Лекция: Инструмент, зазоры и вытяжка с утонением в листовой штамповке

Введение

Вытяжка в листовой штамповке — это технологический процесс, позволяющий изготавливать полые детали сложной формы с высокой точностью и прочностью. Особое внимание в процессе уделяется выбору инструмента, настройке зазоров между пуансоном и матрицей, а также технологии вытяжки с утонением, которая применяется для создания высоких деталей с тонкими стенками. Кроме того, операция отбортовки играет важную роль в формировании бортов по внутреннему или внешнему контуру заготовки, заменяя в ряде случаев вытяжку с последующей вырубкой. В данной лекции рассматриваются особенности инструмента, зазоров, технологии вытяжки с утонением и отбортовки, а также расчеты параметров и методы предотвращения дефектов.

Инструмент и зазоры при вытяжке коробчатых деталей

Особенности инструмента

Для вытяжки коробчатых деталей используются штампы, включающие матрицу, пуансон и, при необходимости, прижимное кольцо. Матрицы изготавливаются с различными радиусами закругления рабочих кромок для создания благоприятных условий деформирования по всему периметру детали:

• Угловые участки контура: Радиус закругления кромки матрицы (rм) составляет (6…8)s, где s — толщина заготовки. Это соответствует условиям вытяжки цилиндрических деталей, обеспечивая плавное течение металла.
• Прямолинейные участки контура: Радиус закругления кромки матрицы (rм) уменьшается до (3…6)s для большего торможения течения металла в матрицу, что предотвращает образование складок.

Зазоры между пуансоном и матрицей

Зазоры между пуансоном и матрицей (z) подбираются с учетом изменения толщины материала в процессе вытяжки:

• Прямолинейные участки: Толщина заготовки почти не изменяется, поэтому зазор составляет z = 1,1s.
• Угловые участки: Заготовка утолщается из-за сжатия, поэтому зазор увеличивается до z = (1,3…1,4)s.

Различие в зазорах позволяет компенсировать неравномерное распределение деформаций и предотвратить дефекты, такие как складки или трещины.

Вытяжка с утонением

Технология

Вытяжка с утонением применяется для изготовления высоких пустотелых деталей (гильзы, баллоны и т.д.) с глубиной до 20 диаметров, у которых толщина дна превышает толщину стенок. Используемые материалы включают латунь, низкоуглеродистую сталь, алюминиевые сплавы и другие пластичные в холодном состоянии материалы. Процесс обеспечивает:

• Высокую точность размеров (допуски h9–h12).
• Прочность стенок, в 2–3 раза превышающую прочность исходного материала.
• Допуск на толщину стенки: 15–25% от номинальной толщины.
• Допуск на высоту полуфабриката: до 15% от высоты.

Процесс:

1. Полая заготовка, полученная вытяжкой или иным способом, устанавливается в матрицу.
2. Пуансон с небольшим зазором (z < s) проталкивает заготовку через одну или несколько соосных матриц, уменьшая толщину стенки (s1 < s0) при минимальном изменении диаметра.

Схема процесса представлена на рис. 6.34. Зазор между пуансоном и матрицей определяется как:

z = (Dм — Dп)/2 < s

где Dм — диаметр матрицы, Dп — диаметр пуансона, s — толщина стенки заготовки.

Напряженно-деформированное состояние

При вытяжке с утонением металл испытывает сложное напряженное состояние:

• Осевое растяжение (σz): Основное напряжение, вызывающее утонение стенки.
• Окружное сжатие (σθ): Возникает в зоне очага деформации.
• Радиальное сжатие: Незначительно из-за малого зазора.

Расчет параметров

Диаметр заготовки

Диаметр заготовки (D) рассчитывается из условия равенства объемов:

Vвыт = Vд + Vст = π/4 * dср²(h + h’)s’ + πdсрs = Vзаг = π/4 * D²s

Отсюда:

D = √(dср² + 4dср(h + h’)s’/s)

где:

• dср — средний диаметр детали;
• h, h’ — высота стенки и дна;
• s’ — толщина стенки после вытяжки;
• s — толщина исходной заготовки.

Усилие деформирования

Усилие деформирования (P) рассчитывается по формуле:

P = πdпs1σz + πdпμσθср(s0 — s1)/(sinα)

где:

• σz = σs[ln(s0/s1) + μ/2 * (1 — 1/(2tgα)) * ln(s0/s1) * (1 — s1/s0) + tgα/2]
• σθср = σs[1 — ln(s0/s1)]
• s0, s1 — толщина заготовки до и после вытяжки;
• α — угол матрицы;
• μ — коэффициент трения;
• σs — предел текучести.

Для ориентировочных расчетов:

P = πdнарiσут

где:

• dнар — наружный диаметр изделия;
• i = s0 — s1 — величина утонения;
• σут = (1,8…2,25)σв для стали, (1,6…1,8)σв для цветных металлов.

Работа деформирования

Работа (A) при вытяжке с утонением:

A = 1,2 * πdнарiσутh / 1000

где коэффициент 1,2 учитывает преодоление трения.

Число операций

Число операций (n) определяется по допустимой степени деформации (εдоп):

εдоп = (Fn-1 — Fn)/Fn-1 ≈ (sn-1 — sn)/sn-1 = 1 — mут

где mут = sn/sn-1 — коэффициент вытяжки.

Число операций:

n = (lg(s1) — lg(s2)) / lg(100/(100 — εдоп))

Средние значения εдоп и mут приведены в таблице 6.10:

Материал	Первая операция	Дальнейшие операции
Сталь мягкая	εдоп: 55–60%, mут: 0,45–0,40	εдоп: 35–45%, mут: 0,65–0,55
Сталь средней твердости	εдоп: 35–40%, mут: 0,65–0,60	εдоп: 25–30%, mут: 0,75–0,70
Латунь	εдоп: 60–70%, mут: 0,40–0,30	εдоп: 50–60%, mут: 0,50–0,40
Алюминий	εдоп: 60–65%, mут: 0,40–0,35	εдоп: 40–50%, mут: 0,60–0,50

Преимущества и особенности

• Позволяет получать высокие детали за меньшее число операций по сравнению с вытяжкой без утонения.
• Меньший риск образования складок из-за незначительного сокращения диаметра.
• Требует высокой пластичности материала и точной настройки зазоров.

Отбортовка

Технология

Отбортовка — операция формирования бурта по внутреннему (отбортовка отверстий) или внешнему контуру заготовки. Она заменяет вытяжку с последующей вырубкой дна, часто используется для создания отверстий под резьбу. Применяется для:

• Диаметров отверстий: 3–1000 мм.
• Толщины материала: 0,3–30 мм.

Процесс :

• Заготовка с пробитым отверстием вдавливается цилиндрическим или сферическим пуансоном в матрицу, формируя борт.
• Происходит тангенциальное удлинение металла и уменьшение толщины у края борта:

s1 = s0

Коэффициент отбортовки

Коэффициент отбортовки (Kот) определяется как:

Kот = d/D

где d — диаметр отверстия до отбортовки, D — диаметр борта по средней линии.

Для некруглых отверстий:

Kно = R0/Rд = (0,8…0,9)Kот

где R0, Rд — внутренние радиусы до и после отбортовки.

Предельные значения Kот зависят от:

• Способа получения отверстия (пробивка, сверление с зачисткой).
• Относительной толщины заготовки (s/D·100).
• Механических свойств материала.
• Формы пуансона.

Таблица 6.11. Значения Kот для отожженной стали, алюминия и латуни:

Способ получения отверстия	d0/s: 100	50	35	25	20	15	10	8	5	4
Пробивка в штампе	0,75	0,6	0,57	0,54	0,52	0,48	0,45	0,44	0,42	0,4
Сверление с зачисткой	0,7	0,6	0,52	0,48	0,45	0,42	0,36	0,33	0,30	0,27

Для исключения трещин Kот увеличивают на 10–15%. Для многопереходной отбортовки:

• Круглые отверстия: Kп = (1,15…1,20)Kот.
• Некруглые отверстия: Kп = (0,9…0,95)Kот.

Расчет параметров

Диаметр отверстия под отбортовку:

d = D — 2(H — 0,43r — 0,72s)

Высота борта (H):

• Для круглых отверстий:

H = 0,5(D — d)(1 — Kот) + 0,43rм + 0,72s

• Для прямоугольных отверстий:

H = Rд — R0 + 0,43rм + 0,72s

Радиус закругления кромки матрицы (rм):

• Для высокой жесткости: rм = (8…10)s.
• Для цилиндрического борта: rм = 0,5s.

Радиус пуансона:

• r = 0,3d (сопрягается с d1).
• rп = 2d1.

Усилие отбортовки

Для цилиндрического пуансона:

P = 1,1πsσs(D — d)

где σs — предел текучести.

Особенности отбортовки наружного контура

• Выпуклый контур: Аналогична неглубокой вытяжке без прижима, с сжимающими напряжениями во фланце.
• Вогнутый контур: Аналогична отбортовке отверстий, с растягивающими напряжениями.
• Выполняется на кривошипных, гидравлических или фрикционных прессах, иногда с использованием резиновых подушек.

Многопереходная отбортовка

Для больших высот борта применяют:

• Отбортовку с утонением для малых отверстий.
• Предварительную вытяжку, пробивку отверстия и отбортовку для крупных отверстий.

Контрольные вопросы

1. Какие радиусы закругления кромок матрицы используются для угловых и прямолинейных участков при вытяжке коробчатых деталей?
2. Как подбираются зазоры между пуансоном и матрицей для коробчатых деталей? Почему они различаются?
3. В чем особенности технологии вытяжки с утонением? Для каких деталей она применяется?
4. Как рассчитывается диаметр заготовки при вытяжке с утонением? Какие параметры учитываются?
5. Как определяется усилие деформирования при вытяжке с утонением? Какие упрощенные формулы используются?
6. Как рассчитывается число операций при вытяжке с утонением? Как зависит допустимая степень деформации от материала?
7. Что такое отбортовка, и в каких случаях она заменяет вытяжку с вырубкой?
8. Как определяется коэффициент отбортовки для круглых и некруглых отверстий? От чего он зависит?
9. Как рассчитывается высота борта при отбортовке? Какие параметры влияют на выбор радиуса матрицы?
10. Какие особенности отбортовки наружного контура? Чем она отличается для выпуклого и вогнутого контура?