Одним из основных видов обработки давлением является листовая штамповка. Листовую штамповку можно охарактеризовать как процесс получения обработкой давлением в штампах заготовок, полуфабрикатов и изделий из листового (иногда фасонного) проката преимущественно без обусловленного изменения его толщины.
Классификация операций листовой штамповки
Листовой штамповкой обрабатывают как металлические, так и неметаллические материалы. Металлический материал для листовой штамповки получают прокаткой, волочением, прессованием, гибкой (профилированием) в виде листов, полос, лент различной ширины, свернутых в рулон, а также в виде сплошных и несплошных стержней, панелей, труб различных форм поперечного сечения и толщины.
Из неметаллических материалов методами листовой штамповки обрабатывают бумагу, картон, натуральную и искусственную кожу, пластики, синтетические материалы.
С целью расширения возможностей листовой штамповки наряду с традиционными операциями применяют интенсификацию процессов за счет использования при штамповке повышенных температур, объемного перераспределения листового материала и совмещения операций.
При листовой штамповке в результате пластической деформации форма исходного материала может изменяться. При этом обеспечивается требуемая геометрическая точность изделия, состояние и качество его поверхности.
Формоизменение осуществляют с помощью штампов. Непосредственное воздействие на обрабатываемый материал оказывают основные детали штампа — пуансон и матрица и вспомогательные — прижим, съемник и выталкиватель. Пуансон вдавливается в деформируемый материал, обтягивается, обтекается или охватывается им. Матрица вбирает в себя, охватывает изменяющий форму материал и пуансон.
Базовая поверхность матрицы, по отношению к которой строится и измеряется ее полость (проем), называется зеркалом матрицы. Зеркало матрицы может быть плоским или в виде поверхности. Контуром проема матрицы называют линию пересечения поверхности полости с базовой поверхностью. Полость матрицы может быть глухая (с дном) и сквозная — в виде отверстия. Если полость сквозная, матрица имеет форму осесимметричного или неосесимметричного кольца. Такую матрицу называют матричным кольцом.
Пуансон и матрицу изготовляют обычно из более твердого и прочного материала, чем обрабатываемый. В этом случае инструмент называется жестким. Вместе с тем, один из инструментов — пуансон или матрица — может быть из твердого материала, а другой — из эластичного, легко поддающегося формоизменению. В качестве деформирующей среды могут также применять жидкость или газ.
Исходный материал, предназначенный для последующей обработки, в виде тела определенной формы и размеров называют заготовкой.
Операции листовой штамповки, в соответствии с ГОСТ 18970—84, делят на две группы: разделительные и формоизменяющие.
Разделительные операции
К разделительным относятся операции, в результате которых происходит полное или частичное отделение одной части заготовки от другой с разрушением исходного материала. При этом для выполнения операций используют либо сдвиг одной части заготовки относительно другой, либо внедрение инструмента в заготовку, либо разрыв материала в результате сосредоточенной деформации вблизи острой кромки инструмента под воздействием изгиба и растяжения.
Основные разделительные операции подразделяют на следующие виды.
Отрезка — полное отделение заготовки от исходного материала по незамкнутому контуру.
Разрезка — разделение полуфабриката на части по незамкнутому контуру. Разрезка может проводиться с образованием отхода или без него.
Вырубка — полное отделение заготовки или изделия от исходного материала по замкнутому контуру.
Пробивка — образование в заготовке отверстия или паза с полным отделением части материала в отход. Разделение может проводиться как по замкнутому контуру (для отверстия), так и по незамкнутому (для паза).
Обрезка — отделение от детали, полученной листовой штамповкой, технологического припуска. Обрезка может проводиться по замкнутой либо по незамкнутой линии.
Высечка — полное отделение заготовки или изделия от исходного материала по замкнутому контуру.
Просечка — образование в заготовке отверстия с полным отделением части материала в отход.
Надрезка — неполное отделение части заготовки путем сдвига. При выполнении операции происходит также гибка надрезаемого участка на некоторый угол по отношению к поверхности заготовки.
Проколка — образование в заготовке отверстия путем внедрения в нее пуансона с острой вершиной. Проколка проводится без удаления материала в отход с образованием по периметру отверстия борта с неровными краями, т.е. разделение материала происходит одновременно с операцией отбортовки.
Зачистка — удаление технологического припуска с кромок листовой детали путем его срезания с образованием стружки и последующего сдвига.
Разделительные операции, являющиеся производными от основных:
- чистовая вырубка — вырубка в условиях всестороннего неравномерного сжатия в зоне разделения материала;
- чистовая пробивка — пробивка в условиях всестороннего неравномерного сжатия в зоне разделения материала.
Операции отрезки, разрезки, вырубки, пробивки, чистовой вырубки, чистовой пробивки, обрезки проводят по схеме формоизменения сдвигом. Операции высечки и просечки выполняют путем внедрения инструмента в разделяемый материал. При надрезке, проколке и зачистке наряду с разделением материала выполняют и другие операции.
Формоизменяющие операции
Формоизменяющие операции — операции, в результате которых путем пластического деформирования изменяют форму заготовки.
Гибка — образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы с образованием развертывающихся поверхностей (цилиндрической или конической).
Завивка — разновидность гибки, заключающаяся в образовании закруглений на концах плоской заготовки или заготовки из проволоки.
Вытяжка — образование полой заготовки или изделия из плоской или полой исходной листовой заготовки за счет втягивания пуансоном в полость матрицы части материала, находящегося за контуром ее проема, и растяжения другой части, находящейся внутри контура.
Существуют следующие разновидности вытяжки:
- осесимметричная вытяжка — вытяжка оболочки из осесимметричной заготовки осесимметричными пуансоном и матрицей;
- вытяжка деталей коробчатой формы — образование полых деталей в виде прямоугольных в плане коробок с фланцем или без фланца, имеющих, как правило, две плоскости симметрии;
- ложная вытяжка — образование полых деталей сложной формы (например, кузовных);
- вытяжка с утонением — получение осесимметричной детали (типа стакана), состоящее в увеличении его высоты за счет утонения стенки, получаемого протягиванием стенки через зазор между поверхностями пуансона и матрицы;
- комбинированная вытяжка — соединение протекающих одновременно под воздействием одного и того же инструмента двух видов формоизменения: собственно вытяжки и вытяжки с утонением;
- ротационная вытяжка — формоизменение плоской или полой вращающейся заготовки по профилю оправки под воздействием перемещающегося вдоль этого профиля деформирующего элемента (ролика); при этом обеспечивается возможность получения полых осесимметричных изделий как с постоянной, так и с переменной толщиной стенки.
Обтяжка — образование заготовки заданной формы приложением растягивающих сил к ее краям.
Формовка — образование рельефа в листовой заготовке за счет местных растяжений без обусловленного изменения толщины материала.
Закатка — образование закругленных бортов на краях полой заготовки.
Отбортовка — образование борта по внутреннему и (или) наружному контуру заготовки.
Обжим — уменьшение размеров поперечного сечения части полой заготовки путем одновременного воздействия инструмента по всему ее периметру.
Раздача — увеличение размеров поперечного сечения части полой заготовки путем одновременного воздействия инструмента по всему ее периметру.
Скручивание — поворот части заготовки вокруг продольной оси.
Правка — устранение искажений формы заготовки (детали) пластическим деформированием.
Калибровка — повышение точности размеров штампованной заготовки и уменьшение шероховатости ее поверхности.
Операции, используемые для получения заготовок, называют заготовительными.
Некоторые операции, такие как надрезка, гибка, отбортовка, обжим, раздача, формовка, могут быть использованы для получения неразборных соединений двух или нескольких деталей. В этом случае операции называются штампосборочными.
Количественно формоизменение в ходе штамповочной операции оценивают коэффициентом формоизменения, отражающим относительное изменение геометрического параметра, характерного для данного вида формоизменения. Наибольшее возможное формоизменение оценивается предельным коэффициентом формоизменения.
Формоизменение заготовки ограничивает один из следующих факторов:
- разрушение материала по исчерпании его пластичности;
- возникновение волн — складок на участках заготовки, находящихся под воздействием сжимающих сил;
- локализация деформации и резкое сужение сечения на участках заготовки, находящихся под воздействием растягивающих сил;
- упрочнение металла, если оно оговорено техническими условиями на деталь.
Штамповочная операция является частью технологического процесса изготовления изделия. За каждую операцию выполняют определенный вид формоизменения с заданным коэффициентом формоизменения. В технологический процесс штамповки могут входить также вспомогательные операции: смазывание, нанесение покрытий, удерживающих смазочный материал, удаление заусенцев, обезжиривание и промывка. При необходимости в технологический процесс вводят операции термообработки: отжиг начальный и межоперационный, закалку и отпуск, а также отделочные, декоративные и антикоррозионные операции обработки поверхности и операции нанесения покрытий.
Из вышеприведенного определения операций видно, что к листовой штамповке традиционно относят некоторые операции, требующие обусловленного изменения толщины листа. В число этих операций входят вытяжка с утонением, ротационная вытяжка, отбортовка с утонением и некоторые другие, по схемам напряженно-деформированного состояния соответствующие операциям объемной штамповки. Отнесение этих операций к листовой штамповке связано с тем, что они, как правило, входят в технологический процесс, где наряду с ними используют и операции, протекающие без обусловленного изменения толщины.
Комплект инструмента
Комплект инструмента, состоящий из пуансона, матрицы и вспомогательных деталей, предназначенный для одной операции, входит в штамп и располагается в нем в определенной позиции. В штампе может быть один или несколько таких комплектов; они могут располагаться как в одной, так и в разных позициях.
Штамп, предназначенный для выполнения одной операции, имеет один комплект инструмента, располагаемый в одной позиции. Такой штамп называют штампом простого действия или однооперационным. Штамп совмещенного действия предназначен для выполнения нескольких операций несколькими пуансонами и матрицами, располагаемыми в одной позиции. Штамп последовательного действия также предназначен для выполнения нескольких операций, но при этом применяют несколько комплектов инструмента, располагаемых в разных позициях.
При штамповке по совмещенной схеме заготовка в процессе выполнения операций остается на одной позиции. При штамповке по последовательной схеме заготовка переносится с позиции на позицию после выполнения каждой операции. Наименования основных видов штампов листовой штамповки и их узлов, а также правила построения наименований штампов содержатся в ГОСТ 15830—84.
Для обеспечения высокого качества изделия, его служебных характеристик и минимальной себестоимости необходимо, чтобы была обеспечена технологичность конструкции изделия, получаемого листовой штамповкой. Для этого на этапе проектирования изделия должно быть выполненосогласование конструкторских идей с требованиями и возможностями производства. В ходе отработки технологичности конструкции изделия выбирают геометрические соотношения элементов изделия, вид и механические характеристики исходного материала и другие параметры.
При этом необходимо учитывать следующие факторы:
- технологические возможности и особенности штамповочных операций в предлагаемых вариантах технологического процесса;
- уровень технической оснащенности и состояния оборудования штамповочного и инструментального подразделений;
- возможности выбора материалов для штампов.
Понятие «технологичность изделия» включает в себя сравнительную (качественную) оценку полноты этого учета.
В завершение классификации следует добавить рекомендации по установлению параметров качества штампованных деталей. Качество определяют шероховатость поверхности, точность формы и размеров, которые ниже указаны для всех основных операций. Как правило, точность штампованных деталей в зависимости от выбранной операции и ее схемы находится в пределах 6…16 квалитета, шероховатость поверхности, формируемая непосредственно в контакте с инструментом, соответствует Ra ≈ 0,32…1,25 мкм, формируемая вне контакта с инструментом — не выше Rz ≈ 20 мкм. Исходная поверхность листовой заготовки на деформированных участках поверхности детали ухудшается на 1…2 интервала параметров шероховатости. Существует также возможность упругого и незначительного пластического деформирования практически всей поверхности изготовленного изделия, существенно влияющее на точность формы (прямолинейность, плоскостность, взаимное расположение) и возникающее как в процессе формообразования, так и в процессе разгрузки изделия после удаления его из штампа.
Обеспечение точности размеров в листовой штамповке
При листовой штамповке геометрические параметры деталей в основном получают методом копирования формы и размеров рабочих частей штампа. В основе методики технологического обеспечения формообразования и точности размеров находятся физико-механические и тепловые процессы.
В процессе работы под действием технологической силы во всех элементах технологической системы пресс-штамп-заготовка возникают деформации, которые в зависимости от конкретных условий процесса штамповки могут оказывать большее или меньшее влияние на размеры изделия.
Основные причины отклонений размеров:
- упругие деформации детали, обусловленные разгрузкой от нормальных сил и изгибающих моментов;
- пластические деформации детали, обусловленные разгрузкой детали и инструмента;
- температурное изменение размеров детали;
- температурное изменение размеров инструмента;
- температурное изменение механических свойств штампуемого материала;
- износ инструмента;
- неточность изготовления элементов и сборки штампа;
- неточность пресса;
- неточность установки штампа на пресс;
- неточность установки заготовки на штамп; упругие деформации элементов технологической системы пресс-штамп-заготовка;
- взаимовлияние разгрузки пересекающихся элементов конструкции детали;
- условия выполнения процесса штамповки;
- случайные причины.
Вызываемые этими причинами деформации могут быть представлены в виде математической модели, пригодной для расчета размеров и отклонения размеров детали от размеров инструмента.
Возможность предварительного определения отклонения размеров детали от размеров инструмента позволяет решить важнейшие практические задачи: повышение точности размеров при изготовлении деталей за счет исключения влияния систематических погрешностей; повышение износостойкости рабочих элементов пуансонов и матриц при отсутствии повышенных требований к точности за счет исключения систематических погрешностей.