Листовая штамповка

Листовой штамповкой получают разнообразные детали из различных сталей и сплавов для авиационной, автомобильной, тракторной промышленности, производства товаров широкого потребления и других отраслей народного хозяйства. Основной признак листовой штамповки - неизменность толщины заготовки в ходе обработки. В качестве заготовки используют лист, ленту, полосу, фасонный профиль. Различают толстолистовую и тонколистовую штамповку, причем к тонколистовой относят штамповку заготовок толщиной менее 4 мм. Тонколистовую штамповку, как правило, ведут в холодном состоянии, а при толщине листа более 10 мм применяют только горячую штамповку. Необходимо отметить, что штамповкой получают также изделия из листовых неметаллических материалов.  Процесс листовой штамповки характеризуется высокой производительностью (до 40000 деталей в смену с одного штампа), легко поддается механизации и автоматизации, обеспечивает высокую точность размеров и хорошее качество поверхности отштампованных деталей. Операции листовой штамповки подразделяют на разделительные и формоизменяющие. К разделительным операциям относятся отрезка, вырубка и пробивка; к формоизменяющим - гибка, вытяжка, обжим, отбортовка, формовка. 

• Отрезку чаще всего применяют для разделения листа на полосы нужной ширины. Эту операцию осуществляют на ножницах с параллельными и наклонными ножами (гильотинных) и дисковых, конструкции которых были описаны выше.

• Вырубка и пробивка - это процессы отделения части заготовки по замкнутому контуру. При вырубке отделяемая часть является изделием или заготовкой, а при пробивке отделяемая часть - это отход. Пробивкой получают отверстия. Технология обеих операций идентична: пуансон выдавливает отделяемую часть в отверстие матрицы. Рабочие кромки пуансона и матрицы заостряют, а зазор между пуансоном и отверстием матрицы обычно составляет 5-10 % от толщины заготовки.

• Гибка

изменяет направление оси заготовки. При этом верхние слои заготовки сжимаются, а нижние - растягиваются. Нейтральный слой радиуса р растяжению и сжатию не подвергается. Минимальный радиус изгиба, при котором не возникает разрушения наружных слоев заготовки от растягивающих напряжений r_min= (0,25-0,30)s, где s - толщина заготовки. Естественно, что с увеличением пластичности изгибаемого материала можно уменьшать радиус изгиба.  После окончания гибки вследствие упругой деформации (пружинения) изделие несколько распрямляется. Необходимую длину заготовки определяют, считая, что длина изделия по нейтральному слою равна длине заготовки. 

Вытяжка - операция, в результате которой плоская заготовка превращается в полое изделие или полуфабрикат. Заготовка для тел вращения имеет форму диска и изготовляется обычно вырубкой. Как видно на рисунке, средняя часть заготовки, проталкиваемая пуансоном в отверстие матрицы, уменьшает по диаметру кольцевую часть (фланец), и край заготовки, таким образом,приближается к кромке отверстия матрицы.  Oneрация заканчивается, когда вся заготовка проталкивается пуансоном через отверстие матрицы. Чтобы уменьшить вероятность разрыва заготовки от концентрации напряжений на кромке пуансона и матрицы, необходимо выдерживать следующие соотношения размеров: r_п= (4-6)s; r_м= (5-10)s; z = (1,1-1,3)s.  На вероятность разрушения влияет также отношение диаметра заготовки D_з к диаметру вытянутого изделия d_изд: чем больше это отношение, тем больше растягивающие радиальные напряжения на переходе от донышка к фланцу. Эти напряжения могут вызвать прорыв донышка. Практически коэффициент вытяжки К = D_з/ d_изд = 1,5-2,0 

Листовая штамповка, по сравнению с ковкой, обладает следующими преимуществами:

• у нее выше производительность;

• она более экономичная, нуждается в меньшем расходе материалов;

• благодаря более высокой точности она может намного уменьшить объём обработки резанием, которая идёт за ней.

Однако имеется ряд недостатков:

• требует больше усилий деформирования;

• штамп стоит довольно дорого, он не универсален: подходит для производства всего одной поковки.

Исходя из этого, заключаем, что горячая объёмная штамповка окупает свои затраты на массовых крупносерийных производствах: когда изготавливаются поковки весом от нескольких граммов до 20 килограмм.

• Размеры заготовки определяют, приравнивая площади поверхности изделий и заготовки. Это допустимо, так как при вытяжке в среднем толщина листа остается постоянной (у донышка толщина незначительно уменьшается, а по краям-несколько увеличивается). Ограничением коэффициента вытяжки не всегда удается получить изделие с заданным отношением высоты к диаметру за одну операцию вытяжки. Для этой цели проводят несколько операций вытяжки. Для каждой последующей вытяжки (смотри на рисунке) заготовкой служит полуфабрикат, полученный предыдущей вытяжкой. Диаметр полуфабриката уменьшается от вытяжки к вытяжке, а его длина увеличивается. Максимальный коэффициент вытяжки применяют при первой вытяжке. Вытяжка может вызвать образование складок по длине штампуемого изделия (полуфабриката) вследствие тангенциального сжатия фланца. Складкообразование можно предотвратить, если прижать фланец к торцу матрицы. Прижим может быть жестким и подвижным. Жесткий (неподвижный) прижим - это прижимное кольцо, устанавливаемое в штампе таким образом, чтобы зазор между ним и рабочим торцом матрицы был несколько больше толщины заготовки. Усилие подвижного прижима создается пружинами, резиновым вкладышем или сжатым воздухом.  Холодная вытяжка, как и всякая операция холодной деформации, вызывает наклеп. Поэтому перед последующими вытяжками полуфабрикат подвергают отжигу, травлению, промывке и сушке. При вытяжке весьма важно уменьшить трение по рабочим поверхностям матрицы и прижимного кольца во избежание прорыва донышка. Это достигается смазкой чистыми минеральными маслами, минеральными маслами с графитом, мелом или тальком, мыльными эмульсиями.  Иногда применяют вытяжку с утонением: зазор между пуансоном и матрицей устанавливают меньше толщины исходного листа, в результате чего толшина стенки полой детали получается меньше толщины донышка. 

• Обжим позволяет уменьшить поперечное сечение конца заготовки, заталкиваемой в матрицу. Для предотвращения складкообразования на обжатой части заготовки необходимо выдерживать отношение d_заг/ d_изд=1,2-1,3

• Отбортовка - это операция, в результате которой из плоского участка заготовки с отверстием путем раздачи отверстия получают горловину (борт). Для малых отверстий применяют сферический или конический пуансон с радиусом закругления  r_п = (5-10)s. Увеличение диаметра отверстия оценивается коэффициентом отбортовки К_от. Чтобы не возникло трещин по краю отверстия, при отбортовке выбирают К_от= d_изд/ d_отв=1,4-1,6

• Формовка - это изменение формы в результате локальных деформаций растяжения. Примером формовки может служить раздача средней части вытянутого полуфабриката при помощи резинового вкладыша, создающего боковое давление на стенки стакана под действием осевого усилия пуансона. После формовки вкладыш легко удаляется из изделия. 

• Способность металла к штамповке (штампуемость) определяют с помощью механических испытаний. Для разделительных и гибочных операций необходим металл с достаточной пластичностью, которой определяется относительное удлинение после разрушения. Для вытяжки и отбортовки применяются испытания по схеме, показанной на рисунке.  Результаты испытания цилиндрического колпачка на вытяжку показывают, как возможно из диска диаметром D получить колпачок диаметром не более d. При этом параметры оснастки следующие: R_M = (7-8)H; r_п= (4-6)H; z = (1,2 -1,25)H; H<= 2 мм.  При испытании на глубину выдавливания сферической лунки (по Эриксену) круглый или квадратный образец жестко прижимают кольцом 1 к торцу матрицы.  Образец под пуансоном подвергается двухосному растяжению с сильным утонением в центре, где и образуется трещина. Момент ее образования фиксируется с помощью зеркальца или по уменьшению усилия Р. Мера штампуемости - глубина лунки (в миллиметрах) в момент разрушения. По результатам испытания по схеме (рисунок в) оценивают штампуемость при обработке.  Листовую штамповку производят на гидравлических и кривошипных прессах. Гидравлические прессы применяют в основном для штамповки толстого листа. Широко распространены кривошипные прессы простого и двойного действия. Кривошипные прессы простого действия аналогичны по схеме рассмотренным кривошипным прессам для объемной штамповки. Кривошипные прессы двойного действия применяют, в частности, для вытяжки крупных деталей. Такие прессы имеют два ползуна. Внутренний ползун, к которому крепится вытяжной пуансон, приводится в возвратно-поступательное движение от кривошипно-шатунного механизма. Наружный ползун с прижимным кольцом тоже движется возвратно-поступательно, так как связан с коленчатым валом посредством кулачков. Кинематика ползунов регулируется таким образом, чтобы пуансон начал вытяжку после прижатия наружным ползуном заготовки к торцу матрицы. В процессе вытяжки наружный ползун остается неподвижным, а внутренний перемещается вместе с пуансоном. После окончания вытяжки оба ползуна поднимаются.  Для листовой штамповки применяют штампы простого действия и многооперационные штампы. В штампах простого действия можно выполнять какую-либо одну операцию листовой штамповки. Многооперационные штампы выполняют до пяти операций и более за один ход пресса, причем переход от одной операции к другой совершается перемещением заготовки в направлении подачи. Обычно многооперационные штампы применяют для вырубки, пробивки, вытяжки, гибки и отбортовки. Наиболее эффективны эти штампы при штамповке рулонной ленты с автоматизированной подачей в пресс.  Существуют упрощенные методы штамповки листа, к которым относятся штамповка резиной и токарно-давильные работы, для получения небольших серий изделий, когда изготовление штампов становится экономически невыгодным. 

• Вытяжка эластичной средой (резиной или полиуретаном) широко применяется в мелкосерийном и серийном производствах для изготовления полых деталей из тонколистовых материалов. Схема ее показана на рисунке.  Заготовка 4 вдавливается «жестким пуансоном» 5 в упругий материал 2, помещенный в контейнер 1. Прижим 3 предупреждает гофрообразование. Резина создает сильное гидростатическое давление, которое прижимает заготовку к пуансону и препятствует ее утонению и осевому растяжению. Полиуретан обладает большей упругостью, износоустойчивостью и твердостью, чем резина. Смазку наносят только на поверхность заготовки, обращенную к металлу. 

• Гидроэластичная вытяжка. На наружном ползуне 6 пресса двойного действия имеется полый цилиндр 9, нижний торец которого перекрыт резиновой диафрагмой 4. В цилиндре выше диафрагмы закреплена эластичная уплотняющая диафрагма 5, а диафрагма 4 защищает ее от износа и порезов. В полости цилиндра 9 находится рабочая жидкость 10. Плунжер 8 с уплотнением 7, опускаясь, прижимает заготовку 3 к поверхности матрицы 2 (цельной или разъемной). Матрица установлена на столе пресса 7. В столе имеется выталкиватель (не показан). Этим способом получают детали сложной асимметричной формы без местных утонений. 

• Штамповка взрывом применяется в основном для получения крупногабаритных деталей площадью до 20 м2 и деталей из высокопрочных материалов. Большие детали штампуют в бассейнах с водой или бронекамерах, небольшие - в наземных установках. На рисунке показана схема штамповки с подвижной броне-камерой 1 на роликах 2. Крышка 3 - съемная. Заготовку 8 укладывают на матрицу 4 и прижимают к ней прижимом 5. Воздух из полости под матрицей откачивается вакуумным насосом. Взрывной заряд помещен в воде. При взрыве возникает ударная волна, давление ее на заготовку достигает 3000 МПа. Часть энергии взрыва расходуется на выброс воды. Для предохранения стенок бронекамеры от разрушения при взрыве зарядов свыше 1 кг применяется водяная завеса. Вокруг матрицы уложены два трубопровода-коллектора 6 и 7 с большим числом форсунок для создания завесы. Сплошная завеса из струй гасит ударную волну. 

• Электрогидравлическая штамповка основана на использовании ударной волны от электрического разряда в жидкости. Источником энергии служит батарея конденсаторов. Так изготовляют детали из плоских и трубчатых заготовок. При этом способе сокращаются расходы на штампы, особенно для деталей сложной формы. Промышленностью выпускаются электроимпульсные прессы моделей ПЭГ-25 -ПЭГ-150 энергиями импульсов 3-150 кДж и небольшие установки «Удар» энергией до 20 кДж. Создан, например, пресс энергией 160 кДж для штамповки панелей плоских теплообменников размерами 650x3150 мм и глубиной рельефа до 30 мм. 

• Магнитно-импульсная штамповка основана на мгновенном разряде конденсаторной батареи через обмотку индуктора, являющуюся рабочим инструментом. Магнитный импульс длится 10-20 мкс, заставляя заготовку ускоряться до 300-400 м/с и соударяться с инструментом-матрицей или пуансоном. На рисунке показаны две разновидности штамповки. В зависимости от направления тока в индукторе 1 трубчатая заготовка 3 обжимает пуансон 2 или матрицу соответственно снаружи или изнутри. Способ применяется для разделительных операций формовки, калибровки, сборки и комбинированных операций. Параметрический ряд магнитно-импульсных установок включает шесть типов: МИУ 10/30-МИУ 15/150 (первое число - энергия заряда, кДж, второе - собственная частота разряда, кГц). 

• Ротационная вытяжка служит для получения полых осесимметричных изделий и подразделяется на давильные, давильно-раскатные, отбортовочные, флан-цезагибочные и кромкообрезные операции. Схематически операции показаны на рисунках: а - вытяжка полусферы; б - обжим; в - закатка; г - обрезка; 1 - инструмент-ролик; 2 -заготовка; 3 - деталь; 4 - оправка; 5 - патрон. Этими операциями получают из плоской или стаканообразной заготовки соответственно полую деталь или кувшинообразную деталь, удлиняют высоту стенки полой детали за счет раскатки ее по толщине на оправке. Ролики изготовляют из сталей 9ХС, ШХ15, Х12М1 и Х13Ф1. Применяют давильно-раскатные станки с горизонтальным расположением оси шпинделя. Крупные детали типа днищ, горловин баллонов обрабатывают в горячем состоянии.  Следует отметить, что разнообразие форм изделий из листового металла расширяется при использовании комбинированного процесса штамповки - сварки. Штампованно-сварные изделия успешно конкурируют с литыми изделиями и полученными обработкой резанием по экономичности и качеству.