Лекция №26

Штамповка в мелкосерийном производстве

Применение технологических процессов листовой штамповки в мелкосерийном и единичном производстве, несмотря на небольшой выпуск штампуемых деталей, является тем не менее эффективным и дает возможность значительно снизить общую трудоемкость изго­товления по сравнению с другими способами.

Стоимость штамповой оснастки в себестоимости детали, наряду со стоимостью исходного материала, составляет значительную величину. При уменьшении программы выпуска деталей соответственно увели­чивается доля стоимости изготовления штампов в себестоимости деталей.

Поэтому при небольших партиях изготовляемых деталей стремятся применять более простую, универсальную штамповую оснастку, легко переналаживаемую на выпуск разнообразных деталей. Использование в таких случаях дорогостоящих, сложных, специализированных штампов, предназначенных для штамповки только одной детали, экономически неоправданно.

Удешевление деталей, штампуемых в условиях мелкосерийного и единичного производства, достигается за счет следующих меро­приятий:

• применения упрощенных и универсальных, легко переналажива­емых конструкций штампов;
• использования нетрадиционных способов обработки листового материала, при которых стоимость штамповой оснастки будет незна­чительной;
• унификации и типизации технологических процессов.

В связи с этим при изготовлении деталей в мелкосерийном и единичном производстве находят широкое применение эластичный инструмент, жидкость, штамповка на молотах, упрощенные кон­струкции штампов, поэлементная штамповка, ротационная вытяжка, штамповка взрывом, электрогидравлическая и магнитоимпульсная штамповка.

Критериями оценки применения тех или иных способов штам­повки в мелкосерийном и единичном производстве могут служить:

• форма, размеры и материал штампуемой детали;
• программа выпуска деталей;
• возможности реализации технологических процессов штамповки;
• трудоемкость изготовления деталей и их себестоимость;
• стоимость изготовления штамповой оснастки.

Поэлементная штамповка

Сущность метода поэлементной штамповки, применяемого для обработки деталей, заключается в том, что контур детали, разделен­ный на простейшие элементы (прямые, кривые, окружности и т. д.), образуется последовательной штамповкой при помощи набора универсальных штампов, установленных на универсальном штампо­вочном оборудовании. Поэлементная штамповка позволяет обраба­тывать не только какой-либо элемент детали, но и полностью изго­товлять детали различной конфигурации и размеров за ряд после­довательных операций (переходов) на универсальных штампах.

Необходимым условием эффективного внедрения штамповки по элементам является нормализация элементов геометрических форм штампуемых деталей. Существует два способа для поэлементной штамповки.

Способ первый. На основании опыта заводов приборостроения и точного машиностроения, где поэлементная штамповка получила уже признание и широко используется, штам­повку осуществляют на постоянной линии, состоящей из несколь­ких прессов, на которых стационарно установлены универсаль­ные штампы, необходимые для формообразования элементарных поверхностей штампуемых деталей. В комплект штампов поточ­ной линии входят штампы для резки полос на штучные заготовки, для вырезки прямолинейных элементов деталей, для вырезки прямоугольных пазов, для пробивки круглых отверстий, для об­рубки по радиусу и для гибки плоских заготовок.

а) I – отрезка полосы; II – разрезка полосы на штучные заготовки;

III – обрезка углов по радиусу; IV … XI – пробивка отверстий разнообразной формы.

б) – помимо обрезки, оформления наружного контура и пробивки отверстий, гибка

Второй метод. Поэлементная штамповка про­изводится не из штучной заготовки, а в полосе. Начальные опе­рации при этом методе штамповки — пробивка отверстий и надрезка части контура, а конечная операция — вырезка или отрезка от полосы. Штампы универсальные и монтируются в держателях, которые, в свою очередь, устанавливаются на столе пресса.

а – пример поэлементной штамповки в по­лосе за семь операций (I – VII);

б – изготовление малогабаритной детали с использованием двух рядного раскроя

Гибкие производственные системы листовой штамповки

Основной целью создания ГПС является достижение высокой производительности и низкой технологической себестоимости из­готовления деталей мелкосерийного и серийного выпуска, близкой к себестоимости изготовления деталей массового производства.

Применительно к процессам листовой штамповки решение по­ставленных целей может быть обеспечено применением автомати­зированных штамповочных комплексов, сменных штампов и но­вой технологии их изготовления; автоматизацией проектирова­ния технологических процессов, технологической оснастки; управляющих программ для штамповочных комплексов, исполь­зуемых при изготовлении деталей, а также для оперативного ком­плектования групп деталей на основе стандарт-плана запуска – выпуска.

Значительный эффект от внедрения этих мероприятий может быть обеспечен в рамках ГПС холодной штамповки. Особенно ак­туально решение поставленной задачи для технического перевоору­жения мелкосерийного многономенклатурного холодноштампо-вочного производства предприятий машино- и приборостроения. Актуальность этой проблемы подтверждается практикой создания и внедрения отдельных участков ГПС холодной листовой штам­повки.

ГПС представляет собой в соответствии с ГОСТ 26228–85, сово­купность (в разных сочетаниях) оборудования с ЧПУ, РТК, ГПМ, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспече­ния их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени, обеспечения автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах их характеристик.

ГПС характеризуют три признака:

1) функционирование в автома­тическом режиме;

2) наличие средств автоматизированной переналад­ки;

3) возможность использования в условиях многономенклатурного производства.

Основными критериями эффективности ГПС являются универсальность, мобильность, производительность.

Основным клас­сификационным признаком является тип организационной структуры ГПС.

Элементарной структурной единицей является гибкий производ­ственный модуль (ГПМ).

ГПМ – это единица технологического оборудования с програм­мным управлением и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующая, автоматически осуществля­ющая все функции, связанные с изготовлением изделий, обладающая свойствами автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры, имеющая возможность встраи­вания в ГПС.

ГАЛ – гибкая автоматизированная линия – это более крупное подразделение ГПС, в котором ГПМ расположены в принятой после­довательности технологических операций, в основном применяется при многооперационной штамповке и состоит, как правило, из одно­именных ГПМ.

ГАУ – гибкий автоматизированный участок – это самое распро­страненное структурное подразделение ГПС, включающее несколько единиц одноименных и разноименных ГПМ, операции в которых могут быть разными и не связанными технологически в определенную последовательность. Имеется возможность последовательности ис­пользования технологического оборудования.

ГАЦ – гибкий автоматизированный цех – это крупное подразделе­ние ГПС, состоящее из нескольких ГАЛ, роботизированных техноло­гических линий, ГАУ, роботизированных технологических участков для изготовления изделий заданной номенклатуры.

ГАУ состоит из обрабатывающего центра с ЧПУ, угловых ножниц оптимального раскроя с ЧПУ, листогибочной машины с четырехсто­ронним гибом с ЧПУ, средств автоматизированного межоперационно­го транспортирования, складирования, загрузки и сортировки дета­лей, автоматизированной системы управления. Каждая единица технологического оборудования может работать автономно и в составе технологического потока участка по нескольким маршрутам обработки.

Общими тенденциями развития ГПС будут следующие:

· постепенность перехода от достигнутого уровня РТК к ГПМ, от производственных систем типа РТУ (роботизированный технологиче­ский участок) к ГПС типа ГАУ и ГАЦ;

· модульность компоновок комплексов, линий, участков и цехов;

· комплексная автоматизация и ее последовательная реализация, включая автоматизацию циклов обработки, транспортирование и автоматизацию переналадок, которые могут быть внутрипартионными, межпартионными и межцикловыми, а также контроля качества, диагностики, программного обеспечения.

Гибкий производственный модуль (ГПМ), который является основной структурной единицей ГПС, состоит из основного техноло­гического оборудования, сменных пакетных штампов, промышленных роботов, загрузочно-разгрузочных и ориентирующих устройств, элементов автоматики, системы контроля и управления.

В средства автоматизации ГПМ входят накопители, загрузочно-разгрузочные и ориентирующие устройства, устройство смены штам­пов (пакетов), устройства переналадки, контроля и управления.

Для расширения возможностей автоматизации переналадок следу­ет отметить некоторые направления развития конструкций штамповой оснастки и технологических процессов, подготавливающих почву для создания ГПМ и на их основе ГПС в листоштамповочном произ­водстве:

• разработка упрощенных конструкций штампов;
• создание универсальных легкопереналаживаемых штампов;
• разработка конструкций быстросменных штампов;
• разработка конструкций выносных, незакрепленных штампов;
• штамповка по элементам;
• бесштамповые методы обработки листового материала.

При создании гибких автоматизированных производств в листоштамповочном производстве необходимо выполнить следующие этапы разработки.

1. Провести классификацию деталей с целью определения групп деталей, требующих сходных технологических процессов и в пределах этих групп провести унификацию конструкций и размерных характе­ристик деталей, позволяющую уменьшить число потребного рабочего инструмента и исходных заготовок.

2. Для каждой из установленных групп деталей определить воз­можные варианты технологических процессов, при которых число изменяемого инструмента будет минимальным, выбрать оптимальный технологический процесс.

3. Спроектировать и изготовить оснастку, определить тип и коли­чество оборудования, необходимого для изготовления всей номенкла­туры деталей по выбранной технологии, допускающих автоматичес­кую переналадку.

4. Выбрать и сконструировать манипулирующие устройства, конвейеры, роботы, обеспечивающие подачу исходных заготовок со склада к рабочему оборудованию, транспортировку полуфабриката в процессе обработки, удаление отхода и комплектованных готовых деталей с контролем их качества.

5. Выбрать или разработать рациональную конструкцию и распо­ложение склада сменного рабочего инструмента, упрощающего авто­матизацию выбора, транспортирования и установки инструмента в рабочей машине, а также его замены с последующим размещением в ячейках склада инструмента.

6. Заключительная фаза разработки - выбор ЭВМ, компьютерной и микропроцессорной техники, обеспечивающих управление работой всех элементов производства, а также осуществляющих его техноло­гическую подготовку.

Лекция №27

Способы высокоскоростного деформирования

К числу импульсных способов штамповки относятся: штамповка взрывом, штамповка электрическим разрядом в жидкости (электрогидроимпульсная штамповка) и штамповка силовым воздействием импульсного магнитного поля. Применяя импульсные способы штамповки, можно выполнять раздели­тельные, формоизменяющие и сборочные операции листовой штамповки.

Импульсную штамповку используют в мелкосерийном производстве, так как оснастка для нее частично универсальная, штамповку ведут по жесткой матрице (пуансон отсутствует).

При импульсной штамповке внешние силы (давление) воздействуют на заго­товку в течение весьма коротких промежутков времени, исчисляемых долями миллисекунды, в связи с чем мощность импульса весьма высока. Импульсный! характер приложения внешних сил приводит к тому, что пластическое формо­изменение заготовки продолжается и после завершения действия импульса. Это объясняется результатом воздействия инерционных сил, возникающих в про­цессе протекания импульса.

Высокоскоростной, импульсный характер приложения нагрузок к обрабаты­ваемой заготовке существенно улучшает условия деформирования: повышается температура очага деформации, возникают полезные силы инерции, уменьшаются силы трения, локализуется очаг деформации. Все это, в конечном итоге, снижает усилие деформирования и улучшает качество штампуемых деталей.

Штамповка взрывом

При штамповке взрывом на заготовку воздействует энергия взрывной волны, передаваемая через воздух или жидкость. В результате этого заготовка пласти­чески деформируется и приобретает форму полости матрицы, на которую она установлена.

Кроме того, энергию взрыва применяют для привода специальных машин-орудий, в которых энергия взрыва преобразуется в кинетическую энергию под­вижных частей, а следовательно, в кинетическую энергию инструмента-штампа. Энергия заряда ВВ, взорванного в воде, распределяется между ударной волной и образующимся при взрыве газовым пузырем. Ударная волна, достигнув заго­товки и начав пластически деформировать ее, передает ей только часть своей энер­гии. Остальная часть энергии отражается от поверхности заготовки, и ударная волна начинает двигаться в противоположном направлении.

Изменение направления движения ударной волны вызывает появление об­ласти кавитации, в которой возникает большое число пузырьков воздуха и пу­стот. Объем, находящийся в состоянии кавитации, обладает определен­ной энергией, которая частично передается заготовке, способствуя ее дальней­шему пластическому формоизменению. Газовый пузырь, расширяясь под воздей­ствием газообразных продуктов взрыва, вызывает перемещение жидкости, соз­давая радиально направленный поток, который также способствует формоизме­нению заготовки.

Схема передачи энергии взрыва заготовке

1 – заготовка; 2 – матрица; 3 – отражатель ударной волны; 4 – область кавитации; 5 – газовый пузырь

Для штамповки энергией взрыва применяют медленно действующие (метательные) и быстродействующие (бризантные) взрывчатые вещества. К медленно действующим ВВ относятся различного рода порохи, смеси горючих газов и сжиженные газы. Быстродействующие ВВ - тротил, аммиачная селитра, их смеси (аммонит) и др. Для изготовления крупногабаритных деталей из листового металла наиболее часто применяют тротил, который считается стандартным ВВ, поэтому все расчеты параметров взрыва принято выполнять применительно к тротиловым зарядам.

Для возбуждения взрыва метательных и бризантных ВВ применяют ини­циирующие ВВ (детонаторы), относящиеся к числу весьма сильнодействующих ВВ (например, гремучая ртуть, азид свинца и др.). Подрыв детонаторов осуществ­ляют электрическим током или механическим воздействием - ударом по кап­суле.

Из ВВ (в частности, из тротила) заряды получают отливкой, прессованием или пластифицированием. Форма заряда зависит от формы штампуемой детали и подбирается экспериментально (сфера, цилиндр, конус, плоская сплошная пластина, перфорированная пластина и др.)

Листовая штамповка на молотах

Штамповку на молотах применяют в условиях опытного и мелко­серийного производства, в частности, наиболее широко в самолето­строении для изготовления сложных по форме деталей: обтекателей, законцовок крыльев, деталей заборной части двигателей и др. Изго­товление таких деталей другими способами экономически невыгодно. Этот способ штамповки не обеспечивает высокой производительности. Точность деталей невысока.

Штамповку выполняют на специальных листоштамповочных моло­тах с помощью штампов, рабочие части которых изготовлены из цинка и свинца.

Детали, изготовленные на листоштамповочном молоте (а) и схема штамповки с применением рамок (б)

На листоштамповочных молотах выполня­ют гибку, вытяжку, отбортовку и формов­ку. Процесс изготовле­ния детали может быть выполнен за одну или несколько операций.

При штамповке деталей сложной формы в различных участках заготовки может возникнуть напряженное и деформированное состоя­ние, характерное для различных операций; например, отбортовка, вытяжка и формовка имеет место при штамповке деталей, представ­ленных на рисунке.

В производстве применяют три основных способа штамповки на молотах: с прокладками из фанерных рамок, с резиновой прокладкой, без резины и без прокладок.

Способ штамповки с использованием резины или полиуретана применяют при изготовлении деталей, требующих одновременного использования вытяжки и отбортовки - деталей седлообразной фор­мы, желобообразных и подобных им деталей.

Способ штамповки без прокладок применяют для изготовления гибкой или неглубокой вытяжкой деталей с замкнутым контуром небольшой высоты и открытых деталей. Такие детали обычно получа­ют за два-три удара молота.

Электрогидравлическая штамповка

Процесс штамповки деталей основан на высоковольтном электрическом разряде в жидкости, при котором возникает ударная волна, деформирующая заготовку.

Импульсный разряд в жидкости, обеспечивающей создание фронта высоких давлений, принято называть электрогидравлическим эф­фектом (ЭГЭ).

Идея реализации ЭГЭ в технологических целях (дробления горных пород, очистки литья, штамповки) принадлежит ленинградскому изобретателю Л.А. Юткину.

Установка для электрогидравлической штамповки (ЭГШ) состоит из повышающего трансформатора 1, выпрямителя 10,переменного сопротивления 11, батареи конденсаторов 2, ионного разрядника 3 (системы поджига) и электродов 4, помещенных в резервуар 9, наполненный жидкостью (водой) 5. Заготовку 8 устанав­ливают на матрицу 7 и прижимают прижимным кольцом 6. Преду­смотрено вакуумирование полости матрицы.

Схема установки для электрогидравлической штамповки

Как только в батарее конденсаторов потенциал достигнет определенной величины, произойдет пробой в ионном разряднике и накопленная в конденсаторах энергия за 20...50, максимум 200...300 микросекунд разряжается между электродами с обра­зованием высоковольтного искрового разряда и выделением энергии большой мгновенной мощности. Возникает ударная волна. Деформирование заготовки происходит под действием ударной волны, давления при расширении газового пузыря и сопутствующего гидро­потока.

Кинематика движения волн, их взаимодействие с заготовкой, возникновение отраженных волн, областей кавитации, физическая сущность процесса ЭГШ аналогична рассмотренному выше процессу штамповки взрывом.

Форму фронта ударной волны при ЭГШ можно изменять посред­ством изменения расстояния между концами электродов или исполь­зования тонкой металлической инициирующей проволоки, которой соединяют рабочие концы электродов.

При малых зазорах возникает волна со сферическим фронтом, при больших (несколько сантиметров) зазорах образуется волна с цилин­дрическим фронтом, аналогично взрыву заряда ВВ линейной формы (шнура или стержня).

В начальной стадии разряда между электродами в жидкости образуется токопроводяший, частично заполненный ионизированным газом канал, начальный диаметр которого составляет несколько десятых долей миллиметра. Так как выделение энергии при большой разности потенциалов происходит в короткий промежуток времени, то возникает дуга с высокой температурой, что приводит к значитель­ному разогреву стенок канала, мгновенному испарению жидкости с его стенок, ее своеобразному "взрыву".

Молекулы жидкости в канале диссоциируют и ионизируются. В канале разряда образуется плазма с температурой 15 000...25 000º К.

Интенсивный разогрев плазмы разрядным током в несколько тысяч ампер приводит к повышению давления в канале разряда, расшире­нию последнего с образованием парогазовой полости и возникнове­нию фронта ударной волны.

После образования канала разряда через 0,1...0,3 микросекунды его диаметр увеличивается от нескольких десятых долей миллиметра до 1...3 мм со средней скоростью 10⁴ м/с. В конце периода быстрого, практически мгновенного расширения канала разряда и образования газового пузыря, возникает ударная волна в жидкости. Затем скорость расширения канала падает.

Через 0,5...1,5 микросекунды фронт ударной волны отрывается от канала, так как скорость распространения ударной волны значи­тельно превышает скорость расширения канала. Энергия ударной волны, давления газового пузыря и сопутствующего гидропотока передается деформируемой заготовке.

Для инициирования разряда между электродами, а также при расстоянии между ними более 300 мм их закорачивают тонкой прово­локой из вольфрама, константана, меди или других материалов. Образующийся при разряде начальный диаметр канала будет опреде­ляться диаметром проволоки.

Разряд конденсаторов в короткий промежуток времени током несколько тысяч ампер приводит к тому, что проволока "взрывается", испаряется и переходит в плазму, образуя плазменный газовый канал, который также будет содержать ионизированные молекулы жидкости.

Возникает фронт ударной волны, соответствующий по форме взрыву ВВ линейной формы. Можно получить плоский фронт волны, использовав для закорачивания электродов тонкую металлическую сетку. Изменяя конфигурацию проволоки, можно получить требуемую форму фронта ударной волны, соответствующую форме рабочей полости матрицы. Разряд в этом случае происходит по плазменному каналу, повторяющему конфигурацию проволоки.

Давление на переднем фронте ударной волны при разряде состав­ляет 100...1000 МПа, заготовке сообщается ускорение (10⁵…10⁶)g, (10⁶…10⁷ м/с²) и скорость деформирования заготовки достигает 100...200 м/с.

Штамповка импульсным магнитным полем

Сущность штамповки импульсом магнитного поля (ИМП) за­ключается в использовании электромеханических сил, возникающих в резуль­тате взаимодействия магнитных полей индуктора и заготовки, отталкиваю­щих их друг от друга с высокой скоростью в весьма короткий промежуток вре­мени. В установке для штамповки ИМП он со­стоит из матрицы (или пуансона) и индуктора, который в зависимости от вида технологической операции и формы заготовки может быть плоским (если заго­товка плоская) или в виде соленоида (если заготовка трубчатая).

При разряде конденсаторной батареи на индуктор вокруг него возникает магнитное поле большой мощности, наводящее вихревые точки в металлической заготовке. Взаимодействие магнитных полей индуктора и заготовки создает меха­ническую силу, способную деформировать заготовку по матрице или по пуансону. Сила воздействия магнитных полей пропорцио­нальна энергии, накопленной в батарее конденсаторов. Разряд происходит мгно­венно (40-50 мкс), при этом заготовка получает ускорение (разгон) и развивает к моменту контакта с инструментом скорость до 200-300 м/с, а давление на заго­товку достигает 2·10⁶ ГПА и более.

Схема установки для электромагнитной штамповки

1 – повышающий трансформатор, 2 – выпрямитель, 3 – переменное сопротивление, 4 – конденсаторная батарея,

5 – система поджига (ионного или воздушного разрядника), 6 – индуктор,

Металлы с высокой электропроводностью (малым электрическим сопротив­лением) - медь, алюминий, латунь и др. лучше деформируются ИМП, чем ме­таллы с низкой электропроводностью — сталь, титан и др. Последние деформи­руются ИМП при условии покрытия их тонким слоем меди или алюминия элек­тролитическим способом или при условии использования медных или алюминие­вых прокладок («спутников») в виде фольги, устанавливаемых между заготовкой и индуктором.

Одна из наиболее ответственных сборочных единиц технологического блока — индуктор. Его изготовляют из медных трубок, ленты или проволоки круглого или прямоугольного сечения. В связи с тем, что плотность тока, протекающего по виткам индуктора, неравномерна (ток течет в основном по периферии провод­ника), целесообразно делать индукторы из стали, плакированной металлом вы­сокой электропроводности. Такие индукторы обладают более высокой прочностью при высоких электрических показателях.

Выделение теплоты, происходящее при разряде, разогревает индуктор. Поэ­тому для увеличения срока службы индуктора его выполняют пустотелым для обеспечения возможности охлаждения проточной водой. Индуктор монтируют в специальном стальном корпусе и заливают изоляционным материалом - ар­мированным стеклопластиком, пропитанным эпоксидной смолой.

Для концентрирования сил, создаваемых магнитным полем на отдельных уча­стках штампуемой детали, а также более равномерного распределения сил по обмотке индуктора применяют концентраторы магнитного поля, которые пред­ставляют собой массивные диски с центрально расположенным отверстием, изготовленные из высокопрочного металла, обладающего хорошей электропроводностью (бериллиевая бронза).

Операции, выполняемые магнитно-импульсной штамповкой

а – вытяжка-формовка; б и в – пробивка; г – соединение деталей с раздачей

Посредством электромагнитной штамповки производят неглубокую вытяжку, формовку, отбортовку, вырубку, пробивку отверстий, обжим и раздачу трубчатых заготовок, а также сборочные операции по созданию неразъемных конструкций — соединение концов труб, соединение труб с фитингами, с заглушками, опрессовка наконечни­ков на электрокабелях, бандажирование, сборка многослойных оболо­чек, металлорукавов высокого давления и т.д. Получают также неразъемные соединения, к которым предъявляются повышенные требования по герметичности, по передаче крутящего момента и осевых усилий.

Импульсный характер нагружения дает возможность напрессовы­вать металлические трубчатые заготовки на детали из керамики, стекла, углепластика и других неметаллических материалов, обеспе­чивая при этом равномерное давление, заданный натяг и герметич­ность.

Необходимую энергию, запасенную батареей конденсаторов, определяют по формуле

,

где С – емкость конденсатора; h - КПД установки, А_д – работа пластического деформирования; U – напряжение на конденсаторе, 35…40 кВ.

КПД г| установки для электромагнитной штамповки имеет незначительную величину и зависит от многих факторов, определяющими из которых являются конструкция индуктора и электропроводность материала заготовки. При штамповке деталей из металла с высокой
электропроводностью (медь, магний, алюминий и их сплавы) г) составляет 5...10 %, низкой электропроводностью (легированные стали, титановые сплавы) – 3…5 %.

Дата добавления: 2015-07-24