Глава 21. Листовая штамповка (ЛШ)

К листовой штамповке относятся методы получения деталей и изделий, для которых в качестве исходной заготовки используют листовой материал, трубные заготовки, катаные и гнутые профили. 434

Листовую штамповку осуществляют как в холодном, так и подогретом состоянии. Горячей листовой штамповкой (ГЛШ) получают крупногабарит­ные детали паровых и гидравлических турбин большой мощности, детали прессов, прокатных станов, элементы космических аппаратов, подводных лодок, судов и др.

Широкое применение листовой штамповки обусловлено рядом досто­инств, которыми обладает данный способ. К их числу можно отнести:

1) малую металлоемкость изделий;

2) высокую точность штампуемых изделий;

3) хорошее качество поверхности, что позволяет полностью исключить или совсем свести к минимуму обработку поверхности;

4) высокую производительность;

5) простоту механизации и автоматизации процессов листовой штам­повки;

6) приспособляемость к условиям производства (рентабельность в усло­виях как мелкосерийного, так и массового производства);

7) малоотходность;

8) возможность получения различных и оптимальных механических
свойств в различных участках деталей, получаемых штамповкой.

Все операции листовой штамповки можно объединить в две группы: разделительные и формоизменяющие.

21.1. Разделительные операции листовой штамповки

При выполнении разделительных операций деформирование заготовки происходит вплоть до разрушения.

В начальной стадии процесса
разделения заготовки пластиче­
ская деформация сосредоточива­
ется у кромок инструмента (рис.
21.1), который внедряется на не­
которую глубину в металл. При
этом возникают очаги деформа­
ции, которые в ходе процесса,
продвигаясь в толщину заготов­
ки, смыкаются. В результате пла­
стическая деформация охватыва­
ет всю толщину заготовки в мес- Рис. 21.1. Схема разрушения металла при
те реза. разделительной резке

Дальнейшее внедрение режущих кромок вызывает смещение одной час­ти заготовки относительно другой. При этом в результате действия момента, образованного силами Р, заготовка стремится повернуться, а на ее боковых гранях возникают горизонтальные силы Т, прижимающие заготовку к боко­вым граням режущего инструмента. Эти силы при смещении режущего ин­струмента относительно заготовки сглаживают поверхность, образуя бле­стящий поясок х по поверхности среза. При достижении предельной величи­ны деформации в слоях заготовки, расположенных вблизи от режущих кро­мок, возникают трещины, которые из-за расклинивающего действия сил Р и Т несколько разворачиваются и сливаются (встречаются) в теле заготовки.

Условием встречи трещин в теле заготовки является выбор величины зазора Z между пуансоном / и матрицей 2. Для конструкционных сталей за­зор обычно составляет 10% от толщины разрезаемого металла (S).

Разделительной резкой получают детали, к которым не предъявляются высокие требования качества поверхности разделения (например, заготовки под последующую обработку).

В плоских деталях, полученных из листа, часто требуются хорошая чис­тота поверхности разделения и повышенная точность поперечных размеров, которые достигаются увеличением высоты блестящего пояска. Это возмож­но за счет уменьшения концентрации напряжений, например при затуплении режущих кромок, или за счет ликвидации растягивающих напряжений в оча­ге деформирования.

В результате чистовой вырубки получают высокоточные детали, не тре­бующие дальнейшей обработки, например шестерни часов, рычаги фотоап­паратов и т. д. Использование чистовой вырубки увеличивает энергозатраты процесса в 2—2,5 раза.

Основные виды разделительных операций: отрезка — разделение заготовки по незамкнутому контуру; вырубка — разделение заготовки по замкнутому контуру, при котором отделяемая часть является деталью; пробивка — разделение заготовки по замкнутому контуру, при котором отделяемая часть является отходом.

При проектировании деталей, получаемых вырубкой или пробивкой, следует придерживаться следующих правил.

1. Необходимо избегать сложных конфигураций с узкими и длинными вырезами контура или очень узкими прорезями.

2. Малые и средние заготовки (до 300 мм) необходимо проектировать с радиусами скругления углов (г > 0,55), поскольку для их изготовления при­меняют цельные матрицы. Крупногабаритные заготовки (более 300 мм) можно проектировать без закруглении углов, так как они изготовляются в составных матрицах.

3. Сопряжения сторон наружного контура следует выполнять с закруг­лениями лишь в случае необходимости вырубки детали по всему контуру. 436

Для безотходного раскроя допускают сопряжения под прямым углом.

4. Наименьшие размеры пробивае­мых отверстий не должны быть менее ₀ (1,3-1,5)5. I ^{Х J}

5. Наименьшее расстояние от края отверстия до прямолинейного наружного / j g i i _ ц контура должно быть не менее 5 для фи- \^* *S ^ **

гурных круглых отверстий и не менее A* v? V* ^ I

2,5S, если края отверстий параллельны I i ^в\ el О

контуру детали. 6

6. Не следует располагать отверстия в _{Рнс> 2}1.2. Примеры раскроя: заготовке, подлежащей гибке, близко к _а — нерационального; б — рациональ-радиусу закругления детали. Наименьшее ного

расстояние от края отверстия до загнутой полки должно составлять а > г + 2S, где г — радиус изгиба.

В большинстве случаев конфигурация холодноштампованной детали или ее заготовки может быть изменена без какого-либо ущерба для кон­структивного или эксплуатационного назначения таким образом, что из­мененная форма детали позволит значительно снизить расход материала (рис. 21.2).

21.2. Формообразующие операции листовой штамповки

В отличие от разделительных, при формоизменяющих операциях во из­бежание разрушения заготовки избегают максимальной локализации пласти­ческой деформации. Наиболее широко применяющиеся формообразующие операции листовой штамповки — гибка и вытяжка.

Гибка — изменение направления оси заготовки. В процессе гибки слои металла, прилегающие к пуансону, сжимаются, а противоположные — рас­тягиваются (рис. 21.3, а). Серединные слои заготовки напряжений при этом не испытывают, их называют нейтральными.

При гибке следует учитывать направление прокатки,' в общем случае желательно, чтобы сжатие и растяжение были направлены вдоль волокон.

Определяя необходимый угол изгиба, следует учитывать так называе­мый угол пружинения — уменьшение угла изгиба после снятия деформи­рующей нагрузки вследствие упругой деформации. Угол пружинения увели­чивается с увеличением радиуса изгиба, прочностных характеристик метал­ла, с уменьшением толщины заготовки.

Рис. 21.3. Формообразующие операции:

а — гибка; б — вытяжка, в — многопереходная вытяжка, г — вытяжка с утоне­нием стенки, д — отбортовка, е — обжим; ж — формовка; / — матрица; 2 — пуансон, 3 — заготовка

Гибкой получают изделия типа скоб, кронштейнов, заготовок для шов­ных труб и др.

Основные технологические требования к конструкции изогнутой детали.

1. Минимально допустимые радиусы гибки следует применять лишь в случае конструктивной необходимости, в большинстве случаев возможно применить увели­ченные радиусы гибки г = S, а для толстых заготовок г > 2S.

2. В случае гибки пластичных металлов (сталь 10, 20) с малым радиусом закруг­ления (0,55) линию изгиба желательно располагать поперек волокон проката. В слу­чае гибки тех же металлов с радиусом г > S расположение линии изгиба безразлично.

3. При гибке твердых и малопластичных металлов (бронза, сильноупрочненная латунь, лента пружинной стали и др.) линию изгиба следует располагать поперек волокон проката. Наименьший радиус изгиба берется в пределах (2—4)5.

4. При изгибе заготовки в разных направлениях, а также при изготовлении пра­вых и левых деталей из одной заготовки радиус закругления одного из перегибов должен быть увеличен. Гибка должна быть произведена таким образом, чтобы сторо­на с заусенцами пришлась на наружную сторону перегиба с увеличенным радиусом.

5. Для увеличения жесткости гнутых деталей и устранения упругого пружине-ния рекомендуется штамповка ребер жесткости поперек угла изгиба.

6. Наименьшая высота отгибаемой полки должна быть h > 3S.

Вытяжка без утонения стенок — превращение плоской заготовки в

полое изделие или увеличение высоты полого полуфабриката путем протя­гивания через матрицу с уменьшением поперечных размеров заготовки, но без предварительного ее утонения (рис. 21.3, б).

Особенностью вытяжки является то, что фланец и вертикальные стенки вытягиваемой заготовки находятся в различных условиях напряженного и деформированного состояний. Сжимающие напряжения а₀ во фланце могут 438

привести к потере устойчивости (образованию складок), а растягивающие напряжения а_р в стенке могут привести к отрыву донной части, что наклады­вает определенные ограничения на технологический процесс вытяжки. Ме­рой деформации при вытяжке является коэффициент, равный

где Дат — диаметр заготовки; d_Hm — диаметр изделия.

Обычно К_ъ = 1,6—2,2. Предельный (теоретический) коэффициент вы­тяжки для деталей типа кругового цилиндра с дном равен 2,7.

Если требуется получать детали с большими значениями коэффициента вытяжки, применяют многопроходную вытяжку (рис. 21.3, в) с межопераци­онным отжигом.

Размеры заготовок под вытяжку определяют из условия равенства по­верхностей заготовки и отштампованного изделия.

Вытяжка с утонением стенки отличается тем, что зазор между матри­цей и пуансоном выбирается меньшим, чем толщина материала заготовки (рис. 21.3, г). Заготовкой в этом случае является стакан, полученный обыч­ной вытяжкой. Матрица имеет форму деформирующего конуса с углом 10—20°.

Обычно при вытяжке с утонением стенки не стремятся уменьшить диа­метр изделия; утонение стенки приводит к большому увеличению высоты изделия. Степень деформации стенки при этом может составлять 40—60%.

Вытяжкой получают как осесимметричные детали, так и детали короб­чатой и более сложных форм, например кузовные детали автомобилей.

Основные технологические требования к конструкции полых деталей, изготов­ленных вытяжкой:

1) необходимо по возможности избегать сложных и несимметричных форм вытяги­ваемых деталей, прибегая к ним лишь в случае явной конструктивной необходимости;

2) радиусы закруглений у фланца должны быть по возможности больше, а ра­диусы закруглений у дна могут быть взяты меньшими. Сопряжение стенок с дном без радиуса закругления может бьпъ выполнено путем дополнительной калибровки или при штамповке толстых заготовок (DIS < 20);

3) необходимо избегать глубоких вытяжек с широким фланцем (D > 3d при h > 2d, где Л — высота цилиндрической части), требующих большого количества операций;

4) в прямоугольных коробках следует избегать острых углов в плане и у дна детали.

Отбортовка (рис.21.3, д) — процесс получения горловины или просто бортов вокруг предварительно пробитых отверстий. Формоизменение опре­деляют коэффициентом отбортовки Ко = dld₀, который зависит от механиче­ских характеристик металла заготовки и ее относительной толщины S/d₀ и не должен превышать 1,8.

Отверстие для отбортовки предпочтительно просверлить, так как при про­бивке появляющиеся наклеп и заусенцы существенно снижают допустимый IQ,. В этой связи часто комбинируют пробивку отверстий с последующим рассверлива-

нием. Отбортовку применяют для изготовления кольцевых деталей с фланцами, для образования выступов под резьбу, для сварки с трубами и т. п.

Обжим — уменьшение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки — производится сужающей полостью матрицы (рис. 21.3, е) насаживанием ее на гильзу. За один переход можно получить d = (0,7—0,8)£>. Для получения горловины еще меньшего диаметра делают несколько после­довательных операций, иногда с промежуточным отжигом.

Раздача — увеличение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки путем заталкивания в нее расширяющегося пуансона. Раз­дача — это операция, противоположная обжиму.

При необходимости местного изменения формы листовой заготовки, сохраняя при этом размеры ее наружного контура, производят локальную вытяжку, называемую формовкой.

Формовку часто используют для увеличения жесткости листов конст­рукции путем создания конструкционных выступов или впадин, ребер жест­кости и т. п. — капот и крышка багажника автомобиля, двери, боковины ка-нистр (рис. 21.3, ж).

Формовка производится в штампах, аналогичных вытяжным штампам, с увеличенной силой прижима до такой степени, что зажатая часть листа не подвергается деформации. Изменение формы внутренней части изделия происходит за счет ее утонения.