книги из ГПНТБ / Скворцов, Г. Д. Основы конструирования штампов для холодной листовой штамповки подготовительные работы

Смятие поверхности рабочих частей наступает в результате превышения удельного усилия по режущему периметру над допу­ скаемым удельным усилием на рабочую часть штампа, т. е. при условии

где [<7ШТ] — допускаемое условное удельное усилие на рабочую часть штампа, кгс/см; <7рез — условное удельное усилие, отнесен­ ное к длине периметра режущего контура, кгс/мм,

предел прочности при срезе, кгс/мм2; S — толщина штампуемого металла, мм.

После подстановки потребного усилия Р в формулу. (32) полу­

Резка металла в штампах возможна при условии, если необхо­ димое условное удельное усилие по режущему периметру ниже допускаемого на рабочую часть штампа:

Соблюдая это условие, можно резать тонколистовой металл при незакаленных рабочих частях штампа. Но для обеспечения нормальных условий резки необходимо, чтобы они обладали некоторым запасом прочности. Чем больше этот запас, тем выше стойкость. Опыт показал, что для нормальной резки металла достаточно четырех-, пятикратного запаса прочности. Одиако при небольших партиях деталей можно работать со значительно мень­ шим запасом прочности. Например, нанезакаленной матрице можно, выполнять с достаточно хорошим качеством резку (про­ бивку) деталей из сталей 08; 10; 15; 20 толщиной до 0,5 мм.

Если сопротивление срезу для указанных сталей принять в среднем 30 кгс/мм2, то при толщине 0,5 мм условное удельное усилие по режущему периметру окажется в 1,6 раза меньше:

Урез = 1,25-30-0,5 = 18,75 кгс/мм.

Допускаемое условное удельное усилие для незакаленной инструментальной стали составляет в среднем 25 кгс/мм. Следо­ вательно, вырубка возможна при незакаленной матрице.

140

Таким образом, при сравнительно тяжелых условиях работы создается давление, близкое по величине к пределу прочности обрабатываемого металла, что вполне допустимо для разовой вы­ рубки. Степень равномерности распределения qcp отх на площади контакта зависит от относительной жесткости «рабочего отхода». Чем он «жестче», тем равномернее распределяется qcp отх

Изложенный метод нашел применение и в массовом производ­ стве. В частности фирма MACIEAH-FOGG успешно впрессовывает незакаленные (или улучшенные) штампованные гайки в листовой металл, создавая прочное соединение (рис. 76, б). Гайка 2 специаль­ ной формы под необходимым давлением (от пресса или другого силового агрегата) через промежуточный твердый пуансон 1 вытес­ няет (вырубает) листовой металл 4, занимая его место. Матрицу 3,

141

как и обычно, можно изготовлять из любого высокопрочного сплава.

В штампах с незакаленной матрицей мягкие металлы такие, как алюминий, могут подвергаться резке при исходной толщине 1—1,5 мм. Однако при этой толщине стойкость пезакаленных сталь­ ных рабочих частей штампа невысокая, и их можно рекомендовать только для штамповки сравнительно небольших партий деталей.

С уменьшением толщины штампуемого металла стойкость рабочих частей относительно возрастает. Например, при разделе­ нии листового алюминия S = 0,5 мм или пизкоуглероднстой стали 5 = 0,3 мм незакаленный пуансон способен выполнить до 8— 10 тыс. рабочих циклов без «заточки» (без восстановления).

Несколько иначе обстоит дело при резке листовых металлов в штампах с закаленными рабочими частями. Их структурное состояние не допускает значительного смятия, они обладают повы­ шенной стойкостью. Наличие упругих сил позволяет нагружать пуансоны и матрицы до высоких удельных усилий. Некоторые высоколегированные стали могут воспринимать без разрушения давление до 240 кгс/мм2 и выше. Поскольку все вырубаемые ме­ таллы, применяемые в листоштамповочном производстве, мягче закаленных рабочих частей штампов, то в процессе резки они обратимо или необратимо деформируются, между тем как режущие кромки матриц и пуансонов остаются относительно неизменен­ ными. Благодаря этому возможно разделение штампуемых метал­ лов в условиях, когда давление по режущему периметру выше допустимого давления на рабочую часть.

Опытом установлено, что упругие рабочие части в раздели­ тельных штампах способны выдерживать удельные усилия по ре­ жущему периметру, превышающие допускаемые давления в 2—3 раза. Поясним сказанное элементарными расчетами.

Определим, какую толщину металла, обладающего сопротивле­ нием срезу аср = 30 кгс/мм2, теоретически можно резать на зака­ ленной матрице и сравним допускаемое ее нагружение с факти­ ческим известным из практики. Матрица выполнена из закаленной стали с допускаемым удельным усилием 240 кгс/мм2. Теоретически максимальная толщина штампуемого листа без перегрузки ма­ трицы

с240 Q

'-'max — gQ О ММ.

Однако заводской опыт подтверждает, что листовая сталь с указанной выше прочностью вырубается в холодном состоянии при толщине 25—30 мм и более. Следовательно, условная пере­ грузка матрицы возможна в несколько раз. Но такое явление недостаточно объяснять только смятием штампуемого металла или его способностью обратимо (упруго) деформироваться.

Увеличение удельного усилия по периметру среза связано с уве­ личением толщины штампуемого металла. Одновременно повы-

142

шается и жесткость штампуемого листа, что существенно изменяет схему нагружения рабочих частей. Если при тонких металлах уси­ лие среза воспринимается в основном только режущим лезвием матрицы (рис. 77, а), то при толстых металлах зона прилегания его к «зеркалу» матрицы заметно расширяется (рис. 77, б).

Таким образом, в момент резки в результате расширения пло­ щади опоры металла удельное усилие на единицу длины периметра матрицы значительно падает.

Рис. 77. Схема нагружения реокущей кромки вырубной (про­ бивной) матрицы при обработке тонкого и толстого ме­ талла

где Епрнл — площадь прилегания штампуемого металла к матрице в момент резки, мм2.

Если проследить за работой пробивного пуансона, то можно обнаружить, что с повышением жесткости штампуемого металла, размещаемого под пуансоном, удельное усилие на единицу его площади относительно падает. Действительно, при пробивке отвер­ стия относительно малого диаметра отход становится настолько жестким, что он способен оказывать' сопротивление срезу не только по периметру, но и по всей площади.

Чем меньше отверстие, тем большая площадь торцовой части пуансона участвует в работе (рис. 78, а).

Следовательно, с уменьшением диаметра отверстия среднее удельное усилие будет стремиться к -у- или

И т ^ о т в ) = ~ Т >

где F — площадь поперечного сечения пуансона, мм2.

143

Поэтому структура формулы для расчета максимального удель­ ного усилия, воспринимаемого пуансоном при пробивке отверстия относительно малого диаметра, совпадает с формулой (35)

_Р

Г(^мал) F

(35')

что дает право сравнивать с формулой для расчета удельного уси­ лия при объемной штамповке.

Под малыми отверстиями подразумеваются такие отверстия, диаметры (или стороны) которых близки к толщине штампуемого металла.

Рис. 78. Схема нагружения пуансонов с различной геометрией режущей

кромки при относительно большом и малом отношениях

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что стойкость пуансона малого сечения увеличится, если обеспечить условия для максимального участия в работе середины торца пуансона. Одним из способов является заточка пуансона с заостре­ нием в виде керна или выполнение торца со сферическим закругле­ нием (рис. 78, б).

Действительно, пуансон, имеющий на конце заострение или выпуклость, вынужден проталкивать штампуемый металл всей поверхностью торца.

По формуле (35') определим максимально возможное отношение толщины S штампуемого стального листа к диаметру d пробивае­ мого отверстия при ранее принятых исходных данных: допускаемое удельное усилие для пуансона штампа qmn — 240 кгс/мм2; сопро­ тивление срезу штампуемого металла аср = 30 кгс/мм2.

^Потребное усилие для пробивки отверстия без учета коэффи­ циента запаса

Р = ndSocр.

Площадь поперечного сечения пуансона

Ряd2

144

Подставим полученные значения bj формулу (35')

о тк у д а

2 * > Т " « 2 .

Таким образом, при принятых исходных данных теоретически можно пробить отверстие диаметром, в 2 раза меньшим толщины металла. Известно, что при специальном конструктивном оформле­ нии, когда пуансон не испытывает продольного изгиба, можно по­ лучить значительно больший эффект. Повышение прочностных характеристик высоколегированных сталей и специальных сплавов создает условия для пробивки отверстий с еще большим отноше-

S

нием -у-.

а

Если функции одной из рабочих частей (обычно матрицы) выполняются жидкой, газовой или другой эластичной средой, то в момент вырубки площадь опоры штампуемого металла ста­ новится равной всей площади (за исключением площади отверстий) второй жесткой рабочей части, выполненной из стали или другого твердого материала. Происходит явление, которое наблюдается при разделении толстого металла в штампах с твердыми рабочими частями: усилие резания воспринимается не одной режущей кром­ кой, а достаточно большой площадью рабочей поверхности. При этом давление прижима материала к жесткой рабочей поверхности равно давлению, развиваемому в камере соответствующей уста­ новки.

Стойкость режущих кромок инструмента здесь должна быть наибольшей [см. вывод формулы (36) ]. Чем больше перепад между давлением qycT, развиваемым в установке, и средним потребным давлением qpe3 сР для среза, тем меньшая твердость необходима для рабочих частей и тем выше качество резания. Опыт примене­ ния эластичной среды для выполнения различных разделительных операций подтверждает, что высокая твердость жесткого инстру­ мента обычно бывает излишней. При вырубке деталей из мягкого листового металла резиной (или другой эластикой) вполне рента-

_ бельны твердые матрицы (или формблоки) из незакаленной стали. При использовании высоких энергий (взрывной волны, элек­ троискрового эффекта и др.) можно применять незакаленные сталь­ ные матрицы для штамповки металлов любой твердости (в том числе и упрочненных закалкой). Здесь большое значение имеет высокая скорость деформации. Таким образом, высокие энергии

расширяют технологические возможности штамповки.

При работе с эластичной средой следует учитывать, что потреб­ ное для выполнения операции давление при малом рабочем кон­ туре (например, в виде узкой щели) должно быть выше давления при больших контурах. Это объясняется малостью площади сече­ ния отверстия матрицы по сравнению с длиною режущего контура (периметра), между тем как развиваемое давление в контейнере пропорционально площади (квадратичная зависимость), а потреб­ ное усилие резания — периметру отверстия (линейная зависи­

мость).

Определим, какое необходимо давление в камере для того, чтобы в дуралюмине толщиной 1 мм с чистым срезом пробить отвер­ стие диаметром d = S и rf = 2S, если известно, что оср =

=18 кгс/мм3.

Согласно формуле (35) имеем

при d = 2S = 2

q 4’2*8 = 36 кгс/мм2.

Следовательно, при относительно малом отверстии требуется создавать в эластичной среде колоссальные давления. Однако необ­ ходимо учитывать, что с увеличением размера рабочего контура растет погрешность в расчете потребного давления по формуле (35), так как прогрессивно уменьшается жесткость отхода (или детали). Для более точного определения истинных значений q существует более сложная зависимость с учетом факторов, которые в данной работе не рассматриваются.

/

§ 2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫ БОРУ М АТЕРИ АЛ А

При рассмотрении процессов холоднолистовой штамповки следует различать три условия работы: легкие, средние и тяжелые. При легких условиях рабочие детали штампа испытывают относи­ тельно малую нагрузку и, следовательно, обладают многократным запасом прочности и стойкости. При средних условиях штампы испытывают относительно средние нагрузки, при тяжелых — пре­ дельные нагрузки.

Такое деление условно, но оно облегчает выбор соответствую­ щего материала для изготовления той или иной детали штампа.

Оценка условий зависит от масштабов производства, физико­ механических свойств штампуемого материала и его толщины, удельной нагрузки рабочих деталей и характера технологической операции.

146

Масштаб производства определяет число необходимых рабочих ходов, которые должен совершить штамп за год или за весь срок службы. При единичном и мелкосерийном производстве, когда годовая программа выпуска ограничивается сотнями и только иногда несколькими тысячами деталей, высокостойкие штампы не требуются. Если за среднюю производительность оператора при штамповке в течение 7 ч принять для первых операций 8000 рабо­ чих циклов, а для вторых — 4000 рабочих циклов, то вся годовая программа на той или иной операции может быть выполнена за одну-две смены. Если предположить, что освоенный объект по конструкции не будет изменяться в течение ближайших 5 лет, то и в этом случае штамп должен работать всего не более недели, после чего его можно списывать в металлолом. Поэтому при конструиро­ вании таких штампов необходимо стремиться к их упрощению, а также изыскивать для рабочих деталей наиболее дешевые, хотя может быть и менее стойкие материалы.

Большинство разделительных штампов работает с твердыми рабочими частями, выполненными из инструментальных углероди­ стых и легированных сталей. Кроме того, в последнее время ши­ роко применяют твердые сплавы, стойкость которых значительно выше сталей.

При небольшой программе выпуска пуансоны и матрицы можно изготовлять из закаливаемых, но менее стойких сталей, а некото­ рые конструкции их допускается изготовлять из низкоуглероди­ стых сталей с последующей цементацией.

На выбор материала непосредственно влияет конфигурация детали. Если рабочие детали имеют сложную форму и нетехноло­ гичны для термообработки, то следует выбирать высоколегирован­ ные стали, которые в меньшей степени подвержены короблению и обладают более прочной структурой после закалки. К таким ста­ лям относятся преимущественно хромистые стали: Х12Ф1, Х12М, 9ХС, ХВГ и другие: Эти же стали рекомендуется применять при тяжелых условиях работы. Заметим, что к тяжелым условиям сле­ дует относить процессы, связанные с обработкой толстых материа­ лов, а также тонких если рабочие части имеют ажурную форму и относительно малые сечения.

При ударных нагрузках необходимо рабочие части изготовлять из сталей, обладающих большой вязкостью.

На выбор материала для рабочих деталей штампа влияет сорта­ мент штампуемых материалов, который непрерывно изменяется, в результате появления материалов новых марок. Одним материа­ лам придают большую пластичность, другим одновременно с пла­ стичностью увеличивают прочность, например коррозионностой­ кие стали и т. д.

Но есть группа штампуемых материалов специального назначе­ ния, которым придают особые технические свойства, связанные с электропроводностью, магнитопроницаемостыо и т. д. (например, электротехнические стали). Увеличение содержания в них некото-

рых компонентов приводит к тому, что штамповка их с применением обычных стальных рабочих частей иногда становится затрудни­ тельной или невозможной, т. е. наступает момент, когда качествен­ ный рост штампуемого материала опережает технические возмож­ ности штампов. Например, появление высококремнистой тонко­ листовой холоднокатаной стали поставило под сомнение дальней­ шее применение имеющихся разделительных стальных штампов; их стойкость не удовлетворяла' нуждам машиностроения. Потребо­ вался качественный скачок, который и произошел в результате использования в штампах твердосплавных рабочих частей.

Приведенные выше рекомендации дают только общее представ­ ление о материалах, применяемых для деталей штампов. Многие частные вопросы решаются в процессе проектирования и изготовле­ ния штампов.

Одной из неотложных проблем является создание новых и со­ вершенствование современных материалов для деталей и узлов штампов. Ученые и инженеры работают в двух направлениях: 1) изыскания стойких пластических масс, значительно сокращаю­ щих сроки изготовления штампов; 2) повышения прочностных характеристик твердых материалов.

Наиболее характерными материалами будущего станут новые синтетические материалы, так называемые полимеры. Распростра­ ненным видом полимеров является пластмасса. Пластические ма­ териалы, армированные стеклянными или синтетическими нитями или тканями, дают прочность, сравнимую со сталыо. Но основной задачей ближайшего будущего является изыскание таких пласти­ ческих материалов, которые по прочности и всем механическим свойствам превзойдут лучшие современные стали и сплавы.

В настоящее время промышленность сделала только первые шаги по созданию и освоению этого ценного материала. Однако даже сравнительно незначительный опыт показал их большое эко­ номическое преимущество.

Трудоемкость изготовления штампов с применением пластмасс составляет примерно 50% трудоемкости изготовления цельно­ металлических. Пластмассу применяют для формообразующих штампов, вследствие малой твердости (НВ 22) их используют только в мелкосерийном производстве. При повышении прочности пластмассы можно будет применять и в штампах для серийного и крупносерийного производства. Большим преимуществом пласт­ масс является легкость: их плотность в 4—5 раз меньше плотности металла.

Твердые материалы для изготовления рабочих деталей штампов совершенствуют в различных направлениях. Особенно важно добиться повышения допускаемых удельных усилий, твердости и сопротивления истиранию.

Допускаемые удельные усилия увеличиваются главным обра­ зом в результате изменения содержания легирующих элементов в высоколегированных сталях. Известно, что допускаемое удельное

148

усилие для высококачественных сталей 220—250 кгс/мм2 далеко не предельное, его можно увеличить в 2—3 раза.

Одним из эффективных направлений является использование

исовершенствование магниевого чугуна и модифицированного чугуна, обладающих высокими механическими и антифрикцион­ ными свойствами. В настоящее время изыскиваются новые стали

ствердостью, близкой к металлокерамическим сплавам. Одновре­ менно эти стали должны обладать высокими прочностями на изгиб

ина сжатие, повышенным пределом выносливости, хорошей техно­ логичностью при обработке. Кроме того, нередко требуется, чтобы штамповые стали обладали устойчивостью против отпуска и высо­ кой прокаливаемостыо.

Металлокерамические твердые сплавы уже широко применяют в производстве, а в будущем они постепенно вытеснят закаливае­ мые детали штампа. Их можно использовать во всех разделитель­ ных и формообразующих штампах.

Вразделительных штампах металлокерамические твердые сплавы по сравнению со сталями могут более продолжительное время сохранять в надлежащем виде режущую кромку при ста­ бильном технологическом зазоре. Их высокая твердость по­ зволяет легко разделять относительно хрупкие и термообра­ ботанные материалы. В результате уменьшения числа заточек увеличивается выпуск продукции и сокращается простой обору­ дования.

Вформообразующих штампах металлокерамические сплавы,

кроме повышения стойкости, обеспечивают чистоту поверхности и стабильную высокую точность штампуемых деталей. При исполь­ зовании этих сплавов исчезают такие вредные явления, как при­ липание штампуемого материала к рабочим частям штампа и обра­ зование задиров.

£ 3. ТВЕРДОСТЬ ОСНОВНЫХ Д ЕТА Л Е Й Ш ТАМ ПОВ

Твердость рабочих деталей штампов должна быть предельно высокой. Однако чрезмерная твердость может вызвать разрушение рабочих деталей в процессе эксплуатации. Поэтому следует приме­ нять оптимально высокую твердость, при которой детали штампа обладают наибольшей прочностью.

Твердость матрицы и пуансона может быть задана заведомо невысокой, если штамп предназначен для малой партии деталей и применение дорогостоящих дефицитных материалов нерентабельно. В этих случаях допускается использовать стали, обладающие невы­ сокой твердостью.

В разделительных штампах твердость матрицы и пуансона при малых партиях деталей (до 1000), выполняемых из мягких ста­ лей должна быть HRC 40—45 (иногда допускается использовать их без закалки), при партиях деталей от 1000 до 5000 шт. не менее

HRC 52—56.

149