Холодная листовая штамповка

В качестве заготовки при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свернутую в рулон. Толщина заготовки при холодной штамповке обычно не более 10 мм и лишь в сравнительно редких случаях - более 20 мм. Обычно штампуют детали из заготовок толщиной более 20 мм с нагревом до ковочных температур (горячая листовая штамповка), что позволяет значительно уменьшить усилие деформирования по сравнению с холодной штамповкой. Штампы и применяемые операции при горячей и холодной листовой штамповке сходны, но не аналогичны. Холодная листовая штамповка получила более широкое применение, чем горячая.

Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные плоские и пространственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов и размерами, составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолета, ракеты).

Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что толщина их стенок обычно 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.

Наиболее распространенными металлами и сплавами при листовой штамповке являются низкоуглеродистая сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь, содержащая свыше 60% меди, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы, титан и др.

Листовой штамповкой получают плоские и пространственные детали из листовых неметаллических материалов, таких как кожа, целлулоид, органическое стекло, фетр, текстолит, гетинакс и др. Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно в таких как авто- и тракторостроение, самолето- и ракетостроение, приборостроение, электротехническая промышленность и др.

Достоинства листовой штамповки:

-возможность получения деталей минимальной массы при заданной их прочности 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 тыс. 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 производствах.

Как правило, при листовой штамповке пластические деформации получает лишь часть заготовки. Условимся называть очагом деформации ту часть заготовки, которая в данный момент пластически деформируется. Для получения деталей самых разнообразных форм требуется поочередно деформировать различные участки 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 в хороших условиях труда.

Операции листовой штамповки. Рассмотрим основные разделительные операции листовой штамповки: отрезку, вырубку, пробивку и другие операции.

Отрезка - отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах — ножницах и в штампах. Отрезку чаще применяют как заготовительную операцию, дающую разделение листа на полосы заданной ширины. Основными типами ножниц являются ножницы с поступательным движением режущих кромок пояса (рис.37,а),

Рис.37. Схемы действия ножниц

и с вращательным движением режущих кромок — дисковые ножницы (рис. 37,б). Для уменьшения усилия резания режущие кромки в ножницах с поступательным движением ножа обычно наклонены друг к другу под углом 1-5° (гильотинные ножницы). Лист подают до упора, определяющего ширину отрезаемой полосы В. Длина отрезаемой полосы L не должна превышать длины ножей.

При отрезке на дисковых ножницах длина отрезаемой полосы не ограничивается инструментом, а вращение дисковых ножей обычно 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.

Усилие отрезки пропорционально срезаемой в данный момент площади заготовки.

Для обеспечения захвата и подачи заготовки диаметр ножей должен быть больше толщины заготовки в 30-70 раз (в зависимости от коэффициента трения, с уменьшением которого диаметр ножей следует увеличивать).

Вырубка и пробивка. Характер деформирования заготовки для этих операций одинаков, отличаются они только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали (или заготовки для последующего деформирования), а пробивкой - внутренний контур (изготовление отверстий).

Рис.38. Последовательность деформирования при вырубке и характер среза при нормальном и при малом зазорах

Вырубку и пробивку обычно осуществляют металлическим пуансоном и матрицей. Пуансон выдавливает 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 (рис.38,а).

При определенной глубине внедрения режущих кромок в заготовку (возрастающей с увеличением пластичности металла) у режущих кромок зарождаются трещины, быстро развивающиеся в толщину заготовки. Трещины эти наклонены к оси инструмента под углом 4-6°; если эти трещины встречаются, то поверхность среза получается сравнительно гладкой (рис.38,б), состоящей из блестящего пояска, соответствующего внедрению 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 назначается в зависимости от толщины и механических свойств заготовки и приближенно составляет (0,05 - 0,1) s.

При малом зазоре трещины не встречаются, и на поверхности среза появляются пояски вторичного среза (рис.29,в), ухудшающие ее качество и способствующие разрушению заготовки при последующем деформировании и при работе детали.

При вырубке размеры отверстия матрицы равны размерам изделия, а размеры пуансона на 2z меньше их. При пробивке размеры пуансона равны размерам отверстия, а размеры матрицы на 2z больше их.

В отдельных случаях желательно получить гладкую поверхность среза, перпендикулярную к плоскости заготовки; для этого необходимо увеличить высоту блестящего пояска. Частично этого можно достичь, притупляя одну из режущих кромок (матрицы при вырубке и пуансона — при пробивке). В этом случае развивается одна трещина от острой режущей кромки, а инструмент с притуплённой кромкой сглаживает поверхность среза, уменьшая высоту шероховатого пояска.

Более качественную поверхность среза получают вырубкой со сжатием, при которой заготовка со значительным усилием прижимается к торцу пуансона и к рабочей плоскости матрицы. Увеличение сжимающих напряжений в зоне резания повышает пластичность и уменьшает возможность образования трещин, дающих шероховатую поверхность среза.

Качество поверхности среза улучшают также зачисткой, которая заключается в срезании стружки небольшой толщины (0,1-0,3 мм) по контуру детали или отверстия (матрицей или пуансоном).

Кроме рассмотренных разделительных операций, в технологии листовой штамповки применяют и другие, такие как надрезка (частичное отделение части заготовки по незамкнутому контуру, причем разделяемые части не теряют связи между собой) и обрезка (отделение краевой части полого изделия для обеспечения заданной, постоянной по периметру высоты детали или отделение краевой части плоского фланца для получения заданной формы и размеров).

Характер деформирования заготовки для этих операций аналогичен рассмотренному ранее.

Гибка - операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения ее линейных размеров. Схема формоизменения заготовки при гибке приведепа на рис.39,а. В процессе гибки пластическая деформация сосредоточивается на узком участке, контактирующем с пуансоном, в то время как участки, образующие полки детали, деформируются упруго. В зоне пластических деформаций наружные слои растягиваются, а внутренние (обращенные к пуансону) сжимаются. У середины заготовки (по толщине) находятся слои, деформация которых равна нулю. Из сказанного следует, что с достаточной степенью точности размеры заготовки для детали, получаемой гибкой, можно определять по условию равенства длин заготовки и детали по средней линии. Деформация растяжения наружного слоя и сжатия внутреннего увеличивается с уменьшением радиуса скругления 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 толщину заготовки. Это обстоятельство ограничивает минимальные радиусы r, исключающие разрушение заготовки.

Рис.39. Схема гибки и изделия, получаемые с её использованием

На величину минимального радиуса оказывают влияние расположение линий изгиба относительно направления прокатки (полосчатости макроструктуры), наличие и величина заусенцев.

Желательно располагать линию изгиба так, чтобы растяжение, имеющее место при гибке, происходило в направлении волокон макроструктуры и чтобы заусенцы, образующиеся при вырубке, были минимальными и по возможности располагались в зоне сжатия, а не в зоне растяжения. 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 гибке). Угол между полками при разгрузке изменяется в зависимости от механических свойств (отношения предела текучести к модулю упругости).

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, и при разгрузке все слои заготовки будут или растягиваться или только сжиматься, что и уменьшает угловые деформации при разгрузке.

При гибке в штампах можно одновременно изменять кривизну на нескольких участках по длине заготовки, оставляя другие участки прямолинейными, в некоторых случаях (получение втулок) пластические деформации при гибке могут охватывать всю заготовку.

На рис.39,б показаны примеры деталей, полученных гибкой. Детали, изогнутые в нескольких плоскостях, обычно изготовляют последовательным деформированием заготовки в нескольких штампах. В этих случаях гибке может подвергаться пространственная заготовка, полученная на предыдущих переходах.

При гибке пространственных (не плоских, профильных) заготовок минимальный радиус изгиба определяется не только возможностью разрушения заготовки, но и образованием складок в отдельных участках изгибаемой заготовки (потеря устойчивости).

Вытяжка без утонения стенки. Эта операция превращает плоскую заготовку в полое пространственное изделие при уменьшении периметра вытягиваемой заготовки. Схема первого перехода вытяжки приведена на рис. 40.

Исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы. Пуансон надавливает на центральную часть заготовки и смещает её в отверстие матрицы. Центральная часть заготовки тянет за собой периферийную часть (фланец) заготовки, и последняя, смещаясь в матрицу, образует стенки вытянутого изделия.

Рис.40. Схема вытяжки

Во фланце в радиальном направлении действуют растягивающие напряжения, втягивающие фланец в отверстие матрицы, и сжимающие напряжения, действующие в тангенциальном направлении и уменьшающие диаметральные размеры заготовки. При определенных размерах фланец заготовки может потерять устойчивость под действием сжимающих напряжений, что приведёт к образованию складок 6 (рис. 40).

Для предотвращения появления складок применяют прижим (рис. 40), с определенной силой, прижимающий фланец заготовки к плоскости матрицы.

Растягивающие напряжения равные 0 на наружной кромке заготовки и возрастают до максимальной величины на входе в матрицу (с увеличением ширины втягиваемой части фланца). Если растягивающие напряжения, действующие на входе в матрицу, равны пределу прочности материала заготовки, то заготовка у донышка может разрушаться, и вытяжка окажется невозможной. Отсюда следует, что без разрушения можно вытягивать заготовки с определенной, ограниченной шириной фланца. Формоизменение при вытяжке оценивают коэффициентом вытяжки.

Кроме ширины фланца, на величину растягивающего напряжения, действующего в опасном сечении заготовки (у входа в матрицу, где может начаться разрушение заготовки), влияют радиусы скругления кромок матрицы и пуансона, а также силы трения, возникающие при перемещении заготовки относительно матрицы и прижима.

Для уменьшения концентрации напряжений и соответственно опасности разрушения заготовки кромки пуансона и матрицы скругляют по радиусу, равному 5-10 толщин заготовки. Для уменьшения сил трения вытяжку обычно ведут со смазкой заготовки, причем состав смазки подбирают с учетом характеристик материала заготовки, коэффициента вытяжки и формы вытягиваемых деталей. В некоторых случаях (вытяжка деталей с криволинейной образующей, когда донная часть тоже деформируется) целесообразно смазывать только фланец заготовки, оставляя центральную, обращенную к пуансону часть заготовки не смазанной. Увеличение сил трения между заготовкой и пуансоном затрудняет утонение центральной части заготовки и уменьшает опасность разрушения. Иногда для увеличения сил трения, действующих в центральной части заготовки, поверхность пуансона делают шероховатой (обдувкой дробью, травлением).

Толщина фланцевой части заготовки при вытяжке изменяется: краевая часть утолщается, а участки вблизи донышка - утоняются.

Это обстоятельство приводит к тому, что поверхность заготовки при вытяжке изменяется незначительно и размеры заготовки можно определять из условия равенства поверхности детали (по средней линии) и площади плоской заготовки. Для осесимметричных деталей заготовка обычно имеет форму круга.

При вытяжке неосесимметричных деталей площадь заготовки определяют из условия равенства поверхностей детали и заготовки, а форму заготовки - в зависимости от формы детали по приведенным в справочниках рекомендациям.

При вытяжке без утонения стенки зазор z = (1,1-1,3) s берут из условия, при котором утолщенный край заготовки не должен утоняться сжатием между поверхностями пуансона и матрицы (это способствует повышению стойкости инструмента).

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 является полый полуфабрикат, полученный на предыдущем переходе вытяжки. Схема вытяжки на последующем переходе показана на рис.41,а.

Рис.41. Схемы последующей вытяжки и вытяжки с утонением стенки

Как видно, на последующем переходе уменьшается диаметр полой заготовки и (по условию равенства поверхностей) увеличивается ее высота. Опасное сечение, как и прежде, находится у донышка, и напряжение не должно превышать предела прочности металла в этом месте заготовки. При холодной деформации металл упрочняется и, следовательно, предел текучести металла стенок заготовки больше, чем у донышка (наиболее упрочнена краевая часть полой заготовки, у которой в наибольшей степени уменьшился диаметр на первом переходе вытяжки). Это обстоятельство приводит к тому, что допустимый коэффициент вытяжки на последующих переходах значительно меньше допустимого коэффициента вытяжки на первом переходе (К_в =1,2-1,4). Некоторое увеличение допустимого коэффициента вытяжки (К_в = 1,4-1,6) можно получить, если заготовку перед последующим переходом вытяжки подвергнуть рекристаллизационному отжигу, устраняющему изменение свойств, вызванное упрочнением.

Для тонкостенных заготовок с целью предотвращения появления складок последующие переходы вытяжки можно выполнять с прижимом.

Вытяжка с утончением стенки. Эта операция увеличивает длину полой заготовки в основном за счет уменьшения толщины стенок исходной заготовки.

Схема вытяжки с утонением стенки приведена на рис.41,б. При вытяжке с утонением стенки 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 (в этом случае пуансон выполняют коническим), а также тонкостенных деталей, получение которых вытяжкой без утонения стенки затруднительно из-за опасности складкообразования.

Удельные усилия на контактных поверхностях при вытяжке с утонением стенки значительно больше, чем при вытяжке без утонения стенки. Так как при вытяжке с утонением стенки заготовка скользит по матрице в направлении движения пуансона и по пуансону в обратном направлении (от торца пуансона), то и силы трения на наружной и внутренней поверхностях заготовки направлены в противоположные стороны. Это обстоятельство увеличивает допустимую степень деформации (силы трения по матрице увеличивают растягивающие напряжения в стенках протянутой части заготовки, а по пуансону - уменьшают).

При вытяжке с утонением стенки ее толщина за один переход может быть уменьшена в 1,5-2 раза.

Для уменьшения сил трения (износа инструмента) при вытяжке с утонением применяют смазку, которая не должна выдавливаться при высоких контактных давлениях. Состав смазки подбирают в зависимости от материала заготовки (для низкоуглеродистой стали рекомендуется омеднение или фосфатирование заготовки с подачей в зону вытяжки мыльной эмульсии).

Размеры заготовки для получения деталей вытяжкой с утонением стенки определяют из условия равенства объемов заготовки и детали, принимая при этом, что толщина донышка не изменяется.

Отбортовка - получение бортов (горловин) путем выдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу. Схема отбортовки показана на рис.33,а. При отбортовке кольцевые элементы в очаге деформации растягиваются, причем больше всего увеличивается диаметр кольцевого элемента, граничащего с отверстием. Способствует разрушению заготовки наклепанный слой у кромки отверстия, образующийся при пробивке. Большее увеличение диаметра можно получить, если заготовку отжечь перед отбортовкой или изготовить отверстие обработкой резанием (сверление с развертыванием), создающим меньшее упрочнение у края отверстия.

При отбортовке заготовка в очаге деформации утоняется, и размеры отверстия по заданным размерам борта следует определять из условия равенства длины развертки борта по средней линии и ширины отбортовываемой части.

Рис.42. Схемы отбортовки и обжима

Обжим - операция, при которой уменьшается диаметр краевой части полой заготовки в результате заталкивания ее в сужающуюся полость матрицы (рис.42,б). Обжимаемая заготовка получает форму рабочей полости матрицы.

Допустимое уменьшение диаметра при обжиме ограничивается появлением продольных складок в обжимаемой части заготовки или поперечных кольцевых складок в ее недеформируемой части. Обычно за один переход можно получить dизд = (0,7-0,8) Dзаг. Если необходимо диаметр краевой части уменьшить на большую величину, заготовку обжимают за несколько переходов. Толщина заготовки в очаге пластических деформаций увеличивается, причем больше утолщается краевая часть заготовки.

Формовка - операция, при которой изменяется форма заготовки в результате растяжения отдельных ее участков. Толщина заготовки в этих участках уменьшается. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра жесткости и т. п.; деформирование осуществляется металлическими пуансонами и матрицами, а в отдельных случаях одним из инструментов является резиновая подушка. Размеры средней части полой заготовки можно увеличить с помощью резинового вкладыша или жидкости, которые легко удаляются из штампованной детали, а в процессе штамповки обеспечивают боковое давление на стенки заготовки при воздействии на них осевого давления пуансона.

При формовке с раздачей средней части полой заготовки матрица должна быть разъемной. Используя в определенной последовательности рассмотренные и другие операции, из листового металла можно изготовлять разнообразные плоские и пространственные детали. При разработке технологического процесса изготовления деталей следует стремиться к уменьшению потерь металла в процессе листовой штамповки. Основным отходом при листовой штамповке является так называемая высечка, т. е. часть листовой заготовки после ее вырубки. Формы и размеры вырубаемой заготовки определяются формой и размерами детали, а также применяемыми в процессе штамповки формоизменяющими операциями.

При штамповке мало- и среднегабаритных деталей обычно из одной листовой заготовки вырубают несколько плоских заготовок для штамповки. Между смежными контурами вырубаемых заготовок обычно оставляют перемычки шириной, примерно равной толщине заготовки, хотя в отдельных случаях смежные заготовки вырубают без перемычек (экономия металла при ухудшении качества среза и снижении стойкости инструмента). Расположение контуров смежных вырубаемых заготовок на листовом металле называется раскроем. Тип раскроя следует выбирать из условия уменьшения отхода металла в высечку.

Штампы для листовой штамповки. В крупносерийном производстве (при изготовлении большого числа одинаковых деталей) применяют сравнительно сложные штампы, состоящие из значительного числа деталей и обеспечивающие хорошее качество изделий при высокой стойкости инструмента и достаточно высокую производительность.

На рис.43 приведена схема штампа для вырубки кружков. Пуансон 7 и матрицу 4 с помощью пуансонодержателя 8 и матрицедержателя 5 прикрепляют соответственно к верхней 10 и нижней 6 плитам штампа. Точное направление пуансона относительно матрицы обеспечивается направляющими втулками 11 и колонками 12, запрессованными в верхнюю и нижнюю плиты штампа. Полоса или лента подается между направляющими линейками 2 до упора 3, ограничивающего шаг подачи. Высечка снимается с пуансона съемником 1. Нижнюю плиту штампа прикрепляют к столу пресса болтами или скобами, а верхнюю плиту в штампах сравнительно небольшой массы — к ползуну пресса с помощью хвостовика 9; верхнюю плиту в штампах большой массы крепят к ползуну болтами или скобами. Конструктивное оформление отдельных деталей штампа разнообразно.

Рис.43. Вырубной штамп простого действия

В штампах для листовой штамповки можно выполнять не одну (как показано на рис.43), а несколько операций листовой штамповки. В зависимости от расположения позиций, в которых выполняют операции, различают штампы последовательного действия и совмещенного. В штампах последовательного действия (рис.44) операции выполняют в различных позициях по направлению подачи, так что для очередной операции заготовка перемещается на шаг подачи.

На рис.44 показано, что в позиции 1 происходит пробивка, а после перемещения полосы на шаг подачи (позиция 2) — вырубка, в результате чего получают изделие в виде шайбы. В штампах последовательного действия можно выполнять различные разделительные и формоизменяющие операции, причем последней операцией обычно бывает вырубка.

Рис.44. Схема штампа последовательного действия для пробивки и вырубки.

На рис.45 дана схема штампа совмещённого действия. В этом штампе все операции осуществляют в одной позиции, без перемещения заготовки в направлении подачи. В штампах совмещенного действия изготовляют детали с размерами большей точности, но возможности совмещения операций в них более ограничены, чем в штампах последовательного действия. Многооперационные штампы обычно дороже однооперационных, но позволяют повысить производительность труда и уменьшить число используемого для штамповки оборудования. Материалы для деталей штампов выбирают с учетом их служебных свойств и стоимости применительно к масштабам производства. Обычно пуансоны и матрицы изготовляют из инструментальных сталей с последующей закалкой.

Рис.45. Схема штампа совмещённого действия для вырубки и вытяжки

При необходимости изготовления небольшого числа одинаковых деталей (мелкосерийное производство) сложные и дорогостоящие штампы применять нерационально. В этом случае стремятся уменьшить стоимость штампа за счет создания упрощенных конструкций, применения менее дорогих материалов для деталей штампов и т. п. В упрощенных штампах обычно не применяют устройств для направления верхней плиты относительно нижней (колонок, втулок, направляющих плит и т. п.), упрощают направление полосы (не делают упоров, направляющих линеек и т. п.) и широко применяют детали из эластичных сред (резину, полиуретан) в качестве съемников, выталкивателей и т. п. Материалом для пуансонов и матриц иногда служат сплавы цветных металлов. В отдельных случаях рабочий инструмент изготовляют из дерева, облицовывая его листовым металлом.

Применение упрощенных конструкций штампов не только удешевляет штамповую оснастку, но и сокращает сроки подготовки производства.

В мелкосерийном производстве наряду с упрощенными конструкциями штампов применяют универсальные и быстро переналаживаемые штампы, в которых, заменяя только пуансон и матрицу, можно изготовлять различные детали.