НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНИЙ ПОСІБНИК 1 страница

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

 

НАЦИОНАЛЬНИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

„ХАРКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ”

 

ТЕХНОЛОГИЯ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ

Учебно-методическое пособие

К практическим занятиям

И самостоятельной работе

Для студентов специальности

"Оборудование для обработки металлов давлением"

 

 

Утаерждено

редакционно-издательским

советом университета,

протокол № ____ от ____

 

 

Харьков НТУ “ХПИ” 2007

 

 

Технология холодной штамповки. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям и самостоятельной работе для студентов специальности "Оборудование для обработки металлов давлением"/ Сост. Ю.А.Плеснецов, А.А.Юрченко – Харьков: НТУ “ХПИ”, 2007. – 64 с.

 

Составители: Ю.А.Плеснецов;

А.А. Юрченко.

 

 

Рецензенты Н.Э.Тернюк;

В.А.Евстратов.

 

 

Кафедра обработки металлов давлением.

 

СОДЕРЖАНИЕ

	Вступление….......................................................................................
1.	Технологичность деталей для холодной листовой штамповки......
	1.1. 1.2.     1.3.	Понятие технологичности детали.......................................... Технологические требования к конструкции штампованных деталей............................................................................... 1.2.1. Плоские детали.............................................................. 1.2.2. Изогнутые детали.......................................................... 1.2.3. Полые детали................................................................. Точность штампуемых деталей...............................................
2.	Резка листового материала на ножницах. Вырубка и пробивка.....
	2.1. 2.2.   2.3	Расчет усилий и работы операций.............................................. Зазоры между пуансоном и матрицей при разделительных операциях.......................................................................................... Расчет исполнительных размеров пуансонов и матриц при вырубке и пробивке.................................................................
3.	Раскрой листовых материалов..........................................................
4.	Гибка листовых материалов..............................................................
	4.1. 4.2. 4.3	Определение длины плоской заготовки................................ Определение усилия гибки..................................................... Расчет размеров деталей гибочных штампов.......................
5.	Вытяжка листового материала..........................................................
	5.1. 5.2. 5.3. 5.4.	Определение размеров плоских заготовок............................. Расчет технологических переходов при вытяжке................ Расчет усилий при вытяжке.................................................... Зазоры между пуансоном и матрицей. Расчет исполнительных размеров рабочих частей вытяжного штампа........
6.	Задачи и упражнения.........................................................................
	Список использованных источников................................................
	Приложение 1......................................................................................
	Приложение 2......................................................................................

 

ВСТУПЛЕНИЕ

Настоящее учебно-методическое пособие составлено в соответствии с программой курса "Технология холодной штамповки" и включают в себя вопросы, касающиеся разработки и расчета основных технологических процессов холодной листовой штамповки: анализ технологичности детали, определение формы и размеров заготовки, расчет технологических переходов штамповки, определение технологических усилий, выбор оборудования.

Задачи пособия:

– ознакомить студентов с широкой номенклатурой деталей, изготовляемых листовой штамповкой;

– дать практические рекомендации по выполнению расчетов технологических процессов листовой штамповки.

Цель пособия – помочь студентам научиться определять наиболее эффективные способы изготовления деталей листовой штамповкой, рассчитывать технологические переходы, энергосиловые параметры процессов и выбирать необходимое оборудование.

Предлагаются задачи и упражнения по следующим темам:

– разработка чертежа штампуемой детали с учетом способа изготовления и технологичности;

– определение формы и размеров плоской заготовки;

– выбор оптимального раскроя исходной заготовки и определение коэффициента использования материала;

– расчет технологических переходов;

– определение требуемого деформирующего усилия, технологического усилия, работы деформации и обоснование выбора оборудования;

– расчет исполнительных размеров пуансонов и матриц для различных операций листовой штамповки.

 

1. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ

ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ

1.1. Понятие технологичности детали

Под технологичностью понимаюттакую совокупность свойств и конструктивных элементов, которая обеспечивает наиболее простое и экономичное изготовление детали (в условиях данной серийности производства) при соблюдении технических и эксплуатационных требований к ним.

Основные показатели технологичности листовых холодноштампованных деталей:

– минимальный расход материала;

– минимальное количество и низкая трудоемкость операций;

– отсутствие последующей механической обработки;

– минимальное количество требуемого оборудования и производственных площадей;

– увеличение производительности отдельных операций и цеха в целом.

Общим результирующим показателем технологичности является наименьшая себестоимость (и, следовательно, конкурентоспособность на рынке) штампуемых деталей.

Технологичная конструкция изделия создается при совместной работе конструктора и технолога и предусматривает:

1. Наиболее благоприятную форму изделия для того, чтобы упростить процесс штамповки, обеспечить малую трудоемкость изготовления и минимальный расход металла, снизить стоимость и повысить стойкость штампов.

2. Правильный выбор металла по толщине и физико-механическим свойствам.

3. Соответствие установленных допусков на размеры изделия технологически и экономически достижимой точности штамповки.

Необходимо подчеркнуть, что перечисленные выше факторы нельзя рассматривать в отрыве от конкретных производственных условий и, в частности, от объема производства.

Малая трудоемкость достигается за счет сокращения операций, применения многорядной штамповки, увеличения производительности штампов, применения автоматизации и создания поточных линий штамповки. Применение более дорогих штампов незначительно влияет на себестоимость продукции при крупносерийном и массовом производстве, т.к. их стоимость распределяется на большое количество изделий. При мелкосерийном производстве, наоборот, стоимость штампов имеет значительный удельный вес в себестоимости,а поэтому применение упрощенных и универсальных штампов является более целесообразным и выгодным даже при повышении расхода материала и трудоемкости изготовления.

В условиях современного производства особенно велико значение экономии металла. Анализ себестоимости штампованных деталей показывает, что экономия материала по эффективности равноценна увеличению производительности в 5 раз на всех операциях.

 

1.2. Технологические требования к конструкции штампованных деталей

1.2.1. Плоские детали

Эти детали изготовляют преимущественно при помощи разделительных операций. Следует избегать усложнения формы детали, т.к. при этом возникают трудности при изготовлении штампов, что приводит к их удорожанию и уменьшению стойкости.

К наиболее важным критериям технологичности плоских деталей следует отнести:

– наименьшие размеры отверстий (диаметр, ширина), пробиваемых в штампах без специальных направляющих устройств для пуансонов (см. табл. П 1.1);

– наименьшие расстояния между пробиваемыми отверстиями и между краем отверстия и краем плоской детали (см. табл. П 1.2);

– наименьшие радиусы сопряжения прямолинейных участков (см. табл. П 1.3);

– допуски на размеры плоских деталей должны находиться в пределах 11 - 12 квалитетов, при использовании операций чистовой штамповки – 6 - 8 квалитетов;

– шероховатость поверхности среза после разделительных операций (см. табл. П 1.4).

1.2.2. Изогнутые детали

У изогнутых деталей растягивающие напряжения будут тем больше, чем меньше при той же толщине металла радиус гибки. При малом радиусе гибки они могут вызвать трещины или разрывы у деталей. Величина наименьшего допустимого радиуса гибки зависит от ряда факторов: угла гибки, направления линии гибки относительно волокон проката, механических свойств металла (см. табл. П 1.5).

Следует также помнить о том, что, при минимальных радиусах гибки, заготовку, полученную вырубкой, следует устанавливать в штамп той же стороной к пуансону, которая соприкасалась с пуансоном при вырубке. В противном случае возможно появление трещин в местах локализации концентраторов напряжений, появившихся при сколе.

Упрочнение металла, происходящее в процессе вырубки заготовки, также влияет на значение минимально допустимых радиусов гибки. В том случае, когда упрочнение является причиной появления трещин при гибке из-за исчерпания ресурса пластичности материала заготовки, ее нормализуют или отжигают или удаляют упрочненный слой металла зачисткой в штампе. [7]

Вообще минимально допустимые радиусы гибки следует применять лишь при конструктивной необходимости. В большинстве случаев возможно применить увеличенные радиусы гибки r ≥ s, а для толстых заготовок еще большие.

В случае расположения отверстия вблизи от линии гибки, во избежание искажения его формы, отверстие располагают вне зоны деформации (рис.1.1) или его пробивают после гибки.

Рисунок 1.1 – Расположение отверстия вблизи линии гибки

Высота отгибаемой полки Н должна быть не менее трех толщин материала.

Для точного фиксирования заготовки в гибочном штампе при помощи ловителей и предотвращения ее сдвига при штамповке следует предусматривать в деталях технологические отверстия.

 

Рисунок 1.2 – Выполнение отгибаемых полок

При наличии у деталей отгибаемых полок (рис.1.2) во избежание образования трещин в углах необходимо делать местные подрезки на глубину не менее, чем радиус гибки, или отдалять линию гибки от кромки изделия на величину радиуса гибки и более.

Для увеличения жесткости гнутых деталей и уменьшения упругого пружинения рекомендуется штамповка ребер жесткости поперек угла изгиба.

Рисунок 1.3 – Образмеривание гнутых деталей

Назначать предельные отклонения размеров деталей (рис.1.3) после гибки следует в пределах, указанных в табл. П 1.6.

1.2.3. Полые детали

Деталям, изготовляемым при помощи вытяжки, желательно придавать по возможности простую и симметричную форму, глубину и контуры отдельных элементов следует устанавливать с учетом условий формообразования.

К основным критериям технологичности таких деталей следует отнести:

– наименьшие значения радиусов сопряжений элементов деталей (указаны в табл. П 1.7);

– предельные отклонения размеров деталей после вытяжки (указаны в табл. П 1.8).

Радиусы сопряжений могут быть уменьшены за счет введения операции калибровки.

Если во фланце детали расположены отверстия, то кромка отверстия должна находиться за пределами криволинейной поверхности фланца. То же относится к отверстиям, расположенным в дне детали.

 

1.3. Точность штампуемых деталей

Для производства штампованных деталей наибольшее значение имеет технически осуществимая и экономически выгодная точность выполнения. Слишком жесткие необоснованные допуски будут лишь увеличивать стоимость изготовления штампуемой детали и штампов, и, кроме этого, уменьшат стойкость штампов.

Точность листовых штампованных деталей зависит от большого количества факторов, являющихся причиной образования особых погрешностей. Но наибольшее значение имеет не предельно допустимая точность штампуемых деталей, а экономически целесообразная точность, под которой понимают технически осуществимую и экономически наиболее выгодную точность выполнения данной операции с учетом предельно допустимого износа штампа.

Следует помнить, что ужесточение нормальных допусков на 20 % может повысить стоимость деталей на 50...80 %.

В штампах совмещенного действия может быть достигнута повышенная и средняя точность штамповки (9...12 квалитеты), а в штампах последовательного действия – средняя и пониженная (13...15 квалитеты). Чтобы повысить точность плоских деталей до 6...9 квалитета, вводят дополнительную операцию зачистки или применяют чистовую вырубку. Шероховатость поверхности среза R_a при этом находится в пределах 0,4...1,6.

Гибкой без прижима можно получить детали с точностью размеров до 14 квалитета. Использование для фиксации заготовки прижима позволяет повысить точность до 12 квалитета. С помощью технологических баз и дополнительной калибровки точность размеров можно довести до 9...11 квалитета.

При вытяжке отклонения размеров детали (диаметра или ширины) соответствуют 11 квалитету.

Поля допуска и соответствующе им предельных отклонения приведены в табл. П 1.9.

 

2. РЕЗКА ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА НА НОЖНИЦАХ.

ВЫРУБКА И ПРОБИВКА

Разрезку листового материала осуществляют на ножницах:

– с параллельными ножами;

– с наклонными ножами (гильотинных);

– дисковых;

– вибрационных.

В крупносерийном и массовом производствах наибольшее распространение получила резка на гильотинных и многодисковых ножницах.

2.1. Расчет усилий и работы операций

Усилие резки F (Н) материала ножницами с параллельными ножами определяют по формуле:

F = kB s σ_cp, (1)

где k – коэффициент, учитывающий влияние изгиба заготовки, притупления ножей, неравномерности толщины материала и др. возможных факторов на процесс резки в производственных условиях; k = 1,1...1,3; В – ширина полосы или листа, мм; s – толщина материала, мм; σ_cp – сопротивление срезу, MПа (табл. П 1.10).

Значение работы А (Дж), затрачиваемой при резке, можно определить по формуле (с. 34, [1]):

, (2)

где λ– коэффициент, равный отношению среднего усилия отрезки к максимальному (табл.1.1); s – толщина материала, мм; F – усилие резки, Н.

Таблица 1.1 – Коэффициенты для расчета работы резки

Толщина материала s, мм	Коэффициент λ
до 2	0,75...0,55
2...4	0,55...0,45
св. 4	0,45...0,30

Усилие резки гильотинными ножницами значительно меньше, чем на предыдущем типе ножниц и определяют по формуле (с.37, [1]):

, (3)

где s – толщина материала, мм; σ_cp – сопротивление срезу, MПа; φ – угол наклона верхнего ножа, град.; k – коэффициент запаса (см. выше),
k = 1,1...1,3.

Затрачиваемая работа (Дж) на разрезку листа равна (с.38, [1]):

, (4)

где F – усилие резки, Н; В – длина реза, мм.

Расчетное усилие (Η) для разделительных операций (вырубка, пробивка, обрезка, отрезка и др.), выполняемых в штампах, определяют по формуле (с.16, [2]):

F = kps σ_cp, (5)

где k = 1,1...1,3, – коэффициент, учитывающий притупление режущих кромок; р – периметр разделения материала, мм; s – толщина материала, мм; σ_cp – сопротивление срезу (см. табл. П 1.10, П 1.11);

В случае штамповки материала в штампах со скошенными режущими кромками расчет усилия выполняется по формулам, приведенным в таблице 5 [2].

Усилие снятия материала с пуансона определяют по формуле:

F _сн= k _сн F, (6)

где F – расчетное усилие вырубки (пробивки), Η; k _сн – коэффициент, определяемый в зависимости от типа штампа и толщины материала (таблица 1.2).

Таблица 1.2 – Коэффициенты для определения усилия снятия

Толщина материала, мм	Коэффициент k сн в зависимости от типа штампа
однопуансонный вырубной или пробивной	последовательного действия	многопуансонный пробивной
до 1 1 – 5 свыше 5	0,02 – 0,06 0,06 – 0,08 0,08 – 0,10	0,06 – 0,08 0,10 – 0,12 0,12 – 0,15	0,10 – 0,12 0,12 – 0,15 0,15 – 0,20

 

Усилие, необходимое для проталкивания детали через матрицу с цилиндрической шейкой, определяют по формуле:

F _пр= k _пр Fn, (7)

где k _пр – коэффициент, составляющий в среднем при пробивке и вырубке на провал k _пр=0,05...0,10; при вырубке с обратным выталкиванием k _пр=0,07...0,14, причем наибольшие значения относятся к более тонким материалам; F – расчетное усилие вырубки, Η; n – количество деталей, находящихся в шейке матрицы; при вырубке с обратным выталкиванием n= 1.

Полное технологическое усилие операции вырубки (пробивки и др.) зависит от принятой схемы штампа – последовательного или совмещенного, типа съемника – подвижного или неподвижного и др. факторов.

В общем виде технологическое усилие можно определить по формуле:

F _техн = F _в + F _пр+ , (8)

где F _в , F _пр – соответственно усилия операций вырубки и пробивки; – соответственно усилия проталкивания при вырубке и пробивке; – усилия снятия материала при вырубке и пробивке.

 

2.2. Зазоры между пуансоном и матрицей при разделительных операциях

При разделительных операциях между режущими кромками пуансона и матрицы имеются зазоры. Размер зазора определяется механическими свойствами и толщиной материала.

Зазор должен иметь оптимальный размер и обеспечивать достижимое качество поверхности среза, наименьшее усилие вырубки (пробивки), наибольшую стойкость штампа и достаточную точность штамповки, сохраняющуюся при длительной работе штампа. Существует определенный диапазон размеров зазоров – между минимальным значением z_min и максимальным z_max. В связи с тем, что в процессе работы штампа зазор постепенно увеличивается, размер расчетного зазора принимается минимальным (z_min).

Выбор направления зазора определяется следующим образом. Поскольку размеры вырубаемой детали определяются рабочим окном матрицы, то расчетным при вырубке является размер матрицы, а размер зазора назначается за счет уменьшения размеров пуансона. При пробивке отверстия его размер определяется пуансоном, поэтому расчетным является размер пуансона, а зазор назначается за счет увеличения размера матрицы.

Значения зазоров между рабочими частями штампа при штамповке металлов приведены в таблице П 1.12.

Для вырубки и пробивки должно выполняться следующее условие

δ_п + δ_м ≤ z _max - z _min, (9)

где δ_п и δ_м – допуски на изготовление пуансона и матрицы.

Если при назначении табличных допусков это неравенство не соблюдается, эти допуски следует уменьшить, назначив их произвольно, так как в противном случае зазор между пуансоном и матрицей может оказаться больше z _max.

2.3. Расчет исполнительных размеров пуансонов и матриц при

вырубке и пробивке

Наружный контур вырубаемых деталей (как и внутренний контур отверстий) может быть круглой, прямоугольной, или любой другой формы. Допуски на размеры этих контуров могут быть заданы в любой системе, чаще в системе отверстия.

В системе отверстия охватывающий размер имеет положительный допуск, а охватываемый – отрицательный. Таким образом, допуск "направлен в металл".

При определении исполнительных размеров пуансонов и матриц исходят из размеров штампуемого изделия, его точности (допуска на изготовление), материала, характера износа штампа, величины технологического зазора.

Если размеры на чертеже не оговорены допусками, то следует считать, что на свободные размеры допуски назначаются в системе отверстия по 14-му квалитету точности. Таким образом, на охватываемые размеры детали допуск назначается по h14, на охватывающие – по Н14, на межосевые размеры – по ±IT14/2.

При вырубке контура номинальным расчетным размером матрицы будет наименьший размер изделия, а при пробивке отверстия номинальным расчетным размером пуансона будет наибольший размер отверстия.

Размеры пуансона и матрицы при вырубке круглого контура:

, (10)

, (11)

При пробивке отверстий:

, (12)

, (13)

где D _м, D _п – номинальные размеры матрицы и пуансона соответственно;
D – номинальные размеры изделия; Δ΄ – припуск на износ инструмента;
δ_п и δ_м – допуски на изготовление пуансона и матрицы соответственно.

Припуск на износ Δ΄ определяется в зависимости от требуемой точности штамповки детали: при Δ ≤ 0,1 мм Δ=Δ; при Δ > 0,1 мм Δ = 0,8Δ, где Δ – поле допуска штампуемой детали.

Допуск δ_м берут по 7 квалитету (S ≤ 4 мм); при s > 4 мм и для крупногабаритных деталей δ_м берут по 9 квалитету с посадкой Н9, а допуск на пуансон – соответственно по h6 и h9.

Более подробные рекомендации по выбору допусков на рабочие размеры пуансона и матрицы даны в табл. 15 на С. 71 [3].

Если размеры штампуемого элемента для случая вырубки заданы в виде А Δ, то их следует преобразовать к виду (А + Δ)_-2Δ и далее рассматривать (А +Δ) как номинальный размер и 2Δ– как его поле допуска. То же касается случая задания размера отверстия в виде А Δ. Его следует преобразовать к виду (Α –Δ)^+2Δ.

Размеры могут быть заданы также в виде или (при Δ2>Δ₁). В этом случае следует преобразовать их к виду соответственно и и считать (А – Δ1) и (А + Δ1) номинальными размерами штампуемого элемента, а (Δ2 – Δ1) – полем их допуска.

При вырубке наружного контура сложной формы или пробивке сложного отверстия как правило применяется так называемое совместное изготовление рабочих деталей штампа. При этом, в случае вырубки, все размеры, связанные с вырубаемым изделием, проставляются на чертеже матрицы. Те же расчетные размеры матрицы, но без допусков, проставляются на чертеже пуансона. Уэтих размеров ставится значок *, а в технических требованиях указывают: * "пуансон пригнать по матрице, обеспечив зазор z _min=... на сторону".

При пробивке отверстия контура сложной формы все размеры и допуски проставляются на чертеже пуансона. Те же расчетные размеры пуансона, но без допусков проставляются на чертеже матрицы. У размеров ставят * и в технических требованиях указывают: * "матрицу пригнать по пуансону, обеспечив зазор z _min=... на сторону".

При вырубке детали П-образной формы или пробивке П-образного отверстия размеры пуансона и матрицы с учетом износа штампа можно разделить на три вида:

– увеличивающиеся,

– уменьшающиеся,

– неизменяющиеся.

Расчет исполнительных размеров пуансонов и матриц для штамповки деталей указанной формы приведен на С.76 – 78 [1].

В зависимости от точности детали возможны и другие способы определения размеров пуансонов и матриц сложной формы (см. раздел 2.2 [5]).

3. РАСКРОЙ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Раскрой – это отыскание наиболее эффективного (с точки зрения уменьшения себестоимости деталей) размещения заготовок (или плоских деталей) в листе (полосе, ленте), относительно друг друга и кромок листового проката.

Раскрой материала зависит от конструкции детали, ее расположения на полосе, величины перемычек между деталями и др. факторов. Мерой эффективности раскроя служит коэффициент использования материала η.

Если считать, что толщина деталей, штампуемых из листового проката, неизменна во всех точках и равна толщине исходной заготовки (листа), то коэффициент использования металла (КИМ) можно рассматривать как отношение площади всех деталей (или заготовок), штампуемых из листа, к площади листа, т. е.:

, (14)

где S – площадь детали (за вычетом площади отверстий, если они имеются); n – количество деталей (заготовок), штампуемых из листа; B – ширина листа; L – длина листа.

Если исходной заготовкой служит не лист (разрезанный на полосы), а лента или полоса, то КИМ следует рассчитывать как

, (15)

где B – ширина ленты (полосы); T – шаг подачи заготовки в штамп.

Для классификации видов раскроя принято использовать два основных признака: наличие отходов и расположение деталей в полосе (ленте).

В зависимости от наличия отходов различают:

1) раскрой с отходами, когда деталь (заготовку) получают вырубкой по замкнутому контуру;

2) малоотходный раскрой, характеризующийся отсутствием боковых перемычек или перемычек между деталями;

3) безотходный раскрой, когда перемычки отсутствуют.

Раскрой с отходами, т.е. 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 и между краями детали и кромкой заготовки. Ширина перемычек влияет, с одной стороны, на КИМ, и, с другой стороны, на точность размеров вырубаемых деталей и стойкость пуансонов и матриц. Чем шире перемычки, тем меньше КИМ. Однако при малой ширине они теряют устойчивость и могут быть втянуты в зазор между пуансоном и матрицей, что приводит к снижению стойкости инструмента и образованию заусенцев на деталях.