Лекция: Вытяжка осесимметричных нецилиндрических и коробчатых деталей

Введение

Вытяжка осесимметричных нецилиндрических и коробчатых деталей является важной частью листовой штамповки, позволяющей изготавливать полые изделия сложной формы с высокой точностью. К таким деталям относятся осесимметричные изделия с широким фланцем, ступенчатые, конические, сферические, а также коробчатые детали с плоскими или криволинейными стенками. Эти процессы отличаются от вытяжки цилиндрических деталей более сложными условиями деформирования, что требует специальных технологических приемов для предотвращения дефектов, таких как складки, трещины или отрыв дна. В данной лекции рассматриваются особенности вытяжки таких деталей, расчеты параметров, напряженно-деформированное состояние и способы повышения качества штамповки.

Вытяжка осесимметричных нецилиндрических деталей

Особенности технологии

Осесимметричные нецилиндрические детали, такие как изделия с широким фланцем, ступенчатые, конические или с криволинейной образующей, имеют менее благоприятные условия деформирования по сравнению с цилиндрическими деталями. Это обусловлено сложной геометрией, неравномерным распределением напряжений и деформаций, а также необходимостью учета упрочнения материала. Для успешного изготовления таких деталей применяются специальные приемы, включая многопереходную вытяжку, использование прижима, перетяжных ребер и отжигов.

Вытяжка деталей с широким фланцем

Технология

Детали с широким фланцем представляют собой изделия незавершенной вытяжки, где плоская заготовка не полностью протягивается через матрицу, оставляя фланец заданного диаметра. После первой операции вытяжки диаметр фланца (Dф) соответствует чертежу детали (с припуском на обрезку) и остается неизменным на последующих переходах. Формоизменение происходит за счет:

• Уменьшения диаметра цилиндрической части полуфабриката.
• Увеличения высоты детали.
• Перераспределения металла во фланец.

Коэффициент вытяжки (K) определяется как:

K = D/d

где D — диаметр заготовки, d — диаметр цилиндрической части детали.

Если K ≤ Kдоп (допустимый коэффициент вытяжки для первого перехода цилиндрической детали), вытяжка выполняется без разрушения заготовки. В противном случае требуется многопереходная вытяжка.

Расчет числа операций

Число операций (n) для вытяжки деталей с широким фланцем рассчитывается по формуле:

n = lg(dn) — lg(m1D) / lg(mср)

где:

• m1 = 1/K1 — коэффициент вытяжки на первой операции;
• mср = 1/Kср — средний коэффициент вытяжки;
• dn — конечный диаметр цилиндрической части.

Высота после первой операции (h1) определяется как:

h1 = (D² — Dф²)/(4d1) + 0,86r

где r — радиус закругления.

На последующих операциях высота (hn) рассчитывается как:

hn = Kn + 0,86rn

где Kn = dn-1/dn — коэффициент вытяжки на n-м переходе, rn — радиус полуфабриката.

Технологические рекомендации

1. Диаметр фланца после первой вытяжки должен соответствовать требуемому с учетом припуска на обрезку.
2. На первой операции вытягивается на 5–10% больше металла (по площади), чем требуется, для перераспределения во фланец на последующих переходах.
3. Для крупных деталей высота полуфабриката изменяется незначительно, а вытяжка достигается за счет изменения радиусов закругления.
4. Для деталей с малым фланцем (Dф/dn = 1,1…1,4) сначала вытягивают цилиндрическую заготовку, затем формируют конический фланец, который правят в плоскость.
5. Для высокой деформации применяют проталкивание заготовки с созданием осевых сжимающих напряжений, что разгружает опасное сечение и позволяет обойтись без межоперационных отжигов.

Вытяжка ступенчатых деталей

Технология

Ступенчатые детали (см. Рис. 6.28) изготавливаются многопереходной вытяжкой. Первая ступень диаметром d1 формируется из плоской заготовки за одну или несколько операций, после чего диаметры d1 и фланца (Dф, если предусмотрен) остаются неизменными. Последующие ступени (d2, d3 и т.д.) формируются за счет перераспределения металла, аналогично вытяжке деталей с широким фланцем.

Высоты полуфабрикатов определяются из условия равенства площадей поверхностей. Избыток поверхности (3–5%) на предыдущей операции предотвращает отрыв дна.

Расчет итогового коэффициента вытяжки

Итоговый коэффициент вытяжки (Kпр) для ступенчатой детали рассчитывается как:

Kпр = (h1 + h2 + … + hn-1 + h2/d2 + h3/d3 + … + hn/D0)/(h1d1 + h2d2 + … + hn-1dn-1 + dn(h2/D0))

где hi и di — высоты и диаметры ступеней, D0 — диаметр заготовки.

Если Kпр < Kдоп, деталь можно вытянуть за одну операцию. В противном случае требуется многопереходная вытяжка, начиная с больших диаметров, затем переходя к меньшим.

Калибровка

Для деталей с допусками 2-го или 3-го класса точности проводится дополнительная операция калибровки на специальных штампах для достижения требуемых размеров.

Вытяжка конических деталей

Технология

Конические детали имеют форму усеченного конуса (см. Рис. 6.29) и изготавливаются за одну или несколько операций в зависимости от высоты (h), диаметра (dб) и угла наклона образующей.

• Малой высоты (h ≤ (0,1…0,3)dб): Вытяжка за одну операцию при угле наклона 50–80° и высокой пластичности материала. Без прижима при s/D·100 > 2,5, с прижимом при s/D·100 < 2.
• Средней высоты (h = (0,4…0,7)dб): Вытяжка за одну операцию при толстом материале и малом фланце, иначе — многопереходная.
• Высокой высоты (h > 0,8d, угол < 30°): Многопереходная вытяжка.

Способы вытяжки

1. Способ последовательных цилиндров:
   • Используется при малых углах конусности (α) и K = d1/d2 ≤ Kдоп.
   • Сначала вытягивается цилиндрический колпачок диаметром d1, затем ступенчатый колпачок, вписанный в контур детали. На последней операции проводится калибровка с предварительным отжигом.
   • Недостаток: неодинаковая толщина стенок, кольцевые отпечатки.
2. Способ параллельных конусов:
   • Полуфабрикаты имеют форму конуса и цилиндра, постепенно увеличивая конусную поверхность за счет уменьшения цилиндрической.
   • Обеспечивает равномерную толщину стенок и гладкую поверхность.
   • Число операций определяется как для цилиндрических деталей, затем добавляются переходы для формирования конуса.

Расчет параметров

• Зазор (z):
• z = 8s при K ≤ 1,25 и s/dn·100 ≤ 1%

z = 10s при K ≤ 1,1 и s/dn·100 ≤ 2%

• Радиус перехода от дна к стенке (rдн): rдн = 8s.
• Предельная высота (h):

h ≤ (sв/sт)^0,5 * dдн / tg(α + μ)

где dдн — диаметр дна, α — угол наклона стенки, μ = 0,1–0,15 (коэффициент трения).

Особенности

Для предотвращения складок и пружинения применяются перетяжные ребра, конические прижимы или многосекционные прижимы с пружинами. Отладка таких штампов трудоемка, особенно для деталей с большим фланцем.

Вытяжка коробчатых деталей

Особенности технологии

Коробчатые детали (см. Рис. 6.30) имеют плоские боковые стенки, сопряженные цилиндрическими поверхностями радиусом rу. Они классифицируются как:

• Низкие (H/B ≤ 0,6…0,8): Вытягиваются за одну операцию.
• Высокие (H/B > 0,6…0,8): Требуют двух и более операций.

Очаг деформации находится в угловых участках фланца и зоне сопряжения фланца со стенками. Напряженное состояние сложное:

• Нормальные напряжения (σр, σθ) и касательные напряжения (τρθ, τθρ) в угловых участках.
• Сжатие вдоль контура и растяжение по высоте стенок.

Напряженно-деформированное состояние

• Угловые участки фланца: Плоское сжато-растянутое состояние с объемной деформацией. Напряжения σр (радиальные) и σθ (окружные) сопровождаются сдвиговыми деформациями.
• Прямолинейные участки: Испытывают изгиб на кромке матрицы без значительного удлинения.
• Максимальное напряжение (σр max) в угловых участках при θ = 0:

σр max = 0,682σs * ln(R/rу)

где R — радиус фланца, rу — радиус закругления, σs — предел текучести.

Максимальная степень вытяжки (K = R/rу) достигает 4,3, что в 1,5–2 раза выше, чем для цилиндрических деталей.

Дефекты и их устранение

• Хлопуны: Возникают из-за неравномерных упругих деформаций в угловых и прямолинейных участках. Устраняются приданием стенкам слегка овальной формы или правкой с растяжением на 2,5–4% в штампе с секторным пуансоном.
• Складки: Предотвращаются переменным усилием прижима, зависящим от σв и sотн = s/(A + B + 4rу).

Расчет размеров заготовки

Для низких коробчатых деталей (H/rу < 5) контур заготовки строится следующим образом:

• Развертка прямолинейных участков: l = H + 0,57rдн.
• Радиус заготовки (R0) для угловых участков:
• R0 = √(rу(rу + 2H)) при малом rдн

R0 = √(rу(rу + 2H)) — rдн(0,86rу + 0,14rдн)

• Угловые и прямолинейные участки сопрягаются дугами радиусом R0.

Для высоких квадратных деталей диаметр круглой заготовки (D0):

D0 = 1,13√(B² + 4BH)

С учетом радиусов закругления:

D0 = 1,13√(B² + 4B(Hп — 0,43r) — 1,72r(Hп + 0,33r))

Для высоких прямоугольных деталей заготовка имеет форму овала, образованного двумя полуокружностями и касательными. Длина (L0) и ширина (B0):

B0 = 2R0, L0 = 2R0 + (A — B)

Припуск на обрезку (ΔH) составляет 5–15% от H или:

ΔH ≈ 0,8H

Усилие вытяжки

Для квадратных деталей:

P = 4(B — 0,43rу)sσр max

где:

σр max = σs * ln(R/rу) + μQ/(kRs)

Для прямоугольных деталей с L/B > 2:

P = 4(B — 0,43rу)sσр max + 2(A — B)(σтр + σи)(1 — 1,6μ)

где σтр ≈ Q/(Ls), σи ≈ σв * s/(2rм + s).

По формуле Крейна:

P = sσв(2πrcC1 + LC2)

где L = 2(A + B — 4rc), C1 = 0,5…2, C2 = 0,2…1,0.

Для сложных форм:

P = sLσв

где α = 0,3…1,1.

Усилие прижима

Усилие прижима (Q) рассчитывается как:

Q = Fуqу + Fпрqпр

где Fу, Fпр — площади угловых и прямолинейных участков фланца, qу = 0,24…2,32 МПа, qпр = 0,24…3,45 МПа.

Контрольные вопросы

1. Какие типы осесимметричных нецилиндрических деталей изготавливаются вытяжкой?
2. В чем особенности вытяжки деталей с широким фланцем? Как рассчитывается число операций?
3. Как определяется высота полуфабриката при вытяжке деталей с широким фланцем?
4. Опишите технологию вытяжки ступенчатых деталей. Как учитывается избыток поверхности?
5. Какие способы используются для вытяжки конических деталей? В чем их преимущества и недостатки?
6. Как рассчитывается предельная высота конической детали? Какие параметры на нее влияют?
7. Опишите напряженно-деформированное состояние при вытяжке коробчатых деталей.
8. Как определяется максимальное радиальное напряжение (σр max) для коробчатых деталей?
9. Какие дефекты возникают при вытяжке коробчатых деталей, и как их устранить?
10. Как рассчитываются размеры заготовки для вытяжки высоких прямоугольных деталей?