Холодная штамповка 2
СОДЕРЖАНИЕ: СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. Холодная штамповка 1.1. Холодное выдавливание 1.2. Холодная высадка 1.3. Холодная объемная формовка 2. Холодная листовая штамповкаСОДЕРЖАНИЕ
Введение 1. Холодная штамповка |
3 4 |
1.1. Холодное выдавливание 1.2. Холодная высадка |
4 7 |
1.3. Холодная объемная формовка 2. Холодная листовая штамповка 2.1. Сущность способа 2.2. Операции листовой штамповки Заключение Библиографический список |
8 9 9 11 18 19 |
Введение
В современных условиях развития общества одним из самых значительных факторов технического прогресса в машиностроении является совершенствование технологии производства. Коренное преобразование производства возможно в результате создания более совершенных средств труда, разработки принципиально новых технологий.
Развитие и совершенствование любого производства в настоящее время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычислительной техники, применением станков и числовым программным управлением. Все это составляет базу, на которой создаются автоматизированные системы управления, становятся возможными оптимизация технологических процессов и режимов обработки, создание гибких автоматизированных комплексов.
Важным направлением научно-технического прогресса является также создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, полимерные и другие материалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Обработка этих материалов связана с решением серьезных технологических процессов.
Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая на практике их заданные характеристики и надежность работы с учетом экономических показателей, инженер должен уверенно владеть методами изготовления деталей машин и их сборки. Для этого он должен обладать глубокими технологическими знаниями.
1. Холодная штамповка
1.1. Холодное выдавливание
Под холодной штамповкой понимают штамповку без предварительного нагрева заготовки. Для металлов и сплавов, применяемых при штамповке, такой процесс деформирования соответствует условиям холодной деформации.
Холодную штамповку можно подразделить на объемную штамповку (сортового металла) и листовую штамповку (листового металла). Такое подразделение целесообразно потому, что характер деформирования, применяемые операции и конструкции штампов для объемной и листовой штамповки значительно различаются между собой. Основные разновидности холодной объемной штамповки – холодное выдавливание, холодная высадка и холодная объемная формовка.
При холодном выдавливании заготовку помещают в полость, из которой металл выдавливают в отверстия, имеющиеся в рабочем инструменте. Выдавливание обычно выполняют на кривошипных или гидравлических процессах в штампах, рабочими частями которых являются пуансон и матрица. Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание.
При прямом выдавливании (рисунок 1.1, а) металл вытекает в отверстие, расположенное в донной части матрицы 2, в направлении совпадающим с направлением движения пуансона 1 относительно матрицы. Так можно получить детали типа стержней с утолщениями (болты, тарельчатые клапаны и так далее). При этом зазор между пуансоном и цилиндрической частью матрицы, в которой размещается исходная заготовка, должен быть небольшой, чтобы металл не вытекал в зазор [1].
Если на торце пуансона (рисунок 1.1, б) имеется стержень, перекрывающий отверстие матрицы до начала выдавливания, то металл выдавливается в кольцевую щель между стержнем и отверстием матрицы. В этом случае прямым выдавливанием можно получить детали типа трубки с фланцем, а если исходная заготовка имела форму толстостенной чашечки, то детали в виде стакана с фланцем.
Рисунок 1.1. Схемы выдавливания
При обратном выдавливании направление течения металла противоположно направлению движения пуансона относительно матрицы. Наиболее часто встречающейся схемой обратного выдавливания является схема, при которой металл может вытекать в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей (рисунок 1.1, в). По такой схеме изготавливают полые детали типа труб (корпуса тюбиков), экранов радиоламп и так далее.
Реже применяют схему обратного выдавливания, при которой металл выдавливается в отверстие в пуансоне, для получения деталей типа стержня с фланцем (рисунок 1.1, г).
При боковом выдавливании металл вытекает в отверстие в боковой части матрицы в направлении, не совпадающем с направлением движения пуансона (рисунок 1.1, д.). Таким образом, можно получить детали типа тройников, крестовин и других. В этом случае, чтобы обеспечить удаление заготовки после штамповки, матрицу выполняют состоящей из двух половинок с плоскостью разъема, совпадающей с плоскостью, в которой расположены осевые линии заготовки и получаемого отростка.
Комбинированное выдавливание характеризуется одновременным течением металла по нескольким направлениям и может быть осуществлено по нескольким из рассмотренных ранее схем холодного выдавливания. На рисунке 1.1. е. приведена схема комбинированного выдавливания, совмещающая схемы, показанные на рисунке 1.1. а, в для изготовления обратным выдавливанием полой, чашеобразной части детали, а прямым выдавливанием стержня, отходящего от ее донной части.
Основной положительной особенностью выдавливания является возможность получения без разрушения заготовки весьма больших степеней деформации. Для мягких, пластичных металлов k 100 (алюминиевые трубы со стенкой толщиной 0,1-0,2 мм при диаметре трубы 20-40 мм). Возможность получения столь больших степеней деформации обеспечивается тем, что пластическое деформирование при выдавливании происходит в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Однако то же всесторонне сжатие приводит и к отрицательным явлениям. Чем больше степень деформации, тем больше усилие деформирования, и удельные усилия, действующие на пуансон и матрицу, могут достичь значений, больших в несколько раз предела текучести деформируемого металла, и превышающих величины, допустимые для инструмента по условиям его прочности или стойкости [2].
Высокие удельные усилия выдавливания определяют достижимые степени деформации и сдерживают широкое применение этого процесса в производстве. Удельные усилия выдавливания изменяются в ходе деформирования и зависят от высоты подвергающейся деформированию части заготовки. При выдавливании пластическая деформация обычно охватывает не весь объем заготовки, а лишь часть его (рисунок 1.1.). До тех пор, пока высота деформации меньше, чем высота деформируемой заготовки, удельные усилии по ходу пуансона изменяются незначительно. Однако когда высота деформируемой части заготовки становится меньше высоты естественного очага деформации, удельные усилия начинают интенсивно возрастать. Это обстоятельство ограничивает допустимую толщину фланца или донышка штампуемой детали.
Для уменьшения удельных усилий выдавливания при проектировании штампуемой детали необходимо стремиться к такой ее конфигурации, при которой отсутствовали бы застойные зоны под торцом пуансона (рисунок 1.1. в) или у рабочей поверхности матрицы (рисунок 1.1. б).
1.2. Холодная высадка
Холодную высадку выполняют на специальных холодновысадочных автоматах. Штампуют от прутика или проволоки. Пруток подается до упора, поперечным движением ножа отрезается заготовка требуемой длины и последовательно переносится с помощью специального механизма в позиции штамповки, на которых из заготовки получают деталь.
На холодновысадочных автоматах штампуют заготовки диаметром 0,5-40 мм из черных и цветных металлов, а также детали с местными утолщениями сплошные и с отверстиями (заклепки, болты, винты, гвозди, шарики, ролики, гайки, звездочки, накидные гайки и так далее). На рисунке 1.2. показаны последовательные переходы штамповки двух характерных деталей. Название этих автоматов связано с тем, что основной выполняемой на них операцией является высадка (уменьшение длины части заготовки с получением местного увеличения поперечных размеров). Однако при штамповке на холодновысадочных автоматах все шире используют другие операции штамповки сортового металла, в частности операцию холодного выдавливания, что расширяет номенклатуру изготовляемых деталей [1].
Штамповкой на холодновысадочных автоматах обеспечивается достаточно высокая точность размеров и хорошее качество поверхности, вследствие чего некоторые детали не требуют последующей обработки резанием. Так, в частности, изготовляют метизные изделия (винты, болты, шпильки), причем и резьбу получают на автоматах обработкой давлением – накаткой.
Штамповка на холодновысадочных автоматах высокопроизводительна: 20-400 деталей в минуту (большая производительность для деталей меньших размеров). Штамповка на холодновысадочных автоматах характеризуется высоким коэффициентом использования металла. Средний коэффициент использования металла 95% (только 5% металла идет в отход).
Рисунок 1.2. Последовательность переходов изготовления деталей на холодновысадочных автоматах: а – винта; б – колпачка.
1.3. Холодная объемная формовка
Холодная штамповка в открытых штампах заключается в придании заготовке формы детали путем заполнения полости штампом металла заготовки. Схема холодной штамповки аналогична схеме горячей объемной штамповки, показанной на рисунке 1.2., а.
Холодная объемная штамповка требует значительных удельных усилий вследствие высокого сопротивления металла деформированию в условиях холодной деформации и упрочнения металла в процессе деформирования. Упрочнение сопровождается и уменьшением пластичности. Для уменьшения вредного влияния упрочнения и облегчения процесса деформирования при холодной штамповке оформление детали обычно расчленяют на переходы, между которыми заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Отжиг снижает удельные усилия при штамповке на последующих переходах и повышает пластичность металла, что уменьшает опасность разрушения заготовки в процессе деформирования и увеличивает доступную степень деформации.
Холодной объемной штамповкой можно изготовить пространственные детали сложных форм (сплошные и с отверстиями). Холодная объемная штамповка обеспечивает также получение деталей со сравнительно высокими точностью размеров и качеством поверхности. Это уменьшает объем обработки резанием или даже исключает ее. Так как штампуют обычно за один ход ползуна пресса, то холодная штамповка (даже при использовании нескольких переходов со своими штампами) характеризуется большей производительностью по сравнению с обработкой резанием. Однако, учитывая, что изготовление штампов трудоемко и дороже изготовления инструмента, используемого при обработке резанием, холодную штамповку следует применять лишь при достаточно большей серийности производства.
Рекомендации по конструированию деталей применительно к изготовлению их холодной штамповкой сходны с рекомендациями, приведенными для горячей объемной штамповки. Допустимые углы наклона и радиусы скруглений обычно меньше, чем углы наклона и радиусы скруглений при горячей штамповке.
2. Холодная листовая штамповка
2.1. Сущность способа
В качестве заготовки при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полоску или ленту, свернутую в рулон. Толщина заготовки при холодной штамповке обычно не более 10 мм и лишь в сравнительно редких случаях – более 20 мм. Детали из заготовок толщиной более 20 мм штампуют с нагревом до ковочных температур (горячая листовая штамповка), что позволяет значительно уменьшить усилие деформирования по сравнению с холодной штамповкой. Холодная листовая штамповка получила более широкое применение, чем горячая.
Листовой штамповкой изготавливают самые разнообразные плоские и пространственные детали массой от доли грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра и детали массой в десятки килограммов и размерами, составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолета, ракеты) [1].
Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что толщина их стенок незначительно отличается от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заготовка обычно испытывает значительные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъявлять к материалу заготовки достаточно высокие требования по пластичности.
Листовую штамповку широко применяют при различных отраслях промышленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолето-, ракето- и приборостроение, электротехническая промышленность и другие.
К преимуществам листовой штамповки относится возможность получения деталей минимальной массы при заданной их прочности получения деталей и жесткости; достаточно высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить отделочные операции обработки резанием; сравнительная простота механизации и автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую производительность (30-40 тысяч деталей в смену с одной машины); хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически целесообразной и в массовом, и в мелкосерийном производстве.
При листовой штамповке пластические деформации получают лишь часть заготовки. Операцией листовой штамповки называется процесс пластической деформации, обеспечивающий характерное изменение формы определенного участка заготовки. Различают формоизменяющие операции, в которых заготовка не должна разрушаться в процессе деформирования, и разделительные операции, в которых этап пластического деформирования обязательно завершается разрушением.
При проектировании технологического процесса изготовления деталей листовой штамповкой основной задачей является выбор наиболее рациональных операций и последовательности их применения, позволяющих получить детали с заданными служебными свойствами при минимальной себестоимости и хороших условиях труда [2].
2.2. Операции листовой штамповки
Рассмотрим основные разделительные и формоизменяющие операции листовой штамповки.
Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах – ножницах и в штампах. Отрезку чаще применяют как заготовительную операцию для разделения листа на полосы заданной ширины. Основные типы ножниц – ножницы с поступательным движением режущих кромок ножа (рисунок 2.1. а) и вращательным движением режущих кромок – дисковые ножницы (рисунок 2.1. б). Для уменьшения усилия резания режущие кромки в ножницах с поступательным движением ножа наклонены друг к другу под углом 1-5° (гильотинные ножницы). Лист подают до упора, определяющего ширину отрезаемой полосы В. Длина отрезаемой полосы Lне должна превышать длины ножей.
Рисунок 2.1. Схемы действия ножниц: а – гильотинных; б – дисковых
При отрезке на дисковых ножницах длина отрезаемой полосы не ограничивается инструментом, вращение дисковых ножей обеспечивает не только разделение, но и подачу заготовки действием сил трения. Прямолинейность линии отрезки на дисковых ножницах обеспечивается соприкосновением разделяемых частей заготовки с плоскими поверхностями ножа и тем, что режущие кромки ножей заходят одна за другую. Для обеспечения захвата и подачи заготовки диаметр ножей должен быть больше толщины заготовки в 30-70 раз (увеличиваясь с уменьшением коэффициента трения).
При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали, а пробивкой – внутренний контур.
Вырубку и пробивку обычно осуществляют металлическими пуансоном и матрицей. Пуансон вдавливает часть заготовки в отверстие матрицы. В начальной стадии деформирования происходит врезание режущих кромок в заготовку и смещение одной части заготовки относительно другой без видимого разрушения (рисунок 2.2. а).
Рисунок 2.2. Последовательность деформирования при вырубке (а) и характер среза при нормальном (б) и малом (в) зазорах: 1 – матрица; 2 – пуансон
При определенной глубине внедрения режущих кромок в заготовку у режущих кромок зарождаются трещины, быстро проникающие в толщу заготовки. Эти трещины наклонены к оси инструмента под углом 4-6°; если эти трещины встречаются, то поверхность среза получается сравнительно ровной (рисунок 2.2. б), состоящий из блестящего пояска, образующегося от внедрения режущих кромок до появления трещин, и наклонной шероховатой поверхности разрушения в зоне прохождения трещин.
Возможность совпадения трещин, идущих от режущих кромок пуансона и матрицы, зависит от правильного выбора зазора между пуансоном и матрицей. Зазор z назначают в зависимости от толщины и механических свойств заготовки. При малом зазоре трещины не встречаются, и на поверхности среза появляются пояски вторичного среза (рисунок 2.2. в), ухудшающие ее качество и способствующие разрушению заготовки при последующем деформировании и работе детали.
Кроме рассмотренных разделительных операций, в технологии листовой штамповки применяют и другие, такие, как нарезка и обрезка. Характер деформирования заготовки для этих операций аналогичен рассмотренному.
Гибка – операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения ее линейных размеров (рисунок 2.3. а). В процессе гибки пластическая деформация сосредотачивается на узком участке, контактирующем с пуансоном, в то время как участки, образующие полки деталей, деформируются упруго.
Рисунок 2.3. Схема гибки (а) и изделия, получаемые при ее использовании (б): 1 – нейтральный слой; 2 – пуансон; 3 – матрица.
В зоне пластических деформаций наружные слои растягиваются, а внутренние сжимаются. У середины заготовки находятся слои, деформация которых равна нулю. Деформация растяжения наружного слоя и сжатия внутреннего увеличивается с уменьшением радиуса рабочего торца пуансона. Деформация растяжения наружного слоя не беспредельна, и при определенной ее величине может начаться разрушение заготовки с образованием трещин, идущих от наружной поверхности в толщу заготовки. Это обстоятельство ограничивает минимальные радиусы, исключающие разрушение заготовки. В зависимости от материала заготовки.
При снятии внешних сил, вызывающих изгиб заготовки, растянутые слои стремятся сжаться, а сжатые слои – удлиниться. Благодаря этому при разгрузке изменяются углы между полками (пружинение при гибки). Угол между полками при разгрузке изменяется в зависимости от механических свойств (отношение придела упругости к модулю текучести) и увеличивается с увеличением этих параметров.
Углы пружинения уменьшаются при гибке с подчеканкой (когда полки заготовки с определенным усилием сжимаются между соответствующими плоскостями пуансона и матрицы), а также при приложении сжимающих или растягивающих сил, действующих вдоль оси заготовки. В последнем случае можно устранить зону растяжения или сжатия в очаге пластических деформаций. При разгрузке все слои заготовки будут или растягиваться, или сжиматься, что уменьшит угловые деформации.
При гибке в штампах можно одновременно изменять кривизну на нескольких участках по длине заготовки, оставляя другие участки прямолинейными, в некоторых случаях пластические деформации при гибке могут охватывать всю заготовку. На рисунке 2.3. б, показаны примеры деталей, полученных гибкой. Детали, изогнуты в нескольких плоскостях, обычно изготовляют последовательным деформированием заготовки в нескольких штампах. В этих случаях гибке может подвергаться пространственная заготовка, полученная на предыдущих переходах [1].
Вытяжка без утонения стенки превращает плоскую заготовку в полое пространственное изделие при уменьшении периметра вытягиваемой заготовки. Схема первого перехода вытяжки приведена на рисунке 2.4. а. Исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы. Пуансон надавливает на центральную часть и смещает ее в отверстие матрицы. Центральная часть заготовки тянет за собой периферийную часть (фланец) ее заготовки, и последняя, смещаясь в матрицу, образуют стенки вытянутого изделия.
Во фланце в радиальном направлении действуют растягивающие напряжения о, действующие в тангенциальном направлении и уменьшающие диаметральные размеры заготовки. При определенных размерах фланец заготовки может потерять устойчивость под действием сжимающих напряжений о, что приведет к образованию складок 6 (рисунок 2.4. а).
Рисунок 2.4. Схемы первого перехода вытяжки (а), последующей вытяжки (б), вытяжки с утонением стенки (в): 1 – заготовка; 2 – изделие; 3 – прижим; 4 – пуансон; 5 – матрицы; 6 – изделие со складками.
Для предотвращения появления складок применяют прижим 3, с определенной силой прижимающий фланец заготовки к плоскости матрицы. При вытяжке без утонения стенки зазор выбирают из условия, при котором утолщенный край заготовки не должен утоняться сжатием между поверхностями пуансона и матрицы. Если при допустимом для первого перехода коэффициенте вытяжки невозможно получить деталь с заданным отношением высоты к диаметру, ее вытягивают за несколько переходов. В последующих переходах заготовкой служит полый полуфабрикат, полученный на предыдущем переходе вытяжки. Схема вытяжки на последующем переходе уменьшается диаметр полой заготовки и увеличивается ее высота.
Вытяжка с утонением стенки увеличивает длину полой заготовки в основном за счет уменьшения толщины стенок исходной заготовки (рисунок 2.4. в). При вытяжки с утонением зазор между пуансоном и матрицей должен быть меньше толщины стенки, которая, сжимаясь между поверхностями пуансона и матрицы, утоняется и одновременно удлиняется. Вытяжку с утонением стенки применяют для получения деталей, у которых толщина донышка больше толщины стенок, деталей со стенкой, толщина которой уменьшается к краю, а также тонкостенных деталей, получение которых вытяжкой без утонения стенки затруднительно в связи с опасностью складкообразования.
Отбортовка – получение бортов (горловин) путем вдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу (рисунок 2.5. а). При отбортовке кольцевые элементы в очаге деформации растягиваются, причем больше всего увеличивается диаметр кольцевого элемента, граничащего с отверстием. Допустимое без разрушения (без образования продольных трещин) увеличения диаметра отверстия при отбортовке составляет dб/dо = 1,2-1,8 в зависимости от механических свойств материала заготовки, а также от ее относительной толщины S/ dо. Разрушению заготовки способствует наклепанный слой у кромки отверстия, образующийся при пробивке. Большее увеличение диаметра можно получить, если заготовку отжечь перед отбортовкой или изготовить отверстие обработкой резанием, создающим небольшое упрочнение к края отверстия.
Обжим – операция, при которой уменьшается диаметр краевой части полой заготовки в результате заталкивания ее в сужающуюся полость матрицы (рисунок 2.5. б). Обжимаемая заготовка получает форму рабочей полости матрицы [1].
Формовка – операция, при которой изменяется форма заготовки в результате растяжения отдельных ее участков. Толщина заготовки при этих участках уменьшается. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра жесткости и так далее. Часто вместо металлического пуансона или матрицы применяют резиновую подушку (рисунок 2.5. в). С помощью резинового вкладыша (или жидкости) можно увеличить размеры средней части полой заготовки (рисунок 2.5. г). При этом резина или жидкость легко удаляется из штампованной детали, а матрица должна быть разъемной.
Оборудование листовой штамповки. При листовой штамповке наиболее применимы кривошипные процессы для объемной штамповки (рисунок 2.6.).
Рисунок 2.6. Кинематическая схема кривошипного горячештамповочного процесса
Пресс двойного действия для штамповки средне- и крупногабаритных деталей имеет два ползуна, внутренний и наружный. Внутренний ползун, как у обычного кривошипного процесса, получает возвратно-поступательное движение от коленчатого вала через шатун. Наружный ползун получает движение от кулачков, закрепленных на коленчатом валу, или системы рычагов, связанных с коленчатым валом. Кинематическая схема процесса такова, что наружный ползун обгоняет внутренний, прижимает фланец заготовки к матрице и остается неподвижным в процессе деформирования заготовки пуансоном, перемещающимся с внутренним ползуном. После окончания штамповки оба ползуна поднимаются.
Заключение
Описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряется сведениями о строении и свойствах конструкционных материалов. Все это составляет базу, на которой создаются автоматизированные системы управления, становятся возможными оптимизация технологических процессов и режимов обработки, создание гибких автоматизированных комплексов.
Коренное преобразование производства возможно в результате создания более совершенных средств труда, разработки принципиально новых технологий. Совершенствование любого производства в настоящее время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычислительной техники, применением станков и числовым программным управлением.
Для повышения производительности труда прессы для листовой штамповки оснащают устройствами, механизирующими подачу заготовки к рабочему инструменту и удаление отштампованных деталей от пресса. Подобные устройства резко увеличивают производительность труда, делают труд рабочего более безопасным, исключая манипулирование заготовкой в опасной зоне штампа. В штамповочных цехах начинают применять работы, которые по программе осуществляют движения, аналогичные движениям руки человека при манипулировании заготовкой в процессе штамповки.
Библиографический список
1. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных вузов / А.М. Дальский; И.А. Арутюнова; Т.М. Барсукова и др.; Под общей редакцией А.М. Дальского. – 2-е изд.; перераб. И доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448с.
2. Технология металлов и других конструкционных материалов. Под редакцией доктора технических наук проф. Н.П. Дубинина. Изд. 2-е, перераб. И доп. Учебник для машиностроительных специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1969. – 516с.