2.6 Операция вытяжка

Вытяжка представляет собой процесс превращения плоской заготовки в полую деталь любой формы и производится на вытяжных штампах.

Рисунок 5 - Последовательность процесса глубокой вытяжки

с прижимом заготовки

На рис.5 выделены две стадии процесса вытяжки, где 1-начальная стадия вытяжки, состоящая из локальной пластической деформации; 2- конечная стадия вытяжки, заключающаяся в пластической деформации фланца и втягивании его в матрицу.

Вытяжкой изготавливается большое количество полых деталей самой разнообразной формы, отличающихся друг от друга как очертанием в плане, так и формой боковых стенок.

По геометрической форме все полые детали могут быть разделены на три группы:

1) осесимметричной формы (тела вращения);

2) коробчатой формы;

3)сложной несимметричной формы.

Каждая из групп подразделяется на несколько разновидностей. Например, тела вращения по форме образующей могут быть цилиндрическими, коническими, криволинейными, ступенчатыми, выпукло-вогнутыми. Построение технологического процесса и технологические расчёты для них различны.

В технологическом отношении способы вытяжки необходимо различать главным образом по виду напряжённого состояния деформируемой части заготовки. Геометрическая форма детали является в этом отношении вторичным признаком.

Следует различать три основных способа вытяжки.

1. Вытяжка полых деталей путём превращения плоского фланца в цилиндрическую или коробчатую форму, при создании во фланце плоского напряжённого состояния по схеме сжатие-растяжение. Сюда относится вытяжка цилиндрических, овальных, коробчатых и других деталей с вертикальными или слегка наклонными стенками.

2. Вытяжка сферических, криволинейных и сложной формы деталей в штампах с вытяжными( тормозными ) рёбрами. В этом случае под прижимом преобладают растягивающие напряжения и деформации, а в остальной деформируемой части заготовки возникает напряжённое состояние двустороннего растяжения.

3. Вытяжка эластичной матрицей и фрикционная вытяжка, создающие заталкивание заготовки, в результате чего снижаются растягивающие напряжения в очаге деформации и облегчается процесс вытяжки.

Материалом для заготовки холодной штамповки является тонкий холоднокатаный лист или полоса. Основным правилом для определения размеров заготовок при вытяжке является равенство объёмов заготовки и готовой детали, т.к. в процессе пластической деформации объём металла остаётся постоянным.

На практике встречаются следующие случаи вытяжки деталей различной конфигурации, требующие разных способов подсчёта размеров заготовки:

1) вытяжка круглых деталей;

2) вытяжка круглых деталей сложной формы;

3) вытяжка прямоугольных коробчатых деталей;

4) вытяжка деталей сложной и несимметричной конфигурации;

5) вытяжка с утонением материала.

Можно вычислить размеры вытягиваемой заготовки путём поэтапного вычисления отдельного элементарного участка, но этот способ может нести в себе достаточную погрешность для дальнейших вычислений процесса. Процесс реальной вытяжки сопровождается рядом погрешностей, не учитываемых расчётными геометрическими формулами, как то: неравномерность толщины проката, анизотропия механических свойств, неравномерность зазора и слоя смазки, неравномерность прижима заготовки, погрешности фиксации заготовки в штампе и др. В результате этого, в подавляющем большинстве случаев вытянутая деталь получается с неровным или перекошенным краем, требующим последующей обрезки.

Анизотропия механических свойств является результатом особенностей металлургического производства листового проката, зависит от способа (полистный или рулонный) и режимов прокатки, а также от неоднородности термической обработки листового металла.

Наибольшее проявление анизотропии обнаруживается при примитивном способе вытяжки без прижима небольших колпачков из относительно толстого металла в виде фестонов, возникающих по краям колпачков. Фестоны свидетельствуют о преобладании основной деформации, в данном случае - тангенсального сжатия, и незначительной деформацией осевого удлинения.

Предложен ряд способов борьбы с фестонообразованием: метод геометрической корректировки заготовки и метод технологического выравнивания анизотропии в процессе вытяжки.

Способ раскроя и все необходимые расчёты проводят по известному методу. Размер заготовки и площади вытягиваемого изделия определяется по формулам представленным в таблицах 4 и 5 соответственно.

Таблица 4 - Формулы для определения диаметра заготовки при операции вытяжка

Таблица 5 - Площади поверхности простых геометрических форм

Формулы представленные в таблицах 4 и 5 могут быть применены только для вытяжки без утонения стенок.

После определения размеров заготовки переходят к следующему этапу расчётов и составляют технологический процесс для данной детали. Главным образом следует определить, каким количеством переходов можно получить данное изделие, ведь в зависимости от сложности геометрии детали её можно получить в один переход, а можно в несколько переходов. Количество переходов определяется по формуле

, (14)

где n- количество переходов,

К_вн- коэффициент вытяжки( цифра указывает на номер перехода).

, (15)

где - это диаметр заготовки, мм,

- это диаметр детали, мм.

Необходимость прижима определяется по формуле в виде неравенства

(16)

Конструкция штампа практически во всех операциях одинаковая, разница состоит в наличии прижима, конфигурации пуансона и матрицы. Прижим необходим для «толстых» заготовок для того, чтобы она в процессе деформации не выскальзывала из штампа.

Если деталь имеет толщину до 0,8 мм, то прижим не обязателен, если более 0,8 мм, то прижим необходим.

Далее производят расчёт энерго- силовых параметров процесса. При расчёте полного усилия операции вытяжки учитывают усилие прижима.

Усилие вытяжки изменяется на протяжении рабочего хода пуансона, достигая максимума при глубине h=(0,4-0,6)H, где H- полная глубина вытяжки.

Расчёт усилий ведётся по формулам приведённым в таблице 6.

Таблица 6 - Практические формулы для определения усилий вытяжки

Типы вытягиваемых изделий	Операции вытяжки	Формулы
Цилиндрические без фланца	Первая Вторая и последующие	Р=πd1SσВk1 Р=πd2SσВk2
Цилиндрические с широким фланцем	Первая	Р=πd1SσВkф
Конические и сферические с фланцем	Первая	Р=πdкSσВkф
Овальные коробки	Первая Вторая и последующие	Р=πdср1SσВk1 Р=πdср2SσВk2
Низкие прямоугольные коробки( вытяжка в одну операцию)	-	Р=(2А+2В-1,72r) SσВkн
Высокие квадратные коробки (многооперационная вытяжка)	Первая и вторая Последняя	Как для цилиндрических изделий Р=( 4В-1,72r) SσВkВ
Высокие прямоугольные коробки (многооперационная вытяжка)	Первая и вторая Последняя	Как для овальных коробок Р=(2А+2В-1,72r) SσВkВ
Вытяжка с утонением стенок( цилиндрические детали)	Вторая и последующие	Р=πdп(Sn-1-Sn)σВkу

Примечание к таблице: Р- усилие вытяжки, кгс; d₁и d₂- диаметры цилиндрической детали на первой и второй операциях, считая по средней линии, мм; d_к- меньший диаметр конической детали и 0,5 диаметра сферической детали, мм; d_ср1 и d_ср2 – средний диаметр овальных деталей после первой и второй вытяжки, мм; d_п- наружный диаметр детали после n-ой операции вытяжки, мм; А и В – длина и ширина прямоугольной коробки, мм; r- радиус углового закругления коробки, мм; S- толщина материала, мм; S_n-1 и S_n – толщина стенки после n-1 и n-ой операций вытяжки, мм; k₁, k_ф, k₂, k_н, k_в – коэффициенты.

k₁ изменяется в пределах 0,5-1,0; k₂ – от 0,3 до 1,0; k_ф 0,3-1,0; k_н 0,4-1,2; k_в 0,4-1,0.

Усилие прижима для вытяжки деталей любой формы

, (17)

где Q- усилие прижима, кгс;

F- площадь прижима, мм²;

q- давление на прижиме, кгс/ мм².

(18)

Если прижима нет, то полное усилие процесса равно усилию вытяжки Р=Р_выт, если прижим присутствует, то полное усилие процесса будет равно сумме усилия вытяжки и усилия прижима

Р= Р_выт+ Q (19)

К энерго – силовым параметрам операции вытяжки относится также работу, которая определяется по формуле

, (20)

где А – работа, кгс*м.

С- коэффициент, изменяется в пределах от 0,6 до 0,8,

Р_мах- максимальная работа процесса,

h- глубина вытяжки, мм.

Найденную работу вытяжки сравнивают с работой, которую может произвести пресс за один рабочий ход, последняя слагается из полезной энергии маховика и небольшой части энергии, отдаваемой электродвигателем.