Формообразующие операции штамповки

2.2.2. Формообразующие операции штамповки

Гибка. Гибку выполняют штампами на прессах. Схема процесса гибки детали из плоской листовой заготовки изображена на рис. 9.5 (а - гибка с калибровкой, б - без калибровки). Минимальный размер прямой части отгибаемой полки должен быть больше двойной толщины листа заготовки Н ≥ 2S + r (Н – размер отгибаемой полки; S – толщина листа заготовки; r – внутренний радиус гибки).

В результате усилия Р, приложенного к пуансону 1, заготов­ка 2 вводится в матрицу 3 и, вследствие пластической деформации, при­обретает требуемую форму. На рис. 9.6 показана схема напряженно-деформированного состояния материала заготовки в зоне упругопластической деформации. Слои металла, прилегающие к поверхности радиусом r, подвергаются сжатию, а слои у поверхности радиусом R - растяжению. Линия х-х раздела сжатых и растянутых волокон называется нейтральной линией, она не изменяет своей длины после гибки. С уменьшением R возрастают внутренние напряжения и относительная деформация, которая может привести к разрыву в виде трещин. Для каждого металла существует минимально допустимый радиус гибки R_min. Например, для твердого дюралюминия R_min= 3,0 S мм, для мягкого R_min= 1,5 S мм, для сталей 25 - 30 R_min= 0,6 S мм. Минимально допустимые радиусы гибки в зависимости от материала и толщины листа приводят в специальной справочной литературе.

Рис. 9.6

Нейтральная линия х-х не проходит по середине сечения, а смещается в сторону малого радиуса.

Усилие для гибки Р зависит от способа выполнения операций, механических свойств материала и размеров заготовки. Для гибки с калибровкой (рис. 9.5 а), когда заготовка прижимается пуансоном к матрице, усилие гибки определяется из соотношения

Р = q · F, (9.7)

где F - площадь поверхности заготовки, сопряженная с торцом пуансона, определяемая как площадь проекции дна матрицы на плоскость, перпендикулярную оси пуансона, мм²; q - удельное давление калибровки, МПа, зависящее от материала и толщины листа заготовки. Для алюминиевых сплавов при S = 1 мм, q = 1,0 - 1,5 МПа; для сталей 10 - 20, q = 20 - 30 МПа (выбирается по справочникам).

Для свободной гибки без калибровки (рис. 9.5 б) усилие гибки определяется по формуле

P = B·S·σ_b·K, (9.8)

где В - ширина полосы; σ_b - предел прочности материала заготовки; K - коэффициент, зависящий от соотношения l/S, берется из справочников (l - расстояние между боковыми полками детали.)

Основное технологическое время при гибке определяется из соотношения

t_o = 1/Z, (9.9)

где Z - число рабочих ходов пресса в мин.

Процесс гибки сопровождается упругой деформацией, что приводит к искажению формы детали после снятия давления (рис. 9.7). Величина упругой деформации определяется разностью углов α₁ = α₀ - α, носящей название пружинения (α₀ - угол, определяемый штампом, α - угол, образующийся после удаления детали из штампа). Для устранения этой погрешности в процесс конструирования матрицы и пуансона вводят соответствующую поправку на угол α₁.

Определение длины заготовки, обеспечивающей получение требуемых размеров детали после гибки, основано на неизменности длины нейтральной линии до и после гибки. Поэтому расчет длины заготовки сводят к определению длины нейтральной линии. На рис. 9.8 для примера показаны размеры гнутой детали.

Длину нейтральной линии L_n, равную длине заготовки, определяют уравнением

, (9.10)

где а, b – размеры прямолинейных полок гнутой детали; α – угол гибки; πα (r + nS)/180 – размер нейтральной линии в месте изгиба; n - коэффициент, зависящий от толщины заготовки S и внутреннего радиуса гибки, он выбирается в зависимости от отношения r/S (табл. 9.1).

Таблица 9.1

r/S	0,1	0,2	0,3	0,5	0,8	1,0	1,5	2	3	5	10
х	0,28	0,31	0,34	0,37	0,4	0,145	0,44	0,45	0,47	0,48	5

Вытяжка - это процесс превращения плоской заготовки в полую деталь любой формы. Вытяжку выполняют в специальных вытяжных штампах на прессах простого или двойного действия с механическими или гидравлическими приводами.

По характеру протекания процесса и степени деформирования материала заготовки различают два способа вытяжки - вытяжку без утонения стенок и вытяжку с утонением стенок.

Вытяжка без утонения характерна тем, что толщина стенок и дна получается одинаковой и равной толщине листа заготовки. Схема вытяжки без утонения стенок изображена на рис. 9.9. Пуансон 2 под действием усилия Р вытягивает плоскую заготовку в матрицу 1, в результате пластического деформирования плоская часть заготовки превращается в полую и по мере продвижения пуансона в матрицу увеличивается длина цилиндрической части, а диаметр плоской части заготовки уменьшается.

При этом на поверхности плоской части заготовки, расположенной на матрице, возникают тангенциальные напряжения сжатия, в результате которых могут образовываться складки. Для предупреждения складкообразования применяют прижим 3, на который действует усилие прижима Q . Правильный выбор Q — необходимое условие бездефектного процесса вытяжки, так как малоезначение Q приводит к образованию складок, а большое - к возрастанию напряжений стенок и к отрыву дна в опасном сечении. Оптимальное значение Q определяют из выражения

Q = q · F , (9.11)

где F - площадь заготовки под прижимом; q - удельное давление прижима, зависящее от механических свойств материала, толщины заготовки и степени деформации. Например, для мягкой стали при S < 0,5 мм q = 2 – 3 МПа, при S > 0,5 мм q = 1,5 – 2,5 МПа; для алюминиевых сплавов q = 1 – 1,3 МПа; для медных сплавов q = 1,5 – 2 МПа.

Необходимая величина усилия вытяжки определяется из условия прочности стенок формируемой детали на разрыв

P ≤ L_n · S ·σ_p , (9.12)

где L_n – периметр детали в опасном сечении около дна, S - толщина стенок в опасном сечении, σ_p - напряжение разрушения металла заготовки, МПа; σ_p = (1,1 – 1,2) σ_в (σ_в – предел прочности на растяжение).

Полное усилие пресса, необходимое для операции вытяжки, определяют как сумму усилий вытяжки и прижима

P_полн = P + Q. (9.13)

Определение размеров заготовки основывается на равенстве площадей заготовки и готовой детали с учетом отходов на обрезку. Для деталей, имеющих форму тела вращения, заготовка имеет форму круга диаметром D, который определяется из соотношения

, (9.14)

где  - сумма площадей отдельных элементов поверхности детали.

Для квадратных полых деталей формой заготовки является круг. А для прямоугольных полых деталей формой заготовки является эллипс. Расчет размеров и форм заготовок различных деталей производят по формулам, которые даются в справочной литературе /12/.

При вытяжке без утонения детали могут быть с фланцами и без фланцев. Для высоких полых деталей с фланцем следует избегать широких фланцев. Минимальный диаметр фланцев определяется из соотношения

, (9.15)

где D_ф - диаметр фланца; d - диаметр детали; r_m - радиус сопряжения фланца и стенок.

Радиус сопряжения дна и стенок r_n должен удовлетворять условию r_n ≥ (2 ÷1,5)S , а фланца и стенок r_m ≥ 3S. Предпочтительное соотношение высоты Н стенок и диаметра равно Н/d < 0,6, а для цилиндрических деталей с фланцем D_ф/d < 1,5H/d < 0,5. При указанных соотношениях детали получаются за одну операцию вытяжки.

Необходимое число операций при вытяжке определяют по значению коэффициента вытяжки m, который характеризует допустимую величину деформации. Коэффициент вытяжки зависит от механических свойств материала заготовки, толщины листа, размеров и формы деталей, способа вытяжки, конструкции рабочих поверхностей штампа. Для цилиндрических деталей без фланцев определяют суммарный коэффициент вытяжки m = d/D (d – наружный диаметр вытягиваемой детали; D – диаметр заготовки) и сопоставляют его с минимально допустимым коэффициентом вытяжки при первой операции m₁. Если окажется, что m < m₁, то изготовить данную деталь за одну операцию невозможно.

Предварительный расчет количества операций вытяжки сводится к нахождению операционных размеров (рис. 9.10). Операционные размеры определяют по формуле

d_n = m_n d_n – 1, (9.16)

где n – номер операции вытяжки; m_n – коэффициент вытяжки для n–й операции; d_n – промежуточный размер, полученный для n-й операции.

В справочной литературе /12/ приведены методы расчета межоперационных размеров деталей различной формы: цилиндрических, квадратных, прямоугольных, с фланцами и без фланцев.

Процесс вытяжки сопровождается упрочнением металла заготовки и потерей пластических свойств. Для снятия внутренних напряжений и повышения пластичности между операциями вытяжки применяют межоперационный отжиг. Допустимое количество операций вытяжки, выполняемых без отжига, зависит от механических свойств материала. Например, для сталей 08, 10 – 3-4, для стали 1Х18Н9Т – 1-3, для титановых сплавов – 1, для алюминия – 4, для латуни Л68 – 2-4.

С целью снижения сил трения на поверхности контакта заготовки с рабочими поверхностями пуансона, матрицы и прижима применяют смазывающие вещества – минеральные и растительные масла, а также другие жидкости с наполнителями (порошки из графита, талька, мела).

Достигаемая точность размеров деталей в операциях вытяжки составляет 10 - 12 квалитет точности. Назначение размеров с более высокой точностью должно быть экономически и технически обосновано, так как это связано с повышением стоимости штампов и оборудования.

Вытяжка с утонением стенок отличается тем, что толщина S дна изготавливаемой детали остается равной толщине заготовки, а толщина стенок Z становится меньше толщины дна и определяется конструкцией штампа. Схема вытяжки с утонением изображена на рис. 9.11 (1 – матрица; 2 – пуансон; z – зазор между пуансоном и матрицей). Вытяжку с утонением применяют для изготовления глубоких деталей с тонкими стенками, составляющими (0,05 – 0,2) S толщины листа заготовок, например, гильз, стаканов, заготовок для сильфонов. Основным преимуществом вытяжки с утонением является: упрощение конструкций штампов, так как не требуется прижима; число операций вытяжки меньше числа операций при вытяжке без утонения стенок при формовке глубоких деталей.

Листовая формовка - группа операций, характеризуемая местными изменениями формы заготовки или полуфабриката без предварительного изменения толщины. К таким операциям относятся рельефная формовка, формовка растяжением, обжим, правка, отбортовка.

Рельефная формовка - процесс получения местных выступов или углублений за счет растяжения материала, заготовки. Примером рельефной формовки является формовка ребер жесткости.

Формовка растяжением - процесс расширения полых деталей за счет растягивания материала внутренним давлением с применением пуансонов из резины, упругой пластмассы.

Правку производят с целью обеспечения заданной плоскостности. Для правки применяют гладкие точечные или вафельные штампы. Правку производят после вырубки деталей. Гладкие штампы применяют для правки деталей из мягких материалов, точечные или вафельные для правки деталей из более твердых материалов.

Обжим – процесс сужения открытой части цилиндрических деталей, получаемых вытяжкой. Полые детали малой высоты обжимают в штампах на прессах, а детали значительной длины – на ротационных машинах.

Отбортовка - это операция образования борта по контуру отверстия в плоской заготовке. Отбортовку применяют также для увеличения высоты полой детали, полученной вытяжкой. Для этого из плоской заготовки вытягивают цилиндр, в дне которого пробивают отверстия, а затем увеличивают высоту цилиндрической части детали.

Основные производственные факторы, вызывающие погрешность при вытяжке: неточность взаимного расположения пуансона и матрицы, упругая деформация деталей, износ рабочих поверхностей пуансона и матрицы, неравномерность толщины плоской заготовки. Достигаемая точность размеров деталей при вытяжке составляет 10 - 12 квалитет точности.

2.3.Объемная штамповка

Объемной штамповкой называют группу процессов пластического деформирования, в которых производится преобразование всей или части массы заготовки в новую форму. Исходными заготовками для объемной штамповки являются толстая проволока, прутки, заготовки в виде толстых пластин. Формообразование производится в штампах на прессах или на специальных высадочных автоматах. Методы объемной штамповки используют для изготовления штырьевых выводов, соединительных контактов, крепежных деталей и др. Типовыми операциями объемной штамповки являются: осадка, высадка, объемная формовка, холодное выдавливание, чеканка, клеймение.

Холодное выдавливание (прессование) – это один из наиболее прогрессивных способов получения полых тонкостенных деталей или деталей меньшего поперечного сечения из толстой заготовки путем истечения металла в зазор между пуансоном и матрицей. Пластическое деформирование массы заготовки здесь происходит в результате превращения кинетической энергии удара пуансона в энергию формоизменения заготовки, поэтому отличаются кратковременностью и высокой производительностью.

Существуют три способа холодного выдавливания (рис. 9.12 а, б, в): прямой, обратный и комбинированный. При прямом способе направление течения материала совпадает с направлением движения пуансона, при обратном - течение материала обратно движению пуансона и при комбинированном - материал течет одновременно в обоих направлениях.

Причиной, ограничивающей возможность деталей холодным выдавливанием за одну операцию, является предельная степень деформации металла заготовки, превышение которой приводит к появлению трещин, разрывов, то есть к появлению деформации разрушения. Допустимая степень деформации при выдавливании зависит от механических свойств металла, направления истечения, формы заготовки.

Допустимая степень деформации Е для первой операции определяется по формулам:

при прямом истечении

; (9.17)

при обратном истечении

, (9.18)

где D - диаметр плоской заготовки; d - внутренний диаметр полости детали.

Например, при холодном выдавливании стальных деталей Е_пр = 50 - 90 %, Е_обр = 40 – 70 %. Если предварительный расчет дает Е выше указанных пределов, то формообразование детали выполняют за две операции.

Допустимую степень деформации для второй операции определяют как относительное уменьшение площади поперечного сечения полой заготовки

 , (9.19)

где S₀ - площадь поперечного сечения стенок заготовки; S - площадь поперечного сечения стенок после выполнения второй операции.

Объем массы заготовки находится из объёма массы готовой детали с учетом припуска на обрезку. Размеры и формы заготовки для первой операции должны соответствовать размерам и форме дна матрицы. Толщину заготовки рассчитывают по формуле

S = V/F, (9.20)

где V - объем детали с учетом припуска на обрезку; F - площадь заготовки (дна матрицы).

Усилие при холодном выдавливании для установившегося режима определяется по приближенной формуле

 = q·F, (9.21)

где q - удельное давление прессования.

Холодное выдавливание применяют для получения тонкостенных деталей коробчатой формы из металлов с высокими пластическими свойствами: алюминия и алюминиевых сплавов марок АД0, АД1, АМц, АМг2; меди MI, М2, МЗ; латуни Л62, Л68; низкоуглеродистых и нержавеющих сталей.

Технико-экономическая эффективность холодного выдавливания характеризуется высокой производительностью, рациональным использованием металла, высокой точностью размеров 10 – 11 квалитет точности, улучшением структуры металла детали по сравнению с другими методами. Чистота поверхности деталей соответствует Rа 1,25 – 5 мкм.

Недостатком метода является необходимость применения высокого давления, небольшой срок службы штампов.