Изучение характера деформации металла при вытяжке

Изучение характера деформации металла при листовой штамповке

 

Цель работы: практическое изучение характера дефор­мации металла при вытяжке, ознакомление с основными расчетами опе­раций штамповки - вырубки и глубокой вытяжки.

Основные понятия

 

Листовая штамповка является одним из видов обработки металлов, давлением, осуществляемой при помощи штампов на прессах: кривошипных эксцентрированных, гидравлических. Детали листовой штамповкой получают из листового, ленточного или полосового материала. Тонколистовой материал штампуют в холодном состоянии.

В зависимости от способа действия внешних сил и характера напряженно-деформированного состояния операции листовой штамповки делят на разделительные, формоизменяющие, комбинированные и штампосборочные.

Вырубка- операция листовой штамповки. Относится к группе разделительных операций. Выполняется в штампах на прессах. Схема вырубного штампа простого действия (за один ход ползуна пресса деформируется только одна заготовка) показана на рис. I.

Штамп (рис. 1) -в общем, виде состоит из пуансона 2 в матрицы 6. Пуансон крепится к верхней плите I, а матрица к нижней плите 7. На матрицу укладывается заготовка 5 и прижимается прижимом 4. Соосност при движении пуансона с матрицей обеспечивается направляющими 3.

В штампах роль верхнего режущего ножа выполняет пуансон 1, а
нижнего неподвижного - матрица 2 (рис. 2.) Пуансон имеет угол резания δ = 90 и наклон режущих кромок φ = 0. Пуансон имеет меньшие размеры, чем матрица, образуя так называемый зазор-просвет. Зазор оказывает сильное влияние на величину потребного усилия и работу вырубки, качество поверхностного среза, на точность получаемой детали,
износ и стойкость штампа.

Для каждого материала и толщины имеются свои оптимальные зазоры, при которых сопротивление вырубке будет наименьшим и можно получить наиболее удовлетворительную форму поверхностного среза.

Процесс деформации металла при вырубке протекает в три стадии (рис. 3.) В начальной стадии 1 (рис. 3,а.) заготовка под действием пуансона немного прогибается. Затем, в стадии II у самых кромок ин­струмента происходит пластическое смятение металла заготовки. При дальнейшем увеличении усилия развивается пластическая деформация, в результате которой металл вдавливается в отверстие матрицы. К концу этой стадии напряжение у кромок пуансона достигает максимальной ве­личины, которая соответствует сопротивлению металла срезу. В стадии III образуются скалывающие трещины, которые, быстро развиваясь, вызывают отделение вырубаемой детали. При дальнейшем движении пуансон проталкивает вырезанную деталь через рабочую шейку матрицы, преодолевая сопротивление трения между деталью и инструментом.

Разрез и контуры вырубленной детали и пробитого отверстия показаны на рис. 3, б. На поверхности контура вырубленной детали видны три зоны, соответствующие трем стадиям резки. Первая - зона начального смятия 1; вторая - блестящий цилиндрический поясок 2 - зона резания пуансоном или матрицей; третья - шероховатая коническая поверхность 3 матового цвета (поверхность скалывания), она заканчивается небольшой поверхностью смятия. На поверхности пробитого отверстия имеем

 

Рис. 1 Схема штампа для вырубки

 

 

Рис. 2. Схема вырубки.

 

 

Рис. 3. Стадии разделения металла.

 

 

Рис. 4. Схема процесса вытяжки.

 

те же зоны, расположенные в обратном порядке.

Операция вытяжки - это процесс превращения плоской или полой заготовки в открытое сверху полое изделие. Отно­сится к группе формоизменяющих операций листовой штамповки и вы­полняется в вытяжных штампах на прессах. Схема процесса вытяжки полого изделия (стакана) из вырубленной заготовки показана на рис. 4. без утонения стенок. Так как при вытяжке происходит втягивание материала заготовки (кружка) пуансоном с закруглением r_п большего диаметра d₃ в матрицу с закруглением r_м (рис.4б), то, естественно, что по краю вытянутого колпака образуются складки (гофры) за счет наличия избыточного материала или так называемых характеристичных (избыточных) треугольников в в₁, в₂, в₃, …, в_n в заготовке (рис. 4а).

Под воздействием усилия пуансона в плоской заготовке возникают сжимающие (δ_{в сж.}) и растягивающие (δ_{в раст.}) напряжения. В ре­зультате происходит смещение объемов. Смещаемый объем условно по­казан в виде заштрихованных треугольников (рис. 4а).

Для предотвращения образования складок применяют прижимное кольцо. Для снижения концентрации удельных давлений на металл заготовки кромки пуансона и матрицы делают скругленными.

Для уменьшения потребного усилия вытяжки и вероятности раз­рушения заготовки величину зазора между матрицей и пуансоном уста­навливают равным 1,1+1,3 от толщины материала.

Разрушение заготовки во время вытяжки обусловливается коэффициентом вытяжки, то есть отношением диаметра вытянутого стакана (колпака) к диаметру заготовки. Чем меньше это отношение, тем труд­нее втянуть фланец в отверстие матрицы.

Коэффициент вытяжки ГН зависит от следующих факторов: ме­ханических свойств металла, состояния поверхности, толщины, диамет­ра и формы вытягиваемого изделия, способы вытяжки (с прижимом или без него), числа операций вытяжки, скорости вытяжки, радиусов закругления кромок матрицы и пуансона и зазора между ними, рода и степени смазки.

Диаметр заготовки при вытяжке определяют, исходя из основного закона обработки давлением: вес G и объему V^' материала (заготов­ки) до вытяжки равен весу G' и объему V' материала (готового изделия) после вытяжки.

Размеры плоской заготовки при вытяжке полых тел без утонения стенок можно определить по методу равенства поверхностей заготовки и изделия. Сущность его состоит в том, что поверхность изделия ус­ловно подразделяют на ряд простых геометрических фигур, которые лег­ко подсчитать. Затем, приравнивая сумму всех элементарных поверхностей готового изделия $' к площади заготовки S, находят её размер, например, диаметр.

Методика эксперимента

 

1. Вырубка заготовки

 

Расчет диаметра заготовки, основных размеров вырубного штампа и потребного усилия вырубки выполняют в следующей последовательности.

 

1.1. Расчет диаметра заготовки.

По заданным размерам изделия d_и и h. (рис.4,а), исходя из условия равенства поверхности изделия и заготовки, рассчитывают диаметр заготовки по формуле:

, мм, (1)

где: d₃ - диаметр заготовки, мм;

d_и - диаметр изделия, мм;

h - высота изделия, мм;

Δh - припуск на обрезку, мм.

 

Припуск на обрезку выбирают по таблице 1 в зависимости от
высоты изделия и отношения (высоты изделия к диаметру изделия).

Таблица 1

Высота изделия h, мм.	Относительная высота изделия h/d
0,5-0,8	0,8-1,6	1,6-2,5	2,5-4
Величина припуска Δh, мм.
	1,0	1,2	1,5	2,0
	1,2	1,6	2,0	2,5
	2,0	2,5	3,3	4,0

 

Штамповку производят без утонения стенки. Толщину заготовки берут равной толщине стенки изделия δ.

 

1.2. Определение основных размеров вырубного штампа.

 

Расчетный диаметр заготовки является номинальным диаметром матрицы d_м (рис. 2). Диаметр пуансона d_п меньше диаметра матрицы на величину кольцевого зазора Z (рис. 2.), который устанавливают в пределах от 5 до 8% толщины штампуемого металла.

Угол резания δ = 90. Угол наклона горизонтальных поверхностей пуансона и матрицы равен φ = 0 (рис. 2).

 

1.3. Определение усилия для вырубки.

 

Потребное усилие при вырубке штампами зависит от формы пуан­сона и матрицы, которые могут иметь плоские (параллельные) или скошенные (наклонные) режущие кромки.

Расчетное усилие резания при единовременном разделении материала по всему контуру определяют по формуле:

(2)

где L - длина линии среза или периметр вырезаемого контура, м;

δ - толщина материала, м;.

К – коэффициент, учитывающий состояние режущих кромок
пуансона и матрицы, неравномерность толщины материала, формы, вырубаемого контура детали, величин зазора, скорости деформации,
смазки и т.д., оказывающих сопротивление срезу. Обычно принимают в пределах 1,25 - 1,3.

τ_в.ср. - сопротивление срезу, MПa.

Сопротивление срезу можно определить из соотношения между сопротивлением вырубке τ_в (условным) и временным сопротивлением разрыву данного материала σ_в (условным). Это сопротивление вырубке (срезу) для различных материалов составляет:

 

Для стали	(0,75+0,90) σв
Для латуни	(0,65+0,75)σв
Для алюминия мягкого	(0,75+0,90)σв
Для алюминия твердого	(0,55+0,70)σв
Для дуралюмина мягкого	(0,65+0,75)σв
Для дуралюмина твердого	(0,60+0,65)σв
Для нержавеющей стали	(0,68+0,72)σв
Для титана марок ВТ 1-1 и ВТ 1-2	(0,65+0,70)σв

 

Верхние предельные значения следует принимать для более точных материалов. (δ от 0,5 до 2 мм), нижние – для более толстых (δ от 2 до 4 мм. и выше).

 

1.4. Штамповка - вырубка.

 

На рис. 5 изображена схема гидравлического пресса модели 2153М2. Пресс закреплен на столе. Он состоит из станины 1, которой крепится к столу, и траверсы 3, соединенных между собой по уг­лам четырьмя колонками 2. В траверсу ввернут силовой цилиндр 4. Подвижной частью, совершающей давление на пуансон штампа 8, является плунжер 7. Давление создается закачкой из резервуара насоса 13 масла в силовой цилиндр. Масло закачивают при помощи рукоятки 14.

 

Рис 5. Схема пресса для штамповки.

 

Рис 6. Разметка заготовки.

 

соединенной с плунжером насоса. Насос с силовым цилиндром соединяется при помощи шланга 6. Контроль за давлением можно осуществлять, по манометру 5. Запорный вентиль 12 служит для снятия давления в силовом цилиндре.

Характеристика гидравлического пресса модели 2153M2.

Усилие на плунжер силового цилиндра 98 кН.

Рабочий ход плунжера силового цилиндра 120 мм.

Диаметр силового цилиндра 70 мм.

Перемещение плунжера силового цилиндра за один рабочий ход

насоса 0,7 мм.

Насос ручной плунжерный

Максимальное давление, создаваемое насосом, 26,5 Мпа.

Максимальное расстояние между корпусом стойки и плунжером с навернутым наконечником 365 мм.

Гидравлический пресс является универсальным оборудованием и позволяет производить различные операции: гибку, правку, вырубку, прессование и другие.

Последовательность выполнения операции вырубки следующая: ус­тановить полоску, материала между матрицей 11 и пуансоном 8 (рис. 5). Закрыв запорный вентиль 12 до отказа, закачивают масло в силовой цилиндр до тех пор, пока не произойдет процесс вырубки. По манометру определить давление в процессе вырубки.

2. Штамповка – вытяжка изделия

 

Для изучения характера деформации металла в процессе вытяжки изделия в виде стаканчика (колпака) необходимо на одной стороне по­лученной штамповкой-вырубкой заготовке нанести радиально-кольцевую сетку (pиc. 6.) Определение количества операций, расчет основных размеров вытяжного штампа и усилия вытяжки производят в следующем порядке.

 

2.1.Определение количества операций.

 

Количество операций, необходимое для вытяжки изделия заданных размеров, учитывая относительную глубину вытяжки и от­носительную толщину заготовки , устанавливают по таблице 2.

Таблица 2.

Количество операций вытяжки	Относительная толщина заготовки
2,0-1,5	1,5-1,0	1,0-0,6	0,6-0,3	0,3-0,15	0,15-0,03
Относительная глубина вытяжки
1.	0,94-0,77	0,84-0,55	0,70-0,57	0,62-0,50	0,52-0,45	0,46-0,38
2.	1,88-1,40	1,60-1,32	1,36-1,40	1,43-1,34	0,96-0,83	0,90-0,70
3.	3,50-2,70	2,80-2,20	2,30-1,80	1,90-1,50	1,60-1,30	1,80-1,10

 

 

При выборе количества операций надо руководствоваться тем, чтобы при каждой из них не возникали напряжения, вызывающие, разрушение металла.

 

2.2. Расчет размеров вытяжного штампа.

 

Диаметры пуансонов для каждой операции вытяжки определяют по коэффициенту вытяжки m, представляющем собой отношения:

при первой операции , (3)

при последующих операциях ,

где d₃ - диаметр заготовки, мм;

d₁ и d_n - диаметры пуансонов для 1 и n-й операции, мм;

d_n-1 - диаметр пуансона для (n-1) операций, мм.

Коэффициентом вытяжки m задаются по таблице 3.

Таблица 3.

Материал	m (1-я операция)	mn (2-я операция) и последующие
Сталь декапированная	0,54 - 0,58	0,75 - 0,78
Сталь 08 холоднокатанная для глубокой вытяжки	0,52 - 0,54	0,64 - 0,72
Сталь 1Х18Н9Т	0,50 - 0,55	0,75 - 0,80
Алюминий и сплав АМЦ	0,52 - 0,55	0,70 - 0,75
Дюралюминий Д16М	0,56 - 0,58	0,75 - 0,80
Латунь Л62	0,52 - 0,54	0,70 - 0,72
Латунь Л68 и медь	0,50 - 0,52	0,68 - 0,72

 

Для материалов толщиной менее 1,5 мм. принимают большие значения, а для материалов толщиной больше 1,5 мм. - меньшие значения.

Диаметр матрицы d_m рассчитывают. В этом случае к расчетному диаметру пуансона d₁ прибавляют величину двойного зазора между пуансоном и матрицей, то есть

, мм. (4)

Зазор при вытяжке без утонения стенки определяют по формуле:

, мм. (5)

где δ_max - максимальная толщина материала (с учетом допуска на прокат), мм;

δ – номинальная толщина материала, мм;

С - коэффициент: для первой операции С = 0,3,

для второй и последующих С = 0,1.

Радиусы закругления матриц устанавливают в зависимости от рода и толщины материала, коэффициента вытяжки, порядкового номера вытяжной операции, по следующим зависимостям: для стали: δ < 3 мм. r_м = (10 ÷ 6) δ; при δ от 3 до 6 мм. r_м = (6 ÷ 4) δ; для меди, латуни, алюминия: при δ < 3 мм. r_м = (8 ÷ 5) δ; при δ от 3 до 6 мм. r_м = (5 ÷ 3) δ.

Для первой вытяжной операции и более тонкого материала приведенные значения следует брать ближе к верхнему пределу, а для последующих вытяжных операций и более толстого материала - ближе к нижнему пределу.

Радиус закругления пуансона r_n для всех вытяжных операций, кроме последней, берут равным радиусу закругления матрицы. Для последней операции вытяжки r_n берут равным внутреннему радиусу вытя­гиваемого изделия, но не менее (3+2)δ для материалов толщиной до 6 мм.

 

2.3. Расчет потребного усилия пресса для первой операции вытяжки.

 

Первую операцию при тонком листовом металле выполняют в штампе с прижимом. В этой конструкции штампа прижатия заготовки осуществляется резиновым буфером 2, который через направляющую втулку 3 прижимает заготовку 4 к матрице 5. (Рис.7.)

Усилие пресса при штамповке-вытяжке равно (6)
где Р - усилие вытяжки, H;

Q - усилие прижима, Н.

Усилие вытяжки определяют по формуле

(7)

где d₁ - диаметр пуансона при первой операции вытяжки, мм;

δ - толщина штампуемого материала, мм;

δ_в - предел прочности металла;

n - поправочный коэффициент, зависящий от коэффициента вытяжки m, значения которого приводятся ниже:

 

m	0,55	0,57	0,60	0,62	0,65	0,67	0,70	0,72	0,75	0,77	0,80
n	1,0	0,93	0,86	0,79	0,72	0,66	0,6	0,55	0,5	0,45	0,1

 

Усилие прижима определяют по формуле

(8)

где S_n - площадь заготовки, находящейся под прижимом, м²;

q - давление прижима, Па.

В таблице 4 приведена практически установленная величина давления прижима q при вытяжке изделий из различных материалов.

Таблица 4.

Материал	q, МПа
Алюминий, сплавы АМц и АМг	0,78 - 1,13
Дюралюминий	1,18 - 1,76
Латунь	1,47 - 1,98
Луженая жесть	2,45 - 2,91
Медь	0,98 - 1,47
Сталь мягкая, δ > 0,5 мм	2,45 - 2,94
Сталь мягкая, δ < 0,5 мм	1,96 - 2,45

 

 

Рис. 7. Схема вытяжного штампа.

 

Рис. 8. Схема последующих операций вытяжки в вытяжном штампе.

 

Рис 9. Изделие - стаканчик.

 

2.4. Штамповка-вытяжка

 

Первую операцию вытяжки производят в штампе, доказанном на
рис. 7. Штамп устанавливают на гидравлическом прессе и осуществляют
штамповку.

После вытяжки получают заготовку (стаканчик) для второй операции.

Последующие операции вытяжки производят в штампе, схема которого показана на рис. 8. На матрицу 4 устанавливается изделие (стаканчик), полученное после первой операции вытяжки. На пуансон I надевается центрирующая втулка. Штамп собирают и устанавливают на прессе.

 

Изучение характера деформации металла при вытяжке

 

В результате пластической деформации радиально-кольцевая сетка, нанесенная на плоскую заготовку, подверглась значительным изменениям. Эти изменения изучают в следующей последовательности.

 

3.1. Определение величины вытяжки.

 

Вначале сравнивают изменения, происшедшие в расположении радиальных линий на дне и на цилиндрической части стаканчика после первой операции (pиc.9). Затем сравнивают изменения, происшедшие в расположении кольцевых линий на дне и на цилиндрической части готового стаканчика. По расстоянию между линиями на цилиндрической части опре­деляют вытяжку металла по высоте. Величину вытяжки подсчитывают по отношениям: …;

где α - расстояние между концентрическими окружностями на плоской заготовке, мм (рис. 6)

α₁, α₂, …, α_n - расстояние между теми же окружностями на цилиндрической части стаканчика, мм (рис. 9).

 

3.2. Анализ результатов эксперимента.

 

Проводят анализ причин изменения толщины стенки стаканчика.

Пользуясь полученными данными, раскрывают сущность понятия "смещенный объем" и анализируют значения прижима в процессе превращения

плоской заготовки в полое изделие с дном.

Измеряют размеры отштампованного стаканчика, сравнивают их с

заданными и оценивают правильность проведенного расчета.