Краткие теоретические сведения. Холодная листовая штамповка применяется для изделий из листов стали, алюминия и его сплавов, меди, латуни

Холодная листовая штамповка применяется для изделий из листов стали, алюминия и его сплавов, меди, латуни, сплавов магния. Листовой штамповкой изготавливают самые разнообразные плоские и пространственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов), и деталей массой в десятки килограммов и размерами, составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолета).

Операции холодной листовой штамповки подразделяют на две основные группы: разделительные и формообразующие. К первой группе операций относятся отрезка, вырубка, пробивка, обрезка, зачистка и др. Перечисленные операции характеризуются отделением одной части заготовки от другой по незамкнутому или замкнутому контуру. Ко второй группе операций относятся гибка, завивка, скручивание, протяжка, вытяжка с утонением и без утонения стенок, отбортовка, обжатие, рельефная формовка, раздача, правка и др. Эти операции характеризуются изменением формы исходной заготовки без ее разрушения. Чаще всего операции листовой штамповки осуществляют комбинированным способом, позволяющим одновременно выполнить в одном штампе несколько операций.

Инструмент, при помощи которого выполняется листовая штамповка, называется штампом. Он состоит из неподвижной части, называемой матрицей, и подвижной - пуансона. В зависимости от количества выполняемых в одном штампе операций они подразделяются на штампы простого (выполняется одна операция), последовательного и совмещенного (две и более операций) действия.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные операции листовой штамповки. К таким операциям можно отнести вырубку, пробивку и вытяжку без утонения стенок.

Характер деформирования заготовки при вырубке и пробивке одинаков, отличаются они только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали (или заготовки для последующего деформирования), а пробивкой - внутренний контур (изготовление отверстий).

Вырубку и пробивку обычно осуществляют металлическими 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.

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 4-6⁰; если эти трещины встречаются, то поверхность среза получается сравнительно гладкой, 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 z назначается в зависимости от толщины и механических свойств заготовки и приближенно составляет (0,05…0,1) от толщины листового материала.

При малом зазоре трещины не встречаются, и на поверхности среза появляются пояски вторичного среза, 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.

Усилие вырубки и пробивки при параллельных плоских рабочих торцах пуансона и матрицы.

P = L·s·τ_ср, (2.1)

где L - периметр изделия или отверстия;

s - толщина листового материала;

τ_ср - предел прочности материала на срез.

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 притупленной кромкой сглаживает поверхность среза, уменьшая высоту шероховатого пояска.

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).

Вытяжка без утонения стенок превращает плоскую заготовку в полое пространственное изделие при уменьшении периметра вытягиваемой заготовки. Схема вытяжки приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Схема вытяжки:

1 - заготовка; 2 - изделие; 3 - прижим; 4 - пуансон;

5 - матрица; 6 - изделие со складками, образующимися при вытяжке без прижима

Исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы. Пуансон надавливает на центральную часть заготовки и смещает ее в отверстие матрицы. Центральная часть заготовки тянет за собой периферийную часть (фланец) заготовки, и последняя, смещаясь в матрицу, образует стенки вытянутого изделия. Во фланце в радиальном направлении действуют растягивающие напряжения σ_р, втягивающие фланец в отверстие матрицы, и сжимающие напряжения σ_θ, действующие в тангенциальном направлении и уменьшающие диаметральные размеры заготовки. При определенных размерах фланец заготовки может потерять устойчивость под действием сжимающих напряжений σ_θ, что приведет к образованию складок 6 (рисунок 2.1). Складки могут появиться, если D - d > (18…20)s.

Для предотвращения появления складок применяют прижим (рисунок 2.1), с определенной силой прижимающий фланец заготовки к плоскости матрицы.

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

К_в = D/d, (2.2)

В зависимости от механических свойств материала и условий обработки допустимые значения коэффициента вытяжки лежат в пределах 1,8…2,1.

Кроме ширины фланца, на величину растягивающего напряжения σ_р, действующего в опасном сечении заготовки (у входа в матрицу, где может начаться разрушение заготовки), влияют радиусы скругления кромок матрицы r_м и пуансона r_п, 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. Зазор Z принимают равным 1,1…1,3 от толщины материала.

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. При холодной деформации металл упрочняется и, следовательно, уменьшается его предел текучести. 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).

Усилие вытяжки определяется по формуле:

Р =β·π·d_ср·S·σ_в, (2.3)

где: d_ср - средний диаметр вытягиваемого цилиндра;

d_ср = d_нар - S = d_вн + S;

d_нар - наружный диаметр вытягиваемого цилиндра;

d_вн - внутренний диаметр вытягиваемого цилиндра;

σ_в - предел прочности материала;

β - коэффициент, учитывающий дополнительное усилие, необходимое для проталкивания изделия через матрицу (β = 1,25).

Как правило, вытяжку совмещают с вырубкой в одном штампе (совмещенного действия). Схема такого штампа приведена на рисунке 2.2.

В штампе совмещенного действия все операции осуществляют в одной позиции, без перемещения заготовки. Многооперационные штампы обычно дороже однооперационных, но позволяют повысить производительность труда и уменьшить число используемого для штамповки оборудования - прессов, а, следовательно, необходимые производственные площади. Материалы для деталей штампов выбирают с учетом их служебного назначения и стоимости применительно к масштабам производства. Обычно пуансоны и матрицы изготавливают из инструментальных сталей с последующей закалкой.

В мелкосерийном производстве широко применяют универсальные и быстропереналаживаемые штампы, в которых, заменяя только пуансон и матрицу, можно изготавливать различные детали.