книги из ГПНТБ / Мошнин Е.Н. Технология штамповки крупногабаритных деталей

В конце рабочего хода заготовка плотно зажимается между пуансоном и матрицей (рис. 39, г), благодаря чему ей придается окончательная форма. При этом калибруются местные скругле­ ния, выправляются полученные в процессе формовки выпучины отдельных участков, а также могут быть устранены неглубо­ кие складки, образовавшиеся вследствие начавшегося явления потери устойчивости заготовки.

Штамповку осуществляют преимущественно в горячем со­ стоянии. Холодную штамповку можно применять только в от­ дельных случаях, так как вслед­ ствие различного пружинения участков отштампованной заго­ товки наблюдается существен­ ное изменение ее формы при снятии нагрузки. Заранее уста­ новить величину пружинения отдельных участков сложных деталей трудно.

Технологические возможности процесса формовки относи­ тельно тонкостенных деталей лимитирует явление потери устой­ чивости заготовки. При образовании высоких складок в конце деформирования происходит зажим на одном или нескольких участках заготовки, что является окончательным браком.

Рис. 39. Формовка круглых сферических эле­ ментов:

а — начальная; б—в — промежуточная; г — конеч­ ная стадии

Для изучения особенностей процесса формовки было прове­ дено экспериментальное исследование процесса штамповки сфе­ рических деталей круглой, прямоугольной и трапецеидальной конфигурации в плане. Исследования проводили на модельных штампах диаметром рабочей поверхности 200 мм и радиусами сферы 100, 200, 400 и 800 мм и на натурных штампах диаметром

110

сплава Д16АМ и латуни Л62, а заготовки толщиной до 90 мм — из стали СтЗ. Методика и результаты экспериментов по потере устойчивости приведены в гл. IJ.

Штамповка разных по форме деталей имеет существенное различие, поэтому дальнейшее рассмотрение технологии ведем раздельно.

Формовка осесимметричных деталей

Формообразование круглой сферической детали протекает следующим образом. При нажатии пуансоном на заготовку (см. рис. 39, а) происходит вытяжка ее средней части и незначитель­ ная деформация свертки периферийного кольцевого участка (см. рис. 39, б).

Так как периметр участка заготовки, находящегося в кон­ такте с пуансоном, меньше, чем внутренний периметр контактного участка заготовки с матрицей, то в процессе штамповки заготовка постепенно обтягивается по пуансону, тогда как касание заго­ товки с матрицей до конца деформирования остается по узкому участку.

В первый период деформирования заготовка на свободном участке имеет приблизительно коническую форму. При втором периоде в формообразовании заготовки преобладают деформации свертки и изгиба; образующая свободного участка становится криволинейной с небольшим подгибом кромки (см. рис. 39, в).

При сужении свободного участка заготовки до величины, примерно равной двукратной толщине заготовки, изгиб ее эле­ ментов начинает происходить за счет деформаций сдвига по кон­ центрическим окружностям диаметром, близким к диаметру за­

в конечный момент деформирования, происходит ее пружинение. Вследствие малой жесткости заготовки, имеющей небольшую глубину, при пружинении происходит существенное увеличение

Следовательно, при холодной штамповке необходимо выпол­ нять радиус рабочей поверхности штампа меньше радиуса сферы детали. В табл. 7 приведены некоторые экспериментальные дан­ ные по пружинению заготовки из стали 20.

Приведенные данные относятся к штамповке сравнительно толстостенных круглых заготовок, при формообразовании ко­ торых не наблюдаются потери устойчивости заготовки.

Полученные в штампе с оптимальным радиусом сферические элементы из круглых заготовок имели отклонения от шаблона в пределах 1,0—2,5 мм на 1 м длины.

111

По условиям устойчивости предельный диаметр заготовки составляет [см. уравнение (112)]

D. п Р — 9 ] / ^ С ф 5 0 '

где ^ ? С ф — радиус сферической поверхности детали. Напряженное состояние заготовки при формовке определяется

известными зависимостями — уравнениями (59) и (60). Однако

радиус окружности, на Которой меридиональные и широтные (сжи­ мающие) деформации равны, т. е. толщина стенки заготовки равна исходной, составляет Ra = (0,63^-0,65) DH. Так как радиус окружности Ra в процессе деформации изменяется незначительно, то можно принять, что на этой окружности меридиональные и широтные напряжения также равны. Устанавливаем, что фактиче­ ские величины Ra больше теоретических (0,607i?H) в среднем на 5%.

112

Для компенсации указанного несоответствия вводим в урав­ нения (59) и (60) поправочный коэффициент k — 1,05. Тогда

Наибольшее усилие штамповки определяется касательными напряжениями, действующими в конце формообразования детали.

При формовке усилие деформирования непрерывно увеличи­ вается, в конце рабочего хода пуансона увеличение усилия ста­ новится пикообразным (рис. 41). При этом на величину усилия

кроме размеров заготовки (диаметра и толщины) влияет также радиус сферы. Следовательно, представляет интерес усилие штам­ повки, которое действует в конце деформирования и является наибольшим.

На основании изучения процесса формовки круглых деталей была принята схема распределения контактных напряжений в конечный момент деформирования (рис. 42). Контакт заготовки с матрицей происходит по кольцевой полоске шириной, равной толщине заготовки.

В зоне деформации действуют нормальные напряжения, вы­ зываемые деформациями свертки и изгиба, и касательные напря­ жения сдвига по кольцевым сечениям. С уменьшением ширины

свободного кольцевого участка резко увеличиваются касательные напряжения, а нормальные уменьшаются. Следовательно, усилие штамповки в конечный момент формообразования элемента за­ висит от величины касательных напряжений. Поэтому опреде­ ляем наибольшее усилие штамповки исходя из условия действия касательных напряжений, а наличие нормальных напряжений учи­ тываем поправочным коэффициентом а. Тогда формула для опре­ деления усилия штамповки в соответствии с обозначениями, ука­

занными на рис. 42, получит вид

где т — напряжение сдвига в се­ чении диаметром Dp.

Так как радиус сферы элемента велик по сравнению с толщиной заготовки, то деформации сдвига относительно небольшие, поэтому принимаем т = 0,5стт. Тогда урав­ нение (157) преобразуется:

Р = aDp s0 aT cos ср. (158)

Для установления величины коэффициента а и подтверждения правильности рекомендуемой зависимости были поставлены экс­ перименты по штамповке круглых сферических элементов диа­ метром 190 мм на /?Сф = 200, 400 и 800 мм. Типовые диаграммы усилий при холодной штамповке показаны на рис. 41.

За расчетную величину наибольшего усилия принимали уси­ лие Р, соответствующее точке А. Так как кривая усилий плавно переходит в вертикальную прямую, то трудно точно установить положение точки А. Поэтому по диаграммам усилий, полученным при формовке трех заготовок, предварительно устанавливали величину действительного усилия, а затем для уточнения этой величины штамповали заготовки усилием в конце рабочего хода, равным установленному по диаграммам усилий, и несколько боль­ шим и меньшим этого усилия. Затем замеряли отклонения по­ верхности отштампованного элемента от шаблона. За усилие, необходимое для штамповки, принимали усилие, при котором

114

с повышением усилия штамповки заканчивалось заметное умень­ шение отклонений поверхности элемента от шаблона.

к рекомендуемой зависимости. Результаты эксперимента по го­ рячей штамповке приведены в следующем разделе.

Аналогичным путем осуществляется разработка технологии формовки осесимметричных элементов несферической формы, например, неглубоких конических деталей или деталей с криво­ линейной образующей. В данном случае требуется строгое цен­ трирование заготовки на штампе.-

Условия устойчивости заготовки при формовке осесимметрич­ ных элементов несферической формы примерно подобны условиям устойчивости заготовки при формовке сферических элементов, поэтому предельные размеры заготовки могут быть приближенно

В начале штамповки, например, квадратной заготовки, ко­ торая опирается углами на сферическую поверхность матрицы,

соном на крестообразном участке.

При штамповке прямоугольной заготовки сначала происходит изгиб по малой оси, а затем по большой. Неодновременно также переходит контакт заготовки с матрицей с угловых участков на середины кромок. Формоизменение трапециевидных заготовок происходит аналогично, но несколько асимметрично.

Участки квадратных, прямоугольных и трапециевидных за­ готовок, расположенные по углам и осям, в первый период де­ формирования сгибаются на радиус, меньший радиуса сфериче­ ской поверхности пуансона и матрицы, и в конце формовки раз­ гибаются.

отштампованный элемент выдается из штампа при сравнительно невысокой температуре (650—700° С).

Усилие формовки в горячем состоянии рекомендуется опре­ делять по той же формуле, что и для холодной штамповки круглых элементов [уравнение (158)]. За длину линии сдвига nDp следует условно принимать периметр заготовки. Тогда

ходит интенсивное остывание заготовки при контакте с элемен­ тами штампа. Особенно существенно снижается температура в уг­ лах заготовки. Рекомендуется перед штамповкой первой заго­ товки предварительно подогревать штамп.

При горячей штамповке с выдержкой отклонения от шаблона получаются все же относительно большие, например, у заготовок толщиной 60—90 мм наибольшие отклонения достигали 2—4 мм, а у заготовок толщиной 20—30 мм — 5—8 мм на длине 1 м.

При этом следует иметь в виду, что сборка изделий из элементов толщиной примерно до 50 мм с отклонениями от шаблона в не­ сколько миллиметров не встречает больших затруднений, так как применение клиновых и винтовых сборочных приспособлений (струбцин) обеспечивает необходимые деформации элементов и, следовательно, требуемую точность пригонки стыков под сварку. Однако с увеличением толщины стенки изделия сборка его из эле­

труднительна. Правка толстостенных элементов также весьма трудоемка, так как должна производиться в горячем состоянии

ис применением грузоподъемных средств.

Всвязи с этим особо толстостенные элементы толщиной от 60—90 мм и выше необходимо получать формовкой с большой точностью (с отклонениями от шаблона до 1—1,5 мм на 1 м длины).

При изготовлении точных деталей с малыми отклонениями от шаблона рекомендуется применять формовку с большой вы­ держкой заготовки под давлением, при которой температура за­ готовки перед снятием нагрузки снижается ниже 500° С.

117

Снижение величины отклонений при увеличении выдержки заготовки в штампе под давлением является результатом, с од­ ной стороны, более полного протекания деформации, и с другой стороны, значительного снижения коробления элемента при остывании, так как температура конца штамповки (снятия усилия) при большой выдержке ниже на 250—300° С, чем при штамповке с малой-выдержкой.

Эксперименты показали также, что при горячей штамповке

При штамповке элементов с малой выдержкой потребное уси­ лие составляло 1400 тс (рис. 44), а при штамповке этих же эле­ ментов с большой выдержкой — 300 тс и 200 тс; температура на­ грева соответственно 950 и 1050° С (на рис. 44 показано штри­ ховыми линиями). Причем точность получаемых элементов и в том и другом случае была'одинаковой. Следовательно, усилие снижается во втором случае в 4,5—5,5 раза. .

Таким образом, при формовке толстостенных элементов с боль­ шой выдержкой явления релаксации и ползучести оказывают су­ щественное влияние на величину усилия, требуется усилие зна­ чительно меньшее, чем при формовке с малой выдержкой. Это влияние резко увеличивается с увеличением радиуса сферы, т. е.

118

с уменьшением степени деформации. При формовке с большой выдержкой происходит сильный разогрев штампа, поэтому в штампе необходимо устройство искусственного охлаждения. Конструкции штампов с искусственным охлаждением и- резуль­ таты опытных работ приведены в гл. V I .

Таким образом, рекомендуется формовку неглубоких эле­ ментов осуществлять в горячем состоянии с выдержкой, а холод­ ную формовку применять только при крупносерийном изготов­ лении круглых элементов. В этом случае не требуется последующей правки с применением накладок.

Для получения особо толстостенных элементов с малыми от­ клонениями от шаблона (до 1 мм на 1 м длины) следует применять формовку с большой выдержкой, что также способствует значи­

Эллиптические днища являются наиболее распространенными крупногабаритными деталями, штампуемыми из толстолистового металла. Такие днища с отношением полуосей эллипса 1:2 по прочности соответствуют корпусам сосудов цилиндрической формы (рис. 45, а).

отбортованным н а р у ж у

Геометрические размеры эллиптических днищ (ГОСТ 6533—68) приведены в табл. 8. Стандарт распространяется на днища диа­ метром от 299 до 4200 мм, толщиной стенки от 4 до 60 мм. Днища выполняются с цилиндрическим участком, так называемым бортом высотой 25—60 мм.

Для построения эллиптической части днища (рис. 46) на чер­ теже проводят две полуокружности, радиусы которых равны большой и малой полуосям эллипса. Затем наносят радиальные линии. Из точек а пересечения радиальных линий с большой окружностью опускают вертикальные линии, а из точек б пере-

119