§79. Технологический процесс

Выбор варианта, технологического процесса листовой штамповки и заготовительных работ зависит от объема выпуска, типа производства, формы изделия, материала, из которого оно изготовляется, специальных требований, предъявляемых к выпускаемой продукции, и других факторов.

При разработке технологических процессов очень важно просмотреть детали с точки зрения их технологичности. Иногда незначительные изменения конструкции и формы деталей могут существенно упростить технологический процесс, снизить расход металла и трудоемкость их изготовления. Эти вопросы должны совместно решаться технологами и конструкторами.

Как известно, листовые детали можно изготовлять различными способами. Плоские детали, например, можно получать в обыкновенных металлических штампах, но можно применять универсальные и пластинчатые штампы, штамповать по элементам, вырезать резиновым или полиуретановым пуансоном, двухдисковыми (роликовыми) или высечными (вибрационными) ножницами. Столь же обширен диапазон способов и средств при получении пространственных и в том числе полых деталей. Их можно изготовлять в металлических и пластмассовых штампах, в штампах с жидкостным или эластичным пуансоном или матрицей, создавать при штамповке различные температурные режимы в зонах формоизменения и зонах передачи усилия (вытяжка с подогревом), штамповать вакуумом, изготовлять обкаткой или раскаткой, использовать различные виды импульсной штамповки (взрывная, электрогидравлическая, магнитная и др.), формовать растяжением на обтяжных или других прессах, придавать форму ударами падающего молота, выколачивать вручную на болване:

Классификация процессов и операций холодной штамповки.

Операции листовой штамповки разделяются на две группы: разделительные и формоизменяющие. При разделительных операциях происходит полное или частичное отделение одной части материала от другой. Формоизменяющие операции приводят к изменению формы и размеров заготовки или полуфабриката и перераспределению в них материала. Часто операции одной группы или обеих групп совмещаются, в результате создаются сложные операции и комбинированная штамповка. Характерным примером сложной операции, в которой совмещаются операции обеих групп, является надрезка с отгибкой. Классификация процессов штамповки может также производиться по способу приложения нагрузки (статическая, динамическая, импульсная), по виду инструмента (жесткие, жидкие, эластичные, газовые пуансон или матрица), по форме заготовки (плоская, пространственная)*. Изучению операций и технологических процессов листовой штамповки посвящена специальная литература, поэтому ниже кратко рассмотрены только основные операции,' оказывающие преимущественное влияние на технологический процесс и организацию производства в цехе.

Штампуемость материалов. Наряду с геометрией, конструктивными требованиями, прочностью, точностью и пр. важнейшим фактором, влияющим на выбор технологического процесса изготовления листовых деталей, является материал детали. В ряде случаев технологу предоставляется возможность совместно с конструктором изделия выбрать материал для детали, обладающий наилучшей технологичностью, имея при этом в виду в первую очередь формоизменяющие операции и особенно глубокую вытяжку как предъявляющие наиболее высокие требований к штампуемости материала, иначе, говоря, к его пластичности при соответствующих схемах напряженно - деформированного состояния, величине и соотношений между напряжениями и деформациями.

При выборе штампуемого- материала следует руководствоваться его химическим составом, механическими свойствами, состоянием поверхности, штампуемостью, размерами и допусками. Все упомянутые характеристики регламентируются соответствующими стандартами на классификацию, технические условия и сортамент материалов.

Пригодность материала для штамповки характеризуется в какой-то мере его механическими свойствами. С увеличением относительного удлинения штампуемость материала растет, а с увеличением твердости падает. Чаще всего для вытяжки используется листовая сталь. Наибольшей способностью к вытяжке обладают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,05—0,14%. Но сами по себе в отдельности механические показатели не позволяют судить о способности материала к вытяжке. Необходим комплекс механических и технологических показателей, чтобы получить хотя бы качественное представление о вытяжной способности материала. Одним из таких показателей является отношение предела текучести _т к пределу прочности при растяжений _в. У сталей для глубокой вытяжки это отношение находится в пре-делах 0,65—0,7.

Другим показателем, определяемым при испытании на растяжение, является равномерное удлинение. (В ГОСТах на штампуемые материалы этот показатель не включен). Чем больше равномерное удлинение, тем штампуемость лучше. Особенно это заметно при вытяжке деталей типа оболочек (например, крыша автомобиля), когда материал в полости матрицы подвергается сильному растяжению, ибо теоретически и экспериментально установлено, что при двухосном растяжении допустима большая интенсивность деформации до потери устойчивости (т.е. до образования шейки), чем при одноосном. Так, при симметричном двухосном растяжении интенсивность деформаций до потери устойчивости вдвое больше, чем равномерное удлинение (выраженное в логарифмических деформациях) при одноосном растяжении, и соответственно допустимо в четыре раза большее уменьшение толщины материала.

Распространенным показателем по испытанию листовых материалов служит число Эриксена — глубина выдавливания лунки. Чем глубже лунка, тем материал лучше штампуется. В ГОСТах на штампуемые материалы число Эриксена указывается. У сталей, предназначенных для весьма глубокой вытяжки, глубина выдавленной лунки составляет 9...12 мм.

Из технологических показателей наиболее распространенным является коэффициент вытяжки т. Но он действителен только для цилиндрических деталей и деталей с вертикальными стенками, например коробчатых. Чем коэффициент т ниже, тем способность к вытяжке лучше. Коэффициент вытяжки цилиндрических деталей на первом переходе (вытяжка стаканчика из плоской заготовки) для большинства хорошо штампуемых материалов лежит в пределах 0,5...0,52, а коробчатых— 0,3..0,35. С увеличением относительной толщины материала (до известного предела) коэффициент вытяжки снижается (улучшается), а с уменьшением повышается (ухудшается)*.

Так как даже комплекс механических и общепринятых технологических испытаний не дает количественного представления о штампуемости и не служит гарантией, что за один переход удастся вытянуть деталь, а облицовочные автокузовные детали разрешается формовать только за один переход, иначе нельзя обеспечить идеально гладкую поверхность, без видимых на глаз переломов, то в практике автомобильной промышленности принято тонколистовую сталь для наиболее трудных по вытяжке деталей заказывать по штампуемости. Под этим подразумевается проверка материала на штамповке той детали или группы деталей, для которой этот материал предназначен. Такая проверка осуществляется на самих металлургических заводах.

Большое влияние на технологические свойства и штампуемость стали имеют: химический состав, структурная форма углерода, величина и форма зерен феррита, образование полос скольжения при деформировании. При плохом качестве листовой стали при вытяжке наблюдаются разрывы материала в местах наибольшей концентрации неметаллических включений. Для получения хорошей вытяжной способности, листовой стали необходимо, чтобы в ней, содержалось не более 0,5% марганца, 0,03% кремния, 0,03% серы, 0,02% фосфора, ибо они резко ухудшают ее пластичность.

Неприятным явлением при вытяжке является образование на поверхности деталей полос скольжения (линии сдвига Чернова — Людерса). Это неустранимый дефект, недопустимый для многих деталей, на- ' пример для облицовочных автокузовных деталей. Полосы скольжения образуются у листовых материалов, на диаграмме растяжения которых есть площадка текучести. К числу их принадлежит листовая качественная углеродистая сталь, алюминиевые сплавы и пр. Площадку текучести, а следовательно, и образование полос скольжения можно предотвратить, если непосредственно перед вытяжкой материал или заготовки подвергнуть вальцовке, (степень деформации 1—2%), так как вследствие процессов старения через 1—2 ч площадка текучести восстановится и полосы скольжения вновь образуются при вытяжке.

В последнее время все более широкое применение находит нестареющая автокузовная тонколистовая сталь (ГОСТ 9045—59), раскисленная алюминием (0,02...0,07%) или ванадием (0,02...0,04%). У этой стали полосы скольжения не образуются, и она обладает хорошей вытяжной способностью.

Неблагоприятное влияние на процесс вытяжки оказывает разно - толщинность листового материала и в большинстве случаев анизотропия.

Вырубка, отрезка, обрезка, пробивка. Раскрой материала (отрезка заготовок) производится на ножницах в заготовительном: отделении цеха. При массовом и крупносерийном производствах исходный материал в виде ленты или полосы, а иногда и рулона может поступать в штамповочные отделения, минуя заготовительное отделение.

В этом случае отрезка или вырубка заготовки осуществляется на штамповочной линии прессов.

Плоские детали могут быть получены непосредственно вырубкой из исходного материала без предварительной отрезки заготовки. Если у пространственной детали есть отверстия или проемы вблизи или на деформируемых участках, то вырубка или пробивка их выполняется после формоизменяющих операций, чтобы в результате деформации они не сместились и их контур и размеры не изменились. Нередко в деталях предусматриваются технологические отверстия для облегчения течения металла или для фиксации заготовки при ее формоизменении. Такие отверстия пробиваются до формоизменяющих операций.

После придания детали окончательной формы обычно предусматривается обрезка ее по контуру для получения ровных краев и обеспечения необходимых размеров.

Все перечисленные операции при массовом, крупносерийном и серийном производствах выполняются на кривошипных прессах, а в мелкосерийном и индивидуальном производствах — на приводных ножницах. Очень удобны при этом двухдисковые (роликовые) и особенно высечные (вибрационные) ножницы, позволяющие получать любые криволинейные очертания. Плоские детали в мелкосерийном и индивидуальном производствах можно также штамповать по элементам, использовать для их изготовления универсальные и пластинчатые штампы, вырубать резиновым или полиуретановым пуансоном.

В зависимости от серийности производства и геометрических параметров деталей вырубка может быть однорядной и многорядной. Наиболее прогрессивным видом вырубки является многорядная, способствующая повышению коэффициента использования металла. Если при однорядной вырубке круглых заготовок коэффициент использования металла составляет 55%, то при шахматной двухрядной 0,6% и трехрядной 0,65%. Однако многорядную вырубку деталей следует применять в соответствии с экономической целесообразностью. Например, для мелкосерийного производства деталей затраты, произведенные на Изготовление штампа дли многорядной вырубки, не всегда окупаются (см. гл. XVI).

При массовом и крупносерийном производствах деталей относительно небольших размеров, требующих многооперационной штамповки, вырубные операции совмещаются с другими штамповочными операциями. В таких случаях целесообразно использовать комбинированные штампы или многопозиционные прессы-автоматы.

Гибка. Гибку применяют для изготовления из листового или полосового материала профилей, труб, а из проволоки — разнообразных деталей и полуфабрикатов. Гибка может быть самостоятельной операцией, позволяющей сразу получать деталь или полуфабрикат требуемой формы, или одной из последовательных формоизменяющих операций, например после вытяжки.

Весьма важным моментом при гибке является радиус гиба. Если радиус гиба меньше минимально допустимого, то на внешней поверхности детали в месте гиба появятся трещины или материал разрушится по всему поперечному сечению. Чтобы получить у детали радиус гиба меньше минимального, приходится предусматривать после гибки подсадку радиусов или калибровку, иногда с промежуточным отжигом или осуществлять стесненный изгиб по способу, предложенному Г.В.Проскуряковым. Величина минимального радиуса гиба зависит от рода материала, его состояния (отжиг, термообработка), отношения радиуса гиба к толщине заготовки, угла гиба и расположения волокон. Как правило, гибка вдоль волокон менее благоприятна, чем поперек волокон, ибо допускает меньший радиус гиба. При раскрое материала это надо учитывать.

Гибка всегда сопровождается пружинением. Поэтому угол гиба у детали отличается от угла рабочей части инструмента. При назначении размеров гибочного инструмента всегда следует вносить поправку на пружинение или осуществлять гибку с подчеканкой. В авиационной и других отраслях промышленности в целях уменьшения пружинения гибку осуществляют с растяжением.

Гибка в штампах производится без прижима и с прижимом заготовки. Первая позволяет получать детали невысокой точности (7-Й -класс), так как заготовка при гибке смещается, вторая—более точные детали (5-й класс). Повысить точность (3...4-й класс) можно, если обеспечить при гибке надежную фиксацию заготовки, например с помощью технологических отверстий.

Гибка в штампах производится на кривошипных прессах, реже фрикционно-винтовых (только без прижима заготовки). Гибка узких длинномерных деталей типа уголков производится на специальных листогибочных (кромкогибочных) прессах. При массовом и крупносерийном производствах гнутых профилей применяются специальные профилировочные роликовые машины. Детали же из профилей получают гибкой на специальных гибочных станках, снабженных копировальным устройством. Есть также станки для гибки деталей из профилей с растяжением.

Гибка труб в зависимости от материала, диаметра или размеров поперечного сечения (если труба не круглая), толщины стенки и радиуса гиба производится без наполнителя или с наполнителем (песок, канифоль, гибкие оправки, пластинки). Для гибки труб используются специальные трубогибочные станки или она производится в штампах на кривошипных прессах.

В массовом и крупносерийном производствах для изготовления небольших деталей из ленты или проволоки используют универсальные и специальные гибочные автоматы. В мелкосерийном производстве для гибки деталей можно использовать универсальные штампы, зигмашины и пр.

Вытяжка. Вытяжкой получают в штампах полые листовые детали, открытые с одной стороны. Различают два вида вытяжки: вытяжку без преднамеренного утонения стенок детали и вытяжку с заданным утонением стенок детали.

Вытяжку без преднамеренного утонений независимо от глубины получаемой детали часто называют глубокой вытяжкой; Она может быть по характеру напряженно-деформированного состояния и форме < исходной заготовки разбита на три группы. В первую группу входит вытяжка из плоской заготовки деталей, имеющих вертикальные или близкие к вертикальным стенки — цилиндрических, коробчатых и др. Во вторую - вытяжка из плоской заготовки деталей типа оболочек различной формы и кривизны, получаемых в штампах с сильным натяжением материала, для чего часто применяют пороги или перетяжные ребра. И, наконец, к третьей группе относится вытяжка всех прочих деталей и любых деталей на втором и последующих переходах.

В настоящее время сравнительно полно разработана теория вытяжки цилиндрических деталей на всех переходах. По имеющимся формулам можно уверенно рассчитать и построить технологический процесс, сконструировать штампы и выбрать прессы для вытяжки цилиндрических деталей. Примерно в таком же положении экспериментально (но гораздо слабее в теоретическом отношении) находится вытяжка коробчатых деталей, даже если она производится за один переход. Многопереходная вытяжка деталей сложной формы разработана слабо. Еще в худшем положении находится вытяжка деталей типа оболочек. При назначении технологического процесса для вытяжки таких деталей приходится главным образом базироваться на опыте вытяжки аналогичных деталей, ибо обоснованных данных для разработки технологического процесса нет. В этом отношении наиболее трудна и ответственна разработка технологического процесса штамповки облицовочных автокузовных деталей автомобиля, ибо, как уже указывалось, вытяжка этих деталей должна выполняться только за один переход.

Вытяжка может осуществляться с прижимом заготовки и без прижима. Подавляющее большинство деталей штампуется с прижимом. Без прижима можно штамповать только неглубокие цилиндрические детали из относительно толстых материалов (S/D ≥0,05...0,1, где S— толщина материала, D—диаметр заготовки). При бесприжимной штамповке деталей глубиной до 200—250 мм можно использовать кривошипные прессы простого действия. Для более глубоких деталей из-за небольшого хода ползуна прессы простого действия, не применимы. Прессы простого действия можно также использовать и при вытяжке деталей с прижимом. Однако для вытяжки деталей сложной формы и особенно деталей второй группы их возможности очень ограничена, так как пневматические, гидропневматические, буферные и другие прижимные устройства создают усилие прижима, не превышающее 20...25% величины номинального усилия пресса, которое в большинстве случаев явно недостаточно. Для вытяжки подобных деталей применимы только прессы двойного действия. У многих современных прессов двойного действия усилие наружного ползуна, предназначенного дли прижима заготовки, равно усилию внутреннего ползуна. Крупные детили сложной конфигурации, требующие помимо прижима заготовки прямую и одновременно обратную вытяжку, целесообразно штамповать на прессах тройного действия.

При вытяжке ряда материалов, малопластичных при комнатной температуре, например магниевых и титановых сплавов, необходим нагрев фланца заготовки и охлаждение стенки и дна штампуемой детали. Нагрев осуществляется от матрицы и прижимного кольца, внутри которых заложены трубчатые электронагревательные элементы (ТЭНы), а охлаждение — от пустотелого пуансона, внутри которого протекает вода. Подогрев эффективен также и при вытяжке деталей сложной формы (но с вертикальными стенками) из материалов, обладающих хорошей штампуемостью при комнатной температуре, но требующих, если их штамповать при комнатной температуре, несколько переходов. Между тем, если применить подогрев, многие из таких деталей удастся получить за один переход и, следовательно, отпадает необходимость в изготовлении большого количества сложных по конфигурации и дорогих штампов, ибо подогрев резко улучшает вытяжную способность почти всех материалов. Так, при применении подогрева коэффициент вытяжки при штамповке цилиндрических деталей из алюминия и его сплавов, латуни и низкоуглеродистой стали снижается с 0.5...0.52 до 0.38...0.4.

Для штамповки цилиндрических деталей, требующих большого количества переходов, более эффективен способ вытяжки в штампах с реактивной матрицей. Он позволяет без операционных отжигов получать детали с общим коэффициентом вытяжки при штамповке из низкоуглеродистой стали 0,14, алюминия 0,16, никеля 0,2. Число переходов по сравнению с обычной вытяжкой при этом несколько увеличивается, так как на переходах назначаются повышенные коэффициенты вытяжки,, но зато отпадает необходимость в межоперационных отжигах (нарушающих поточность производства), нагревательных устройствах и травильных отделениях, так что экономичность способа очевидна, особенно если штамповка производится на многопозиционном прессе.

В массовом и крупносерийном производствах целесообразно возможно более широкое применение непрерывного материала (рулон, лента). Вытяжку мелких деталей при этом можно выполнять непосредственно в ленте. Штамповка из непрерывного материала облегчает автоматизацию производственных процессов. В связи с автоматизацией встает вопрос не только о возможно более полном использовании числа ходов у прессов, но и применении более быстроходных прессов. Опыты показывают, что для разделительных операции (отрезка, вырубка) здесь имеются огромные резервы, так как повышение скорости позволяет улучшить качество реза и повысить стойкость штампов. Зарубежные фирмы выпускают прессы с числом ходов в 1000, 1500 и более в минуту, специально предназначенные для разделительных операций.

Сложнее обстоит дело с влиянием скорости при вытяжных и других формоизменяющих операциях штамповки. Эксперименты и теоретические исследования свидетельствуют о том, что при вытяжке малогабаритных деталей простой формы типа стаканчиков или коробок увеличение скорости даже до 100 м/с лишь незначительно ухудшает коэффициент вытяжки и только при скорости порядка 300 м/с, когда в деформируемом материале развиваются заметные силы инерции, его штампуемость ухудшается. Что касается вытяжки деталей сложной формы типа оболочек двойной кривизны, то здесь данные разноречивы. Особенно, по-видимому, опасно увеличение скорости при вытяжке деталей, у которых должна быть глянцевая поверхность, например облицовочных автокузовных. С возрастанием скорости на диаграмме растяжения металлов расширяется площадка текучести и, следовательно на поверхности штампуемого материала могут появиться полосы скольжения и она станет шероховатой, что для таких деталей недопустимо. В настоящее время поэтому при увеличении у вытяжных прессов числа ходов используют двухскоростные муфты или другие механизмы или применяют для вытяжки листоштамповочные прессы с шарнирным приводом (например, фирма «Шулер» ФРГ), обеспечивающие при общем увеличении числа ходов неизменную или даже пониженную скорость на рабочем участке хода пресса. Принятые в настоящее время в промышленности скорости вытяжки составляют для низкоуглеродистых сталей 0,15...0,3 м/с, нержавеющих сталей 0,1...0,15 м/с, алюминия и его сплавов 0,5...0,9 м/с, меди и латуней 0,4... 1 м/с.

Вытяжка в штампах является не единственным способом изготовления полых деталей. В зависимости от типа производства могут быть использованы и другие способы изготовления полых деталей (см. стр. 208).

К формоизменяющим операциям, изменяющим форму заготовки путем местных пластических деформаций различного характера, относятся. рельефная формовка, отбортовка, закатка, обжим и др. Наиболее распространенной операцией является рельефная формовка, заключающаяся в образовании местных углублений и выпуклостей вследствие местного растяжения материала. Рельефная формовка применяется при изготовлении различных листовых деталей, имеющих ребра жесткости или другую рельефную поверхность.

Формовка растяжением. В последнее время за рубежом и

в СССР при изготовлении относительно неглубоких полых листовых деталей вместо вытяжки стали внедрять формовку растяжением. Формовку растяжением можно применять для изготовления деталей при г_пов/S≥15…20, где г_пов — радиус кривизны поверхности, S — толщина материала. Этому условию удовлетворяют многие листовые детали, но преимущественно крупные и среднегабаритные. При формовке растяжением заготовка неподвижно зажимается в матрице по двум противоположным концам. При опускании пуансона, рабочая часть которого имеет форму детали, заготовка, облегая пуансон и одновременно растягиваясь, принимает его форму. Окончательную форму, если при облегании и растяжении это не удается, а также рельефы у детали можно получить в конце штамповки в том же штампе. Для этого торец пуансона и дно полости матрицы должны иметь одинаковую форму и соответствующий рельеф, а формовка растяжением должна совмещаться с калибровкой и рельефной формовкой, происходящими в конце процесса при ударе пуансона с облегающей его заготовкой о дно матрицы.

Формовка растяжением, по сравнению с вытяжкой, обеспечивает значительную экономию листового материала, так как в отличие от нее происходит за счет растяжения и одновременного утонения материала, находящегося в полости матрицы, а не за счет деформации материала, поступающего при вытяжке с поверхности матрицы из-под прижима. В отличие от вытяжки при формовке растяжением не требуется широкий фланец по всему периметру заготовки. Необходим лишь небольшой припуск по двум противоположным концам заготовки для неподвижного закрепления ее в матрице.

Деталь, образующаяся при формовке растяжением, имеет более высокую жесткость и лучшее качество поверхности, чем при вытяжке. Особенно большое значение это имеет для облицовочных деталей автомобиля. Формовкой растяжением можно изготовлять целый ряд кузовных и в том числе облицовочных деталей автомобиля — крыши, панели дверей, капот, крышку багажника и др.

Комбинированная штамповка. Многие листовые детали изготовляют за несколько операций. Такие детали, если позволяют габариты, следует стремиться штамповать на многопозиционных прессах или использовать для их изготовления комбинированные (последовательные или совмещенные) штампы.

Применение комбинированных штампов оправдывается, когда достигаемая при этом величина годовой, экономии выше, чем годичные капитальные затраты на их изготовление и ремонт, ибо стоимость комбинированных штампов выше, чем простых.