Холодной объемной штамповкой можно изготовить пространственные детали сложных форм (сплошные и с отверстиями). Холодная объемная штамповка обеспечивает также получение деталей со сравнительно высокими точностью размеров и качеством поверхности. Это уменьшает объем обработки резанием или даже исключает ее. Так как штампуют обычно за один ход ползуна пресса, то холодная штамповка (даже при использовании нескольких переходов со своими штампами) характеризуется большей производительностью по сравнению с обработкой резанием. Однако, учитывая, что изготовление штампов трудоемко и дороже изготовления инструмента, используемого при обработке резанием, холодную штамповку следует применять лишь при достаточно большей серийности производства.
Рекомендации по конструированию деталей применительно к изготовлению их холодной штамповкой сходны с рекомендациями, приведенными для горячей объемной штамповки. Допустимые углы наклона и радиусы скруглений обычно меньше, чем углы наклона и радиусы скруглений при горячей штамповке.
2. Холодная листовая штамповка
2.1. Сущность способа
В качестве заготовки при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полоску или ленту, свернутую в рулон. Толщина заготовки при холодной штамповке обычно не более 10 мм и лишь в сравнительно редких случаях – более 20 мм. Детали из заготовок толщиной более 20 мм штампуют с нагревом до ковочных температур (горячая листовая штамповка), что позволяет значительно уменьшить усилие деформирования по сравнению с холодной штамповкой. Холодная листовая штамповка получила более широкое применение, чем горячая.
Листовой штамповкой изготавливают самые разнообразные плоские и пространственные детали массой от доли грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра и детали массой в десятки килограммов и размерами, составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолета, ракеты) [1].
Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что толщина их стенок 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.
Листовую штамповку широко применяют при различных отраслях промышленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолето-, ракето- и приборостроение, электротехническая промышленность и другие.
К преимуществам листовой штамповки относится возможность получения деталей минимальной массы при заданной их прочности получения деталей 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 тысяч 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 производстве.
При листовой штамповке пластические деформации получают лишь часть 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 и хороших условиях труда [2].
2.2. Операции листовой штамповки
Рассмотрим основные разделительные и формоизменяющие операции листовой штамповки.
Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах – ножницах и в штампах. Отрезку чаще применяют как заготовительную операцию для разделения листа на полосы заданной ширины. Основные типы ножниц – ножницы с поступательным движением режущих кромок ножа (рисунок 2.1. а) и вращательным движением режущих кромок – дисковые ножницы (рисунок 2.1. б). Для уменьшения усилия резания режущие кромки в ножницах с поступательным движением ножа наклонены друг к другу под углом 1-5° (гильотинные ножницы). Лист подают до упора, определяющего ширину отрезаемой полосы В. Длина отрезаемой полосы Lне должна превышать длины ножей.
Рисунок 2.1. Схемы действия ножниц: а – гильотинных; б – дисковых
При отрезке на дисковых ножницах длина отрезаемой полосы не ограничивается инструментом, вращение дисковых ножей 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. Для обеспечения захвата и подачи заготовки диаметр ножей должен быть больше толщины заготовки в 30-70 раз (увеличиваясь с уменьшением коэффициента трения).
При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали, а пробивкой – внутренний контур.
Вырубку и пробивку обычно осуществляют металлическими пуансоном и матрицей. Пуансон вдавливает 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 (рисунок 2.2. а).
Рисунок 2.2. Последовательность деформирования при вырубке (а) и характер среза при нормальном (б) и малом (в) зазорах: 1 – матрица; 2 – пуансон
При определенной глубине внедрения режущих кромок в заготовку у режущих кромок зарождаются трещины, быстро проникающие в толщу заготовки. Эти трещины наклонены к оси инструмента под углом 4-6°; если эти трещины встречаются, то поверхность среза получается сравнительно ровной (рисунок 2.2. б), состоящий из блестящего пояска, образующегося от внедрения 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 назначают в зависимости от толщины и механических свойств заготовки. При малом зазоре трещины не встречаются, и на поверхности среза появляются пояски вторичного среза (рисунок 2.2. в), ухудшающие ее качество и способствующие разрушению заготовки при последующем деформировании и работе детали.
Кроме рассмотренных разделительных операций, в технологии листовой штамповки применяют и другие, такие, как нарезка и обрезка. Характер деформирования заготовки для этих операций аналогичен рассмотренному.
Гибка – операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения ее линейных размеров (рисунок 2.3. а). В процессе гибки пластическая деформация сосредотачивается на узком участке, контактирующем с пуансоном, в то время как участки, образующие полки деталей, деформируются упруго.
Рисунок 2.3. Схема гибки (а) и изделия, получаемые при ее использовании (б): 1 – нейтральный слой; 2 – пуансон; 3 – матрица.
В зоне пластических деформаций наружные слои растягиваются, а внутренние сжимаются. У середины заготовки находятся слои, деформация которых равна нулю. Деформация растяжения наружного слоя и сжатия внутреннего увеличивается с уменьшением радиуса 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 толщу заготовки. Это обстоятельство ограничивает минимальные радиусы, исключающие разрушение заготовки. В зависимости от материала заготовки.
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 гибки). Угол между полками при разгрузке изменяется в зависимости от механических свойств (отношение придела упругости к модулю текучести) и увеличивается с увеличением этих параметров.
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. При разгрузке все слои заготовки будут или растягиваться, или сжиматься, что уменьшит угловые деформации.
При гибке в штампах можно одновременно изменять кривизну на нескольких участках по длине заготовки, оставляя другие участки прямолинейными, в некоторых случаях пластические деформации при гибке могут охватывать всю заготовку. На рисунке 2.3. б, показаны примеры деталей, полученных гибкой. Детали, изогнуты в нескольких плоскостях, обычно изготовляют последовательным деформированием заготовки в нескольких штампах. В этих случаях гибке может подвергаться пространственная заготовка, полученная на предыдущих переходах [1].