Лекция: Формовка в листовой штамповке

Введение

Формовка — это технологический процесс листовой штамповки, направленный на изменение формы заготовки путем создания местных углублений, выпуклостей или ребер жесткости. Этот процесс сопровождается незначительным изменением толщины материала за счет его растяжения. Формовка широко применяется для изготовления деталей сложной пространственной формы, таких как элементы кузовов и кабин транспортных машин, мембраны и другие изделия с повышенной жесткостью. В данной лекции рассматриваются основные аспекты формовки, включая технологию создания ребер жесткости, местных выступов, мембран, а также особенности формовки крупногабаритных деталей. Особое внимание уделяется расчетам параметров, методам предотвращения дефектов и технологическим рекомендациям.

Основы формовки

Определение и виды операций

Формовка представляет собой локальную вытяжку, при которой материал подвергается растяжению с незначительным утонением. Основные операции формовки включают:

• Формовку ребер жесткости (полукруглые, угловые, плоскодонные).
• Создание местных выступов и углублений.
• Завивку буртов.
• Изготовление деталей сложной пространственной формы (например, кузовных панелей, обшивки судов).

Формовка выполняется преимущественно с использованием металлических штампов, хотя для некоторых процессов применяются резиновые или жидкостные матрицы.

Формовка ребер жесткости

Технология и назначение

Ребра жесткости формируются на плоских, криволинейных или наклонных поверхностях деталей (см. рис. 6.36, а). Они повышают жесткость изделия на 100–200%, уменьшают пружинение и позволяют снизить толщину материала, сохраняя прочность. Ребра жесткости бывают:

• Полукруглые (см. рис. 6.36, б).
• Угловые.
• Плоскодонные.

Параметры полукруглых ребер жесткости:

• Высота ребра: H = R = (2…4)s.
• Радиус закругления: r = (2…5)s.
• Ширина ребра: A = (4…8)s, где s — толщина заготовки.

Параметры угловых и плоскодонных ребер приведены в справочной литературе [3, 7].

Технологические особенности

Формовка ребер жесткости выполняется с прижимом заготовки для предотвращения искривления основной поверхности. Ширина зоны прижима составляет 30–40 толщин металла, а удельное усилие прижима — 150–250 МПа. Если ребра формируются за несколько операций, процесс начинается с элементов, наиболее удаленных от края заготовки, чтобы минимизировать утонение и предотвратить разрывы.

Предельная степень деформации рассчитывается по формуле:

ε = 100 * (L1 — L0) / L0 ≤ 0,75δ ≤ 15…18%

где:

• L1 — длина материала по наиболее глубокому сечению после формовки;
• L0 — длина того же участка до формовки;
• δ — относительное удлинение материала (%).

Если степень деформации превышает 15–18%, формовка выполняется за несколько переходов с предварительным набором металла. На первом переходе формируется плавный профиль с длиной, превышающей L1 на 3–5 длин. Для сложных рельефов может потребоваться межоперационный отжиг для восстановления пластичности материала.

Усилие штамповки

Усилие для формовки ребер жесткости:

P = (0,7…1)L s σв

где:

• L — длина периметра ребра (мм);
• s — толщина заготовки (мм);
• σв — предел прочности материала (МПа).

Для второй операции (при двухпереходной формовке):

P = (0,2…0,3)L s σв

Для малогабаритных деталей (s ≤ 1,5 мм):

P = F q k

где:

• F — площадь штампуемого рельефа (мм²);
• q — удельное давление, q = (0,2…0,4)σв (МПа);
• k — коэффициент, учитывающий форму рельефа.

Формовка местных выступов и углублений

Технология

Местные выступы и углубления, обычно круглой или овальной формы, формируются за один или несколько переходов. Их размеры относительно невелики по сравнению с заготовкой. Если выступы расположены на расстоянии более 4rм (rм — радиус формовочной матрицы) от края заготовки, деформация происходит за счет утонения материала. Утонение неодинаково и зависит от:

• Формы выступа.
• Высоты выступа.
• Способа формовки.
• Сил трения.

Ограничения:

• Потеря устойчивости материала при растяжении может привести к местному утонению или разрыву.
• Условия деформирования менее благоприятны, чем при формовке ребер, из-за сложной геометрии.

Если выступ или углубление находится ближе 4rм к краю, происходит утяжка материала, вызывающая искажение контура заготовки (см. рис. 6.37). Для компенсации утяжки предусматривается припуск на обрезку (c), величина которого определяется опытным путем в зависимости от формы и глубины рельефа.

Формовка мембран

Технология и материалы

Мембраны — это тонкие круглые металлические пластины, используемые как чувствительные элементы в приборах. Они имеют концентричные гофры (синусоидальные, угловые, плоские) и изготавливаются из материалов с высокой пластичностью, таких как:

• Фосфористая бронза (Бр. ОФ6,5-0,4).
• Оловянистая бронза (Бр. ОЦ4-3).
• Латунь (Л63).
• Нейзильбер.
• Нержавеющая сталь (12Х18Н9Т).

Процесс:

• Формовка гофров выполняется в инструментальных штампах стальным пуансоном на свинцовой или резиновой матрице, либо с использованием жидкости.
• Процесс проводится за 1–3 операции на гидравлических прессах, в зависимости от высоты гофров и требований к точности.

Расчет диаметра заготовки

Диаметр заготовки (D) для мембран с круговым профилем гофра рассчитывается по формуле:

D = √(hм [Dн² — Dр² + d² + (8k r s / 360)(D — 2r)])

где:

• hм — толщина мембраны (мм);
• Dн — наружный диаметр мембраны (мм);
• Dр — рабочий диаметр мембраны (мм);
• d — диаметр плоского центра мембраны (мм);
• α — наклон образующей гофра (град);
• r — радиус дуги гофра (мм).

Формулы для других профилей гофр приведены в [8].

Формовка деталей сложной пространственной формы

Применение

Формовка применяется для изготовления деталей кузовов, кабин транспортных машин и обшивки судов. Эти детали имеют сложную криволинейную форму и должны обладать:

• Технологичностью конструкции.
• Высоким качеством поверхности (без волн, вмятин, складок).
• Достаточной жесткостью.
• Минимальными упругими деформациями.

Классификация деталей:

• Группа А: Наружная обшивка (панели крыши, капота, крылья).
• Группа Б: Внутренняя облицовка (панели пола, корпуса дверей).
• Группа В: Каркасные элементы (стойки, поперечины, усилители).

Технологические особенности

Формообразование сложных деталей сочетает вытяжку и рельефную формовку. Основные этапы:

1. Разработка технологии: Начинается на этапе эскизного проекта с создания экспериментальных моделей штампов для выявления сложных участков.
2. Моделирование: Форма и размеры заготовки определяются по гипсовым или пластмассовым моделям, которые служат эталоном для проектирования штампов.
3. Выбор положения детали: Определяется наиболее благоприятное положение детали в штампе для минимизации дефектов.
4. Технологичность: Достигается за счет:
   • Уменьшения глубины вытяжки.
   • Выравнивания глубины на разных участках.
   • Придания плавных форм.
5. Применение перетяжных ребер и порогов (см. рис. 6.38):
   • Перетяжные ребра располагаются параллельно рабочему контуру матрицы, их количество (1–3 ряда) зависит от глубины и конфигурации детали.
   • Перетяжные пороги применяются для неглубоких оболочек (панели дверей, капота) для интенсивного торможения течения металла.
6. Последовательность операций:
   • Основная вытяжка совмещается с формообразованием местных элементов (ребра, выступы, впадины).
   • Обрезка технологического припуска выполняется за один переход.
   • Пробивка отверстий проводится после формовки для сохранения точности.
   • Отбортовка и формирование фланцев завершают процесс.

Дефекты и их устранение

• Хлопуны: Устраняются повышенным растяжением материала при формовке неглубоких деталей.
• Коробление: Вызывается дополнительными внутренними напряжениями при последующих операциях. Устраняется минимизацией числа операций и совмещением формообразования с вытяжкой.
• Складки, вмятины: Предотвращаются использованием перетяжных ребер/порогов и оптимизацией прижима.

Расчет размеров заготовки

Из-за сложной криволинейной формы точный расчет размеров заготовки невозможен. Они определяются опытным путем при испытании штампов. Для учета утяжки добавляется припуск на обрезку, величина которого зависит от формы и глубины рельефа.

Формовка в судостроении

Особенности

В судостроении формовка применяется для создания крупногабаритных деталей обшивки корпуса из толстолистового металла. Эти детали имеют сложную пространственную кривизну и изготавливаются на:

• Гидравлических прессах с универсальными штампами и сменными рабочими частями.
• Гибочных прессах или вальцах с использованием поперечных прокладок.

Технология требует высокой точности и качества поверхности, а также минимальных припусков для экономии материала.

Контрольные вопросы

1. Что такое формовка, и какие операции к ней относятся?
2. Какова роль ребер жесткости в повышении прочности деталей? Какие типы ребер существуют?
3. Как рассчитывается предельная степень деформации при формовке? Что делать, если она превышает допустимые значения?
4. Как определяется усилие штамповки для формовки ребер жесткости? Чем отличается усилие на второй операции?
5. Какие особенности формовки местных выступов и углублений? Как влияет расстояние до края заготовки?
6. Как рассчитывается диаметр заготовки для мембран с круговым профилем гофра?
7. Какие группы деталей сложной пространственной формы выделяются при формовке кузовов и кабин?
8. Как обеспечивается технологичность при формовке крупногабаритных деталей? Какие меры снижают риск дефектов?
9. Какова роль перетяжных ребер и порогов в процессе формовки? Где они применяются?
10. Почему невозможно точно рассчитать размеры заготовки для сложных криволинейных деталей? Как они определяются?