Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория процессов ковки и штамповки. Учебное пособие.pdf
Предисловие
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
С. Б. Сидельников, Н. Н. Довженко, И. Л. Константинов
ТЕОРИЯ ПРОЦЕССОВ
КОВКИ И ШТАМПОВКИ
Учебное пособие
Издание третье, дополненное и переработанное
Красноярск
СФУ
2017
1
Предисловие
УДК 621.73(07)
ББК 34.623я73
С347
Р е ц е н з е н т ы:
А. В. Коновалов, доктор технических наук, профессор, заведующий
лабораторией механики деформаций Института машиноведения УО РАН;
Г. И. Рааб, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник
НИИ физики перспективных материалов ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
Сидельников, С. Б.
С347 Теория процессов ковки и штамповки : учеб. пособие / С. Б. Си-
дельников, Н. Н. Довженко, И. Л. Константинов. – 3-е изд., доп.
и перераб. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2017. – 104 с.
ISBN 978-5-7638-3629-5
Изложены основные теоретические аспекты расчетов операций кузнечно-
штамповочного производства. Приведена последовательность решения аналитических задач по определению напряженно-деформированного состояния и энергосиловых параметров процессов ковки и штамповки.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки 22.04.02 «Металлургия», и слушателей курсов повышения квалификации и переподготовки кадров в области металлургического
производства.
Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru
ISBN 978-5-7638-3629-5 © Сибирский федеральный
университет, 2017
УДК 621.73(07)
ББК 34.623я73
2
Предисловие
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основным содержанием учебного пособия является лекционный материал, практические и контрольные задания для самостоятельной работы студентов по изучению теоретических аспектов процессов
кузнечно-штамповочного производства (КШП).
В первой главе данного пособия приведены сведения по теории листовой штамповки, рассмотрены особенности формоизменения, построение
полей напряжений и вывод расчетных формул для основных
операций
листовой штамповки, таких как вырубка, вытяжка, гибка, отбортовка и др.
При этом сформулированы граничные условия на контактной поверхности
инструмента и металла, оговорены допущения и гипотезы, принятые при постановке задач, и продемонстрированы результаты их решения в виде графического изображения эпюр напряжений, диаграмм усилий и т. п.
Вторая глава,
включающая элементы теории ковки, освещает физические и механические задачи с учетом реологических характеристик
исходного материала. Основными аспектами изучения являются исследования характера деформации и напряженно-деформированного состояния
(НДС) операций осадки, протяжки и прошивки. Данные особенности расчетов процессов ковки рассмотрены с помощью построения различных
моделей, в том числе и
математических, позволяющих, например, оценить
неоднородность деформации при осадке низких заготовок, получить зависимости для расчета уширения при протяжке и т. д.
В третьей главе приведены основные положения теории объемной
штамповки при изучении операций штамповки в открытых, закрытых
штампах и штамповки выдавливанием. Основное внимание уделено особенностям течения металла и расчетам усилий
деформации.
Контрольные задания помогут студентам в освоении навыков определения основных технологических и энергосиловых параметров, при этом
в качестве расчетных используются формулы, приведенные в данном
учебном пособии. Тестовые вопросы предназначены для контроля полученных знаний и охватывают весь лекционный материал. Задания к практическим занятиям, приведенные в 4 главе, дают возможность
анализа процессов формоизменения металла и расчета энергосиловых параметров для
различных операций кузнечно-штамповочного производства.
3
Введение
ВВЕДЕНИЕ
Данное учебное пособие является составной частью учебно-методического комплекса «Теория процессов кузнечно-штамповочного
производства» [1] и включает краткий конспект лекций, методические материалы в виде контрольных задач и вопросов и задания для проведения
практических занятий.
Кузнечно-штамповочное производство является заготовительной
базой машиностроения и металлургии, поэтому изучение теории процессов
КШП является
необходимым условием для подготовки специалистов в об-
ласти обработки металлов давлением (ОМД).
Целью дисциплины «Теория процессов ковки и штамповки» является
формирование навыков самостоятельного решения как аналитических, так
и экспериментальных задач для конкретных технологических процессов
кузнечно-штамповочного производства в рамках создания условий реализации современных инновационных образовательных программ многоуровневой подготовки.
Она предназначена для подготовки магистров
и предусматривает изучение методов расчета формоизменения и энергосиловых параметров таких видов обработки металлов давлением, как свободная ковка, объемная и листовая штамповка.
В соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 22.04.02
«Металлургия» задачами дисциплины являются формирование знаний,
умений и навыков,
отражающих общекультурные, общепрофессиональные
и профессиональные компетенции.
Теоретические положения и научная база для расчетов операций
кузнечно-штамповочного производства [1–17] были разработаны в трудах
многих ученых, среди которых такие зарубежные исследователи, как
Э. Зибель, Г. Закс, Т. Карман, В. Джонсон, Э. Томсен, А. Надаи, В. Лодэ,
Р. Хилл, Ш. Кабояши и др. Среди отечественных
ученых большой вклад
в развитие теории процессов ковки и штамповки внесли С. И. Губкин,
Е. П. Унксов, И. М. Павлов, В. С. Смирнов, А. Д. Томленов, А. И. Целиков,
Л. А. Шофман, В. Т. Мещерин, В. Н. Выдрин, И.А. Норицын, И. Я. Тарновский, О. А. Ганаго, А. А.
Поздеев, В. П. Романовский, П. И. Полухин,
Г. Я. Гун, Я. М. Охрименко, Е. А. Попов, Е. Н. Семенов, М. В. Сторожев,
Л. Г. Степанский, В. Л. Колмогоров, А. В. Коновалов, Д. И. Суяров и др.
4
Введение
В пособии с использованием результатов этих исследований изложены основные элементы теории процессов операций листовой штамповки,
ковки и объемной штамповки.
Материалы первых двух изданий учебного пособия «Элементы расчетов процессов обработки металлов давлением» применялись в течение
ряда лет для обучения студентов специальности «Обработка металлов давлением» и магистров по направлению 22.04.02 «Металлургия
».
5
Г л а в а 1. Теория процессов листовой штамповки
Г л а в а 1 ТЕОРИЯ ПРОЦЕССОВ
ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ
Основной задачей теоретического изучения процессов
листовой штамповки, одного из наиболее прогрессивных технологических
методов производства в обработке металлов давлением, является аналитическое и экспериментальное определение напряженно-деформированного
состояния металла, вычисление величины допустимых степеней деформации и расчет силовых условий процесса. Не менее важны при этом механизм деформирования заготовки, характер и степень
факторов на процесс формоизменения, а также их расчетная оценка с целью исключения брака и повышения точности штампованных деталей.
Процессы листовой штамповки находят применение практически во
всех отраслях производства: приборо- , автомобиле-, тракторо- и самолетостроении, оборонной промышленности и др. В качестве достоинств листовой
штамповки можно отметить следующие: возможность
с минимальной металлоемкостью, разнообразной формой, высокой точностью и хорошим качеством их поверхности; экономичное использование
металла со сравнительно небольшими отходами; высокая производительность труда вследствие простоты автоматизации и механизации технологических процессов. Наибольшее распространение холодная листовая
штамповка получила в крупносерийном и массовом производстве, где
большие масштабы выпуска позволяют применять
вершенные штампы.
Все операции листовой штамповки условно делят на три группы:
формоизменяющие (вытяжка, гибка, отбортовка), разделительные (вырубка,
пробивка, отрезка) и комбинированные, сочетающие несколько операций
(вырубка-вытяжка, формовка и пробивка). Последняя группа по способу
объединения нескольких операций в одном технологическом процессе делится на совмещенную, последовательную и совмещенно
штамповку.
Разделительные операции листовой штамповки по типу используемого инструмента (оборудования) включают резку металла ножницами
(заготовительные операции) и резку металла штампами.
влияния отдельных
получения деталей
технически более со-
-последовательную
1.1. Резка листового металла ножницами
Для холодной листовой штамповки листовые металлы
с помощью ножниц предварительно разрезают на полосы или заготовки
6
1.1. Резка листового металла ножницами
B
D
необходимых размеров. Основные типы ножниц, применяемых в листоштамповочных цехах (рис. 1.1), следующие: с параллельными ножами
(рис. 1.1, а); с наклонными ножами (рис. 1.1, б); дисковые (рис. 1.1, в);
вибрационные (рис. 1.1, г). Первый тип ножниц используется для резки узких и толстых металлических полос и неметаллов. Ножницы с наклонными
ножами (гильотинные) применяются для резки
щиной S
и шириной B, а дисковые ножницы – для резки рулонного металла
0
металлических листов тол-
и обрезки кромок лент. Вибрационные ножницы используют значительно
реже (для получения штучных заготовок криволинейной формы).
S0
а б в г
Рис. 1.1. Схемы резки на ножницах: а – с параллельными ножами; б – наклонными;
z
в – дисковыми; г – вибрационными
В процессе резки (рис. 1.2) заготовка толщиной S
подвергается воз-
0
действию верхнего и нижнего ножей, при этом на нее действует усилие P.
Под действием момента, образованного парой сил, заготовка начинает поворачиваться и давит на боковую поверхность ножей, вследствие чего возникает сила бокового давления Т. Для предотвращения поворота заготовки
и снижения величины Т используют прижим. Верхний нож,
внедряясь
в заготовку на величину h, вызывает появление скалывающих трещин, направленных под углом к вертикальной плоскости. При правильно выбранной величине зазора z = (0,05–0,10)S
скалывающие трещины со сто-
0
роны верхнего и нижнего ножей совпадают, образуя поверхность разделения. Величину внедрения ножей можно определить по формуле h = S
где = F
растяжение; F
– величина относительного сужения, найденная из опытов на
0/Fш
, Fш – соответственно начальная площадь и площадь попе-
0
0
речного сечения образца в момент образования шейки. Глубина внедрения
h до появления трещин колеблется от 0,1 до 0,5 толщины заготовки, уве-
личиваясь с ростом пластичности металла.
В соответствии с изложенным механизмом деформирования металла
при резке выделяют стадию упругих деформаций, стадию пластических
,
7
Г л а в а 1. Теория процессов листовой штамповки
P
P
H
H
деформаций и стадию скалывания. Их продолжительность зависит от пластичности штампуемого металла, состояния поверхности инструмента
и скорости деформации. В соответствии с этими стадиями происходит изменение усилия деформации Р (рис. 1.3, а) по длине пути Н: на первой стадии –
медленное нарастание усилия (смятие и образование очага деформации); на
второй – значительный рост (сдвиговая
деформация) до максимального значения; на третьей – быстрое падение усилия вследствие скола. Проанализировав графики для различных типов ножниц (рис. 1.3, б), можно отметить,
что усилие резки на ножницах с параллельными ножами (кривая 1) значительно выше, чем усилие резки на гильотинных ножницах (кривая 2).
S0
P P
h
S0
h
T
z
Рис. 1.2. Схема резки
T
1
2
а б
Рис. 1.3. Диаграммы усилия: а – постадийное изменение усилия,
б – для резки ножницами с параллельными (кривая 1)
и наклонными (кривая 2) ножами
Для расчета усилия резки на гильотинных ножницах рассмотрим
бесконечно малый элемент площади среза df = dydx, находящийся на рас-
стоянии x от точки О (рис. 1.4). Усилие, необходимое для разрезки элемента при внедрении ножа на величину dy, выразится соотношением dP =
8
ср
1.1. Резка листового металла ножницами
x
A
x1 x
A CB
dy dx, где ср – сопротивление срезу. Из подобия треугольников ОАB
и ОCD можно записать dy= h (x/x
dP =
h (x/x1) dx. При увеличении длины пути h длина реза x1 стремится к
ср
величине B. С учетом того, что h = S
).Тогда, подставив значение dy, получим
1
, B = S
0
/tg, усилие резки может быть
0
выражено формулой
xB
df
Phdx
0
x
xhB
cp cp cp
11
2
22
xtg
O
S
2
0
=2–6
.
о
dy
S
0
dx
dy
h
D
B
Рис. 1.4. Схема для расчета усилия резки на гильотинных ножницах
Из полученной формулы видно, что с увеличением угла наклона но-
жей усилие резки снижается. Однако при увеличении угла увеличивается
работа деформации и усиливаются потери на изгиб и искажение заготовки,
которые можно приближенно характеризовать с помощью таких величин,
как прогиб полосы N и угол скручивания .
В табл. 1.1 приведены формулы для
расчета энергосиловых параметров (усилия P, работы деформации A и крутящего момента M) при резке
металла на различных типах ножниц. Здесь k =1,0–1,3 – коэффициент, учитывающий условия резки, =0,3–0,75 – коэффициент, зависящий от рода
и толщины металла;
– временное сопротивление разрыву.
в
Таблица 1.1
Тип ножниц
Энергосиловые параметры
Ножницы с параллельными ножами
PkBS
APS
0 ср
tgAPB
0
Ножницы с на-
клонными ножами
2
S
Pk
0cp
2
tg
Дисковые нож-
ницы
2
0,52S
Pk
0cp
tg
0,5 sinMPD
Вибрационные
ножницы
PkS
2
0 в
Ph
9
Г л а в а 1. Теория процессов листовой штамповки
Данные формулы используются для выбора оборудования при про-
ектировании технологического процесса листовой штамповки.
1.2. Резка металла штампами
Основными операциями резания металла штампами
(рис. 1.5) являются вырубка и пробивка, и их можно представить в виде
отделения одной части заготовки от другой по замкнутому контуру с помощью пуансона диаметром d
рубке часть заготовки, которая остается на матрице, является отходом,
а при пробивке та же часть заготовки является деталью. Так же, как и при
резке ножницами, процесс резки состоит из трех стадий: упругой, пластической и скалывания. При этом последовательно происходит упругий изгиб с вдавливанием по
кольцевому пояску со стороны матрицы и пуансона,
возникновение изгибающего момента (выпучивание) и образование трещин со стороны матрицы и пуансона.
и матрицы диаметром dм (рис. 1.5, а). При вы-
п
d
п
S
0
d
м
а б
Рис. 1.5. Схема операции (а) и напряженно-деформированное состояния (б)
при резке металла штампами
Особенностью напряженно-деформированного состояния является
различие схем напряженно-деформированного состояния в разных частях
деформируемой заготовки (рис. 1.5, б). Непосредственно под режущей
кромкой пуансона создается напряженное состояние объемного сжатия,
а над режущей кромкой матрицы – напряженное состояние с напряжениями
радиального растяжения. Первое более благоприятно для пластического
течения металла, а второе – менее благоприятно и
способствует возникновению микротрещин в зоне резания. В центральной части заготовки схема
напряженного состояния плоская и отсутствуют осевые сжимающие напряжения.
10