6. Получение художественных заготовок методом листовой штамповки.

Листовая штамповка – технологический процесс получения заготовки различного назначения из листового материала путем его деформирования между двумя штампами, жестко закрепленными на наковальне и бойке. Нижний штамп вогнутый, а верхний выгнутый. Штампы совмещаются с зазором равным толщине листа.

При холодной листовой штамповке в качестве заготовки используется листовой прокат: лист, полосы, ленты. Такие заготовки получают методом проката из слитков. Размеры листов и их толщина регламентируются ГОСТом. Толщина обычно не превышает 10 мм, но иногда может доходить и до 20 мм. Листы толщиной до 5 мм. могут поставляться в виде отдельных листов и виде рулонов, более 5 мм. как правило в виде листов.

В качестве материалов могут быть использованы материалы, не содержащие в своей структуре хрупкие фазы – стали, сплавы меди, алюминия и др. Наибольшей пластичностью обладают стали с содержанием углерода до 0,5 % (они называются мягкими) и с высоким содержанием кислорода. Все листовые материалы стали, используемые для листовой штамповки деталей автомобильной промышленности марки КП (кипящие).

Материалы, основой которых является алюминий, не содержат свободного кремния (марки АД). Сплавы на основе меди, подвергающиеся деформированию, содержат определенное количество олова (бронзы).

Перечень изделий, получаемых этим методом, чрезвычайно велик – от секундных стрелок ручных часов (размер – доли миллиметра), до изделий массой в десятки килограммов и размерами в несколько метров – детали корпусов автомобилей, самолётов, катеров, ракет.

Для получения деталей различной формы требуется последовательно деформировать различные части заготовки, при этом толщина стенок изделия мало отличается от толщины исходного листа. Так как при этом материал испытывает значительные пластические деформации в холодном состоянии, то он должен обладать высокой пластичностью.

Весь процесс листовой штамповки состоит из набора операций – процессов пластической деформации, обеспечивающих характерное изменение формы определённого участка заготовки. Различают формообразующие операции, в которых деталь не разрушается в процессе деформации, и разделительные операции, в которых пластическая деформация завершается разрушением детали.

Операции холодной листовой штамповки

1. Разделительные операции листовой штамповки

Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру. Эта операция выполняется на ножницах и в штампах. Как правило, она является заготовительной операцией – разделение листа на мерные заготовки. Чаще эта операция осуществляется с помощью ножниц двух типов: гильотинные – с поступательным движением ножа (рисунок 1а), и дисковые – с вращательным движением ножей (рисунок 1б).

Рисунок 1 – Схема действия гильотинных ножниц (а), дисковых ножниц (б).

При использовании гильотинных ножниц длина отрезаемой полосы не превышает длины ножниц. Нож расположен под углом α = 1 – 5⁰ для уменьшения усилий резания. При помощи такого оборудования получают заготовки в виде полосы.

При использовании дисковых ножниц длина отрезаемой полосы не ограничена инструментом. Режущие кромки ножей заходят одна за другую, а качество поверхности среза зависит не только от степени заточки режущих кромок инструмента, но и определяется правильностью установки зазора z = (0,03 ÷ 0,05)s (s – толщина листа). Для обеспечения захвата и подачи заготовки диаметр ножей должен быть в 30 – 70 раз больше толщины листа. На таком оборудовании получают заготовки в виде ленты.

Как правило, выбор типа заготовки (полоса или рулон) зависит от оборудования, используемого на конкретном производстве, что зависит от величины программы продукции. В случает массового производства, применяют автоматические вырубные машины, в которых используют в качестве заготовки ленту, поскольку ее удобно подавать в вырубной штамп автоматически. В единичном производстве. Расчет режимов резания и обработка отверстий на сверлильных станках, предполагающем использование ручного труда, применяют полосы, поскольку их удобно подавать в вырубной штамп вручную. Поэтому на гильотинных ножницах отрезают, как правила, листы, а на дисковых – рулоны.

Расчет усилия на срез при операции раскроя листа.

Усилие при отрезки гильотинными ножницами Р, Н, рассчитывается по формуле

Р_отр = 1,25 [(0,5×S2×σ_ср)/tgφ],

где S - толщина материала, мм;

σ_ср - сопротивление срезу, равное 0,8-0,9 предела прочности материала:

φ - угол скоса верхнего ножа, φ = 5º.

Усилие, полученное путем расчета должно быть менее усилия, указанного в паспортных данных гильотины.

Расчет усилия на срез при разделке исходного материала на дисковых ножницах производится по той же формуле,

Р_отр = 1,25 [(0,5×S2×σ_ср)/tgφ],

хотя длина заготовки значительно больше. Объясняется это тем, что в момент резания в непосредственном контакте с режущим инструментом находится строго определенная длина металла, независимо от инструмента.

Вырубка и пробивка. Эти операции осуществляются с помощью пуансона и матрицы – пуансон выдавливает часть заготовки в отверстие матрицы. Вырубка – операция оформления наружного контура детали. При вырубке размеры отверстия матрицы равны размерам изделия, а размер пуансона на 2z (z – зазор между матрицей и пуансоном) меньше их.

Пробивка – операция оформления внутреннего контура детали – изготовление отверстий. При пробивке размеры пуансона равны размерам отверстия, а размеры матрицы на 2z больше их. Качество поверхности реза определяется выбором зазора z = (0,05 ÷ 0,1)s. Усилие при этих операциях для случая параллельных плоских рабочих торцов пуансона и матрицы P = L×s σ_в, где L – периметр изделия или отверстия.

Кроме рассмотренных выше разделительных операций в листовой штамповке применяются такие операции, как надрезка – частичное отделение части заготовки по незамкнутому контуру; обрезка – отделение краевой части заготовки.

1 - вырубной пуансон;

2 - прижим-съемник;

3 - матрица;

4 - упор

Рисунок 2 Эскиз вырубки контура листа

Расчетное усилие вырубки Р_в, Н, определяется по формуле

Р_в = L×S×σ_ср,

где L - периметр вырезаемого контура, мм;

S - толщина материала, мм;

σ_ср - сопротивление срезу, равное 0,8-0,9 предела прочности материала.

Усилие, необходимое для снятия полосы или детали с пуансона Р_сн, Н , определяется по формуле

Р_сн = Р_в×К_сн,

где К_сн - коэффициент, зависящий от сложности вырезаемого контура. Так как деталь имеет не очень сложный контур, то выбираем К_сн = 0,03;

2. Формообразующие операции листовой штамповки.

Гибка – операция по изменению кривизны заготовки без изменения её

линейных размеров (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема гибки листа

1 – нейтральный слой; 2 – пуансон; 3 – матрица.

В процессе гибки пластическая деформация происходит на узком участке под пуансоном. Минимальный радиус, при котором заготовка не разрушается r_min=(0,1÷2)s. В процессе гибки пластическая деформация сосредотачивается в узком участке, находящемся в контакте c пуансоном, а участки, образующие полки детали, деформируются упруго. В первом приближении размеры заготовки для детали, получаемой гибкой, можно определить по условию равенства длин заготовки и детали по средней линии. При снятии внешних сил, осуществляющих изгиб заготовки, углы между полками изменяются – происходит пружинное разгибание заготовки, изменяющее угол между плоскостями, что необходимо учитывать при расчете угла загиба. Величина разгибания зависит от степени пластичности или упругости материала, что в свою очередь зависит от температуры деформации и химического состава материала.

Усилие одноугловой гибки (рисунок 3) можно приближённо определить по формуле P ≅ 0,7 Bs²σ_в/(r+s), где В – ширина заготовки.

Операция гибки может осуществляться в штампах, при этом можно изменять

кривизну сразу на нескольких участках заготовки. Детали, изогнутые в нескольких плоскостях, получают последовательным деформированием в нескольких штампах.

В этом случае гибке может подвергаться пространственная заготовка, полученная на предыдущих переходах. При этом необходимо учитывать возможность образования складок на отдельных участках изгибаемой заготовки – потерю устойчивости.

Вытяжка без утонения стенок – операция преобразования плоской заготовки в полое пространственное изделие за счёт уменьшения периметра вытягиваемой заготовки. На рисунке 4 приведена схема первого перехода вытяжки.

Рисунок 4 – Вытяжка без утонения стенок.

1 – заготовка; 2 – изделие; 3 – прижим; 4 – пуансон; 5 – матрица; 6 – изделие со складками (без прижима).

Для проведения операции вытяжки предварительно вырубают круглую

заготовку, которую укладывают на плоскость матрицы. Пуансон давит на центральную часть заготовки и перемещает её в отверстие матрицы, при этом центральная часть тянет за собой фланец – периферийную часть. Фланец, смещаясь в матрицу, образует стенки изделия.

При неправильном выборе диаметра заготовки (D – d) > (18 ÷ 20)s возможно

образование складок. Для предотвращения появления складок применяется прижим, который прижимает фланец заготовки к матрице.

Если растягивающие напряжения σ_р, действующие на входе в матрицу,

сравняются с пределом прочности заготовки, то заготовка у донышка может разрушиться. Таким образом, можно вытягивать заготовку только с ограниченной шириной фланца. Степень деформации оценивается коэффициентом вытяжки К_в = D/d. В зависимости от металла и условий вытяжки К_в=1,8÷ 2,1. Если за один переход при допустимом коэффициенте вытяжки невозможно получить готовую деталь, то вытяжку осуществляют за несколько переходов (рисунок 5а).

Рисунок 5 – Схема последующей вытяжки (а); Вытяжка с утонением стенок (б).

1 – заготовка; 2 – изделие; 3 – пуансон; 4 –матрица.

В последующих переходах заготовкой является полый полуфабрикат, полученный на предыдущем переходе вытяжки.

При холодной деформации металл упрочняется из-за наклёпа, поэтому допустимый коэффициент вытяжки на последующих переходах снижается до К_в=1,2÷1,4. Если заготовку подвергнуть рекристаллизационному отжигу, то допустимый коэффициент вытяжки можно повысить до К_в = 1,4 ÷ 1,6.

Усилие вытяжки P = πnσ_в (D-d)b, где b = 1,1 ÷ 1,2 – для первого перехода вытяжки; b = 1,6 ÷ 1,9 – для последующих переходов вытяжки отожжённой заготовки; b = 2,3 ÷ 2,7 – для последующих переходов без межоперационного отжига.

Для уменьшения концентрации напряжений и предотвращения разрушения заготовки кромки пуансона и матрицы скругляются rm, rп = (5 ÷10)s, для этого же применяют смазку.

При вытяжке без утонения стенок поверхность заготовки изменяется

незначительно, поэтому размер заготовки можно определить из условий равенства поверхности детали по средней линии и площади плоской заготовки. Для осесимметричных деталей заготовка обычно имеет форму круга. Для повышения стойкости инструмента зазор между пуансоном и матрицей z = (1,1 ÷ 1,3)s.

Вытяжка с утонением стенок – операция по увеличению длины полой заготовки в основном за счёт уменьшения толщины стенок исходной заготовки (рисунок 5б). При этой операции зазор между пуансоном и матрицей должен быть меньше толщины стенки, которая в процессе вытяжки утоняется и удлиняется. Этим методом получают детали, у которых толщина донышка больше толщины стенок (гильзы для патронов и снарядов).

При таком методе вытяжки заготовка скользит по матрице в направлении движения пуансона и по пуансону в противоположном направлении, следовательно силы трения на наружной и внутренних поверхностях заготовки направлены в противоположные стороны. Удельные усилия при такой вытяжке значительно больше, допустимая степень деформации возрастает, толщина заготовки за один проход может быть снижена в 1,5 – 2 раза.

Размеры заготовки для получения изделий вытяжкой с утонением стенки определяют из условия равенства объёмов заготовки и детали. Для снижения сил трения – уменьшения износа инструмента – применяют смазки.

Отбортовка – операция получения бортов, горловин путём выдавливания

центральной части заготовки с предварительно изготовленным отверстием в

матрицу (рисунок 6а).

Рисунок 6 – Схема отбортовки (а) и обжима (б).

1 – изделие; 2 – заготовка; 3 – пуансон; 4 – матрица.

Допустимое увеличение диаметра отверстия d_b/d_о = 1,2 ÷ 1,8 и зависит от материала заготовки и от её относительной толщины s/d_о. При предварительной пробивке отверстия, его края упрочняются из-за наклёпа, что может вызвать появление трещин. Поэтому часто используют рекристаллизационный отжиг или отверстие высверливают.

При отбортовке в зоне деформации заготовка утоняется, поэтому размеры отверстия по заданным размерам борта определяют из условия равенства длины развёртки борта по средней линии и ширины отбортовываемой части d_о = D₁ - π(r_м + s/2) – 2h.

Обжим – операция по уменьшению диаметра краевой части полой заготовки при заталкивании её в сужающуюся полость матрицы (рисунок 6б). Допустимое уменьшение диаметра за один переход dизд = (0,7 ÷ 0,8)Dзаг, в противном случае на изделии могут появиться складки. Если этого недостаточно, то обжим проводят за несколько переходов.

Формовка – операция по изменению формы заготовки за счёт растяжения отдельных её участков (рисунок 7). Толщина заготовки в этих участках уменьшается.

а б в

Рисунок 7 – Формовка рёбер жёсткости (а); Формовка сосуда переменного сечения по высоте (матрица разъёмная) (б). 1 – резиновая подушка; 2 – резина.

Вырубка и пробивка резиной (в). 1 – резиновая подушка; 2 – шаблон; 3 – стол пресса; 4 – листовая заготовка.

Деформирование осуществляется с помощью металлических пуансонов и

матриц. В качестве одного из инструментов может быть резиновая подушка. Для уменьшения усилий вытяжки и улучшения качества поверхности изделия рекомендуется применять смазку поверхностей штампа.