1 Конструктивно-технологический анализ детали

Деталь представляет собой цилиндрический стаканчик с фланцем без отверстия , имеющий углубление на дне стакана, материал детали Х18Н10Т. Деталь представлена на рис.1.

Материал: Х18Н10Т ; лист: 0,5×1000×2000 мм ГОСТ 19904-90; программа выпуска N=4·10⁴.

Рисунок 1 – Изготовляемая деталь

Выделим операции изготовления детали:

1. Резка листа на полосы

2. Вырубка круглых заготовок из полосы

3. Вытяжка детали с фланцем

4. Формовка дна.

Под технологичностью детали следует понимать такое сочетание основных элементов ее конструкции, которое обеспечивает наиболее простое изготовление в производстве и высокие качества в эксплуатации.

При конструировании штампуемых деталей необходимо учитывать технологические особенности различных штамповочных операций.

При изготовлении данной детали следует, учитывать следующие требования.

Требования, предъявляемые к деталям, получаемых путем вырубки:

• Форма детали должна быть по возможности простой, без резких переходов, узких и длинных открытых прорезей и консольных участков. В нашем случае формы вырубаемой заготовки простая – круг.

• Следует стремиться к тому, чтобы не назначать допусков повышенной точности, так как это удорожает стоимость штампа и приводит к неполному использованию его в эксплуатации.

Требования, предъявляемые к деталям, получаемых путем вытяжки и формовки:

• Необходимо по возможности избегать весьма сложных и несимметричных форм вытягиваемых деталей, прибегая к ним лишь в случае явной конструктивной необходимости

• Радиус сопряжения внутренних стенок с дном r для материалов толщиной от1 до 6 мм составляет от 2 до 10 мм. Эти значения могут быть уменьшены в случае необходимости до величины r_n (0,1 – 0,3)s и r_m (0,2 – 0,4)s, но только при введения дополнительной операции – формовки. Рекомендуемый радиус сопряжения дна и стенок при вытяжки цилиндрического стаканчика r2s. В нашем случае, r=4мм 2s= 1мм→ r>2s

• При конструировании деталей, получаемых вытяжкой, следует стремиться к возможно меньшей высоте, с тем чтобы деталь можно было получить за одну-две операции. Установлено, что за одну операцию можно получить полое цилиндрическое изделие без фланца высотой H(0,5 – 0,7)d. В нашем случае деталь изготавливается вытяжкой в один переход.

Вывод: в результате выполнения конструктивно-технологического анализа установлено, что данная деталь технологична для изготовления операциями листовой штамповки.

Основные операции технологического процесса:

1. Контроль входной;

2. Резка листа на полосы;

3. Вырубка и вытяжка в штампе совмещенного действия;

4. Формовка;

5. Обрезка фланца;

6. Контроль качества;

7. Упаковка;

8. Сдача на склад готовой продукции.

В данной работе проектируется штамп совмещенного действия вырубка-вытяжка. Для операций выполняемых в этом штампе будут производиться дальнейшие расчеты.

2 Анализ напряженно-деформированного состояния металла

Вырубка

При вырубке круглых деталей штампами в металле возникают следующее напряженно-деформированное состояние (см. рис. 2)

 - напряжения,  - деформации

Рисунок 2 - Схема вырубки металла штампом и образующееся при этом напряженно-деформированное состояние

В верхней зоне под рабочей плоскостью пуансона (малый материальный объем 1) в направлении 3 главной оси, совпадающей с нормалью к поверхности штампа, возникает напряжение сжатия; в радиальном направлении 1 главной оси (в плоскости чертежа) - напряжение растяжения и в тангенциальном направлении 2, перпендикулярном плоскости чертежа (перпендикулярном первым двум напряжениям), - незначительное сжатие. Соответственно выбранным главным направлениям вдоль оси 3 появляется деформация сжатия, вдоль оси 1 -деформация растяжения, а в направлении оси 2 - незначительная деформация растяжения. Согласно установленной классификации, в верхней зоне металла под пуансоном будет сдвиг, смежный со сжатием.

В нижней зоне над матрицей (малый объем II) в металле возникает в нормальном направлении 3 напряжение сжатия, в направлении оси 1 - напряжение растяжения и в тангенциальном направлении 2 - незначительное сжатие. Соответственно, вдоль оси 3 имеется деформация сжатия, вдоль оси 1 - деформация растяжения и вдоль оси 2 - незначительная деформация сжатия. Следовательно, в этой зоне будет сдвиг, смежный с растяжением.

В слоях металла на образующей поверхности разделения металла в направлении 3 главной оси, расположенной к линии АВ примерно под углом 45° (малые объемы III-V), возникают напряжения и деформации сжатия, а в перпендикулярном направлении вдоль оси 1-растяжения. Деформация и напряжение в тангенциальном направлении 2 невелики и могут быть приняты равными нулю. Такое напряженно-деформированное состояние соответствует (близко) сдвигу. Таким образом можно установить, что при вырубке круглых деталей в плоскости диаметрального сечения заготовки по линии разделения металла между режущими кромками пуансона и матрицы А В возникает плоское напряженно-деформированное состояние, близкое к сдвигу.

На основе проведенных исследований и в соответствии со схемой разрушения пластичного металла можно представить, что процесс резки - вырубки штампами протекает в три стадии следующим образом.

Первая стадия - упругая деформация и начало пластической деформации; пуансон вначале производит сжатие металла, появляется упругий прогиб, и металл слегка выдавливается в отверстие матрицы.

Вторая стадия - развитие пластической деформации; вблизи режущих кромок пуансона и матрицы создается концентрация напряжений, которая вызывает течение металла и образование зоны смятия. Это местное смятие будет развиваться до тех пор, пока по всей толщине металла не возникнут напряжения, достаточные для возникновения линий скольжения, которые, в свою очередь, образуют узкую пластическую зону в виде параллелепипеда (при отрезке) или объемное кольцо (при вырубке круглых деталей). В результате этих явлений развивается деформация сдвига, сопровождаемая изгибом и растяжением волокон, особенно при большом зазоре (свыше 20% для материалов толщиной до 10 мм), вплоть до начала образования скалывающих трещин.

Третья стадия - разделение металла; при дальнейшем опускании пуансона в момент, когда давление его будет соответствовать максимальному напряжению - сопротивлению срезу (сдвигу), в металле у режущих кромок штампа появляются скалывающие трещины, после чего происходит полное отделение вырубаемого (пробиваемого) контура.

Вытяжка

В случае вытяжки с прижимом без утонения материала и с зазором, большим толщины заготовки, можно принять следующую схему напряженно-деформированного состояния (рис.3).

 - напряжения,  - деформации

Рисунок 3- Схема напряженно-деформированного состояния отдельных участков заготовки при вытяжке

а) Дно частично образованного плоского цилиндра находится в плоско-напряженном и объемно-напряженном состоянии. При этом так как деформация металла – двустороннее равномерное растяжение в плоскости дна и осевое сжатие составляют на первой операции всего 1-3%, то практически ими можно пренебречь.

При многооперационном процессе вытяжки уже после второй-третьей операции толщина дна уменьшается.

b) Цилиндрическую часть, находящуюся в зазоре между пуансоном и матрицей, можно считать находящейся в линейно-напряженном и плоско-деформированном состоянии.

с) У донного закругления изделия в металле возникают напряжения в виде двухосного растяжения и одноосного сжатия, приводящие к значительному растяжению и утонению стенок в этом месте. Вследствие этого поперечное сечение тела здесь является наименее прочным и наиболее опасным с точки зрения отрыва дна от стенок изделия. Это опасное сечение и ограничивает возможность максимального использования пластических свойств штампуемого металла. Обычно утонение составляет 10-18%, в некоторых случаях (при отрыве дна) это утонение достигает 30% и более.

d) Часть находящаяся на закруглении рабочих кромок матрицы, испытывает сложную деформацию, вызванную одновременным пространственным изгибом, наибольшим радиальном растяжением и незначительным тангенциальным сжатием.

е) Часть заготовки, находящаяся под прижимным кольцом, находится в объемно-напряженном и объемно-деформированном состоянии. Однако при достаточно сильном прижиме можно считать ₂=0. В плоскостях фланца заготовки возникают радиально-растягивающие ₁ и тангенциально-сжимающие ₃ напряжения, а в перпендикулярном к ней направлении – осевые сжимающие напряжения ₂, причем ввиду небольшой величины ₂ на практике ими часто пренебрегают.

Радиально-растягивающие напряжения ₁, вызываемые давлением пуансона у края заготовки, равны нулю; по мере удаления от края заготовки к центу матрицы они возрастают, достигая наибольшей величины на входной кромке матрицы.

Тангенциально-сжимающее напряжение ₃, наоборот, у наружного края имеет наибольшую величину, а по мере удаления от края заготовки значения их уменьшаются.

Под действием напряжений тангенциального сжатия ₃, фланец заготовки утолщается и упрочняется; при недостаточном прижиме и тонком материале вследствие потери устойчивости это приводит к образованию складок.