Формообразующие операции листовой штамповки

Листовая штамповка — это технология, позволяющая изготавливать разнообразные детали путем изменения формы листовой заготовки. К таким деталям относятся металлическая посуда, элементы автомобилей, тракто- ров, самолетов, вагонов, ракет, консервные банки, резервуары, котлы, части морских судов, велосипедов, мотоциклов и многое другое. Многообразие деталей предопределяет разнообразие формоизменяющих операций листовой штамповки. В данной лекции рассматриваются основные виды этих операций, их особенности, а также штампуемость материалов и методы ее оценки.

Классификация формоизменяющих операций

Формоизменяющие операции листовой штамповки включают следующие основные виды:

• Гибка — операция, изменяющая кривизну всей или части заготовки в плоскости гибки.
• Вытяжка — преобразование листовой заготовки в чаше или коробкообразную оболочку, либо углубление уже имеющейся оболочки.
• Ротационная вытяжка — формоизменение вращающейся круглой заготовки в осесимметричную оболочку или изменение формы и толщины такой оболочки.
• Обтяжка — растяжение листовой заготовки с одновременным обтягиванием по пуансону для формирования оболочки.
• Местная формовка — деформация небольшого участка листовой заготовки.
• Отбортовка — смещение части заготовки вдоль контура в матрицу с одновременным растяжением и поворотом, формирующее борт.
• Раздача — увеличение контура поперечного сечения трубы на определенном участке или по всей длине.
• Обжим — уменьшение поперечных размеров краевой части полой цилиндрической заготовки.

Штампуемость

Штампуемость — это способность металла деформироваться при формоизменяющих операциях листовой штамповки без разрушения. Она зави- сит от множества факторов, включая химический состав материала, его структуру (тип кристаллической решетки, размер и форма зерен, текстура, полосчатость макроструктуры) и условия деформирования. Разные операции штамповки создают различные схемы напряженного и деформированного состояний, что влияет на штампуемость материала. Один и тот же материал может хорошо деформироваться при одной операции, но показывать худшие результаты при другой.

Линии течения и скольжения

При двухосном растяжении на поверхности деталей могут появляться ли- нии течения — следы местного утонения, расположенные хаотически. Они возникают при одноименном напряженном состоянии, когда максималь- ное касательное напряжение находится под углом 45° к поверхности за- готовки. Линии течения портят внешний вид деталей, например, облицо- вочных элементов автомобилей, и требуют дополнительных грунтовоч- ных работ перед окраской.

В отличие от линий течения, линии скольжения проявляются при разноименных схемах напряженного состояния, где максимальное касательное напряжение перпендикулярно или наклонено к поверхности заготовки. Линии течения особенно характерны для материалов с площадкой текучести на диаграмме деформирования, таких как низкоуглеродистые стали, молибден, латуни и нейзильбер. Для устранения линий течения применяют предварительную деформацию листа (например, холодную прокатку с малыми обжатиями или гибку в специальных вальцах).

Сезонное растрескивание

Сезонное растрескивание — это самопроизвольное образование трещин в металле без внешнего воздействия, чаще наблюдаемое в латунях, аусте- нитной коррозионно-стойкой стали (особенно при нагреве до 400°C) и других сплавах. Оно вызвано межкристаллитной коррозией, ускоряемой остаточными напряжениями. Для предотвращения применяют изменение химического состава сплава, снятие остаточных напряжений или нанесение защитных пленок.

Старение

С течением времени в металле происходят диффузионные процессы, увеичивающие прочность и снижающие пластичность. Это явление, называемое старением, может быть естественным (при комнатной температу- ре) или искусственным (при нагреве). Естественное старение может уменьшить допустимую деформацию при штамповке, увеличивая риск брака по разрывам.

Предельное формоизменение

При проектировании процессов штамповки важно определить предель- ную степень деформирования, от которой зависит качество изделия и возможность использования свойств материала. Превышение предельной деформации может привести к потере устойчивости (образованию складок, гофр, коробления) или чрезмерному утонению, трещинам и разрушению.

Оценка штампуемости

Штампуемость оценивается с помощью испытаний, регламентированных ГОСТами, и дополнительных технологических проб. Основные характеристики, определяемые при испытании на растяжение:

• Временное сопротивление (σ_в) — максимальное напряжение, кото- рое выдерживает материал.
• Относительное удлинение (δ = ∆l/l₀) — мера пластичности материала.
• Равномерное относительное удлинение (δ_р) — удлинение до образования шейки.
• Истинный предел прочности (σ_ист = P_max/F_ист) — усилие в момент образования шейки, отнесенное к площади сечения.
• Коэффициент анизотропии (R_s = ^ln(b0/b) ) — соотношение изменений

ln(s₀/s)

ширины и толщины образца.

Коэффициент анизотропии R_s характеризует сопротивление локальному утонению при вытяжке. Для металлов с кубической решеткой определяют также коэффициент R_α, измеряемый вдоль направления прокатки и под углом 45°. Высокие значения δ_р, σ_в/σ_т (1,4–1,7) и R_s (1,4–1,8) указывают на хорошую способность к вытяжке.

Технологические пробы

Для более точной оценки штампуемости применяют технологические пробы, такие как:

• Испытание на перегиб — определение числа перегибов до разруше- ния, оценивающее сопротивление знакопеременному изгибу.
• Испытание по Эриксену — выдавливание сферической лунки до появления трещины. Глубина лунки служит показателем штампуемо- сти, но зависит от толщины заготовки и трения.
• Гидростатическое выпучивание — моделирует двухосное растяжение, оценивая поведение металла при глубокой вытяжке.
• Испытание по Свифту — вытяжка цилиндрического стакана без утонения стенки. Предельный коэффициент вытяжки (D_{заготовки}/D_{стакана}) характеризует способность к вытяжке.
• Метод Энгельгардта — вытяжка с записью диаграммы усилий, где отношение P_max/P_отр указывает на способность к вытяжке.

Заключение

Многообразие формоизменяющих операций листовой штамповки и сложность оценки штампуемости требуют дальнейших исследований для разработки более точных методов испытаний. Понимание свойств материалов и выбор оптимальных параметров деформирования позволяют повысить качество деталей и снизить затраты на производство.

Контрольные вопросы

1. Какие основные виды формоизменяющих операций листовой штамповки вы знаете? Опишите их.
2. Что такое штампуемость, и от каких факторов она зависит?
3. Чем отличаются линии течения от линий скольжения, и как они влияют на качество деталей?
4. Что такое сезонное растрескивание, и как с ним бороться?
5. Как старение металла влияет на процесс штамповки?
6. Какие характеристики определяются при испытании на растяжение, и как они связаны с штампуемостью?
7. Опишите суть испытания по Эриксену и его ограничения.
8. Что такое предельный коэффициент вытяжки, и как он определяется в испытании по Свифту?