Лекция: Вытяжка в листовой штамповке

Введение

Вытяжка — это технологический процесс листовой штамповки, позволяющий из плоской или полой листовой заготовки получать полые пространственные изделия, как правило, не требующие дальнейшей обработки. Этот процесс широко применяется в различных отраслях промышленности, таких как машиностроение, автомобилестроение, авиастроение и производство бытовых изделий. Вытяжкой изготавливаются детали разнообразных форм и размеров — от осесимметричных до сложных несимметричных конструкций. В данной лекции рассматриваются основные аспекты вытяжки, включая классификацию деталей, механизмы деформации, напряженно-деформированное состояние, влияние упрочнения материала, а также факторы, определяющие качество и точность процесса.

Номенклатура и классификация деталей, получаемых вытяжкой

Вытяжка позволяет изготавливать широкий спектр полых деталей с толщиной материала от 0,01–0,03 мм до 30 мм, размерами от нескольких миллиметров до нескольких метров и весом до двух тонн. В зависимости от формы и технологических особенностей, детали, получаемые вытяжкой, классифицируются на три основные группы:

1. Детали, имеющие форму тела вращения:
   • Цилиндрические, конические, с криволинейной образующей.
   • Могут быть с фланцем или без, с плоским или фасонным дном.
   • Примеры: днища резервуаров, котлов, баков, гильзы снарядов, металлическая посуда, детали осветительной аппаратуры.
2. Детали коробчатой формы:
   • Имеют квадратные, прямоугольные или криволинейные боковые стенки.
   • Могут быть с фланцем или без, с плоским или фасонным дном.
   • Примеры: топливные баки, бидоны, тара для продуктов.
3. Детали сложной формы:
   • Полусимметричные (с одной плоскостью симметрии, например, корпус или крыша кабины автомобиля).
   • Несимметричные (например, крыло автомобиля).
   • Примеры: кузовные детали, корпусные элементы транспорта, детали химической и теплообменной аппаратуры.

В зависимости от формы детали, вытяжка может выполняться в чистом виде или сочетаться с другими операциями штамповки, такими как формовка, гибка, обжим или отбортовка.

Технология вытяжки

Оборудование и штампы

Вытяжка осуществляется на эксцентриковых, кривошипных или гидравлических прессах с использованием специальных штампов. Основные рабочие элементы штампа:

• Матрица с закругленной рабочей кромкой (радиус закругления rм).
• Пуансон с закруглением (rп).
• Прижимное кольцо (складкодержатель), применяемое при необходимости для предотвращения складок.

Между пуансоном и матрицей имеется зазор z, через который пуансон втягивает заготовку. Процесс заключается в протяжке листовой заготовки через отверстие матрицы, что приводит к уменьшению ее периметра и формированию полого изделия или полуфабриката.

Виды вытяжки

По характеру и степени деформации выделяют три типа вытяжки:

1. Вытяжка без утонения стенок:
   • Происходит значительное уменьшение диаметра заготовки без изменения толщины стенок.
   • Применяется для деталей с умеренной высотой.
2. Вытяжка с утонением стенок (протяжка):
   • Уменьшение толщины стенок при незначительном изменении диаметра.
   • Используется для деталей с высокой точностью размеров.
3. Комбинированная вытяжка:
   • Сочетает значительное уменьшение диаметра и толщины стенок.
   • Применяется для сложных деталей с высокой степенью деформации.

Условия проведения вытяжки

Вытяжка может выполняться с прижимом или без него:

• Без прижима: Используется для неглубоких деталей или толстых материалов, где складки минимальны или выглаживаются в процессе.
• С прижимом: Применяется для предотвращения складок при вытяжке тонких заготовок или при значительном уменьшении диаметра. Прижимное кольцо фиксирует фланец заготовки, обеспечивая радиальное перемещение материала.

Вытяжка обычно проводится в холодном состоянии, но для толстолистовой стали (s > 20 мм) или малопластичных сплавов (например, титановых) заготовку нагревают для повышения пластичности и снижения деформирующего усилия.

Напряженно-деформированное состояние при вытяжке

Механизм деформации

При вытяжке плоская заготовка диаметром D деформируется, проходя через ряд промежуточных положений (см. Рис. 6.21). Различные участки заготовки находятся в разных условиях деформации:

1. Дно изделия (элемент а):
   • Находится в плосконапряженном и объемно-деформированном состоянии.
   • Деформация составляет 1–3% на первом переходе, что позволяет пренебречь изменением толщины. На последующих переходах толщина дна уменьшается, особенно у латуни, из-за перетекания металла в зону максимального утонения.
2. Цилиндрическая часть стенок (элемент с):
   • Находится в линейно-напряженном и объемно-деформированном состоянии.
   • Испытывает радиальное растяжение под действием пуансона.
3. Зона перехода от дна к стенкам (элемент б):
   • Подвергается двухосному растяжению и одноосному сжатию.
   • Является наиболее опасным сечением из-за значительного утонения (10–18%, до 30% при отрыве дна) и риска разрушения.
4. Зона закругления матрицы (элемент е):
   • Испытывает сложную деформацию: изгиб и распрямление, радиальное растяжение (σр) и незначительное тангенциальное сжатие (σθ).
5. Фланец заготовки (элемент д):
   • Находится в объемно-напряженном и деформированном состоянии.
   • Испытывает радиальные растягивающие (σр) и тангенциальные сжимающие (σθ) напряжения, а также осевые сжимающие напряжения (σn).
   • При недостаточном прижиме возможно образование складок из-за потери устойчивости.

Условия деформации

Очаг пластической деформации находится во фланце заготовки, где напряженное состояние является плоским двухосным разноименным. Основные напряжения:

• Радиальные (меридиональные) растягивающие напряжения (σр): Возрастают от края фланца к входной кромке матрицы.
• Тангенциальные (окружные) сжимающие напряжения (σθ): Максимальны у края фланца, уменьшаются к центру матрицы.
• Осевые сжимающие напряжения (σn): Незначительны и часто пренебрегаются.

При достижении условия пластичности (σр — σθ = σs) фланец переходит в пластическое состояние. Потеря устойчивости фланца приводит к образованию складок, особенно при тонких материалах (s/D·100 > 2).

Условие вытяжки без складок

Для предотвращения складок на первом переходе используется условие, предложенное Л. А. Шофманом:

D — d ≤ (18…22)s

где D — диаметр заготовки, d — диаметр стакана, s — толщина материала.

Если это условие не выполняется, вытяжка проводится с прижимом. Для интенсивно упрочняющихся материалов предельное отношение s/D может быть меньше.

Распределение напряжений

Максимальное радиальное растягивающее напряжение (σр max) в очаге деформации рассчитывается по формуле:

σр max = σв [(1 — ψр)(x/ψр)^(1-ψр) (ln(R — x)/ψр) + μQ/(kR s σв) + s/(2rм + s)] (1 + 1,6μ)

где:

• ψр — относительное сужение материала при растяжении;
• x = (R — Rн)/R — относительное смещение края фланца;
• R — радиус заготовки, Rн — наружный радиус фланца;
• μ — коэффициент трения;
• Q — усилие прижима;
• k — коэффициент, зависящий от геометрии;
• rм — радиус закругления матрицы;
• σв — временное сопротивление разрыву.

Формула учитывает:

• Сопротивление деформации фланца с учетом упрочнения.
• Контактные силы трения на матрице и прижиме.
• Напряжения от изгиба и распрямления на кромке матрицы.

Изменение толщины материала

Толщина стенок вытянутой детали варьируется по продольному сечению:

• Дно: Сохраняет исходную толщину на первом переходе, но может утоняться на последующих.
• Зона перехода от дна к стенкам: Наибольшее утонение (10–18%, до 30% при риске отрыва дна).
• Край детали: Утолщение на 15–20% (до 30%) из-за сжатия фланца.

Максимальная толщина края (smax) рассчитывается как:

smax = s0

Зазор между пуансоном и матрицей (z) принимается равным smax и уточняется по справочным таблицам.

Факторы, влияющие на утонение

1. Радиус закругления матрицы (rм): Меньший радиус увеличивает утонение.
2. Степень деформации: Чем больше деформация, тем сильнее утонение.
3. Зазор между пуансоном и матрицей: Меньший зазор увеличивает утонение.
4. Усилие прижима (Q): Чрезмерный прижим увеличивает утонение и риск отрыва дна.
5. Пластичность материала: Низкая пластичность усиливает утонение.
6. Количество операций: Многопереходная вытяжка увеличивает утонение.

Многопереходная вытяжка

Особенности последующих переходов

Последующие переходы вытяжки выполняются в матрицах с конической или цилиндрической заходной частью. Заготовкой служит стакан, полученный на первом переходе. Условия деформации менее благоприятны из-за:

• Упрочнения металла на первом переходе, что увеличивает напряжение текучести.
• Переменной толщины стенок (увеличивается от дна к краю).

Вытяжка без прижима проводится при:

s/D·100 ≥ (5…7)(1 — m)

где m = d/D — коэффициент вытяжки. При меньших значениях s/D требуется прижим.

Оптимальный угол наклона конической матрицы (φопт) определяется как:

sin φопт = (условие из литературы)

Обычно φопт находится в пределах 10–35°. Использование матриц с реактивной полостью (цилиндрическая заходная часть высотой H = 0,4D) предотвращает продольные трещины за счет создания натяга и снижения окружных растягивающих напряжений (σθ).

Влияние упрочнения

В процессе холодной вытяжки металл упрочняется, что увеличивает усилие деформирования (см. Рис. 6.22). Без отжига усилие возрастает по мере движения пуансона, достигая максимума в конце вытяжки из-за увеличения толщины стенок. Промежуточный рекристаллизационный отжиг (например, при 700°C с нормализацией при 900°C) снижает упрочнение, уменьшая усилие вытяжки и позволяя увеличить степень деформации.

Однако отжиг усложняет процесс, требуя нагревательных устройств, травления и промывки для удаления окалины. Многопереходная вытяжка без отжигов может быть экономически выгоднее, позволяя достигать отношения высоты к диаметру до 5 (Kв = D/d ≈ 5) при 10 переходах.

Заключительный отжиг обязателен для снятия остаточных напряжений и предотвращения хрупкости детали, особенно при риске продольных трещин.

Дефекты при вытяжке и их устранение

1. Складки (гофры):
   • Причина: Недостаточный прижим или большое отношение D/d.
   • Устранение: Использование прижимного кольца, соблюдение условия D — d ≤ (18…22)s.
2. Отрыв дна:
   • Причина: Чрезмерное утонение в зоне перехода от дна к стенкам, высокие растягивающие напряжения.
   • Устранение: Увеличение радиуса закругления матрицы, снижение усилия прижима, использование отжига.
3. Продольные трещины:
   • Причина: Окружные растягивающие напряжения (σθ) на последующих переходах.
   • Устранение: Применение матриц с реактивной полостью, промежуточный отжиг.
4. Утонение стенок:
   • Причина: Малый зазор, высокая степень деформации.
   • Устранение: Оптимизация зазора (z = smax), уменьшение степени деформации за переход.
5. Остаточные напряжения:
   • Причина: Упрочнение металла при многопереходной вытяжке.
   • Устранение: Заключительный отжиг.

Контрольные вопросы

1. Какие типы деталей изготавливаются вытяжкой, и как они классифицируются?
2. Какие виды вытяжки различают по характеру деформации? В чем их особенности?
3. Опишите основные элементы штампа для вытяжки и их функции.
4. Как влияет прижимное кольцо на процесс вытяжки? В каких случаях оно необходимо?
5. Опишите напряженно-деформированное состояние заготовки в различных зонах при вытяжке.
6. Какие факторы влияют на утонение стенок при вытяжке? Как их можно минимизировать?
7. Как рассчитывается максимальное радиальное напряжение (σр max) при вытяжке?
8. В чем преимущества и недостатки многопереходной вытяжки с промежуточными отжигами?
9. Как матрицы с реактивной полостью предотвращают продольные трещины?
10. Какие дефекты могут возникнуть при вытяжке, и как их устранить?