4.2 Технологические параметры процесса штамповки и методы их определения

Технологическими параметрами штамповки являются продолжительность нагрева заготовки, температура, давление и продолжительность процесса вытяжки.

Узкий интервал температур формования вносит определенную сложность в переработку материалов: после нагревания листовой заготовки до определенной температуры в процессе ее формования температура не остается постоянной, а постепенно понижается, в связи с чем у материала должен быть тепловой запас, который расходуется в момент формовочных операций [1, 3, 5, 7 - 10].

Незначительный перегрев или неравномерное остывание, неизбежно возникающее в процессе формования, приводят к неравномерной вытяжке материала и получению резко разнотолщинного изделия. Особенно это характерно для полимеров с высоким относительным удлинением.

1. Перед штамповкой изделий необходимо определить размеры заготовок и усадку материала. Усадку заготовки определяют в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Определение усадки заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях [1].

Если для штамповки изделий применяют заготовки квадратной формы, то сторону L рассчитывают по формуле:

L=(D+2В)(l+У/100) (5.1)

где: D - наибольший диаметр изделия, м: В - ширина прижимной рамки, м: У - усадка материала при температуре вытяжки, %.

Обычно в процессе листовой штамповки заготовка подвергается двухосной вытяжке, характеризуемой степенью вытяжки С, %, которая может быть выражена через изменение толщины заготовки следующим образом:

C = [(δ_з/δ_д.)^1/2 –1]•100 (5.2)

где δ_з, δ_д –толщины стенок заготовки и детали соответственно.

Если задана С, % и толщина детали δ_д , то толщина заготовки δ_з будет равна:

δ_з = δ_д. (С² + 1) (5.3)

Одноосная ориентация (вытяжка) приводит к резкому изменению свойств материала в направлении вытяжки в перпендикулярном направлении. Экспериментально установлено, что средняя величина вытяжки должна быть не более 60 %, а разница в степенях вытяжки в двух взаимно перпендикулярных направлениях не должна превышать 30 %.

Взаимосвязь между изменением толщины листа при двухосной вытяжке и удлинением в направлении каждой из осей может быть охарактеризовано следующим соотношением:

δ_д. = δ_з/ [((l_д. – l_з)/ l_з) + 1]•[((b_д. – b_з)/ b_з) + 1] (5.4)

где δ_д. – толщина детали: δ_з - толщина заготовки: l_д. – удлинение детали: l_з – удлинение заготовки: b_д. – ширина детали: b_з – ширина заготовки. Если l_з = b_з , l_д =b_д., то уравнение 5.4 преобразуется в уравнение 5.2.

2. Усадка заготовки оказывает большое влияние на процесс штамповки, так как лист заготовки может иметь замороженные эластические деформации и в процессе нагрева, изменить первоначальную форму. Усадку материала определяют на квадратных образцах со сторонами около 100 м, которые нагревают до температуры формования, затем их охлаждают на воздухе до комнатной температуры и снова измеряют. Усадку (в %) рассчитывают по формуле:

У=(а-b)/а·100 (5.5)

где: а - размер стороны образца до нагревания, м: b - тот же размер после охлаждения, м.

Схема крепления заготовки представлена на рисунке 5.2.

А - ширина прижимного кольца, R - радиус изделия, F – прижимная сила.

Прижимное кольцо – сверху, протяжное кольцо – снизу.

Рисунок 5.2 – Схема закрепления заготовки [1]

3. Время вытяжки материала (в секундах) рассчитывают по формуле:

τ =Н_ф / V_ф (5.6)

где: Н_ф — максимальная глубина вытяжки, равная глубине формующих матриц, м: V_ф - скорость вытяжки, равная 0.18 м/с (в зависимости от типа оборудования ее можно изменять в пределах от 0.150 до 0.200 м/с).

4. За оптимальную температуру вытяжки принимают такую температуру в области эластического состояния материала, при которой он способен удлиняться без разрушения на достаточную для формования изделия величину при минимальном напряжении. Оптимальную температуру вытяжки находят по термомеханической кривой формуемого материала и кривым, описывающим зависимости относительного удлинения при разрыве и максимального напряжения при растяжении от температуры (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 – Деформационные и прочностные характеристики термопластов

при повышенных температурах [1].

Кривую «относительное удлинение при разрыве – температура» строят по данным испытания образцов в форме стандартной лопатки. Образцы изготавливают вырубкой из листового термопласта, нагретого выше температуры стеклования. Установленную на разрывной машине термокамеру нагревают до температуры Тс=20°С (температуру стеклования определяют по термомеханической кривой). Закрепляют образец в зажимах разрывной машины, закрывают термокамеру и выдерживают образец в течении 3 минут.

Устанавливают скорость перемещения подвижного зажима разрывной машины, равную скорости вытяжки материала при штамповке, т.е. 150-200 мм/с, проверяют работу приспособления для автоматической записи кривых в координатах напряжение - деформация и испытывают образец. При тех же условиях испытывают последующие образцы. Затем, повышая температуру камеры каждый раз на 20°С, испытывают еще несколько образцов и рассчитывают среднеарифметическое значение относительного удлинения материала при разрыве и максимального напряжения при растяжении при каждой температуре. На основании полученных данных строят соответствующие зависимости [1].

Температуру формования выбирают в интервале между Т_макс и Т_т (или Т_пл) в зависимости от заданной глубины вытяжки.

Методика снятия термомеханических кривых термопластов основана на измерении их деформации, возникающих в результате периодического вдавливания цилиндрического наконечника с постоянной силой в образец, нагреваемый со скоростью 1-2°С/мин. Образцы деформируют при напряжении, равном 0.2-0.З МПа. Нагружение цилиндрического наконечника проводят в течение 10 секунд через каждые 10°С (для термостойких полимеров) или через 5°С (для менее термостойких полимеров), начиная с комнатной температуры, и фиксируют достигаемую за это время деформацию.

Для испытания используют цилиндрические (или квадратные) образцы диаметром (стороной) 10-20мм и толщиной 6-8мм. При испытании пленочных материалов образцы получают путем набора пакета соответствующей толщины. Для получения стабильных данных для различных образцов из одного и того же материала изготовляют образцы одинаковых размеров.

По данным измерения деформации строят кривую зависимости «деформация-температура» и определяют температуры переходов: температуру стеклования Т_С, температуру текучести Т_Т и температуру плавления Т_ПЛ.

5. Давление Р (в МПа) при пневматической и вакуумной вытяжке листовых заготовок, закрепляемых по периметру прижимным кольцом, рассчитывают по формуле:

P=2σδ /R (5.7)

где: σ - максимальное напряжение в материале при выбранных температуре и скорости вытяжки, МПа (σ - определяют по кривым напряжение – деформация) : δ - толщина заготовки, м: R - радиус протяжного кольца, м.

Усилие прижима заготовки (в Н) вычисляют по формуле:

Q=bq2πR_ср. (5.8)

где: b и R_ср. - ширина и средний радиус прижимного кольца соответственно, м: q - давление прижима, МПа.

Давление прижима должно быть ниже разрушающего напряжения материала при сжатии при температуре Т_с=5°С (предполагается, что заготовка, прижатая рамкой к форме, охлаждается до Т_с). Значение q должно удовлетворять условию:

q≥σ_rπRδ/Sf (5.9)

где: σ_r - радиальное напряжение в заготовке в первый момент формования, равное максимальному напряжению, развивающемуся в материале в процессе вытяжки при оптимальной температуре и выбранной скорости, МПа: R - радиус деформируемой части заготовки, м: δ – толщина заготовки, м: S - площадь прижимной рамки, м²: f - коэффициент трения заготовки о форму.

6. Время нагревания τ (в секундах) перед штамповкой листовых заготовок, помещенных между металлическими плитами, снабженными электронагревателями, рассчитывают по формуле:

τ=δ²F₀/4a (5.10)

где: δ - толщина листа, м: а - коэффициент температуропроводности термопласта, м²/с: F₀ - критерий Фурье, определяемый графически по данным (рисунок 5.4) и критерию температурной разности Θ.

Θ=(t_с-t_ф)/(t_с-t₀) (5.11)

где: Θ - критерий температурной разности: tc - температура плит, °С: t_ф - температура вытяжки, °С; t₀ - начальная температура заготовки, °С.

Рассчитанное время нагревания заготовки не должно превышать время, через которое в материале за счет термоокислительной деструкции произойдет снижение относительного удлинения при разрыве на 10%. Для определения этого времени образцы нагревают между плитами в течение 5, 10, 15, 20, 25 минут. Затем измеряют при комнатной температуре относительное удлинение при разрыве охлажденных образцов, нагружая их со скоростью 150-200 мм/мин.

F₀ – критерий Фурье: (t_с-t_ф)/(t_с-t₀) – критерий температурной разности.

Рисунок 5.4 - Номограмма для определения критерия Фурье [1].