Листовая штамповка.

Как правило, при листовой штамповке пластической деформации подвергается лишь часть заготовки. Очагом деформации является та часть заготовки, которая в данный момент пластически деформируется. Для получения деталей самых разнообразных форм требуется поочерёдно деформировать различные участки заготовки. Операцией листовой штамповки называется процесс пластической деформации, обеспечивающей характерное изменение формы определённого участка заготовки. Операции листовой штамповки условно можно разделить на два вида: формообразующие, в которых изменяется форма заготовки в результате пластической деформации материала; разделительные, в результате которых происходит изменение формы за счёт отделения части материала от заготовки.

Первыми операциями при листовой штамповке являются разделительные, в результате выполнения которых получают заготовку для дальнейшего формирования готовой детали или готовую деталь простой формы.

Основными разделительными операциями являются: отрезание и вырубка. К формообразующим операциям относятся : гибка, вытяжка, отбортовка и формовка.

При проектировании технологического процесса изготовления деталей штамповкой из листового материала необходимо выбрать наиболее рациональную последовательность операций, в результате которых получается деталь с заданными свойствами и минимальной себестоимостью.

Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру

Получение заготовок и готовых деталей может производиться ножницами или в штампах.

Отрезка ножницами предусматривает три принципиально отличных процесса резания: резание параллельными ножами Рис.5.31,а; резание ножами расположенными под углом Рис.5.31,б и резание роликовыми ножами Рис.5.32

Рис.5.31

В зависимости от марки разрезаемого материала параллельные и наклонные ножи затачивают под различными углами. Угол резания ножа изменяется в пределах 86-90⁰, а задний угол в пределах 0-3⁰. Расстояние между ножами z = 1/30 S, где S толщина листового материала Рис.5.31,в. Угол наклона верхнего ножа , по отношению к нижнему, у гильотинных ножниц равен 1-5⁰, а у ручных ножниц 10⁰.

Тип ножниц выбирают в зависимости от марки материала и его толщины, а также от габаритов вырезаемой заготовки или детали, и необходимого усилия резания.

Усилие необходимое для резания ножницами с параллельными ножами определяется по формуле

(5.1)

где Р – усилие развиваемое при резании;

S, L –толщина и ширина листа материала;

- сопротивление материала на срез , ( - временное сопротивление материала растяжению)

k – коэффициент запаса, учитывающий неоднородность материала при резке (k=1,3).

Усилие резания на ножницах с наклонным ножом определяется по формуле

(5.2)

Усилие резания на ножницах с наклонными ножами на 25-30% меньше чем на ножницах с параллельными ножами. Ножницы с параллельными и наклонными ножами применяются при раскрое листового материала и получения заготовок или деталей с прямолинейными сторонами, полосы, прямоугольники, многоугольники и т.д.

Отклонения от прямолинейности при резании на ножницах составляют от 0,4 до 1,2 мм и зависят от толщины материала листа и ширины отрезаемой полосы. На кромках по линии резания получаются заусенцы, зачищаемые последующей механической обработкой, т.е. фрезерованием на станках или опиливанием напильником.

При перемещении ножей навстречу друг другу должно быть предусмотрено безударное их перекрытие, что и обеспечивает наличие зазора z Рис.5.31 (в). Для отрезания полосы шириной Z заготовка доводится до упора в ограничитель и прижимается к столу с усилием Q, после чего перемещается верхний нож. Формирование криволинейной линии реза получают при применении роликовых ножниц. Режущим инструментом роликовых ножниц является пара роликов-ножей Рис.5.32. Ось вращения роликов-ножей может располагаться параллельно или под углом к плоскости разрезаемого листового материала.

Благодаря малой дуге захода ножей на роликовых ножницах можно поворачивать лист и резать его по кривым линиям. Ножницы с наклонными роликами более удобны для резки листового материала.

Кромки заготовки, по линии резания роликами, необходимо обрабатывать, т.е. выравнивать и снимать с них заусенцы.

Рис.5.32

Скорость резания на однороликовых стационарных ножницах колеблется в пределах от 1,5 до 7 м/мин. Вырубка– операция, связанная с формированием внешнего и внутреннего контуров заготовки или детали из листа или полосы. Процесс вырубки, в отличие от процесса резания, позволяет формировать как прямолинейные, так и криволинейные

замкнутые или разомкнутые контуры детали. Основными рабочими элементами штампа являются пуансон (1) и матрица (2). На Рис. 5.33 приведена схема основных элементов штампа предназначенного для вырубки из листа детали типа круга и приняты следующие обозначения: D_М – исполнительный размер по диаметру матрицы; ; D_П – исполнительный размер по диаметру пуансона; z/2 – зазор между матрицей и пуансоном., рабочими инструментами которого являются пуансон 1 и матрица 2.

Процесс вырубки можно представить следующими этапами. На первой стадии процесса вырубки Рис. 5.33 (а) пуансон, при своём перемещении, сминает наружные слои металла, лист изгибается, в местах наибольших напряжений возникают микротрещины. При дальнейшем движении пуансона Рис. 5.33 (б,в) отдельные трещины по периметру соединяются в сплошные линии вырубки, вырезаемая часть отделяется от листа и проталкивается пуансоном вниз

Величина зазора между матрицей и пуансоном влияет на качество поверхности среза и усилие вырубки, и зависит от толщины листового материала его физико-механических свойств.

Размеры рабочих контуров пуансона и матрицы зависят от функционального назначения вырубаемого контура. При вырубке детали по наружному контуру номинальный её размер должен быть равен размеру матрицы, а зазор между матрицей и пуансоном получают за счёт уменьшения размеров пуансона. В случае если в заготовке вырубается внутренний контур, то пуансон изготовляют по номинальному размеру вырубаемого контура, а зазор выдерживается в заданных пределах за счёт изменения размеров матрицы.

В процессе изготовления матрицы и пуансона их размеры выдерживаются в пределах необходимых отклонений, обеспечивающих требуемую точность изготовления деталей.

Исполнительные размеры матриц и пуансонов с цилиндрическим контуром определяются по следующим формулам:

а) для вырубки заготовки по внешнему контуру

D_М = (D_Н -0,8 )⁺ ; (5.3)

D_П = (D_М - z )_- ; (5.4)

б) для вырубки отверстия

D_П = (D_Н + 0,8 )_- ; (5.5)

D_М = (D_П + z)⁺ ; (5.6)

где D_Н – номинальный размер по диаметру детали;

- допуск на размер детали;

_М - допуск на изготовление режущего контура матрицы;

_П – допуск на изготовление режущего контура пуансона;

z - двухсторонний зазор между матрицей и пуансоном.

Величины допусков _М, _П и z для расчёта размеров рабочей части матрицы и пуансона, для вырубки внешнего контура детали и пробивки в ней отверстия, приведены в таблицах 5.4 и 5.5. При определении исполнительных размеров матриц и пуансонов, предназначенных для изготовления деталей (заготовок), имеющих фасонный внешний контур или фасонное отверстие, применяют следующий метод. Контуры матрицы и пуансона разбивают на элементы, уменьшающиеся , увеличивающиеся или остающимися неизменными в процессе работы (износа) штампа. Для каждого выделенного элемента матрицы и пуансона определяются исполнительные размеры Рис.5.34

Таблица 5.4

Таблица 5.5

Двусторонний зазор z между матрицей и пуансоном

Как видно из схемы исполнительных размеров уменьшающимся, за счёт износа материала матрицы, является размер А, неизменным размер С и увеличивающиеся размеры В, В₁ и В₂. Пунктирной линией показан рабочий контур матрицы после износа.

Аналогичным образом определяется износ элементов пуансона.

Определение исполнительных размеров матрицы и пуансона, уменьшающихся при износе штампа, определяют по формуле

А = (а + 0,8 )_-0,3

где А – исполнительный размер на матрице и пуансоне;

а - номинальный размер детали, соответствующий размеру А на матрице и пуансоне; - допуск на рассматриваемый размер а детали.

Рис.5.34

Исполнительные размеры элементов, увеличивающихся при износе частей штампа, определяются из условий

В = (в – 0,8 )^0,3 ,

где В – исполнительный размер на матрице или пуансоне;

в – номинальная величина размера детали, соответствующего размеру В на матрице или пуансоне.

Исполнительные размеры элементов, не изменяющихся в процессе износа частей штампа, определятся по формуле

С = (с , (5.7)

где С – размеры, относящиеся к штампу; с – размеры относящиеся к детали. Исполнительные размеры с соответствующими допусками проставляют на чертеже матрицы, когда штамп предназначен для вырубки заготовки по внешнему контуру или на чертеже пуансона, когда штамп предназначен для вырубки отверстия требуемой формы.

На Рис.5.35(а) приведены чертежи детали, изготовленной из листового материала толщиной 1,5 мм, а также исполнителные размеры матрицы и пуансона подсчитанные по формулам (5.3-5.7).

Расчёт размера А уменьшающегося при износе штампа

А= (а + 0,8 )-0,3 = (24 + 0,8 0,14)_{-0,3 0,14} = 24,1_--,04 мм.

Расчёт размеров увеличивающихся при износе штампа.,

В₁ =(b₁ - 0,8 )^+0,3 =(18 – 0,8 0,12)^{+0,3 0,12} = 17,9^{+0,04 мм},

В₂ = (b₂ - 0,8 )^+0,3 = (50 – 0,8 0,17)^{+0,3 0,17} = 49,8^+0,05 мм,

В = (b - 0,8 )^+0,3 = (60 – 0,8 0,2)^{+0,3 0,2} = 59,8^+0,06 мм.

Расчёт размера остающегося неизменным при износе штампа

С = (с 0,2 ) = 12 0,2 0,12 = 12 0,02 мм.

Полученные расчётом размеры нанесены на чертёж матрицы Рис.5.35 (б), предназначенной для вырубки внешнего контура детали. Сопрягаемый с данной матрицей пуансон для вырубки внешнего контура детали имеет те же размеры, что и матрица, но уменьшенные на величину зазора z/2 на сторону, т.е. на 0,04 – 0,07 мм. На чертеже пуансона проставляют размеры матрицы без допуска и делают надпись в технических условиях « Режущий контур пригнать и проверить по матрице с зазором 0,04 – 0,07 мм на сторону».

Размеры пуансона для вырубки отверстия в детали приведены на Рис. 5.35(в). Сопрягаемая с этим пуансоном матрица больше этого пуансона, на величину зазора z/2 на сторону.

Рис.5.35

Усилие вырубки Р определяется по формуле

Р=kF (5.8)

где k - коэффициент учитывающий неоднородность материала (k = 1,3);

F - площадь сечения по периметру среза в мм².

Уменьшение усилия вырубки Р можно добиться за счёт скашивания кромок матрицы или пуансона, тогда вырубка будет осуществляться не по всему периметру среза одновременно, а последовательно по частям площади среза.

В случае применения в штампе пружинного или резинового съёмника, к усилию вырубки добавляется усилие сжатия Р_сж , необходимое для сжатия пружины съёмника, и тогда усилие пресса

Р_пр = Р + Р_сж (5.9)

Применяемые в авиационной промышленности штампы, по характеру действия подразделяются на штампы: простого действия, последовательного действия, совмещённого действия, группового раскроя и универсальные.

По конструктивным особенностям штампы бывают без направляющих и с направляющими. Штампы без направляющих

дёшевы в производстве и пригодны только для грубых работ, из за увеличенного зазора между матрицей и пуансоном. Рис.5.36

Установка и центрирование матрицы относительно пуансона, в этих штампах, занимает много времени и зависит от состояния поверхностей направляющих ползуна пресса. Штампы с направляющими обеспечивают большую точность воспроизведения контура детали и быстро устанавливаются на прессе.

Штампы простого действия. На Рис.5.36 приведена конструкция вырубного штампа простого действия с направляющими колонками. В вырубном штампе простого действия за один рабочий ход пресса изготавливается одна деталь или вырубается одно отверстие. Основными элементами штампа являются: нижняя плита (6) с запрессованными направляющими колонами (12), матрица (4) с матрицедержателем (5), верхняя плита (10), пуансон (7) с пуансонодержателем (8). Для точной ориентации пуансона относительно матрицы в верхнюю плиту запрессованы направляющие втулки (1)1, в которые входят направляющие колоны (12). Перемещение верхней плиты осуществляется ползуном пресса, который связан с хвостовиком (9).

Исходной заготовкой является полоса из листового материала, которая подаётся по направляющим линейкам (2) до упора (3). Вырубленная из полосы деталь выталкивается пуансоном через проем нижней плиты и стола пресса в сборник деталей. После вырубки детали полоса снимается с пуансона съёмником (1), при перемещении его вверх.

В штампах последовательного действия изготовляют детали и заготовки, в которых из листа вырубается несколько контуров последовательно друг за другом. Штампы последовательного действия. На Рис.5.37 приведена конструктивная схема штампа последовательного действия, в котором деталь получают за три рабочих хода пресса.

Рис.5.37

Штамп последовательного действия состоит из: верхней плиты (1), держатель пуансонов (2), пуансонов (3),съёмника (4), направляющих для заготовки (5), матрицы (6), упора (7), нижней плиты (8), направляющие колоны (9) и заготовки (10). Заготовка представляет собой стандартную полосу требуемой ширины или отрезанную от листа на гельотинных ножницах. Готовая деталь (1)1 получается за три хода пресса. За первый ход вырубается одно отверстие, за второй ход пробивают два отверстия малого диаметра и за третий ход вырубают деталь по внешнему контуру. Перед каждым ходом пресса заготовка (полоса) продвигается на определённый шаг, обеспечивающий получение готовой детали. Направляющие колоны обеспечивают равномерный зазор между пуансонами и матрицей. Съёмник служит для стягивания заготовки с пуансонов при их движении вверх. На верхней плите крепится хвостовик для соединения с ползуном пресса.

На Рис.5.38 приведена конструктивная схема штампа последовательного

действия. На верхней плите крепятся пуансоны (2) и (3) для вырубки внешнего контура шайбы и пробивки центрального отверстия соответственно. Аналогичным

образом на нижней плите крепятся матрицы (5) и (4).

Заготовка, в виде полосы подаётся по направляющим съёмника до упора 1 (6). После пробивки отверстия полоса перемещается на шаг подачи. В результате следующего цикла вырубки получаем готовую деталь в виде шайбы (9).

Рис.5.38

Величина шага подачи выбирается из условия обеспечения минимальной величины перемычки (7) между вырубаемыми отверстиями и краями полосы.

Штампы совмещённого действия являются наиболее совершенными с технологической точки зрения и позволяют формировать как внешний контур детали , так и пробивать отверстия необходимого профиля за один рабочий ход пресса. Конструктивная схема штампа совмещённого действия, на котором вырубается деталь сложной конфигурации, приведена на Рис.5.39. На нижней плите(14)) крепится матрицедержатель с матрицами (3), (10) и (12). Матрица (3) и

пуансон (2) служат для вырубки внешнего контура детали, матрица (10) и пуансон (7) вырубают в детали окно, а три матрицы (12) и пуансоны (6) вырубают отверстия.

Съёмник (1) пружинами (9) перемещается вверх по направляюшим (5) и стаскивает заготовку с матрицы. Аналогичным способом готовая деталь снимается с пуансонов съёмником (4). Штампы совмещённого действия экономически целесообразно применять при серийном изготовлении деталей или при высокой точности размеров детали и точности взаимного расположения вырубаемых в ней контуров.

В штампах совмещённого действия можно изготавливать детали из листового материала как плоские так и объёмные, от малогабаритных до крупных (стрелки ручных часов, обшивки АПУ и ЛА). В качестве исходной заготовки используется листовой прокат. При штамповке толщина листа изменяется незначительно или практически не изменяется, в зависимости от формы получаемой детали.

На Рис.5.40 дана схема штампа совмещённого действия. В этом штампе все операции осуществляются в одной позиции, при одном рабочем ходе пресса. Приведённая схема штампа позволяет осуществлять вырубку заготовки (11) и формирование из неё готовой детали (13). На верхней плите крепится вырубной пуансон (5), который одновременно является и матрицей вытяжки, внутри которой размещён выталкиватель (4) с пружиной. На нижней плите крепится матрица (8) для вырубки заготовки (1)1, пуансон (7) для формирования внутреннего контура детали (13) и подпружиненный прижим (2). Заготовка (6) подаётся до упора (1) и при каждом рабочем цикле происходит выполнение нескольких операций.

Позиции (11), (12) и (13) показывают поэтапное формирование готовой детали. Отход представляет собой полосу (10) с отверстиями (9), выполненными с определённым шагом.

Штампы группового раскроя. Для вырубки одновременно нескольких деталей применяют штампы группового раскроя Рис.5.41, применение которых позволяет повысить производительность труда и снизить трудоёмкость изготовления. Дополнительно, при грамотном расположении вырубаемых из листа деталей, с минимально возможными перемычками, можно добиться повышения коэффициента использования материала. Повышение производительности труда достигается за счёт времени переналадки пресса, в сравнении с вырубкой каждой детали в одиночном штампе, так как штамп группового раскроя устанавливается и налаживается один раз при изготовлении партии деталей.

Штампы группового раскроя проектируются для изготовления деталей определённой формы и их применение рационально при изготовлении большой партий изделий и редкой смене их производства.

Снижение стоимости изготовления деталей, при относительно небольших объёмах изготовления, можно достичь при применении универсальных штампов. Универсальный штамп имеет один пуансон и одну матрицу с прямолинейными режущими кромками. Формирование требуемого контура вырубаемой детали, имеющей прямолинейные стороны, производится в несколько переходов.

Рис.5.41

Положение заготовки, относительно режущих кромок пуансона, меняется и выставляется на столе штампа с помощью подвижных упоров. Применение универсальных штампов позволяет снизить стоимость изготовления в 10-15 раз в сравнении с их технологической стоимостью при изготовлении в специальных штампах.

Повышение производительности труда может быть достигнуто за счёт механизации процесса подачи материала (полосы) в зону вырубки. Применение на прессах автоматической подачи материала и автоматической уборки готовых деталей позволяет использовать на 60—70% рабочие ходы пресса. Существующие автоматические механизмы подачи материала и уборки деталей работают синхронно с ходом ползуна пресса. Конструкция таких механизмов зависит от формы полосы материала, конструкции и размеров штампа. Информацию о возможных вариантах механизмов подачи можно найти в специальной литературе.

Процесс штамповки листовых деталей позволяет значительно повысить производительность труда, но в связи с высокой стоимостью штампов их рационально применять в серийном производстве. Многооперационные штампы обычно дороже однооперационных, но позволяют повысить производительность труда и уменьшить число используемого для штамповки оборудования. Материалы для деталей штампов выбирают с учётом их служебных свойств и стоимости применительно к масштабам производства. Обычно пуансоны и матрицы изготовляют из инструментальных сталей с последующей закалкой.