Изучить методику расчета основных технологических параметров операций вырубки и вытяжки при листовой штамповке.

1. ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Изучить методику расчета основных технологических параметров операций вырубки и вытяжки при листовой штамповке.

Определить основные технологические параметры операций при изготовлении конкретного изделия.

Выполнить операцию вытяжки на гидравлическом прессе с замером потребных усилий.

Провести сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных.

2. ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Листовая штамповка – процесс получения изделий или заготовок из листового или фасонного проката без обусловленного, значительного перераспределения металла в поперечном сечении исходной заготовки[*].

Детали, изготовленные листовой штамповкой, широко применяются в автомобильной промышленности. Этим методом можно изготавливать сложные по форме изделия, например: детали кузовов автомобилей, капоты двигателей, топливные баки, различные прокладки и т.д.

К преимуществам процесса относятся: небольшой вес деталей, полученных штамповкой, экономичный расход металла, хорошая чистота поверхности изделий, возможность получения изделий сложной конфигурации (в сочетании с пайкой, сваркой, клепкой).

В зависимости от способа действия внешних сил и характера напряженно-деформированного состояния операции листовой штамповки делят на разделительные (отрезка, вырубка, пробивка, просечка и др.) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, отбортовка и др.).

Вырубка – есть полное отделение заготовки или изделия от исходной заготовки по замкнутому контуру путем сдвига. Вырубка производится при помощи штампов на механических или гидравлических прессах.

При вырубке отделяемая часть металла, которая проходит через отверстие в матрице, является изделием, а оставшаяся – отходом.

В штампах роль верхнего перемещающегося ножа выполняет пуансон 2, а нижнего – матрица – 4 (рисунок 1). Пуансон вырубного штампа образуется зазор.

При работе пресса на средних скоростях для материалов толщиной S = 0,5…1,0 мм значения двусторонних и диаметральных зазоров составляют от 5 до 15 % от толщины листа S.

При вырубке зазор Z получается за счет уменьшения диаметра пуансона D_п против номинального размера матрицы D_м, т.е.

D_м = D_н; D_п = D_н - Z

где D_н – номинальный размер, мм;

D_м – диаметр матрицы, мм;

D_п – диаметр пуансона, мм;

Z – диаметральный зазор, мм.

Рисунок 1. Схема вырубки заготовки в вырубном штампе:

1 – ползун пресса; 2 – пуансон; 3 – материал; 4 – матрица; 5 – стол пресса

На рисунке 1 показан вырубной штамп с параллельными режущими кромками. Угол скоса режущих кромок пуансона j = 0, а угол резания d = 90⁰. Усилие вырубки в этом случае определяется в кГс/мм² (Н) по формуле

где F₀ – площадь среза, мм²;

П – длина контура (периметр) вырубаемой детали, мм;

S – толщина материала, мм;

σ_j - сопротивление среза, кГс/мм² (МПа); значение σ_j

обычно берут равным (0,8…0,86) σ_в, где, в свою очередь,

σ_в - временное сопротивление материала, кГс/мм² (МПа).

Усилие вырубки зависит от ряда факторов: механических свойств материала, толщины листа, формы и размеров вырубаемого контура детали, а также величины зазора между пуансоном и матрицей, скорости деформирования, смазки инструмента и т.д. В производственных условиях влияние дополнительных факторов учитывается введением в формулу коэффициента k = 1,0…1,3.

Тогда действительное усилие вырубки в кГс (Н) можно подсчитать по формуле

Вытяжка – это процесс образования полой заготовки или изделия из плоской или полой исходной листовой заготовки, осуществляемый в вытяжных штампах.

Различают два вида вытяжки: без утонения стенок и с утонением стенок. Вытяжку без утонения стенок производят в случае штамповки глубоких изделий из тонкого материала. При этом соблюдается условие:

где S – толщина листа, мм;

D – диаметр исходной плоской заготовки, мм;

d_n-1 – диаметр полой заготовки при последней вытяжке, мм.

При глубокой вытяжке (рисунок 2) за счет наличия избыточного материала (избыточных треугольников В₁, В₂, … В_n) в заготовке по краю вытянутого изделия образуются складки (гофры). Для предотвращения образования гофр применяют прижимное кольцо или складкодержатель, который прижимает заготовку к матрице таким образом, что материал не имеет возможности образовывать складки, а вынужден под давлением пуансона передвигаться в радиальном направлении.

Рисунок 2. Схема превращения плоской заготовки в полое изделие; развертка полого цилиндра и избыточные треугольники

Принципиальная схема вытяжки с прижимом материала показана на рисунке 3.

При изготовлении неглубоких изделий из толстого материала вытяжку ведут без прижима при условии S/D · 100% > 2% и S/d_n-1 · 100% > 1,5 %.

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ

Методика включает в себя следующие этапы:

- определение формы и размеров заготовки;

- определение усилия вырубки;

- определение числа вытяжных операций и коэффициентов вытяжки;

- определение усилий вытяжки на каждом этапе;

- выбор радиусов и закруглений матриц и пуансонов.

Рисунок 3. Схема вытяжки с прижимом материала:

1 – пуансон, 2 – прижимное кольцо, 3 – вытяжная матрица

Определение размеров заготовки при вытяжке основано на законе постоянства объема металла до и после пластической деформации. При этом используют:

метод равенства поверхностей;

метод равенства объемов;

метод равенства весов.

Метод равенства поверхностей можно использовать для случая вытяжки без утонения стенок изделия, считая, что толщины стенок и днища изделия равны между собой. Сущность метода состоит в том, что поверхность изделия условно разделяют на ряд простых геометрических фигур. Затем, приравнивая сумму всех элементарных поверхностей площади заготовки, находят ее размер по формуле.

Если тело состоит из П простых поверхностей, площадь которых F₁, F₂, …. F_n, а исходная заготовка имеет форму круга, то на основе равенства поверхностей можно считать, что

где D – диаметр круглой заготовки, мм;

F₁, F₂, F_n – площади простых геометрических фигур, мм².

Диаметр круглой заготовки определяем по формуле

В качестве примера рассмотрим способ определения размеров заготовки при вытяжке цилиндра, у которого дно и стенки имеют одинаковую толщину и сопряжены (условно) под прямым углом (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема разбивки цилиндрического изделия на элементы при расчете размеров заготовки

Исходя из геометрических соотношений, считая поверхность цилиндра по среднему диаметру (d_ср = d_вн+S или d_ср = d_н-S), получаем

где F_сm – площадь поверхности стакана, мм²;

F_дн – площадь днища, мм²;

F_бок – площадь стенок, мм²;

F – площадь круглой заготовки, мм²;

D – диаметр заготовки, мм;

h – высота стакана, мм;

d_ср – средний диаметр стакана, мм;

h` - припуск на обрезку при выравнивании края, мм.

Отсюда

Величина припуска h` зависит от высоты формы изделия, рода и толщины материала, а также от числа вытяжных операций. При высоте цилиндра h = 6…150 см, h` = 1,2…6,5 мм, при h = 150…200 мм, h` = 5…4% от высоты h.

При определении числа вытяжных операций исходят из условия максимального использования пластических свойств металла. Уменьшение числа переходов ведет к сокращению производственного цикла, однако влечет за собой неприятное явление – потерю пластичности. Правильный выбор коэффициентов вытяжки позволяет установить оптимальное число операций.

Коэффициент вытяжки для последовательно выполняемых операций подсчитывается как

где d₁, d₂, d₃, d_n-1 – диаметры промежуточных заготовок, мм;

D – диаметр исходной заготовки, мм;

m₁, m₂, m₃… m_n < 1.

Коэффициенты вытяжки обычно устанавливают на основании опыта. В таблице 1 приведены значения коэффициентов вытяжки для материалов, используемых в настоящей работе в зависимости от относительной толщины S/D·100 %.

При вытяжке изделий происходит упрочнение металла (наклеп), проявляющееся в повышении прочности и твердости его и снижении пластических свойств. Для восстановления первоначальных свойств металла применяют термическую обработку – отжиг. Чаще отжиг проводят после трех-четырех вытяжных операций. Проводится также и отжиг готового изделия. Ниже приводятся примерные температуры отжига для различных материалов.

Тонколистовая сталь (S < 2 мм) - 600-650 ⁰С

Сталь толщиной S ³ 2 мм - 650-700 ⁰С

Медь - 400-450 ⁰С

Латунь - 500-540 ⁰С

Никель - 750-850 ⁰С

Алюминий - 230-250 ⁰С

Дюралюминий - 400-420 ⁰С

Таблица 1 – Коэффициенты вытяжки цилиндрических деталей

Отжиг ведут в безокислительных печах; часто применяют безокислительный (светлый) отжиг в атмосфере водорода, азота и других защитных средах. Для осуществления отжига отдельных наклепанных частей детали применяют индукционный нагрев токами нормальной частоты. После отжига для снятия окалины детали подвергают травлению в слабых растворах кислот с последующей промывкой в воде.

Усилие вытяжки аналитически можно определить, умножив площадь поперечного сечения вытягиваемого изделия F₁ на величину напряжения вытягивания σ_вг или удельное давление р₁, которое определяется на основе теории пластичности из анализа напряженно-деформированного состояния металла при вытяжке. При этом максимальное усилие вытяжки близко к концу хода пресса. На практике же пользуются упрощенными и эмпирическими выражениями.

Усилие вытяжки на первой операции (без утонения стенок) подсчитывается по формуле

На последующих операциях с диаметрами d_n-1 и d_n

где k = 1,2…1,3 – коэффициент, учитывающий дополнительное усилие, потребное для проталкивания изделия через матрицу;

S – толщина листа, мм;

σ_в – временное сопротивление, кГс/мм² (МПа);

D – диаметр плоской заготовки, мм;

d_n-1 – диаметр предыдущий, мм;

d_n – диаметр последующий, мм.

Радиусы закруглений кромок матрицы и пуансона, а также зазоры между ними оказывают существенное влияние на процесс вытяжки. На практике выбирают наибольший радиус, при котором не происходит образования складок. Радиус зависит:

- от рода и толщины материала;

- коэффициента вытяжки;

- порядкового номера вытяжной операции.

В таблице 2 представлены значения радиусов закруглений матрицы и пуансона.

Таблица 2 – Радиусы закруглений матрицы и пуансона вытяжного штампа

При последней операции радиус закруглений пуансона равен внутреннему радиусу вытягиваемого изделия.

Зазор между матрицей и пуансоном на сторону Z_в выбирают по таблице 3.

Таблица 3 – Зазоры между матрицей и пуансоном в вытяжном штампе

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА

Требуется вытянуть цилиндрический стакан с сопряжением боковых стенок и дна под углом 90⁰ из стали 10 толщиной S = 1 мм, σ_в = 35 кГс/мм² (350 МПа). Изделие имеет следующие размеры: d_н = 80 мм, h = 140 мм. Определить диаметр заготовки, усилие вырубки, число и усилия вытяжных операций, радиусы закруглений и зазоры.

Выбираем припуск на обрезку h` равный 6 мм из расчета 4-5 % от высоты стакана. Тогда общая высота Н составит 146 мм.

Определяем диаметр заготовки

Рассчитываем усилие, потребное для вырубки заготовки

Определяем диаметры цилиндров по переходам и число операций, выбрав коэффициенты вытяжки по таблице 1.

Так как диаметр d₃ получился по расчету 77 мм, т.е. меньше требуемого (d_ср = 79 мм), то стакан можно вытянуть за три операции.

Далее следует уточнить значение коэффициента вытяжки на последней операции, так как нам необходимо получить изделие, средний диаметр которого d_ср = 79 мм.

Определяем усилия вытяжки для первой операции:

Выбираем радиусы и закругления матрицы при первой операции согласно таблицы 2.

r₁ = 8 · S = 8 · 1 = 8 мм,

для последующих переходов r₂ = 6 · 1 = 6 мм.

Подбираем зазоры между матрицей и пуансоном по таблице 3.

Для первой операции Z_в1 = 1,4 · S = 1,4 мм. Для последующих - Z_1,2 = 1,2 · S = 1,2 мм.

5. ВАРИАНТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Таблица 4

Таблица 5 – Результаты расчета

6. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ НА ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ПРЕССЕ

Прежде чем приступить к выполнению эксперимента, учебный мастер обязан проверить исправность оборудования: надежность крепления матрицы и сменного пуансона, отсутствие утечки масла.

Операцию вытяжки проводит учебный мастер или студент с разрешения преподавателя под контролем учебного мастера.

Нажатие на педаль следует производить плавно, без рывков.

Во время проведения операции вытяжки следить, чтобы руки экспериментатора и наблюдающих не находились в зоне штампа. Не допускается поддерживание заготовки рукой.

Готовое изделие (стаканчик) может иметь острые кромки, при его контроле следует беречь руки от порезов.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ ТЕМЫ «ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА»

1. Применение листовой штамповки в автотракторостроении.

2. Преимущества технологии листовой штамповки.

3. Классификация операций листовой штамповки.

4. Операция вырубки: принципиальная схема, расчет технологических параметров.

5. Операция вытяжки: принципиальная схема, расчет технологических параметров.

6. Автоматизация технологических процессов листовой штамповки.

7. Способы импульсивной листовой штамповки.

Литература:

1. Технология конструкционных материалов / Дальский А.М., Арутюнова И.А., Барсукова Т.М. и др. – М.; Машиностроение, 1985, 102-115 с.

2. Маслакова Л.П. Прогрессивные процессы обработки давлением в автомобилестроении / МАДИ. – М.; 1980, 70-80 с.

3. Маслакова Л.П. Применение обработки давлением в автотракторостроении / МАДИ. – М.; 1984, 54-63 с.

[*] Здесь и далее определения даны в соответствии с ГОСТ 18970-84. Обработка металлов давлением, термины и определения.

Дата добавления: 2015-08-27