Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
13.4. Листовая штамповка Листовой штамповкой называют способ получения плоских и пространственных деталей, при котором листовой материал пластически деформируется в холодном состоянии при помощи штампов. Исходным материалом для листовой штамповки служит металлопрокат в виде полос, листов, рулонов, лент, труб, а также листовые неметаллические материалы. Рис. 13.22. Схемы накатки: а - плоскими плашками; б - роликом-сегментом. 312 Рис. 13.23. Схемы радиальной раскатки: а – открытой; б – закрытой; в - полых заготовок качающимся инструментом. Наиболее распространенными материалами для листовой штамповки являются углеродистые и легированные стали, широко используются также такие листовые материалы, как алюминий, медь, никель, титан и их сплавы. Из неметаллических материалов методами листовой штамповки обрабатывают бумагу, картон, резину, натуральную и искусственную кожу, войлок, слоистый и неслоистый пластики, различные синтетические материалы. Листовая штамповка применяется для изготовления самых разнообразных деталей, в том числе деталей кузовов и кабин автомобилей, летательных аппаратов, электрических машин, изделий народного потребления и др. Широкое распространение листовой штамповки объясняется рядом достоинств этого вида металлообработки. К ним относятся: высокая точность и чистота поверхности деталей, как правило, не требующих дальнейшей механической обработки; высокая прочность деталей при незначительной их массе; высокая производительность процесса; возможность полной автоматизации процесса; существенная экономия металла; низкая себестоимость изготовляемых деталей. 313 Операции листовой штамповки в соответствии с ГОСТ 18970-84* подразделяют на две основные группы: разделительные и формоизменяющие. К первой группе операций относятся отрезка, вырубка, пробивка, обрезка, зачистка и др. Перечисленные операции характеризуются отделением одной части заготовки от другой по незамкнутому или замкнутому контуру. Формоизменяющие операции характеризуются изменением формы исходной заготовки без ее разрушения. К ним относятся, гибка, вытяжка, формовка, отбортовка, правка и др. Часто (особенно в массовом и серийном производстве) операции листовой штамповки осуществляются комбинированно, т.е. одновременно выполняются несколько операций в одном штампе. В зависимости от способа сочетания операций комбинированную штамповку подразделяют на: совмещенную, последовательную и последовательно - совмещенную. Совмещенная штамповка позволяет получать деталь за один ход ползуна пресса или за одну установку заготовки в штампе. При последовательной штамповке детали изготовляют за несколько ходов ползуна пресса при последовательном перемещении заготовки от одной позиции штампа к другой за каждый ход. Последовательно – совмещенная штамповка – комбинированная штамповка, совмещающая в одном штампе функции последовательной и совмещенной штамповки. Разделительные операции Схемы основных разделительных операций приведены на рис. 13.24. 314 Рис. 13.24. Схемы основных разделительных операций: а - отрезка; б – разрезка с отходом; в – разрезка без отхода; г – вырубка; д – надрезка; е – проколка; ж – пробивка; з – обрезка; и – зачистка; к – высечка; л – просечка; 1 – упор; 2 – пуансон; 3 – прижим; 4 – исходный материал; 5 – матрица; 6 – заготовка (деталь); 7 – отход; 8 – выталкиватель; 9 – подкладная плита. С их помощью осуществляется отрезка рулонного и листового проката на ленты и полосы, вырубка плоских деталей различной формы, получение заготовок для последующей штамповки пространственных пустотелых деталей и т.п. Отрезка – полное отделение одной части заготовки от другой по незамкнутому контуру путем сдвига. Отрезка применяется как 315 заготовительная операция для получения заготовок в виде полос для последующей штамповки. Для отрезки применяют ножницы с параллельными ножами, с наклонными ножами (гильотинные) и дисковые (роликовые) ножницы. Ножницы с параллельными ножами ( 13.25, а) применяют для отрезки узких ровных полос или заготовок от металлических листов, а также от листов из неметаллических материалов типа гетинакс, текстолит, картон и др. Разрезаемый лист укладывают на стол с неподвижным нижним ножом, усилием Рпрж прижимают с помощью специального механизма к столу ножниц. При движении верхнего ножа лист одновременно перерезается по всему сечению. Рис. 13.25. Схемы резки на ножницах: а – гильотинных; б – дисковых; 1 - исходный материал; 2 – подвижный нож; 3 - заготовка (деталь); 4 – неподвижный нож; 5 – нож – диск. Качество отрезки во многом зависит от качества заточки ножей и зазора z между ними. Оптимальная величина зазора зависит от толщины листового металла и его механических свойств. Зазор между ножами должен составлять z = (0,03…0,06)s, где s- толщина разрезаемого листа. При большей величине зазора отрезка сопровождается образованием значительного заусенца по кромкам листа и возрастанием боковых усилий, распирающих ножи. На ножницах с наклонными ножами (гильотинных) в отличие от ножниц с параллельными ножами режущая кромка верхнего ножа установлена под углом к нижнему ножу вследствие чего, отрезке подвергается, не все сечение листа, а только определённая его часть. Поэтому усилие отрезки на 316 гильотинных ножницах меньше, чем усилие на ножницах с параллельными ножами. Недостатком рассматриваемых ножниц является изгиб отрезаемой полосы в направлении движения верхнего ножа. Для тонких листов это не имеет существенного значения, но отрезанные полосы из толстых листов перед дальнейшей штамповкой должны быть подвергнуты дополнительной операции- правке. Отрезка на дисковых ножницах ( 13.25, б) осуществляется с помощью двух дисков- ножей диаметром, вращающихся в противоположные стороны с одинаковыми угловыми скоростями. Заготовка действием сил трения втягивается между ножами и разрезается аналогично отрезке на гильотинных ножницах. Если на гильотинных ножницах длина отрезаемой полосы не может быть больше длины ножей, то при отрезке на дисковых ножницах длина отрезаемой полосы неограниченна. Дисковые ножницы с одной парой дисков применяют для резки листов на полосы и для получения заготовок с криволинейным контуром. На рассматриваемых ножницах можно вырезать круглые заготовки с минимальным диаметром до 200 мм. Многодисковые ножницы состоят из нескольких пар дисковых ножей и применяются для разделения листового и рулонного материала на полосы, для продольной резки рулонного проката (роспуск рулона на ленты), а также для обрезки рулонов и лент по ширине. Благодаря одновременной отрезке, многодисковые ножницы обеспечивают высокую точность по ширине отрезки, высокую производительность и качество поверхности среза. Вырубка и пробивка являются операциями разделения листового материала по замкнутому контору, причём при вырубке часть материала, находящаяся внутри этого контура, является деталью или полуфабрикатом для дальнейшей обработки, а при пробивке – отходом. Вырубку (пробивку) ( рис. 13.26, а) осуществляют в штампе, рабочими частями которого являются подвижный пуансон 1 и неподвижная матрица 2. 317 Рис. 13.26. Вырубка: а – схема; б – стадии вырубки; в – чистовая вырубка; 1 – подвижный пуансон; 2 – неподвижная матрица; 3 – контрпуансон; 4 – отход; 5 - прижимное кольцо; P – усилие вырубки; I, II, III – стадии вырубки; D 1 …D 4 движения элементов системы. Процесс вырубки (пробивки) можно условно разделить на три стадии ( рис. 13.26, б). На первой стадии листовая заготовка слегка прогибается, происходит вдавливание острых кромок рабочих частей штампа в металл. При дальнейшем увеличении усилия, у этих кромок сосредотачивается пластическая деформация, которая по мере опускания пуансона распространяется на всю толщину листового металла. Во второй стадии процесса вблизи острых кромок инструмента происходит пластическая деформация металла заготовки по всей толщине. Часть металла, находящаяся под пуансоном сдвигается относительно неподвижной заготовки, лежащей на матрице. Вторая стадия заканчивается, когда ресурс пластичности листового металла оказывается исчерпанным. На третьей стадии образуются скалывающие трещины которые, быстро развиваясь, вызывают отделение вырубаемой детали. При дальнейшем движении пуансон проталкивает деталь через рабочую зону матрицы, преодолевая сопротивление трения между деталью и инструментом. Для повышения точности деталей и качества поверхности среза применяется чистовая вырубка и пробивка. Наиболее широкое применение нашла чистовая вырубка и пробивка с предварительным сжатием заготовки при малом зазоре между пуансоном и матрицей. Особенность этих процессов 318 заключается в том, что заготовка перед вырубкой-пробивкой сжимается вблизи очага деформации кольцевым клиновидным ребром, выполненным за одно целое с прижимным кольцом штампа. При этом напряжённое состояние в очаге деформации близко к условиям всестороннего сжатия, что ведёт к повышению пластичности металла и препятствует возникновению скалывающих трещин. Отделение одной части заготовки от другой происходит в результате сдвига под действием касательных напряжений, что позволяет получить высокую точность размеров изделия и чистую боковую поверхность. Чистовую вырубку с предварительным локальным сжатием заготовки проводят в штампе ( рис. 13.26, в). Прижимное кольцо 5 прижимает заготовку к матрице 2 (движение – D1), при этом происходит внедрение клиновидного ребра в заготовку. Затем пуансоном 1 вырубают деталь 6 (D2) и заталкивают её а матрицу, преодолевая противодавление контрпуансона 3. При обратном ходе (D3) отход снимают прижимным кольцом с пуансона, а вырубленную деталь выталкивают (D4) из матрицы контрпуансоном и удаляют из рабочего пространства штампа. Нормальные сжимающие напряжения, создаваемые прижимным кольцом, должны быть не менее предела текучести материала заготовки. Чистовая вырубка (пробивка) требует специализированного оборудования и высокоточных дорогостоящих штампов, что не всегда экономически целесообразно. В ряде случаев достаточно высокое качество деталей, получаемых вырубкой и пробивкой, может обеспечить применение операции зачистки, заключающейся в срезании припуска на боковых поверхностях деталей. Размеры деталей подвергаемых зачистке, не превышают 150…200 мм при толщине материала 3…4 мм. Зачистка более крупных деталей связана с трудностями, возникающими при изготовлении штампов. Зачистку деталей толщиной свыше 3…4 мм (до 8…10 мм) выполняют за несколько операций. Зачисткой обрабатывают заготовки из цветных металлов и их сплавов (медь, латунь, алюминий и др.), низкоуглеродистой и коррозионно-стойкой сталей и 319 титановых сплавов. Ширина отделяемого зачисткой слоя материала всегда меньше толщины заготовки, процесс его отделения принципиально иной, чем при обычной вырубке и пробивке. Отделение припуска в виде стружки происходит постепенно, по мере опускания пуансона вплоть до опорной поверхности заготовки, а не путём скалывания, как при обычной вырубке и пробивке. В зависимости от того, какой контур обрабатывают (внешний или внутренний), работает только одна режущая кромка инструмента: режущая кромка матрицы ( 13.27, а) или режущая кромка пуансона ( 13.27, б). Кроме повышения точности и качества деталей зачистка позволяет механическим путём удалить упрочнённый слой, расположенный по контуру детали или отверстия, полученного обычной вырубкой или пробивкой. В листовой штамповке применяются также и другие разделительные операции: Разрезка – разделение заготовки или полуфабриката на части по не замкнутому контуру, может выполняться с отходом или без отхода. Надрезка – неполное отделение части заготовки, сопровождающееся её отгибкой. Проколка – образование в заготовке отверстия острым пуансоном без удаления металла в отход. Пробивка - образование в заготовке отверстия острым пуансоном с удалением металла в отход. Обрезка – удаление технологического припуска детали. Рис. 13.27. Схема зачистки наружного (а) и внутреннего (б) контура детали. Высечка – полное отделение заготовки или изделия по замкнутому контуру путём внедрения инструмента в материал исходной заготовки. Просечка – 320 образование отверстия в заготовке путём внедрения в неё инструмента с удалением части материала в отход. Операции высечки и просечки используются, в основном, для разделения неметаллических материалов. В себестоимости продукции листовой штамповки затраты на материал составляют 50…70%, поэтому наиболее эффективным способом снижения себестоимости является экономия материала за счёт снижения массы отходов. В связи с этим возникает проблема оптимизации раскроя листового проката. Существует три типа раскроя листового проката: с отходами, малоотходный и безотходный. При раскрое с отходами деталь (или заготовку) получают вырубкой по замкнутому контуру. Между деталями и кромкой полосы или листа оставляют перемычки ( 13.28, а). Раскрой с перемычками по всему контуру применяют при штамповке деталей, имеющих по преимуществу криволинейные очертания и повышенную точность размеров. Различают два вида перемычек: между краями соседних деталей (a 1 ) и между краями детали и кромкой листа или полосы (a), последние называют боковыми перемычками, они в 1,15…1,3 раза больше, чем перемычки между деталями. Это объясняется возможными отклонениями размера полосы по ширине (в пределах допуска) и возможной не прямолинейностью её боковых кромок. Перемычки должны быть достаточно жёсткими, их ширина зависит от толщины штампуемого материала и его механических свойств, длины прямолинейных участков штампуемой детали (чем она больше, тем больше упругие деформации перемычки), конструкции штампа и других факторов. В зависимости от перечисленных факторов ширина перемычек изменяется от 1,0 до 3,2 мм при толщине металла менее 4 мм и от 2,5 до 6,5 мм – при толщине металла 4…10мм. Малоотходный раскрой характеризуется отсутствием боковых перемычек, при этом ширина полосы должна быть равна ширине штампуемой детали ( 13.28, б). Безотходный раскрой применяют при штамповке деталей, контур которых сопрягается друг с другом ( 13.28, в). При безотходном раскрое перемычки отсутствуют. 321 Рис. 13.28. Типы раскроя: а – с отходами; б – малоотходный; в – безотходный; а1 – перемычка между деталью и кромкой листа (полосы); а – перемычка между деталями. Различают шесть основных видов раскроя деталей (или заготовок), область применения которых определяется формой и размерами штампуемых деталей ( рис. 13.29). При штамповке деталей простой геометрической формы (прямоугольной, овальной и т.п.) применяют прямой раскрой; при штамповке деталей Г – образной или другой сходной формы – наклонный раскрой; детали Т – и Ш – образной формы целесообразно штамповать с применением встречного раскроя; комбинированный раскрой применяют при штамповке деталей различной формы, но одинаковой толщины из одного и того же материала (мелкие детали располагаются в промежутках между деталями больших размеров). При штамповке деталей небольших размеров в крупносерийном и массовом производстве применяют многорядный раскрой. При изготовлении мелких и весьма узких деталей (например, стрелок часов) из мерной полосы или ленты применяют раскрой с вырезкой перемычек. Это единственный вид раскроя, когда преднамеренно повышается отход металла в целях увеличения площади поперечного сечения пуансона для пробивки окон (повышается стойкость пуансона). 322 Рис. 13.29. Основные виды раскроя. Формоизменяющие операции Схемы основных формоизменяющих операций показаны на рис. 13.30. Гибка - одна из наиболее распространённых формоизменяющих операций, позволяющая получать изогнутые пространственные детали из плоской или профильной заготовки (листа, труб и тому подобное). При наиболее универсальной свободной гибке (рис. 13.31, а) заготовка контактирует с инструментом только в трёх точках, не прилегая к поверхности пуансона и матрицы. Требуемый угол изгиба обеспечивается регулированием хода пуансона. При одноугловой гибке с правкой детали в конце хода (рис. 13.31, б) обеспечивается повышенная точность детали по сравнению со свободной гибкой. Двухугловая гибка с прижимом металла показана на рис. 13.31, в. 323 Рис. 13.30. Схемы основных формоизменяющих операций: а - гибка; б - завивка; в - калибровка; г - правка; д - вытяжка; е - вытяжка с утонением; ж - комбинированная вытяжка; з - отбортовка; и - раздача; к - обжим; л - рельефная формовка; м - закатка; н - чеканка; о - скручивание. Рис. 13.31. Схемы гибки: а – свободная; б – одноугловая; в – двухугловая При гибке наряду с пластической деформацией происходит значительная упругая деформация материала, поэтому форма детали после гибки отличается от формы пуансона и матрицы. Величина упругой деформации (пружинения) зависит от механических свойств и толщины штампуемого материала, радиуса гибки, усилия в момент доштамповки (правки) и других факторов. Чем больше: предел прочности материала и радиус гибки, чем меньше толщина материала и усилие доштамповки, тем больше пружинение. Для устранения пружинения применяются различные методы: корректировку формы гибочного инструмента на угол пружинения; уменьшение радиуса гибки; введение в конструкцию детали рёбер жёсткости, пересекающих линию изгиба; правку детали после гибки, т.е. приложение дополнительного 324 усилия сжатия изогнутой детали между рабочими поверхностями инструмента, применение специальных машин и штампов, при помощи которых заготовка не только изгибается но и растягивается (или сжимается) продольными силами. Разновидностью гибки является завивка. При выполнении этой операции плоские участки листовой заготовки изгибают, придавая им форму цилиндрической поверхности. Завивка применяется, например, при изготовлении оконных и дверных петель. Вытяжкой называется операция получения полых деталей из плоской или полой заготовки. Схема процесса вытяжки цилиндрической детали приведена на рис. 13.32. Рис. 13.32. Схемы вытяжки: а – из плоской заготовки без прижима; б - из полой заготовки без прижима; в – из плоской заготовки с прижимом; 1 – пуансон; 2 – матрица; D – диаметр заготовки; d – диаметр стакана. Под действием пуансона 1 плоская или полая заготовка диаметром D проталкивается через отверстие в матрице 2 и принимает форму цилиндрического стакана диаметром d. Детали, получаемые вытяжкой, в зависимости от относительной высоты штампуют в одну или несколько операций. При многооперационной вытяжке вначале из плоской заготовки получают полый полуфабрикат (по схеме, приведённой на рис. 13.32, а, в), затем на последующих операциях производят вытяжку увеличивая высоту детали с одновременным уменьшением её поперечных размеров (рис. 13.32, б). 325 В процессе вытяжки разные участки заготовки находятся в различных напряжённо-деформированных состояниях. При вытяжке фланец находится в плосконапряжённом состоянии, в нём возникают тангенциальные напряжения сжатия и радиальные напряжения растяжения. При отсутствии прижима под воздействием тангенциальных напряжений фланец может потерять устойчивость, что приводит к складкообразованию. Стенки вытягиваемой детали подвергаются напряжениям растяжения. Под действием этих напряжений они получаются неодинаковой толщины по высоте. Наиболее опасным является участок стенки у дна детали. При неправильном выбранном коэффициенте вытяжки под действием растягивающих напряжений возможен отрыв дна от стенки детали. Кроме цилиндрических деталей вытяжкой можно получать и другие осе симметричные детали (конические, ступенчатые, полусферические), а также коробчатые детали и детали сложной формы (например, детали кузовов и кабин автомобилей, фюзеляжей самолётов и т.п.). Для повышения качества изделий, облегчения съёма деталей со штампов, увеличения стойкости инструмента применяют различные виды смазки. При выборе состава смазки необходимо исходить из того, чтобы она хорошо сцеплялась с поверхностью металла при вытяжке, не вступала в химические реакции с материалом заготовки и инструмента и не оказывала вредного воздействия на обслуживающий персонал. При вытяжке применяют различные смазки (в основном, с наполнителями), в состав которых входят веретенное масло, рыбий жир, мыльная вода, графит, мел, тальк и т.д. Смазку с изделий удаляют различными способами: горячим обезжириванием в щёлочных ваннах или бензине, электролитическим обезжириванием, ультразвуковой очисткой и другими. Отбортовкой называют операцию получения борта вокруг предварительно пробитого отверстия. Схема операции и примеры деталей, полученных с применением отбортовки, показаны на рис. 13.33. 326 Рис. 13.33. Схема отбортовки. Рельефная формовка - это получение местных углублений и выпуклостей за счёт местного растяжения и утонения материала. Её применяют для получения на различных деталях декоративных элементов, ребер жесткости, выступов и впадин, используемых для фиксации и т.п. Рис. 13.34. Схема раздачи. Раздача ( рис. 13.34) - местное или общее увеличение диаметральных размеров полой заготовки, в результате чего получают ступенчатые и фасонные детали (раструбы, воронки, переходники и другие) из предварительно вытянутой трубчатой или сварной заготовки. Раздачу выполняют с помощью жёсткого (цельного или разжимного) пуансона, а также с применением эластичной среды (резины, полиуретана, жидкости). В последнем случае раздачу осуществляют в штампах, имеющих матрицы с вертикальным разъёмом, который необходимо для извлечения детали после штамповки. Обжим ( рис. 13.35) - операция, с помощью которой уменьшают диаметр полой заготовки, получая на конце детали меньший диаметр и коническую переходную часть. Путём обжима изготовляют детали ступенчатой либо фасонной формы из полой цилиндрической заготовки или трубы. При обжиме усилие прикладывается к торцу заготовки, установленной в матрице. 327 Рис.13.35. Схема обжима. Правка - отделочная операция, применяемая для устранения неровностей поверхности и повышения точности размеров заготовок и деталей плоской и пространственной формы, изготовленных вырубкой, вытяжкой, гибкой и т.д. Плоские детали из тонкого материала (толщиной менее одного мм) подвергают правке в штампах с плоскими гладкими рабочими поверхностями, детали из более толстых материалов - в штампах, рабочие поверхности которых выполнены с насечкой (вафельные штампы). При правке деталей пространственной формы (для уменьшения радиусов закруглений и выпрямления дна, фланца и боковых стенок) применяют специальные штампы. Закатку применяют при выполнении кольцевого закругления по краю плоских или полых деталей, полученных вытяжкой для увеличения их жёсткости, получения элементов соединения, придания изделию декоративного вида и т.п. Последовательность процесса закатки при смыкании рабочих частей штампа показана на рис. 13.36. Габаритные размеры и форму исходной листовой заготовки под закатку рассчитывают по средней линии сечения листа, исходя из допущения, что происходит только изгиб. Чеканкой называется операция получения на поверхности детали выпукло - вогнутого рельефа за счёт некоторого перераспределения металла и заполнения им рельефных полостей штампа. Наиболее широко чеканку применяют для изготовления монет, медалей и т.д. Чеканка требует значительных удельных усилий, которые в зависимости от свойств деформируемого металла могут достигать 3000 МН/м 2 328 Рис.13.36. Последовательность (а. б .в. г) процесса закатки. В мелкосерийном производстве часто используются процессы листовой штамповки с использованием эластичных сред (резина, полиуретан) и жидкости. При этом существенно упрощается применяемая штамповая оснастка, так как один из рабочих инструментов штампа (пуансон или матрицу) заменяет универсальный блок из эластичного материала или жидкость. Эластичные среды позволяют выполнять как разделительные, так и формоизменяющие операции листовой штамповки. Их недостатками являются повышенный расход листового металла, низкая производительность, невысокая стойкость применяемых эластичных материалов. В единичном и мелкосерийном производстве (преимущественно при изготовлении крупногабаритных деталей типа днищ, полусфер ...) получили распространение высокоэнергетические методы штамповки, используемые в тех случаях, когда применение крупных прессов и штампов технически нецелесообразно и экономически невыгодно. В промышленности наибольшее применение получили: штамповка взрывом, электрическим разрядом в жидкости (электрогидроимпульсная штамповка) и силовым воздействием импульсного магнитного поля (магнитно-импульсная штамповка). Листовая штамповка применяется не только для изготовления деталей, но и для соединения (сборки) их между собой. Такие операции носят название штампо-cборочных. Примером могут служить навесные узлы кузова автомобиля (двери, панель капота, панель крышки багажника), в которых соединение наружных и внутренних панелей производится путём гибки 329 фланцев на одной из деталей. В качестве штампо-сборочных операций кроме гибки, используются также отбортовка, раздача, обжим и др. Контрольные вопросы 1. Что такое прокатка? 2. Какие заготовки получают поперечно-клиновой прокаткой? 3. В чем разница между волочением прессованием? 4. Какие заготовки получают прессованием? 5. Опишите основные операции ковки? 6. Какие технологические требования к заготовке предъявляются ковкой? 7. В чем сущность объемной штамповки. 8. В чем разница между горячей, теплой и полугорячей штамповкой? 9. В чем разница между открытой и закрытой штамповкой? 10. Что такое холодная объемная штамповка? 11. Какие технологические требования к заготовке предъявляются штамповкой? 12. Перечислите основные разделительные операции. 13. Перечислите основные формоизменяющие операции. 14. Как осуществляется вытяжка заготовки? |