2.3 Разделительные операции листовой штамповки

Исходным материалом для заготовок являются листы и ленты стандартного сортамента.

О перации выполняются механическими ножницами или отрезными штампами на прессах. Схема процесса резания листового материала ножницами представлена на рисунке 1.

1 – подвижный нож;

2 – неподвижный нож;

3 – заготовка;

4 – прижим.

Рисунок 1 - Схема процесса резания листового материала ножницами.

Под действием нормальной составляющей Р₁ усилия резания Р осуществляется процесс деформации сдвига, вместе с тем пара сил Р₁ образует крутящий момент М = Р₁ × а , изгибающий заготовку.

Усилие прижима Q удерживает заготовку от поворота. Тангенциальная составляющая усилия резания Р₂ отжимает режущий инструмент в направлении увеличения зазора Z между ножами. Усилие Т возникает в стадии упругой деформации заготовки и оказывает боковое давление на режущий инструмент.

Процесс резания состоит из 3-х стадий: упругой деформации, пластической деформации, и деформации среза (разрушения).

Усилие, необходимое для отрезки зависит от механических свойств материала заготовки, толщины листа, длины периметра отрезки и других факторов.

Ножницы с параллельными ножами применяются для резки узких полос из тонколистовых материалов, а также для резки неметаллических материалов (гетинакс, фибра и др.) (рисунок 2).

Р исунок 2 - Ножницы с параллельными режущими кромками

Усилие резания ножницами с параллельными режущими кромками определяется по формуле:

P = L × S × s_ср ,

где L – длина реза, мм;

S – толщина листа, мм;

s_ср – сопротивление материала срезу, кгс/мм².

Г ильотинные ножницы применяются для отрезки более толстых листовых материалов. Требуемое усилие резание здесь меньше, чем у параллельных (рисунок 3).

Рисунок 3 - Гильотинные ножницы

Усилие резания гильотинными ножницами определяется по формуле:

P = 0,5 × ( L × S × s_ср ) / tg j ,

где L – длина реза, мм;

S – толщина листа, мм;

s_ср – сопротивление материала срезу, кгс/мм²;

j – угол раствора ножниц, °.

Д исковые (роликовые) ножницы применяют для резки листов на полосы и ленты на более узкие ленты. В радиопромышленности дисковые (роликовые) ножницы применяют для резки широких полос металлической фольги и конденсаторной бумаги на полосы требуемой ширины (рисунок 4).

a - угол захвата роликовых ножниц

Рисунок 4 - Дисковые ножницы

Отрезку плоских деталей и заготовок по криволинейному или замкнутому контуру выполняют штампами. Штампы представляют собой специальную технологическую оснастку, изготовляемую для конкретных операции технологического процесса. Рабочими элементами штампа являются режущие кромки матрицы (неподвижной части штампа) и пуансона ( подвижной части штампа). Физические основы процесса резания в штампах аналогичны процессам резания ножницами.

На рисунке 5 показана схема вырубки детали штампом.

Существуют 3 стадии при разделении металла:

1) пуансон слегка сжимает и изгибает металл, вдавливая его в матрицу под действием силы P ;

2) продолжающееся вдавливание пуансона в металл вызывает перерезание волокон металла сверху (кромкой пуансона) и снизу (кромкой матрицы);

1 – пуансон;

2 – заготовка;

3 – матрица.

Рисунок 5 - Схема вырубки детали штампом

3) при дальнейшем движении пуансона, в металле появляются трещины скалывания. Эти трещины соединяются и, таким образом, одна часть металла отделяется от другой. Для того чтобы трещины скалывания сошлись, между пуансоном и матрицей необходим зазор Z/2 (на одну сторону) вполне определенной величины, зависящей от свойств, состояния и толщины материала заготовки.

Для повышения стойкости штампов рабочие поверхности пуансона и матрицы изготавливают из твердых сплавов ВХ 20ВС; ВК 25ВС

Раскрой с перемычками

Применяют для деталей имеющих размеры IT10-14 точности, а также деталей со сложным криволинейным контуром. Этот метод раскроя предполагает наличие минимально необходимых перемычек между смежными вырубками и между границами полосы и вырубки.

Ширина С (перемычки) зависит от точности размеров детали, механических свойств и толщины листа материала заготовки, сложности конфигураций детали и др. Числовое значение определяется по справочнику.

Величину усилия вырубки и пробивки определяют уравнением:

P=k × S × L × s_ср , (4)

где L – периметр вырубаемой детали, мм;

s_ср – сопротивление срезу, кгс/мм²;

S – толщина листа, мм;

k

прямой

наклонный

встречный

комбинированный

многорядный

– коэффициент, учитывающий взаимное положение режущих кромок пуансоны и матрицы: ели угол j =0, то кромки параллельны ( k = 1,25); если j >0 - ( k = 0,4 – 0,6).

Рисунок 6 - Раскрой с перемычками: прямой, наклонный, встречный, комбинированный, многорядный

Основное технологическое время операций вырубки зависит от числа рабочих ходов пресса в минуту n и определяется по формуле:

t_О = 1/n (5)

Процессы вырубки дают возможность наиболее рационально использовать исходный материал - листы, ленты. Это достигается наивыгоднейшим расположением вырубаемых деталей в полосе, т.е. оптимальным раскроем групповой заготовки-полосы, ленты.

На плотность расположения деталей в полосе оказывают влияние два основных фактора: точность размеров детали и конфигурация детали. С учетом этих факторов применяют два метода: раскрой с перемычками и раскрой без перемычек.

Раскрой без перемычек

Рисунок 7 – Раскрой без перемычек

Раскрой без перемычек применяют для деталей простой конфигурации с точностью размеров ниже IT14. Этот вид раскроя называют безотходным, так как коэффициент использования материала при этом близок к 100%:

К_ИМ = (F_d × n) / (B × L),

где n – число деталей, вырубленных из полосы;

F_d – площадь одной вырубленной детали;

B, L – ширина и длина соответственно полосы заготовки.

Для увеличения К_ИМ используют различные способы раскроя, наиболее эффективным из которых является комбинированный раскрой. При этом способе на одной полосе располагаются в определенном порядке разные детали, сочетание которых дает наилучшее использование площади заготовки.

Точность размеров деталей после вырубки и пробивки отверстий зависит от многих факторов:

1. точности исполнения рабочих поверхностей штампа;

2. способа вырубки (при безотходной вырубке погрешность возрастает);

3. механических свойств материала заготовки;

4. толщины листа и др.

Точность размеров, достигаемая при вырубке находится в пределах IT10…IT16. Для получения требуемой точности размеров детали соответствующие размеры штампа должны быть выполнены на 2 квалитета выше.

Для повышения точности применяют штампы с массивными направляющими колонками и с прижимом материала во время резки.

Гибка

Гибка -это процесс обработки давлением, в результате которого достигается изменение кривизны поверхностей плоских листовых и прямолинейных профильных заготовок.

Формоизменение в процессе гибки производится пластическим деформированием отдельных зон массы заготовки. Гибку выполняют штампами на прессах или специальных машинах и устройствах. Для получения точных размеров гибку заканчивают калибровочным ударом.

(а) (б)

1-пуансон;2-заготовка;3-матрица

Рисунок 7 – а) Схема гибки с калибровкой; б)Схема гибки без калибровки

Под действием усилия Р, приложенного к пуансону 1, заготовка 2 вводится в матрицу 3, где она в результате пластической деформации приобретает требуемую форму.

Схема напряженно- деформированного состояния материала заготовки в зоне упругопластической деформации

Рисунок 8 - Схема напряженно-деформированного состояния материала заготовки в зоне упругопластической деформации

Сжатие металла в очаге деформации, прилегающем к поверхности радиусом r. Растяжение в области, прилегающей к поверхности радиусом R.Линия X-Х раздела сжатых и растяжных волокон называется нейтральной линией. В процессе гибки нейтральная линия не изменяет своей длины, после гибки её длина остаётся равной длине заготовки. В результате процесса гибки в очаге деформации происходит упрочнение ME и другие изменения связанные с пластической деформацией.

Наибольшим деформациям растяжения подвергаются волокна расположенные на поверхности радиусом R.

С уменьшением радиуса гибки R возрастают внутренние напряжения и относительная деформация волокон, это в конечном счёте приводит к деформации разрушения - разрыву, который проявляется в виде трещин. Следовательно, для каждого материала и толщины S листа существует минимально допустимый радиус гибки R_min например, для дюралюминия твёрдого R_min=3,0S мм, для мягкого R_min=1,5S, для сталей R_min=0,6S мм. R_min, r_min в зависимости от материала и S приводятся в справочниках и ОСТах.

Основное технологическое время операции гибки определяется по формуле:

Т_o = 1/n, ()

где n- число рабочих, ходов пресса (мин.)

Пружинение детали после гибки.

В процессе гибки заготовки пластическая деформация сопровождается упругой, которая исчезает после действия пуансона, при этом происходит отклонение взаимного положения поверхности детали.

Рисунок 9 - Пружинение детали после гибки.

Величина упругой деформации определяется разностью этих углов a₁ = a_о-a.

Для уменьшения пружинения применяют следующие методы:

- гибку с утоньшением боков стенок;

- использование матрицы или пуансона со скоком под углом b;

- гибку с калибровкой.

Для устранения погрешности, вызывают упругую деформацию детали при гибке, в процессе конструирования матрицы вводят соответственную поправку на угол между её рабочими поверхностями.

Для определения длины заготовки, для получения требуемых размеров детали после гибки, используется условие (равенство) неизменности длины нейтральных линий до и после гибки

Рисунок 10

Длину нейтральных линий, равную длине заготовки, определяют уравнением:

L=a + b + p - a(r+n ^. S)/180, ()

где n - коэффициент, зависящий от толщины S листа заготовки.