корректирующими устройствами можно получать детали со стабильной точностью по выполняемым на гибочной операции размерам.

Пружинение заготовки уменьшается, если в процессе изгиба к ней прикладывается тангенциальное растягивающее усилие Р (рис. 68, е). В этом случае угол поворота сечений и изменение радиуса кривизны за­готовки после снятия напряжений деформирующей нагрузки будут пропорциональны разности ∆ e=e^”_упр-e_упр^* упругих составляющих деформаций наружно­го и внутреннего волокон (следовательно, и разности напряжений ∆ σ =σ _xи-σ _xв), а не их абсолютной величине e_упр^,, и e_упр^*

как при изгибе без дополнительного растяжения (рис. 68, г, д). В отли­чие от обычного изгиба при разгрузке в соответствии с: e_e=0, 5(e_упр-e_упр^*) изменяется также и длина срединной поверхности заготовки (рис. 68, е).

Значительный эффект от дополнительного растяжения получается лишь тогда, когда возникающие при изгибе заготовки напряжения по всему сечению положительны и по величине не менее предела текучести ат. При этом увеличение дополнительного растяжения более 3—5% от исходной длины заготовки на уменьшении параметров пружинения ска­зывается незначительно и не имеет практического значения.

Очевидно, что разность напряжений, действующих в наружных и внутренних волокнах заготовки, будет уменьшаться с увеличением отно­сительного радиуса изгиба. Поэтому процесс изгиба с растяжением наи­более целесообразно использовать для деталей с большими относитель­ными радиусами q.

Поскольку все металлы в холодном состоянии обладают упрочнени­ем, то при любом дополнительном растяжении нельзя добиться того, что­бы величина До равнялась нулю; следовательно, пружинение всегда бу­дет существовать. Однако можно спроектировать технологический про­цесс так, что погрешность, вызываемая пружинением, будет находиться в пределах допуска на изготовление детали. Например, при изготовлении особо точных деталей гибку выполняют следующими двумя способами.

1. Изгиб в две операции по схеме: предварительный изгиб без рас­тяжения, термообработка (отжиг, закалка) для разупрочнения мате­риала и снятия остаточных напряжений; изгиб с растяжением (калиб­ровка). При выполнении последней операции заготовка изгибается весь­ма мало, в основном она растягивается, что значительно уменьшает До. а следовательно, и пружинение.

2. Изгиб с растяжением и одновременным кратковременным нагре­вом заготовки радиационным способом, методом электросопротивления или от формообразующей оправки или комбинированным способом.

Изменение кривизны детали после снятия внешней нагрузки при всех сочетаниях степени растяжения, радиуса кривизны и температуры нагрева существенно уменьшается по сравнению с формообразованием без нагрева (вследствие понижения склонности материала заготовки к упрочнению), что приводит к повышению точности, и тем больше, чем выше температура нагрева. Температурный интервал может колебаться в широких пределах (Д16 и В95 — до 350÷ 450°С, АМг6 —до 460°С. МА8 — 250÷ 400°С, ВТ1 — 350÷ 500°С, ОТ4 — 500÷ 700° С). Температу­ра и время выдержки при формообразовании деталей из полуфабрика­тов в свежезакаленном и состаренном состоянии ограничены из-за возможного снижения механических свойств и структурных изменений в материале. Их значения выбирают в зависимости от указанных в черте­же механических свойств материала детали.

Гибка с растяжением и одновременным кратковременным нагревом заготовки особенно эффективна для формообразования профильных де­талей из труднодеформируемых в холодном состоянии высокопрочных материалов.