Гофрообразование при косом сжатии пластины в инструментальном штампе с учетом влияния сил трения и контактного напряжения

В различных отраслях промышленности, например при производстве ракетной и авиационной техники, как следует из работ, широко применяются детали уголковой формы, полученные гибкой [1–7]. Это элементы конструкции стрингеров, шпангоутов и решетчатых рулей. Из работ таких авторов, как Е.А. Попов, В.П. Романовский и др. [1, 7–9], хорошо известен эффект утонения вершины уголковой детали при гибке в инструментальном штампе, который снижал эксплуатационные характеристики изделия в целом. С целью компенсации этого эффекта в работах [10, 11] был предложен метод переформовки, который состоит в создании избытка длины полки и последующей ее осадки.

Применение метода сопровождается пластическим образованием гофров [12] в результате потери устойчивости полок уголковых деталей, что может приводить к формированию волнистости на поверхности полки. Моделью этого процесса может быть сжатие косо расположенной пластины между жесткими поверхностями штампа по схеме. Однако в отличие от фундаментальных работ, посвященных осевому сжатию [13, 14] образование гофров в условиях проведения переформовки в штампах происходит при взаимодействии с жесткими поверхностями и влиянии сил трения. Технологический процесс помимо локального утолщения сопровождается упругим восстановлением формы (пружинением). Амплитуда волнистости не должна превышать допуска на отклонения от плоскостности, или допуска на размер.

В качестве инструмента изучения процесса образования и развития гофров выбран численный расчет с использованием процедур конечно-элементного моделирования, которые позволяют осуществлять многие программные среды (например, Deform-3D и Marc [15]). При этом программы позволяют учитывать влияние сил трения между вершинами гофров и жесткими стенками на процесс развития гофров.

Примененная в исследовании конечно-элементная модель имела 2000 ячеек. При проведении численных расчетов было принято, что пластина была длиной 34 мм, толщиной 0,8 мм. Зазор между пластиной и пресс-инструментом был выбран равным 4 мм и 0,6 мм. В качестве материала была выбрана сталь 30ХГСА. Для сокращения влияющих факторов для пластины были выбраны скошенные торцы. При сжатии плит штампа  правый торец пластины скользит по жесткой вертикальной и неподвижной плите.

При проведении расчетов принималось, что взаимное относительное перемещение материалов заготовки и оснастки вызывает действие в контакте сил трения, которые пропорциональны контактным напряжениям, где коэффициент трения принимался равным f = 0,15. В рассматриваемой задаче взаимное относительное перемещение материалов происходит в точке касания вершин гофров поверхностей плит. Анализ результатов расчета показывает, что между верхней горизонтальной плитой и вертикальной стенкой происходит потеря устойчивости и формирование двух полуволн.

В начальной стадии сжатия на контуре пластины появляются две полуволны. Уровень напряжений соответствует области пластического деформирования материала. При дальнейшем деформировании потерявшей устойчивость пластины у верхней подвижной плиты зарождается очередной гофр. Между верхней плитой и контуром пластины развиваются контактные напряжения, а возникающие при этом силы трения делают неидентичными картины распределения напряжений у верхнего и нижнего торцов. Средний уровень интенсивности напряжений на правой половине пластины приблизительно соответствует 280…350 МПа, а на левой половине — 180…230 МПа. Это связано с тем, что трение экранирует силы, обеспечивающие осевое сжатие пластины.

Последующее уменьшение зазора между плитами сопровождается увеличением числа полуволн и ростом интенсивности напряжений вплоть до уровня 480…550 МПа на заключительной стадии. При управлении процессом сжатия по ширине зазора и силе обжатия за этим моментом начинается подъем верхней плиты штампа и упругое восстановление формы пластины.

Следует отметить, что характер образования гофров на пластине при уменьшении исходного зазора до 0,6 мм не изменяется. Уменьшается только интенсивность напряжений приблизительно в 1,4  раза, а также снижается амплитуда полуволн.

1. Характер потери устойчивости и развитие гофров в пластине, косо расположенной в штампе, слабо зависит от условий её контакта с поверхностями штампа при сжатии. При обжатии пластины в стесненных условиях штампа на начальной стадии образования гофров образуется две полуволны.
2. Анализ уровня интенсивности напряжений показывает, что практически образование гофров происходит в области пластических деформаций
3. Рост интенсивности напряжений у верхнего конца в изогнутой пластине в процессе косого обжатия в штампе приводит к зарождению новой полуволны.
4. Действие возникающих сил трения между вершиной гофра и верхней плитой штампа нарушают идентичность картины деформирования пластины у верхнего и нижнего конца, что, в конечном итоге, локализует область деформаций.
5. Исходный зазор определяет остаточную волнистость пластины после снятия нагрузки, а локализация области деформирования приводит к сохранению разницы в величине остаточной волнистости на концах пластины.
6. Предложенные проектные процедуры позволяют установить избыток металла в штампе для переформовки деталей V-образной и W-образной формы, выполнение которых позволит одновременно выполнить требования по плоскостности полок деталей и обеспечить утолщение их вершины.