§ 132. Технология листовой штамповки

Все многообразные по размерам и по конфигурации детали, получаемые листовой штамповкой, обычно изготовляют, применяя поочередно отдель­ные элементарные операции.

Операции листовой штамповки отличаются друг от друга характером течения металла, а следовательно и характером изменения формы заготовки в данной технологической операции.

Все операции листовой штамповки можно разделить на две группы: разделительные операции, в которых одну часть заготовки отделяют от другой, и формоизменяющие операции, в которых имеет место перемещение одной части заготовки относительно другой без ее разрушения (в пределах пласти­ческих деформаций).

К числу разделительных операций относятся отрезка, вырубка, про­бивка.

К числу формоизменяющих операций относятся, гибка, вытяжка, обжим, отбортовка, формовка.

Отрезка. Отрезкой называется операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру. Отрезку чаще применяют как заготовительную операцию, дающую разделение листа на полосы заданной ширины. Отрезку обычно осуществляют на ножницах, что дает разделение заготовки по прямой линии. Основными типами ножниц являются ножницы с поступательным движением режущих кромок (параллельные и гильотинные) и с вращатель­ным движением режущих кромок (дисковые ножницы). Схема действия этих типов ножниц приведена на фиг. 200.

Гильотинные ножницы и ножницы с параллельными режущими кром­ками являются специализированными кривошипными прессами с большой длиной ползуна, соответствующей длине линии отрезки.

Для того чтобы при отрезке на гильотинных ножницах заготовку в про­цессе отрезки не выталкивало из-под ножей, угол между режущими кром­ками не должен превышать 15°. Обычно этот угол « берут равным 2—6°. Из этих же соображений диаметр дисковых ножей должен превышать тол­щину разрезаемой заготовки не менее чем в 50 раз.

Наличие скоса (угла между режущими кромками) у гильотинных нож­ниц позволяет уменьшать усилие, потребное для отрезки, по сравнению с усилием, потребным для отрезки на ножницах с параллельными режущими кромками. Это объясняется тем, что при отрезке на ножницах с парал­лельными режущими кромками отде­ление полосы идет одновременно по всей длине линии отрезки, в то время как при отрезке на гильотинных ножницах отделение полосы в каждый данный момент идет лишь на участке, длина которого уменьшается с ростом угла скоса.

Фиг. Схема действия ножниц ножниц.

Усилие, потребное для отрезки на ножницах с параллельными режу­щими кромками, определяют по формуле

P = BS

Усилие, потребное для отрезки на гильотинных ножницах, определяют по формуле

P = BS

В этих формулах:

— сопротивление срезу (вырубке), равное 0,8—0,9 предела прочности

данного материала; S— толщина материала; В — длина линии отрезки (ширина листа); — угол скоса верхнего ножа.

Вырубка и пробивка. Вырубка — операция отделения части заготовки ко замкнутому контуру, причем отделяемая часть является изделием.

Пробивкой называется отделение части заготовки по замкнутому-контуру, причем отделяемая часть является отходом (получение отвер­стий).

Эти две операции отличаются друг от друга только по назначению, так как процесс деформирования заготовки и конструкция рабочего инстру­мента для этих: операций

по существу одинаковы.

Вырубку и пробивку осуществляют пуансоном, вдавливающим отделяе­мую часть заготовки в отверстие матрицы. Для успешного выполнения этих операций нужно, чтобы рабочие кромки пуансона и матрицы были острыми, а зазор между пуансоном и отверстием матрицы (на одну сторону) был равен .5—10% толщины заготовки. При этих условиях процесс деформирования заготовки протекает, как это показано на фиг. 201. Пуансон, надавливая на заготовку, изгибает ее, после чего вследствие концентрации напряжений на режущих кромках пуансона и матрицы начинается разрушение металла, в то время как средняя часть заготовки будет изгибаться с растяжением. При определенной для каждого металла глубине погружения пуансона от режу­щих кромок начнут образовываться трещины, направленные в толщину

Фиг. 201. Последовательность деформир-

ования при вырубке. Фиг. 202. Схема процесса гибки.

металла и составляющие с осью пуансона малый угол, величина которого в основном зависит от характеристики металла заготовки.

При правильно выбранном зазоре между пуансоном и матрицей тре­щины в определенный момент встретятся, и на этом процесс отделения заго­товки по существу заканчивается, так что дальше пуансон только проталки­вает заготовку в отверстие матрицы.

При недостаточном зазоре поверхность среза получается рваной, ступен­чатой. Излишне большой зазор и притупление режущих кромок приводят к затягиванию металла в зазор и к образованию заусенцев.

При пробивке, когда заданы размеры отверстия, поперечные размеры пуансона следует брать равными размерам отверстия, а размеры отверстия матрицы следует увеличить по сравнению с размерами пуансона на величину зазора.

При вырубке размеры отверстия матрицы берут равными размерам изделия, а размеры пуансона — на зазор меньше.

Усилие вырубки и пробивки при плоских параллельных рабочих торцах пуансона и матрицы определяют по формуле

где L — периметр изделия или отверстия, остальные обозначения анало­гичны предыдущим.

При вырубке изделий больших габаритов для уменьшения потребного усилия на матрице делают скосы, а при пробивке скосы делают на пуансоне.

Гибка является формоизменяющей операцией, которая дает изменение направления оси заготовки.

Схема формоизменения заготовки при гибочной операции представлена на фиг. 202. Из приведенной схемы видно, что в процессе изгиба одни слои заготовки в месте изгиба сжимаются, а другие растягиваются, причем чем меньше внутренний радиус изгиба, тем больше будет относительное сжатие одних слоев и относительное растяжение других. Слой заготовки, не испыты­вающий ни растяжения, ни сжатия, называется нейтральным. При уменьшении отношения r/s нейтральный слои смещается к внутренней поверхно­сти заготовки (при r/s > 4 значение p = r + 0,5S; при r/s = 1 значение

p = r + 0,4S, где р — радиус нейтрального слоя).

Минимальный радиус изгиба нужно подбирать таким образом, чтобы не было разрушения наружных растягиваемых слоев заготовки. Минимальный радиус изгиба r_min = (0,25 - 3) S, где S — толщина заготовки. Чем пластич­нее материал, тем меньший радиус изгиба можно применять при гибке.

После снятия внешних усилий заготовка несколько распружинивает, обычно с увеличением угла, на который она была согнута.

Пружинение является следствием упругих деформаций, когда сжатые предварительно слои стремятся удлиниться, а растянутые—сжаться, Угол пружинения колеблется от 0 до 10° и возрастает с увеличением радиуса изгиба, с уменьшением толщины и с ростом прочностных характеристик изгибаемого металла.

Усилие гибки можно приближенно определить по следующей формуле:

P =

где _ь — предел прочности;

В — ширина изгибаемой заготовки, остальные обозначения те же, что и раньше.

В тех случаях, когда в конце гибки заготовка подвергается правке, удельное давление правки в зависимости от рода материала берется равным 3—10 кг1мм^%.

Длину заготовки для получения изогнутого изделия заданных разме­ров определяют разверткой по нейтральному слою, считая, что длина изде­лия по нейтральному слою равна длине заготовки.

Вытяжка — операция, превращающая плоскую заготовку в полую Деталь или полуфабрикат.

Плоскую исходную заготовку для вытяжки обычно получают вырубкой.

Заготовка для изготовления тел вращения представляет собой диск определенного диаметра.

Схема операции вытяжки приведена на фиг. 203, а. Как видно из схемы, пуансон, нажимая на среднюю часть заготовки, вдавливает ее в отверстие матрицы. Средняя часть заготовки, опускаясь в отверстие матрицы, тянет за собой остальную кольцевую часть заготовки (фланец). В результате этого край заготовки, уменьшаясь в диаметре, приближается к кромке отверстия матрицы. К концу операции вытяжки пуансон протягивает всю заготовку через отверстие матрицы.

Для снижения концентрации удельных давлений на кромке пуансона и матрицы, что уменьшает вероятность разрыва заготовки, радиус скруглния кромки матрицы и пуансона берут равным r_п = (4 ч- 6) S; r_м = (5 - 10) S. Также из соображений уменьшения вероятности разрушения заготовки зазор между пуансоном и матрицей устанавливают равным z = (1,1 - 1,3) S.

Кроме указанных выше факторов, возможность разрушения заготовки во время вытяжки зависит еще и от отношения диаметра заготовки к диа­метру вытянутого стакана. Чем больше это отношение, тем труднее втянуть фланец в отверстие матрицы, тем больше будут растягивающие радиальные напряжения на переходе от донышка к фланцу. Если растягивающие напряжения возрастут до значения, равного пределу прочности, то произой­дет прорыв донышка вытягиваемого изделия.

Для того чтобы в процессе вытяжки не было разрушения заготовки, отношение диаметра заготовки к диаметру изделия, называемое коэффи­циентом вытяжки, на практике для обычно штампуемых металлов берут

К_в = D₃/d_изд (1,5 - 2), принимая большие значения для более пластичных

металлов.

Вследствие того что фланец заготовки деформируется при растяжении в радиальном направлении и сжатии в тангенциальном направлении, тол­щина заготовки в процессе вытяжки изменяется незначительно (у донышка

Заготовка Пуансон Изделие,

Заготодка

Пуансон

,

Матпица

Фиг. 203. Схема операций вытяжки: а — первая вытяжка; б — последующая вытяжка,

толщина несколько меньше, а по краю изделия несколько больше толщины исходной заготовки). Учитывая это обстоятельство, можно считать, что площадь поверхности изделий будет равна площади исходной заготовки для вытяжки, что позволяет определить размеры заготовки.

Если за одну вытяжную операцию при указанных коэффициентах вы­тяжки невозможно изготовить изделие с заданным отношением высоты к диаметру, то изготовление изделий осуществляют за несколько вытяжных операций.

В последующих вытяжных операциях -заготовкой является вытянутая в предыдущей операции чашка (полуфабрикат), имеющая больший диаметр, чем диаметр конечной детали (изделия). В последующих операциях вытяжки имеет место уменьшение диаметра полуфабриката, что при условии постоян­ства поверхности заготовки приводит к увеличению его высоты.

Схема последующей вытяжки представлена на фиг. 203, б. Коэффициент вытяжки для последующих операций несколько меньше, чем для первой, и в первой, и в последующих операциях вытяжки вследствие сжатия фланца заготовки в тангенциальном направлении при определенном соотношении между шириной фланца и толщиной заготовки может начаться процесс складкообразования вследствие как бы продольного изгиба (в тангенци­альном направлении) фланца заготовки.

С целью предупреждения образования складок фланец заготовки при помощи прижимного кольца прижимают к рабочему торцу матрицы.

Величина усилия прижима, потребного для предотвращения появления складок, может быть определена по формуле

P_np = [^D2₃-(d_изд+2r_м)]

где q= (0,1 - 0,4) кг/мм² — удельное давление прижима.

Схема: вытяжки с прижимом показана на фиг. 204. Различают жесткий и подвижной прижимы.

Жесткий, или неподвижный, прижим устанавливают в штампе с таким расчетом, чтобы зазор между прижимным кольцом и рабочим торцом матрицы был немного больше толщины заготовки.

При подвижном прижиме усилие прижима в данном случае создается пру­жинами, резиновым вкладышем или сжатым воздухом.

В процессе холодной вытяжки металла упрочняется и пластические его свойства понижаются. Поэтому на практике при необходимости изготовить деталь за несколько вытяжных операций промежуточные заготовки (полу­фабрикат) в виде вытянутых чашек обычно подвергают межоперационному отжигу с последующими

П ервая вытяжка Вторая вытяжка травлением для снятия окалины, промывкой . и сушкой.

Фиг. 204. Схема вытяжки с прижимом

Так как при вытяжке трение по рабочим поверх­ностям матрицы и при­жимного кольца вызывает возрастание растягиваю­щих напряжений в стенке чашки и способствует обрыву донышка, то вытяжку обычно ведут со смазкой, снижающей величину коэффициента трения.

В качестве смазки для сложной вытяжки применяют минеральные масла, чистые или с наполнителями в виде порошкообразного графита, мела или талька.

Для простых случаев вытяжки (с малыми коэффициентами вытяжки) в качестве смазки применяют мыльные эмульсии.

Усилие вытяжки цилиндрических изделий можно определить по формуле Л. А. Шофмана:

P =

где b = 1,2 при 100S/D₃ < 1 и b = 1,0 при 100S/D₃ > 1.

Для последующих вытяжек без промежуточных отжигов b = 2,3 при вытяжке без прижима и b =2,7 при вытяжке с прижимом. При наличии промежуточных отжигов b = 1,6 при вытяжке без прижима и b = 1,9 при вытяжке с прижимом.

В тех случаях, когда требуется получить полую деталь с толщиной стенки, меньшей толщины донышка, применяют вытяжку с утонением, при которой зазор между пуансоном и матрицей берут меньше толщины заготовки (полу­фабриката).

Отбортовка есть операция, в которой из плоского участка заго­товки с отверстием путем раздачи отверстия получают горловину (борт).

Схема отбортовки приведена на фиг. 205. Радиус скругления пуансона следует брать в 5—10 раз больше исходной толщины заготовки, а для сравнительно малых отверстий пуансон следует брать сферический или конический.

Для того чтобы по краю отверстия не было трещин (разрушения) при операции отбортовки, следует принимать допустимое увеличение диаметра отверстия, оцениваемое коэффициентом отбортовки:

K_om=d_изо/d_omв = 1,4 – 1,6

Высота получающегося в результате отбортовки борта или же диаметр необходимого для отбортовки отверстия могут быть определены по формуле Б. П. Звороно:

Загтовка Изделие

D_omв = D₁- (r_м + s/2) – 2h

Пуассон

Обозначения в формуле ясны из Фиг.205

Обжимом называется операция, дающая уменьшение диаметра краевой части вытянутого полуфабриката. Схема операции обжима приведена на фиг. 206.

Фиг. 205. Схема отбортовки.

В этой операции рабочим инструмен­том является по существу одна матрица, в которую заталкивается обжимаемая заготовка. Обжимаемая заготовка прини­мает форму

рабочей полости матрицы. Чтобы не было складок на обжатом краю заготовки, а также чтобы не было посадки цилиндрической части обжи­маемой заготовки, уменьшение диаметра краевой части заготовки берут

в пределах d_заг/d_изд = 1,2 - 1,3.

Формовка — операция, дающая изменение формы заготовки или полуфабриката посредством местных деформаций растяжения.

Частными случаями формовки являются изготовление ребер жесткости, увеличение диаметральных размеров средней части вытянутого полуфабриката и т. д.

Схема деформирования в операции формовки представлена на фиг. 207.

Формовку с раздачей средней части вытянутого полуфабриката осуще­ствляют при помощи резинового вкладыша, стальных шариков или же жидкости, которые обеспечивают боковое давление на стенки полуфабриката при воздействии на них осевого давления пуансона и легко удаляются из отштампованной детали (изделия).

При формовке с раздачей средней части вытянутой заготовки матрица должна быть разъемной.

Раскрой материала. Изготовление любой детали из листового металла осуществляют последовательным применением операций листовой штамповки, число и характер которых определяют в зависимости от размеров и , конфигурации заданной детали с учетом значения допустимых степеней деформации за одну операцию.

Знание типа применяемых операций листовой штамповки позволяет определить конфигурацию и размеры плоской заготовки, потребной для получения заданного изделия. После установления размеров и конфигура­ции заготовки следует определить наивыгоднейший раскрой исходного металла (полоса, лист, лента), который сводится к такому относительному расположению последовательно вырубаемых заготовок, при котором отход металла будет минимальным.

Для получения более чистого среза вырубленной заготовки, а также для уменьшения заусенцев и коробления заготовки рекомендуется вести вырубку с перемычкой, и лишь в тех случаях, когда к заготовке не предъявляют повышенных требований в отношении точности и качества среза, можно при­менять вырубку без перемычек. Ширину перемычек обычно берут равной одной - двум толщинам исходного металла. Учитывая, что ширина перемычки влияет на величину отхода, ее следует брать по возможности меньшей.

Отход металла в процентах определяют как отношение площади поверх­ности высечки (полоса после вырубки) к площади поверхности исходной полосы.