Холодной объемной штамповкой обрабатывают цветные, легкие и тяжелые металлы, а также стали. Прежде всего этот способ применяют для изготовления массовых изделий небольших размеров: заклепок, гвоздей, болтов, гаек и т.п. Отсутствие нагрева, а следовательно, окалины и тепловых усадок позволяет получать при помощи холодной объемной штамповки точные детали с допусками на размеры порядка сотых и десятых долей миллиметров с чистотой поверхности 6…9-го класса. Исходной заготовкой для объемной штамповки служит калиброванный круглый пруток диаметром от 0,6 до 38 мм(для метизов) и шайбы, вырубленные из листов.
Основная операция при производстве метизов – высадка с истечением металла перпендикулярно движению инструмента, а оборудованием служат холодновысадочные автоматы производительностью от 30 до 400 деталей в минуту. В зависимости от сложности детали ее изготовляют за один или несколько переходов (ударов молота). Поскольку пластическая деформация в этих процессах идет при температурах ниже температуры рекристаллизации, то металл изделия упрочняется тем больше, чем больше степень деформации. Это используют при замене обработки резанием холодной объемной штамповкой. В ряде случаев упрочнение материала при штамповке заменяет термическую обработку (закалку с отпуском), которая применялась после механической обработки детали. Упрочнение металла сопровождается благоприятным расположением макроволокон в изделии.
Наряду с высадкой в холодной объемной штамповке широко используется процесс выдавливания (прессования, экструзии), т.е. истечения металла по оси движения инструмента. Холодным объемным выдавливанием изготавливают фасонные изделия массой от 1 г до 35 кг, диаметром до 216 мм и длиной до 1500 мм. При этом минимальная толщина стенки может достигать 0,1 мм. Экономическая рентабельность партии изделий для холодного объемного выдавливания в зависимости от технологичности детали и стойкости штампов определяется в 3000…10000 шт. Однако в отдельных случаях может быть экономична и партия в 500 шт. Процесс особенно эффективен для массового производства, например тюбиков, корпусов снарядов, гильз, деталей автомашин, велосипедов и т.д. Некоторые типичные формы изделий показаны на рис. 11.
 |
Для холодного выдавливания применяют прессы механические, фрикционные и гидравлические, снабженные выталкивающими устройствами. Гидравлические прессы для холодной объемной штамповки развивают усилие до 60 Мн (600 Т). При разработке технологии холодной штамповки следует иметь в виду, что суммарная степень деформации, необходимая для получения изделия из заготовки, может оказаться выше допускаемой без разрушения металла. Поэтому обычно сложные детали изготовляют за несколько переходов, осуществляя снятие наклепа между отдельными переходами с помощью термической обработки. Уменьшение разовой деформации в результате распределения суммарной деформации по переходам снижает усилие штамповки и повышает стойкость штампов.
ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА
Листовой штамповкой получают разнообразные детали из различных сталей и сплавов, находящие широкое применение в авиационной, автомобильной, тракторной промышленности, производстве товаров широкого потребления и других отраслях народного хозяйства. Основной признак листовой штамповки – неизменность толщины заготовки в ходе обработки. В качестве заготовки используют лист, ленту, полосу, фасонный профиль и т.д.
Различают толстолистовую и тонколистовую штамповку, причем к тонколистовой относят штамповку заготовок толщиной менее 4 мм. Тонколистовую штамповку, как правило, ведут в холодном состоянии, а при толщине листа более 10 мм применяют только горячую штамповку. Необходимо отметить, что штамповкой получают также изделия из листовых неметаллических материалов. Процесс листовой штамповки отличается высокой производительностью (до 40000 деталей в смену с одного штампа), легко поддается механизации и автоматизации, обеспечивает высокую точность размеров и хорошее качество поверхностей отштампованных деталей. Операции листовой штамповки делят на разделительные и формоизменяющие. К разделительным операциям относятся отрезка, вырубка и пробивка.
Отрезку чаще всего применяют для разделения листа на полосы нужной ширины. Эту операцию производят на ножницах с параллельными и наклонными ножами (гильотинных) и дисковых.
Вырубка и пробивка – это процессы отделения части заготовки по замкнутому контуру. При вырубке отделяемая часть является изделием или заготовкой, а при пробивке отделяемая часть – это отход. Пробивкой получают отверстия. Технология обеих операций идентична: пуансон выдавливает отделяемую часть в отверстие матрицы. Рабочие кромки пуансона и матрицы заостряют, а зазор между пуансоном и отверстием матрицы обычно равен 5…10% от толщины заготовки.
К формоизменяющим операциям относятся гибка, вытяжка, обжим, отбортовка, формовка.
Гибка (рис 12 а) изменяет направление оси заготовки. При этом верхние слои заготовки сжимаются, а нижние – растягиваются. Нейтральный слой радиуса р растяжению и сжатию не подвергается. Минимальный радиус изгиба, при котором не возникает разрушение наружных слоев заготовки от растягивающих напряжений
rmin =(0,25…0,30)× s,
где s – толщина заготовки.
Естественно, что с увеличением пластичности изгибаемого материала можно уменьшать радиус изгиба.
После окончания гибки вследствие упругой деформации (пружинения) изделие несколько распрямляется. Необходимую длину заготовки определяют, считая, что длина изделия по нейтральному слою равна длине заготовки.
Вытяжка (рис. 12 б, в) – операция, при которой плоская заготовка превращается в полое изделие или полуфабрикат. Заготовка для тел вращения имеет форму диска и изготовляется обычно вырубкой.
Как видно из рис. 12 б, средняя часть заготовки, проталкиваемая пуансоном в отверстие матрицы, уменьшает по диаметру кольцевую часть (фланец), и край заготовки, таким образом, приближается к кромке отверстия матрицы. Операция заканчивается, когда вся заготовка проталкивается пуансоном через отверстие матрицы. Чтобы уменьшить вероятность разрыва заготовки от концентрации напряжений на кромке пуансона и матрицы, необходимо выдерживать следующие соотношения размеров:
rn =(4…6)× s;
rm =(5…10)× s;
z =(1,1…1,3)× s.
На вероятность разрушения влияет также величина отношения диаметра заготовки Dз к диаметру вытянутого изделия dизд: чем больше это отношение, тем больше растягивающие радиальные напряжения на переходе от донышка к фланцу. Эти напряжения могут вызвать прорыв донышка. Практически коэффициент вытяжки равен
.
Размеры заготовки определяют, приравнивая площади поверхности изделий и заготовки. Это допустимо, так как при вытяжке в среднем толщина листа остается постоянной (у донышка толщина незначительно уменьшается, а по краям – несколько увеличивается). Ограничение коэффициента вытяжки не всегда позволяет получить изделие с заданным отношением высоты к диаметру за одну операцию вытяжки. Для этой цели проводят несколько операций вытяжки. Для каждой последующей вытяжки (рис. 12 в) заготовкой служит полуфабрикат, полученный предыдущей вытяжкой. Диаметр полуфабриката уменьшается от вытяжки к вытяжке, а его длина увеличивается. Максимальный коэффициент вытяжки применяют при первой вытяжке.
Вытяжка может вызвать образование складок по длине штампуемого изделия (полуфабриката) вследствие тангенциального сжатия фланца. Складкообразование можно предотвратить, если прижать фланец к торцу матрицы. Прижим может быть жестким и подвижным. Жесткий (неподвижный) прижим – это прижимное кольцо, устанавливаемое в штампе таким образом, чтобы зазор между ним и рабочим торцом матрицы был несколько больше толщины заготовки. Усилие подвижного прижима создается пружинами, резиновым вкладышем или сжатым воздухом. Холодная вытяжка, как и всякая операция холодной деформации, вызывает наклеп. Поэтому перед последующими вытяжками полуфабрикат подвергают отжигу, травлению, промывке и сушке. При вытяжке весьма важно снизить трение по рабочим поверхностям матрицы и прижимного кольца, чтобы уменьшить вероятность прорыва донышка. Это достигается смазкой чистыми минеральными маслами, минеральными маслами с графитом, мелом или тальком, мыльными эмульсиями.
Иногда применяют вытяжку с утонением: зазор между пуансоном и матрицей устанавливают меньше толщины исходного листа, в результате толщина стенки полой детали получается меньше толщины донышка.
Обжим позволяет уменьшить поперечное сечение конца заготовки, заталкиваемой в матрицу. Для предотвращения появления складок на обжатой части заготовки необходимо выдерживать соотношение
dзаг./dизд. =1,2…1,3.
Отбортовка (рис. 12 г) – операция, при которой из плоского участка заготовки с отверстием путем раздачи отверстия получают горловину (борт). Для малых отверстий применяют сферический или конический пуансон с радиусом закругления
rп =(5…10)× s.
Увеличение диаметра отверстия оценивается коэффициентом отбортовки Кот. Чтобы не возникло трещин по краю отверстия, при отбортовке выбирают
Формовка – изменение формы в результате локальных деформаций растяжения. Примером формовки может служить раздача средней части вытянутого полуфабриката при помощи резинового вкладыша, создающего боковое давление на стенки стакана под действием осевого усилия пуансона (рис. 12 д). После формовки вкладыш легко удаляется из изделия.
Листовую штамповку производят на гидравлических и кривошипных прессах.
Гидравлические прессы, рассмотренные выше (см. рис. 4), применяют в основном для штамповки толстого листа.
Широко распространены кривошипные прессы простого и двойного действия. Кривошипные прессы простого действия аналогичны по схеме рассмотренным кривошипным прессам для объемной штамповки (см. рис. 7). Кривошипные прессы двойного действия применяют, в частности, для вытяжки крупных деталей. Такие прессы имеют два ползуна. Внутренний ползун, к которому крепится вытяжной пуансон, приводится в возвратно-поступательное движение от кривошипно-шатунного механизма. Наружный ползун с прижимным кольцом тоже движется возвратно-поступательно, так как связан с коленчатым валом посредством кулачков. Кинематика ползунов регулируется таким образом, чтобы пуансон начал вытяжку после прижатия наружным ползуном заготовки к торцу матрицы. В процессе вытяжки наружный ползун остается неподвижным, а внутренний перемещается вместе с пуансоном. После окончания вытяжки оба ползуна поднимаются.
Для листовой штамповки применяют штампы простого действия и многооперационные штампы.
В штампах простого действия можно выполнять какую-либо одну операцию листовой штамповки. Многооперационные штампы позволяют выполнять до пяти операций и более за один ход пресса, причем переход от одной операции к другой совершается перемещением заготовки в направлении подачи. Обычно многооперационные штампы используют для вырубки, пробивки, вытяжки, гибки и отбортовки. Наибольшую эффективность эти штампы имеют при штамповке рулонной ленты с автоматизированной подачей в пресс.
Существуют упрощенные методы штамповки листа, к которым отностися штамповка резиной и токарно-давильные работы, для получения небольших серий изделий, когда изготовление штампов становится экономически невыгодным.
Штамповка резиной производится на гидравлических прессах и включает операции вырубки и пробивки, формовки, отбортовки и вытяжки, гибки. На рис. 13 показана схема вырубки и пробивки. На стол пресса устанавливают металлический шаблон из листа толщиной около 10 мм, имеющий контур и размеры вырубаемого изделия. Лист-заготовку помещают на шаблон таким образом, чтобы края заготовки выступали за контур шаблона. Резиновая подушка, закрепленная в ящике на ползуне пресса, при опускания ползуна сначала, прижимая заготовку к шаблону, отгибает выступающие ее края до прижатия к столу, затем обрывает заготовку по линии соприкосновения с острыми краями шаблона. Вырубленное изделие остается на шаблоне.
При пробивке отверстия на шаблоне остается отход металла. Толщина листа-заготовки при штамповке резиной не должна превышать 1,5 мм.
Токарно-давильные работы позволяют получать изделия, являющиеся телами вращения (рис. 14). На планшайбе токарно-давильного станка закрепляют деревянную форму, к которой суппортом (упором) прижимают заготовку. Рабочий торец давильника давит на вращающуюся вместе с планшайбой заготовку, постепенно деформируя ее по форме. В результате заготовка принимает конфигурацию формы.
Развитие этого метода привело к созданию нового процесса – раскатки (спиннинг-процесс) с утонением стенки. При раскатке используют стальную оправку, заготовкой служит лист или труба. Раскатку ведут роликами или шариками на специальных раскатных станках. Из трубной заготовки можно получить очень сложную деталь высокой точности и чистоты. Наружной и внутренней раскаткой получают изделия больших размеров диаметром до 4 м и длиной до 9 м, в том числе баки и отсеки реактивных двигателей и т.п.
Следует отметить, что разнообразие форм изделий из листового металла еще больше расширяется при использовании комбинированного процесса штамповки-сварки. Штампованно-сварные изделия успешно конкурируют с литыми изделиями и изделиями, полученными обработкой резанием, по экономичности и качеству.